JP6087034B1 - 制御システム、作業機械、及び制御方法 - Google Patents

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Abstract

制御システムは、油圧シリンダの作動油の圧力を示すシリンダ圧データを取得するシリンダ圧データ取得部と、操作装置の操作量データを取得する操作量データ取得部と、シリンダ圧データと操作量データとに基づいて、通路が閉じられている分離状態において第1油圧ポンプから吐出される作動油の流量を示す第1ポンプ流量及び第2油圧ポンプから吐出される作動油の流量を示す第2ポンプ流量を算出するポンプ流量算出部と、第1ポンプ流量及び第2ポンプ流量に基づいて、第1油圧ポンプ及び第2油圧ポンプを制御するポンプ制御部と、を備える。

Description

本発明は、制御システム、作業機械、及び制御方法に関する。
油圧ショベルのような作業機械は、バケットとアームとブームとを有する作業機を備える。作業機を駆動する油圧シリンダの駆動源として、複数の油圧ポンプが作業機械に搭載される。
特許文献1には、第1油圧ポンプから吐出された作動油と第2油圧ポンプから吐出された作動油との合流及び分離を切り替える合分流弁を備える油圧回路が開示されている。第1油圧ポンプと第2油圧ポンプとが合流状態においては、第1油圧ポンプから吐出された作動油と第2油圧ポンプから吐出された作動油とが合分流弁により合流された後、複数の油圧シリンダに分配される。第1油圧ポンプと第2油圧ポンプとが分離状態においては、第1油圧ポンプから吐出される作動油によってブームシリンダが作動し、第2油圧ポンプから吐出される作動油によってバケットシリンダ及びアームシリンダが作動する。
特許文献2には、主操作弁と油圧アクチュエータとの間に圧力補償弁を設け、第1油圧ポンプと第2油圧ポンプとが合流状態において、複数の油圧シリンダのそれぞれに接続される主操作弁の前後差圧を均一化する技術が開示されている。複数の主操作弁の前後差圧が均一化されることにより、操作装置の操作量に応じた流量で作動油が油圧シリンダに供給されるため、操作装置の操作性の低下が抑制される。
特開平03−260401号公報 国際公開第2005/047709号
第1油圧ポンプと第2油圧ポンプとが分離状態において、第1油圧ポンプ及び第2油圧ポンプから吐出される作動油の圧力を示すポンプ圧に基づいて第1油圧ポンプ及び第2油圧ポンプが制御されると、作業機を駆動するために必要な流量の作動油が油圧シリンダに十分に供給されない可能性がある。その結果、合流状態から分離状態に切り替わった際に、作業機は十分な速度及び応答性で作動できず、作業機械の作業効率が低下する。
本発明の態様は、分離時においても十分な速度及び応答性で作業機を制御することができる制御システム、作業機械、及び制御方法を提供することを目的とする。
本発明の第1の態様に従えば、作業機及び前記作業機を駆動する複数の油圧シリンダを備える作業機械を制御する制御システムであって、前記油圧シリンダに供給される作動油を吐出する第1油圧ポンプ及び第2油圧ポンプと、前記第1油圧ポンプと前記第2油圧ポンプとを接続する通路と、前記通路に設けられ前記通路を開閉する開閉装置と、前記油圧シリンダを駆動するために操作される操作装置と、前記油圧シリンダの前記作動油の圧力を示すシリンダ圧データを取得するシリンダ圧データ取得部と、前記操作装置の操作量データを取得する操作量データ取得部と、前記シリンダ圧データと前記操作量データとに基づいて、前記通路が閉じられている分離状態において前記第1油圧ポンプから吐出される前記作動油の流量を示す第1ポンプ流量及び前記第2油圧ポンプから吐出される前記作動油の流量を示す第2ポンプ流量を算出するポンプ流量算出部と、前記第1ポンプ流量及び前記第2ポンプ流量に基づいて、前記第1油圧ポンプ及び前記第2油圧ポンプを制御するポンプ制御部と、を備える制御システムが提供される。
本発明の第2の態様に従えば、第1の態様の制御システムを備える作業機械が提供される。
本発明の第3の態様に従えば、作業機及び前記作業機を駆動する複数の油圧シリンダを備える作業機械を制御する制御方法であって、前記油圧シリンダに供給される作動油を第1油圧ポンプ及び第2油圧ポンプから吐出することと、前記油圧シリンダの前記作動油の圧力を示すシリンダ圧データを取得することと、前記油圧シリンダを駆動するために操作される操作装置の操作量データを取得することと、前記シリンダ圧データと前記操作量データとに基づいて、前記第1油圧ポンプと前記第2油圧ポンプとを接続する通路が開閉装置で閉じられている分離状態において前記第1油圧ポンプから吐出される前記作動油の流量を示す第1ポンプ流量及び前記第2油圧ポンプから吐出される前記作動油の流量を示す第2ポンプ流量を算出することと、前記第1ポンプ流量及び前記第2ポンプ流量に基づいて、前記第1油圧ポンプ及び前記第2油圧ポンプを制御することと、を含む制御方法が提供される。
本発明の態様によれば、十分な速度及び応答性で作業機を制御することができる制御システム、作業機械、及び制御方法が提供される。
図1は、第1実施形態に係る作業機械の一例を示す斜視図である。 図2は、第1実施形態に係る作業機械の制御システムの一例を模式的に示す図である。 図3は、第1実施形態に係る作業機械の油圧回路の一例を示す図である。 図4は、第1実施形態に係る作業機械のポンプコントローラの一例を示す機能ブロック図である。 図5は、第1実施形態に係る制御方法の一例を示すフローチャートである。 図6は、第1実施形態に係る作業機械の油圧回路の要部を示す図である。 図7は、第1実施形態に係る油圧ポンプ及び油圧シリンダの流量、油圧ポンプの吐出圧力、及びレバーストロークが時間によって変化する一例を示す図である。 図8は、比較例に係る油圧ポンプ及び油圧シリンダの流量、油圧ポンプの吐出圧力、及びレバーストロークが時間によって変化する一例を示す図である。 図9は、第2実施形態に係る作業機械のポンプコントローラの一例を示す機能ブロック図である。 図10は、比較例に係る油圧ポンプ及び油圧シリンダの流量、及び油圧ポンプの吐出圧力が時間によって変化する一例を示す図である。 図11は、比較例に係る油圧ポンプ及び油圧シリンダの流量、及び油圧ポンプの吐出圧力が時間によって変化する一例を示す図である。 図12は、第2実施形態に係る油圧ポンプ及び油圧シリンダの流量、及び油圧ポンプの吐出圧力が時間によって変化する一例を示す図である。
以下、本発明に係る実施形態について図面を参照しながら説明するが、本発明はこれに限定されない。以下で説明する実施形態の構成要素は適宜組み合わせることができる。また、一部の構成要素を用いない場合もある。
<第1実施形態>
[作業機械]
図1は、本実施形態に係る作業機械100の一例を示す斜視図である。本実施形態においては、作業機械100がハイブリッド方式の油圧ショベルである例について説明する。以下の説明において、作業機械100を適宜、油圧ショベル100、と称する。
図1に示すように、油圧ショベル100は、油圧により作動する作業機1と、作業機1を支持する旋回体である上部旋回体2と、上部旋回体2を支持する下部走行体3と、油圧ショベル100を駆動する駆動装置4と、作業機1を操作するための操作装置5とを備える。
上部旋回体2は、旋回軸RXを中心に旋回可能である。上部旋回体2は、オペレータが搭乗する運転室6と、機械室7とを有する。オペレータが着座する運転席6Sが運転室6に設けられる。機械室7は、運転室6の後方に配置される。エンジン及び油圧ポンプ等を含む駆動装置4の少なくとも一部は、機械室7に配置される。下部走行体3は、一対のクローラ8を有する。クローラ8の回転により、油圧ショベル100が走行する。なお、下部走行体3が車輪(タイヤ)でもよい。
作業機1は、上部旋回体2に支持される。作業機1は、バケット11と、バケット11に連結されるアーム12と、アーム12に連結されるブーム13とを有する。バケット11とアーム12とはバケットピンを介して連結される。バケット11は、回転軸AX1を中心に回転可能にアーム12に支持される。アーム12とブーム13とはアームピンを介して連結される。アーム12は、回転軸AX2を中心に回転可能にブーム13に支持される。ブーム13と上部旋回体2とはブームピンを介して連結される。ブーム13は、回転軸AX3を中心に回転可能に上部旋回体2に支持される。上部旋回体2は、旋回軸RXを中心に回転可能なように、下部走行体被3によって支持される。
回転軸AX1と、回転軸AX2と、回転軸AX3とは平行である。回転軸AX1,AX2,AX3と、旋回軸RXと平行な軸とは直交する。以下の説明においては、回転軸AX1,AX2,AX3と平行な方向を適宜、上部旋回体2の車幅方向と称し、旋回軸RXを平行な方向を適宜、上部旋回体2の上下方向と称し、回転軸AX1,AX2,AX3及び旋回軸RXの両方と直交する方向を適宜、上部旋回体2の前後方向と称する。旋回軸RXを基準として作業機1が存在する方向が前方向である。旋回軸RXを基準として機械室7が存在する方向が後方向である。
