JP6591370B2

JP6591370B2 - 建設機械の油圧制御装置

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Publication number: JP6591370B2
Application number: JP2016160867A
Authority: JP
Inventors: 亮平山下; 井村　進也; 進也井村; 裕昭天野
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 2016-08-18
Filing date: 2016-08-18
Publication date: 2019-10-16
Anticipated expiration: 2036-08-18
Also published as: JP2018028358A

Description

本発明は、建設機械の油圧制御装置に関する。

油圧ショベル等の建設機械の油圧制御装置は、一般に、油圧ポンプと、油圧ポンプから吐出される圧油により駆動される油圧アクチュエータと、油圧アクチュエータに対する圧油の給排を制御する制御弁を備えている。例えば、油圧ショベルの油圧アクチュエータは、フロント作業機のブームを駆動するブームシリンダと、アームを駆動するアームシリンダと、バケットを駆動するバケットシリンダ等であって、それぞれの油圧アクチュエータに対応する制御弁が設けられている。また、これらの制御弁は、それぞれメータイン絞りとメータアウト絞りを備え、メータイン絞りにより油圧ポンプから油圧アクチュエータに供給される圧油の流量を制御し、メータアウト絞りにより油圧アクチュエータからタンクへ排出される圧油の流量を制御する。

ところで、フロント作業機に装着されるアタッチメントは、標準バケットの他に、大型バケット、破砕機、小割機等があるが、これらは、標準バケットより大重量の物が多い。このため、開発時に標準バケットを装着した状態を想定してメータアウト絞りの開口面積を調整すると、ユーザが標準バケットの代わりに大重量のアタッチメントを装着した場合に以下の問題が生じる。

アタッチメントを装着したアームを空中で引き込む、すなわちクラウドするとき、アームとアタッチメントの重量によってアームシリンダに加えられる負荷であって、アームシリンダの伸長方向と同じ方向の負荷（以後、負の負荷という）は、標準バケットを装着した状態よりも増加する。このことにより、アームシリンダの動作速度が標準バケットを装着した状態よりも速くなったり、メータイン側の圧油の流量が不足することによって息継ぎ現象（キャビテーション）が発生したりすることが想定される。この結果、建設機械の操作性が悪化する。なお、息継ぎ現象は、油圧アクチュエータや制御弁の損傷の原因になることがある。

このような問題の発生を防止するため、一般的には、メータアウト絞りの開口面積は、大重量のアタッチメントを装着した状態を想定して調整されている。しかし、このようにメータアウト絞りの開口面積を調整した建設機械で、標準バケットを装着して作業を行う場合には、メータアウト側に、アームと標準バケットの重量による負の負荷を支持するのに必要なメータアウト圧損よりも、高いメータアウト圧損が生じ、建設機械のエネルギ損失の原因となっている。

このような問題を解決するために、アームシリンダのロッド側から排出される圧油をボトム側へ再供給する再生流路を設けるとともに、再生流路には油圧パイロット式の再生弁を設け、レバー操作量とロッド側の圧力に応じて再生弁の開度を制御するように構成した油圧回路がある（例えば、特許文献１参照）。

特許３９０１０５８号公報

ところで、上述した負の負荷を支持するのに必要なロッド側の圧力、すなわちメータアウト圧力損失は、アームとアタッチメントの重量だけではなく、アームの姿勢によっても変化する。例えば、アームを空中で地面に対して水平に近い角度から鉛直までクラウド動作する場合、アームシリンダの伸長開始直後、すなわちアームの角度が水平に近い状態では、負の負荷を支持するために高いロッド側の圧力が必要となるのに対し、アームシリンダが伸長したアームの角度が鉛直に近い状態では、伸長開始直後よりも低いロッド側の圧力で負の負荷を支持することができる。上述した従来例では、このようなアームの姿勢が考慮されていないため、メータアウト圧損を更に低減する余地があると考えられる。

また、上述した従来例において、再生弁は再生流路の絞りとメータアウト流路から分岐してタンクへ接続されるタンク流路の絞りの両方の絞りを備えている。このため、再生弁の開度によっては、アームシリンダのロッド側からボトム側へ再供給される圧油の流量が減少し、油圧ポンプからアームシリンダに供給される圧油の流量を削減できす、高い省エネルギ効果を得られない場合が考えられる。

本発明は、上述の事柄に基づいてなされたもので、その目的は、油圧アクチュエータに作用する負の負荷が変化しても操作性を悪化させることなく、かつ高い省エネルギ効果が得られる建設機械の油圧制御装置を提供するものである。

