JP5886976B2 - 作業機械 - Google Patents

Description

本発明は、油圧ショベル等の油圧アクチュエータを備えた作業機械に関する。

油圧ショベル等の作業機械においては、一般にエンジンでポンプを駆動し、ポンプからアクチュエータに供給する作動油の流量や方向を制御してアクチュエータの動作を制御する。アクチュエータへの作動油を制御する機器の一つにオープンセンター型の流量制御弁があり、この流量制御弁を用いた場合、アクチュエータに作動油が送られない状態では当該弁のブリードオフ開口を介して作動油がタンクに流れ込む。一方、アクチュエータに作動油を送る場合、流量制御弁のアクチュエータに繋がる開口（メータイン開口）の面積が増大し、それに伴ってブリードオフ開口の面積が減少する（特許文献１等参照）。

特開２０１１−８５１９８号公報

重負荷のかかったアクチュエータに作動油を送り込む場合、アクチュエータにかかった負荷圧よりも高圧の作動油を送り込まなければならないため、必要以上に大きなレバー操作を強いられる場合がある。この場合、レバー操作量に応じてポンプ流量が増大するため、オープンセンター型の流量制御弁ではブリードオフ開口を通る作動油の流量も増し、アクチュエータの作動に寄与することなくタンクに戻る作動油の流量が必要以上に多くなりエネルギーロスが大きい。

それに対し、上記特許文献１の建設機械は、ブリードオフ管路からタンクへの作動油の流れを遮断するカットオフ弁を備えていて、重負荷のかかったアクチュエータに作動油を供給する際にカットオフ弁が閉じ、必要以上に大きくレバーを操作しなくても負荷圧よりも高圧の作動油がアクチュエータに供給されるようになっている。

しかしながら、操作性を考慮すると、たとえ重負荷作業であってもブリードオフ管路の作動油の流れを遮断することが好ましくない場合もある。例えば走行体に対して旋回体を旋回させる場合、タンクへの流路を遮断するとポンプの吐出油が全て旋回モータに流れようとする。しかし、旋回体は慣性が大きいため旋回モータの回転速度が上昇するのに時間を要し、ポンプ流量に応じた値まで旋回モータの回転速度が上昇するまでは、旋回モータへの作動油の流入が制限されてポンプ吐出圧が必要以上に上昇する。たとえレバー操作量が小さくてもポンプ吐出圧はリリーフ圧まで上昇し、旋回動作の加速度がレバー操作量の割に大きくなって操作に対する違和感を生じさせ得る。

本発明は上述の課題に基づいてなされたもので、操作に対する違和感の発生を抑えつつ省エネルギーを実現することができる作業機械を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、可変容量型のポンプと、このポンプの吐出油で駆動するアクチュエータと、このアクチュエータへの作動油の流量を制御するオープンセンター型のアクチュエータ流量制御弁と、このアクチュエータ流量制御弁をタンクに接続するブリードオフ管路と、このブリードオフ管路に配置したブリードオフ流量制御弁と、前記アクチュエータの動作を指示する操作装置と、この操作装置の操作量に応じて前記ブリードオフ流量制御弁の開度を制御するブリードオフ制御装置と、前記操作装置の操作量に応じた基準ポンプ流量を前記ブリードオフ流量制御弁の開度に応じて補正してポンプ流量を制御するポンプ制御装置とを備える。

本発明によれば、操作に対する違和感の発生を抑えつつ省エネルギーを実現することができる。

本発明に係る作業機械の側面図である。 本発明の第１の実施の形態に係る作業機械に備えられた油圧駆動システムの要部を抜き出して表した回路図である。 本発明の第１の実施の形態に係る作業機械に備えられたコントローラの機能ブロック図である。 操作装置の操作量に対する各種値の挙動を表した図である。 操作装置の操作に伴う各種値の経時的挙動を表した図である。 本発明の第２の実施の形態に係る作業機械に備えられた油圧駆動システムの要部を抜き出して表した回路図である。 本発明の第３の実施の形態に係る作業機械に備えられた油圧駆動システムの要部を抜き出して表した回路図である。 本発明の第３の実施の形態に係る作業機械に備えられたコントローラの機能ブロック図である。 本発明の第４の実施の形態に係る作業機械に備えられた油圧駆動システムの要部を抜き出して表した回路図である。

以下に図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。

以下に説明する実施の形態では油圧ショベルに本発明を適用した場合を例に挙げるが、油圧ショベルに限らず、油圧アクチュエータを備えた作業機械全般に本発明は適用可能である。

＜第１の実施の形態＞
（作業機械）
図１は本発明に係る作業機械の側面図である。

図１に例示した油圧ショベル１００は、クローラ式の左右の走行装置を装備した走行体１０１と、キャブ１０３を備えた旋回体１０２とを備えている。本願明細書にではキャブ１０３に搭乗した作業者が向く方向（同図では右方向）を前方とする。左右の走行装置にはそれぞれ走行モータが備えられていて、左右の走行モータを適宜駆動することで前進、後進、ターン等の各種走行動作がなされる。上記旋回体１０２は旋回装置１０４を介して走行体１０１の上部に旋回可能に連結されている。特に図示していないが、旋回装置１０４には旋回モータが設けられていて、旋回モータを駆動することによって旋回体１０２が旋回する。

