JP5957207B2 - 作業機械及びそれに使用されるエネルギー回生シリンダ - Google Patents

Description

本発明は、少なくとも１つの駆動シリンダによって駆動される可動部と、この可動部の動作からエネルギーを回生するために設けられた少なくとも１つのエネルギー回生シリンダと、ガスを充填されるガス充填室とを備える作業機械に関する。本発明は、移動可能な作業機械、特に掘削機又は荷役機械に関する。

エネルギー回生シリンダの、ガスを充填されるガス充填室は、この種の作業機械の可動部を下降させるときに圧縮され、油圧駆動シリンダが支持する可動部を再び上方へ移動させるように押し出すための位置エネルギーを蓄える。

例えば、特許文献１の作業機械のように、ガスを充填されたエネルギー回生シリンダのガス充填室が、エネルギー回生シリンダの底部側とエネルギー回生シリンダの中空ピストンロッドとで形成されることが知られている。ガス充填室にガスを充填する注入弁が設けられ、エネルギー回生シリンダの破裂を避けるために、予め調節された圧力限界を超えたときにガスを流出させるような圧力リリーフ弁が設けられている。

独国特許出願公開第１０ ２００８ ０３４ ５８２号明細書

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、エネルギー回生シリンダを備える公知の作業機械の機能改善、特に長期間の使用を可能にすること及びエネルギー効率の改善にある。

この目的は、第１の発明の作業機械によって解決される。この作業機械は、少なくとも１つの油圧駆動シリンダによって駆動される可動部を備える。更に、少なくとも１つのエネルギー回生シリンダは、可動部の動作からエネルギーを回生するために設けられている。エネルギー回生シリンダは、ガスを充填されるガス充填室を有している。そして、ガス充填室は、少なくともガス充填室内の最大圧力を超える圧力上昇を相殺する蓄圧器に連通可能に構成されている。

本発明の発明者らは、ガス充填室を有するエネルギー回生シリンダの実験において、ガス充填室内で望ましくない圧力上昇が、特に高速駆動や高圧縮時に発生することを発見した。本発明によると、ガス充填室を更なる蓄圧器に連通させることで上記のような圧力上昇を相殺する。蓄圧器は、少なくともガス充填室内における最大圧力を超える望ましくない圧力上昇を相殺し、ガス充填室内における最大圧力を超える更なる圧力上昇を低減させる。

蓄圧器は、この目的のために、最大圧力を規定する所定の作動圧力を有するのが望ましい。蓄圧器とガス充填室とが互いに直接連通する場合、特に、蓄圧器の作動圧力は、蓄圧器がガス充填室内の更なる圧力上昇を相殺するような最大圧力に対応する。

有利な形態では、蓄圧器は、最大圧力以下でガス充填室内の圧力に何ら影響を与えない。蓄圧器は、特に、最大圧力以下で、ガス充填室内の圧力低下で膨張しない。

更に、蓄圧器は、ガス充填室とは異なる特性を備えてもよい。特に、蓄圧器は、最大圧力以下の場合には、最大圧力を超える場合よりも上記ガス充填室内の圧力により小さいしか影響を与えない。従って、蓄圧器は、最大圧力以下の場合よりも最大圧力を超える場合にガス充填室内の更なる圧力上昇を相殺する。

本発明は、ガス充填室に圧力リリーフ弁が設けられた作業機械で用いられる。上記最大圧力は、圧力リリーフ弁の設定圧力以下が望ましい。蓄圧器は、最大圧力が短時間超過する場合には、圧力リリーフ弁を介してのガス充填室からのガスの流出を阻止することができる。

本発明の蓄圧器は、特に、ガス充填室の圧縮時に短時間に発生する圧力ピークを平準化する。本発明の蓄圧器によって、ガス充填室内のガスの損失は発生せず、更に、エネルギーも失われない。

本発明の最大圧力は、作業機械が停止中及び可動部の最大負荷を伴う場合におけるガス充填室内の圧力以上であるのが望ましい。蓄圧器は、ガス充填室の急速な動作、及び／又は、実質的に完全な圧縮における動的な圧力ピークを平準化するためだけに設計されている。