上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。本願は、上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、油圧ポンプから吐出される圧油により駆動される油圧アクチュエータと、前記油圧アクチュエータに対する圧油の給排をスプールの位置に応じて制御する制御弁と、前記スプールの位置を操作量及び操作方向に応じて制御する操作装置と、前記油圧ポンプから前記油圧アクチュエータへ供給される圧油が流れるメータイン流路と、前記油圧アクチュエータから排出される圧油が流れるメータアウト流路と、前記メータアウト流路に設けられた可変絞りと、前記メータアウト流路を前記メータイン流路につなげる再生流路と、前記操作装置の操作量を検出する操作量検出器とを備えた建設機械の油圧制御装置において、前記メータアウト流路をタンクにつなげるタンク流路に設けた再生解除弁と、前記油圧アクチュエータのボトム側の圧力を検出する第１圧力センサ及び前記油圧アクチュエータのロッド側の圧力を検出する第２圧力センサと、前記第１圧力センサにより検出される前記油圧アクチュエータのボトム側の圧力と、前記第２圧力センサにより検出される前記油圧アクチュエータのロッド側の圧力とに基づいて前記油圧アクチュエータに加えられる負荷を算出し、この算出した負荷が、重力により前記油圧アクチュエータに加えられる前記油圧アクチュエータの伸長方向と同じ方向の負の負荷であるとき、前記メータアウト流路に設けられた前記可変絞りの開口面積を、前記負の負荷の大きさと前記操作量検出器により検出される操作量に応じて低減し、前記再生解除弁の開閉を前記負の負荷の検出の有無に応じて切り換えるコントローラとを備え、前記コントローラは、前記算出した負荷が前記負の負荷であるときに、前記負の負荷の絶対値の大きさ及び前記操作量検出器により検出される操作量に基づいて、前記可変絞りの開口面積を低減する制御を行なうとともに、前記再生解除弁を閉方向へ切換え、前記算出した負荷が前記負の負荷でないときは、前記可変絞りの開口面積の低減を行わないとともに、前記再生解除弁を開方向へ切換える制御を行なうことを特徴とする。

本発明によれば、油圧アクチュエータに作用する負の負荷の大きさと操作装置の操作量に応じてメータアウト絞りの開口面積を制御し、負の負荷の有無に応じて再生解除弁を制御するので、油圧アクチュエータに作用する負の負荷が変化しても操作性を悪化させることなく、かつ高い省エネルギ効果が得られる。

本発明の建設機械の油圧制御装置の第１の実施の形態を備えた油圧ショベルを示す側面図である。本発明の建設機械の油圧制御装置の第１の実施の形態において、アームシリンダに関する制御・油圧回路を示す概念図である。本発明の建設機械の油圧制御装置の第１の実施の形態を構成するコントローラの処理機能を示す機能ブロック図である。本発明の建設機械の油圧制御装置の第１の実施の形態において、アームを空中で地面に対して水平に近い角度から鉛直までクラウドした場合のアーム角度とアームシリンダに作用する負荷との関係を示す特性図である。本発明の建設機械の油圧制御装置の第１の実施の形態において、アームを空中で地面に対して水平に近い角度から鉛直までクラウドした場合のアーム角度とメータアウト絞り２３ａ及び再生解除弁５６の目標開口面積との関係を示す特性図である。本発明の建設機械の油圧制御装置の第１の実施の形態において、メータアウト絞り２３ａの開口面積特性を示す特性図である。本発明の建設機械の油圧制御装置の第２の実施の形態を構成するコントローラの処理機能を示す機能ブロック図である。再生解除弁５６の目標開口面積をアームシリンダ４の負荷の正負によって決定する場合における、アーム空中動作時のアームクラウドパイロット圧に対するアームシリンダロッド圧力とアームシリンダボトム圧力とポンプ吐出圧の関係を示す特性図である。本発明の建設機械の油圧制御装置の第２の実施の形態におけるアーム空中動作時のアームクラウドパイロット圧に対するアームシリンダロッド圧力とアームシリンダボトム圧力とポンプ吐出圧の関係を示す特性図である。

以下、建設機械として油圧ショベルを例にとって本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。

図１は本発明の建設機械の油圧制御装置の第１の実施の形態を備えた油圧ショベルを示す側面図である。
図１において、油圧ショベル３０１は左右一対の覆帯３０２ａ，３０２ｂを備えた下部走行体３０３と、下部走行体３０３の上部に旋回可能に設けた上部旋回体３０４と、一端が上部旋回体３０４に連結された多関節型のフロント機構３００とを備えている。

下部走行体３０３には、覆帯３０２ａ，３０２ｂを駆動させる走行油圧モータ３１８ａ，３１８ｂが搭載されている。上部旋回体３０４の前方左側には操作レバー（操作装置）３６（図２参照）が格納された運転室３０５が設置されている。上部旋回体３０４前方中央部にはフロント機構３００が取り付けられている。

フロント機構３００は、上部旋回体３０４の前方中央部に設けられたブームフート（図示せず）に上下揺動自在に取り付けられたブーム３１０と、ブーム３１０の先端に前後方向に揺動自在に取り付けられたアーム３１２と、アーム３１２の先端に上下回動自在に取り付けられた作業具（アタッチメント）であるバケット３１４を備えている。

