JP5450374B2 - 作業機の油圧システム及び作業機の油圧制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、バックホー、トラクタ等の作業機において、ポンプ吐出量を調整可能な可変容量ポンプの吐出回路を、吐き出される作動油のポンプ吐出圧が制御バルブの操作量から算出した予定のブリードオフ面積値に応じた指令吐出圧となるように制御する作業機の油圧システム及び作業機の油圧制御方法に関するものである。

従来、可変容量ポンプを備えた作業機の油圧システムの制御方法が知られている。
この油圧システムの制御方法は、外部からポンプ吐出量の調整可能な可変容量ポンプの吐出回路に、複数のアクチュエータを制御バルブを介して接続した油圧システムを制御するものであって、余分な作動油をタンクに流す（ブリードする）ことがなく、アクチュエータを動作させるために必要な作動油のみを可変容量ポンプから吐き出しており、エネルギーロスを抑制している。

従来の油圧システムは、吐出回路のポンプ吐出圧に基づく圧力信号と、各制御バルブの操作量に基づく操作量信号と、可変容量ポンプのポンプ吐出量に基づくアクチュエータ流量の流量信号とを検出でき、コントローラによって、操作量信号の総和値から予定のブリードオフ面積値を算出する。
さらに、コントローラは、前記ブリードオフ面積値と、可変容量ポンプの最大吐出量から流量信号によるアクチュエータ流量を減算した流量値とから指令吐出圧を算出し、可変容量ポンプのポンプ容量を指令吐出圧と吐出圧信号を減算した算出値をパラメータとして算出された吐出量指令により油圧システムを制御する（特許文献１参照）。

特開平１０−０４７３０６号公報

上記従来の油圧システムの制御方法は、無駄な作動油をタンクにブリードしないように、吐出回路と作動油タンクとを連通するドレン油路を有さない型（クローズドセンター型）の制御バルブを用いているため、制御バルブの中立時には制御バルブの内部で作動油が流れない。
作動油が流れなければ制御バルブの温度は上がらず、特に寒冷地などでは制御バルブが冷えたままとなり、スプールの動きに支障をきたす。

本発明は、このような問題点に鑑みて、可変容量ポンプの吐出回路をポンプ吐出圧が制御バルブの操作量から算出した予定のブリードオフ面積値に応じた指令吐出圧となるように制御する際に、吐出回路の作動油を制御バルブを通って作動油タンクに排油させるドレン油路を設けて、制御バルブの中立時で且つ作動油の温度が所定温度以下である時にドレン油路を開いて制御バルブ内で作動油を流すことで、スプールの動作に支障がないよう事前に制御バルブのヒートアップができる作業機の油圧システム及び作業機の油圧制御方法を提供することを目的とする。

前記課題を達成するために、本発明に係る作業機の油圧システムは、以下の技術的手段を採用した。
第１に、ポンプ吐出量Ｑを調整可能な可変容量ポンプ３の吐出回路４と、この吐出回路４に制御バルブ５を介して接続されたアクチュエータ６と、前記可変容量ポンプ３から吐き出される作動油のポンプ吐出圧Ｐを制御するコントローラ７とを備え、
このコントローラ７は、前記制御バルブ５の操作量ｓから算出した予定のブリードオフ面積値Ｂに応じた指令吐出圧ＳＰとすべく吐出回路４を制御する作業機の油圧システムであって、
前記吐出回路４の作動油を制御バルブ５を通って作動油タンク８に排油させるドレン油路９を有し、
このドレン油路９に、前記制御バルブ５の中立時で且つ作動油の温度が所定温度Ｔ以下である時にドレン油路９を開いて制御バルブ５内で作動油を流す油流動手段１０を備えていることを特徴とする。

第２に、前記油流動手段１０は、前記ドレン油路９の最下流に設けられていて前記吐出回路４の作動油が所定のリリーフ圧Ｒを越えた時にドレン油路９を開くリリーフ弁１１と、前記ドレン油路９を開閉する切替弁１２とを有していると共に、前記コントローラ７で吐出回路４を制御バルブ５の中立時に指令吐出圧ＳＰが所定のリリーフ圧Ｒより高くなるように制御し、且つ前記コントローラ７で切替弁１２を可変容量ポンプ３からアクチュエータ６への油路ＰＣ及びアクチュエータ６から作動油タンク８への油路ＣＴが開く前にドレン油路９を閉じるように制御していることを特徴とする。

第３に、前記制御バルブ５は、前記可変容量ポンプ３からアクチュエータ６への油路ＰＣ及びアクチュエータ６から作動油タンク８への油路ＣＴが開く前に前記ドレン油路９を閉じるように構成され、
前記油流動手段１０は、前記ドレン油路９の最下流に設けられていて前記吐出回路４の作動油が所定のリリーフ圧Ｒを越えた時にドレン油路９を開くリリーフ弁１１を有していると共に、前記コントローラ７で吐出回路４を制御バルブ５の中立時に指令吐出圧ＳＰが所定のリリーフ圧Ｒより高くなるように制御していることを特徴とする。

第４に、前記油流動手段１０は、前記作動油の温度が所定温度Ｔを越えた時にはコントローラ７で吐出回路４を制御バルブ５の中立時に指令吐出圧ＳＰが所定のリリーフ圧Ｒより低くなるように制御することを特徴とする。
第５に、前記油流動手段１０は、前記ドレン油路９を開閉する切替弁１２を有し、この切替弁１２をコントローラ７で制御バルブ５の中立時であって作動油の温度が所定温度Ｔ以下である時にドレン油路９を開き、且つ作動油の温度が所定温度Ｔを越えた時にドレン油路９を閉じるように制御していることを特徴とする。