蓄圧器の異なる実施形態又はガス充填室への連通可能な構成の異なる実施形態が以下でより詳細に説明される。

本発明は、特に、底部側にガスが充填され、中空ピストンロッドを有するエネルギー回生シリンダに用いられてもよい。蓄圧器は、エネルギー回生シリンダに取り付けられるか、又は、エネルギー回生シリンダに組み込まれてもよい。

本発明の実施形態では、ピストンは、エネルギー回生シリンダの中空ピストンロッド内に移動可能に支持され、このピストンによってガスを充填される底部側が蓄圧器に連通可能に構成されている。

蓄圧器とガス充填室との間の連通は、直接的又は間接的になされてもよい。間接的な連通は、例えば、ガス充填室と油圧蓄圧器との間の流体の連通によってなされる。

第１実施形態では、蓄圧器は、導管を介してガス充填室に流体で連通している。ここでは特に、外部蓄圧器が使用され、エネルギー蓄積シリンダの外側に配置されている。有利な実施形態では、蓄圧器はエネルギー回生シリンダに配置されてもよい。また、蓄圧器は、エネルギー回生シリンダに組み込まれてもよい。

ピストンによって底部側から分離された中空ピストンロッド内部の領域は、例えば、エネルギー蓄積器に流体で連通されてもよい。しかしながら、本発明の好ましい実施形態では、ピストンによって底部側から分離された中空ピストンロッド内部の領域は、ガスを充填されている。蓄圧器の全体は、特に、中空ピストンロッド内部に配置されている。

有利な形態では、本発明の蓄圧器は、作動圧力を有しており、それが低下してガス充填室内の圧力にもはや何ら影響を与えない場合には、膨張を継続しない。これは、特に、ピストン型蓄圧器のピストンが作動圧力に対応する位置に当接して停止するために発生する。

更に有利な形態では、蓄圧器は、少なくとも作業機械の運転モード中にガス充填室に常に連通可能に構成されている。これにより、圧力ピークは確実に処理されることが保証される。特に、破裂に対する予防措置が短時間の圧力ピークの発生に対して行われることが妨げられてもよい。蓄圧器は、特に、制御部材を介在させることなくガス充填室に連通可能に構成されている。特に、ガス充填室からのガスは、蓄圧器の可動面上に直接作用する。

有利な形態では、本発明の蓄圧器は、ガス充填器として設計される。更に有利な形態では、本発明の蓄圧器は、ガスを充填するための注入弁を有する。蓄圧器は、更に、蓄圧器の損傷を回避するために、圧力リリーフ弁も有している。蓄圧器の圧力リリーフ弁の設定圧力は、ガス充填室に設けられた圧力リリーフ弁の設定圧力よりも大きいのが望ましい。

蓄圧器がエネルギー回生シリンダに組み込まれている場合には、上述のように、注入弁が底部側に設けられ、ガスを充填されている底部側に圧力リリーフ弁が設けられているのが望ましい。更に有利な形態では、注入弁及び／又は圧力リリーフ弁が、ピストンによって底部側から分離された中空ピストンロッド内部の領域に設けられるのが望ましい。

作業機械に加えて、本発明は更に上記作業機械に使用されるエネルギー回生シリンダを含む。本発明のエネルギー回生シリンダは、特に、ガスを充填され、蓄圧器に連通可能に構成されるので、ガス充填室内の圧力上昇は、蓄圧器によって少なくとも最大圧力以下に低減される。

特に、本発明のエネルギー回生シリンダは、ガスを充填される底部側と中空ピストンロッドとを備えている。エネルギー回生シリンダは、上記のように設計されると有利である。

本発明の好ましい利用可能性を再度短く説明する。

本発明の作業機械は、特に、移動可能な作業機械、特に、掘削機又は荷役機械である。

作業機械は、少なくとも１つの油圧駆動シリンダによって駆動される可動部と、この可動部の動作からエネルギーを回生するために設けられた少なくとも１つのエネルギー回生シリンダとを備える。