駆動装置4は、作業機1を駆動する油圧シリンダ20と、上部旋回体2を旋回させる動力を発生する電動旋回モータ25とを有する。油圧シリンダ20は、作動油によって駆動される。油圧シリンダ20は、バケット11を駆動するバケットシリンダ21と、アーム12を駆動するアームシリンダ22と、ブーム13を駆動するブームシリンダ23とを含む。上部旋回体2は、下部走行体3に支持された状態で、電動旋回モータ25が発生する動力により旋回軸RXを中心に旋回可能である。
操作装置5は、運転室6に配置される。操作装置5は、油圧ショベル100のオペレータに操作される。操作装置5は、油圧シリンダ20を駆動するために操作される。操作装置5は、操作レバーを含む。操作装置5が操作されることにより、油圧シリンダ20が駆動され、作業機1が駆動する。
[制御システム]
図2は、実施形態に係る油圧ショベル100の制御システム9を模式的に示す図である。制御システム9は、駆動装置4を含む。制御システム9は、作業機1及び作業機1を駆動する複数の油圧シリンダ20を備える油圧ショベル100を制御する。
駆動装置4は、駆動源であるエンジン26と、発電電動機27と、作動油を吐出する油圧ポンプ30とを有する。エンジン26は、例えばディーゼルエンジンである。発電電動機27は、例えばスイッチドリラクタンスモータである。なお、発電電動機27は、PM(Permanent Magnet)モータでもよい。油圧ポンプ30は、可変容量型油圧ポンプである。本実施形態において、油圧ポンプ30は、斜板式油圧ポンプである。油圧ポンプ30は、第1油圧ポンプ31及び第2油圧ポンプ32を含む。エンジン26の出力軸は、発電電動機27及び油圧ポンプ30と機械的に結合される。エンジン26が駆動することにより、発電電動機27及び油圧ポンプ30が作動する。なお、発電電動機27は、エンジン26の出力軸に機械的に直結されてもよいし、PTO(Power Take Off)のような動力伝達機構を介してエンジン26の出力軸に接続されてもよい。
駆動装置4は、油圧駆動システムと電動駆動システムとを含む。油圧駆動システムは、油圧ポンプ30と、油圧ポンプ30から吐出された作動油が流れる油圧回路40と、油圧回路40を介して供給された作動油により作動する油圧シリンダ20と、走行モータ24とを有する。走行モータ24は、例えば、油圧ポンプ30から吐出される作動油によって駆動される油圧モータである。
電動駆動システムは、発電電動機27と、蓄電器14と、変圧器14Cと、第1インバータ15Gと、第2インバータ15Rと、電動旋回モータ25とを有する。エンジン26が駆動すると、発電電動機27のロータ軸が回転する。これにより、発電電動機27は発電可能となる。蓄電器14は、例えば電気二重層蓄電器である。
ハイブリッドコントローラ17は、変圧器14Cと第1インバータ15G及び第2インバータ15Rとの間で直流電力を授受させる。また、ハイブリッドコントローラ17は、変圧器14Cと蓄電器14との間で直流電力を授受させる。電動旋回モータ25は、発電電動機27又は蓄電器14から供給された電力に基づいて動作し、上部旋回体2を旋回させる動力を発生する。電動旋回モータ25は、例えば埋め込み磁石同期電動旋回モータである。電動旋回モータ25に回転センサ16が設けられる。回転センサ16は、例えばレゾルバ又はロータリーエンコーダである。回転センサ16は、電動旋回モータ25の回転角度又は回転速度を検出する。
本実施形態において、電動旋回モータ25は、減速時において回生エネルギーを発生する。蓄電器14は、電動旋回モータ25が発生した回生エネルギー(電気エネルギー)により充電される。なお、蓄電器14は、電気二重層蓄電器でもよいし、ニッケル水素電池又はリチウムイオン電池のような二次電池でもよい。
駆動装置4は、運転室6に設けられた操作装置5の操作に基づいて動作する。操作装置5の操作量は、操作量検出部28で検出される。操作量検出部28は、圧力センサを含む。操作装置5の操作量に応じて発生するパイロット油圧が操作量検出部28に検出される。操作量検出部28は、圧力センサの検出信号を操作装置5の操作量に換算する。なお、操作量検出部28はポテンショメータのような電気的センサを含んでもよい。操作装置5が電気式レバーを含む場合、操作装置5の操作量に応じて発生する電気信号が操作量検出部28で検出される。
運転室6には、スロットルダイヤル33が設けられる。スロットルダイヤル33は、エンジン26に対する燃料供給量を設定するための操作部である。
制御システム9は、ハイブリッドコントローラ17と、エンジン26を制御するエンジンコントローラ18と、油圧ポンプ30を制御するポンプコントローラ19とを含む。ハイブリッドコントローラ17、エンジンコントローラ18、及びポンプコントローラ19は、コンピュータシステムを含む。ハイブリッドコントローラ17、エンジンコントローラ18、及びポンプコントローラ19はそれぞれ、CPU(Central Processing Unit)のようなプロセッサと、ROM(Read Only Memory)又はRAM(Random Access Memory)のような記憶装置と、入出力インターフェース装置とを有する。なお、ハイブリッドコントローラ17、エンジンコントローラ18、及びポンプコントローラ19は、1つのコントローラに統合されてもよい。
ハイブリッドコントローラ17は、発電電動機27、電動旋回モータ25、蓄電器14、第1インバータ15G、及び第2インバータ15Rのそれぞれに設けられた温度センサの検出信号に基づいて、発電電動機27、電動旋回モータ25、蓄電器14、第1インバータ15G、及び第2インバータ15Rの温度を調整する。ハイブリッドコントローラ17は、蓄電器14の充放電制御、発電電動機27の発電制御、及び発電電動機27によるエンジン26のアシスト制御を行う。ハイブリッドコントローラ17は、回転センサ16の検出信号に基づいて、電動旋回モータ25を制御する。
エンジンコントローラ18は、スロットルダイヤル33の設定値に基づいて指令信号を生成し、エンジン26に設けられたコモンレール制御部29に出力する。コモンレール制御部29は、エンジンコントローラ18から送信された指令信号に基づいて、エンジン26に対する燃料噴射量を調整する。
ポンプコントローラ19は、エンジンコントローラ18、ハイブリッドコントローラ17、及び操作量検出部28の少なくとも一つから送信された指令信号に基づいて、油圧ポンプ30から吐出される作動油の流量を調整するための指令信号を生成する。本実施形態において、本実施形態において、油圧ポンプ30は、第1油圧ポンプ31及び第2油圧ポンプ32を含む。第1油圧ポンプ31及び第2油圧ポンプ32は、エンジン26によって駆動される。第1油圧ポンプ31及び第2油圧ポンプ32は、油圧シリンダ20に供給される作動油を吐出する。
ポンプコントローラ19は、油圧ポンプ30の斜板30Aの傾転角度を制御して、油圧ポンプ30から吐出される作動油の流量を調整する。油圧ポンプ30には、油圧ポンプ30の斜板角を検出する斜板角センサ30Sが設けられている。斜板角センサ30Sは、第1油圧ポンプ31の斜板31Aの傾転角度を検出する斜板角センサ31Sと、第2油圧ポンプ32の斜板32Aの傾転角度を検出する斜板角センサ32Sとを含む。斜板角センサ30Sの検出信号は、ポンプコントローラ19に出力される。
ポンプコントローラ19は、斜板角センサ30Sの検出信号に基づいて、油圧ポンプ30のポンプ容量(cc/rev)を算出する。油圧ポンプ30には、斜板30Aを駆動するサーボ機構が設けられている。ポンプコントローラ19は、サーボ機構を制御して、斜板角を調整する。油圧回路40には、油圧ポンプ30から吐出される作動油の圧力を検出するための圧力センサ84及び圧力センサ85が設けられている。圧力センサ84及び圧力センサ85の検出信号は、ポンプコントローラ19に出力される。本実施形態において、エンジンコントローラ18とポンプコントローラ19とは、CAN(Controller Area Network)のような車内LAN(Local Area Network)で接続される。車内LANにより、エンジンコントローラ18とポンプコントローラ19とは、相互にデータを授受することができる。ポンプコントローラ19は、油圧回路40に設置される各センサの検出値を取得し、油圧ポンプ30等を制御するための制御指令を出力する。ポンプコントローラ19が実行する制御の詳細は後述する。
[油圧回路]