また、フロント機構３００は、ブームフートとブーム３１０に連結され、ブーム３１０を上下方向に揺動させる油圧アクチュエータのブームシリンダ３１１と、ブーム３１０とアーム３１２とに連結され、アーム３１２を上下方向に揺動させる油圧アクチュエータのアームシリンダ４と、アーム３１２とバケット３１４とに連結され、バケット３１４を上下方向に回動させる油圧アクチュエータのバケットシリンダ３１５とを有している。

図２は、本発明の建設機械の油圧制御装置の第１の実施の形態のうち油圧ショベルのアームシリンダに関わる油圧回路部分を模式的に示す概略図である。図２において、本実施の形態に係る油圧制御装置は、原動機１と、この原動機１によって駆動される油圧ポンプ２と、油圧ポンプ２の吐出ライン３に接続され、アームシリンダ４に供給される圧油の流量および方向を制御するアーム用の制御弁３１を有する弁装置５と、アーム用の操作レバー装置であるパイロット弁６とを備えている。

油圧ポンプ２は可変容量型であり、押しのけ容積可変部材、例えば斜板２ａを有し、斜板２ａは油圧ポンプ２の吐出圧が高くなるにしたがって容量を減らすように馬力制御アクチュエータ２ｂにより制御される。

制御弁３１は、センタバイパス型であり、センタバイパス部２１がセンタバイパスライン３２上に位置している。センタバイパスライン３２は上流側を油圧ポンプ２の吐出ライン３に接続され、下流側をタンク３３に接続されている。また、制御弁３１はポンプポート３１ａおよびタンクポート３１ｂ，３１ｇとアクチュエータポート３１ｃ，３１ｄとを有し、ポンプポート３１ａはセンタバイパスライン３２の油圧ポンプ２側に接続され、アクチュエータポート３１ｃ，３１ｄはアクチュエータライン３５，３４を介してアームシリンダ４のボトム側４ａとロッド側４ｂに接続され、タンクポート３１ｂはタンクライン５４を介してタンク３３に接続され、タンクポート３１ｇはメータアウトライン５１に接続されている。メータアウトライン５１は、分岐して再生ライン５２を介してアクチュエータライン３５に接続されているとともに、タンクライン５３を介してタンク３３に接続されている。再生ライン５２には、アクチュエータライン３５からタンクライン５３への圧油の逆流を防止するチェック弁５５が設けられている。

パイロット弁６は、操作レバー３６と、一対の減圧弁（図示せず）を内蔵したパイロット圧発生部３７とを有し、パイロット圧発生部３７はパイロットライン３８，３９を介して制御弁３１のパイロット圧受圧部３１ｅ，３１ｆに接続されている。操作レバー３６が操作されると指令パイロット圧発生部３７はその操作方向に応じて一対の減圧弁の一方を作動させ、その操作量に応じたパイロット圧をパイロットライン３８，３９の一方に出力する。

制御弁３１は、中立位置Ａと切換位置Ｂ，Ｃを有し、パイロットライン３８より受圧部３１ｅにパイロット圧が与えられると、図示左側の位置Ｂに切り換えられ、アクチュエータライン３５がメータイン側に、アクチュエータライン３４がメータアウト側となり、アームシリンダ４のボトム側４ａに圧油が供給されて、アームシリンダ４が伸長する。

一方、パイロットライン３９より受圧部３１ｆにパイロット圧が与えられると、図示右側の位置Ｃに切り換えられ、アクチュエータライン３４がメータイン側に、アクチュエータライン３５がメータアウト側となり、アームシリンダ４のロッド側４ｂに圧油が供給されて、アームシリンダ４が収縮する。アームシリンダ４の伸長はアームを引き込む動作すなわちクラウド動作に対応し、アームシリンダ４の収縮はアームを押し出す動作すなわちダンプ動作に対応する。

また、制御弁３１は、メータイン絞り２２ａ，２２ｂおよびメータアウト絞り２３ａ，２３ｂを有し、制御弁３１が位置Ｂにあるときはメータイン絞り２２ａによりアームシリンダ４に供給される圧油の流量を制御し、メータアウト絞り２３ａによりアームシリンダ４からの戻り油の流量を制御する。一方、制御弁３１が位置Ｃにあるときはメータイン絞り２２ｂによりアームシリンダ４に供給される圧油の流量を制御し、メータアウト絞り２３ｂによりアームシリンダ４からの戻り油の流量を制御する。

図６は本発明の建設機械の油圧制御装置の第１の実施の形態において、メータアウト絞り２３ａの開口面積特性を示す特性図である。図６において、横軸はアームクラウドパイロット圧を示し、縦軸はメータアウト絞り開口面積を示す。実線で示す特性線Ａが本実施の形態における開口面積特性を示し、破線で示す特性線Ｂが重いアタッチメントを装着した状態を想定して調整された場合の一般的な開口面積特性を示す。本実施の形態における開口面積特性は、アームクラウドパイロット圧に対して一般的な開口面積特性よりも、大きくなるように設定されている。

