JP5530728B2 - 油圧制御装置及びこれを備えた油圧式作業機械 - Google Patents

Description

本発明は、油圧シリンダの伸縮に応じて作動する作業部材を有する油圧ショベル等の油圧式作業機械に関するものである。

従来から、機体と、機体に起伏可能に設けられたブームと、ブームを機体に対して起伏させるためのブームシリンダとを備えた油圧ショベルが知られている。

この種の油圧ショベルにおいて、ブーム下げ動作（ブームシリンダの縮小動作）を行う場合、ブームの位置エネルギに相当する圧力が上乗せされた作動油がブームシリンダのヘッド側室から吐出されることになるが、従来においては、この作動油を絞りを介してタンクに回収することにより、上記位置エネルギを熱エネルギとして廃棄していた。

そこで、上記位置エネルギを有効に活用すべく、ブームシリンダのヘッド側室から吐出された作動油を絞りを介して当該ブームシリンダのロッド側室に戻す（いわゆる、再生する）ことにより、ブームシリンダのキャビテーションを抑制することが行われている。

しかし、ブームシリンダのロッド側室に対する作動油の吸込量は、ヘッド側室からの作動油の吐出量よりも少ないため、再生した残りの作動油の位置エネルギは、依然として熱エネルギとして廃棄されることになる。

そこで、特許文献１及び２には、動力回生用のモータを別途備え、ブームシリンダのヘッド側室からの戻り油により動力回生用のモータを回転駆動させることによって、上記位置エネルギを回生する技術が開示されている。

特開２００８−７５７５３号公報 特開２００８−１２８４７８号公報

しかしながら、特許文献１及び２に係る技術では、作動油の回生のために別途モータを設けることを要するため、コストの増加、及び、モータの設置のために余分なスペースを要することに起因して装置全体の大型化を避けることができない。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、コストの増大や装置の大型化を抑制しつつ、油圧シリンダからの戻り油の持つエネルギを有効に活用することができる油圧制御装置及びこれを備えた油圧式作業機械を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明は、機体と、前記機体に対して変位可能な作業部材と、前記作業部材を変位させるための油圧シリンダとを有する油圧式作業機械の油圧制御装置であって、油圧ポンプと、前記油圧ポンプから前記油圧シリンダへの作動油の供給のための油路、及び、前記油圧シリンダからタンクへの作動油の導出のための油路を切り換えることにより、前記油圧シリンダの伸縮方向を切り換える制御弁と、前記制御弁と前記油圧ポンプとを接続する供給油路と、前記制御弁と前記タンクとを接続する導出油路と、前記制御弁と前記油圧シリンダのロッド側室とを接続するロッド側油路と、前記制御弁と前記油圧シリンダのヘッド側室とを接続するヘッド側油路と、前記ロッド側油路と前記ヘッド側油路とを接続する再生油路と、前記再生油路に設けられ、当該再生油路を流れる作動油の流量を調整可能な再生絞りと、前記油圧ポンプの吸込側と前記ヘッド側油路とを接続する回生油路と、前記回生油路に設けられ、当該回生油路を流れる作動油の流量を調整可能な回生絞りと、前記作業部材が重力の作用により油圧シリンダを縮小させながら目的の方向に移動可能な場合に、油圧シリンダのヘッド側室から導出された作動油が前記再生油路を介して当該油圧シリンダのロッド側室に再生されるとともに、前記油圧シリンダから導出された作動油のうちの前記再生に用いられるもの以外の作動油が前記回生油路を介して油圧ポンプに供給されて当該油圧ポンプを作動させるように、前記再生絞り及び前記回生絞りの開閉を制御する制御機と、前記供給油路に設けられ、前記油圧ポンプから吐出された作動油を前記制御弁に導く供給位置と、前記油圧ポンプから吐出された作動油をタンクに導出する導出位置との間で切替可能な切換弁と、前記油圧シリンダのヘッド側室から前記タンクへの作動油の流れを停止させることが可能な停止弁とを備え、前記制御機は、前記作業部材が重力の作用により目的の方向に移動可能な場合に、前記切換弁を導出位置に切り換えるとともに前記停止弁により前記ヘッド側室から前記タンクへの作動油の流れを停止させることを特徴とする油圧制御装置を提供する。

本発明によれば、作業部材が重力の作用により油圧シリンダを縮小させながら目的の方向に移動可能な場合に、油圧シリンダのヘッド側室から導出される作動油のうち、その一部を当該油圧シリンダのロッド側室に再生するとともに、この再生に用いられるもの以外の部分を油圧ポンプの吸込側に供給することにより、油圧シリンダからの戻り油の全てを再生又は回生のために利用することができるので、当該戻り油の持つエネルギ（作業部材の位置エネルギ）を有効に活用することができる。特に、本発明では、油圧シリンダに対する作動油の供給源として用いられている油圧ポンプの吸引側に油圧シリンダからの戻り油を供給することにより、油圧ポンプを油圧モータとして作動させることができるため、回生用の油圧モータを別途設けることなく戻り油の持つエネルギを有効に活用することができる。したがって、本発明によれば、コストの増加や装置の大型化を抑制しつつ戻り油の持つエネルギを有効に活用することができる。

また、本発明によれば、作業部材が重力の作用により目的の方向に移動可能な場合に、切換弁を導出位置として油圧ポンプを作動可能な状態にするとともに、停止弁により油圧シリンダのヘッド側室からタンクへの作動油の流れを停止させることにより、再生油路及び回生油路を介した作動油の流れを確実に行わせることができる。

前記油圧制御装置において、前記油圧ポンプは、原動機により駆動される可変容量式の油圧ポンプからなり、前記制御機は、前記原動機の駆動速度に応じた油圧ポンプの作動油の吸込量が前記回生油路内の作動油の流量に対応した量となるように、当該油圧ポンプの傾転を調整することが好ましい。