第６に、前記油流動手段１０は、前記作動油タンク８内に作動油の温度を検出する温度センサ１４を有すると共に、この温度センサ１４で検出した作動油の温度に基づいてコントローラ７でドレン油路９の開きを制御していることを特徴とする。
第７に、前記可変容量ポンプ３は、エンジン２駆動式であって、
前記油流動手段１０は、前記エンジン２の始動時にもドレン油路９を開くことを特徴とする。

また、本発明に係る作業機の油圧制御方法は、第１に、ポンプ吐出量Ｑを調整可能な可変容量ポンプ３を有していて制御バルブ５を介してアクチュエータ６が接続された吐出回路４を、前記可変容量ポンプ３のポンプ吐出圧Ｐが制御バルブ５の操作量ｓから算出した予定のブリードオフ面積値Ｂに応じた指令吐出圧ＳＰとなるように制御する作業機の油圧制御方法であって、
前記制御バルブ５の中立時で且つ作動油の温度が所定温度Ｔ以下である時に、前記吐出回路４の作動油を制御バルブ５を通って作動油タンク８に排油させるドレン油路９を開い
て制御バルブ５内に作動油を流すことを特徴とする。

第２に、前記可変容量ポンプ３は、エンジン２駆動式であって、
前記エンジン２の始動時にもドレン油路９を開くことを特徴とする。

請求項１に係る発明によると、コントローラで制御バルブの操作量から算出した予定のブリードオフ面積値に応じた指令吐出圧とすべく吐出回路を制御する作業機の油圧システムが、吐出回路の作動油を制御バルブを通って作動油タンクに排油させるドレン油路を有し、制御バルブの中立時で且つ作動油の温度が所定温度以下である時にドレン油路を開いて制御バルブ内で作動油を流す油流動手段を備えていることで、制御バルブを操作する前に内部に作業油を流してヒートアップすることが可能となり、寒冷地等で制御バルブが低温であってもスプール動作への影響を低減できる。

請求項２に係る発明によると、吐出回路の作動油が所定のリリーフ圧を越えた時にドレン油路を開くリリーフ弁と、ドレン油路を開閉する切替弁とを有していると共に、コントローラで制御バルブの中立時に指令吐出圧が所定のリリーフ圧より高く且つ可変容量ポンプからアクチュエータへの油路及びアクチュエータから作動油タンクへの油路が開く前にドレン油路を閉じるように制御することで、リリーフ弁及び切替弁を後付けして、制御バルブ中立時の指令吐出圧と切替弁とをコントロールするだけでよいため、組付け容易化、制御システムの簡略化を図りながら、低温の制御バルブをヒートアップでき、スプール動作をスムースにできる。

請求項３に係る発明によると、可変容量ポンプからアクチュエータへの油路及びアクチュエータから作動油タンクへの油路が開く前にドレン油路を閉じるように制御バルブを構成し、吐出回路の作動油が所定のリリーフ圧を越えた時にドレン油路を開くリリーフ弁を有していると共に、コントローラで制御バルブの中立時に指令吐出圧が所定のリリーフ圧より高くなるように制御することによって、追加する部品点数を可及的に少なくしてシステムの小型化を図り、制御バルブ中立時の指令吐出圧をコントロールするだけで、制御バルブを内部で作動油を流動させてヒートアップできる。

請求項４に係る発明によると、作動油の温度が所定温度を越えた時には制御バルブの中立時に指令吐出圧が所定のリリーフ圧より低くなるように制御することで、制御バルブをヒートアップした後、指令吐出圧のコントロールだけで余計に作動油をタンクにブリードすることがなくなり、無駄を省くことができる。
請求項５に係る発明によると、ドレン油路を開閉する切替弁を、コントローラで制御バルブの中立時であって作動油の温度が所定温度以下である時にドレン油路を開き、且つ作動油の温度が所定温度を越えた時にドレン油路を閉じるように制御することで、制御バルブの中立時でも制御バルブ内へ作業油を流してヒートアップできる。

請求項６に係る発明によると、作動油タンク内の温度センサで検出した作動油の温度に基づいてコントローラでドレン油路の開きを制御することで、制御バルブの温まり具合を油圧システムが自動的に認識でき、運転者を介さずに、冷えた時にはヒートアップし、温まれば無駄なブリードを止めることができる。
請求項７に係る発明によると、エンジン駆動式の可変容量ポンプを有する油圧システムにおける問題として、エンジン始動時には、作動油をタンクへ逃がせず作動油が高圧になってしまう状況下でセルモータに大電流を流してエンジンを始動させていたため、セルモータに電流を供給するバッテリに負荷がかかっていたが、エンジン始動時にドレン油路を開くことで、作動油をタンクに排油してセルモータにかかる負荷を減らすことができ、エンジン始動用の別バッテリ等を設ける必要がないため、バッテリの小型化が図れる。

請求項８に係る発明によると、可変容量ポンプのポンプ吐出圧が制御バルブの操作量から算出した予定のブリードオフ面積値に応じた指令吐出圧となるように制御する場合に、制御バルブの中立時で且つ作動油の温度が所定温度以下である時に、吐出回路の作動油を制御バルブを通って作動油タンクに排油させるドレン油路を開いて制御バルブ内に作動油を流すことで、寒冷地等で低温となった制御バルブをヒートアップでき、スプールの動作に支障がなくなる。

請求項９に係る発明によると、可変容量ポンプがエンジン駆動式であっても、エンジン始動時にかかるセルモータ及びバッテリの負担をドレン油路を開くことで低減し、バッテリを小型化できる。