図3は、本実施形態に係る駆動装置4の油圧回路40の一例を示す図である。駆動装置4は、バケットシリンダ21と、アームシリンダ22と、ブームシリンダ23と、バケットシリンダ21及びアームシリンダ22に供給される作動油を吐出する第1油圧ポンプ31と、ブームシリンダ23に供給される作動油を吐出する第2油圧ポンプ32と、を備える。第1油圧ポンプ31及び第2油圧ポンプ32から吐出された作動油は、油圧回路40を流れる。
油圧回路40は、第1油圧ポンプ31と接続される第1ポンプ流路41と、第2油圧ポンプ32と接続される第2ポンプ流路42とを有する。油圧回路40は、第1ポンプ流路41と接続される第1供給流路43及び第2供給流路44と、第2ポンプ流路42と接続される第3供給流路45及び第4供給流路46とを有する。
第1ポンプ流路41は、第1分岐部P1において、第1供給流路43と第2供給流路44とに分岐される。第2ポンプ流路42は、第4分岐部P4において、第3供給流路45と第4供給流路46とに分岐される。
油圧回路40は、第1供給流路43と接続される第1分岐流路47及び第2分岐流路48と、第2供給流路44と接続される第3分岐流路49及び第4分岐流路50とを有する。第1供給流路43は、第2分岐部P2において、第1分岐流路47と第2分岐流路48とに分岐される。第2供給流路44は、第3分岐部P3において、第3分岐流路49と第4分岐流路50とに分岐される。油圧回路40は、第3供給流路45と接続される第5分岐流路51と、第4供給流路46と接続される第6分岐流路52とを有する。
油圧回路40は、操作装置5が操作されることにより発生するパイロット油圧に基づいて、油圧シリンダ20に供給される作動油の方向及び流量を調整する主操作弁60を備える。主操作弁60は、バケットシリンダ21に供給される作動油の方向及び流量を調整する第1主操作弁61と、アームシリンダ22に供給される作動油の方向及び流量を調整する第2主操作弁62と、ブームシリンダ23に供給される作動油の方向及び流量を調整する第3主操作弁63とを含む。
第1主操作弁61は、第1分岐流路47及び第3分岐流路49と接続される。第2主操作弁62は、第2分岐流路48及び第4分岐流路50と接続される。第3主操作弁63は、第5分岐流路51及び第6分岐流路52と接続される。
油圧回路40は、第1主操作弁61とバケットシリンダ21のキャップ側空間21Cとを接続する第1バケット流路21Aと、第1主操作弁61とバケットシリンダ21のロッド側空間21Lとを接続する第2バケット流路21Bとを有する。
油圧回路40は、第2主操作弁62とアームシリンダ22のロッド側空間22Lとを接続する第1アーム流路22Aと、第2主操作弁62とアームシリンダ22のキャップ側空間22Cとを接続する第2アーム流路22Bとを有する。
油圧回路40は、第3主操作弁63とブームシリンダ23のキャップ側空間23Cとを接続する第1ブーム流路23Aと、第3主操作弁63とブームシリンダ23のロッド側空間23Lとを接続する第2ブーム流路23Bとを有する。
油圧シリンダ20のキャップ側空間とは、シリンダヘッドカバーとピストンとの間の空間である。油圧シリンダ20のロッド側空間とは、ピストンロッドが配置される空間である。
バケットシリンダ21のキャップ側空間21Cに作動油が供給され、バケットシリンダ21が伸長することにより、バケット11は掘削動作する。バケットシリンダ21のロッド側空間21Lに作動油が供給され、バケットシリンダ21が縮退することにより、バケット11はダンプ動作する。
アームシリンダ22のキャップ側空間22Cに作動油が供給され、アームシリンダ22が伸長することにより、アーム12は掘削動作する。アームシリンダ22のロッド側空間22Lに作動油が供給され、アームシリンダ22が縮退することにより、アーム12はダンプ動作する。
ブームシリンダ23のキャップ側空間23Cに作動油が供給され、ブームシリンダ23が伸長することにより、ブーム13は上げ動作する。ブームシリンダ23のロッド側空間23Lに作動油が供給され、ブームシリンダ23が縮退することにより、ブーム13は下げ動作する。
操作装置5の操作により、作業機1が動作する。本実施形態において、操作装置5は、運転席6Sに着座したオペレータの右側に配置される右操作レバー5Rと、左側に配置される左操作レバー5Lとを含む。右操作レバー5Rが前後方向に動かされると、ブーム13は下げ動作又は上げ動作する。右操作レバー5Rが左右方向(車幅方向)に動かされると、バケット11は掘削動作又はダンプ動作する。左操作レバー5Lが前後方向に動かされると、アーム12はダンプ動作又は掘削動作する。左操作レバー5Lが左右方向に動かされると、上部旋回体2は左旋回又は右旋回する。左操作レバー5Lが前後方向に動かされた場合に上部旋回体2が右旋回又は左旋回し、左操作レバー5Lが左右方向に動かされた場合にアーム12がダンプ動作又は掘削動作してもよい。
第1油圧ポンプ31の斜板31Aは、サーボ機構31Bによって駆動される。サーボ機構31Bは、ポンプコントローラ19からの指令信号に基づいて作動して、第1油圧ポンプ31の斜板31Aの傾転角度を調整する。第1油圧ポンプ31の斜板31Aの傾転角度が調整されることによって、第1油圧ポンプ31のポンプ容量(cc/rev)が調整される。同様に、第2油圧ポンプ32の斜板32Aは、サーボ機構32Bによって駆動される。第2油圧ポンプ32の斜板32Aの傾転角度が調整されることによって、第2油圧ポンプ32のポンプ容量(cc/rev)が調整される。
第1主操作弁61は、第1油圧ポンプ31からバケットシリンダ21に供給される作動油の方向及び流量を調整する方向制御弁である。第2主操作弁62は、第1油圧ポンプ31からアームシリンダ22に供給される作動油の方向及び流量を調整する方向制御弁である。第3主操作弁63は、第2油圧ポンプ32からブームシリンダ23に供給される作動油の方向及び流量を調整する方向制御弁である。
第1主操作弁61は、スライドスプール方式の方向制御弁である。第1主操作弁61のスプールは、バケットシリンダ21に対する作動油の供給を停止してバケットシリンダ21を停止させる停止位置PT0と、キャップ側空間21Cに作動油が供給されるように第1分岐流路47と第1バケット流路21Aとを接続してバケットシリンダ21を伸長させる第1位置PT1と、ロッド側空間21Lに作動油が供給されるように第3分岐流路49と第2バケット流路21Bとを接続してバケットシリンダ21を縮退させる第2位置PT2とを移動可能である。バケットシリンダ21が停止状態、伸長状態、及び縮退状態の少なくとも一つになるように、第1主操作弁61が操作される。
第2主操作弁62は、第1主操作弁61と同等の構造である。第2主操作弁62のスプールは、アームシリンダ22に対する作動油の供給を停止してアームシリンダ22を停止させる停止位置PT0と、キャップ側空間22Cに作動油が供給されるように第4分岐流路50と第2アーム流路22Bとを接続してアームシリンダ22を伸長させる第2位置PT2と、ロッド側空間22Lに作動油が供給されるように第2分岐流路48と第1アーム流路22Aとを接続してアームシリンダ22を縮退させる第1位置PT1とを移動可能である。アームシリンダ22が停止状態、伸長状態、及び縮退状態の少なくとも一つになるように、第2主操作弁62が操作される。
第3主操作弁63は、第1主操作弁61と同等の構造である。第3主操作弁63のスプールは、ブームシリンダ23に対する作動油の供給を停止してブームシリンダ23を停止させる停止位置PT0と、キャップ側空間23Cに作動油が供給されるように第5分岐流路51と第1ブーム流路23Aとを接続してブームシリンダ23を伸長させる第1位置PT1と、ロッド側空間23Lに作動油が供給されるように第6分岐流路52と第2ブーム流路23Bとを接続してブームシリンダ23を縮退させる第2位置PT2とを移動可能である。ブームシリンダ23が停止状態、伸長状態、及び縮退状態の少なくとも一つになるように、第3主操作弁63が操作される。
第1主操作弁61は、操作装置5によって操作される。操作装置5が操作されることによってパイロット油圧が第1主操作弁61に作用し、第1主操作弁61からバケットシリンダ21に供給される作動油の方向及び流量が決定される。本実施形態において、操作装置5は、パイロット油圧方式の操作レバーを含む。操作装置5が操作れることによりパイロット油圧が発生する。パイロット油圧が第1主操作弁61に作用することにより、第1主操作弁61のスプールがパイロット油圧に応じた距離だけ移動する。第1主操作弁61は、操作装置5が操作されることにより発生するパイロット油圧に基づいて、スプールを移動し、バケットシリンダ21に供給される作動油の方向及び流量を調整する。バケットシリンダ21に供給される作動油の方向に対応する移動方向にバケットシリンダ21が動作し、バケットシリンダ21に供給される作動油の流量に対応するシリンダ速度でバケットシリンダ21が動作する。
