JP6792380B2 - 建設機械の油圧駆動システム - Google Patents

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Description

本発明は、建設機械の油圧駆動システムに関する。
油圧ショベルや油圧クレーンのような建設機械では、油圧駆動システムによって各種の動作が実行される。例えば、特許文献１には、図５に示すような油圧ショベルの油圧駆動システム１００が開示されている。
この油圧駆動システム１００では、油圧アクチュエータ１１０用の制御弁１２０の一方のパイロットポート１２１をパイロット操作弁１４０と接続するパイロットライン１３０に、電磁比例減圧弁１３１が設けられている。また、パイロットライン１３０には、電磁比例減圧弁１３１とパイロット操作弁１４０の間にチェック弁１３２が設けられている。
油圧駆動システム１００は、パイロット操作弁１４０の操作レバーが急激に中立位置へ戻されたときの油圧アクチュエータ１１０の停止ショックを抑制できるように構成されている。具体的には、電磁比例減圧弁１３１が、パイロット操作弁１４０の操作レバーが急激に中立位置へ戻されてから無駄時間が経過するまでは制御弁１２０のパイロットポート１２１の圧力を保持し、その後にパイロットポート１２１の圧力が徐々に低下するように制御される。
特開平８−８５９７４号公報
しかしながら、特許文献１に開示されているように電磁比例減圧弁１３１が制御された場合には、操作レバーを中立位置へ戻してから無駄時間が経過するまでは油圧アクチュエータの作動速度が維持される。従って、油圧アクチュエータの停止時の応答性が悪い。
そこで、本発明は、油圧アクチュエータの停止時の応答性に優れ、かつ、油圧アクチュエータの停止ショックを抑制できる建設機械の油圧駆動システムを提供することを目的とする。
前記課題を解決するために、本発明の建設機械の油圧駆動システムは、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作動油の供給および排出を制御する、一対のパイロットポートを有する制御弁と、一対のパイロットラインにより前記一対のパイロットポートと接続された、操作レバーを含むパイロット操作弁と、前記一対のパイロットラインの少なくとも一方に設けられた、一次圧ポート、二次圧ポートおよびタンクポートを有する電磁比例減圧弁と、前記操作レバーの傾倒角に応じた操作量信号を出力する操作検出器と、前記操作検出器から出力される操作量信号の単位時間当たりの変化量が閾値以上に低下した直後から、前記二次圧ポートと前記タンクポートとの連通によって前記制御弁のパイロットポートの圧力が徐々にゼロまで低下するように、前記電磁比例減圧弁を制御する制御装置と、を備える、ことを特徴とする。
上記の構成によれば、操作検出器から出力される操作量信号の単位時間当たりの変化量が閾値以上に低下したとき、換言すればパイロット操作弁の操作レバーが急激に中立位置へ向かう方向に戻されたときには制御弁のパイロットポートの圧力が徐々にゼロまで低下するので、油圧アクチュエータの停止ショックを抑制することができる。しかも、制御弁のパイロットポートの圧力が徐々に低下するように電磁比例減圧弁が制御されるのは、パイロット操作弁の操作レバーが急激に中立位置へ向かう方向に戻された直後からであるので、応答性良く油圧アクチュエータを停止することができる。さらには、パイロット操作弁の操作レバーが急激に中立位置へ向かう方向に戻されたときは、電磁比例減圧弁が制御装置により、二次圧ポートが一次圧ポートではなくタンクポートと連通するように制御されるので、減圧弁の逆流時のリリーフ動作(二次側の圧力を維持する動作)を利用して、制御弁のパイロットポートから排出される作動油を、適度に長く保持できると共に、パイロット操作弁を介さずにスムーズにタンクへ戻すことができる。
前記制御装置は、前記操作検出器から出力される操作量信号の単位時間当たりの変化量が前記閾値以上に低下した直後に前記電磁比例減圧弁へ送給する指令電流を所定値まで変更して前記二次圧ポートを前記タンクポートと連通させ、その後に前記電磁比例減圧弁へ送給する指令電流を徐々に増加または減少させてもよい。この構成によれば、制御弁のパイロットポートの圧力が低下するのに応じて電磁比例減圧弁の二次圧ポートとタンクポートとが連通すると共に、その連通の開口度合を小さく保つことができる。従って、パイロットポートの圧力を滑らかにゼロまで低下させることができる。