この構成によれば、油圧ポンプの吸込量を回生油路内の作動油の流量に見合ったものに調整することができるため、回生油路内の流量が油圧ポンプの吸込量を超えて圧力が上昇すること（いわゆる、圧ごもり）や、回生油路内の流量が油圧ポンプの吸込量に足りずにキャビテーションが発生することを抑制することができる。

前記油圧制御装置において、前記油圧ポンプは、原動機により駆動される可変容量式の油圧ポンプからなり、前記原動機の回転数を検出するための回転数検出部材をさらに備え、前記制御機は、前記回転数検出部材により検出された原動機の回転数が目標回転数よりも大きいときに、原動機の回転数が前記目標回転数よりも小さいときに比べて前記回生絞りの開度を小さくすることが好ましい。

この構成によれば、原動機の回転数が目標回転数よりも小さい場合（油圧ポンプの負荷が大きい場合）に作動油の回生流量を大きくして原動機のアシスト力を高めることにより戻り油の持つエネルギの有効利用を図りながら、原動機の回転数が目標回転数よりも大きい場合（油圧ポンプの負荷が小さい場合）に作動油の回生流量を小さくすることにより油圧ポンプの吸込流量が必要以上に大きくなって過剰に原動機の回転数が上昇するのを抑制することができる。

また、本発明は、機体と、前記機体に対して変位可能な作業部材と、前記作業部材を変位させるための油圧シリンダとを有する油圧式作業機械の油圧制御装置であって、油圧ポンプと、前記油圧ポンプから前記油圧シリンダへの作動油の供給のための油路、及び、前記油圧シリンダからタンクへの作動油の導出のための油路を切り換えることにより、前記油圧シリンダの伸縮方向を切り換える制御弁と、前記制御弁と前記油圧ポンプとを接続する供給油路と、前記制御弁と前記タンクとを接続する導出油路と、前記制御弁と前記油圧シリンダのロッド側室とを接続するロッド側油路と、前記制御弁と前記油圧シリンダのヘッド側室とを接続するヘッド側油路と、前記ロッド側油路と前記ヘッド側油路とを接続する再生油路と、前記再生油路に設けられ、当該再生油路を流れる作動油の流量を調整可能な再生絞りと、前記油圧ポンプの吸込側と前記ヘッド側油路とを接続する回生油路と、前記回生油路に設けられ、当該回生油路を流れる作動油の流量を調整可能な回生絞りと、前記作業部材が重力の作用により油圧シリンダを縮小させながら目的の方向に移動可能な場合に、油圧シリンダのヘッド側室から導出された作動油が前記再生油路を介して当該油圧シリンダのロッド側室に再生されるとともに、前記油圧シリンダから導出された作動油のうちの前記再生に用いられるもの以外の作動油が前記回生油路を介して油圧ポンプに供給されて当該油圧ポンプを作動させるように、前記再生絞り及び前記回生絞りの開閉を制御する制御機と、前記作業部材の操作指令を入力するための入力部材と、前記油圧ポンプから作動油の供給を受けて駆動する油圧アクチュエータと、前記油圧アクチュエータに対する操作指令を入力するための第二入力部材とを備え、前記制御機は、前記入力部材による操作指令に基づいて前記油圧シリンダに対して回生可能な作動油の回生可能流量を特定するとともに、前記第二入力検出部材による操作指令に基づいて前記油圧アクチュエータに供給することを要する作動油の供給必要流量を特定し、前記回生可能流量が供給必要流量以上であると判定された場合に前記油圧シリンダから油圧ポンプへの作動油の回生を行う一方、前記回生可能流量が供給必要流量未満であると判定された場合に回生絞りを閉じることを特徴とする油圧制御装置を提供する。

本発明によれば、作業部材が重力の作用により油圧シリンダを縮小させながら目的の方向に移動可能な場合に、油圧シリンダのヘッド側室から導出される作動油のうち、その一部を当該油圧シリンダのロッド側室に再生するとともに、この再生に用いられるもの以外の部分を油圧ポンプの吸込側に供給することにより、油圧シリンダからの戻り油の全てを再生又は回生のために利用することができるので、当該戻り油の持つエネルギ（作業部材の位置エネルギ）を有効に活用することができる。特に、本発明では、油圧シリンダに対する作動油の供給源として用いられている油圧ポンプの吸引側に油圧シリンダからの戻り油を供給することにより、油圧ポンプを油圧モータとして作動させることができるため、回生用の油圧モータを別途設けることなく戻り油の持つエネルギを有効に活用することができる。したがって、本発明によれば、コストの増加や装置の大型化を抑制しつつ戻り油の持つエネルギを有効に活用することができる。

また、本発明によれば、作業部材が重力の作用により油圧シリンダを縮小させながら目的の方向に移動可能な場合であって、回生可能流量が供給必要流量以上であると判定された場合に、油圧シリンダから導出される作動油の持つエネルギを利用して油圧アクチュエータを作動することができる。

さらに、本発明は、機体と、機体に対して変位可能に設けられた作業部材と、作動油の供給を受けて伸縮することにより、前記作業部材を機体に対して変位させる油圧シリンダと、前記油圧制御装置とを備えていることを特徴とする油圧式作業機械を提供する。

本発明によれば、コストの増大や装置の大型化を抑制しつつ、油圧シリンダからの戻り油の持つエネルギを有効に活用することができる。

本発明の実施形態に係る油圧ショベルの全体構成を示す右側面図である。 図１の油圧ショベルに設けられた油圧制御装置の全体構成を示す回路図である。 図２の油圧制御装置のうちの主な油圧系統を抜き出して示す回路図である。 図２のコントローラが実行する処理を示すフローチャートである。 本発明の別の実施形態に係る油圧系統を示す回路図である。 図５の実施形態に係るコントローラにより実行される処理を示すフローチャートである。 図６の回生処理の内容を示すフローチャートである。 図６の非回生処理の内容を示すフローチャートである。 本発明の実施形態の変形例を示す回路図である。