旋回体１０２の前部には作業装置（フロント作業装置）１０６が設けられている。この作業装置１０６は、ブーム１１２、アーム１１４及びバケット１１５を備えている。ブーム１１２は旋回体１０２に対して俯仰動可能に連結されていて、ブームシリンダ１１１により駆動する。ブームシリンダ１１１のロッド先端がブーム１１２に連結されていて、シリンダチューブの基端が旋回体１０２に連結されている。アーム１１４はブーム１１２の先端に前後に揺動可能に連結されていて、アームシリンダ１１３により駆動する。アームシリンダ１１３のロッド先端がアーム１１４に連結されていて、シリンダチューブの基端がブーム１１２に連結されている。バケット１１５はアーム１１４の先端に揺動可能に連結されていて、バケットシリンダ（不図示）により駆動する。バケットシリンダのロッド先端がバケット１１５に連結されていて、シリンダチューブの基端がアーム１１４に連結されている。

旋回体１０２には、ブームシリンダ１１１、アームシリンダ１１３、バケットシリンダ、旋回モータ、走行モータ等、油圧ショベル１００に搭載された油圧アクチュエータを駆動する油圧駆動システム１０５が備えられている。これら油圧アクチュエータは、キャブ１０３内に設置された操作レバー装置３（図２参照）やペダル等の操作装置の操作を基に閉回路油圧駆動システム１０５によって駆動される。油圧アクチュエータの動作方向及び動作速度は、操作装置の操作方向及び操作量によって指示される。

（油圧駆動システム）
図２は本発明の第１の実施の形態に係る作業機械に備えられた油圧駆動システムの要部を抜き出して表した回路図である。同図では、１つの油圧アクチュエータを駆動する回路部分を抜き出して図示してあるが、他の油圧アクチュエータを駆動する回路部分についても同様に構成することができる。

図２に示した油圧駆動システムは、動力源であるエンジン１、油圧ポンプ２、操作レバー装置３、アクチュエータ流量制御弁４、油圧ポンプ２の吐出油で駆動する油圧アクチュエータ５、作動油のタンク６、油圧回路の圧力を制限するリリーフ弁７、開口面積を変化させることでブリードオフ流量を制御するブリードオフ流量制御弁８、操作レバー装置３が生成した操作パイロット圧に応じた電気信号を出力する圧力センサ９、ポンプ制御圧生成装置１０、ブリードオフ流量制御弁８を駆動するためのブリードオフ制御圧を生成するためのブリードオフ制御圧生成装置１１、ポンプ制御圧生成装置１０とブリードオフ制御圧生成装置１１に制御指令値を送るコントローラ１２を備えている。

油圧ポンプ２はエンジン１で駆動する可変容量型のものであり、可変容量機構として例えば斜軸を有している。この場合、油圧ポンプ２は、斜軸の傾転角を容量制御装置２ａで調整して容量（押し退け容積）を変化させ、作動油の吐出流量（ポンプ流量）を変化させる。容量制御装置２ａは、ポンプ制御圧生成装置１０が生成するポンプ制御圧で駆動する。

操作レバー装置３は作業者がアクチュエータ（ここでは油圧アクチュエータ５）の動作を指示するためのものであり、圧力源（図示しないパイロットポンプ）で発生した油圧をレバー操作量に応じて減圧する減圧弁機能を持ち、レバー操作量に応じた操作パイロット圧を生成する。

アクチュエータ流量制御弁４は油圧アクチュエータ５への作動油の流量（方向を含む）を制御するオープンセンター型の流量制御弁であり、操作パイロット圧で駆動されるスプールを備えている。スプールには、メータイン開口４ｂ、ブリードオフ開口４ａ及びメータアウト管路（不図示）が備わっている。メータイン開口４ｂは、油圧ポンプ２の吐出管路２ｂを油圧アクチュエータ５に作動油を供給するメータイン管路５ａに連通させる開口であり、その開口面積をメータイン開口面積Ａｃと称する。ブリードオフ開口４ａは、タンク６に接続するブリードオフ管路６ａに吐出管路２ｂを連通させる開口であり、その開口面積をブリードオフ開口面積Ａｔと称する。メータアウト開口（不図示）は、油圧アクチュエータ５から吐出された作動油が流れるメータアウト管路（不図示）にタンク６を連通させる開口であり、その開口面積をメータアウト開口面積と称する。スプールが移動することによって、これらメータイン開口面積Ａｃ、ブリードオフ開口面積Ａｔ及びメータアウト開口面積の割合が変化する。

油圧アクチュエータ５は、前述したブームシリンダ１１１、アームシリンダ１１３、バケットシリンダ、旋回モータ、走行モータ等の油圧アクチュエータの１つであるが、図２では油圧シリンダを例示的に図示してある。油圧アクチュエータ５は、メータイン管路５ａに流れ込む作動油の流量（メータイン流量）に比例した速度で動作する。

リリーフ弁７は、作動油が流れる油圧配管を保護するものであり、油圧ポンプ２の吐出配管２ｂに接続して設けられ、吐出配管２ｂの圧力が設定圧力以上に上昇した場合に開き、吐出管路２ｂからタンク６に作動油を逃がす。

ブリードオフ流量制御弁８は、ブリードオフ管路６ａ（すなわちアクチュエータ流量制御弁４とタンク６の間）に配置されている。ブリードオフ流量制御弁８のスプールにはブリードオフ開口８ａが備わっており、スプールが移動することによってブリードオフ開口８ａの開口面積（ブリードオフ開口面積Ａｂ）が変化するようになっている。このスプールは、ブリードオフ制御圧生成装置１１で生成されたブリードオフ制御圧によって駆動する。このブリードオフ流量制御弁８のブリードオフ開口面積Ａｂ、並びにアクチュエータ流量制御弁４のメータイン開口面積Ａｃ及びブリードオフ開口面積Ａｔによって、ポンプ流量Ｑｐがメータイン流量Ｑｃとブリードオフ流量Ｑｔに振り分けられる。これらの流量は、油圧ポンプ２の吐出圧をＰｐ、油圧アクチュエータ５のメータイン圧をＰｃ、タンク６の圧力をＰｔとすると、次のように表すことができる。

