JP6247123B2

JP6247123B2 - 建設機械用油圧回路

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Publication number: JP6247123B2
Application number: JP2014056233A
Authority: JP
Inventors: 岩崎　仁; 仁岩崎
Original assignee: Nabtesco Corp
Current assignee: Nabtesco Corp
Priority date: 2014-03-19
Filing date: 2014-03-19
Publication date: 2017-12-13
Anticipated expiration: 2034-03-19
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Description

本発明は、油圧ショベルなどの建設機械用の油圧回路に関する。

一のアクチュエータ（シリンダ）から発生した回生圧油（再生圧油）を利用する回路構成を備える建設機械用の油圧回路として、例えば特許文献１に記載されたものがある。特許文献１に記載の流体圧回路は、ブームシリンダの一室から流出した戻り流体を、当該ブームシリンダの他室へ流す再生回路を有する。またこの流体圧回路は、前記再生回路の再生機能を他の制御系にまで拡大するためのロジック弁という弁を有する。このロジック弁は、再生時、前記再生回路を他の制御系に連通可能とする。これにより、一のアクチュエータ（シリンダ）から発生した再生流体を、他のアクチュエータにも活用することができるとのことである。

特開２００３−１２０６０４号公報

しかしながら、ロジック弁により、再生時、再生回路を他の制御系に連通可能としたとしても、他の制御系を流れる流体の圧力が高いと、当該他の制御系に戻り流体を十分に流すことができない。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであって、その目的は、回生圧油の圧力を高めることができる回路構成を備えた建設機械用の油圧回路を提供することである。

本発明に係るブームを備える建設機械の油圧回路は、前記ブームに対して並列配置される２つのブームシリンダへ油圧ポンプからの圧油を給排するブーム用方向切換弁と、前記ブーム用方向切換弁と前記２つのブームシリンダのロッド側室とを接続するロッド側通路と、前記ブーム用方向切換弁と前記２つのブームシリンダのヘッド側室とを接続するヘッド側通路と、一方の前記ブームシリンダのヘッド側室に接続される回生通路と、ブーム下げ時に、他方の前記ブームシリンダのヘッド側室に前記ブーム用方向切換弁を介して接続されるタンク通路と、前記２つのブームシリンダのヘッド側室間の圧油の移動を許容または制限する流量調整弁と、前記回生通路に配置され、一方の前記ブームシリンダのヘッド側室から当該回生通路へ圧油が流れることを許容または制限する回生弁と、を備える。前記ヘッド側室へ圧油が供給されるブーム上げ時には、前記流量調整弁は、前記２つのブームシリンダのヘッド側室間の圧油の移動を許容し、且つ、前記回生弁は、前記回生通路へ圧油が流れることを制限する。また、前記ロッド側室へ圧油が供給されるブーム下げ時には、前記流量調整弁は、一方の前記ブームシリンダのヘッド側室から他方の前記ブームシリンダのヘッド側室への圧油の移動を制限し、且つ、前記回生弁は、前記回生通路へ圧油が流れることを許容する。

本発明の油圧回路によれば、ブーム下げ時、２つのブームシリンダのうちの片側のブームシリンダがブームを支えないので、もう一方のブームシリンダのヘッド側室の圧力が高くなる。このヘッド側室が回生通路に接続されているので回生圧油の圧力は高い。すなわち、本発明の油圧回路によると、回生圧油の圧力を高めることができる。

本発明の第１実施形態に係る建設機械用油圧回路の回路図である。図１に示した油圧回路の変形例を示す回路図である。図１に示した油圧回路の変形例を示す回路図である。図１に示した油圧回路の変形例を示す回路図である。図４に示した油圧回路の変形例を示す回路図である。本発明の第２実施形態に係る建設機械用油圧回路の回路図である。

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しつつ説明する。なお、本発明の油圧回路を適用できる建設機械の具体的な例は油圧ショベルであるが、ブームを備える様々な種類・形式の建設機械に本発明の油圧回路を適用することができる。

（第１実施形態）
（油圧回路の回路構成）
図１を参照しつつ、本発明の第１実施形態に係る油圧ショベルの油圧回路１００について説明する。油圧回路１００は、油圧ポンプ１に接続されるアンロード通路２１に直列配置された複数の方向切換弁５、６を備える油圧回路である。