以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照して説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る油圧ショベルの全体構成を示す右側面図である。

図１を参照して、油圧式作業機械の一例としての油圧ショベル１は、クローラ２ａを有する自走式の下部走行体２と、この下部走行体２上に旋回可能に設けられた上部旋回体３と、これら下部走行体２及び上部旋回体３に設けられた油圧機器の駆動を制御する油圧制御装置１４（図２参照）とを備えている。

上部旋回体３は、前記下部走行体２上に旋回可能に搭載された旋回フレーム４と、この旋回フレーム４上に立設されたキャビン６と、前記旋回フレーム４の前部に起伏可能に取り付けられた作業アタッチメント５とを備えている。作業アタッチメント５は、旋回フレーム４に対して水平方向の軸回りに起伏可能に設けられたブーム７と、このブーム７の先端部に対して水平方向の軸回りに揺動可能に取り付けられたアーム８と、このアーム８の先端部に対して水平方向の軸回りに回動可能に取り付けられたバケット９とを有している。ブーム７は、ブームシリンダ１０の伸縮に応じて起伏し、アーム８は、アームシリンダ１１の伸縮に応じてブーム７に対して揺動し、バケット９は、バケットシリンダ１２の伸縮に応じてアーム８に対して回動する。

図２は、図１の油圧ショベル１に設けられた油圧制御装置１４の全体構成を示す回路図である。図３は、図２の油圧制御装置１４のうちの主な油圧系統を抜き出して示す回路図である。

図２及び図３を参照して、油圧制御装置１４は、前記ブームシリンダ１０に対する作動油の給排を行うための油圧系統１５と、この油圧系統１５の構成機器を電気的に制御するコントローラ（制御機）１６とを備えている。

油圧系統１５は、エンジン１８と、エンジン１８により駆動される油圧ポンプ１７と、ブームシリンダ１０の伸縮方向を切り換えるための制御弁２１と、油圧ポンプ１７とタンクとを接続する吸引油路Ｒ１と、制御弁２１と油圧ポンプ１７とを接続する供給油路Ｒ２と、制御弁２１とタンクとをチェック弁４１を介して接続する導出油路Ｒ３と、制御弁２１とブームシリンダ１０のロッド側室とを接続するロッド側油路Ｒ４と、制御弁２１とブームシリンダ１０のヘッド側室とを接続するヘッド側油路Ｒ５と、ロッド側油路Ｒ４とヘッド側油路Ｒ５とを接続する再生油路Ｒ６と、吸引油路Ｒ１とヘッド側油路Ｒ５とを接続する回生油路Ｒ７とを備えている。なお、チェック弁４１は、タンクから油圧ポンプ１７への流れを許容する一方、油圧ポンプ１７及び回生油路Ｒ７からタンクへの流れを規制するためのものである。

エンジン１８は、油圧ポンプ１７を駆動可能となるように、当該油圧ポンプ１７に連結された出力軸を有している。本実施形態において、エンジン１８の出力軸には、油圧ポンプ１７に加えて油圧ポンプ１９及び油圧ポンプ２０が連結され、当該エンジン１８の回転駆動に応じてこれら油圧ポンプ１９、２０も駆動するようになっている。

油圧ポンプ１７は、電気的な指令を与えることにより傾転を調整可能なレギュレータ１７ａを有する可変容量式のポンプである。

制御弁２１は、油圧ポンプ１７からブームシリンダ１０への作動油の供給のための油路、及び、ブームシリンダ１０からタンクへの作動油の導出のための油路を切り換えることにより、ブームシリンダ１０の伸縮方向を切り換えるようになっている。具体的に、制御弁２１は、縮小位置Ｄ１、伸張位置Ｄ２、中立位置Ｄ３、及び、外力縮小位置Ｄ４を有する４位置切換式の弁である。ここで、制御弁２１は、操作レバー２６の入力操作により生じるパイロット圧に応じて前記４つの切換位置Ｄ１〜Ｄ４に操作される。具体的に、操作レバー２６が中立の状態（操作されていない状態）では制御弁２１が図２のように中立位置Ｄ３とされ、操作レバー２６を中立状態から右側に傾動操作すると制御弁２１が伸張位置Ｄ２に切り換えられる。そして、操作レバー２６を中立状態から左側に傾動操作すると、最初の所定の操作範囲においては制御弁２１が外力縮小位置Ｄ４に切り換えられ、さらに左側に傾動操作すると制御弁２１が縮小位置Ｄ１に切り換えられる。なお、制御弁２１のパイロットラインには、操作レバー２６の操作方向のうち、ブームシリンダ伸長側の操作により生じるパイロット圧を検出するための圧力センサＰ１と、ブームシリンダ縮小側の操作により生じるパイロット圧を検出するための圧力センサＰ２とが設けられている。また、制御弁２１のパイロットラインには、操作レバー２６の操作方向のうち、ブームシリンダ縮小側の操作により生じるパイロット圧をコントローラ１６からの指令により減圧可能な減圧弁４０が設けられている。この減圧弁４０は、制御弁２１が縮小位置Ｄ１に切り換えられた状態において、後述する再生条件が成立したときに、ブームシリンダ縮小側のパイロット圧を減圧して制御弁２１を縮小位置Ｄ１から外力縮小位置Ｄ４に切り換えるためのものである。