エネルギー回生シリンダは、可動部の動作からエネルギーを回生するためのエネルギー蓄積器としてのガス充填室を備えている。エネルギー回生シリンダの底部側で形成される空間は、底部側に向かうピストンロッドの動作によって圧縮される圧縮ガスが充填されるのが望ましい。このプロセスにおいて蓄積されたエネルギーは、油圧駆動シリンダを支持するためのピストンロッドの上方移動に再度利用される。更に有利な形態では、エネルギー回生シリンダのピストンは、中空であって、底部側に向かって開口しているので、ピストンロッドの内部は、ガス充填室の一部を形成している。

本発明の作業機械の可動部は、作業機械の垂直旋回軸を中心に旋回可能に接続され、油圧駆動シリンダを介して垂直回転面に回動可能である。可動部は、特に、掘削機のアーム又は荷役機械のような作業機械のブームである。更に有利な形態では、移動可能な作業機械は、車台を有する下部構造と、可動部が揺動可能に支持され、垂直旋回軸を中心に旋回可能に配置された上部構造とを備える。

作業アタッチメント（例えばショベルやグラブ）が可動部に配置されてもよい。可動部の降下時に、可動部及び作業アタッチメントの位置エネルギーは、可動部の上昇時に作業アタッチメントの重量を少なくとも部分的に再度補うために、エネルギー回生シリンダによって蓄積される。これにより、より少ないエネルギーが油圧駆動シリンダによって可動部の上昇に用いられる。従って、より小さいエンジン出力しか要求されず、燃料消費量が低下するので、作業機械のエネルギー収支が改善される。

本発明のエネルギー回生シリンダは、作業機械の上部構造と可動部との間の油圧駆動シリンダ又は複数の油圧駆動シリンダと同様に配置されるのが有利である。従って、エネルギー回生シリンダは、可動部の移動時に油圧駆動シリンダと同時に駆動される。

本発明の実施形態にかかる、一対の油圧駆動シリンダとエネルギー回生シリンダとを備える作業機械を示す斜視図である。 本発明にかかるエネルギー回生シリンダの変形例を示す断面図であって、（ａ）は変形例１を示し、（ｂ）は変形例２を示す。 本発明にかかる外部蓄圧器を備えるエネルギー回生シリンダの第１実施形態を示す断面図である。 本発明にかかる内部蓄圧器を備えるエネルギー回生シリンダの第２実施形態を示す断面図である。

本発明にかかるエネルギー回生シリンダを備える作業機械の実施形態について図１及び図２を参照して説明する。

作業機械は、その溶接構造物４に水平に延びる揺動軸５を介して揺動可能に支持される可動部２を有する。作業機械は、例えば、可動部２が掘削機の上部構造に揺動可能に支持される掘削機アームである、油圧掘削機である。上部構造自体は、車台を有する下部構造の垂直旋回軸を中心に旋回可能に接続されている。

可動部２を動かすために、２本の油圧駆動シリンダ１は、一端が可動部２に他端が上部構造の溶接構造物４に回転可能に連結されている。更に、本実施形態では、エネルギー回生シリンダ３は、油圧駆動シリンダ１のように可動部２と溶接構造物４との間に配置され、可動部２の動作によるエネルギーの回生の役割をする。このため、エネルギー回生シリンダ３は、２本の油圧駆動シリンダ１に挟まれるように配置されている。

作業アタッチメント（例えば掘削ショベル）は、可動部２（この場合、掘削ブーム）の先端に接続される。可動部２を降下させることで、可動部２と作業アタッチメントとの位置エネルギーは、回収されて蓄えられる。蓄えられた位置エネルギーは、可動部の上方への移動における、可動部２及び作業アタッチメントの重量によってエネルギー回生シリンダ３に加わる静的な力を少なくとも部分的に補助し、このことでより少ないエネルギー供給で油圧駆動シリンダ１を駆動することができる。このために、本発明にかかるエネルギー回生シリンダ３は、ガス充填室を有するのが望ましい。可動部２の降下によって、エネルギー回生シリンダのガス充填室のガスは圧縮されるが、一方で、それは可動部２を上げることで拡大し、そのことで油圧駆動シリンダ１を支援する。このために、本発明にかかるエネルギー回生シリンダ３は、底部側でガスを充填されて、更に底部側の方へ開口する中空ピストンロッドを備えている。