ここで、図示を省略する油圧ショベルは、その本体フレームの前部に取り付けられるブーム１２、ブーム１２の先端部に取り付けられるアーム、アームの先端部に取り付けられるバケットなどのアタッチメントを備えている。油圧ショベルの一般的な公知の構成については、必要に応じて特許文献１（特開２００３−１２０６０４号公報）を参照されたい。

ここで、ブーム１２は、２つのブームシリンダ３，４によって動作させられる。ブームシリンダ３，４は、ブーム１２に対してその両側に並列配置され、２つのブームシリンダ３，４で１つのブーム１２を動作させる（図１中の左上に、ブーム１２とブームシリンダ３，４との配置関係を図示した。なお、この図は、油圧ショベルをその上方から見た図（平面図）である（図２〜５においても同様に図示している））。ブームシリンダ３，４のヘッド側室３ａ，４ａにブーム用方向切換弁６から圧油が供給されることでブーム１２は起き上がり（ブーム上げ）、ブーム用方向切換弁６からロッド側室３ｂ，４ｂに圧油が供給されることでブーム１２は倒れる（ブーム下げ）。

図示を省略するアームは、同じく図示を省略するアームシリンダによって動作させられる。また、図示を省略するバケットは、バケットシリンダ２によって動作させられる。バケットシリンダ２のヘッド側室２ａにバケット用方向切換弁５から圧油が供給されることでバケットは前傾し、バケット用方向切換弁５からロッド側室２ｂに圧油が供給されることでバケットは後傾する。

<アンロード通路>
アンロード通路２１は、一端が油圧ポンプ１に接続され、他端がタンク１１に連通する、ブーム用方向切換弁６とバケット用方向切換弁５とを直列接続する通路である。

<ブーム用方向切換弁まわりの構成>
ブーム用方向切換弁６は、２つのブームシリンダ３，４へ油圧ポンプ１からの圧油を給排する３位置の弁であり、中立位置６ａとブーム上げ位置６ｂとブーム下げ位置６ｃとを有する。

油圧ポンプ１とブーム用方向切換弁６とは、アンロード通路２１から分岐する圧油供給通路２２で接続されている。ブーム用方向切換弁６と２つのブームシリンダ３，４のロッド側室３ｂ，４ｂとは、ロッド側通路２３で接続されている。ブーム用方向切換弁６から延在するロッド側通路２３は、２方向に分岐した後、一方の通路が第１ブームシリンダ３のロッド側室３ｂに接続し、他方の通路が第２ブームシリンダ４のロッド側室４ｂに接続している。

また、ブーム用方向切換弁６と２つのブームシリンダ３，４のヘッド側室３ａ，４ａとは、ヘッド側通路２４で接続されている。ブーム用方向切換弁６から延在するヘッド側通路２４は、２方向に分岐した後、一方の通路が第１ブームシリンダ３のヘッド側室３ａに接続し、他方の通路が第２ブームシリンダ４のヘッド側室４ａに接続している。

<遮断弁（流量調整弁）>
２方向に分岐したヘッド側通路２４のうちの、第１ブームシリンダ３のヘッド側室３ａに接続するヘッド側通路２４には、遮断弁７（流量調整弁）が配置されている。遮断弁７は、２つのブームシリンダ３，４のヘッド側室３ａ，４ａ間の圧油の移動を許容または制限する弁であり、電磁比例弁９で制御される。電磁比例弁９は、図示を省略するコントローラからの信号で制御される（後述する電磁比例弁１０、他の図で示す電磁比例弁についても同様）。また、遮断弁７は、連通位置７ａと遮断位置７ｂとを備える２位置の弁であり、通路の開度（開口面積）は電磁比例弁９により無段階に制御される。なお、電磁比例弁９を用いる必要は必ずしもない。すなわち、遮断弁７は、通路が完全に閉まっている状態と、完全に開いている状態とのＯＮ−ＯＦＦ制御とされてもよい。