同様に、第2主操作弁62は、操作装置5によって操作される。操作装置5が操作されることによってパイロット油圧が第2主操作弁62に作用し、第2主操作弁62からアームシリンダ22に供給される作動油の方向及び流量が決定される。第2主操作弁62は、操作装置5が操作されることにより発生するパイロット油圧に基づいて、スプールを移動し、アームシリンダ22に供給される作動油の方向及び流量を調整する。アームシリンダ22に供給される作動油の方向に対応する移動方向にアームシリンダ22が動作し、アームシリンダ22に供給される作動油の流量に対応するシリンダ速度でアームシリンダ22が動作する。
同様に、第3主操作弁63は、操作装置5によって操作される。操作装置5が操作されることによってパイロット油圧が第3主操作弁63に作用し、第3主操作弁63からブームシリンダ23に供給される作動油の方向及び流量が決定される。第3主操作弁63は、操作装置5が操作されることにより発生するパイロット油圧に基づいて、スプールを移動し、ブームシリンダ23に供給される作動油の方向及び流量を調整する。ブームシリンダ23に供給される作動油の方向に対応する移動方向にブームシリンダ23が作動し、ブームシリンダ23に供給される作動油の流量に対応するシリンダ速度でブームシリンダ23が動作する。
操作量検出部28は、第1主操作弁61を作動させるためのパイロット油圧を検出する圧力センサ86と、第2主操作弁62を作動させるためのパイロット油圧を検出する圧力センサ87と、第3主操作弁63を作動させるためのパイロット油圧を検出する圧力センサ88とを含む。
操作量検出部28は、圧力センサ86の検出信号に基づいて、バケットシリンダ21を駆動するための操作装置5の操作量を算出する。圧力センサ86の検出信号の値と操作装置5の操作量とは相関する。操作量検出部28には、圧力センサ86の検出信号の値と操作装置5の操作量との関係を示す相関データが記憶されている。操作量検出部28は、圧力センサ86の検出信号と相関データとに基づいて、バケットシリンダ21を駆動するための操作装置5の操作量を算出する。
同様に、操作量検出部28は、圧力センサ87の検出信号に基づいて、アームシリンダ22を駆動するための操作装置5の操作量を算出する。
同様に、操作量検出部28は、圧力センサ88の検出信号に基づいて、ブームシリンダ23を駆動するための操作装置5の操作量を算出する。
バケットシリンダ21が動作することにより、バケットシリンダ21の移動方向及びシリンダ速度に基づいてバケット11が駆動される。アームシリンダ22が作動することにより、アームシリンダ22の移動方向及びシリンダ速度に基づいてアーム12が駆動される。ブームシリンダ23が動作することにより、ブームシリンダ23の移動方向及びシリンダ速度に基づいてブーム13が駆動される。
バケットシリンダ21、アームシリンダ22、及びブームシリンダ23から排出された作動油は、排出流路53を介して、タンク54に排出される。
本実施形態において、排出流路53には、油圧回路40の作動油の圧力上昇を防止するリリーフ弁90が設けられている。油圧回路40の作動油の圧力が規定値よりも上昇すると、リリーフ弁90が作動して、リリーフ弁90を介して作動油が油圧回路40から排出される。
第1ポンプ流路41と第2ポンプ流路42とは、合流流路55によって接続される。合流流路55は、第1油圧ポンプ31と第2油圧ポンプ32とを接続する通路である。合流流路55は、第1ポンプ流路41及び第2ポンプ流路42を介して、第1油圧ポンプ31と第2油圧ポンプ32とを接続する。
油圧回路40は、第1合分流弁67を有する。第1合分流弁67は、合流流路55に設けられる。第1合分流弁67は、合流流路55を開閉する開閉装置である。第1合分流弁67は、ポンプコントローラ19によって制御される。
第1合分流弁67は、合流流路55を開閉することにより、第1ポンプ流路41と第2ポンプ流路42とが接続される合流状態と、第1ポンプ流路41と第2ポンプ流路42とが分離される分離状態とを切り替える。合流状態は、第1合分流弁67により合流流路55が開けられている状態を含む。分離状態は、第1合分流弁67により合流流路55が閉じられている状態を含む。
合流状態とは、第1ポンプ流路41と第2ポンプ流路42とが合流流路55を介して接続され、第1ポンプ流路41から吐出された作動油と第2ポンプ流路42から吐出された作動油とが第1合分流弁67において合流する状態をいう。合流状態においては、第1油圧ポンプ31から吐出された作動油及び第2油圧ポンプ32から吐出された作動油は、バケットシリンダ21、アームシリンダ22、及びブームシリンダ23のそれぞれに供給される。
分離状態とは、第1ポンプ流路41と第2ポンプ流路42とを接続する合流流路55が第1合分流弁67によって分離され、第1ポンプ流路41から吐出された作動油と第2ポンプ流路42から吐出された作動油とが分離された状態をいう。分離状態においては、第1油圧ポンプ31から吐出された作動油は、バケットシリンダ21及びアームシリンダ22に供給され、ブームシリンダ23には供給されない。また、分離状態においては、第2油圧ポンプ32から吐出された作動油は、ブームシリンダ23に供給され、バケットシリンダ21及びアームシリンダ22には供給されない。
第1合分流弁67のスプールは、合流流路55を開路して第1ポンプ流路41と第2ポンプ流路42とを接続する合流位置と、合流流路55を閉路して第1ポンプ流路41と第2ポンプ流路42とを分離する分離位置とを移動可能である。第1ポンプ流路41と第2ポンプ流路42とが合流状態及び分離状態のいずれか一方になるように、第1合分流弁67が制御される。
第1合分流弁67が閉弁状態になると、合流流路55が閉じられる。合流流路55が閉じられている分離状態において、第1油圧ポンプ31は、少なくとも1つの油圧シリンダ20を含む第1油圧シリンダ群に供給される作動油を吐出する。また、合流流路55が閉じられている分離状態において、第2油圧ポンプ32は、第1油圧シリンダ群に属する油圧シリンダ20とは異なる、少なくとも1つの油圧シリンダ20を含む第2油圧シリンダ群に供給される作動油を吐出する。本実施形態において、第1油圧シリンダ群は、バケットシリンダ21及びアームシリンダ22を含む。第2油圧シリンダ群には、ブームシリンダ23を含む。
合流流路55が閉じられている分離状態において、第1油圧ポンプ31から吐出された作動油は、第1ポンプ流路41、第1主操作弁61、及び第2主操作弁62を介して、バケットシリンダ21及びアームシリンダ22のそれぞれに供給される。また、合流流路55が閉じられている分離状態において、第2油圧ポンプ32から吐出された作動油は、第2ポンプ流路42、及び第3主操作弁63を介して、ブームシリンダ23に供給される。
合流流路55が開けられている合流状態において、第1油圧ポンプ31及び第2油圧ポンプ32のそれぞれから吐出された作動油は、第1ポンプ流路41、第2ポンプ流路42、第1主操作弁61、第2主操作弁62、及び第3主操作弁63を介して、バケットシリンダ21、アームシリンダ22、及びブームシリンダ23のそれぞれに供給される。
油圧回路40は、第2合分流弁68を有する。第2合分流弁68は、第1主操作弁61と第2主操作弁62との間に設けられたシャトル弁80と接続される。第1主操作弁61と第2主操作弁62との最大圧力がシャトル弁80で選択され第2合分流弁68へ出力される。また、第2合分流弁68と第3主操作弁63との間にシャトル弁80が接続される。
第2合分流弁68は、シャトル弁80により、バケットシリンダ21(第1軸)、アームシリンダ22(第2軸)、及びブームシリンダ23(第3軸)の各軸に供給される作動油を減圧したロードセンシング圧(LS圧)の最大圧力を選択する。ロードセンシング圧とは、圧力補償に用いられるパイロット油圧である。第2合分流弁68が合流状態のときは、第1軸から第3軸の最大LS圧が選択され、第1軸から第3軸それぞれの圧力補償弁70と第1油圧ポンプ31のサーボ機構31B及び第2油圧ポンプ32のサーボ機構32Bに供給される。一方、第2合分流弁68が分離状態のときは、第1軸と第2軸との最大LS圧が第1軸と第2軸の圧力補償弁70と第1油圧ポンプ31のサーボ機構31Bに供給され、第3軸のLS圧が第3軸の圧力補償弁70と第2油圧ポンプ32のサーボ機構32Bに供給される。
シャトル弁80は、第1主操作弁61、第2主操作弁62、及び第3主操作弁63から出力されたパイロット油圧のうち、最大値を示すパイロット油圧を選択する。選択されたパイロット油圧は、圧力補償弁70と、油圧ポンプ30(31,32)のサーボ機構(31B,32B)に供給される。
[圧力センサ]
第1バケット流路21Aには、圧力センサ81Cが設けられる。第2バケット流路21Bには、圧力センサ81Lが設けられる。圧力センサ81Cは、バケットシリンダ21のキャップ側空間21Cの圧力を検出する。圧力センサ81Lは、バケットシリンダ21のロッド側空間21Lの圧力を検出する。