本発明に係る作業機の油圧システムの油圧回路図である。 油圧システムのブロック図である。 油圧システムの制御バルブにおけるスプールストロークと各油路の開口面積を表すグラフである。

以下に、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は、本発明に係る油圧システム１を示しており、図１における２１は、油圧システム１を備えたバックホーやトラクタ等の作業機２１であって、作業機２１は、機体中にエンジン２、作動油タンク８、バッテリ２２等の補器を有している。
図１中の６はアクチュエータ（油圧アクチュエータ）であって、油圧アクチュエータ６は、作業機（バックホー）２１の掘削作業装置におけるブーム、アーム及びバケット等を揺動駆動している。

図１、２を参照して、作業機２１に装備されたいくつかの油圧アクチュエータ６を作動させるための油圧システム１について説明する。
図１に示すように、油圧システム１は、前記エンジン２によって駆動され且つポンプ吐出量Ｑを調整可能な可変容量ポンプ３と、この可変容量ポンプ３の吐出回路４と、この吐出回路４に制御バルブ５を介して接続された油圧アクチュエータ６と、可変容量ポンプ３から吐き出される作動油のポンプ吐出圧Ｐを制御するコントローラ７とを有する。

さらに油圧システム１は、吐出回路４の作動油を作動油タンク８に排油させるドレン油路９と、エンジン２の始動時にドレン油路９を開く油流動手段１０（１０Ａ１、１０Ａ２、１０Ｂ、１０Ｃ）と、作動油の温度を検出する温度センサ１４とを備えている。
なお、油流動手段１０は、エンジン２の始動時にドレン油路９を開くのであれば、１０Ａ１（図１中のＡ−１）、１０Ａ２（同Ａ−２）、１０Ｂ（同Ｂ）、１０Ｃ（同Ｃ）で示された例のいずれでもよく、まずは、油流動手段１０が、ドレン油路９の最下流に設けられたリリーフ弁１１と、このリリーフ弁１１の直前に設けられた切替弁１２とを備えている１０Ａ１（Ａ−１）の場合を、以下に述べる。

前記可変容量ポンプ３は、エンジン２を駆動源とし且つ傾斜板１７等のポンプ容量制御機構を備えたアキシャルピストンポンプなどの公知のもので、エンジン２停止時などには、傾斜板１７の一端に連結されたポンプバネ２３の付勢によって傾斜板１７が、所定角（例えば、最大角）となるように構成されている。
なおこれは、急遽バッテリ２２からの電流が途絶えた等の非常時でも、可変容量ポンプ３が所定のポンプ吐出量Ｑを確保して油圧アクチュエータ６に必要な作動油を供給し、油圧システム１をダウンさせないためである。

可変容量ポンプ３の傾斜板１７他端には、ポンプアクチュエータ１８のロッド１８ａが連結されており、ポンプアクチュエータ１８のロッド１８ａを出退させることで、可変容量ポンプ３のポンプ吐出量Ｑを調節できる。
前記吐出回路４は、可変容量ポンプ３のポンプ吐出圧Ｐを制御するポンプ圧力制御部２４を備えている。

このポンプ圧力制御部２４は、ポンプ吐出圧Ｐが指令吐出圧ＳＰとなるように、可変容量ポンプ３のポンプ吐出量をポンプアクチュエータ１８を介してコントロールするものである。ポンプ圧力制御部２４の入力は、可変容量ポンプ３の吐出口３ａからの作動油、及び上述したコントローラ７からの指令吐出圧ＳＰであり、出力として、ポンプアクチュエータ１８へ作動油を供給する。

ポンプ圧力制御部２４は、ポンプアクチュエータ１８への作動油の流れを制御するポンプ制御弁２５と、このポンプ制御弁２５のスプール２５ａ一端に所定の圧を立てる電磁リリーフ弁２６とを備えている。
この電磁リリーフ弁２６は、入力電流が上がるとポンプリリーフ圧Ｐｒが下がるネガティブ型であって、弁体を油路閉じ方向に付勢する調節バネ２６ａと、この調節バネ２６ａの付勢方向と拮抗するように配備された比例ソレノイド２６ｂとを有している。

上述のポンプ制御弁２５のスプール２５ａの一端には、可変容量ポンプ３の吐出口３ａから直接届く作動油によってポンプ吐出圧Ｐ（自己圧）がかかり、スプール２５ａの他端には、ポンプ制御弁２５に備え付けられたバネ２５ｂによる付勢力、及び電磁リリーフ弁２６により制御されるポンプリリーフ圧Ｐｒがかかっている。
このポンプリリーフ圧Ｐｒを電気的に（後述の圧力出力信号Ｄ１で）調節することによって、コントローラ７は、ポンプアクチュエータ１８への作動油の流入・流出でポンプアクチュエータ１８のロッド１８ａを出退させて傾斜板１７を操作でき、可変容量ポンプ３をポンプ吐出圧Ｐが指令吐出圧ＳＰとなるように制御できると共に、ポンプ吐出量Ｑの制御も可能となる。

なお、ポンプ圧力制御部２４は、可変容量ポンプ３の傾斜板１７の傾斜角（後述の傾斜入力信号Ｈ１）を電気的に検出する傾斜センサ２７を有しており、コントローラ７で、可変容量ポンプ３のポンプ吐出量Ｑが換算される。
前記制御バルブ５は、油圧アクチュエータ６の出退方向を切り換えるセンターオープン型（６ポート）の方向制御弁であって、各方向制御弁は、吐出回路４から供給される作動油の油路がそれぞれのＰポートへ分岐しているパラレル型である（図１参照）。