図２に戻り、本実施の形態の油圧制御装置は、その特徴的構成として、アームシリンダ４のボトム側の圧力を検出する圧力センサ４１と、ロッド側の圧力を検出する圧力センサ４２と、パイロット弁６より出力されるアームクラウドパイロット圧を検出する圧力センサ４３と、パイロットライン３８に配置されるメータアウト制御電磁比例弁としての電磁比例弁４４と、タンクライン５３に配置される再生解除弁５６と、パイロットライン５８に配置される再生制御電磁比例弁としての電磁比例弁５７と、パイロットライン５８に接続され電磁比例弁５７にパイロット圧油を供給するパイロット油圧源５９と、圧力センサ４１、圧力センサ４２および圧力センサ４３の検出信号を入力し、所定の演算処理を行い、電磁比例弁４４と電磁比例弁５７に指令電流を出力するコントローラ４５を有している。

再生解除弁５６は２ポート２位置弁であって、弁体の一端に閉方向作動のばね５６ａを設け、弁体の他端に開方向作動の受圧部５６ｂを設けている。受圧部５６ｂはパイロットライン５８を介して電磁比例弁５７に接続されている。

以上において、パイロット弁６は、制御弁３１のスプールの位置を操作量及び操作方向に応じて制御する操作装置を構成し、制御弁３１内のメータイン絞り２２ａが位置する流路とアクチュエータライン３５は、重力によりアームシリンダ４に加えられる負荷が負の負荷であるときに、油圧ポンプ２からアームシリンダ４へ供給される圧油が流れるメータイン流路を構成し、制御弁３１内のメータアウト絞り２３ａが位置する流路とアクチュエータライン３４とメータアウトライン５１は、重力によりアームシリンダ４に加えられる負荷が負の負荷であるときに、アームシリンダ４から排出される圧油が流れるメータアウト流路を構成し、制御弁３１内のメータアウト絞り２３ａは、メータアウト流路に設けられた可変絞りを構成し、再生ライン５２は、メータアウト流路をメータイン流路につなげる再生流路を構成し、タンクライン５３はメータアウト流路をタンクにつなげるタンク流路を構成し、再生解除弁５６はそのタンク流路に設けられている。また、圧力センサ４１，４２は、重力によりアームシリンダ４に加えられる負の負荷の大きさを検出する負荷検出器を構成し、圧力センサ４３は操作レバー３６の操作量を検出する操作量検出器を構成している。

次に、本実施の形態におけるコントローラの処理内容を図３を用いて説明する。図３は本発明の建設機械の油圧制御装置の第１の実施の形態を構成するコントローラの処理機能を示す機能ブロック図である。

コントローラ４５は、アームシリンダ負荷演算部４５ａと、メータアウト開口演算部４５ｂと、再生解除弁開口演算部４５ｃと、制御弁用ソレノイド電流演算部４５ｄと、再生解除弁用ソレノイド電流演算部４５ｅとを備えている。

アームシリンダ負荷演算部４５ａは、圧力センサ４１が検出したアームシリンダ４のボトム側の圧力信号と、圧力センサ４２が検出したアームシリンダ４のロッド側の圧力信号とを入力し、ボトム側の圧力信号とボトム側の受圧面積の積からロッド側の圧力信号とロッド側の受圧面積の積を減算して、アームシリンダ４の負荷（アームシリンダ推力）を演算する。算出したアームシリンダ４の負荷（アームシリンダ推力）信号は、メータアウト開口演算部４５ｂと再生解除弁開口演算部４５ｃとへ出力される。

メータアウト開口演算部４５ｂは、圧力センサ４３が検出したアームクラウドパイロット圧力信号と、アームシリンダ負荷演算部４５ａで算出されたアームシリンダ４の負荷（アームシリンダ推力）とを入力し、メータアウト開口演算部４５ｂ中に示したテーブルを用いてアームシリンダ４の負荷とアームクラウドパイロット圧とに応じたメータアウト絞り２３ａの目標開口面積を算出する。

再生解除弁開口演算部４５ｃは、アームシリンダ負荷演算部４５ａで算出されたアームシリンダ４の負荷（アームシリンダ推力）を入力し、再生解除弁開口演算部４５ｃ中に示したテーブルを用いてアームシリンダ４の負荷に応じた再生解除弁の目標開口面積を算出する。

制御弁用ソレノイド電流演算部４５ｄは、メータアウト開口演算部４５ｂで算出されたメータアウト絞り２３ａの目標開口面積を入力し、入力値に応じたソレノイド電流値を算出し、電磁比例弁４４へ出力する。

再生解除弁用ソレノイド電流演算部４５ｅは、再生解除弁開口演算部４５ｃで算出された再生解除弁の目標開口面積を入力し、入力値に応じたソレノイド電流値を算出し、電磁比例弁５７へ出力する。