エネルギー回生シリンダ３の２つの変形例の模式図は、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示される。両方の変形例は、ピストンロッド１１を軸方向に伸縮可能に収容するシリンダチューブ１０を有する。ピストンロッド１１は、中空筒の形状を有し、そのことで、中空空間１３が形成されると共に、ピストンロッド１１は、シリンダチューブ１０の底部側（ガス充填室１２）の方へ開口している。エネルギー回生シリンダ３の底部側（ガス充填室１２）と、ピストンロッド１１の内部の中空空間１３とは、加圧ガスを充填される接続されたチャンバを形成する。シリンダチューブ１０内でのピストンロッド１１の移動によって、底部側（ガス充填室１２）の体積が変化し、実質的には、縮小時の中空のピストンロッド１１の内部の中空空間１３の体積から、最大伸長時の中空空間１３の体積とシリンダチューブ１０の体積との和とに対応する。

エネルギー回生シリンダ３は、底部側に支持環１５を有し、ピストンロッド１１側に支持環１６を有しており、一方が溶接構造物４に接続され、他方が可動部２に接続されるようになっている。エネルギー回生シリンダ３は、一端が溶接構造物４に、他端が可動部２にそれぞれ回転可能に連結され、ピストンロッド１１が底部側（ガス充填室１２）に向かって移動することで、可動部２及び作業アタッチメントの重量によってガスの体積が圧縮される。中空のピストンロッド１１を有するエネルギー回生シリンダ３の構造のため、充分なガス体積が存在し、作業アタッチメントを低下させても低い圧力増加でピストンロッド１１を収縮させることができる。逆にいえば、可動部２の上方への移動の際に、重量の一部はエネルギー回生シリンダ３のガス内に残るので、油圧駆動シリンダ１が完全な静荷重をもはや発揮する必要はない。

本発明にかかるエネルギー回生シリンダ３は、ガス充填室１２にガスを充填するための注入弁１７と、ガス圧を制限するための圧力リリーフ弁１８とを備えている。図２（ａ）に示す第１変形例において、注入弁１７と圧力リリーフ弁１８とは、底部側１２に配置される。対照的に図２（ｂ）に示す第２変形例においても、注入弁１７と圧力リリーフ弁１８とは、底部側１２に配置されている。

図２（ａ）及び図２（ｂ）に示されるエネルギー回生シリンダ３は、２方向シリンダであって、ポート２５を介して作業機械の油圧システムに接続される環状空間１４が設けられている。そして底部側１２にも作業機械の油圧システムに接続された注入弁１７が設けられている。

図２（ｂ）に示すように、エネルギー回生シリンダ３のガス体積を、エネルギー回生シリンダ３への油の供給又はエネルギー回生シリンダ３からの油の供給によって変化させることができる。このために、図２（ｂ）の第２変形例において、エネルギー回生シリンダ３の中空空間１３に油を供給するために作業機械の油圧システムに接続することができるように、コック２０が設けられている。

本願発明者らは、短時間の圧力ピークがエネルギー回生シリンダ３の急速な収縮及び／又はエネルギー回生シリンダ３のガス充填室１２の完全圧縮を引き起こすということを発見した。しかし、エネルギー回生シリンダ３の破裂に対する保護手段として設けられた圧力リリーフ弁１８の防護対策が機能することなく、これら圧力ピークが極短時間に発生する。結果として、エネルギー回生シリンダ３の稼働中の圧力ピーク時に絶え間なくガスが失われてしまう。更に、圧縮ガスの流出によってエネルギーが失われてしまう。