Ｑｐ＝Ｑｃ＋Ｑｔ ・・・（式１）
Ｑｃ＝ｃ・Ａｃ・（Ｐｐ−Ｐｃ）^１／２ ・・・（式２）
Ｑｔ＝ｃ・Ａｔ’・（Ｐｐ−Ｐｔ）^１／２ ・・・（式３）
但し、ｃは係数であり、流量係数をＣｄ、流体の密度をρとすると、次式で表される。
ｃ＝Ｃｄ×（２／ρ）^１／２ ・・・（式４）
また、Ａｔ’はＡｔ及びＡｂの合成開口面積であり、
Ａｔ’＝（Ａｔ・Ａｂ）／（Ａｔ^２＋Ａｂ^２）^１／２ ・・・（式５）
で表される。

ポンプ制御圧生成装置１０は電磁減圧弁であり、コントローラ１２からの指令に応じて操作パイロット圧を減圧し、容量制御装置２ａに入力するポンプ制御圧を生成する。

ブリードオフ制御圧生成装置１１は電磁減圧弁であり、圧力源であるパイロットポンプ２５で発生させたパイロット圧をコントローラ１２からの指令に従って減圧し、ブリードオフ制御圧を生成する。

（コントローラ）
図３はコントローラの機能ブロック図である。

図３に示したように、コントローラ１２は、モード選択部１３、ブリードオフ制御部１４、及びポンプ制御部１５を備えている。

モード選択部１３は、第一モード及び第二モードのいずれかを選択してブリードオフ制御部１４に指示する機能部である。第一モードとは、操作レバー装置３の操作量に応じてブリードオフ流量制御弁８の開度を制御するモードである。第二モードとは、操作レバー装置３の操作量によらずブリードオフ流量制御弁８の開度を一定（本実施の形態では最大）とするモードである。モード選択部１３は、油圧ポンプ２及びブリードオフ流量制御弁８の双方の制御動作が正常である場合には第一モードを選択し、油圧ポンプ２及びブリードオフ流量制御弁８の少なくとも一方の制御動作が異常である場合には第二モードを選択し、ブリードオフ制御部１４に選択結果を出力する。

ここで「制御動作が正常」とは、油圧ポンプ２及びブリードオフ流量制御弁８の制御又は動作に関する機器の異常が認識できないことをいう。「制御動作が正常」であるか否かの判断の基礎としては、例えば圧力センサ９、ポンプ制御圧生成装置１０及びブリードオフ制御圧生成装置１１の信号等が例示できる。圧力センサ９であれば、検出信号が適正範囲（検出範囲）にない場合や断線している場合には正常に機能していないと判断することできる。ポンプ制御圧生成装置１０やブリードオフ制御圧生成装置１１であればコントローラ１２の指令値通りに制御圧を制御している状態をいう。ポンプ制御圧生成装置１０やブリードオフ制御圧生成装置１１の場合、コントローラ１２からの指令値を受けて電磁減圧弁に流れる電流値をモード選択部１３に入力されるようにすれば、コントローラ１２からの指令値に応じた値と入力電流の誤差が許容範囲（設定値）を超えていれば正常に機能していないと判断することができる。

ブリードオフ制御部１４は、モード選択部１３からの入力信号にしたがって第一モードと第二モードを選択的に実行可能である。第一モード時には、操作レバー装置３の操作量による操作パイロット圧（圧力センサ９の信号）に応じてブリードオフ制御圧の指令値を決定しブリードオフ圧力生成装置１１に出力し、ブリードオフ流量制御弁８の開度（＝ブリードオフ開口面積Ａｂ）を制御する。ブリードオフ制御圧の指令値は、例えば図４（ｂ）のように、操作パイロット圧が０（ゼロ）又はその付近の値の時はブリードオフ開口面積Ａｂ（ブリードオフ流量制御弁８の開度）が最大で、操作パイロット圧が大きくなるにつれてＡｂが小さくなるように決定する。この場合、図４（ａ）に例示したような操作パイロット圧及びブリードオフ制御圧の関係のテーブルをブリードオフ制御部１４に予め格納しておき、圧力センサ９から入力された操作パイロット圧に対応するブリードオフ制御圧の指令値をテーブルに従って決定する。一方、第二モード時には、操作レバー装置３の操作量によらずブリードオフ流量制御弁８の開度を一定（本実施の形態では最大）とする。本実施の形態では、第二モード時、ブリードオフ制御圧生成装置１１でブリードオフ制御圧は生成されない。ブリードオフ流量制御弁８は、ブリードオフ制御圧が生成されない場合には最大開度となる構成である。

ポンプ制御部１５は、ブリードオフ流量制御弁８のブリードオフ開口面積Ａｂを演算するＡｂ演算部１６、アクチュエータ流量制御弁４のブリードオフ開口面積Ａｔを演算するＡｔ演算部１７、ブリードオフ流量の目標減少量ΔＱを演算するΔＱ演算部１８、基準ポンプ流量を演算する基準ポンプ流量演算部１９、基準ポンプ流量とΔＱの差分を演算する差分演算部２０、及びポンプ制御圧の指令値を演算してポンプ制御圧生成装置１０に出力するポンプ制御圧演算部２１を備えている。このポンプ制御部１５は、各演算部１６−２１を機能させて、ブリードオフ制御部１４による制御値（ブリードオフ制御圧の指令値）及び操作レバー装置３の操作量（操作パイロット圧）に応じて油圧ポンプ２の吐出流量を制御する。具体的には、ブリードオフ流量制御弁８の開口面積Ａｂの減少によるブリードオフ流量Ｑｔの減少分だけポンプ流量Ｑｐが減少するように、ポンプ制御圧を演算する。