アームシリンダ負荷演算部４５ａは、アームシリンダ４が伸長するとき、掘削作業等による負荷、すなわちアームシリンダ４の伸長方向と逆方向の負荷が作用すると、アームシリンダ４の負荷を正の負荷として演算し、アームとアタッチメントの重量による負荷、すなわちアームシリンダ４の伸長方向と同じ方向の負荷が作用すると、アームシリンダ４の負荷を負の負荷として演算する。

メータアウト開口演算部４５ｂのテーブルは、アームシリンダ４の負荷（アームシリンダ推力）が正のときは、負荷の大きさによらずメータアウト絞り２３ａの目標開口面積を最大値として、負荷が負のときは、負の負荷の絶対値が大きくなるにしたがってメータアウト絞り２３ａの目標開口面積を最小値まで減少させるように設定されている。このメータアウト絞り２３ａの目標開口面積特性はアームクラウドパイロット圧によって、その最大値と最小値を変化させている。具体的には、アームクラウドパイロット圧が高くなるほど最大値、最小値共に増加させるように設定されている。

再生解除弁開口演算部４５ｃのテーブルは、アームシリンダ４の負荷（アームシリンダ推力）が正のときは、負荷の大きさによらず再生解除弁５６の目標開口面積信号を最大値として、負荷が負のときは、負荷の大きさによらず再生解除弁５６の目標開口面積信号を最小値（本実施の形態の場合はゼロ）とするように設定されている。

すなわち、コントローラ４５は、メータアウト流路に設けられたメータアウト絞り２３ａの開口面積を、圧力センサ４１，４２により検出される負の負荷の大きさと圧力センサ４３により検出される操作量に応じて低減し、再生解除弁５６の開閉を負の負荷の検出の有無に応じて切り換える。

また、メータアウト開口演算部４５ｂと再生解除弁開口演算部４５ｃとは、圧力センサ４１，４２により負の負荷が検出されるときに、負の負荷の絶対値が大きくなるに従って、メータアウト絞り２３ａの開口面積を低減させる低減特性を有し、低減特性を圧力センサ４３により検出される操作量に応じて変化させるとともに、再生解除弁５６を閉方向へ切換え、圧力センサ４１，４２により負の負荷が検出されないときは、メータアウト絞り２３ａの開口面積の低減を行わないとともに、再生解除弁５６を開方向へ切換える。

次に、本発明の建設機械の油圧制御装置の第１の実施の形態の動作を図４及び図５を用いて説明する。図４は本発明の建設機械の油圧制御装置の第１の実施の形態において、アームを空中で地面に対して水平に近い角度から鉛直までクラウドした場合のアーム角度とアームシリンダに作用する負荷との関係を示す特性図、図５は本発明の建設機械の油圧制御装置の第１の実施の形態において、アームを空中で地面に対して水平に近い角度から鉛直までクラウドした場合のアーム角度とメータアウト絞り２３ａ及び再生解除弁５６の目標開口面積との関係を示す特性図である。

図４の横軸に示すアーム角度とは、水平面に対するアーム３１２の角度であって、アーム３１２が空中で地面に対して水平に保持された状態を０度とし、この状態から鉛直までクラウドした状態を９０度とする。図４において、実線で示す特性Ａは、標準バケットを装着した場合のアームシリンダ４の負荷を示し、破線で示す特性Ｂは、標準バケットより重いアタッチメントを装着した場合のアームシリンダ４の負荷を示す。いずれの場合も、アーム角度が水平に近い角度では、アーム３１２とアタッチメントの重量によってアームシリンダ４の負荷は負の負荷となるが、アームの角度が鉛直に近づくにつれて負の負荷の絶対値は減少し、鉛直付近で正の負荷となる。

このときのアーム角度とコントローラ４５において演算されるメータアウト絞り２３ａの目標開口面積と再生解除弁５６の目標開口面積との関係を図５に示す。図５において、実線で示す特性Ａは、標準バケットを装着した場合のメータアウト絞り２３ａの目標開口面積を示し、短破線で示す特性Ｂは、標準バケットより重いアタッチメントを装着した場合のメータアウト絞り２３ａの目標開口面積を示、長破線で示す特性Ｃは、再生解除弁５６の目標開口面積を示す。

図５においてメータアウト絞り２３ａの目標開口面積は、標準バケットを装着した場合、アーム角度が水平に近い角度では、ある中間値に絞られているが、アームの角度が鉛直に近づくにつれて増加し、最大値になる。これに対して、標準バケットより重いアタッチメントを装着した場合は、アームが水平に近い角度では、最小値に絞られているが、アームの角度が鉛直に近づくにつれて増加し、最大値になる。これにより、アームシリンダ４に作用する負の負荷の大きさが変化する際の息継ぎ現象を防止しながら、メータアウト圧力損失を低減することができる。

図３及び図５に示すように、再生解除弁５６の目標開口面積は、アームシリンダ４の負荷の大きさによらず、負荷の正負によって決定されるので、アタッチメントの重量がいずれの場合も、正の負荷が作用するときの目標開口面積は最大値となり、負の負荷が作用するときの目標開口面積はゼロとなる。