制御バルブ５は、スプール１５を一端側から付勢する付勢バネ５ａと、この付勢バネ５ａの付勢方向と拮抗するように配備された比例ソレノイド５ｂとを有している。
図１に示したように、比例ソレノイド５ｂは、操作レバー等の操作手段２８の操作量ｓ（傾角）に比例して電流が流れることで制御バルブ５内部のスプール１５を動かす。スプール１５の動かされた量（ストローク）に応じた面積だけ、可変容量ポンプ３から油圧アクチュエータ６の各油室への油路ＰＣが開口し、この開口面積に応じて油圧アクチュエータ６の作動速度が制御される。

なお、油圧アクチュエータ６への油路ＰＣは、ドレン油路９が閉じる前に開くように制御バルブ５が構成されている。
また、操作手段２８は、操作レバーの傾角などの指令量又は制御バルブ５のスプール１５の移動量である制御バルブ５の操作量ｓ（後述の操作入力信号Ｈ２）を電気的に検出する操作センサ２９を有している。

上述したドレン油路９は、可変容量ポンプ３の吐出口３ａと作動油タンク８とを連通して、可変容量ポンプ３からの作動油を作動油タンク８に直接排油（ドレン）させる油路であって、各制御バルブ５の中央のポート（センターポート）を貫通するように設けられている。
なお、ドレン油路９は、センターポートに設けられていなくとも、センターポート脇のポートなど、制御バルブ５内部のいずれかを通過していればよい。

ドレン油路９の最下流（最下流側の制御バルブ５と作動油タンク８との間）には、吐出回路４からの作動油が所定のリリーフ圧Ｒを越えた時にドレン油路９を開くリリーフ弁１１が設けられ、このリリーフ弁１１の直前（リリーフ弁１１と最下流側の制御バルブ５との間）には、ドレン油路９を開閉する切替弁１２が設けられている。
なお、リリーフ弁１１の所定のリリーフ圧Ｒは、後述の中立指令吐出圧ＳＰ’（＝（ＳＱ／Ｋｑ×Ｂ）²）よりも高く設定されており、本実施形態においては、４０（Ｋｇｆ／ｃｍ²）である。

前記切替弁１２は、内部のスプール１２ａをドレン油路９が閉じる側へ付勢する付勢バネ１２ｂと、この付勢バネ１２ｂの付勢方向と拮抗するように配備されたＯＮ／ＯＦＦソレノイド１２ｃとを有している。このソレノイド１２ｃにコントローラ７によって電流が流された（後述の開き出力信号Ｄ２）時だけ、切替弁１２はドレン油路９を開く。
前記温度センサ１４は、半導体抵抗温度センサや、白金等の金属測温抵抗体を用いたものであって、作動油タンク８内に設けられている。タンク８内の作動油の温度を電気的に検出して、温度に応じた後述の温度入力信号Ｈ６をコントローラ７へ送る。

なお、油圧システム１は、可変容量ポンプ３の吐出口３ａのポンプ吐出圧Ｐ（後述の圧力入力信号Ｈ３）を電気的に検出する圧力センサ３０を有している。
また、作業機２１は、エンジン２の始動時に運転者が使用するエンジンキー等のエンジン始動手段３１（始動入力信号Ｈ４）を有している。
前記コントローラ７は、Ａ／Ｄ変換器、演算器、Ｄ／Ａ変換器等で構成され、可変容量ポンプ３の傾斜板１７の傾斜角をポテンショメータ、ロータリエンコーダ等から傾斜入力信号Ｈ１として入力し、制御バルブ５の操作量ｓを操作センサ２９から操作入力信号Ｈ２として入力し、可変容量ポンプ３のポンプ吐出圧Ｐを圧力センサ３０から圧力入力信号Ｈ３として入力する。

本発明に係るコントローラ７は、上記に加えて、作動油の温度を温度センサ１４から温度入力信号Ｈ６として入力する。
また、コントローラ７の出力は、ポンプ圧力制御部２４のポンプ制御弁２５のポンプリリーフ圧Ｐｒを圧力出力信号Ｄ１とすると共に、切替弁１２のスプール１２ａを開き位置とする開き出力信号Ｄ２（又は閉じ位置とする閉じ出力信号Ｄ３）も出力する。

なお、コントローラ７は、圧力出力信号Ｄ１の代わりに、可変容量ポンプ３に対してポンプ吐出量Ｑを指令する容量出力信号Ｄ１’を出力することとしてもよい。
コントローラ７は、以下の３つの制御Ｃ１〜Ｃ３を行う。
１つは、ドレン油路９閉鎖時において、制御バルブ５の操作量ｓ（スプール１５のストローク）に応じて指令吐出圧ＳＰを算出し、必要なポンプ吐出圧Ｐとなるように可変容量ポンプ３を制御（吐出圧制御Ｃ１）することである。

その他には、ドレン油路９を開く制御（開閉制御Ｃ２）と、ポンプ吐出圧Ｐを所定値まで上げる制御（昇圧制御Ｃ３）であるが、まずは指令吐出圧ＳＰの算出方法を以下に述べる。
指令吐出圧ＳＰは、以下の式１〜４に基づいて決定される。

式１では、まず設定吐出量ＳＱを求めているが、この設定吐出量ＳＱとは、最大ポンプ吐出量Ｑｍａｘを上限とする設定値であって、作業機２１の走行、ブーム揺動などの使用状態に応じて必要となるアクチュエータ流量Ｑａ及びブリードオフ流量Ｑｂと、生じうる差流量ΔＱとの和として計算される。
式１におけるブリードオフ流量Ｑｂは、流量係数Ｋｑと、使用状態に応じて予定されるブリードオフ面積値Ｂと、その使用状態に応じた指令吐出圧ＳＰとを用いて、式２の関係式で表せる。