Ａｂ演算部１６では、ブリードオフ制御部１４で演算されたブリードオフ制御圧の指令値を基に、ブリードオフ流量制御弁８の開口面積Ａｂを推定する。例えば、図４（ｂ）に例示したようなブリードオフ制御圧とブリードオフ開口面積Ａｂの関係のテーブルをＡｂ演算部１６に予め格納しておき、ブリードオフ制御部１４から入力されたブリードオフ制御圧の指令値に対応するブリードオフ開口面積Ａｂをテーブルに従って決定する。

Ａｔ演算部１７では、操作パイロット圧に基づいてアクチュエータ流量制御弁４のブリードオフ開口面積Ａｔを推定する。例えば、図４（ｃ）のように操作パイロット圧に対するブリードオフ開口面積Ａｔの関係のテーブルをＡｔ演算部１７に予め格納しておき、圧力センサ９から入力された操作パイロット圧に対応するブリードオフ開口面積Ａｔをテーブルに従って決定する。

ΔＱ演算部１８では、ブリードオフ開口面積Ａｂの減少（Ａｂの最大値との差分）によるブリードオフ流量Ｑｔの減少量（Ａｂが最大の時のＱｔとの差分）を演算し、その値をポンプ流量Ｑｐの目標減少量ΔＱｐとして出力する。ΔＱｐは、例えば次式で求められる。

ΔＱｐ＝ｃ・ΔＡｔ’・（Ｐｐ−Ｐｔ）^１／２ ・・・（式６）
ただし、ΔＡｔ’はＡｂ及びＡｔの合成開口面積の減少量であり、開口面積Ａｂの最大値をＡｂｍａｘとすると、次式で表すことができる。

ΔＡｔ’＝（Ａｔ・Ａｂｍａｘ）／（Ａｔ^２＋Ａｍａｘ^２）^１／２−（Ａｔ・Ａｂ）／（Ａｔ^２＋Ａｂ^２）^１／２ ・・・（式７）
なお、第二モードの場合、Ａｂが最大であるため、ΔＱ＝０となる。

ΔＱｐ演算部１８は、例えば、ポンプ吐出圧Ｐｐやタンク圧Ｐｔの平均的な値を予め設定しておき、その値を（式６）に代入してΔＱｐを求める。また、ポンプ吐出圧Ｐｐやタンク圧Ｐｔを検出するセンサを設け、それらの検出値を（式６）に代入してΔＱｐを求めても良い。また、図４（ｄ）は（式６）で演算したポンプ流量の目標減少量ΔＱｐと操作パイロット圧との関係を例示したものであるが、このような操作パイロット圧に対するΔＱｐの関係のテーブルをΔＱｐ演算部１８に予め格納しておき、圧力センサ９から入力された操作パイロット圧に対応するΔＱｐをテーブルに従って決定することもできる。

基準ポンプ流量演算部１９では、操作パイロット圧に基づいて、第二モード（ブリードオフ流量制御弁８が最大開度）の場合のポンプ流量を演算し、その値を基準ポンプ流量として出力する。例えば、操作パイロット圧に対する基準ポンプ流量のテーブルを基準ポンプ流量演算部１９に予め格納しておき、圧力センサ９から入力された操作パイロット圧に対応する基準ポンプ流量をテーブルに従って決定することができる。また、基準ポンプ容積を同様にして予め用意したテーブルで演算し、基準ポンプ容積にポンプ回転数を乗じることでも基準ポンプ流量を演算することができる。

差分演算部２０では、基準ポンプ流量演算部１９で演算した基準ポンプ流量からポンプ流量の目標減少量ΔＱｐを減算し、目標ポンプ流量を演算する。以上のように演算した基準ポンプ流量及び目標ポンプ流量と操作パイロット圧の関係を図４（ｅ）に例示する。

ポンプ制御圧演算部２１では、実際のポンプ流量が目標ポンプ流量に近付くようにポンプ制御圧の指令値を演算し、ポンプ制御圧生成装置１０に出力する。第二モードの場合、ΔＱ＝０であるため差分演算部２０による演算結果は基準ポンプ流量と同値となる。その結果、ポンプ制御部１５においては、第一モード時にはブリードオフ流量制御弁８の開度に応じて操作パイロット圧が減圧されてポンプ制御圧生成装置１０に出力されるのに対し、第二モード時には操作パイロット圧が減圧されずにそのままポンプ制御圧生成装置１０に出力される。

（動作・作用）
作業者が操作レバー装置３を操作すると、操作量に応じて操作パイロット圧が生成され、その圧力に応じて油圧ポンプ２の容量とアクチュエータ流量制御弁４のスプール位置が変化する。操作量が大きいほど油圧ポンプ２の容量が大きくなり、ポンプ流量は増加する。操作量が大きいほどアクチュエータ流量制御弁４のメータイン開口面積Ａｃが大きく、ブリードオフ開口面積Ａｔが小さくなる。よって、レバー操作量が大きいほど油圧アクチュエータ５に流れる作動油が多くなり、アクチュエータ速度が大きくなる。

このとき、前述したように、コントローラ１２は、第一モード時には操作レバー装置３の操作量に応じてブリードオフ流量制御弁８の開度を制御するとともに、操作量に応じた目標流量（基準ポンプ流量、言い換えれば第二モード時の目標ポンプ流量）をブリードオフ流量制御弁８の開度に応じて補正してポンプ制御圧を出力する。本実施の形態では操作レバー装置３の操作量及びブリードオフ流量制御弁８の開度に応じてポンプ流量が制御され、操作レバー装置３の操作量に応じたポンプ流量がブリードオフ流量制御弁８の開度に応じて減じられる。一方、コントローラ１２は、第二モード時には、ブリードオフ流量制御弁８を制御せず（本実施の形態では最大開度とし）、操作パイロット圧にのみ応ずる形でポンプ制御圧が生成され出力される。

