JP5683123B2 - 油圧掘削機用の駆動装置 - Google Patents

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Description

本発明は、建設機械のための駆動装置、特に、少なくとも１つの回転駆動部（旋回装置駆動部など）と、少なくとも１つの直線駆動部（ホイスト駆動部、バケット駆動部、アーム駆動部など）とを含む複数の独立した駆動部を有する掘削機用の駆動装置に関する。
特許文献１には、２つの油圧ポンプによって複動型の油圧シリンダーを駆動することが開示されている。２つの油圧ポンプのうちの一方は、閉回路において、複動型油圧シリンダーの２つの作動室に接続されている。もう一方の油圧ポンプは、開回路において、ピストン側の作動室のみに接続されている。２つの油圧ポンプは、それぞれ、容量が可変となっている。ピストン側の作動室の流出量に対する容量の比率を調整することによって、ピストンのロッド側の作動室を考慮している。
特許文献２には、第１油圧ポンプ及び第２油圧ポンプと、複動型油圧シリンダーとを有する静油圧駆動部が開示されている。この静油圧駆動部は、油圧ポンプにおける第１の流れ方向に向けて、圧力媒体貯蔵部から圧力媒体を抽気する抽気弁を備えている。
静油圧駆動部は、例えば、油圧掘削機を駆動するために用いられる。駆動ユニットとしては、通常、油圧アクチュエータの駆動機械要素として動作するディーゼルエンジンが用いられる。この油圧アクチュエータは、移動駆動部、旋回装置駆動部、ホイスト駆動部、バケット駆動部、アーム駆動部のような独立した駆動部であって、それぞれ、複動型油圧シリンダーで構成されている。例えば、機械のフロントアタッチメント全体は、ホイスト駆動部によって駆動される。フロントアタッチメントの位置エネルギーは、引き上げ動作又は下降動作によって変化する。引き上げ動作中は、システムにエネルギーを取り込む必要があるが、下降動作中は、このエネルギーが放出される。既知のシステムでは、フロントアタッチメントの下降動作中には、放出されたエネルギーが単に捨てられる。この動作は、制御ピストンにおいて、ホイストシリンダーへ返送される流れを絞ることによって行われる。フロントアタッチメントの重量には、バケット内の多量の充填物も含まれるため、非常に多量のエネルギーが捨てられてしまう。
独国特許１０３４３０１６号明細書 独国特許１０２００７０２５７４２号明細書
本発明の課題は、駆動エネルギーの大部分を回収でき、該エネルギーを更に駆動部の動作に利用できる掘削機用の駆動装置を開発することである。
本発明の課題は、請求項１の特徴を組み合わせることによって解決される。
本発明は、旋回装置駆動部、ホイスト駆動部、バケット駆動部、アーム駆動部等の複数の独立した駆動部を含む掘削機用の一般的な駆動装置において、旋回装置駆動部の閉回路は、少なくとも１つのエネルギー蓄積器に接続された２つの可逆調整ユニットで形成されている。
一般的に、掘削機の旋回装置は、閉回路において操作されることが知られている。しかし、従来の掘削機では、上記２つの可逆調整ユニットの代わりに、可変容量油圧ポンプと、これによって駆動される油圧モータとが設けられている。従って、高圧側と低圧側とは、上部旋回体の旋回方向によって交互になる。
これに対して、本発明では、油圧ユニットは両方、油圧可逆調整ユニットである。すなわち、両方ともポンプ及びモーターとして動作可能である。従って、上記従来技術とは対照的に、可逆調整ユニットが油圧機械要素として動作する限り、閉回路の一方側である２つの可逆調整手段及び蓄圧器の間には高圧が作用する一方、閉回路の他方側には常に低圧が作用する。
旋回装置の動作中に掘削機の上部旋回体が減速すると、ブレーキエネルギーは、貯蔵用として上記可逆調整ユニットのうちの一方から送られる。必要であれば、このエネルギーは、もう一方の可逆調整ユニットを介して、該可逆調整ユニットに接続されているポンプ等の別のユニットに送られる。