<回生弁>
第１ブームシリンダ３のヘッド側室３ａには、分岐後のヘッド側通路２４を介して回生通路２５が接続されている。回生通路２５には回生弁８が配置されている。回生弁８は、第１ブームシリンダ３のヘッド側室３ａから回生通路２５へ圧油が流れることを許容または制限する弁であり、電磁比例弁１０で制御される。また、回生弁８は、連通位置８ａと遮断位置８ｂとを備える２位置の弁であり、通路の開度（開口面積）は電磁比例弁１０により無段階に制御される。なお、電磁比例弁１０を用いる必要は必ずしもない。すなわち、回生弁８は、通路が完全に閉まっている状態と、完全に開いている状態とのＯＮ−ＯＦＦ制御とされてもよい。回生通路２５の一端は、分岐後のヘッド側通路２４を介して第１ブームシリンダ３のヘッド側室３ａに連通し、他端は、圧油供給通路２２に連通（接続）している。

（油圧回路の動作（作用・効果））
<ブーム上げ時>
油圧回路１００の動作について説明する。操縦者が、ブーム上げ操作を行うと、ブーム用方向切換弁６は、ブーム上げ位置６ｂに切り換わる。ブーム用方向切換弁６がブーム上げ位置６ｂに切り換わると、油圧ポンプ１からの圧油は、圧油供給通路２２、ヘッド側通路２４を経由して、ブームシリンダ３，４のヘッド側室３ａ，４ａに供給される。このとき、電磁比例弁９により遮断弁７は、ブームシリンダ３，４のヘッド側室３ａ，４ａ間の圧油の移動を許容する連通位置７ａとされる。また、電磁比例弁１０により回生弁８は、回生通路２５へ圧油が流れることを遮断する（制限する）遮断位置８ｂとされる。
その結果、油圧ポンプ１からの圧油で、ブームシリンダ３，４のピストンロッドが延びることで、ブーム１２は起き上がる。

<ブーム下げ時>
操縦者が、ブーム下げ操作を行うと、ブーム用方向切換弁６は、ブーム下げ位置６ｃに切り換わる。ブーム用方向切換弁６がブーム下げ位置６ｃに切り換わると、油圧ポンプ１からの圧油は、圧油供給通路２２、ロッド側通路２３を経由して、ブームシリンダ３，４のロッド側室３ｂ，４ｂに供給される。このとき、電磁比例弁９により遮断弁７は、第１ブームシリンダ３のヘッド側室３ａから第２ブームシリンダ４のヘッド側室４ａへの圧油の移動を遮断する（制限する）遮断位置７ｂとされる。また、電磁比例弁１０により回生弁８は、第１ブームシリンダ３のヘッド側室３ａから回生通路２５へ圧油が流れることを許容する連通位置８ａとされる。ブーム用方向切換弁６がブーム下げ位置６ｃに切り換わることで、第２ブームシリンダ４のヘッド側室４ａは、ブーム用方向切換弁６を介して、タンク１１に連通するタンク通路２６に接続する。
その結果、ブームシリンダ３，４のピストンロッドが縮むことで、ブーム１２は倒れる（下がる）。

このブーム下げ時、第２ブームシリンダ４のヘッド側室４ａがタンク通路２６に連通するので、２つのブームシリンダ３，４のうちの第２ブームシリンダ４はブーム１２を支えない。そのため、もう一方の第１ブームシリンダ３のみでブーム１２を支えることになり、当該第１ブームシリンダ３のヘッド側室３ａの圧力が倍増する。このヘッド側室３ａが回生通路２５に接続されているので回生圧油の圧力は高くなる。この回生圧油を、他のアクチュエータで使用することで（本実施形態では、バケットシリンダ２で使用する形態を示している）油圧ポンプ１の流量を低減することができる（省エネを実現することができる）。回生圧油の圧力が高いので、この回生圧油（戻り圧油）を圧油供給通路２２に十分な量、流す（戻す）ことができる。

本実施形態では、遮断弁７の開度を無段階調整することができる電磁比例弁９で遮断弁７を制御している。そのため、遮断弁７のスプールの位置をフルストローク位置にするのではなく中間開度位置にすることで、回生通路２５に流す回生圧油の流量を、必要流量に応じて調節することができる。