ここで、式２中のブリードオフ面積値Ｂとは、コントローラ７内に予め用意され且つ制御バルブ５の操作量ｓを入力とする関数によって算出される値であって、この関数の出力値である作動油タンク８に連通する通路（ブリードオフ通路）の開口面積値をいう。
式１における差流量ΔＱはほとんど０に近いので無視すると、指令吐出圧ＳＰは、以下の式３によって静的に求めることができる。

式３において、ドレン油路９を閉じている際には作動油がタンク８に排油されないのであるから、回路上のわずかな漏れを無視すれば、可変容量ポンプ３のポンプ吐出量Ｑ（つまり、傾斜板１７の傾斜入力信号Ｈ１）を、式１、３中のアクチュエータ流量Ｑａを表す信号として代替できる。

以下で吐出圧制御Ｃ１を説明する。なお、式４における右辺中の分子を流量値Ｘａ（＝ＳＱ−Ｑ）と、分母をブリードオフ特性値Ｘｂ（＝Ｋｑ×Ｂ）とする。
図２のブロック図に示すように、コントローラ７は、流量値Ｘａを、設定吐出量算出部７ａで使用状態に応じて設定した設定吐出量ＳＱから、可変容量ポンプ３からの傾斜入力信号Ｈ１をポンプ吐出量換算部７ｂによって換算したポンプ吐出量Ｑを算出する。

次にコントローラ７は、制御バルブ５の操作量ｓ（操作入力信号Ｈ２）に応じた予定のブリードオフ面積値Ｂに対して、流量係数Ｋｑを乗じてブリードオフ特性値Ｘｂを算出する。
上述した流量値Ｘａを、ブリードオフ特性値Ｘｂで除し、その値を２乗する演算を行い、指令吐出圧ＳＰを求める（式４参照）。

そして、この指令吐出圧ＳＰに基づき、ポンプ吐出圧Ｐのクローズドループ制御を行う。つまり、指令吐出圧ＳＰとポンプ吐出圧Ｐ（圧力入力信号Ｈ３）を減算し、指令吐出圧ＳＰとポンプ吐出圧Ｐとの差に対して位相補償機能を持ったゲイン（Ｇ_Ｃ）を掛けた圧力出力信号Ｄ１を、ポンプ圧力制御部２４へ出力する。
ポンプ圧力制御部２４は、圧力出力信号Ｄ１に従って電磁リリーフ弁２６のポンプリリーフ圧Ｐｒを調節して、ポンプアクチュエータ１８を介して傾斜板１７を操作することによって、可変容量ポンプ３のポンプ吐出圧Ｐが指令吐出圧ＳＰに収束するように制御する。

なお、前記クローズドループ制御を行うことで、式１における差流量ΔＱに影響するポンプ配管ボリューム及び漏れ分を補償し、打ち消すことができる。
制御バルブ５の中立時には、コントローラ７へ操作入力信号Ｈ２として０が入力される。この場合、コントローラ７で計算されるブリードオフ面積値Ｂは最大、つまり式４における右辺中の分母であるブリードオフ特性値Ｘｂが、分子である流量値Ｘａに比べて相対的に大きくなって、指令吐出圧ＳＰの値は小さくなる。

実際には、ポンプ吐出量Ｑは回路のわずかな漏れ分しか必要とせず、アクチュエータ速度（つまり、アクチュエータ流量Ｑａ）もほとんど０と入力されるため、可変容量ポンプ３は、最低限必要な中立指令吐出圧ＳＰ’（＝（ＳＱ／Ｋｑ×Ｂ）²）分だけの圧を保てばよく、エネルギーの浪費が低減される。
なお、本実施形態において中立指令吐出圧ＳＰ’の値は、ポンプ制御弁２５のバネ２５ｂや、電磁リリーフ弁２６による圧損分や漏れ分を考慮して、３５（Ｋｇｆ／ｃｍ²）となり、この値となるように設定吐出量ＳＱを設定すればよい。

また、可変容量ポンプ３に中立指令吐出圧ＳＰ’を指令する際、電磁リリーフ弁２６がネガティブ型であるため、コントローラ７からの圧力出力信号Ｄ１として電流値０の信号を送ればよい。
制御バルブ５を操作位置に移動すると、コントローラ７上のブリードオフ面積値Ｂが小さくなって、指令吐出圧ＳＰの値はいったん大きくなる。

しかし、指令吐出圧ＳＰが油圧アクチュエータ６にかかる負荷圧よりも高くなり、油圧アクチュエータ６のピストンを押して油室へ作動油が流入し始めると、指令吐出圧ＳＰの値を保持すべくポンプ吐出量Ｑ（アクチュエータ流量Ｑａ）が増大して、油圧アクチュエータ６の作動速度が上がる。
ポンプ吐出量Ｑが増大するということは、式４における右辺中の分子である流量値Ｘａ（＝ＳＱ−Ｑ）が、分母であるブリードオフ特性値Ｘｂに比べて相対的に小さくなるから、指令吐出圧ＳＰの値は逆に小さくなる。

このように、指令吐出圧ＳＰが上下して徐々に操作量ｓに見合ったアクチュエータ速度を維持するポンプ吐出圧Ｐ、ポンプ吐出量Ｑに収束して、制御バルブ５の操作量ｓから算出した予定のブリードオフ面積値Ｂに応じて必要なだけの指令吐出圧ＳＰとすべく吐出回路４を制御できる。
よって、実際のポンプ吐出量Ｑは、回路上の漏れを無視すれば、油圧アクチュエータ６に供給された分に限られ、エネルギーの無駄が減る。