図５は操作レバー装置の操作に伴う各種値の経時的挙動を表した図である。図中の実線は第一モード時、破線は第二モード時の挙動を示している。

図５（ａ）は操作パイロット圧の挙動の一例である。同図では実線と破線がほぼ重なっており、第一モードと第二モードで同じ操作を行っていることを示している。

図５（ｂ）はブリードオフ流量制御弁８に入力されたブリードオフ制御圧である。同図により、第一モードでは操作パイロット圧の上昇に伴ってブリードオフ制御圧が上昇しており、操作量の増加に伴ってブリードオフ流量制御弁８の開度が低下するように指令されていることが分かる。第二モードでは操作パイロット圧が上昇してもブリードオフ制御圧は生成されず、ブリードオフ流量制御弁８の開口が最大のままで維持されるように指令されていることがわかる。

図５（ｃ）は油圧ポンプ２の容量制御装置２ａに入力されたポンプ制御圧である。第二モードでは操作量に応じてポンプ制御圧が上昇していて、操作量に応じてポンプ流量が増大するように指令されていることがわかる。それに対し、第一モードは、操作量に応じたポンプ流量（第二モードのポンプ流量）に対してポンプ制御圧が低く抑えられていることがわかる。その結果、図５（ｅ）に示すように、同じ操作量であっても第一モード時には第二モード時よりもポンプ流量が抑えられており、ブリードオフ流量制御弁８の開度が小さいほど基準ポンプ流量に対してポンプ流量が小さくなっている（基準ポンプ流量との偏差が大きくなっている）。

第一モード時は第二モード時に比べてポンプ流量が小さいが、対応してブリードオフ流量制御弁８の開度が小さいため、図５（ｄ）に示すように第一モードと第二モードとでポンプ吐出圧はほぼ同じに制御される。

ポンプ吐出圧とポンプ流量を乗じた値はエンジン負荷に比例するので、第一モード時には、ブリードオフ流量制御弁８によってブリードオフ流量を積極的に制御しない場合（すなわち第二モードの場合）に比べてエンジンの負荷を軽減することができる。また、第一モード時にはポンプ流量が低下するが、ブリードオフ流量が小さくなるため、図５（ｆ）に示すように第二モードの場合とのメータイン流量の挙動が変化せず、第二モードの場合と同等のアクチュエータ速度及び操作性を確保することができる。

以上のように、本実施の形態においてはブリードオフ流量を０にすることはなく、ブリードオフ流量を制御して適当なメータイン流量を確保する。すなわち、ブリードオフ流量制御弁８を介して相応の流量の作動油をタンク６に流しつつ、ブリードオフ流量を絞った分だけポンプ流量を抑える。これにより、重負荷作業であっても油圧ポンプ２から吐出された作動油が行き場を失ってポンプ吐出圧が必要以上に上昇しリリーフ圧にまで達することを抑制することができる。したがって、レバー操作量に対して違和感のない、或いは違和感の少ないアクチュエータ速度を実現することができる。よって、本実施の形態によれば操作に対する違和感の発生を抑えつつ省エネルギーを実現することができる。

また、本実施の形態においては、圧力センサ９やポンプ制御圧生成装置１０、ブリードオフ制御圧生成装置１１等が故障した場合には運転モードが第一モードから第二モードに自動的に切り換わるが、上記のように第一モードで第二モードと同等のアクチュエータ速度及び操作性を実現しているので、モードが切り換わっても操作フィーリングが変化しない。異なる見方をすれば、圧力センサ９等に異常が生じて第一モードのまま運転が継続するとかえって操作に対する違和感が生じ得る状態に陥っても、自動的に第二モードに切り換わるので圧力センサ９等に異常が発生しても問題なく運転を継続することができるメリットがある。

＜第２の実施の形態＞
図６は本発明の第２の実施の形態に係る作業機械に備えられた油圧駆動システムの要部を抜き出して表した回路図であり、第１の実施の形態の図２に対応する図である。図６においては、既述したものには既出図面と同符号を付して説明を省略する。

本実施の形態が先の実施の形態と相違する点は、ポンプ制御圧の元圧がパイロットポンプ２５で発生させたパイロット圧である点である。すなわち、本実施の形態では、パイロットポンプ２５からのパイロット圧をポンプ制御圧生成装置１０で減圧してポンプ制御圧を生成し、油圧ポンプ２の容量制御装置２ａにポンプ制御圧を出力する。その他、説明を省略する点については第１の実施の形態と同様である。

本実施の形態においても第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。加えて、本実施の形態においては、第１の実施の形態と異なり、ポンプ制御圧を操作パイロット圧よりも高くすることができる。そのため、より大型の油圧ポンプやアクチュエータを用いる場合にも好適に適用することができる。

＜第３の実施の形態＞
図７は本発明の第３の実施の形態に係る作業機械に備えられた油圧駆動システムの要部を抜き出して表した回路図、図８はコントローラの機能ブロック図であり、図７は図２及び図６、図８は図３に対応している。本実施の形態では、既述したものについては図７及び図８において既出図面と同符号を付して説明を省略する。