本発明によれば、ガス充填室１２は、このガス充填室１２内の圧力が少なくとも最大圧力を超える場合に、このガス充填室１２内の圧力上昇を相殺する蓄圧器に連通可能に構成されている。本発明で設けられた蓄圧器は、このような圧力ピークに対応して圧力リリーフ弁１８の稼働を阻止している。

圧縮時に極短時間に発生する圧力ピークは、蓄圧器によって処理される。従って、一方で、ガス充填室１２からガスが流出せず、他方で、圧力ピークによるエネルギーが蓄圧器に蓄積され、ガス充填室１２に戻される。

本発明にかかる蓄圧器は、エネルギー回生シリンダ３の作動圧力以上の作動圧力を備えている。この作動圧力は、特に、ガス充填室１２における圧力リリーフ弁１８の設定圧力よりも低い。しかしながら、蓄圧器の作動圧力が高いので、静荷重又は低速時にガス充填室１２の動作に実質的に影響を与えない。

この種の蓄圧器は、ガス充填室１２に連通している蓄圧器の可動面が、ガス充填室１２内の所望の最大圧力に相当する箇所に至るまで移動可能なように実現されていてもよい。蓄圧器がピストン型蓄圧器として設計されている場合には、ピストン用の支台が設けられ、例えば、ガス充填室１２内の圧力が最大圧力以下に低下する際にピストン型蓄圧器の伸長を阻止する。最大圧力を下回り、それに応じて特性が低下するということであれば、他の蓄圧器も考えられる。

図３には、本発明にかかるエネルギー回生シリンダ３の第１実施形態が示されている。エネルギー回生シリンダ３は、図１及び図２に示すように構成されている。エネルギー回生シリンダ３内部のガス充填室１２は、導管３１を介して外部蓄圧器３０に連通している。ガス充填室１２内のガスは、特に、この導管３１を介して外部蓄圧器３０内部の体積変化に直接流体的に連通している。外部蓄圧器３０は、外部においてエネルギー回生シリンダ３に取り付けられるのが有利である。

図４には、内部蓄圧器４０が設けられた本発明の第２実施形態が示されている。エネルギー回生シリンダ３は、すでに図１及び図２（ａ）で詳細に示したように構成されている。エネルギー回生シリンダ３は、ガスを充填される底部側１２及び中空筒状のピストンロッド１１を備えている。ピストン４１は、ピストンロッド１１の中空空間１３に移動可能に配置されている。ピストン４１によって底部側１２と分離されたピストンロッド１１内部の領域４２は、ガスを充填されている。内部蓄圧器４０は、圧力ピークを処理するために設けられている。ピストン４１の底部側１２の方向への移動が制限されるように、支台が設けられると有利である。内部蓄圧器４０は、ガス充填室１２内の最大圧力以下における圧力条件に何ら影響を与えない。この最大圧力は、ピストン４１の最大伸長時におけるガス充填室４２内の圧力に対応する。ガスを充填される底部側１２における充分に高い圧力は、通常動作で達成されてもよい。

最大圧力値を超える際に、ピストン４１は対照的に配置され、エネルギー回生シリンダ３内により大きな空間体積が生じる。圧力増加曲線はこの体積増加によってフラットになり、そして、圧力リリーフ弁１８の応答が阻止される。

圧力リリーフ弁１８は、図２（ａ）に示すように、底部側１２に配置されると有利である。更に有利な形態では、図２（ａ）に示すように、底部側１２にガスを注入するための注入弁１７が設けられる。

更に有利な形態では、第２圧力リリーフ弁（図示せず）をピストン４１側に設け、及び／又は、蓄圧器４０のガス充填室４２用の第２注入弁４３を設ける。これらは、図４に示すように配置されてもよく、ガス充填室４２内のガス量を設定することによって蓄圧器４０の動作圧力を設定してもよい。

本発明によって、短時間の圧力ピークによる破裂に対する圧力の開放が簡単な構造で回避される。これにより、エネルギー回生シリンダ３を長期間使用することが可能となり、また、エネルギー収支が改善される。