また、本実施形態では、遮断弁７だけでなく回生弁８に関しても、その開度を無段階調整することができるように電磁比例弁１０で回生弁８を制御している。この構成によると、油圧ポンプ１の吐出圧との関係で、２つの電磁比例弁により回生圧油の流量を調節することができ、回生圧油の流量がより調節し易くなり、省エネ効果をより最適化することができる。

本実施形態では、圧油供給通路２２に回生通路２５を接続している。この構成によると、圧油供給通路２２に連通する他のアクチュエータにも回生圧油を供給することができる。

（第１変形例）
図２を参照しつつ、第１変形例に係る油圧回路１０１について説明する。なお、図１に示した油圧回路１００を構成する弁、通路と同様の弁、通路に関しては、図２において同じ符号を付している（後述する変形例および実施形態についても同様）。

図２に示したように、本変形例では、図１に示した油圧回路１００の遮断弁７（流量調整弁）を、並列配置された逆止弁１８と絞り１９とに置き換えている。逆止弁１８は、第２ブームシリンダ４のヘッド側室４ａから第１ブームシリンダ３のヘッド側室３ａへの圧油の流れ方向を順方向とする逆止弁である。絞り１９は、回生通路２５に流す回生圧油の流量を調節するために設けている。なお、絞り１９はなくてもよい。

本変形例によると、回生圧油の圧力を簡易な構成で高めることができる。

（第２変形例）
図３を参照しつつ、第２変形例に係る油圧回路１０２について説明する。本変形例では、複数の方向切換弁のうちの最上流側のバケット用方向切換弁５よりも上流側のアンロード通路２１に回生通路２５の下流側の端を接続している。この構成によると、アンロード通路２１に接続された他のアクチュエータ（本実施形態の場合、例えばバケットシリンダ２）に回生圧油を供給することができる。なお、回生通路２５の下流側の端をアンロード通路２１に接続する位置は、本変形例の位置に限られることはない。

（第３変形例）
図４を参照しつつ、第３変形例に係る油圧回路１０３について説明する。本変形例では、図１に示した遮断弁７の機能と回生弁８の機能とブーム用方向切換弁６の機能とを全て有する（１つにまとめた）ブーム用方向切換弁２０を用いている。すなわち、本変形例では、遮断弁７と回生弁８とブーム用方向切換弁６とを１つの弁として一体的に形成している。これら３つの機能を有するブーム用方向切換弁２０は、中立位置２０ａとブーム上げ位置２０ｂとブーム下げ位置２０ｃとを有する３位置の弁である。ブーム用方向切換弁２０と２つのブームシリンダ３，４のヘッド側室３ａ，４ａとは、それぞれ、ヘッド側通路３０，３１で接続されている。

ブーム下げ時、操縦者の操作で、ブーム用方向切換弁２０は、ブーム下げ位置２０ｃに切り換えられる。ブーム用方向切換弁２０がブーム下げ位置２０ｃに切り換わると、油圧ポンプ１からの圧油は、圧油供給通路２２、ロッド側通路２３を経由して、ブームシリンダ３，４のロッド側室３ｂ，４ｂに供給される。このとき、第２ブームシリンダ４のヘッド側室４ａはタンク通路２６に連通する。そのため、第２ブームシリンダ４はブーム１２を支えず、もう一方の第１ブームシリンダ３のみでブーム１２を支えることとなる。これにより、第１ブームシリンダ３のヘッド側室３ａの圧力が倍増する。第１ブームシリンダ３のヘッド側室３ａは、ヘッド側通路３０を介してアンロード通路２１に連通するので、ヘッド側室３ａからの圧力が高い回生圧油（戻り圧油）は、アンロード通路２１に供給される。

本変形例によると、油圧回路を構成する弁の数を少なくすることができる。

（第４変形例）
図５を参照しつつ、第４変形例に係る油圧回路１０４について説明する。図５に示す油圧回路１０４は、図４に示した油圧回路１０３の変形例である。本変形例に係る油圧回路１０４を構成するブーム用方向切換弁３２も、図１に示した遮断弁７と回生弁８とブーム用方向切換弁６とを１つの弁として一体的に形成したものである。ブーム用方向切換弁３２は、中立位置３２ａとブーム上げ位置３２ｂとブーム下げ位置３２ｃとを有する３位置の弁である。