第1アーム流路22Aには、圧力センサ82Cが設けられる。第2アーム流路22Bには、圧力センサ82Lが設けられる。圧力センサ82Cは、アームシリンダ22のキャップ側空間22Cの圧力を検出する。圧力センサ82Lは、アームシリンダ22のロッド側空間22Lの圧力を検出する。
第1ブーム流路23Aには、圧力センサ83Cが設けられる。第2ブーム流路23Bには、圧力センサ83Lが設けられる。圧力センサ83Cは、ブームシリンダ23のキャップ側空間23Cの圧力を検出する。圧力センサ83Lは、ブームシリンダ23のロッド側空間21Lの圧力を検出する。
第1油圧ポンプ31の吐出口には、圧力センサ84が設けられる。圧力センサ84は、第1油圧ポンプ31と第1ポンプ流路41との間に設けられる。圧力センサ84は、第1油圧ポンプ31から吐出される作動油の圧力を検出する。圧力センサ84で検出した圧力値はポンプコントローラ19へ出力される。
第2油圧ポンプ32の吐出口には、圧力センサ85が設けられる。圧力センサ85は、第2油圧ポンプ32と第2ポンプ流路42との間に設けられる。圧力センサ85は、第2油圧ポンプ32から吐出される作動油の圧力を検出する。圧力センサ85で検出した圧力値はポンプコントローラ19へ出力される。
[圧力補償弁]
油圧回路40は、圧力補償弁70を有する。圧力補償弁70は、連通と絞りと遮断とを選択するための選択ポートを備える。圧力補償弁70は、自己圧で遮断と、絞りと、連通との切り替えを可能とする、絞り弁を含む。圧力補償弁70は、各軸の負荷圧が異なっていても、各軸のメータリング開口面積の比率に応じて流量分配を補償することを目的としている。圧力補償弁70がない場合、低負荷側の軸に殆どの作動油が流れてしまう。圧力補償弁70は、低負荷圧の軸の主操作弁60の出口圧力が、最大負荷圧の軸の主操作弁60の出口圧力と同等になるように、低負荷圧の軸に圧力損失を作用させることで、各主操作弁60の出口圧力が同一となるため、流量分配の機能を実現する。
圧力補償弁70は、第1主操作弁61に接続される圧力補償弁71及び圧力補償弁72と、第2主操作弁62に接続される圧力補償弁73及び圧力補償弁74と、第3主操作弁63に接続される圧力補償弁75及び圧力補償弁76とを含む。
圧力補償弁71は、キャップ側空間21Cに作動油が供給されるように第1分岐流路47と第1バケット流路21Aとが接続された状態において第1主操作弁61の前後差圧(メータリング差圧)を補償する。圧力補償弁72は、ロッド側空間21Lに作動油が供給されるように第3分岐流路49と第2バケット流路21Bとが接続された状態において第1主操作弁61の前後差圧(メータリング差圧)を補償する。
圧力補償弁73は、ロッド側空間22Lに作動油が供給されるように第2分岐流路48と第1アーム流路22Aとが接続された状態において第2主操作弁62の前後差圧(メータリング差圧)を補償する。圧力補償弁74は、キャップ側空間22Cに作動油が供給されるように第4分岐流路50と第2アーム流路22Bとが接続された状態において第2主操作弁62の前後差圧(メータリング差圧)を補償する。
なお、主操作弁60の前後差圧(メータリング差圧)とは、主操作弁60の油圧ポンプ30側に対応する入口ポートの圧力と、油圧シリンダ20側に対応する出口ポートの圧力との差をいい、流量を計測(metering)するための差圧である。
圧力補償弁70により、バケットシリンダ21及びアームシリンダ22の一方の油圧シリンダ20に軽負荷が作用し、他方の油圧シリンダ20に高負荷が作用した場合においても、バケットシリンダ21及びアームシリンダ22のそれぞれに、操作装置5の操作量に応じた流量で作動油を分配することができる。
圧力補償弁70は、複数の油圧シリンダ20の負荷によらず、操作に基づく流量を供給可能にする。例えば、バケットシリンダ21に高負荷が作用し、アームシリンダ22に軽負荷が作用する場合、軽負荷側に配置された圧力補償弁70(73,74)は、第1主操作弁61からバケットシリンダ21に作動油が供給され発生するメータリング差圧ΔP1にかかわらず、第2主操作弁62からアームシリンダ22に作動油が供給されるとき、第2主操作弁62の操作量に基づく流量が供給されるように、軽負荷側であるアームシリンダ22側のメータリング差圧ΔP2がバケットシリンダ21側のメータリング差圧ΔP1とほぼ同一の圧力となるように補償する。
アームシリンダ22に高負荷が作用し、バケットシリンダ21に軽負荷が作用する場合、軽負荷側に配置された圧力補償弁70(71,72)は、第2主操作弁62からアームシリンダ22に作動油が供給され発生するメータリング差圧ΔP2に関わらず、第1主操作弁61からバケットシリンダ21に作動油が供給されるとき、第1主操作弁61の操作量に基づく流量が供給されるように、軽負荷側のメータリング差圧ΔP1を補償する。
[リリーフ弁]
油圧回路40は、リリーフ弁90を有する。油圧回路40においては、油圧シリンダ30を駆動しないときにおいても、油圧ポンプ30からは最小容量に相当する流量の作動油が吐出される。その吐出された作動油は、リリーフ弁90を介して排出(リリーフ)される。リリーフ時にはポンプ圧PPは所定値であるリリーフ圧となる。
[ポンプコントローラ]
図4は、本実施形態に係るポンプコントローラ19の一例を示す機能ブロック図である。ポンプコントローラ19は、処理部19Cと、記憶部19Mと、入出力部19IOとを有する。処理部19Cはプロセッサであり、記憶部19Mは記憶装置であり、入出力部19IOは入出力インターフェース装置である。記憶部19Mは、処理部19Cが処理を実行する際の一時記憶部としても使用される。
処理部19Cは、油圧シリンダ20の作動油の圧力を示すシリンダ圧データを取得するシリンダ圧データ取得部191と、操作装置30の操作量データを取得する操作量データ取得部192と、シリンダ圧データと操作量データとに基づいて、合流流路55が閉じられている分離状態において第1油圧ポンプ31から吐出される作動油の流量を示す第1ポンプ流量及び第2油圧ポンプ32から吐出される作動油の流量を示す第2ポンプ流量を算出するポンプ流量算出部193と、第1ポンプ流量及び第2ポンプ流量に基づいて、第1油圧ポンプ31及び第2油圧ポンプ32を制御するポンプ制御部194と、を備える。
入出力部19IOには、圧力センサ81C,81L,82C,82L,83C,83L,84,85,86,87,88と、第1合分流弁67とが接続される。
シリンダ圧データ取得部191は、バケットシリンダ21のシリンダ圧データを、圧力センサ81C及び圧力センサ81Lから取得する。シリンダ圧データ取得部191は、アームシリンダ22のシリンダ圧データを、圧力センサ82C及び圧力センサ82Lから取得する。シリンダ圧データ取得部191は、ブームシリンダ23のシリンダ圧データを、圧力センサ83C及び圧力センサ83Lから取得する。
操作量データ取得部192は、バケットシリンダ21を駆動するために操作される操作装置5の操作量を示す操作量データを取得する。操作量データ取得部192は、アームシリンダ22を駆動するために操作される操作装置5の操作量を示す操作量データを取得する。操作量データ取得部192は、ブームシリンダ23を駆動するために操作される操作装置5の操作量を示す操作量データを取得する。操作量データ取得部192は、圧力センサ86,87,88を含む操作量検出部28から操作量データを取得する。
圧力センサ86は、第1主操作弁61を作動させるために操作装置5が操作されときに発生するパイロット油圧を検出する。圧力センサ87は、第2主操作弁62を作動させるために操作装置5が操作されたときに発生するパイロット油圧を検出する。圧力センサ88は、第3主操作弁63を作動させるために操作装置5が操作されたときに発生するパイロット油圧を検出する。
操作量検出部28は、圧力センサ86の検出信号に基づいて、バケットシリンダ21を駆動するための操作装置5の操作量データを算出する。圧力センサ86の検出信号の値と操作装置5の操作量とは相関する。操作量検出部28には、圧力センサ86の検出信号の値と操作装置5の操作量との関係を示す相関データが記憶されている。操作量検出部28は、圧力センサ86の検出信号と相関データとに基づいて、バケットシリンダ21を駆動するための操作装置5の操作量データを算出する。
同様に、操作量検出部28は、圧力センサ87の検出信号に基づいて、アームシリンダ22を駆動するための操作装置5の操作量データを算出する。
同様に、操作量検出部28は、圧力センサ88の検出信号に基づいて、ブームシリンダ23を駆動するための操作装置5の操作量データを算出する。
ポンプ流量算出部193は、シリンダ圧データ取得部191で取得されたシリンダ圧データと、操作量データ取得部192で取得された操作量データとに基づいて、合流流路55が閉じられている分離状態において、第1油圧ポンプ31から吐出される作動油の流量を示す第1ポンプ流量と、第2油圧ポンプ32から吐出される作動油の流量を示す第2ポンプ流量とを算出する。