これにより、アームシリンダ４に正の負荷が作用するときは、アームシリンダ４からの戻り油がタンクライン５３を介してタンク３３へ全て排出されるので、アームシリンダ４が発生する推力が減じられることがない。一方、アームシリンダ４に負の負荷が作用するときは、アームシリンダ４のロッド側からの戻り油が再生ライン５２を介してボトム側へ全て再供給されるので、油圧ポンプ２からアームシリンダ４に供給される圧油の流量を削減する事ができる。

このように、アームシリンダ４に作用する負の負荷の大きさに応じてメータアウト絞り２３ａの開口面積を変化させることで、負の負荷が作用するときの息継ぎ現象を防止しながらメータアウト圧損を低減できると共に、負荷の正負に応じて再生解除弁５６の開閉を切り換えることで、負の負荷が作用するときに油圧ポンプ２からアームシリンダ４に供給される圧油の流量を削減できる。このことにより、高い省エネルギ効果を得ることができる。

上述した本発明の建設機械の油圧制御装置の第１の実施の形態によれば、油圧アクチュエータに作用する負の負荷の大きさと操作装置の操作量に応じてメータアウト絞りの開口面積を制御し、負の負荷の有無に応じて再生解除弁を制御するので、油圧アクチュエータに作用する負の負荷が変化しても操作性を悪化させることなく、かつ高い省エネルギ効果が得られる。

以下、本発明の建設機械の油圧制御装置の第２の実施の形態を図面を用いて説明する。図７は本発明の建設機械の油圧制御装置の第２の実施の形態を構成するコントローラの処理機能を示す機能ブロック図、図８Ａは再生解除弁５６の目標開口面積をアームシリンダ４の負荷の正負によって決定する場合における、アーム空中動作時のアームクラウドパイロット圧に対するアームシリンダロッド圧力とアームシリンダボトム圧力とポンプ吐出圧の関係を示す特性図、図８Ｂは本発明の建設機械の油圧制御装置の第２の実施の形態におけるアーム空中動作時のアームクラウドパイロット圧に対するアームシリンダロッド圧力とアームシリンダボトム圧力とポンプ吐出圧の関係を示す特性図である。図７乃至図８Ｂにおいて、図１乃至図６に示す符号と同符号のものは同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。

本発明の建設機械の油圧制御装置の第２の実施の形態において、制御・油圧回路の概略システムは、第１の実施の形態と大略同じであるが、コントローラの処理機能において、アームクラウドパイロット圧がパイロット圧閾値より小さい場合（微小速度域）には、アームシリンダ４の負荷の正負に関わらず、再生解除弁５６の目標開口面積を最大値とする制御回路を設けた点が異なる。

まず、このような制御回路を設ける必要性について図８Ａを用いて説明する。図８Ａは、再生解除弁５６の目標開口面積をアームシリンダ４の負荷の正負によって決定する場合における、アーム空中動作時のアームクラウドパイロット圧に対するアームシリンダロッド圧力とアームシリンダボトム圧力とポンプ吐出圧の関係を示す特性図である。

図８Ａにおいて、横軸はアームクラウドパイロット圧力を示し、Ｐ１はパイロット圧閾値を示し、アームクラウドパイロット圧力が閾値Ｐ１未満を微小速度域（以下、微速域という）として、閾値Ｐ１以上を中乃至高速度域（以下中乃至高速域という）とする。また、実線で示す特性Ａはアームシリンダ４のロッド圧を、短破線で示す特性Ｂはアームシリンダ４のボトム圧を、長破線で示す特性Ｃは油圧ポンプ２の吐出圧を各々示している。

図８Ａにおいて、アームシリンダ４のロッド圧Ａとボトム圧Ｂは、アームシリンダ４に作用する負の負荷を保持するのに必要な圧力で決まる。また、アームシリンダ４のロッド圧とボトム圧との差圧ΔＰは、メータアウト絞り２３ａや再生ライン５２を圧油が通過する際の圧力損失の合計値（以下、再生圧損という）と等しくなるように決まる。また、ポンプ吐出圧Ｃは、アームシリンダ４のボトム圧Ｂにメータイン絞り２２ａを圧油が通過する際の圧力損失を加えた値となる。

ここで、アームクラウドパイロット圧が低い領域、すなわち微速域では、図２に示すメータアウト絞り２３ａの開口面積が小さいことから、再生圧損が高くなる。このことにより、アームシリンダ４のロッド圧Ａとボトム圧Ｂとポンプ吐出圧Ｃは、中乃至高速域におけるアームシリンダ４のロッド圧Ａとボトム圧Ｂとポンプ吐出圧Ｃより高くなる。この結果、油圧ポンプ２の吐出圧が上昇するので、油圧ポンプ２から供給される圧油の流量削減による省エネルギ効果を減殺してしまうという課題が生じる。