上記上部旋回体のブレーキエネルギーは、次に加速するときのためにエネルギー蓄積器に蓄積される。この蓄積されたエネルギーは、旋回装置のモーターとして動作する方の可逆調整ユニットに供給される。しかし、必要であれば、上記エネルギー蓄積器に蓄積されたブレーキエネルギーは、もう一方の可逆調整ユニットにも供給される。これにより、例えば、ホイスト装置のような別に接続されたシステムの油圧作動油を補うことができる。
本発明の有利な点は、メインクレームに続くサブクレームによって与えられる。
上記２つの可逆調整ユニットのうちの少なくとも一方は、掘削機の駆動ユニット、例えばディーゼルエンジンに接続されているのが好ましい。エネルギーの蓄積動作及び放出動作によって、いくらかのエネルギーの損失が発生するため、これに対応するエネルギーが上記駆動ユニットによってエネルギー蓄積器に再び蓄積される。
上記２つの可逆調整ユニットは、有利な点として、モーター又はポンプとして動作するように、互いの回転方向が同じになるように油圧作動油の流れ方向を反転可能な油圧可逆調整ユニットであるのが好ましい。上記少なくとも１つのエネルギー蓄積器は、蓄圧器であるのが好ましい。
特に、上記少なくとも１つの蓄圧器には、第１蓄圧器及び第２蓄圧器が含まれ、上記第２蓄圧器は、上記第１蓄圧器から放出される油圧作動油、又は上記第１蓄圧器へ返送される油圧作動油を補うように構成されているのが好ましい。この第２蓄圧器は、閉回路の低圧側に接続されているのが好ましい。
特に、旋回装置駆動部の可逆調整ユニットは、エネルギー的にホイスト駆動部の可逆調整ユニットと接続しているのが好ましい。これにより、一方の駆動回路から他方の駆動回路へエネルギーを与えることができる。全ての制御は、電子エネルギー制御コントローラーによって行われるのが好ましい。
他の例としては、可逆調整ユニットは、電圧変換器を有する電気ユニットからなる電気可逆調整ユニットで構成されていてもよい。この場合、エネルギー蓄積器は、例えばバッテリー又はスーパーキャパシタ（ウルトラキャパシタ）等の蓄電器であるのが好ましい。
有利な点として、冷却ファン、空調用の圧縮機、ウォーターポンプ、及びその類のものの電気駆動部に電力を供給可能な、上記電圧変換器とは別の電圧変換器が設けられているのが好ましい。
本発明の特別に有利な側面によれば、少なくとも１つのホイストシリンダーが設けられていて、該ホイストシリンダーは、２つの油圧調整ユニットに接続されている。この２つの油圧調整ユニットは、上記旋回装置駆動部の２つの可逆調整ユニットの１つと接続されうる。
上記油圧調整ユニットの１つは、蓄圧器と接続されている。
本発明の更なる詳細、特徴及び利点は、図面によって説明される実施例に従って説明される。
図１は、本発明の実施形態に係る駆動部の概略図である。 図２は、実施形態の参考例１に係る駆動部の概略図である。 図３は、実施形態の変形例１に係る駆動部の概略図である。
図１に、本発明に係る駆動装置の回路図を示す。本発明に係る駆動装置では、複数の独立した駆動部が油圧により駆動される。これらの独立した駆動部には、ディッパアーム駆動部、バケット駆動部、ホイストシリンダー駆動部、そして旋回装置駆動部が含まれる。一点鎖線１２内には、油圧掘削機用の油圧駆動部の各機械要素（詳細は省略）が示されている。この一点鎖線１２内には、駆動ユニット１４が設けられている。まず、概略的に示した駆動ユニット１４は、ディーゼルエンジンで構成されている。このディーゼルエンジンによって、油圧ポンプ１６及び１８が駆動する。これらの油圧ポンプ１６及び１８は、対応する複動型油圧シリンダー２０及び２２に油圧作動油を供給する。