制御弁２１が外力縮小位置Ｄ４に切り換えられた場合、供給油路Ｒ２及びロッド側油路Ｒ４が閉鎖されるとともに、導出油路Ｒ３とヘッド側油路Ｒ５とがメータアウト絞り（停止弁）２５を介して連通する。このメータアウト絞り２５は、電気的な指令を与えることにより開口面積を調整可能なレギュレータ２５ａを有する絞りであり、導出油路Ｒ３とヘッド側油路Ｒ５との間の作動油の流量を調整可能とされている。

供給油路Ｒ２には、アンロード弁（切換弁）２２と、チェック弁２９とが設けられている。アンロード弁２２は、油圧ポンプ１７から吐出された作動油が制御弁２１に導かれるように閉じる閉位置と、油圧ポンプ１７から吐出された作動油がタンクに導かれるように開く開位置との間で切換可能に構成され、パイロット圧が付与されていない通常の状態において前記閉位置に付勢されている。また、アンロード弁２２のパイロットポートには、電磁弁３０を介してパイロットラインに接続されている。具体的に、アンロード弁２２のパイロットポートには、前記制御弁２１を縮小位置側に操作するためのパイロット圧が付与されるようになっており、このパイロット圧が電磁弁３０により調整可能とされている。電磁弁３０は、通常閉位置に付勢されており、電気的指令が与えられることに応じてパイロット圧をアンロード弁２２に付与するようになっている。チェック弁２９は、油圧ポンプ１７から制御弁２１への作動油の流れを許容する一方、逆の流れを規制する弁である。

ロッド側油路Ｒ４には、当該ロッド側油路Ｒ４内の圧力を検出可能な圧力センサＰ３が設けられている。同様に、ヘッド側油路Ｒ５には、当該ヘッド側油路Ｒ５内の圧力を検出可能な圧力センサＰ４が設けられている。

再生油路Ｒ６には、再生絞り２３と、チェック弁２７とが設けられている。再生絞り２３は、電気的な指令を与えることにより開口面積を調整可能なレギュレータ２３ａを有する絞りであり、再生油路Ｒ６内を流れる作動油の流量を調整可能とされている。チェック弁２７は、ヘッド側油路Ｒ５からロッド側油路Ｒ４への作動油の流れを許容する一方、その逆の流れを規制するものである。

回生油路Ｒ７には、回生絞り２４と、チェック弁２８とが設けられている。回生絞り２４は、電気的な指令を与えることにより開口面積を調整可能なレギュレータ２４ａを有する絞りであり、回生油路Ｒ７内を流れる作動油の流量を調整可能とされている。チェック弁２８は、ヘッド側油路Ｒ５から吸引油路Ｒ１への作動油の流れを許容する一方、その逆の流れを規制するものである。

コントローラ１６は、図２に示すように、油圧ポンプ１７のレギュレータ１７ａ、エンジン１８、電磁弁３０のソレノイド、圧力センサＰ１〜Ｐ４、メータアウト絞り２５のレギュレータ２５ａ、再生絞り２３のレギュレータ２３ａ、回生絞り２４のレギュレータ２４ａ、及び減圧弁４０のソレノイドに対して電気的に接続されている。このコントローラ１６は、ブームシリンダ１０が縮小するとき（ブーム７を前倒させるとき）に、ブームシリンダ１０のヘッド側室から導出された戻り油のうち、その一部を再生油路Ｒ６を介してロッド側油路Ｒ４に再生するとともに、それ以外の余剰部分を回生油路Ｒ７を介して吸引油路Ｒ１に戻して油圧ポンプ１７を駆動させるための制御を行うようになっている。以下、コントローラ１６が実行する処理について説明する。

図４は、図２のコントローラ１６が実行する処理を示すフローチャートである。

図２〜図４を参照して、コントローラ１６による処理が実行されると、まず、圧力センサＰ１〜４による検出圧が入力され、作動油の再生条件が成立しているか否かが判定される（ステップＳ１）。具体的に、このステップＳ１では、操作レバー２６によるブーム７の下げ操作が行なわれ、かつ、以下の（１）式が成立するかどうかが判断される。

Ａｒ×Ｐｒ＜Ａｈ×Ｐｈ・・・（１）
なお、Ａｒはブームシリンダ１０のロッド側室における受圧面積であり、Ａｈは、ヘッド側室における受圧面積である。また、Ｐｒは圧力センサＰ３による検出圧であり、Ｐｈは圧力センサＰ４による検出圧である。つまり、（１）式が成立するのは、作業アタッチメント５が重力の作用によりブームシリンダ１０を収縮させつつブーム７を前倒することができる場合である。この再生条件が成立した状態においては、ブームシリンダ１０のヘッド側から導出される戻り油が、ロッド側に供給される作動油よりも高いエネルギを有しているため、この戻り油をロッド側に再生することによりエネルギの有効活用を図ることができる。

このステップＳ１において再生条件が成立していないと判定されると、当該処理が終了し、再び当該処理が開始されるのを待機する。一方、ステップＳ１において再生条件が成立したと判定されると、レバー操作量（Ｐ２により検出されたパイロット圧）に基づいて目標速度Ｖを決定する（ステップＳ２）。具体的に、前記コントローラ１６には、レバー操作量と当該レバー操作量に対応する目標速度Ｖとによって規定されるテーブルが予め記憶されており、ステップＳ２では、このテーブルからパイロット圧の検出値に応じた目標速度Ｖを読み出すことによって、目標速度Ｖを決定する。

次いで、前記目標速度Ｖに基づいて、ブームシリンダ１０のヘッド側から導出される作動油の流量Ｑ１（図３参照）、及び、ブームシリンダ１０のロッド側へ供給すべき作動油の流量Ｑ２（図３参照）を算出する（ステップＳ３）。具体的に、流量Ｑ１、Ｑ２は、以下の（２）、（３）式により算出することができる。