上記の油圧駆動システムは、作動油の温度を検出する温度センサをさらに備え、前記制御装置は、前記温度センサで検出される作動油の温度が低いほど、指令電流を前記所定値から徐々に増加または減少させる速度を大きくしてもよい。作動油の温度が低い場合には、作動油の粘性が高くなるために油圧アクチュエータの停止ショックが発生し難い。従って、作動油の温度が低いほど指令電流の増加速度または減少速度を大きくすれば、作動油の温度が低い場合の停止時の応答性を速めることができる。
前記パイロット操作弁と前記電磁比例減圧弁との間で前記パイロットラインにチェック弁が設けられていなくてもよい。この構成によれば、チェック弁の分だけコストを低減することができる。
前記電磁比例減圧弁は、二次圧と指令電流とが負の相関を示す逆比例型であり、前記制御装置は、前記操作検出器から出力される操作量信号の単位時間当たりの変化量が前記閾値以上に低下した直後から所定時間経過するまでの期間以外は、前記電磁比例減圧弁へ送給する指令電流をゼロとしてもよい。この構成によれば、電気系統の不具合（例えば、ケーブルの断線）が生じた場合にも、制御弁を通常通り動作させることができ、フェールセーフを実現できる。
本発明によれば、油圧アクチュエータの停止時の応答性に優れ、かつ、油圧アクチュエータの停止ショックを抑制できる建設機械の油圧駆動システムが提供される。
本発明の一実施形態に係る建設機械の油圧駆動システムの概略構成図である。 電磁比例減圧弁の断面図である。 電磁比例減圧弁のスプール位置と開口面積（ポート間の連通度合）を示すグラフである。 （ａ）〜（ｃ）は、それぞれパイロット操作弁の操作レバーが急激に中立位置へ向かう方向に戻されたときのパイロット操作弁から出力されるパイロット圧、電磁比例減圧弁への指令電流、パイロットポートの圧力の経時的変化を示すグラフである。 従来の油圧ショベルの油圧駆動システムの概略構成図である。
図１に、本発明の一実施形態に係る建設機械の油圧駆動システム１を示す。この油圧駆動システム１は、可変容量型の主ポンプ２１と、主ポンプ２１から制御弁４を介して作動油が供給される油圧アクチュエータ３を含む。ただし、主ポンプ２１は、固定容量型であってもよい。
例えば、建設機械が自走式の油圧ショベルである場合、油圧アクチュエータ３は、ブームシリンダ、アームシリンダ、バケットシリンダ、旋回モータ、走行モータのいずれであってもよい。
制御弁４は、供給ライン２２により主ポンプ２１と接続されているとともに、タンクライン２３によりタンクと接続されている。また、制御弁４は、一対の給排ライン３ａ，３ｂにより油圧アクチュエータ３と接続されている。制御弁４は、油圧アクチュエータ３に対する作動油の供給および排出を制御する。
制御弁４は、一対のパイロットポート４１，４２を有する。これらのパイロットポート４１，４２は、一対のパイロットラインである第１パイロットライン５１および第２パイロットライン５２によりパイロット操作弁６と接続されている。
パイロット操作弁６は、一次圧ライン２５により副ポンプ２４と接続されているとともに、タンクライン２６によりタンクと接続されている。パイロット操作弁６は、操作レバーを含み、操作レバーの傾倒角に応じたパイロット圧を出力する。
本実施形態では、第１パイロットライン５１に電磁比例減圧弁７が設けられている。つまり、第１パイロットライン５１は、パイロット操作弁６と電磁比例減圧弁７の間の第１流路５１ａと、電磁比例減圧弁７と制御弁４のパイロットポート４１の間の第２流路５１ｂを含む。ただし、電磁比例減圧弁７は、第１パイロットライン５１だけでなく第２パイロットライン５２にも設けられてもよい。あるいは、電磁比例減圧弁７は、第２パイロットライン５２のみに設けられてもよい。
また、本実施形態では、パイロット操作弁６と電磁比例減圧弁７との間で第１パイロットライン５１（つまり、第１パイロットライン５１の第１流路５１ａ）にチェック弁が設けられていない。