主操作弁60の前後差圧をΔPA、各軸の油圧シリンダ20のシリンダ圧をLA、油圧ポンプ30から吐出される作動油の圧力を示すポンプ圧をPP、操作装置5の操作量データに基づいて駆動されるために各軸の油圧シリンダ20が必要な作動油の流量を示す要求流量をQd、各軸の油圧シリンダ20に配分される作動油の配分流量をQ、としたとき、以下の(1)式が成立する。
Q=Qd×√{(PP−LA)/ΔPL}・・・(1)
本実施形態において、第1主操作弁61、第2主操作弁62、及び第3主操作弁63は、入口側と出口側との差圧が一定になるようにする。この差圧が前後差圧ΔPAであり、第1主操作弁61、第2主操作弁62、及び第3主操作弁63毎に予め設定され、ポンプコントローラ19の記憶部19Mに記憶されている。
配分流量Qは、各軸の油圧シリンダ20のそれぞれについて求められる。すなわち、配分流量Qは、バケットシリンダ21、アームシリンダ22、及びブームシリンダ23のそれぞれについて求められる。バケットシリンダ21の配分流量をQbk、アームシリンダ22の配分流量をQa、ブームシリンダ23の配分流量をQbとすると、配分流量Qbk,Qa,Qbは、以下の(2)式、(3)式、及び(4)式から求められる。
Qbk=Qdbk×√{(PP−LAbk)/ΔPL}・・・(2)
Qa=Qda×√{(PP−LAa)/ΔPL}・・・(3)
Qb=Qdb×√{(PP−LAb)/ΔPL}・・・(4)
(2)式において、Qdbkはバケットシリンダ21の要求流量、LAbkはバケットシリンダ21のシリンダ圧である。(3)式において、Qdaはアームシリンダ22の要求流量、LAaはアームシリンダ22のシリンダ圧である。(4)式において、Qdbはブームシリンダ23の要求流量、LAbはブームシリンダ23のシリンダ圧である。設定差圧ΔPLは、バケットシリンダ21に作動油を給排油する第1主操作弁61と、アームシリンダ22に作動油を給排油する第2主操作弁62と、ブームシリンダ23に作動油を給排油する第3主操作弁63とで、いずれも同じ値が用いられる。前述したように、負荷LAbk、負荷LAa、及び負荷LAbは定数又は0であってもよい。この場合、配分流量Qは、要求流量Qdに基づいて、すなわち作業機5の操作状態に基づいて定められる。負荷LAbk、負荷LAa及び負荷LAbがバケットシリンダ21、アームシリンダ22及びブームシリンダ23の実際の負荷である場合、配分流量Qは、作業機5の操作状態及び油圧シリンダ20の負荷に基づいて定められる。
要求流量Qd(Qdbk,Qda,Qdb)は、操作装置5の操作量データから一義的に決定される。すなわち、要求流量Qdは、操作量検出部28が有する圧力センサ86,87,88によって検出されたパイロット油圧に基づいて求められる。ポンプ流量算出部193は、パイロット油圧を主操作弁60のスプールストロークに変換し、得られたスプールストロークから、要求流量Qdを求める。パイロット油圧と主操作弁60のスプールストロークとの関係、及び主操作弁60のスプールストロークと要求流量Qdとの関係は、それぞれ変換テーブルに記述される。変換テーブルは、記憶部19Mに記憶されている。
ポンプ流量算出部193は、バケット11の操作に対応したパイロット油圧を検出する圧力センサ86の検出値を取得し、第1主操作弁61のスプールストロークに変換する。そして、ポンプ流量算出部193は、得られたスプールストロークからバケットシリンダ21の要求流量Qdbkを求める。
ポンプ流量算出部193は、アーム12の操作に対応したパイロット油圧を検出する圧力センサ87の検出値を取得し、第2主操作弁62のスプールストロークに変換する。そして、ポンプ流量算出部193は、得られたスプールストロークからアームシリンダ22の要求流量Qdaを求める。
ポンプ流量算出部193は、ブーム13の操作に対応したパイロット油圧を検出する圧力センサ88の検出値を取得し、第3主操作弁63のスプールストロークに変換する。そして、ポンプ流量算出部193は、得られたスプールストロークからブームシリンダ23の要求流量Qdbを求める。
第1主操作弁61、第2主操作弁62、及び第3主操作弁63のスプールがストロークする方向によって、バケット11、アーム12、及びブーム13が動作する方向が異なる。ポンプ流量算出部193は、バケット11、アーム12、及びブーム13が動作する方向によって、シリンダ圧LAを求める際に、キャップ側空間21C,22C,23Cの圧力、又はロッド側空間21L,22L,23Lの圧力のいずれを用いるかを選択する。例えば、スプールストロークが第1の方向である場合、ポンプ流量算出部193は、キャップ側空間21C,22C,23Cの圧力を検出する圧力センサ81C,82C,83Cの検出値を用いてシリンダ圧LAbk,LAa,LAbを求める。スプールストロークが第1の方向とは反対方向である第2の方向である場合、ポンプ流量算出部193は、ロッド側空間21L,22L,23Lの圧力を検出する圧力センサ81L,82L,83Lの検出値を用いてシリンダ圧LAbk,LAa,LAbを求める。本実施形態において、シリンダ圧LAbk,LAa,LAbは、バケットシリンダ21の圧力、アームシリンダ22の圧力、及びブームシリンダ23の圧力である。
(1)式から(4)式において、油圧ポンプ30が吐出する作動油の圧力PPは未知である場合、ポンプ流量算出部193は、以下の(5)式が収束するように繰り返し数値計算を実行し、(5)式が収束したときの配分流量Qbk,Qa,Qbに基づいて、圧力PPが算出される。
Qlp=Qbk+Qa+Qb・・・(5)
Qlpは、ポンプ制限流量であり、第1油圧ポンプ31及び第2油圧ポンプ32を含む油圧ポンプ30が吐出可能な作動油の流量を示す。ポンプ制限流量Qlpは、ポンプ最大流量Qmaxと、第1油圧ポンプ31及び第2油圧ポンプ32の目標とする出力から決まるポンプ目標流量Qtとの最小値である。ポンプ最大流量Qmaxは、スロットルダイヤル33の指示値から求められる流量から、電動旋回モータ25が油圧旋回モータに置き換わった場合に油圧旋回モータへ供給される作動油の流量を減算した値である。油圧ショベル100が電動旋回モータ25を有さない場合、ポンプ最大流量Qmaxは、スロットルダイヤル33の指示値から求められる流量になる。
第1油圧ポンプ31及び第2油圧ポンプ32の目標とする出力は、エンジン26の目標とする出力から油圧ショベル100の補機の出力を減算した値である。ポンプ目標流量Qtは、第1油圧ポンプ31及び第2油圧ポンプ32の目標とする出力及びポンプ圧力から得られる流量である。詳細には、ポンプ圧力は、第1油圧ポンプ31が吐出する作動油の圧力と、第2油圧ポンプ32が吐出する作動油の圧力とのうち、大きい方である。
配分流量Qbk,Qa,Qbが算出された後、ポンプ流量算出部193は、配分流量Qbk,Qa,Qbに基づいて、第1油圧ポンプ31の第1ポンプ流量、及び第2油圧ポンプ32の第2ポンプ流量を算出する。すなわち、合流流路55が閉じられている分離状態において、第1ポンプ流量は、操作装置5の操作量に基づいて駆動されるために第1油圧シリンダ群のバケットシリンダ21が必要な作動油の配分流量Qbk及びアームシリンダ22が必要な作動油の配分流量Qaに基づいて決定される。また、合流流路55が閉じられている分離状態において、第2ポンプ流量は、操作装置5の操作量に基づいて駆動されるために第2油圧シリンダ群のブームシリンダ23が必要な作動油の配分流量Qbに基づいて決定される。具体的には、第1ポンプ流量は、配分流量Qbkと配分流量Qaとの和である。第2ポンプ流量は、配分流量Qbである。
ポンプ制御部194は、ポンプ流量算出部193で算出された第1ポンプ流量及び第2ポンプ流量に基づいて、第1油圧ポンプ31及び第2油圧ポンプ32を制御する。ポンプ制御部194は、合流流路55が閉じられている分離状態において、サーボ機構31Bを制御して、第1油圧ポンプ31の斜板31Aの傾転角度を調整して、第1油圧ポンプ31から吐出される作動油の流量を第1ポンプ流量に調整する。また、ポンプ制御部194は、合流流路55が閉じられている分離状態において、サーボ機構32Bを制御して、第2油圧ポンプ32の斜板32Aの傾転角度を調整して、第2油圧ポンプ32から吐出される作動油の流量を第2ポンプ流量に調整する。
[制御方法]
次に、本実施形態に係る油圧ショベル100の制御方法について説明する。図5は、本実施形態に係る油圧ショベル100の制御方法の一例を示すフローチャートである。なお、以下の説明においては、説明を簡単にするために、図6に示すような油圧回路40を制御対象として説明する。図6は、図3を参照して説明した油圧回路40の要部を示す図であって、第1油圧シリンダ群がアームシリンダ22のみを含み、第2油圧シリンダ群がブームシリンダ23のみを含む例を示す。