複動型油圧シリンダー２０は、掘削機のバケット（図示省略）を駆動するためのシリンダーである。複動型油圧シリンダー２２は、ディッパアーム（図示省略）を駆動するためのシリンダーである。上記複動型油圧シリンダー２０及び２２付近には、更に、２つの複動型油圧シリンダー２４及び２６が設けられている。これらは、ここでは詳しくは記載しないが、ホイストシリンダーとして、油圧掘削機のフロントアタッチメント全体を引き上げたり下降させたりする。上記ホイストシリンダー２４及び２６の駆動部並びに図示しない旋回装置の駆動部の両方は、詳しくは後述する実施形態の変形例では別の構成で表されている。旋回装置の駆動機械要素は、それぞれ、油圧可逆調整ユニットＥ２及びＥ１で構成されている。これらの油圧可逆調整ユニットＥ２及びＥ１は、閉回路において旋回装置を駆動する。本発明によれば、これらの油圧可逆調整ユニットＥ２及びＥ１は、ポンプ及びモーターの両方として動作でき、互いの回転方向が同じになるように油圧作動油の流れを反転できる。閉回路において、調整ユニットＥ２及びＥ１を接続する接続ラインの一方側には、高圧が作用している。この高圧側の接続ラインには、エネルギー蓄積器として動作する蓄圧器ＳｐＲが接続されている。この蓄圧器ＳｐＲは、必要に応じて、調整ユニットＥ２又はＥ１によって蓄圧又は放圧されうる。蓄圧中は、エネルギーが蓄圧器に蓄積される一方、放圧中は、蓄積されたエネルギーが対応するユニットに戻される。
閉回路において、調整ユニットＥ２及びＥ１を接続するラインのうち低圧側のラインには、別の蓄圧器ＳｐＴが設けられている。この蓄圧器ＳｐＴは、タンクとして動作する。この蓄圧器ＳｐＴは、高圧側で油圧回路の蓄圧器ＳｐＲから放出される油圧作動油を補ったり、蓄圧器ＳｐＲに返送される油圧作動油を補ったりする。つまり、高圧側と低圧側の油圧回路のうち、一方側で放出された油圧作動油の量だけ他方側の油圧回路へ送られ、その逆も同様である。
ホイストシリンダー２４及び２６は、油圧可逆調整ユニットＥ３及びＥ４に接続されている。ホイストシリンダー２４及び２６で保持された負荷が油圧調整ユニットＥ３及びＥ４におけるリークにより徐々に減少するのを防ぐため、２つの負荷保持弁ＨＶＫ及びＨＶＳが連動する。これらは、通常運転中は、油の流れが阻害されないように開放される。油圧シリンダー２４及び２６の接続部と反対側においては、油圧ユニットＥ４に別のエネルギー蓄積器としての蓄圧器ＳＰＨが接続されている。この蓄圧器ＳＰＨを用いることより、油圧ユニットＥ４の大きさを小さくでき、全体でのエネルギーの蓄積の効率が改善される。
油圧調整ユニットＥ３及びＥ４は、図１に示すように、旋回装置の油圧可逆調整ユニットＥ１と接続されている。
上記駆動装置の全体制御は、電子制御ユニットＥＣＵ（電子エネルギー制御コントローラー）によって行われる。このＥＣＵは、電子エネルギーの管理を行う。図１の破線は、上記電子制御ユニットの各信号線を表す。掘削機の操縦者がホイスト装置及び旋回装置の動作指令を操縦コントローラー３０に入力することによって、電子制御ユニットＥＣＵが操縦コントローラー３０の操作制御指令を受ける。
本発明に係る各駆動部の操作中における動作モードを、以下に記載する。掘削機の旋回装置は、上部旋回体を下部走行体に対して移動させる。掘削機の上部旋回体を減速した場合、ブレーキエネルギーは、調整ユニットＥ２から蓄圧器ＳＰＲまで送られ、必要であれば油圧モーターとして動作する油圧可逆調整ユニットＥ１まで送られる。これにより、例えば、油圧ポンプＥ３及びＥ４を駆動することができる。
上部旋回体のブレーキエネルギーは、次に加速するときに用いるため、蓄圧器ＳＰＲに蓄えられる。このエネルギーは、ここでは旋回装置のモーターとして動作する油圧可逆調整ユニットＥ２に送られる。また、上記エネルギーは、必要であれば、油圧作動油を補うことにより、油圧可逆調整ユニットＥ１にも送られる。