この吐出圧制御Ｃ１と共に、本発明の油圧システム１は、ドレン油路９の開閉制御Ｃ２と、ポンプ吐出圧Ｐの昇圧制御Ｃ３とを行っている。
図２のブロック図に示す如く、開閉制御Ｃ２及び昇圧制御Ｃ３は、寒冷地等にて作業機２１を使用する場合に、作動油（及び制御バルブ５）が冷えている際に、両方が行われる。

これら制御Ｃ２、Ｃ３は、制御バルブ５の中立時（つまり、スプール１５を摺動させる前）で且つ作動油の温度が所定温度Ｔ（例えば、０℃から２０℃）以下である時には、操作センサ２８から送られる制御バルブ５の操作量ｓが０である旨の操作入力信号Ｈ２及び温度センサ１４から送られる温度入力信号Ｈ６が、コントローラ７に同時に入力された時に開始される（ヒートアップモード）。

また、制御Ｃ２、Ｃ３を開始する信号のうち温度入力信号Ｈ６は、別途、運転者のボタン操作（ヒートアップ開始手段）などによって、コントローラ７に入力されてもよい。
コントローラ７では、入力信号Ｈ２、Ｈ６が開閉指令部７ｃ及び昇圧指令部７ｄの両方に入力される。このうち、開閉指令部７ｃは、油流動手段１０Ａ１における切替弁１２へ、開き出力信号Ｄ２（ＯＮ／ＯＦＦソレノイド１２ｃを励起させる電流）を送って、切替弁１２のスプール１２ａを開き位置にしてドレン油路９を開く。

これと平行して、昇圧指令部７ｄは、ポンプ吐出圧Ｐがリリーフ弁１１のリリーフ圧Ｒ（４０（Ｋｇｆ／ｃｍ²））よりも高くなるように、指令吐出圧ＳＰを上げる。
詳しくは、式４に基づき、制御バルブ５中立時における流量値Ｘａ及びブリードオフ特性値Ｘｂから求めた値（中立指令吐出圧ＳＰ’＝３５（Ｋｇｆ／ｃｍ²））に対して、リリーフ圧Ｒよりも高くなるように昇圧値α（例えば、１５（Ｋｇｆ／ｃｍ²））を足す。

この足した値（中立指令吐出圧ＳＰ’＋昇圧値α＝５０（Ｋｇｆ／ｃｍ²））を、あらたに指令吐出圧ＳＰとし、この指令吐出圧ＳＰとポンプ吐出圧Ｐとの差に対して位相補償機能を持ったゲイン（Ｇ_Ｃ）を掛けた圧力出力信号Ｄ１を、ポンプ圧力制御部２４へ出力する。
圧力出力信号Ｄ１を受けたポンプ圧力制御部２４は、電磁リリーフ弁２６及びポンプアクチュエータ１８を介して、ポンプ吐出圧Ｐを指令吐出圧ＳＰの５０（Ｋｇｆ／ｃｍ²）に昇圧すべく、可変容量ポンプ３のポンプ吐出量Ｑを上げるが、ドレン油路９から作動油
がタンク８へ漏れるため、いつまでたってもポンプ吐出圧Ｐを５０（Ｋｇｆ／ｃｍ²）に収束させることができない。

その結果、例え中立時であっても、制御バルブ５内のドレン油路９を通って作動油が流れ続ける（流動する）こととなり、作動油の流動による摩擦熱で制御バルブ５がスプール操作に先だってヒートアップされ、スプール１５の動作への影響を低減できる。
なお、制御バルブ５の温まり具合は、作動油の温度を検知していれば判断がつくため、温度センサ１４からの温度入力信号Ｈ６をモニタしていればよい。

つまり、作動油の温度が所定温度Ｔを越えた時に、は、コントローラ７は、制御Ｃ２、Ｃ３を終了（ヒートアップモードを解除）して、吐出圧制御Ｃ１のみに戻る。
ヒートアップ解除時に、コントローラ７は、昇圧指令部７ｄで中立指令吐出圧ＳＰ’に昇圧値αを足すことを止め、制御バルブ５中立時の指令吐出圧ＳＰが本来の３５（Ｋｇｆ／ｃｍ²）となる。

実際のポンプ吐出圧Ｐもクローズドループ制御によって、３５（Ｋｇｆ／ｃｍ²）に近づき、リリーフ弁１１のリリーフ圧Ｒ４０（Ｋｇｆ／ｃｍ^２）を下回れば、作動油の流動が止まり、無駄に作動油タンク８へ排油されることはない。
ヒートアップ後の制御バルブ５操作時においては、可変容量ポンプ３からアクチュエータ６への油路ＰＣ及びアクチュエータ６から作動油タンク８への油路ＣＴが開く前に、切替弁１２によってドレン油路９を閉じれば、上述した吐出圧制御Ｃ１と同様に指令吐出圧ＳＰをコントロールできる。

なお、ドレン油路９を閉じる際には、開閉指令部７ｃから切替弁１２のソレノイド１２ｃへ送っていた開き出力信号Ｄ２の出力を中断するだけでよく、中断後は、付勢バネ１２ｂの付勢によって切替弁１２のスプール１２ａが閉じ位置に移動し、ドレン油路９は閉じる。
また、図１中の（Ａ−２）で示す油流動手段１０Ａ２は、１０Ａ１の変形例であって、ドレン油路９の最下流に設けられたリリーフ弁１１と、このリリーフ弁１１の直前に設けられた切替弁１２とを備えている。