このブーム用方向切換弁３２と、図４に示したブーム用方向切換弁２０との相違点は、ブーム下げ位置３２ｃの通路構成である。図４に示したブーム用方向切換弁２０では、ブーム下げ位置２０ｃのとき（ブーム下げ時）、第１ブームシリンダ３のヘッド側室３ａからの回生圧油を、当該ブーム用方向切換弁２０の上流側のアンロード通路２１に戻している。これに対して、本変形例に係るブーム用方向切換弁３２では、ブーム下げ位置２０ｃのとき（ブーム下げ時）、第１ブームシリンダ３のヘッド側室３ａからの回生圧油を、当該ブーム用方向切換弁３２の下流側のアンロード通路２１に戻している。

この構成によると、アンロード通路２１に直列配置された、ブーム用方向切換弁３２の下流側の方向切換弁３４を介して、第１ブームシリンダ３のヘッド側室３ａからの回生圧油をアクチュエータ３３に供給することができる。

（第２実施形態）
図６を参照しつつ、第２実施形態に係る油圧回路１０５について説明する。

まず、図１に示した油圧回路１００と比較して本実施形態の油圧回路１０５は、ロッド側通路２３およびヘッド側通路２４の構成が、図１に示した油圧回路１００とは少し異なる。本実施形態では、ブーム用方向切換弁６から延在するロッド側通路２３は、まず第２ブームシリンダ４のロッド側室４ｂに接続し、その後、ロッド側室４ｂから出て、第１ブームシリンダ３のロッド側室３ｂに接続する。すなわち、ロッド側室３ｂとロッド側室４ｂとは、ロッド側通路２３に直列接続している。

ヘッド側通路２４についても同様である。ブーム用方向切換弁６から延在するヘッド側通路２４は、まず第２ブームシリンダ４のヘッド側室４ａに接続し、その後、ヘッド側室４ａから出て、第１ブームシリンダ３のヘッド側室３ａに接続する。すなわち、ヘッド側室３ａとヘッド側室４ａとは、ヘッド側通路２４に直列接続している。

次に、図１に示した油圧回路１００では、第１ブームシリンダ３のヘッド側室３ａに一端が接続する回生通路２５の他端を圧油供給通路２２にのみ接続しているが、本実施形態では、第１ブームシリンダ３のヘッド側室３ａに一端が接続する回生通路の他端を、圧油供給通路２２だけでなく、他系統である油圧ポンプ１３のアンロード通路２９、および第１ブームシリンダ３のロッド側室３ｂにも、それぞれ接続している（回生通路２５、２７、２８）。

回生通路２５，２７，２８には、それぞれ、回生弁８，１４，１５が配置されている。回生弁８は、図１に示した回生弁８と同じなので説明を省略する。回生弁１４は、第１ブームシリンダ３のヘッド側室３ａから回生通路２７へ圧油が流れることを許容または制限する弁であり、電磁比例弁１６で制御される。この回生弁１４は、連通位置１４ａと遮断位置１４ｂとを備える２位置の弁であり、通路の開度（開口面積）は電磁比例弁１６により無段階に制御される。また、回生弁１５は、第１ブームシリンダ３のヘッド側室３ａから回生通路２８へ圧油が流れることを許容または制限する弁であり、電磁比例弁１７で制御される。この回生弁１５は、連通位置１５ａと遮断位置１５ｂとを備える２位置の弁であり、通路の開度（開口面積）は電磁比例弁１７により無段階に制御される。

本実施形態によると、第１ブームシリンダ３のヘッド側室３ａからの回生通路２７が、油圧ポンプ１とは別の油圧ポンプ１３の系統に回生弁１４を介して接続されていることで、別系統に配置されたアクチュエータにも第１ブームシリンダ３のヘッド側室３ａからの回生圧油を供給することができる。

また、電磁比例弁１０，１６，１７を制御することで、油圧ショベルに要求される動作条件に応じて、ブームシリンダのロッド側室、油圧ポンプ１系統、および油圧ポンプ１３系統に回生圧油を分配供給したり、いずれか１つに回生圧油を集中供給したりなどすることができる。