Ｑ１＝Ｖ×Ａｈ・・・（２）
Ｑ２＝Ｑ１×Ａｒ／Ａｈ・・・（３）
次に、再生絞り２３の開口面積を算出する（ステップＳ４）。具体的に、開口面積Ａｓは、以下の（４）式により算出することができる。

Ａｓ＝Ｑ２／（Ｃ×√ΔＰｓ）・・・（４）
ここで、Ｃは、作動油の流量係数と密度から求まる定数である。また、ΔＰｓは、（Ｐｈ−Ｐｒ）の値である。つまり、前記再生条件が成立した条件下においては、作業アタッチメント５の位置エネルギに対応して当該作業アタッチメント５に与えられる外力をＦとすると、以下の（５）式が成立していることになる。

Ａｒ×Ｐｒ＋Ｆ＝Ａｈ×Ｐｈ・・・（５）
したがって、前記（４）式では、前記外力Ｆに相当する圧損を生じさせるための開口面積Ａｓを求めている。

次いで、油圧ポンプ１７の傾転を算出する（ステップＳ５）。具体的に、ステップＳ５では、まず、エンジン１８からエンジン回転数Ｎｅを取得し、このエンジン回転数Ｎｅに基づいて以下の（６）式によりポンプ傾転ｑを算出する。

ｑ＝Ｑ３／Ｎｅ・・・（６）
ここで、Ｑ３は、ブームシリンダ１０のヘッド側室からの戻り油のうち、前記再生流量Ｑ２以外の余剰の流量（Ｑ１−Ｑ２）である。つまり、ステップＳ５では、油圧ポンプ１７の吸引流量を余剰流量Ｑ３に合致させるためのポンプ傾転ｑを算出する。

次いで、回生絞り２４の開口面積を算出する（ステップＳ６）。ブームシリンダ１０からの余剰流量Ｑ３の全てを回生するために回生絞り２４の開口面積を最大（全開）に設定することができるものの、エンジン１８の負荷が小さい場合に回生絞り２４の開口面積が大き過ぎると回生動力によりエンジン１８が増速され、前記流量Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３のバランスが崩れてキャビテーションの原因となる。そこで、ステップＳ６では、キャビテーションの発生を抑制すべく開口面積の増減値ΔＡｋを定めておく。具体的に、ステップＳ６では、エンジン１８の目標回転数Ｎからエンジン１８の実際の回転数Ｎｅを減算した減算値ΔＮ（＝Ｎ−Ｎｅ）が正の値であればΔＡｋを正の値に、ΔＮが負の値であればΔＡｋを負の値に設定する。より具体的には、前記減算値ΔＮに所定の定数を乗じた値をΔＡｋとすることができる。なお、目標回転数Ｎは、各油圧ポンプ１７、１９、２０や他の油圧アクチュエータの操作状況に応じて適宜設定されるものである。また、前記増減値ΔＡｋを時間ｔの関数として、以下の（７）式のように設定することによりＰＩＤ制御を行うこともできる。

ΔAk(t)＝Kp×ΔN(t)＋Ki×∫｛ΔN(τ)｝dτ＋Kd×（dΔN(t)／dt）・・・（７）
ここで、Ｋｐは、比例ゲインであり、Ｋｉは、積分ゲインであり、Ｋｄは、微分ゲインである。

次に、再生絞り２３、回生絞り２４及びアンロード弁２２を開放する（ステップＳ７）。具体的に、ステップＳ７では、ステップＳ４及びＳ６で算出された開口面積で再生絞り２３及び回生絞り２４を開放するとともに、アンロード弁２２を全開となる位置に切り換える。なお、このステップＳ７では、制御弁２１を縮小位置Ｄ１から外力縮小位置Ｄ４に切り換えるための処理も行われる。具体的に、減圧弁４０を操作することによりブームシリンダ縮小側のパイロット圧を減圧して制御弁２１を外力縮小位置Ｄ４に切り換える。

そして、メータアウト絞り２５を閉鎖するとともに（ステップＳ８）、ステップＳ５で算出されたポンプ傾転に油圧ポンプ１７の傾転を調整して（ステップＳ９）、当該処理を終了する。

以上説明したように、前記油圧ショベル１によれば、ブーム７（又は作業アタッチメント５）が重力の作用によりブームシリンダ１０を縮小させながら目的の方向に移動可能な場合に、ブームシリンダ１０のヘッド側室から導出される作動油のうち、その一部を当該ブームシリンダ１０のロッド側室に再生するとともに、この再生に用いられるもの以外の部分を油圧ポンプ１７の吸込側に供給することにより、ブームシリンダ１０からの戻り油の全てを再生又は回生のために利用することができるので、当該戻り油の持つエネルギ（ブーム７の位置エネルギ）を有効に活用することができる。特に、前記油圧ショベル１では、回生用の油圧モータを別途設けるのではなく、元々作動油の供給源として用いられている油圧ポンプ１７を油圧モータとして作動させることとしているため、コストの増加や装置の大型化を抑制しつつ戻り油の持つエネルギを有効に活用することができる。

前記実施形態のように、アンロード弁２２とメータアウト絞り２５とを備え、再生条件が成立したときにアンロード弁２２を開放するとともにメータアウト絞り２５を閉鎖することとした構成によれば、再生条件が成立したときに油圧ポンプ１７を作動可能な状態にするとともに、メータアウト絞り２５によりブームシリンダ１０のヘッド側室からタンクへの作動油の流れを停止させることにより、再生油路Ｒ６及び回生油路Ｒ７を介した作動油の流れを確実に行わせることができる。

