JP5919820B2 - 建設機械の油圧シリンダ回路 - Google Patents

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Description

本発明はショベルのような作業アタッチメントを備えた建設機械の油圧シリンダ回路に関するものである。
ショベルを例にとって背景技術を説明する。
ショベルは、図５に示すように下部走行体１上に上部旋回体２が旋回自在に搭載され、この上部旋回体２に作業アタッチメント３が装着されて構成される。
作業アタッチメント３は、起伏自在なブーム４の先端にアーム５、このアーム５の先端にバケット６がそれぞれ左右方向の水平軸まわりに回動可能に取付けられて構成され、ブームシリンダ７によってブーム４の上げ下げ、アームシリンダ８によってアーム５の押し／引き(前者が図５中に示すように上部旋回体２から離れる方向、後者が近づく方向の動
き)、バケットシリンダ９によってバケット６の掘削／ダンプの各動作が行われる。
各油圧シリンダを駆動する油圧シリンダ回路は、油圧ポンプ及びタンクと油圧シリンダの伸び側及び縮み側両油室とをコントロールバルブを介して接続して構成され、コントロールバルブにより油圧シリンダに対する圧油の給排、すなわち伸縮作動が制御される。
このシリンダ回路において、ボトム側油室とロッド側油室の断面積差により、シリンダ縮み操作時にボトム側からの戻り油がロッド側への供給流量よりも多くなって戻り側の圧力損失が大きくなるという問題がある。
この点の対策として、特許文献１に示されているように、油圧シリンダのボトム側管路にタンクに通じるクイックリターン回路を分岐接続し、シリンダ縮み操作時にボトム側の戻り油の一部を直接タンクに戻すことにより戻り側の圧力損失を低減する構成がとられている(公知技術の１)。
一方、油圧シリンダ回路におけるキャビテーション防止策として、たとえば特許文献２に示されているように油圧シリンダの両側管路間に再生回路を接続し、この再生回路により排出側の油の一部を供給側に送る技術が公知である(公知技術の２)。
特開２００２−３３９９０４号公報 特開２００４−９２２４７号公報
ところが、上記公知技術の１のようにクイックリターン回路を設けると、コントロールバルブ経由でタンクに戻る流量が少なくなるため、とくにアタッチメント自重が作用する方向へのシリンダ操作時にキャビテーションが発生するという弊害が生じていた。
具体的には、たとえばアームシリンダにおいて、図５に示すようにアーム５を抱え込んだ状態(アーム５及びバケット６の重量がシリンダ縮み方向に作用した状態)からアーム押し(シリンダ縮み)操作したときに、背圧が低くなってロッド側が負圧となり、キャビテー
ションが発生する。
なお、このキャビテーション対策として公知技術の２等に示された再生回路を組み合わせ、上記状況でボトム側からの戻り油の一部をロッド側に供給することによってロッド側が負圧になることを防止する構成をとることが考えられる。
しかし、単純に、クイックリターン回路を備えたシリンダ回路に再生回路を付加するだけでは、シリンダ伸び操作時にボトム側に供給される油がクイックリターン回路を通ってタンクに戻ってしまったり、再生回路を通ってロッド側に流入したりする等の弊害が発生し、実際上、油圧シリンダ回路として機能しなくなる。
そこで本発明は、クイックリターン回路と再生回路をそれぞれの長所のみを生かす回路構成で組み合わせ、シリンダ縮み操作時における戻り側の圧力損失を低減しながら、クイックリターン回路による弊害としてのキャビテーションの発生を防止でき、しかも両回路の組み合わせによる弊害が一切生じない建設機械の油圧シリンダ回路を提供するものである。
上記課題を解決する手段として、本発明に係る建設機械の油圧シリンダ回路は、油圧ポンプ及びタンクと油圧シリンダとの間に設けられ、操作手段により切換操作されて上記油圧シリンダに対する圧油の給排を制御するコントロールバルブと、上記油圧シリンダのボトム側油室と上記コントロールバルブとを結ぶボトム側管路と、上記油圧シリンダの縮み操作時に上記ボトム側油室から排出される戻り油を上記コントロールバルブを経由しないで直接タンクに戻すように上記ボトム側管路に分岐接続される分岐管路と、上記操作手段のシリンダ縮み側操作時のみに油の流れを許容するように上記分岐管路に設けられてクイックリターン回路を構成するクイックリターンバルブと、上記戻り油の一部を上記油圧シリンダのロッド側油室に供給する再生回路であって上記シリンダ縮み側操作時のみに上記ボトム側からロッド側に向かう油の流れのみを許容する再生回路と、を備える。