本実施の形態が先の実施の形態と相違する点は、複数（本実施の形態では２つ）の油圧アクチュエータ５１，５２を同一の油圧ポンプ２から吐出された作動油で駆動する点である。それぞれメータイン管路５１ａ，５２ａを介して油圧アクチュエータ５１，５２に供給される作動油はアクチュエータ流量制御弁４１，４２により制御され、アクチュエータ流量制御弁４１，４２のスプール位置はそれぞれ操作レバー装置３１，３２で生成された操作パイロット圧により制御される。また、操作レバー装置３１，３２が生成した操作パイロット圧に応じた電気信号が圧力センサ９１，９２からコントローラ１２に出力される。アクチュエータ流量制御弁４１，４２のブリードオフ開口４１ａ，４２ａはブリードオフ管路６ａ上に直列的に配置されており、油圧ポンプ２から吐出された作動油はアクチュエータ流量制御弁４１，４２及びブリードオフ流量制御弁８のブリードオフ開口４１ａ，４２ａ，８ａを通ってタンク６に流れ得る。その他の回路構成は第２の実施の形態と同様であるが、第１の実施の形態のようにポンプ制御圧の元圧を操作レバー装置３１，３２で生成された操作パイロット圧とすることもできる。

また、コントローラ１２においては、モード選択部１３、ブリードオフ制御部１４、Ａｔ演算部１７、基準ポンプ流量演算部１９に対して圧力センサ９１，９２からの信号が入力され、圧力センサ９１，９２の信号を基にモード判定及び各種演算がなされる。

アクチュエータ流量制御弁４１のメータイン開口４１ｂ及びブリードオフ開口４１ａの面積をそれぞれＡｃ１，Ａｔ１、アクチュエータ流量制御弁４２のメータイン開口４２ｂ及びブリードオフ開口４２ａの面積をそれぞれＡｃ２，Ａｔ２、ブリードオフ流量制御弁８の開口面積をＡｂ、油圧ポンプ２の吐出圧をＰｐ、油圧アクチュエータ５１のメータイン圧力をＰｃ１、油圧アクチュエータ５２のメータイン圧力をＰｃ２、タンク６の圧力をＰｔとすると、ポンプ流量Ｑｐ、油圧アクチュエータ５１のメータイン流量Ｑｃ１、油圧アクチュエータ５２のメータイン流量Ｑｃ２、ブリードオフ流量Ｑｔは、以下の式で表すことができる。

Ｑｐ＝Ｑｃ１＋Ｑｃ２＋Ｑｔ ・・・（式８）
Ｑｃ１＝ｃ・Ａｃ１・（Ｐｐ−Ｐｃ１）^１／２ ・・・（式９）
Ｑｃ２＝ｃ・Ａｃ２・（Ｐｐ−Ｐｃ２）^１／２ ・・・（式１０）
Ｑｔ＝ｃ・ΔＡｔ”・（Ｐｐ−Ｐｔ）^１／２ ・・・（式１１）
ただし、Ａｔ''はＡｔ１、Ａｔ２、Ａｂの合成開口であり、
ΔＡｔ”＝（Ａｔ１・Ａｔ２・Ａｂ）／｛（Ａｔ１・Ａｔ２）^２＋（Ａｔ１・Ａｂ）^２＋（Ａｔ２・Ａｂ）^２｝^１／２ ・・・（式１２）
と求められる。

モード選択部１３は、圧力センサ９１，９２、ブリードオフ制御圧生成装置１１、ポンプ制御圧生成装置１０の全てが正常に動作しているときは第一モードを選択し、いずれか１つでも正常に動作していないときは第二モードを選択し、ブリードオフ制御部１４に出力する。

ブリードオフ制御部１４は、圧力センサ９１，９２の信号（操作レバー装置３１，３２の操作パイロット圧）に基づいてブリードオフ制御圧の指令値を決定する。例えば、操作レバー装置３１，３２の操作パイロット圧のそれぞれについて図４（ａ）のようなテーブルを予め設定しておき、圧力センサ９１，９２からそれぞれ入力される信号についてブリードオフ制御圧を演算し、ここでは大きい方を選択してブリードオフ制御圧の指令値としてブリードオフ制御圧生成装置１１に出力する。

Ａｔ演算部１７は、圧力センサ９１，９２の信号を基にそれぞれアクチュエータ流量制御弁４１，４２のブリードオフ開口面積Ａｔ１，Ａｔ２を推定する。例えば、操作レバー装置３１，３２の操作パイロット圧のそれぞれについて図４（ｃ）のようなテーブルを予め設定しておき、圧力センサ９１，９２の信号を基にブリードオフ開口面積Ａｔ１，Ａｔ２を演算する。

ΔＱｐ演算部１８は、ブリードオフ流量制御弁８の開度の低下に伴うブリードオフ流量Ｑｔの減少量を演算し、その値をポンプ流量の目標減少量ΔＱｐとして出力する。ΔＱｐは、例えば以下の式で求める。

ΔＱｐ＝ｃ・ΔＡｔ”・（Ｐｐ−Ｐｔ）^１／２ ・・・（式１３）
ただし、ΔＡｔ”はＡｂ，Ａｔ１，Ａｔ２の合成開口面積の減少量で、Ａｂの最大値をＡｂｍａｘとすると、
ΔＡｔ”＝（Ａｔ１・Ａｔ２・Ａｂｍａｘ）／｛（Ａｔ１・Ａｔ２）^２＋（Ａｔ１・Ａｂｍａｘ）^２＋（Ａｔ２・Ａｂｍａｘ）^２｝^１／２−（Ａｔ１・Ａｔ２・Ａｂ）／｛（Ａｔ１・Ａｔ２）^２＋（Ａｔ１・Ａｂ）^２＋（Ａｔ２・Ａｂ）^２｝^１／２ ・・・（式１４）
と表すことができる。

基準ポンプ流量演算部１９では、圧力センサ９１，９２の信号に基づいて第二モードの場合のポンプ流量を演算し、その値を基準ポンプ流量として出力する。そのために、操作レバー装置３１，３２の操作パイロット圧のそれぞれについて基準ポンプ流量のテーブルを予め設定しておき、圧力センサ９１，９２からそれぞれ入力される信号を基にポンプ流量を演算し、大きい方を基準ポンプ流量として出力する。

