JP7224055B2

JP7224055B2 - マルチプロセスマシン用油圧システム、およびこの油圧システムを使用するマルチプロセスマシン

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Publication number: JP7224055B2
Application number: JP2020524401A
Authority: JP
Inventors: カレルボケトーネンラウリ
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2017-11-06
Filing date: 2018-11-06
Publication date: 2023-02-17
Anticipated expiration: 2038-11-06
Also published as: JP2021501856A; EP3706552B1; FI20175989A1; US20210195855A1; FI128709B; EP3706552A1; WO2019086769A1

Description

本発明は、請求項１の前文に記載した型式のマルチプロセスマシン用の油圧システム、およびこれを使用するマルチプロセスマシンに関する。

従来のマルチプロセスマシンはマシン本体（基礎マシン、ｂａｓｅｍａｃｈｉｎｅ）、少なくとも一つのブームを有するブーム部、樹木を伐採し、かつさらに処理する伐採ヘッドを有する。伐採ヘッドはジョイントを介して上記ブームに懸架する。この伐採ヘッドは以下の構成部材を有する。
刈り取り機を回転させる回転部；
懸架装置、アクチュエータ部、および油圧モーターを備えた丸太供給装置を有するアクチュエータ部のフレーム；そして
油圧システムであって、その油圧システムが
マシン本体の油圧ポンプ；
油圧ライン、およびマシン本体から伐採ヘッドの制御弁に至る戻りライン；
丸太送り出し装置を駆動する少なくとも一つの上記油圧モーター；
制御弁によって制御される、上記モーター用の供給ラインおよび戻りライン；および
上記システム内に設けられ、上記モーターを使用して瞬間的な出力を増力する少なくとも一つの蓄圧器を有する油圧システム。

伐採ヘッド用としていくつかのマシン本体が存在する。例えば、通常掘削機が使用されている。多くの場合、マシン本体の安定性やブームの使い勝手は十分のものと考えられるが、モーター出力は依然として不十分である。このため、サイズ過剰のマシン本体を選択せざるを得ない。

大型の一連の生産マシンの場合、従来公知な伐採ヘッドのマシン本体、即ち掘削機のコストと比較して合理的なものではあるが、マシン本体はサイズ過剰である。多くの場合、本体サイズが大きくなると、本体を作業現場に輸送するさいには、過剰な輸送シャシが必要になる。このような状況は、森林地帯に新たに作業現場を開くさいに発生する。さらに、刈り取り作業を進める間に、新道路を傾斜面に啓く場合には、刈り取り機のシャシは重すぎてはならない。

一般的に、樹木を伐採し、大枝を切り取り、切断する“マルチプロセスマシン”なる用語を使用することは可能である。さらに、この伐採ヘッドは丸太を処理するための積み込み機を形成する。用語“刈り取り機”も使用されている。

新規に作業現場を開く場合、ツリースタンドは大小の樹木に応じて一般的には可変である。従来、小さな刈り取り機の機台では所謂パルス式ハーベスターを使用することが一般的である。これらは、サイズ過剰の樹木を処理するために一時的に使用されるものであるが、標準的な森林では、これらパルス式ハーベスターは速度が遅い。

本発明の目的は、特にローラー駆動式かトラック駆動式の伐採ヘッドを増速することである。大枝を切り取る力は速度、特に速度の二乗に大きく依存することを知悉している以上、大枝を切り取る最も簡単な方法は増速することである。実際、重量がほぼ９，０００ｋｇの掘削機の場合、可能な大枝を切り取る速度は２．５ｍ／秒である。この速度が過去数年標準であった。長さがほぼ５メートルの丸太を処理することがきわめて多いため、供給／切断の作業サイクルによって蓄圧器の使用に好適なリズムが発生する。

本発明の目的は、請求項１に記載の方法を用いると実現できる。

蓄圧器はパルス動作が効率的で、これを使用して主に鋸作業（ソーイング）および丸太供給並びにこれらの補助工程を行う。蓄圧器を使用するさいのキーファクターは、丸太供給を改善するためにのみ使用し、蓄圧器から丸太の供給モーターまでの直接的な制御ラインを設けることである。また、対応してポンプから蓄圧器に至る直接的な蓄圧ラインを使用することも有利である。