図８Ｂは、本発明の建設機械の油圧制御装置の第２の実施の形態におけるアーム空中動作時のアームクラウドパイロット圧に対するアームシリンダロッド圧力とアームシリンダボトム圧力とポンプ吐出圧の関係を示す特性図である。図８Ｂにおいて、図８Ａに示す符号と同符号のものは同一部分である。図８Ｂは、微速域ではアームシリンダ４の負荷の正負に関わらず、再生解除弁５６の目標開口面積を最大値とする制御回路を設けた場合のアーム空中動作時のアームクラウドパイロット圧に対するアームシリンダロッド圧力とアームシリンダボトム圧力とポンプ吐出圧の関係を示している。

図８Ｂでは、微速域では圧油の再生が行われないため、アームシリンダ４のロッド圧Ａとボトム圧Ｂは、アームシリンダ４に作用する負の負荷を保持するのに必要な圧力で決まり、アームシリンダ４のロッド圧Ａとボトム圧Ｂとポンプ吐出圧Ｃは、中乃至高速域におけるアームシリンダ４のロッド圧Ａとボトム圧Ｂとポンプ吐出圧Ｃよりも高くなることは無い。

次に、本実施の形態におけるコントローラの処理内容を図７を用いて説明する。図７に示すコントローラ４５は、第１の実施の形態におけるアームシリンダ負荷演算部４５ａと、メータアウト開口演算部４５ｂと、再生解除弁開口演算部４５ｃと、制御弁用ソレノイド電流演算部４５ｄと、再生解除弁用ソレノイド電流演算部４５ｅとに加えて、大小比較部４５ｆと、パイロット圧閾値４５ｇと、開口面積最大値出力部４５ｈと、最大値選択部４５ｉとを備えている。

大小比較部４５ｆは、アームクラウドパイロット圧信号とパイロット閾値４５ｇからの閾値信号とを入力し、これらを比較してアームクラウドパイロット圧信号が閾値信号未満のときに信号１を開口面積最大値出力部４５ｈへ出力する。

パイロット圧閾値４５ｇにおける閾値信号は、上述した図８Ａと図８Ｂにおけるアームクラウドパイロット圧のＰ１に相当し、アームクラウドパイロット圧がＰ１未満を微速域として、Ｐ１以上を中乃至高速域とするものである。

開口面積最大値出力部４５ｈは、大小比較部４５ｆからの信号１が入力される場合に再生解除弁５６の目標開口面積の最大値信号を最大値選択部４５ｉへ出力し、大小比較部４５ｆからの信号１が入力されない場合にはゼロ信号を最大値選択部４５ｉへ出力する。

最大値選択部４５ｉは、再生解除弁開口演算部４５ｃと開口面積最大値出力部４５ｈからそれぞれ入力される再生解除弁５６の目標開口面積信号を比較し、いずれか最大値を選択して、再生解除弁用ソレノイド電流演算部４５ｅへ出力する。

本実施の形態において、再生解除弁５６の目標開口面積は、アームクラウドパイロット圧がパイロット圧閾値Ｐ１以下（微速域）の場合、アームシリンダ４に作用する負荷の正負や大きさによらず常に最大値となる。このことにより、図６における第１の実施の形態におけるメータアウト絞り開口面積特性Ａと一般的な開口面積特性Ｂとの差が小さいパイロット圧の範囲（微速域）では圧油の再生を行わず、開口面積特性の差が大きいパイロット圧の範囲（中乃至高速域）、すなわち高い省エネルギ効果が得られるパイロット圧の範囲においてのみ圧油の再生を行うことができる。

上述した本発明の建設機械の油圧制御装置の第２の実施の形態によれば、上述した第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

また、上述した本発明の建設機械の油圧制御装置の第２の実施の形態によれば、省エネルギ効果が減殺される微速域では、圧油の再生を行わず、高い省エネルギ効果が得られる中乃至高速域で圧油の再生が行われるので、より高い省エネルギ効果が得られる。

なお、上述した実施の形態は、本発明を油圧ショベルのアームシリンダの弁装置に適用した場合を例に説明したが、これに限るものではない。例えば、油圧ショベルのバケットクラウド操作においても、同様の問題があり、本発明をバケットシリンダの弁装置に適用しても良い。この場合、例えば、図２に示す油圧回路でアームシリンダ４をバケットシリンダに、アーム用の制御弁３１をバケット用の制御弁に、アーム用のパイロット弁６をバケット用のパイロット弁にそれぞれ置き換えれば良い。

また、上述した実施の形態は、メータアウト絞り２３ａを制御弁３１内に設けた場合を例に説明したが、これに限るものではない。例えば、制御弁３１内ではなくメータアウトライン５１に可変絞りを設けて、他の電磁比例弁で制御しても良い。