電磁比例減圧弁７は、一次圧ポートＰ、二次圧ポートＡおよびタンクポートＴを有する。具体的に、電磁比例減圧弁７は、図２に示すように、一次圧ポートＰ、二次圧ポートＡおよびタンクポートＴが形成されたハウジング７１と、ハウジング７１内に配置されたスリーブ７２と、スリーブ７２内に配置されたスプール７３を含む。スリーブ７２には、一次圧ポートＰ、二次圧ポートＡおよびタンクポートＴに対応する位置に、複数の貫通穴が形成されている。さらに、ハウジング７１には、スプール７３を押圧するためのソレノイド７５が取り付けられている。タンクポートＴは、二次圧ポートＡから見てソレノイド７５側に位置しており、一次圧ポートＰは、二次圧ポートＡから見てソレノイド７５と反対側に位置している。
スプール７３は、スプリング７４によってソレノイド７５に向かって付勢されている。スプール７３には、二次圧ポートＡと一次圧ポートＰの間の第１環状流路（スプール７３とスリーブ７２の間の隙間）を開閉する第１ランド７３ａと、二次圧ポートＡとタンクポートＴの間の第２環状流路（スプール７３とスリーブ７２の間の隙間）を開閉する第２ランド７３ｂが形成されている。なお、スプール７３の外周面には、各環状流路に面する位置（本実施形態では、図２に示すようにランド７３ａ，７３ｂの片側面）に、開口が急に大きくなることを防止するためのノッチが形成されている。第１ランド７３ａの外径は、第２ランド７３ｂの外径よりも大きい。スプール７３の位置によって、二次圧ポートＡは、一次圧ポートＰとタンクポートＴの双方から遮断されたり、一次圧ポートＰとタンクポートＴのどちらかと連通したりする。
本実施形態では、電磁比例減圧弁７が、当該電磁比例減圧弁７が出力する二次圧と指令電流とが負の相関を示す逆比例型である。ソレノイド７５へ送給される指令電流がゼロのときは、電磁比例減圧弁７は、通常の減圧弁として機能する。具体的に、一次圧ポートＰの圧力がゼロのときは、スプリング７４によってスプール７３が最後退位置に維持される。これにより、二次圧ポートＡが一次圧ポートＰと連通するとともに、第２ランド７３ｂにより二次圧ポートＡがタンクポートＴから遮断される。一次圧ポートＰの圧力が上昇して、一次圧ポートＰに連通している二次圧ポートＡの圧力が上昇すると、スプール７３が、二次圧ポートＡの圧力がスプール７３の受圧部（図２の第１ランド７３ａと第２ランド７３ｂの面積差）に作用する油圧力によって押圧され、最後退位置から調圧位置（図３のＰ−ＡとＡ−Ｔの開口がゼロ付近）に進出する。
一方、ソレノイド７５へ送給される指令電流が徐々に増加されると、スプリング７４に対抗するように、ソレノイド７５の推力が作用し、等価的にスプリング７４の力が低下したように、スプール７３に作用する。これにより、スプール７３が調圧位置において、図３に示すように、第１ランド７３ａとスリーブ７２間の開口面積（つまり、二次圧ポートＡと一次圧ポートＰの連通度合）が徐々に小さくなり、かつ、第２ランド７３ｂとスリーブ７２間の開口面積（つまり、二次圧ポートＡとタンクポートＴの連通度合）が徐々に大きくなることによって、等価スプリング力（スプリング７４の付勢力とソレノイド７５の推力の差）に釣り合うように、二次圧ポートＡの圧力が徐々に低下する。
図１に戻って、電磁比例減圧弁７は、制御装置８により制御される。具体的に、制御装置８は、電磁比例減圧弁７のソレノイド７５と電気的に接続されている。また、制御装置８は、圧力センサ８１とも電気的に接続されている。例えば、制御装置８は、ＲＯＭやＲＡＭなどのメモリとＣＰＵを有する。
圧力センサ８１は、第１パイロットライン５１の第１流路５１ａの圧力（つまり、パイロット操作弁６から出力されるパイロット圧）を検出する。つまり、圧力センサ８１は、パイロット操作弁６の操作レバーの傾倒角に応じた操作量信号を出力する操作検出器である。
制御装置８は、圧力センサ８１から出力される操作量信号に基づいて、パイロット操作弁６の操作レバーが急激に中立位置へ向かう方向に戻されたか否か（例えば、シリンダ速度が減速されたか否か）を判定する。具体的に、制御装置８は、図４（ａ）に示すように、圧力センサ８１から出力される操作量信号（検出された圧力）の単位時間当たりの変化量（図中のΔＰ／Δｔ）が閾値以上に低下したときに、パイロット操作弁６の操作レバーが急激に中立位置へ向かう方向に戻された（例えば、シリンダ速度が減速された）と判定する。
ただし、操作検出器は、操作レバーの傾倒角を検出する角度センサであってもよい。この場合、制御装置８は、角度センサから出力される操作量信号（検出された操作レバーの傾倒角）の単位時間当たりの変化量が閾値以上に低下したときに、パイロット操作弁６の操作レバーが急激に中立位置へ向かう方向に戻されたと判定する。