その他、Ａｂ演算部１６、差分演算部２０、ポンプ制御圧演算部２１については第１及び第２の実施の形態と同様の処理が実行される。その結果、第一モード時には操作量に応じてブリードオフ流量制御弁８の開度が制御されるとともに、ブリードオフ流量制御弁８の開度を基にポンプ流量が補正制御される。第二モード時にはブリードオフ流量制御弁８の開度は制御されず（最大のままとされ）、ΔＱｐが０となるためポンプ流量は操作量に応じた基準ポンプ流量を目標流量として制御される。

本実施の形態のように、同一の油圧ポンプ２から吐出された作動油で複数の油圧アクチュエータ５１，５２を駆動する場合にも本発明は適用可能であり、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

＜第４の実施の形態＞
図９は本発明の第４の実施の形態に係る作業機械に備えられた油圧駆動システムの要部を抜き出して表した回路図であり、図２、図６及び図７に対応している。本実施の形態では、既述したものについては図９において既出図面と同符号を付して説明を省略する。

本実施の形態は同一の油圧ポンプ２から吐出した作動油で複数の油圧アクチュエータを駆動する点では第３の実施の形態と相違ないが、油圧シリンダである油圧アクチュエータ５３及び油圧モータである油圧アクチュエータ５４を油圧ポンプ２の吐出油で駆動する構成を特に例示している。油圧アクチュエータ５３は、作業装置１０６を駆動する油圧シリンダ（図１に示すブームシリンダ１１１、アームシリンダ１１３又はバケットシリンダ）である。一方の油圧アクチュエータ５４は、例えば旋回体１０２（図１参照）を旋回駆動する旋回モータ、或いは走行体１０１（図１参照）を駆動して油圧ショベル１００を走行させる走行モータである。同図の回路では、油圧アクチュエータ５３，５４への作動油の流れをアクチュエータ流量制御弁４１，４２で制御している。その他の回路構成は第３の実施の形態と同様であるが、第１の実施の形態のようにポンプ制御圧の元圧を操作レバー装置３１，３２で生成された操作パイロット圧とすることもできる。

本実施の形態においては、圧力センサ９１，９２等の動作の異常の有無でモード選択することで先の各実施の形態と同様の効果が得られることは言うまでもない。ただし、本実施の形態のように複数のアクチュエータ流量制御弁４１，４２のブリードオフ開口４１ａ，４２ａを直列に接続した回路構成では、油圧アクチュエータ５３，５４を同時に駆動する場合、一方のアクチュエータ流量制御弁のブリードオフ開口の減少度合が大きいと、他方のアクチュエータ流量制御弁のブリードオフ開口を通過する流量が自己のスプール位置に関係なく制限され得る。

特に本実施の形態では、旋回モータ又は走行モータを含む複数のアクチュエータ流量制御弁４１，４２のブリードオフ開口４１ａ，４２ａを直列に接続している。例えば旋回や走行の動作を指示する場合、油圧ポンプ２からタンク６に流す作動油（ブリードオフ流量）が０に近付くと、油圧ポンプ２から吐出された作動油の多くが油圧アクチュエータ５４に流れようとする。しかし、旋回体１０２や車体（油圧ショベル１００）は慣性が大きいため操作量に応じた値まで速度が上昇するのに時間がかかり、その間、油圧ポンプ２が吐出した作動油の行き場が制限されて油圧ポンプ２の吐出圧が上昇する。そのため、たとえ微操作であっても一時的に油圧ポンプ２の吐出圧がリリーフ圧又はこれに近い値まで増加し、旋回体１０２又は走行体１０１の動作の加速度が必要以上に大きくなり操作違和感が生じ得る。

そこで本実施の形態では、圧力センサ９１，９２、ポンプ制御圧生成装置１０及びブリードオフ制御圧生成装置１１の全ての動作が正常であっても、モード選択部１３において、例えば旋回モータ等以外の油圧アクチュエータ５３の動作のみが指示された場合（操作レバー装置３１のみが操作された場合）にだけ第一モードが選択され、旋回モータ等である油圧アクチュエータ５４の動作が指示された場合（操作レバー装置３２が操作された場合）には第二モードが選択されるようにする。後者の場合には、油圧アクチュエータ５３，５４の双方の動作が指示された場合（操作レバー装置３１，３２が同時操作された場合）も含まれる。一方、圧力センサ９１，９２、ポンプ制御圧生成装置１０及びブリードオフ制御圧生成装置１１の少なくとも１つの動作に異常があると判定された場合には、先の各実施の形態と同様、コントローラ１２に入力された操作パイロット圧が油圧アクチュエータ５３，５４のいずれの動作を指示するものであるかに関係なく第二モードに切り換わるようにする。

本実施の形態によれば、旋回や走行の動作時にブリードオフ流量が必要以上に狭くならず、アクチュエータ流量制御弁４１のスプール位置に影響されて旋回や走行の動作の加速度が必要以上に上昇することを抑制することができる。一方、旋回や走行の動作を伴わず油圧アクチュエータ５３のみに作動油を供給する場合には、先の各実施の形態と同様の効果が得られる。

なお、本実施の形態においては、圧力センサ９１，９２等に異常がなくても、旋回モータ等である油圧アクチュエータ５４の動作が指示された場合には、他方の油圧アクチュエータ５３の動作指示の有無に関わらず第二モードが選択されるようにした。しかし、圧力センサ９１，９２等に異常がなければ、油圧アクチュエータ５３，５４の双方の動作が同時に指示された場合にのみ第二モードが選択されるようにしても良い。すなわち、モード選択部１３により、コントローラ１２に入力された操作パイロット圧が油圧アクチュエータ５３，５４のいずれか一方の動作を指示するものである場合に第一モードが、油圧アクチュエータ５３，５４の動作を同時に指示するものである場合に第二モードが選択され、ブリードオフ制御部１４に選択結果が出力される構成も考えられる。