この構成によれば、クイックリターン回路を設けたことにより、シリンダ縮み操作時に戻り油の一部を直接タンクに戻して戻り側の圧力損失を低減しながら、クイックリターン回路を設けたことによる弊害として、シリンダ縮み操作時、とくにアタッチメント自重が縮み方向に作用する状態でのシリンダ縮み操作時に、ロッド側の流量不足を再生回路で補ってキャビテーションの発生を防止することができる。
この場合、クイックリターン回路は、クイックリターンバルブによってシリンダ縮み操作時のみに油の流れを許容する（シリンダ伸び操作時には油の流れを止める）構成とする一方、再生回路は、シリンダ縮み操作時のみに、かつ、ボトム側からロッド側への油の流れのみを許容する（ロッド側からボトム側への油の流れは阻止する）構成としているため、シリンダ伸び操作時に、ボトム側に供給される油がクイックリターン回路を通ってタンクに戻ってしまつたり、再生回路を通ってロッド側に流入したりする等の弊害が生じない。
すなわち、油圧シリンダ回路本来の機能を確保することができる。
本発明において、上記クイックリターンバルブとして、閉じ位置と開き位置との間で切換わる油圧パイロット式の開閉弁を用いてもよいし（請求項２）、パイロット圧によって開くパイロットチェック弁を用いてもよい（請求項３，４）。
また、請求項３の構成をとる場合に、上記パイロットチェック弁のパイロットラインに、電気信号によって開閉する電磁弁を設け、かつ、シリンダ縮み操作を検出する検出手段と、この検出手段からのシリンダ縮み操作信号に基づいて上記電磁弁に開き信号を出力するコントローラとを設けてもよい（請求項４）。
この構成によれば、たとえばシリンダ縮み操作時に戻り側の圧力を検出し、この圧力が設定値以上のときというアンド条件でパイロットチェック弁を開く等、制御の幅を広げることが可能となる。
また、請求項２〜４のいずれかの構成を前提として、上記コントロールバルブを、リモコン弁からのパイロット圧によって切換わり動作する油圧パイロット切換弁として構成し、上記リモコン弁からのシリンダ縮み側パイロット圧を上記クイックリターンバルブにパイロット圧として供給するように構成するのが望ましい（請求項５）。
こうすれば、クイックリターンバルブのための専用のパイロット圧源が不要となる。
また、コントロールバルブのパイロットラインにクイックリターンバルブのパイロットラインを分岐接続すればよいため、クイックリターンバルブのためのパイロット配管を簡略化できるとともに、クイックリターンバルブをコントロールバルブに容易にアドオンすることができる。
一方、請求項１〜５のいずれかの構成において、上記分岐管路における上記クイックリターンバルブの出口側と、上記油圧シリンダのロッド側油室と上記コントロールバルブとを結ぶロッド側管路との間にバイパス管路を接続し、このバイパス管路に、ロッド側に向かう油の流れのみを許容する一方向弁を設けて上記再生回路を構成してもよい。
この構成によれば、クイックリターンバルブを、再生回路の一部（シリンダ伸び操作時の油の流れを止めるための弁）として兼用できるため、油圧シリンダ回路全体の回路構成と設備を簡略化できるともに、コストダウンすることができる。
本発明に係る油圧シリンダ回路では、上記再生回路は、上記ボトム側管路と、上記油圧シリンダのロッド側油室と上記コントロールバルブとを結ぶロッド側管路との間に接続されるバイパス管路と、このバイパス管路に設けられ、当該バイパス管路を閉じる位置と、シリンダ縮み操作時のみにボトム側からロッド側への油の流れのみを許容する一方向弁機能を発揮する位置との間で切換わる再生切換弁と、を有する。
こうすれば、再生回路をシリンダ両側管路間にコンパクトに組み込むことができるため、再生切換弁をコントロールバルブにアドオンする場合に有利となる。
さらに、上記バイパス管路は、上記ボトム側管路に対する上記分岐管路の分岐点よりも、上記ボトム側油室から排出される戻り油の流れから見て上流側で上記ボトム側管路に接続されている。
この構成によれば、バイパス管路を上記分岐点よりも下流側でボトム側管路に接続する場合と比較して接続点の圧力を高く保ち、ロッド側圧力との差圧を大きくとることができるため、ボトム側からロッド側に油が流入し易く、キャビテーション防止効果がより高いものとなる。