また、図7は、本実施形態に係る油圧ポンプ30及び油圧シリンダ20の流量、油圧ポンプ30の吐出圧力、及び操作装置5の操作量を示すレバーストロークが時間によって変化する一例を示す図である。
図7に示すグラフにおいて、横軸は時間tである。アームシリンダ22に供給される作動油の流量の推定値をQag、ブームシリンダ23に供給される作動油の流量の推定値をQbg、アームシリンダ22に供給される作動油の流量の真値をQar、ブームシリンダ23に供給される作動油の流量の真値をQbrとする。推定値Qagは、ポンプコントローラ19によって求められた、アームシリンダ22の配分流量Qaであり、推定値Qbgは、ポンプコントローラ19によって求められた、ブームシリンダ23の配分流量Qbである。
流量Qpfは第1油圧ポンプ31から吐出される作動油の流量であり、流量Qpsは第2油圧ポンプ32から吐出される作動油の流量である。
圧力Ppfは第1油圧ポンプ31が吐出する作動油の圧力であり、圧力Ppsは第2油圧ポンプ32が吐出する作動油の圧力である。圧力Paはアームシリンダ22に供給される作動油の圧力であり、圧力Pbはブームシリンダ23に供給される作動油の圧力である。
レバーストロークLvsaは、アーム12を操作するために操作装置5を操作したときの、操作レバーのストロークである。レバーストロークLvsbは、ブーム13を操作するために操作装置5を操作したときの、操作レバーのストロークである。
合流流路55が開けられている合流状態において、アームシリンダ22及びブームシリンダ23のそれぞれに供給される作動油が第1油圧ポンプ31及び第2油圧ポンプ32から吐出される(ステップS10)。図7に示すように、第1油圧ポンプ31からは流量Qpfで作動油が吐出され、第2油圧ポンプ32からは流量Qpsで作動油が吐出される。
シリンダ圧データ取得部191は、油圧シリンダ20の作動油の圧力を示すシリンダ圧データを取得する(ステップS20)。図7に示すように、アームシリンダ22のシリンダ圧は圧力Paであり、ブームシリンダ22のシリンダ圧は圧力Pbである。
また、操作量データ取得部192は、油圧シリンダ20を駆動するために操作される操作装置5の操作量データを取得する(ステップS30)。図7に示すように、アームシリンダ22を操作するための操作量は、レバーストロークLvsaであり、ブームシリンダ23を操作するための操作量は、レバーストロークLvsbである。
ポンプ流量算出部193は、シリンダ圧データと操作量データとに基づいて、合流流路55が閉じられている分離状態において第1油圧ポンプ31から吐出される作動油の流量を示す第1ポンプ流量及び第2油圧ポンプ32から吐出される作動油の流量を示す第2ポンプ流量を算出する(ステップS40)。第1ポンプ流量は、流量Qpfであり、第2ポンプ流量は、流量Qpsである。
合流流路55が開けられている合流状態から合流流路55が閉じられる分離状態に遷移される(ステップS50)。
ポンプ制御部194は、合流状態から分離状態に遷移するときに、ポンプ流量算出部193で算出された第1ポンプ流量Qpf及び第2ポンプ流量Qpsに基づいて、第1油圧ポンプ31及び第2油圧ポンプ32を制御する(ステップS60)。
本実施形態においては、シリンダ圧データと操作量データとに基づいて、第1油圧ポンプ31の第1ポンプ流量及び第2油圧ポンプ32の第2ポンプ流量が算出される。したがって、図7に示すように、合流状態から分離状態に遷移したとき、アームシリンダ22及びブームシリンダ23のそれぞれに作動油が適切に分配される。すなわち、本実施形態においては、合流状態から分離状態に遷移したときにおいても、アームシリンダ22に供給される作動油の流量の推定値Qagと真値Qarとを一致させることができ、ブームシリンダ23に供給される作動油の流量の推定値Qbgと真値Qbrとを一致させることができる。
図8は、比較例に係る油圧ポンプ30及び油圧シリンダ20の流量、油圧ポンプ30の吐出圧力、及びレバーストロークが時間によって変化する一例を示す図である。図8は、油圧ポンプ30から吐出される作動油のポンプ圧に基づいて、第1油圧ポンプ31及び第2油圧ポンプ32を含む油圧ポンプ30から吐出される作動油の流量が調整される例を示す。図8に示すように、比較例においては、合流状態から分離状態に遷移したとき、アームシリンダ22に供給される作動油の流量の推定値Qagと真値Qarが一致せず、ブームシリンダ23に供給される作動油の流量の推定値Qbgと真値Qbrとが一致しない。この場合、作業機1を駆動するために必要な流量の作動油が油圧シリンダ20に十分に供給されないこととなる。その結果、作業機1は十分な速度及び応答性で作動できず、作業効率が低下する。また、作業機1を操作するオペレータは違和感を覚える。
本実施形態によれば、シリンダ圧データと操作量データとに基づいて、合流流路55が閉じられている分離状態における第1油圧ポンプ31の第1ポンプ流量及び第2油圧ポンプ32の第2ポンプ流量が算出され、算出された第1ポンプ流量及び第2ポンプ流量に基づいて、第1油圧ポンプ31及び第2油圧ポンプ32が制御される。したがって、作業機1は、十分な速度及び応答性で制御される。
<第2実施形態>
第2実施形態について説明する。以下の説明において、上述の実施形態と同一又は同等の構成要素については同一の符号を付し、その説明を簡略又は省略する。
図9は、本実施形態に係るポンプコントローラ19の一例を示す機能ブロック図である。本実施形態において、処理部19Cは、第1油圧ポンプ31及び第2油圧ポンプ32を含む油圧ポンプ30が吐出可能な作動油の流量を示すポンプ制限流量Qlpと、複数の油圧アクチュエータ20(バケットシリンダ21、アームシリンダ22、ブームシリンダ23)に配分される作動油の配分流量Q(Qbk、Qa、Qb)の総和(Qbk+Qa+Qb)とに基づいて、リリーフ弁90を介して油圧回路40の外部に排出される作動油の流量を示すリリーフ流量Qzを算出するリリーフ流量算出部195を備える。
ポンプ制御部194は、リリーフ流量算出部195で算出されたリリーフ流量Qzに基づいて、第1油圧ポンプ31及び第2油圧ポンプ32を制御する。本実施形態において、ポンプ制御部194は、油圧シリンダ20の作動に必要な配分流量Qよりもリリーフ流量Qzだけ多い作動油が油圧ポンプ30から吐出されるように、油圧ポンプ30を制御する。
ポンプ制限流量Qlpと、リリーフ流量Qzと、複数の油圧アクチュエータ20に配分される作動油の配分流量Qの総和(Qbk+Qa+Qb)との間には、以下の(6)式の関係が成立する。
Qlp=(Qbk+Qa+Qb)+Qz・・・(6)
すなわち、リリーフ弁90を介して作動油が排出される場合、油圧ポンプ30は、リリーフ弁90を介して排出されるリリーフ流量Qzを加味して、作動油を吐出する必要がある。リリーフ弁90から作動油が排出されるにもかかわらず、リリーフ流量Qzが考慮されないでポンプ流量が定められる場合、油圧シリンダ20に供給される作動油が不足し、作業機1を駆動するために必要な流量の作動油が油圧シリンダ20に十分に供給されない可能性がある。その結果、作業機1は十分な速度及び応答性で作動できない可能性がある。
図10及び図11は、比較例に係る油圧ポンプ30及び油圧シリンダ20の流量、及び油圧ポンプ20の吐出圧力が時間によって変化する一例を示す図である。図10は、ポンプ圧に基づいて第1油圧ポンプ31及び第2油圧ポンプ32が制御されるときの例を示す。図11は、上述の実施で説明したようなポンプ流量に基づいて第1油圧ポンプ31及び第2油圧ポンプ32が制御されるもののリリーフ流量Qzが考慮されていない例を示す。
図10に示すように、作業機1の負荷が上昇してポンプ圧がリリーフ圧に達すると、油圧シリンダ20に流れる流量Qaはゼロとなり、作業機1は停止する。その後、作業機1の負荷が低下してリリーフ状態から抜けたとき、ポンプ流量が確保されている状態から油圧シリンダ20に作動油が流れ始めるので、応答性が高い。
また、合流状態においては、油圧ポンプ30はポンプトルク制限値の範囲内で作動油を吐出しようとし、ある程度リリーフ弁90から作動油が排出される。図10に示す例においては、油圧シリンダ20が必要としている流量が厳密に推定されていないため、油圧シリンダ20が必要としている配分流量Qaがゼロでも、油圧ポンプ30は合流状態と同様に作動油を吐出する。
図11に示すように、作業機1の負荷が低下してリリーフ状態から抜けたとき、ポンプ流量が最低の状態から油圧シリンダ20に作動油が流れ始めるので、油圧ポンプ30の応答性の限界により、油圧シリンダ20に供給される作動油の流量Qarの増加が遅れる。その結果、操作性が悪化する。なお、図11において、点線で示す流量Qar´は、合流状態における流量を示し、実線で示す流量Qarは、分離状態における流量を示す。