蓄圧器の蓄圧動作及び放圧動作によって、いくらかのエネルギーの損失が発生するため、蓄圧器の内圧が減少した場合、駆動ユニット１４によって蓄圧器を再び蓄圧しなければならない。これは、コントローラーＥＣＵによって対応する動作が行われた後、調整ユニットＥ１によって行われる。
フロントアタッチメントを下降させる場合、すなわち収縮させる場合、ホイストシリンダー２４及び２６は、フロントアタッチメントの位置エネルギーを、調整ユニットＥ３及びＥ４を介して蓄圧器ＳＰＨに供給し、更に、油圧可逆調整ユニットＥ１を介して蓄圧器ＳＰＲに供給する。油圧ユニットＥ３、Ｅ４及びＥ１は、それぞれ、油圧変換器を構成しているため、油圧シリンダー２４，２６と蓄圧器ＳＰＨとの間の減圧、及び、油圧シリンダー２４，２６と蓄圧器ＳＰＲとの間の減圧によって、損失はほとんど起こらない。更に、この解決方法は、掘削機の操縦者によってフロントアタッチメントを自由降下させる際の速度を、エネルギーに変換するためのものである。エネルギーレベルを保持するため、又は駆動モーターをより利用しやすくするため、付加的なエネルギーを駆動ユニット１４から蓄圧器ＳＰＨ及びＳＰＲへ供給することができる。
フロントアタッチメントを持ち上げた場合、又は油圧シリンダーを延ばした場合、蓄圧器ＳＰＨ及びＳＰＲに蓄積されたエネルギーが、油圧ユニットＥ１、Ｅ３及びＥ４を介して複動型油圧シリンダー２４及び２６に再び供給され、それと並行して、駆動ユニット１４からのエネルギーが複動型油圧シリンダー２４及び２６へ供給される。従って、フロントアタッチメントを持ち上げる動作のスピードは、導入されたエンジンのパワーのみによって制限されない。このように、上述した本発明の解決方法によって、エネルギーの再利用や削減ができるだけでなく、掘削機においてより良い機械動特性を得ることができる。従来の機械と比べると、引き上げ動作は何倍も加速される。
電子制御ユニットＥＣＵは、有利な点として、多くのモジュールで構成されていて、駆動部の様々な信号を検出及び処理し、そして最終的にはポンプ調節部やスライド弁のような様々な調整部を制御するのが好ましい。
図２に本発明の参考例１を示す。ここでは、油圧的解決方法について記載されている図１とは異なり、旋回装置駆動部の電気的解決方法が具体化されている。この駆動部の操作モードのほとんどは、図１に示す実施形態の駆動モードに対応する。従って、全体的な効果や同じ構造部分については、上述の通りである。しかし、図１の実施形態で表されている油圧ユニットＥ１及びＥ２は、この参考例１の場合、可逆調整ユニットとして動作する電気ユニットに置き換えられている。この電気ユニットは、電気モーター又は電源として動作する。各可逆調整ユニットＥ２及びＥ１には、電圧変換器Ｗ２及びＷ１がそれぞれ接続されている。図１の蓄圧器ＳＰＲの代わりに、バッテリー又はスーパーキャパシタ（ウルトラキャパシタ）で構成された蓄電器が、電圧変換器Ｗｓとともに用いられている。
スーパーキャパシタを用いた場合、図２の参考例１で示された電圧変換器Ｗｓは必ずしも必要ではない。
図２の電気的解決方法では、電圧変換器Ｗｘを介して付加的な負荷を接続することができる。これらの電圧変換器は、例えば、冷却ファンの電気駆動部や、空調用圧縮機の電気駆動部や、ウォーターポンプの電気駆動部等の付加的な負荷と通電しうる。図２の回路図には、上記負荷の詳細は記載されていない。ホイストシリンダー２４及び２６に接続された可逆調整ユニットＥ３及びＥ４は、図２に示す参考例１にも同様に記載されている。この参考例１では、可逆調整ユニットＥ４は、蓄圧器ＳＰＨには接続されていないが、油タンクには接続されている。