前記実施形態のように、エンジン１８の駆動速度に応じた油圧ポンプ１７の吸込量が回生油路Ｒ７内の作動油の流量Ｑ３に対応した量となるように、油圧ポンプ１７の傾転ｑを調整する構成とすれば、回生油路Ｒ７内の流量が油圧ポンプ１７の吸込量を超えて圧力が上昇すること（いわゆる、圧ごもり）や、回生油路Ｒ７内の流量が油圧ポンプ１７の吸込量に足りずにキャビテーションが発生することを抑制することができる。

前記実施形態のように、エンジン１８の回転数Ｎｅが目標回転数Ｎよりも大きいときに回生絞り２４の開度を小さくし、回転数Ｎｅが目標回転数Ｎよりも小さいときに回生絞り２４の開度を大きくするようにすれば、エンジン１８の回転数Ｎｅが目標回転数Ｎよりも小さい場合（油圧ポンプ１７の負荷が大きい場合）に回生絞り２４の回生流量を大きくしてエンジン１８のアシスト力を高めることにより戻り油の持つエネルギの有効活用を図りながら、エンジン１８の回転数Ｎｅが目標回転数Ｎよりも大きい場合（油圧ポンプ１７の負荷が小さい場合）に作動油の回生流量を小さくすることにより油圧ポンプ１７の吸込流量が必要以上に大きくなってエンジン１８の回転数Ｎｅが過剰に上昇するのを抑制することができる。

図５は、本発明の別の実施形態に係る油圧系統を示す回路図である。

以下、図５を参照して、本発明の別の実施形態について説明する。なお、前記実施形態と重複する構成については同一の符号を付してその説明を省略する。

本実施形態に係る油圧ショベルでは、前記油圧ポンプ１７から吐出された作動油をアームシリンダ１１に対しても供給するように構成されている点で前記実施形態と相違する。具体的に、本実施形態に係る油圧系統は、アームシリンダ１１の伸縮方向を切り換えるための第二制御弁３１と、この第二制御弁３１と前記供給油路Ｒ２とを接続する第二供給油路Ｒ８と、第二制御弁３１とタンクとを接続する第二導出油路Ｒ９と、第二制御弁３１とアームシリンダ１１のロッド側室とを接続する第二ロッド側油路Ｒ１０と、第二制御弁３１とアームシリンダ１１のヘッド側室とを接続する第二ヘッド側油路Ｒ１１とを備えている。

第二制御弁３１は、油圧ポンプ１７からアームシリンダ１１への作動油の供給のための油路、及び、アームシリンダ１１からタンクへの作動油の導出のための油路を切り換えることにより、アームシリンダ１１の伸縮方向を切り換えるようになっている。具体的に、第二制御弁３１は、中立位置Ｄ５、縮小位置Ｄ６、及び、伸張位置Ｄ７を有する３位置切換式の弁である。ここで、第二制御弁３１は、操作レバー３２の入力操作により生じるパイロット圧に応じて前記３つの切換位置Ｄ５〜Ｄ７に操作される。具体的に、操作レバー３２が中立の状態（操作されていない状態）では第二制御弁３１が図５のように中立位置Ｄ５とされ、操作レバー３２を中立状態から右側に傾動操作すると第二制御弁３１が縮小位置Ｄ６に切り換えられる。一方、操作レバー３２を中立状態から左側に傾動操作すると、第二制御弁３１が伸張位置Ｄ７に切り換えられる。なお、第二制御弁３１のパイロットラインには、操作レバー３２の操作方向のうち、アームシリンダ１１縮小側の操作により生じるパイロット圧を検出するための圧力センサＰ５と、アームシリンダ１１伸張側の操作により生じるパイロット圧を検出するための圧力センサＰ６とが設けられている。

そして、前記コントローラ１６は、前記実施形態とは異なり、圧力センサＰ５、Ｐ６に対しても電気的に接続されている。

図６は、図５の実施形態に係るコントローラにより実行される処理を示すフローチャートである。図７は、図６の回生処理の内容を示すフローチャートである。図８は、図６の非回生処理の内容を示すフローチャートである。

図５〜図８を参照して、コントローラ１６による処理が実行されると、まず、前記実施形態と同様にステップＳ１〜Ｓ６が実行される。次いで、アーム操作がされたか否か、つまり、操作レバー３２が操作されたか否かを判定する（ステップＳ２１）。ここで、操作レバー３２が操作されていないと判定されると、前記ステップＳ７〜Ｓ９が実行され当該処理が終了する。

一方、ステップＳ２１で操作レバー３２が操作されたと判定されると、レバー操作量（圧力センサＰ５、Ｐ６により検出されたパイロット圧）に基づいてアームシリンダ１１の目標速度Ｖ２を決定する。具体的に、コントローラ１６には、操作レバー３２の操作量と当該レバー操作量に対応する目標速度とによって規定されるテーブルが予め記憶されており、ステップＳ２１では、このテーブルからパイロット圧の検出値に応じた目標速度を読み出すことによって、目標速度Ｖ２を決定する。

次いで、目標速度Ｖ２に基づいて供給必要流量Ｑ４を算出する（ステップＳ２３）。具体的に、供給必要流量Ｑ４は、以下の（８）式により算出することができる。

Ｑ４＝Ｖ２×Ａｒ・・・（８）
そして、供給必要流量Ｑ４が前記余剰流量Ｑ３よりも大きいか否かを判定する（ステップＳ２４）。このステップＳ２４で供給必要流量Ｑ４が余剰流量Ｑ３以下であると判定されると（ステップＳ２４でＮＯ）、回生処理Ｔが実行される一方、供給必要流量Ｑ４が余剰流量Ｑ３よりも大きいと判定されると（ステップＳ２４でＹＥＳ）、非回生処理Ｕが実行される。まず、回生処理Ｔについて説明する。