制御装置８は、図４（ｂ）に示すように、圧力センサ８１から出力される操作量信号の単位時間当たりの変化量が閾値以上に低下した直後から所定時間Ｔｂ経過するまでの期間以外は、電磁比例減圧弁７へ送給する指令電流をゼロとする。
一方、制御装置８は、圧力センサ８１から出力される操作量信号の単位時間当たりの変化量が閾値以上に低下したときには、その直後から、ある程度の時間Ｔａをかけて、二次圧ポートＡとタンクポートＴとの連通によって制御弁４のパイロットポート４１の圧力が徐々にゼロまで低下するように、電磁比例減圧弁７を制御する。ある程度の時間Ｔａは、例えば０．１〜０．５秒である。二次圧ポートＡとタンクポートＴとの連通は、図３に二点鎖線で示す開口面積が狭い範囲で行われる。
具体的に、制御装置８は、圧力センサ８１から出力される操作量信号の単位時間当たりの変化量が閾値以上に低下した直後に電磁比例減圧弁７へ送給する指令電流をゼロから所定値αまで変更（増加）して、電磁比例減圧弁７の二次圧ポートＡをタンクポートＴと連通させる。その後、制御装置８は、電磁比例減圧弁７へ送給する指令電流を所定時間Ｔｂをかけて徐々に増加させ、所定時間Ｔｂが経過したときに指令電流を再びゼロとする。所定時間Ｔｂは、例えば０．１〜５秒である。
以上説明したように、本実施形態の油圧駆動システム１では、パイロット操作弁６の操作レバーが急激に中立位置へ向かう方向に戻されたときには制御弁４のパイロットポート４１の圧力が徐々にゼロまで低下するので、油圧アクチュエータ３の停止ショックを抑制することができる。しかも、制御弁４のパイロットポート４１の圧力が徐々に低下するように電磁比例減圧弁７が制御されるのは、パイロット操作弁６の操作レバーが急激に中立位置へ向かう方向に戻された直後からであるので、無駄時間がほとんどなく、応答性良く油圧アクチュエータ３を停止することができる。さらには、パイロット操作弁６の操作レバーが急激に中立位置へ向かう方向に戻されたときは、電磁比例減圧弁７が制御装置８により、二次圧ポートＡが一次圧ポートＰではなくタンクポートＴと連通するように制御されるので、減圧弁の逆流時のリリーフ動作(二次側の圧力を維持する動作)を利用して、制御弁４のパイロットポート４１から排出される作動油を、適度に長く保持できると共に、パイロット操作弁６を介さずにスムーズにタンクへ戻すことができる。
また、本実施形態では、制御弁４のパイロットポート４１の圧力を徐々に低下させるときに制御装置８が電磁比例減圧弁７へ送給する指令電流が一定値ではなく徐々に増加するので、制御弁４のパイロットポート４１の圧力が低下するのに応じて電磁比例減圧弁７の二次圧ポートＡとタンクポートＴとが連通すると共に、その連通の開口度合を小さく保つことができる。従って、パイロットポート４１の圧力を滑らかで、かつ適度な時間でゼロまで低下させることができる。
ところで、作動油の温度が低い場合には、作動油の粘性が高くなるために油圧アクチュエータ３の停止ショックが発生し難い。従って、作動油の温度を温度センサで検出することによって、作動油の温度に応じて、パイロットポート４１の圧力をゼロまで低下させる時間を調整してもよい。具体的には、制御装置８が、温度センサで検出される作動油の温度が低いほど、指令電流を所定値αから徐々に増加させる速度を大きくする。このようにすれば、作動油の温度が低い場合に、制御弁４のパイロットポート４１の圧力をゼロまで低下させる時間を短くすることができ、停止時の応答性を速めることができる。
ところで、第１パイロットライン５１の第１流路５１ａにはチェック弁が設けられてもよい。ただし、本実施形態のように第１流路５１ａにチェック弁が設けられていなければ、チェック弁の分だけコストを低減することができる。
（変形例）
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。