図２に示す参考例１による駆動装置の操作モードは、図１の油圧のみを用いた解決方法による駆動装置の操作モードと似ている。しかし、旋回装置及びホイストのエネルギーは、１つの蓄電器３２（ウルトラキャパシター、バッテリー）のみに溜められる。従って、図１の油圧的解決方法における蓄圧器ＳＰＨ及びＳＰＲは、ここでは、１つの蓄電器３２に置き換えられている。
最後に、図３に本発明に係る駆動装置の変形例１を示す。この変形例１は、図２に示す参考例１の駆動装置と実質的に同様であり、”電気的解決方法”である。ここでは、蓄圧器ＳＰＨが、図２におけるタンクの代わりに油圧可逆調整ユニットＥ４に接続されている。これは、図１の実施形態による”油圧的解決方法”における方法と似ている。従って、これは、”電気油圧併用型”解決法である。
蓄圧器ＳＰＨを用いることには、２つの利点がある。１つは、エネルギー蓄積効率が改善されることである。もう１つは、油圧ユニットＥ４の大きさが小さくなることである。

Claims (10)

  1. 旋回装置駆動部とホイスト駆動部とを有する複数の独立した駆動部を含む掘削機用の駆動装置であって、
    上記旋回装置駆動部には、少なくとも１つのエネルギー蓄積器に接続された２つの可逆調整ユニットが設けられ、
    ２つの油圧調整ユニットに接続された少なくとも１つの油圧シリンダーが設けられ、
    上記２つの油圧調整ユニットのうちの一方は、蓄圧器と接続され、
    上記少なくとも１つの油圧シリンダーに接続された２つの油圧調整ユニットは、上記可逆調整ユニットの１つに接続され
    ていることを特徴とする駆動装置。
  2. 請求項１に記載の駆動装置において、
    上記２つの可逆調整ユニットのうちの一方は、掘削機の駆動ユニットと接続されていることを特徴とする駆動装置。
  3. 請求項１又は２に記載の駆動装置において、
    上記２つの可逆調整ユニットは、モーター及びポンプとして動作するように、互いの回転方向が同じになるように油圧作動油の流れ方向を反転可能な油圧可逆調整ユニットであって、
    上記少なくとも１つのエネルギー蓄積器は、蓄圧器であることを特徴とする駆動装置。
  4. 請求項３に記載の駆動装置において、
    上記少なくとも１つの蓄圧器には、第１蓄圧器及び第２蓄圧器が含まれ、
    上記第２蓄圧器は、上記第１蓄圧器から放出される油圧作動油、又は上記第１蓄圧器へ返送される油圧作動油を補うように構成されていることを特徴とする駆動装置。
  5. 請求項４に記載の駆動装置において、
    上記２つの油圧可逆調整ユニットは、上記第１蓄圧器及び第２蓄圧器とともに油圧閉回路を形成し、
    上記２つの油圧可逆調整ユニットのそれぞれにおいて、上記第１蓄圧器が接続されている側が高圧である一方、上記第２蓄圧器が接続されている側が低圧であることを特徴とする駆動装置。
  6. 請求項１から５のうちいずれか１つに記載の駆動装置において、
    上記旋回装置駆動部の可逆調整ユニットは、上記ホイスト駆動部の調整ユニットとエネルギー的に接続されていることを特徴とする駆動装置。
  7. 請求項１から６のうちいずれか１つに記載の駆動装置において、
    電子エネルギー制御コントローラーによって制御されることを特徴とする駆動装置。
  8. 請求項１又は２に記載の駆動装置において、
    上記可逆調整ユニットは、電圧変換器を有する電気ユニットで構成されていることを特徴とする駆動装置。
  9. 請求項８に記載の駆動装置において、
    上記エネルギー蓄積器は、蓄電器であることを特徴とする駆動装置。
  10. 請求項８又は９に記載の駆動装置において、
    冷却ファン、空調用の圧縮機、ウォーターポンプ等に用いられる電気駆動部に電力を供給可能な、上記電圧変換器とは別の電圧変換器が設けられていることを特徴とする駆動装置。
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