＜その他＞
なお、以上の各実施の形態においては、油圧ポンプ２の傾転制御によりポンプ流量を制御する場合を例示して説明したが、例えばポンプ回転数を制御することでポンプ流量を制御する構成とすることもできる。この場合、固定容量の油圧ポンプを用いることができる。

また、ブリードオフ制御圧が生成されない場合にはブリードオフ流量制御弁８は開度制御されずに最大開度のまま一定となる構成とした。この場合、第二モードではブリードオフ流量制御弁８が最大開度になるため、ブリードオフ流量制御弁８の開度を制御する第一モード時に同一操作をした場合に比べてブリードオフ流量が小さくなることはなく、同一操作であれば第一モード時のポンプ流量よりも第二モード時のポンプ流量が小さくなることはない。しかし、ブリードオフ制御圧が生成されない場合のブリードオフ流量制御弁８の開度が最小開度又は中間開度のまま一定となる構成とすることも、場合によってはあり得る。この場合には、第一モード時に同一操作をした場合に比べて第二モード時のブリードオフ流量が小さくなる可能性があり、同一操作をした場合の第二モード時のポンプ流量が第一モード時のポンプ流量よりも小さくなることもあり得る。

また、操作装置として操作レバー装置３，３１，３２を例示したが、操作装置にはペダル等の他の形態のものも含まれ得る。

２ 油圧ポンプ（ポンプ）
３，３１，３２ 操作レバー装置（操作装置）
４，４１，４２ アクチュエータ流量制御弁
５，５１，５２ 油圧アクチュエータ（アクチュエータ）
６ タンク
８ ブリードオフ流量制御弁
８ａ ブリードオフ管路
１３ モード選択部
１４ ブリードオフ制御部（ブリードオフ制御装置）
１５ ポンプ制御部（ポンプ制御装置）
５３ 油圧アクチュエータ（アクチュエータ、第二アクチュエータ）
５４ 油圧アクチュエータ（アクチュエータ、第一アクチュエータ）
１００ 油圧ショベル（作業機械）
１０１ 走行体
１０２ 旋回体

Claims (7)

1. 可変容量型のポンプと、
   このポンプの吐出油で駆動するアクチュエータと、
   このアクチュエータへの作動油の流量を制御するオープンセンター型のアクチュエータ流量制御弁と、
   このアクチュエータ流量制御弁をタンクに接続するブリードオフ管路と、
   このブリードオフ管路に配置したブリードオフ流量制御弁と、
   前記アクチュエータの動作を指示する操作装置と、
   この操作装置の操作量に応じて前記ブリードオフ流量制御弁の開度を制御するブリードオフ制御装置と、
   前記操作装置の操作量に応じた基準ポンプ流量を前記ブリードオフ流量制御弁の開度に応じて補正してポンプ流量を制御するポンプ制御装置と
   を備えたことを特徴とする作業機械。
2. 請求項１の作業機械において、
   前記ブリードオフ制御装置は、前記操作装置の操作量に応じて前記ブリードオフ流量制御弁の開度を制御する第一モード、及び前記操作量によらず前記ブリードオフ流量制御弁の開度を一定とする第二モードのいずれかを選択的に実行可能であることを特徴とする作業機械。
3. 請求項２の作業機械において、
   前記ブリードオフ制御装置は、前記第二モード時には前記ブリードオフ流量制御弁の開度を最大とすることを特徴とする作業機械。
4. 請求項２の作業機械において、
   前記ポンプ制御装置は、前記ブリードオフ流量制御弁の開度が小さいほど、前記操作装置の操作量に応じた基準ポンプ流量に対してポンプ流量を小さくすることを特徴とする作業機械。
5. 請求項２の作業機械において、
   前記ポンプ及び前記ブリードオフ流量制御弁の双方の制御動作が正常である場合には前記第一モードを、少なくとも一方の制御動作が異常である場合には前記第二モードを選択し、前記ブリードオフ制御装置に選択結果を出力するモード選択部を備えていることを特徴とする作業機械。
6. 請求項２の作業機械において、
   前記アクチュエータとして、走行体又はこの走行体上に旋回可能に設けた旋回体を駆動する第一アクチュエータ、及び前記旋回体に設けた作業装置を駆動する第二アクチュエータを備え、
   前記第一アクチュエータ及び第二アクチュエータへの作動油を制御する２つのアクチュエータ流量制御弁のブリードオフ開口が直列に接続されていて、
   前記操作装置からの操作信号が前記第二アクチュエータのみの動作を指示するものである場合に前記第一モードを、前記第一アクチュエータの動作を指示するものである場合に前記第二モードを選択し、前記ブリードオフ制御装置に選択結果を出力するモード選択部をさらに備えていることを特徴とする作業機械。
7. 請求項２の作業機械において、
   前記アクチュエータとして、走行体又はこの走行体上に旋回可能に設けた旋回体を駆動する第一アクチュエータ、及び前記旋回体に設けた作業装置を駆動する第二アクチュエータを備え、
   前記第一アクチュエータ及び第二アクチュエータへの作動油を制御する２つのアクチュエータ流量制御弁のブリードオフ開口が直列に接続されていて、
   前記操作装置からの操作信号が前記第一アクチュエータ又は前記第二アクチュエータのいずれかの動作を指示するものである場合に前記第一モードを、前記第一アクチュエータ及び前記第二アクチュエータの動作を同時に指示するものである場合に前記第二モードを選択し、前記ブリードオフ制御装置に選択結果を出力するモード選択部をさらに備えていることを特徴とする作業機械。

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