本発明によると、クイックリターン回路と再生回路をそれぞれの長所のみを生かす回路構成で組み合わせ、シリンダ縮み操作時における戻り側の圧力損失を低減しながら、クイックリターン回路による弊害としてのキャビテーションの発生を防止でき、しかも両回路の組み合わせによる弊害が一切生じない。
本発明の第１参考形態を示す回路図である。 本発明の第２参考形態を示す回路図である。 本発明の実施形態を示す回路図である。 本発明の比較例を示す回路図である。 本発明の適用対象であるショベルの概略側面図である。
実施形態等は図５に示すショベルのアームシリンダ回路を適用対象としている。
以下の第１及び第２参考形態、実施形態及び参考例に共通の構成として、油圧ポンプ１０及びタンクＴとアームシリンダ８との間に、操作手段としてのリモコン弁１１により切換操作される油圧パイロット切換弁であるコントロールバルブ１２が設けられている。
図１〜図４中、１３はコントロールバルブ１２とアームシリンダ８のボトム側油室８ａとを結ぶボトム側管路、１４はコントロールバルブ１２とアームシリンダ８のロッド側油室８ｂとを結ぶロッド側管路、１５はリモコン弁１１のパイロット油圧源としてのパイロットポンプ、１６は背圧弁である。
コントロールバルブ１２は、中立、アーム押し(シリンダ縮み)、アーム引き(シリンダ伸び)の各位置イ，ロ，ハの間で切換わり作動し、これによりアームシリンダ８に対する圧油の給排、すなわちアームシリンダ８の伸縮動作が制御される。
第１参考形態（図１参照）
ボトム側管路１３に分岐管路１７が分岐接続され、この分岐管路１７にクイックリターンバルブ１８が設けられることにより、アームシリンダ８の縮み操作時にボトム側油室８ａから排出される戻り油をコントロールバルブ１２を経由しないで直接タンクＴに戻すクイックリターン回路１９が構成されている。
クイックリターンバルブ１８は、パイロット圧供給時に閉じ位置イから開き位置ロに切換わる油圧パイロット式の開閉弁として構成されている。
このクイックリターンバルブ１８にパイロット圧を導入するパイロットライン２０は、リモコン弁１１とコントロールバルブ１２のアーム押し側(シリンダ縮み側)パイロットポートとを結ぶアーム押し側パイロットライン２１に接続され、アーム押し操作時のみに開き位置ロに切換わるように構成されている。
一方、クイックリターン回路１９におけるクイックリターンバルブ１８の出口側とロッド側管路１４との間にバイパス管路２２が接続され、このバイパス管路２２に、ロッド側に向かう油の流れのみを許容する一方向弁としてのチェック弁２３が設けられて再生回路２４が構成されている。
すなわち、第１参考形態においては、アーム押し操作時のみに再生作用を行わせる（アーム引き操作時には行わせない）ための弁としてクイックリターンバルブ１８を兼用する構成がとられている。
上記構成において、リモコン弁１１がアーム押し側（シリンダ縮み側）に操作されると、コントロールバルブ１２がアーム押し位置ロに切換わると同時に、クイックリターンバルブ１８が開き位置ロに切換わる。
これにより、アームシリンダ８のロッド側油室８ｂにポンプ油が供給されて同シリンダ８が縮み動作し、ボトム側油室８ａの油が、ボトム側管路１３からコントロールバルブ１２を通るルートと、ボトム側管路１３からクイックリターン回路１９を通るルートの二つの経路でタンクＴに戻される。
こうして、アーム押し操作時に戻り油の一部がコントロールバルブ１２を通らないで直接タンクＴに戻るため、戻り側の圧力損失を低減することができる。
ここで、クイックリターン回路１９を設けたことの弊害として、上記アーム押し操作時に、コントロールバルブ１２経由でタンクＴに戻る流量が減少するため、とくに図５に示すようにアーム５を抱え込んだ状態(アーム５及びバケット６の重量がシリンダ縮み方向に作用した状態)からアーム押し(シリンダ縮み)操作したときに、背圧が低くなってロッド側が負圧となり、キャビテーションが発生するおそれがある。
この問題に対し、前記回路によると、クイックリターン回路１９におけるクイックリターンバルブ１８の出口側とロッド側管路１４との間に再生回路２４を設けているため、アーム押し操作時に、上記のようにクイックリターン回路１９経由でタンクＴに戻ろうとする戻り油の一部がロッド側の負圧で引っ張られてロッド側油室８ｂに供給されるため、ロッド側の流量不足を補ってキャビテーションの発生を防止することができる。