図７を参照して、回生処理Ｔが実行されると、まず、メータアウト絞り２５の開口面積Ａｍが算出される（ステップＴ１）。つまり、回生処理Ｔが実行されると、余剰流量Ｑ３のうち供給必要流量Ｑ４以外の流量に相当する作動油をタンクに排出することを要するため、この作動油を排出するためのメータアウト絞り２５の開口面積Ａｍを算出する。具体的に、メータアウト弁２５の開口面積Ａｍは、以下の（９）式により算出することができる。

Ａｍ＝Ｑ５／（Ｃ×√Ｐｈ）・・・（９）
ここで、Ｑ５は、余剰流量Ｑ３から供給必要流量Ｑ４を減じた値（Ｑ３−Ｑ４）である。

次に、油圧ポンプ１７に流量Ｑ４を吐出させる際にキャビテーションの発生を抑制するために、油圧ポンプ１７の傾転ｑを算出し、この傾転ｑをステップＳ５で算出されたものに代えて新たな傾転として更新する（ステップＴ２）。具体的に、傾転ｑは、以下の（１０）式により算出することができる。

ｑ＝Ｑ４／Ｎｅ・・・（１０）
次いで、アンロード弁を閉鎖するとともに（ステップＴ３）、既に算出された開口面積で再生絞り２３、回生絞り２４及びメータアウト絞り２５を開放する（ステップＴ４）。ここで、回生絞り２４の開口面積としては、ステップＳ６で算出されたもの、つまり、増減値ΔＡｋを加味したものが採用される。なお、このステップＴ４では、前記減圧弁４０（図２参照）を用いて制御弁２１を縮小位置Ｄ１から外力縮小位置Ｄ４に切り換える。

そして、ステップＴ５においてポンプ傾転がｑに調整されて当該処理が終了する。

一方、図８に示すように、非回生処理Ｕが実行されると、メータアウト絞り２５の開口面積Ａｍが算出される（ステップＵ１）。つまり、非回生処理Ｕでは、余剰流量Ｑ３に相当する作動油をタンクに排出することを要するため、この排出のためのメータアウト絞り２５の開口面積Ａｍを算出する。具体的に、メータアウト絞り２５の開口面積Ａｍは、以下の（１１）式により算出することができる。

Ａｍ＝Ｑ３／（Ｃ×√Ｐｈ）・・・（１１）
次に、油圧ポンプ１７に流量Ｑ４を吐出させるためのポンプ傾転ｑを算出し、この傾転ｑをステップＳ５で算出されたものに代えて新たな傾転として更新する（ステップＵ２）。具体的に、傾転ｑは、上記（１０）式により算出することができる。

次いで、回生絞り２４及びアンロード弁２２を閉鎖するとともに（ステップＵ３）、再生絞り２３及びメータアウト絞り２５を算出された開口面積で開放する（ステップＵ４）。なお、このステップＵ４では、前記減圧弁４０（図２参照）を用いて制御弁２１を縮小位置Ｄ１から外力縮小位置Ｄ４に切り換える。そして、油圧ポンプ１７のポンプ傾転を前記ｑに調整して（ステップＵ５）、当該処理を終了する。

この実施形態によれば、ブーム７（作業アタッチメント５）が重力の作用によりブームシリンダ１０を縮小させながら目的の方向に移動可能な場合であって、回生可能流量Ｑ３が供給必要流量Ｑ４以上であると判定された場合に、ブームシリンダ１０から導出される作動油の持つエネルギを利用してアームシリンダ１１を作動することができる。

なお、前記各実施形態では、油圧ポンプ１７とタンクとを接続する吸引油路Ｒ１にチェック弁４１を設けているが、チェック弁４１に限定されることはなく、例えば、図９に示すようなバランス弁４３を設けることもできる。

バランス弁４３は、回生油路Ｒ７に設けられた固定絞り４２を挟んだ上流側（油路Ｒ１４内）の圧力と下流側（油路Ｒ１５内）との差圧に応じて操作される。具体的に、バランス弁４３は、タンクから油圧ポンプ１７への流れを許容する開放位置（図の左側の切り換え位置）と、吸引流路Ｒ１を遮断する遮断位置（図の右側の切り換え位置）とを有し、前記パイロット圧が加えられていない通常の状態で開放位置に付勢されている。そして、バランス弁４３は、油路Ｒ１５内の圧力よりも油路Ｒ１４内の圧力が大きくなることに応じて、当該差圧に応じた操作量で遮断位置側に操作される。

このように回生油路Ｒ７内の圧力の大きさに応じて遮断位置側へ操作されるバランス弁４３を採用することにより、吸引油路Ｒ１の開口面積を大きくすることができるので、上述したチェック弁４１を用いる場合よりも圧力損失を低減することができる。

Ｐ１〜Ｐ６ 圧力センサ
Ｑ３ 余剰流量（回生可能流量）
Ｑ４ 供給必要流量
Ｒ１ 吸引油路
Ｒ２ 供給油路
Ｒ３ 導出油路
Ｒ４ ロッド側油路
Ｒ５ ヘッド側油路
Ｒ６ 再生油路
Ｒ７ 回生油路
１ 油圧ショベル（油圧式作業機械）
５ 作業アタッチメント
７ ブーム（作業部材）
１０ ブームシリンダ（油圧シリンダ）
１１ アームシリンダ（油圧アクチュエータ）
１４ 油圧制御装置
１６ コントローラ（制御機）
１７ 油圧ポンプ
１８ エンジン（原動機）
２１ 制御弁
２２ アンロード弁（切換弁）
２５ メータアウト弁（停止弁）
２６ 操作レバー（入力部材）

Claims (5)