１：油圧ポンプ
２：バケットシリンダ
３：第１ブームシリンダ
４：第２ブームシリンダ
３ａ、４ａ：ヘッド側室
３ｂ、４ｂ：ロッド側室
５：バケット用方向切換弁
６：ブーム用方向切換弁
７：遮断弁（流量調整弁）
８：回生弁
９、１０：電磁比例弁
１１：タンク
１２：ブーム
２１：アンロード通路
２２：圧油供給通路
２３：ロッド側通路
２４：ヘッド側通路
２５：回生通路
２６：タンク通路
１００：油圧回路（建設機械用油圧回路）

Claims

ブームを備える建設機械の油圧回路において、
前記ブームに対して並列配置される２つのブームシリンダへ油圧ポンプからの圧油を給排するブーム用方向切換弁と、
前記ブーム用方向切換弁と前記２つのブームシリンダのロッド側室とを接続するロッド側通路と、
前記ブーム用方向切換弁と前記２つのブームシリンダのヘッド側室とを接続するヘッド側通路と、
一方の前記ブームシリンダのヘッド側室に接続される回生通路と、
ブーム下げ時に、他方の前記ブームシリンダのヘッド側室に前記ブーム用方向切換弁を介して接続されるタンク通路と、
前記２つのブームシリンダのヘッド側室間の圧油の移動を許容または制限する流量調整弁と、
前記回生通路に配置され、一方の前記ブームシリンダのヘッド側室から当該回生通路へ圧油が流れることを許容または制限する回生弁と、
を備え、
前記ヘッド側室へ圧油が供給されるブーム上げ時には、前記流量調整弁は、前記２つのブームシリンダのヘッド側室間の圧油の移動を許容し、且つ、前記回生弁は、前記回生通路へ圧油が流れることを制限し、
前記ロッド側室へ圧油が供給されるブーム下げ時には、前記流量調整弁は、一方の前記ブームシリンダのヘッド側室から他方の前記ブームシリンダのヘッド側室への圧油の移動を制限し、且つ、前記回生弁は、前記回生通路へ圧油が流れることを許容することを特徴とする、建設機械用油圧回路。
請求項１に記載の建設機械用油圧回路において、
前記流量調整弁は、連通位置と遮断位置とを備える弁であり、且つ電磁比例弁で制御されることを特徴とする、建設機械用油圧回路。
請求項２に記載の建設機械用油圧回路において、
前記回生弁は、連通位置と遮断位置とを備える弁であり、且つ電磁比例弁で制御されることを特徴とする、建設機械用油圧回路。
請求項１〜３のいずれかに記載の建設機械用油圧回路において、
前記油圧ポンプと前記ブーム用方向切換弁とを接続する圧油供給通路に、前記回生通路が接続されていることを特徴とする、建設機械用油圧回路。
請求項１〜３のいずれかに記載の建設機械用油圧回路において、
前記油圧ポンプに接続され、前記ブーム用方向切換弁と他の方向切換弁とを直列接続するアンロード通路を備え、
前記アンロード通路に、前記回生通路が接続されていることを特徴とする、建設機械用油圧回路。
請求項１〜３のいずれかに記載の建設機械用油圧回路において、
前記油圧ポンプとは別の油圧ポンプの系統に、前記回生通路が接続されていることを特徴とする、建設機械用油圧回路。
請求項１に記載の建設機械用油圧回路において、
前記流量調整弁は、他方の前記ブームシリンダのヘッド側室から一方の前記ブームシリンダのヘッド側室への圧油の流れを順方向とする逆止弁であることを特徴とする、建設機械用油圧回路。
請求項７に記載の建設機械用油圧回路において、
前記油圧ポンプに接続され、前記ブーム用方向切換弁と他の方向切換弁とを直列接続するアンロード通路を備え、
前記アンロード通路に、前記回生通路が接続されていることを特徴とする、建設機械用油圧回路。
請求項８に記載の建設機械用油圧回路において、
前記流量調整弁と前記回生弁と前記ブーム用方向切換弁とが１つの弁として一体的に形成されていることを特徴とする、建設機械用油圧回路。