油逃がし手段の変形例１０Ａ２は、油流動手段１０Ａ２における切替弁１２を、コントローラ７からの開き出力信号Ｄ２がない場合には、付勢バネ１２ｂによってスプール１２ａが開き位置となるように構成しており、ドレン油路９を閉じる際には、開閉指令部７ｃから切替弁１２のソレノイド１２ｃへ閉じ出力信号Ｄ３を出力することとなる。
図１中の（Ｂ）で示す油流動手段の変形例１０Ｂは、他の例１０Ａ１、１０Ａ２と同様に、ドレン油路９の最下流に設けられたリリーフ弁１１を備えていると共に、制御バルブ５が、可変容量ポンプ３からアクチュエータ６への油路ＰＣ及びアクチュエータ６から作動油タンク８への油路ＣＴが開く前にドレン油路９を閉じるように構成されていることが大きな特徴である（図４参照）。

したがって、コントローラ７は、可変容量ポンプ３からアクチュエータ６への油路ＰＣ及びアクチュエータ６から作動油タンク８への油路ＣＴが開く前にドレン油路９を閉じる制御をしなくともよく、制御系の簡素化が図れる。
そして、図１中の（Ｃ）で示す油流動手段の変形例１０Ｃは、ドレン油路９の最下流に、コントローラ７でドレン油路９の開度を調節可能な電磁比例弁１３を備えている。

この電磁比例弁１３は、制御バルブ５中立時で且つ作動油が所定温度Ｔ以下である時には開閉指令部７ｃからの開き出力信号Ｄ２によってドレン油路９を開く。
また、上述の変形例１０Ａ１、１０Ａ２、１０Ｂの場合と同様に、可変容量ポンプ３からアクチュエータ６への油路ＰＣ及びアクチュエータ６から作動油タンク８への油路ＣＴが開く前（操作入力信号Ｈ２）、又は作動油が所定温度Ｔを越えた時（温度入力信号Ｈ６）には、開閉指令部７ｃからの閉じ出力信号Ｄ３によってドレン油路９を閉じる。

なお、ドレン油路９を閉じる際に、電磁比例弁１３を徐々に閉じることによって、油圧システム１内にサージ圧が立つことを防止できる。
また、電磁比例弁１３の代わりに、パイロット圧による比例弁や、上述した切替弁１２であってもよい。切替弁１２の場合、開き出力信号Ｄ２及び閉じ出力信号Ｄ３を受けるタイミングは、上述した電磁比例弁１３と同様である。

これまで述べた油流動手段１０は、制御バルブ５をヒートアップする時だけでなく、エンジン始動時にドレン油路９を開くこととしてもよい。
これは、従来の油圧システムではエンジン始動させる際に、作動油をタンクへ逃がせず作動油が高圧になり、エンジン始動用のセルモータやバッテリ２２に負荷がかかっていたからであり、このバッテリ２２等の高負荷には開閉制御Ｃ２によって対応することができる。

運転手によるエンジン始動時には、エンジン始動手段３１が操作されて始動入力信号Ｈ４がコントローラ７に入力される。このとき、コントローラ７は、油流動手段１０へ開き出力信号Ｄ２を送ってドレン油路９を開き、油圧システム１内の作動油が昇圧する前にドレン油路９から作動油が逃げるため、小さい力でエンジン２を始動できる。
したがって、セルモータにかかる負荷を減らすことができるため、バッテリ２２の電圧容量を増やしたり、エンジン始動用に別バッテリを設ける必要がなくなり、バッテリ２２を小型化できる。

なお、図１中の変形例１０Ａ１、１０Ａ２、１０Ｂのようにドレン油路９にリリーフ弁１１を設けていれば、エンジン始動後に切替弁１２が開き位置等であっても、制御バルブ５の中立時における中立指令吐出圧ＳＰ’がリリーフ弁１１のリリーフ圧Ｒより低いため、作動油が無駄にタンク８に排油されることはない。
なお、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではない。作業機の油圧システム１等の各構成又は全体の構造、形状、寸法などは、本発明の趣旨に沿って適宜変更することができる。

油圧システム１は、作業機２１に搭載したエンジン２を駆動源とする可変容量ポンプ３を有していたが、バッテリ２２を駆動源とした可変容量ポンプ３を有していてもよい。さらに、作業機２１は、バッテリ２２を全駆動源とした電気バックホー、電気トラクタ等の電気作業機であってもよい。
可変容量ポンプ３は、油圧によって出退するポンプアクチュエータ１８で傾斜板１８を調整して容量を変化させる油圧式であるが、エンジン２等からギアなどの機械的な伝達機構で駆動力を伝えて傾斜板１８を調整する機械式や、リニア駆動アクチュエータ等の電気的な機構で容量を変化させる電気式などであってもよい。

制御バルブ５は、パラレル型であったが、上流側の制御バルブ５のセンターポート出力から、下流側の制御バルブ５のＰポートが順次分岐しているタンデム型であってもよい。
このとき、上述した切替弁１２は、ドレン油路９における各制御バルブ５間でなければ、吐出回路４の吐出口４ａの直後や、リリーフ弁１１直後のドレン油路９の最下流に設けてもよい。

中立指令吐出圧ＳＰ’は３５（Ｋｇｆ／ｃｍ²）とし、リリーフ弁１１の所定のリリー
フ圧Ｒは４０（Ｋｇｆ／ｃｍ²）としていたが、中立指令吐出圧ＳＰ’３０（Ｋｇｆ／ｃｍ²）に対してリリーフ圧Ｒを３５（Ｋｇｆ／ｃｍ²）とするなど、リリーフ圧Ｒが中立指令吐出圧ＳＰ’よりも高く設定されていればよい。