この場合、クイックリターン回路１９を、クイックリターンバルブ１８によってアーム押し操作時のみに油の流れを許容する（アーム引き操作時には油の流れを止める）構成とするとともに、再生回路２４を、アーム押し操作時のみに、かつ、チェック弁２３によってボトム側からロッド側への油の流れのみを許容する（ロッド側からボトム側への油の流れは阻止する）構成としているため、アーム引き操作時に、ボトム側に供給される油がクイックリターン回路１９を通ってタンクＴに戻ってしまつたり、再生回路２４を通ってロッド側に流入したりする等の弊害が生じない。
すなわち、アームシリンダ回路本来の機能を確保することができる。
また、クイックリターンバルブ１８を、再生回路２４の一部（アーム引き操作時の油の流れを止めるための弁）として兼用できるため、アームシリンダ回路全体の回路構成と設備を簡略化できるともに、コストダウンすることができる。
さらに、コントロールバルブ１２のアーム押し側パイロットライン２１にクイックリターンバルブ１８のパイロットライン２０を分岐接続すればよいため、クイックリターンバルブ１８のためのパイロット配管を簡略化できるとともに、クイックリターンバルブ１８をコントロールバルブ１２に容易にアドオンすることができる。
第２参考形態（図２参照）
以下の第２参考形態については第１参考形態との相違点のみを説明する。
第２参考形態においては、分岐管路１７に、パイロット圧によって開くパイロットチェック弁であるクイックリターンバルブ２５が設けられてクイックリターン回路２６が構成されている。
なお、クイックリターンバルブ２５の出口側とロッド側管路１４との間に、バイパス管路２２とチェック弁２３から成る再生回路２４が設けられる点、及びクイックリターンバルブ２５のパイロットライン２０がコントロールバルブ１２のアーム押し側パイロットライン２１に接続される点は第１参考形態と同じである。
また、第２参考形態において、クイックリターンバルブ２５のパイロットライン２０に、コントローラ２７からの電気信号によって作動する電磁弁２８が設けられるとともに、アーム押しパイロット圧（アーム押し操作の有無）を検出する圧力センサ２９が設けられ、アーム押し操作時にこの圧力センサ２９からのアーム押し信号に基づいてコントローラ２７から電磁弁２８に開き信号が出力される。
これにより、電磁弁２８が図示のパイロット圧遮断位置イからパイロット圧供給位置ロに切換わってアーム押しパイロット圧がクイックリターンバルブ２５に供給され、同バルブ２５が開く。
この第２参考形態の構成によっても、基本的に第１参考形態と同じ作用効果を得ることができる。
また、たとえばアーム押し操作時に戻り側の圧力を検出し、この圧力が設定値以上のときというアンド条件でクイックリターンバルブ２５を開いたり、戻り圧力やアーム押しパイロット圧に応じて電磁弁２８の開度を制御したりする等、クイックリターンバルブ２５の制御の幅を広げることが可能となる。
なお、この第２参考形態のバリエーションとして、クイックリターンバルブ２５を、第１参考形態と同様にアーム押しパイロット圧によって直接開く構成をとってもよい。
実施形態及び比較例（図３，４参照）
本発明の実施形態においては、ボトム側及びロッド側両管路１３，１４間にバイパス管路３０が直接設けられ、このバイパス管路３０に、同管路３０を閉じる位置イと、アーム押し操作時のみにボトム側からロッド側への油の流れのみを許容する一方向弁機能を発揮する位置ロとの間で切換わる油圧パイロット式の再生切換弁３１が設けられて再生回路３２が構成されている。
なお、クイックリターン回路１９は、図示のように第１参考形態と同様に分岐管路１７と油圧パイロット切換式のクイックリターンバルブ１８によって構成してもよいし、第２参考形態のように分岐管路１７とパイロットチェック弁であるクイックリターンバルブ２５とによって構成してもよい。
再生切換弁３１のパイロットライン３３は、クイックリターンバルブ１８のパイロットライン２０とともにコントロールバルブ１２のアーム押し側パイロットライン２１に接続され、アーム押し操作時のみに再生切換弁３１が位置イから位置ロに切換わる。
この実施形態によっても、基本的に第１及び第２両参考形態と同じ作用効果を得ることができる。
また、この実施形態によると、再生回路３２をボトム側及びロッド側両管路１３，１４間にコンパクトに組み込むことができるため、再生切換弁３１をコントロールバルブにアドオンする場合に有利となる。
一方、この実施形態と図４に示す比較例の相違点として、比較例では、バイパス管路３０がボトム側管路１３に対する分岐管路１７の分岐点よりもボトム側油室８ａから排出される戻り油の流れから見て下流側でボトム側管路１３に接続されているのに対し、実施形態では上記分岐点よりも上流側でボトム側管路１３に接続されている。