本発明は、可動部２が水平な揺動軸５に回転可能に接続され、この可動部２に油圧駆動シリンダ１及びエネルギー回生シリンダ３の双方が配置されている作業機械に関連する実施形態に示された。

なお、本発明にかかるエネルギー回生シリンダ３は、可動部２の動作によってエネルギーが回生される作業機械に有効に用いられる。

以上の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物や用途の範囲を制限することを意図するものではない。

１ 油圧駆動シリンダ
２ 可動部
３ エネルギー回生シリンダ
１１ ピストンロッド（中空ピストンロッド）
１２ ガス充填室（底部側）
１８ 圧力リリーフ弁
３０ 外部蓄圧器
３１ 導管
４０ 内部蓄圧器
４１ ピストン
４２ 領域

Claims (10)

1. 掘削機又は荷役機械であり、少なくとも１つの油圧駆動シリンダによって駆動される可動部と、該可動部の動作からエネルギーを回生する少なくとも１つのエネルギー回生シリンダとを有し、該エネルギー回生シリンダがガスを充填されるガス充填室を有する作業機械であって、
   上記エネルギー回生シリンダは、
   底部側の上記ガス充填室と、
   中空筒状のピストンロッドと、
   上記ピストンロッドの中空空間に独立して移動可能に配置されたピストンと、
   上記ピストンによって上記底部側のガス充填室と分離された上記ピストンロッドの中空空間の内部領域に形成され、少なくとも上記ガス充填室内の最大圧力を超える圧力上昇を相殺する、ガスが充填された蓄圧器とを備えている
   ことを特徴とする作業機械。
2. 請求項１に記載の作業機械において、
   上記蓄圧器は、
   最大圧力を規定する所定の動作圧力を有し、
   上記最大圧力以下では上記ガス充填室内の圧力に全く影響を与えず、又は
   上記ガス充填室とは異なる特性を備え、上記最大圧力以下の場合には、上記ガス充填室内の圧力に上記最大圧力を超える場合よりも小さい影響を与える
   ことを特徴とする作業機械。
3. 請求項１又は２に記載の作業機械において、
   上記底部側に上記ガス充填室用の圧力リリーフ弁が設けられ、上記最大圧力は該圧力リリーフ弁の設定圧力以下である
   ことを特徴とする作業機械。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の作業機械において、
   上記蓄圧器は、
   上記ガス充填室の圧縮時に短時間に発生する圧力ピークを平準化し、
   上記最大圧力は、静荷重時又は最大負荷時に上記ガス充填室内の圧力以上である
   ことを特徴とする作業機械。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の作業機械において、
   上記最大圧力は、上記ピストンの最大伸張時における上記内部領域内の圧力に対応する
   ことを特徴とする作業機械。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の作業機械において、
   上記ピストンの底部側の方向への移動が制限されるように、上記ピストンロッドの内部に支台が設けられている
   ことを特徴とする作業機械。
7. 請求項３に記載の作業機械において、
   上記最大圧力を超える際に、上記ピストンが上記ピストンロッドの内部で移動し、圧力増加曲線がフラットになって上記圧力リリーフ弁の応答が阻止されるように構成されている
   ことを特徴とする作業機械。
8. 請求項１乃至７のいずれか１項に記載の作業機械において、
   上記底部側には、上記ガス充填室にガスを充填するための注入弁が設けられ、
   上記蓄圧器には、上記内部領域にガスを充填するための第２注入弁が設けられ、該第２注入弁によって上記内部領域のガス量を調整して上記蓄圧器の動作圧力を設定可能に構成されている
   ことを特徴とする作業機械。
9. 請求項１乃至８のいずれか１項に記載の作業機械において、
   上記エネルギー回生シリンダは、２方向シリンダであって、中間部分に油圧システムに接続可能な環状空間が形成されている
   ことを特徴とする作業機械。
10. 請求項１乃至９のいずれか１項に記載の作業機械に使用される
    ことを特徴とするエネルギー回生シリンダ。

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