丸太を供給するために必要な付加的なエネルギーは、部分的には供給減速時に得られる。ソーイングを再開すると、エネルギーの一部が蓄圧器に保存されるが、実際のソーイング運転中、ソーイングモーターには考えられるすべてのエネルギーが必要である。ところが、ソーイングが終了し、かつフランジがソーイング室に戻った時には、蓄圧器に再度蓄圧できる。さらに、新しい供給操作を開始する前に、安全性の確保のため遅れが生じ、この間に蓄圧器に蓄圧を行うことができる。実際の作業では、長さが５ｍの丸太を正常な状態で処理するさいにはほぼ４．６ｍ／秒の供給速度を得ることは可能であった。オイルを追加しない作業と比較した場合（速度２．５ｍ／秒）、運動エネルギーは～３．４倍になる。これは、大枝を切り取る必要がある場合に特に重要である。マシンが小型になる程出力が低下するため、この大枝を切り取る力が明らかなボトルネックになっていた。

上記蓄圧器はマシン本体に設けるのが有利であるが、代わりに、一般的には例外としてこの蓄圧器をブーム部に設けることも可能である。

上記蓄圧器をそれぞれ異なるプリチャージ圧力をもつ少なくとも２つ（最適には３～６）使用した場合に作業がきわめて円滑になる。

蓄圧器の平均プリチャージ圧力は作業（運転）圧力の好ましくは４０％～６０％、最適には４５％～５５％で、蓄圧器のプリチャージ圧力範囲は作業圧力の８％～１６％、最適には１０％～１４％である。

一般に、上記第２補助制御ラインは油圧モーターを順方向に駆動する側に接続する。

第１補助制御ラインの上記制御弁は、所謂可変流れ制御弁または比例弁であり、この弁は蓄圧器に所定の出力を供給する。部分的な出力もいくつかの工程で可能である。このように、マルチプロセスマシンの油圧システムは、選択されたサイクルでの部分出力で比例制御弁を制御する論理制御を有する。

チェーンソーモーターの出力については、供給装置の油圧モーターの出力の好ましくは７０％～１００％であり、蓄圧バッテリーによって付加的な出力を与えない。

マシン本体は重量が７～１０トンの掘削機であり、モーター出力を約５０ｋＷ（一般には４０ｋＷ～５５ｋＷ）に低く抑えてもほぼ５ｍ／秒の供給速度を実現できる。マシン本体のモーター出力については、供給モーターの定格出力の好ましくは８０％～１２０％であり、蓄圧バッテリーは使用しない。

以下、マルチプロセスマシンにおける本発明に係る懸架装置を示す添付図面を参照して、実施例により本発明を説明する。

小型掘削機の文脈における小型のマルチプロセスマシンを示す図である。マルチプロセスマシンに使用する油圧システムを示す基本図である。中心油圧システムをより詳細に示す図である。蓄圧バッテリーおよびその格納システムを示す図である。蓄圧バッテリーを制御する弁ブロックを示す図である。

図１は、マルチプロセスマシンの基本的実施例を示す斜正面図である。マルチプロセスマシン３１は全体として、基礎マシン１０（マシン本体、本実施例では掘削機５０）に設置される作業ブーム部５０を有し、このブーム部５０はブーム５２および５３を有し、丸太処理装置３０は最後のブーム、即ちブーム５３の端に固定する。丸太処理装置３０をブーム５３にピボット式で取り付けるが、これは例えば、相互に異なる方向を向く２つの横断回転ジョイント、より一般的にはピボット式ジョイントを有する従来技術に従って行う。本実施例では、これをリンク５７とも呼ぶ。

丸太処理装置３０とピボット式ジョイントの間には回転装置５６を設けることができ、以下これを“回転体”と呼ぶこともある。丸太処理装置３０については、回転装置の回転軸を中心にして制限なく回転装置５６によって回転できる。丸太処理装置３０のアクチュエータ（例えばソーイングモーター３８など）にとって必要な圧力媒体流れについては、マシン本体１０の圧力媒体ポンプ１１から、ホース、より一般的には圧力媒体ラインを使用する作業ブーム部５０を介して供給できる。モーター化マシン本体１０はパワー部およびキャビン３７を有する。作業ブーム部５０は長さが数メートルであり、これによって主に圧力媒体ラインの長さが決まる。マシン本体１０には、例えば、図に示すように車輪またはクローラートラック４９を設ける。丸太処理装置３０はアクチュエータ部４４を有し、この基本的な構成成分は切断装置４２、供給装置３８、および保持クランプとして働く大枝を切り取るブレードを有することも可能である。

マシン本体としては、通常のフレームステアリングフォレストマシン（ｆｒａｍｅ－ｓｔｅｒｒｅｄｆｏｒｅｓｔｍａｃｈｉｎｅ）を使用することができる。本発明の目的では、マシン本体のモーター出力は驚くほど低くできる。