1. 機体と、前記機体に対して変位可能な作業部材と、前記作業部材を変位させるための油圧シリンダとを有する油圧式作業機械の油圧制御装置であって、
   油圧ポンプと、
   前記油圧ポンプから前記油圧シリンダへの作動油の供給のための油路、及び、前記油圧シリンダからタンクへの作動油の導出のための油路を切り換えることにより、前記油圧シリンダの伸縮方向を切り換える制御弁と、
   前記制御弁と前記油圧ポンプとを接続する供給油路と、
   前記制御弁と前記タンクとを接続する導出油路と、
   前記制御弁と前記油圧シリンダのロッド側室とを接続するロッド側油路と、
   前記制御弁と前記油圧シリンダのヘッド側室とを接続するヘッド側油路と、
   前記ロッド側油路と前記ヘッド側油路とを接続する再生油路と、
   前記再生油路に設けられ、当該再生油路を流れる作動油の流量を調整可能な再生絞りと、
   前記油圧ポンプの吸込側と前記ヘッド側油路とを接続する回生油路と、
   前記回生油路に設けられ、当該回生油路を流れる作動油の流量を調整可能な回生絞りと、
   前記作業部材が重力の作用により油圧シリンダを縮小させながら目的の方向に移動可能な場合に、油圧シリンダのヘッド側室から導出された作動油が前記再生油路を介して当該油圧シリンダのロッド側室に再生されるとともに、前記油圧シリンダから導出された作動油のうちの前記再生に用いられるもの以外の作動油が前記回生油路を介して油圧ポンプに供給されて当該油圧ポンプを作動させるように、前記再生絞り及び前記回生絞りの開閉を制御する制御機と、
   前記供給油路に設けられ、前記油圧ポンプから吐出された作動油を前記制御弁に導く供給位置と、前記油圧ポンプから吐出された作動油をタンクに導出する導出位置との間で切替可能な切換弁と、
   前記油圧シリンダのヘッド側室から前記タンクへの作動油の流れを停止させることが可能な停止弁とを備え、
   前記制御機は、前記作業部材が重力の作用により目的の方向に移動可能な場合に、前記切換弁を導出位置に切り換えるとともに前記停止弁により前記ヘッド側室から前記タンクへの作動油の流れを停止させることを特徴とする油圧制御装置。
2. 前記油圧ポンプは、原動機により駆動される可変容量式の油圧ポンプからなり、
   前記制御機は、前記原動機の駆動速度に応じた油圧ポンプの作動油の吸込量が前記回生油路内の作動油の流量に対応した量となるように、当該油圧ポンプの傾転を調整することを特徴とする請求項１に記載の油圧制御装置。
3. 前記油圧ポンプは、原動機により駆動される可変容量式の油圧ポンプからなり、
   前記原動機の回転数を検出するための回転数検出部材をさらに備え、
   前記制御機は、前記回転数検出部材により検出された原動機の回転数が目標回転数よりも大きいときに、原動機の回転数が前記目標回転数よりも小さいときに比べて前記回生絞りの開度を小さくすることを特徴とする請求項１又は２に記載の油圧制御装置。
4. 機体と、前記機体に対して変位可能な作業部材と、前記作業部材を変位させるための油圧シリンダとを有する油圧式作業機械の油圧制御装置であって、
   油圧ポンプと、
   前記油圧ポンプから前記油圧シリンダへの作動油の供給のための油路、及び、前記油圧シリンダからタンクへの作動油の導出のための油路を切り換えることにより、前記油圧シリンダの伸縮方向を切り換える制御弁と、
   前記制御弁と前記油圧ポンプとを接続する供給油路と、
   前記制御弁と前記タンクとを接続する導出油路と、
   前記制御弁と前記油圧シリンダのロッド側室とを接続するロッド側油路と、
   前記制御弁と前記油圧シリンダのヘッド側室とを接続するヘッド側油路と、
   前記ロッド側油路と前記ヘッド側油路とを接続する再生油路と、
   前記再生油路に設けられ、当該再生油路を流れる作動油の流量を調整可能な再生絞りと、
   前記油圧ポンプの吸込側と前記ヘッド側油路とを接続する回生油路と、
   前記回生油路に設けられ、当該回生油路を流れる作動油の流量を調整可能な回生絞りと、
   前記作業部材が重力の作用により油圧シリンダを縮小させながら目的の方向に移動可能な場合に、油圧シリンダのヘッド側室から導出された作動油が前記再生油路を介して当該油圧シリンダのロッド側室に再生されるとともに、前記油圧シリンダから導出された作動油のうちの前記再生に用いられるもの以外の作動油が前記回生油路を介して油圧ポンプに供給されて当該油圧ポンプを作動させるように、前記再生絞り及び前記回生絞りの開閉を制御する制御機と、
   前記作業部材の操作指令を入力するための入力部材と、
   前記油圧ポンプから作動油の供給を受けて駆動する油圧アクチュエータと、
   前記油圧アクチュエータに対する操作指令を入力するための第二入力部材とを備え、
   前記制御機は、前記入力部材による操作指令に基づいて前記油圧シリンダに対して回生可能な作動油の回生可能流量を特定するとともに、前記第二入力検出部材による操作指令に基づいて前記油圧アクチュエータに供給することを要する作動油の供給必要流量を特定し、前記回生可能流量が供給必要流量以上であると判定された場合に前記油圧シリンダから油圧ポンプへの作動油の回生を行う一方、前記回生可能流量が供給必要流量未満であると判定された場合に回生絞りを閉じることを特徴とする油圧制御装置。
5. 機体と、
   機体に対して変位可能に設けられた作業部材と、
   作動油の供給を受けて伸縮することにより、前記作業部材を機体に対して変位させる油圧シリンダと、
   請求項１〜４の何れか１項に記載の油圧制御装置とを備えていることを特徴とする油圧式作業機械。

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