また、本発明は、油圧アクチュエータに大小様々な負の負荷が作用するものであれば、油圧ショベルのアームシリンダやバケットシリンダ以外の油圧アクチュエータ、あるいは油圧ショベル以外の建設機械、例えば、ホイールローダ、クレーン等の油圧アクチュエータの弁装置にも同様に適用可能である。

１：原動機、２：油圧ポンプ、２ａ：押しのけ容積可変部材（斜板）、２ｂ：馬力制御アクチュエータ、３：吐出ライン、４：アームシリンダ、５：弁装置、６：パイロット弁、２１：センタバイパス部、２２ａ：メータイン絞り、２２ｂ：メータイン絞り、２３ａ：メータアウト絞り、２３ｂ：メータアウト絞り、３１：制御弁、３１ｅ，ｆ：受圧部、３２：センタバイパスライン、３３：タンク、３４，３５：アクチュエータライン、３６：操作レバー、３７：パイロット圧発生部、３８，３９：パイロットライン、４１：圧力センサ、４２：圧力センサ、４３：圧力センサ、４４：電磁比例弁（メータアウト制御電磁比例弁）、４５：コントローラ、５１：メータアウトライン、５２：再生ライン、５３，５４：タンクライン、５５：チェック弁、５６：再生解除弁、５７：電磁比例弁（再生制御電磁比例弁）、５８：パイロットライン、５９：パイロット油圧源

Claims

油圧ポンプから吐出される圧油により駆動される油圧アクチュエータと、
前記油圧アクチュエータに対する圧油の給排をスプールの位置に応じて制御する制御弁と、
前記スプールの位置を操作量及び操作方向に応じて制御する操作装置と、
前記油圧ポンプから前記油圧アクチュエータへ供給される圧油が流れるメータイン流路と、
前記油圧アクチュエータから排出される圧油が流れるメータアウト流路と、
前記メータアウト流路に設けられた可変絞りと、
前記メータアウト流路を前記メータイン流路につなげる再生流路と、
前記操作装置の操作量を検出する操作量検出器とを備えた建設機械の油圧制御装置において、
前記メータアウト流路をタンクにつなげるタンク流路に設けた再生解除弁と、
前記油圧アクチュエータのボトム側の圧力を検出する第１圧力センサ及び前記油圧アクチュエータのロッド側の圧力を検出する第２圧力センサと、
前記第１圧力センサにより検出される前記油圧アクチュエータのボトム側の圧力と、前記第２圧力センサにより検出される前記油圧アクチュエータのロッド側の圧力とに基づいて前記油圧アクチュエータに加えられる負荷を算出し、この算出した負荷が、重力により前記油圧アクチュエータに加えられる前記油圧アクチュエータの伸長方向と同じ方向の負の負荷であるとき、前記メータアウト流路に設けられた前記可変絞りの開口面積を、前記負の負荷の大きさと前記操作量検出器により検出される操作量に応じて低減し、前記再生解除弁の開閉を前記負の負荷の検出の有無に応じて切り換えるコントローラとを備え、
前記コントローラは、前記算出した負荷が前記負の負荷であるときに、前記負の負荷の絶対値の大きさ及び前記操作量検出器により検出される操作量に基づいて、前記可変絞りの開口面積を低減する制御を行なうとともに、前記再生解除弁を閉方向へ切換え、
前記算出した負荷が前記負の負荷でないときは、前記可変絞りの開口面積の低減を行わないとともに、前記再生解除弁を開方向へ切換える制御を行なう
ことを特徴とする建設機械の油圧制御装置。
請求項１に記載の建設機械の油圧制御装置において、
前記コントローラは、前記操作量検出器により検出される操作量が予め設定された閾値以上の場合にのみ、前記負の負荷の算出の有無により、前記再生解除弁の開閉を切り換える
ことを特徴とする建設機械の油圧制御装置。
請求項１に記載の建設機械の油圧制御装置において、
前記制御弁は前記スプールの両端部に受圧部を有し、
前記再生解除弁は開方向作動側の端部に受圧部を有し、
前記操作装置から出力される操作指令信号としての指令パイロット圧力を一次圧として前記制御弁の受圧部に信号圧力を出力するメータアウト制御電磁比例弁と、
前記再生解除弁の受圧部に信号圧力を出力する再生制御電磁比例弁と、を更に備え、
前記コントローラは、
前記第１圧力センサ、第２圧力センサ及び前記操作量検出器の検出信号を入力し、所定の演算処理を行い、前記メータアウト制御電磁比例弁及び前記再生制御電磁比例弁に指令電流を出力することで、前記メータアウト制御電磁比例弁及び前記再生制御電磁比例弁を駆動し、前記制御弁及び前記再生解除弁の受圧部に前記信号圧力をそれぞれ導く制御を行なう
ことを特徴とする建設機械の油圧制御装置。
請求項１に記載の建設機械の油圧制御装置において、
前記油圧アクチュエータは、油圧ショベルのアームを駆動するアームシリンダ、あるいはバケットを駆動するバケットシリンダである
ことを特徴とする建設機械の油圧制御装置。