１ 作業機の油圧システム
２ エンジン
３ 可変容量ポンプ
４ 吐出回路
５ 制御バルブ
６ アクチュエータ
７ コントローラ
８ 作業油タンク
９ ドレン油路
１０ 油流動手段
１１ リリーフ弁
１２ 切替弁
１３ 電磁比例弁
１４ 温度センサ
Ｑ 可変容量ポンプのポンプ吐出量
Ｐ 可変容量ポンプのポンプ吐出圧
ｓ 制御バルブの操作量
Ｂ 予定のブリードオフ面積値
ＳＰ 指令吐出圧
ＰＣ 可変容量ポンプからアクチュエータへの油路
ＣＴ アクチュエータから作動油タンクへの油路
Ｔ 所定温度
Ｒ 所定のリリーフ圧

Claims (9)

1. ポンプ吐出量（Ｑ）を調整可能な可変容量ポンプ（３）の吐出回路（４）と、この吐出回路（４）に制御バルブ（５）を介して接続されたアクチュエータ（６）と、前記可変容量ポンプ（３）から吐き出される作動油のポンプ吐出圧（Ｐ）を制御するコントローラ（７）とを備え、
   このコントローラ（７）は、前記制御バルブ（５）の操作量（ｓ）から算出した予定のブリードオフ面積値（Ｂ）に応じた指令吐出圧（ＳＰ）とすべく吐出回路（４）を制御する作業機の油圧システムであって、
   前記吐出回路（４）の作動油を制御バルブ（５）を通って作動油タンク（８）に排油させるドレン油路（９）を有し、
   このドレン油路（９）に、前記制御バルブ（５）の中立時で且つ作動油の温度が所定温度（Ｔ）以下である時にドレン油路（９）を開いて制御バルブ（５）内で作動油を流す油流動手段（１０）を備えていることを特徴とする作業機の油圧システム。
2. 前記油流動手段（１０）は、前記ドレン油路（９）の最下流に設けられていて前記吐出回路（４）の作動油が所定のリリーフ圧（Ｒ）を越えた時にドレン油路（９）を開くリリーフ弁（１１）と、前記ドレン油路（９）を開閉する切替弁（１２）とを有していると共に、前記コントローラ（７）で吐出回路（４）を制御バルブ（５）の中立時に指令吐出圧（ＳＰ）が所定のリリーフ圧（Ｒ）より高くなるように制御し、且つ前記コントローラ（７）で切替弁（１２）を可変容量ポンプ（３）からアクチュエータ（６）への油路（ＰＣ）及びアクチュエータ（６）から作動油タンク（８）への油路（ＣＴ）が開く前にドレン油路（９）を閉じるように制御していることを特徴とする請求項１に記載の作業機の油圧システム。
3. 前記制御バルブ（５）は、前記可変容量ポンプ（３）からアクチュエータ（６）への油路（ＰＣ）及びアクチュエータ（６）から作動油タンク（８）への油路（ＣＴ）が開く前に前記ドレン油路（９）を閉じるように構成され、
   前記油流動手段（１０）は、前記ドレン油路（９）の最下流に設けられていて前記吐出回路（４）の作動油が所定のリリーフ圧（Ｒ）を越えた時にドレン油路（９）を開くリリーフ弁（１１）を有していると共に、前記コントローラ（７）で吐出回路（４）を制御バルブ（５）の中立時に指令吐出圧（ＳＰ）が所定のリリーフ圧（Ｒ）より高くなるように制御していることを特徴とする請求項１に記載の作業機の油圧システム。
4. 前記油流動手段（１０）は、前記作動油の温度が所定温度（Ｔ）を越えた時にはコントローラ（７）で吐出回路（４）を制御バルブ（５）の中立時に指令吐出圧（ＳＰ）が所定のリリーフ圧（Ｒ）より低くなるように制御することを特徴とする請求項２又は３に記載の作業機の油圧システム。
5. 前記油流動手段（１０）は、前記ドレン油路（９）を開閉する切替弁（１２）を有し、この切替弁（１２）をコントローラ（７）で制御バルブ（５）の中立時であって作動油の温度が所定温度（Ｔ）以下である時にドレン油路（９）を開き、且つ作動油の温度が所定温度（Ｔ）を越えた時にドレン油路（９）を閉じるように制御していることを特徴とする請求項１に記載の作業機の油圧システム。
6. 前記油流動手段（１０）は、前記作動油タンク（８）内に作動油の温度を検出する温度センサ（１４）を有すると共に、この温度センサ（１４）で検出した作動油の温度に基づいてコントローラ（７）でドレン油路（９）の開きを制御していることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の作業機の油圧システム。
7. 前記可変容量ポンプ（３）は、エンジン（２）駆動式であって、
   前記油流動手段（１０）は、前記エンジン（２）の始動時にもドレン油路（９）を開くことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の作業機の油圧システム。
8. ポンプ吐出量（Ｑ）を調整可能な可変容量ポンプ（３）を有していて制御バルブ（５）を介してアクチュエータ（６）が接続された吐出回路（４）を、前記可変容量ポンプ（３）のポンプ吐出圧（Ｐ）が制御バルブ（５）の操作量（ｓ）から算出した予定のブリードオフ面積値（Ｂ）に応じた指令吐出圧（ＳＰ）となるように制御する作業機の油圧制御方法であって、
   前記制御バルブ（５）の中立時で且つ作動油の温度が所定温度（Ｔ）以下である時に、前記吐出回路（４）の作動油を制御バルブ（５）を通って作動油タンク（８）に排油させるドレン油路（９）を開いて制御バルブ（５）内に作動油を流すことを特徴とする作業機の油圧制御方法。
9. 前記可変容量ポンプ（３）は、エンジン（２）駆動式であって、
   前記エンジン（２）の始動時にもドレン油路（９）を開くことを特徴とする請求項８に記載の作業機の油圧制御方法。

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