当該実施形態の構成によると、比較例と比較して接続点の圧力を高く保ち、ロッド側圧力との差圧を大きくとることができるため、ボトム側からロッド側に油が流入し易く、キャビテーション防止効果がより高いものとなる。
ところで、本発明はアームシリンダ回路に限らず、バケットシリンダ回路にも適用することができる。この場合、バケットダンプ動作がシリンダ縮み側操作となる。
また、本発明はショベルの油圧シリンダ回路に限らず、ショベルを母体として構成される破砕機や解体機の油圧シリンダ回路にも、またショベル以外の作業アタッチメントを備えた建設機械の油圧シリンダ回路にも広く適用することができる。
８ アームシリンダ
８ａ アームシリンダのボトム側油室
８ｂ 同ロッド側油室
１０ 油圧ポンプ
Ｔ タンク
１１ リモコン弁（操作手段）
１２ コントロールバルブ
１３ ボトム側管路
１４ ロッド側管路
１７ 分岐管路
１８ 油圧パイロット切換弁であるクイックリターンバルブ
１９ クイックリターン回路
２０ クイックリターンバルブのパイロットライン
２１ コントロールバルブのアーム押し側パイロットライン
２２ バイパス管路
２３ チェック弁
２４ 再生回路
２５ 油圧パイロットチェック弁であるクイックリターンバルブ
２６ クイックリターン回路
２７ コントローラ
２８ 電磁弁
２９ 検出手段としての圧力センサ
３０ バイパス管路
３１ 再生切換弁
３２ 再生回路
３３ 再生切換弁のパイロットライン

Claims (5)

  1. 油圧ポンプ及びタンクと油圧シリンダとの間に設けられ、操作手段により切換操作されて上記油圧シリンダに対する圧油の給排を制御するコントロールバルブと、
    上記油圧シリンダのボトム側油室と上記コントロールバルブとを結ぶボトム側管路と、
    上記油圧シリンダの縮み操作時に上記ボトム側油室から排出される戻り油を上記コントロールバルブを経由しないで直接タンクに戻すように上記ボトム側管路に分岐接続される分岐管路と、
    上記操作手段のシリンダ縮み側操作時のみに油の流れを許容するように上記分岐管路に設けられてクイックリターン回路を構成するクイックリターンバルブと、
    上記戻り油の一部を上記油圧シリンダのロッド側油室に供給する再生回路であって上記シリンダ縮み側操作時のみに上記ボトム側からロッド側に向かう油の流れのみを許容する再生回路と、を備え、
    上記再生回路は、上記ボトム側管路と、上記油圧シリンダのロッド側油室と上記コントロールバルブとを結ぶロッド側管路との間に接続されるバイパス管路と、このバイパス管路に設けられ、当該バイパス管路を閉じる位置と、シリンダ縮み操作時のみにボトム側からロッド側への油の流れのみを許容する一方向弁機能を発揮する位置との間で切換わる再生切換弁と、を有し、
    上記バイパス管路は、上記ボトム側管路に対する上記分岐管路の分岐点よりも、上記ボトム側油室から排出される戻り油の流れから見て上流側で上記ボトム側管路に接続されていることを特徴とする建設機械の油圧シリンダ回路。
  2. 上記クイックリターンバルブとして、閉じ位置と開き位置との間で切換わる油圧パイロット式の開閉弁を用いたことを特徴とする請求項１記載の建設機械の油圧シリンダ回路。
  3. 上記クイックリターンバルブとして、パイロット圧によって開くパイロットチェック弁を用いたことを特徴とする請求項１記載の建設機械の油圧シリンダ回路。
  4. 上記パイロットチェック弁のパイロットラインに、電気信号によって開閉する電磁弁を設け、かつ、シリンダ縮み操作を検出する検出手段と、この検出手段からのシリンダ縮み操作信号に基づいて上記電磁弁に開き信号を出力するコントローラとを設けたことを特徴とする請求項３記載の建設機械の油圧シリンダ回路。
  5. 上記コントロールバルブを、リモコン弁からのパイロット圧によって切換わり動作する油圧パイロット切換弁として構成し、上記リモコン弁からのシリンダ縮み側パイロット圧を上記クイックリターンバルブにパイロット圧として供給するように構成したことを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項に記載の建設機械の油圧シリンダ回路。
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