例えば、電磁比例減圧弁７は、当該電磁比例減圧弁７が出力する二次圧と指令電流とが正の相関を示す正比例型であってもよい。この場合、制御装置８は、圧力センサ８１から出力される操作量信号の単位時間当たりの変化量が閾値以上に低下した直後に電磁比例減圧弁７へ送給する指令電流を最大値から所定値βまで変更（減少）して電磁比例減圧弁７の二次圧ポートＡをタンクポートＴと連通させ、その後に電磁比例減圧弁７へ送給する指令電流を徐々に減少させる。また、この場合、制御装置８は、圧力センサ８１から出力される操作量信号の単位時間当たりの変化量が閾値以上に低下した直後から所定時間経過するまでの期間以外は、電磁比例減圧弁７へ送給する指令電流を最大とする。ただし、前記実施形態のように電磁比例減圧弁７が逆比例型であれば、電気系統の不具合（例えば、ケーブルの断線）が生じた場合にも、制御弁４を通常通り動作させることができ、フェールセーフを実現できる。
さらに、上記の場合には、前記実施形態と同様に、作動油の温度を温度センサで検出し、制御装置８が、温度センサで検出される作動油の温度が低いほど、指令電流を所定値βから徐々に減少させる速度を大きくしてもよい。これにより、作動油の温度が低い場合の停止時の応答性を速めることができる。
また、電磁比例減圧弁７としては、図２に示す構造のものに限られず、種々の構造のものを使用可能である。
１ 建設機械の油圧駆動システム
３ 油圧アクチュエータ
４ 制御弁
４１，４２ パイロットポート
５１，５２ パイロットライン
６ パイロット操作弁
７ 電磁比例減圧弁
Ｐ 一次圧ポート
Ａ 二次圧ポート
Ｔ タンクポート
８ 制御装置
８１ 圧力センサ（操作検出器）

Claims (4)

  1. 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作動油の供給および排出を制御する、一対のパイロットポートを有する制御弁と、
    一対のパイロットラインにより前記一対のパイロットポートと接続された、操作レバーを含むパイロット操作弁と、
    前記一対のパイロットラインの少なくとも一方に設けられた、一次圧ポート、二次圧ポートおよびタンクポートを有する電磁比例減圧弁と、
    前記操作レバーの傾倒角に応じた操作量信号を出力する操作検出器と、
    前記操作検出器から出力される操作量信号の単位時間当たりの変化量が閾値以上に低下した直後から、前記二次圧ポートと前記タンクポートとの連通によって前記制御弁のパイロットポートの圧力が徐々にゼロまで低下するように、前記電磁比例減圧弁を制御する制御装置と、を備え、
    前記制御装置は、前記操作検出器から出力される操作量信号の単位時間当たりの変化量が前記閾値以上に低下した直後に前記電磁比例減圧弁へ送給する指令電流を所定値まで変更して前記二次圧ポートを前記タンクポートと連通させ、その後に前記電磁比例減圧弁へ送給する指令電流を徐々に増加または減少させる、建設機械の油圧駆動システム。
  2. 作動油の温度を検出する温度センサをさらに備え、
    前記制御装置は、前記温度センサで検出される作動油の温度が低いほど、指令電流を前記所定値から徐々に増加または減少させる速度を大きくする、請求項１に記載の建設機械の油圧駆動システム。
  3. 前記パイロット操作弁と前記電磁比例減圧弁との間で前記パイロットラインにチェック弁が設けられていない、請求項１または２に記載の建設機械の油圧駆動システム。
  4. 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作動油の供給および排出を制御する、一対のパイロットポートを有する制御弁と、
    一対のパイロットラインにより前記一対のパイロットポートと接続された、操作レバーを含むパイロット操作弁と、
    前記一対のパイロットラインの少なくとも一方に設けられた、一次圧ポート、二次圧ポートおよびタンクポートを有する電磁比例減圧弁と、
    前記操作レバーの傾倒角に応じた操作量信号を出力する操作検出器と、
    前記操作検出器から出力される操作量信号の単位時間当たりの変化量が閾値以上に低下した直後から、前記二次圧ポートと前記タンクポートとの連通によって前記制御弁のパイロットポートの圧力が徐々にゼロまで低下するように、前記電磁比例減圧弁を制御する制御装置と、を備え、
    前記電磁比例減圧弁は、二次圧と指令電流とが負の相関を示す逆比例型であり、
    前記制御装置は、前記操作検出器から出力される操作量信号の単位時間当たりの変化量が前記閾値以上に低下した直後から所定時間経過するまでの期間以外は、前記電磁比例減圧弁へ送給する指令電流をゼロとする、建設機械の油圧駆動システム。
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