図12に示すように、リリーフ流量Qzが考慮されることにより、油圧シリンダ20が必要としている作動油の流量が正確に推定される。ポンプ制御部194は、油圧シリンダ20が必要としている流量の作動油が第1油圧ポンプ31及び第2油圧ポンプ32から吐出されるように、第1油圧ポンプ31及び第2油圧ポンプ32を制御することができる。すなわち、リリーフ状態においては、合流状態の場合にリリーフ弁90から排出される作動油のリリーフ流量Qzを推定し、その推定されたリリーフ流量Qzが吐出されるように、第1油圧ポンプ31及び第2油圧ポンプ32が制御される。リリーフ状態においては、合流状態と同等のポンプ流量が確保される。リリーフ状態から抜けたときに油圧シリンダ20に供給される作動油の流量の応答性の低下が抑制される。
以上、実施形態を説明したが、実施形態において説明した事項により実施形態が限定されるものではない。実施形態において説明した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、及びいわゆる均等の範囲のものが含まれる。実施形態において説明した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。さらに、実施形態の要旨を逸脱しない範囲で構成要素の種々の省略、置換及び変更のうち少なくとも1つを行うことができる。
1 作業機、2 上部旋回体、3 下部走行体、4 駆動装置、5 操作装置、6 運転室、6S 運転席、7 機械室、8 クローラ、9 制御システム、11 バケット、12 アーム、13 ブーム、14 蓄電器、14C 変圧器、15G 第1インバータ、15R 第2インバータ、16 回転センサ、17 ハイブリッドコントローラ、18 エンジンコントローラ、19 ポンプコントローラ、19C 処理部、19M 記憶部、19IO 入出力部、20 油圧シリンダ、21 バケットシリンダ、21A 第1バケット流路、21B 第2バケット流路、21C キャップ側空間、21L ロッド側空間、22 アームシリンダ、22A 第1アーム流路、22B 第2アーム流路、22C キャップ側空間、22L ロッド側空間、23 ブームシリンダ、23A 第1ブーム流路、23B 第2ブーム流路、23C キャップ側空間、23L ロッド側空間、24 走行モータ、25 電動旋回モータ、26 エンジン、27 発電電動機、28 操作量検出部、29 コモンレール制御部、30 油圧ポンプ、30A 斜板、30S 斜板角センサ、31 第1油圧ポンプ、31A 斜板、31B サーボ機構、31S 斜板角センサ、32 第2油圧ポンプ、32A 斜板、32B サーボ機構、32S 斜板角センサ、33 スロットルダイヤル、40 油圧回路、41 第1ポンプ流路、42 第2ポンプ流路、43 第1供給流路、44 第2供給流路、45 第3供給流路、46 第4供給流路、47 第1分岐流路、48 第2分岐流路、49 第3分岐流路、50 第4分岐流路、51 第5分岐流路、52 第6分岐流路、55 合流流路(通路)、60 主操作弁、61 第1主操作弁、62 第2主操作弁、63 第3主操作弁、67 第1合分流弁(開閉装置)、68 第2合分流弁、70 圧力補償弁、71 圧力補償弁、72 圧力補償弁、73 圧力補償弁、74 圧力補償弁、75 圧力補償弁、76 圧力補償弁、81C 圧力センサ、81L 圧力センサ、82C 圧力センサ、82L 圧力センサ、83C 圧力センサ、83L 圧力センサ、84 圧力センサ、85 圧力センサ、86 圧力センサ、87 圧力センサ、88 圧力センサ、90 リリーフ弁、100 油圧ショベル(作業機械)、191 シリンダ圧データ取得部、192 操作量データ取得部、193 ポンプ流量算出部、194 ポンプ制御部、195 リリーフ流量算出部、AX1,AX2,AX3 回転軸、RX 旋回軸。

Claims (8)

  1. 作業機及び前記作業機を駆動する複数の油圧シリンダを備える作業機械を制御する制御システムであって、
    前記油圧シリンダに供給される作動油を吐出する第1油圧ポンプ及び第2油圧ポンプと、
    前記第1油圧ポンプと前記第2油圧ポンプとを接続する通路と、
    前記通路に設けられ前記通路を開閉する開閉装置と、
    前記油圧シリンダを駆動するために操作される操作装置と、
    前記油圧シリンダの前記作動油の圧力を示すシリンダ圧データを取得するシリンダ圧データ取得部と、
    前記操作装置の操作量データを取得する操作量データ取得部と、
    前記シリンダ圧データと前記操作量データとに基づいて、前記通路が閉じられている分離状態において前記第1油圧ポンプから吐出される前記作動油の流量を示す第1ポンプ流量及び前記第2油圧ポンプから吐出される前記作動油の流量を示す第2ポンプ流量を算出するポンプ流量算出部と、
    前記第1ポンプ流量及び前記第2ポンプ流量に基づいて、前記第1油圧ポンプ及び前記第2油圧ポンプを制御するポンプ制御部と、
    を備える制御システム。
  2. 前記分離状態において、前記第1油圧ポンプは、少なくとも1つの前記油圧シリンダを含む第1油圧シリンダ群に供給される前記作動油を吐出し、
    前記分離状態において、前記第2油圧ポンプは、少なくとも1つの前記油圧シリンダを含む第2油圧シリンダ群に供給される前記作動油を吐出し、
    前記第1ポンプ流量は、前記操作量に基づいて駆動されるために前記第1油圧シリンダ群が必要な前記作動油の流量に基づいて決定され、
    前記第2ポンプ流量は、前記操作量に基づいて駆動されるために前記第2油圧シリンダ群が必要な前記作動油の流量に基づいて決定される、
    請求項1に記載の制御システム。
  3. 前記作業機は、バケットと、前記バケットに連結されるアームと、前記アームに連結されるブームとを有し、
    前記油圧シリンダは、前記バケットを駆動するバケットシリンダと、前記アームを駆動するアームシリンダと、及び前記ブームを駆動するブームシリンダとを含み、
    前記第1油圧シリンダ群は、前記バケットシリンダ及び前記アームシリンダを含み、前記第2アクチュエータ群は、前記ブームシリンダを含む、
    請求項2に記載の制御システム。
  4. 前記作動油の圧力上昇を防止するリリーフ弁と、
    前記第1油圧ポンプ及び前記第2油圧ポンプが吐出可能な前記作動油の流量を示すポンプ制限流量と、複数の前記油圧アクチュエータに配分される前記作動油の配分流量の総和とに基づいて、前記リリーフ弁を介して排出される前記作動油の流量を示すリリーフ流量を算出するリリーフ流量算出部と、を備え、
    前記ポンプ制御部は、前記リリーフ流量に基づいて、前記第1油圧ポンプ及び前記第2油圧ポンプを制御する、
    請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の制御システム。
  5. 前記操作装置が操作されることにより発生するパイロット油圧に基づいて、前記油圧シリンダに供給される前記作動油の流量を調整する主操作弁と、
    前記パイロット油圧を検出する操作量検出部と、を備え、
    前記操作量データは、前記操作量検出部の検出信号に基づいて算出される、
    請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の制御システム。
  6. 前記ポンプ制御部は、前記通路が開けられている合流状態から前記分離状態に遷移するときに、前記ポンプ流量算出部で算出された前記第1ポンプ流量及び前記第2ポンプ流量に基づいて、前記第1油圧ポンプ及び前記第2油圧ポンプを制御する、
    請求項1から請求項5のいずれか一項に記載の制御システム。
  7. 請求項1から請求項6のいずれか一項に記載の制御システムを備える作業機械。
  8. 作業機及び前記作業機を駆動する複数の油圧シリンダを備える作業機械を制御する制御方法であって、
    前記油圧シリンダに供給される作動油を第1油圧ポンプ及び第2油圧ポンプから吐出することと、
    前記油圧シリンダの前記作動油の圧力を示すシリンダ圧データを取得することと、
    前記油圧シリンダを駆動するために操作される操作装置の操作量データを取得することと、
    前記シリンダ圧データと前記操作量データとに基づいて、前記第1油圧ポンプと前記第2油圧ポンプとを接続する通路が開閉装置で閉じられている分離状態において前記第1油圧ポンプから吐出される前記作動油の流量を示す第1ポンプ流量及び前記第2油圧ポンプから吐出される前記作動油の流量を示す第2ポンプ流量を算出することと、
    前記第1ポンプ流量及び前記第2ポンプ流量に基づいて、前記第1油圧ポンプ及び前記第2油圧ポンプを制御することと、
    を含む制御方法。
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