エネルギーの回収は基本的にシンプルであるが、この回収エネルギーの再使用については、正確に行う必要がある。いくつかの実験に基づいて、以下の構成を採用した。

図２は、伐採ヘッド３０およびマシン本体１０を有するマシン全体を示す簡単な油圧図である。以下、本発明の構成のみを説明し、マシンの油圧関係などについては説明を省くことにする。蓄圧器、即ち蓄圧バッテリー２１はマシン本体１０に設置する。マシン本体１０などの専用弁部１２の直前で、即ちポンプ１１と専用弁部１２との間において蓄圧バッテリー２１用の油圧オイルを供給する。蓄圧器２１の圧力レベルはできるだけ高くするが、当然ながら、保存されたエネルギーの逆流を防止するために、第１アクチュエータには逆止め弁を使用する。ライン中の次の要素は蓄圧用弁２３であり、この弁は蓄圧器への流れを阻止する。この蓄圧用弁としては、装填をより正確に制御する比例弁、即ち所謂可変流れ制御弁が好ましい。

蓄圧バッテリー２１のうちの最小のものの最低圧力は約１１０バールであるが、システム圧力レベルがこの値以上になり、かつ他の条件が満足された時にのみ蓄圧バッテリーは蓄圧を開始する。即ち、蓄圧バッテリー２１の蓄圧は無段階的に制御でき、また所謂急速蓄圧も可能である。蓄圧バッテリー２１の場合、異なるプリチャージ圧力を有する２つかそれ以上の蓄圧器を有するのが有利である。実験に基づいて、それぞれが異なるプリチャージ圧力をもつ例えば４つの（一般的には３ないし６）蓄圧器を有する蓄圧バッテリー２１を使用する。実施例のマシンの稼働圧力は２５０バールである。例えば、最少圧力は１４０バール、次の圧力は１５０バール、１６０バールであり、そして最後の圧力は１７０バールである。このように構成すると、蓄圧器の放圧はスムーズに生じる。一つの蓄圧器を使用した場合、付加的な供給を止めた時に有害な圧力パルスが検出された。重量が約９，０００ｋｇの掘削機を使用する場合、蓄圧器２１１～２１４の全体容積は約１５リットル±３リットルが好適である。蓄圧器の平均プリチャージ圧力は稼働圧力の４０％～６０％、最適には４５％～５５％である。蓄圧器（２１１～２１４）のプリチャージ圧力は稼働圧力の８％～１６％、最適には１０％～１４％である。

油圧オイルは蓄圧バッテリー２１から弁２４によって専用パイプ２５にそって伐採ヘッド３０に送られる。この弁２４は、蓄圧用弁２３および放圧用弁２６とともに同じユニット２０内に存在する。弁２４としては、オン／オフ弁（電源が切られた状態では閉じる）を使用できる。すなわち、この弁は調節する必要がない。図５に示すように、弁２３、２４および２６は、接続部２８１（チャージ側）、２８２（供給側）、２８３（放圧側）、２８４（蓄圧バッテリー側）を設けた共通ベースプレート２８に設置する。さらに、このベースプレート２８に必要な圧力センサー１５を接続する。

蓄圧バッテリーからマシン本体１０上の伐採ヘッド３０に至るライン２６に直接油圧オイルを送る場合、マシン本体１０の弁部１２内に有害な流れおよび衝撃が発生する。このため、別なパイプ２５を使用して、蓄圧バッテリー２１から伐採ヘッド３０に油圧オイルを直接供給する。当然ながら、緊急時に作業を停止したい場合には、蓄圧バッテリー２１からタンク１３に放圧するが、これについては同じユニット２０のオン／オフ弁２６（電源を切った時に開く）を使用して行う。

伐採ヘッド３０の場合、蓄圧バッテリー２１から逆止め弁３１を介して供給モーター３２の順方向駆動ライン、ここではラインＢに直接油圧オイルを送る。換言すると、油圧オイルはモーターラインから蓄圧バッテリー２１に向かって流れることはない。油圧オイルがモーターラインに流入するためには、伐採ヘッド３０に固有な供給モーター３２の供給弁３３を稼働させる必要がある。モーター３２の稼働後、蓄圧バッテリー２１からの付加的なオイルが伐採ヘッド３０の専用タンクライン２７にそって伐採ヘッド３０の専用制御弁３３を介してタンク１３に戻る。このため、伐採ヘッド３０の弁３３に対する流れが非対称的になるが、一般的な弁では実際の問題は生じない。

この非対称的な流れ、即ち付加的な油圧オイルを有する全体的な流れについては、伐採ヘッド３０自身の弁３３によって制御する。このようにすると、付加的な油圧オイルを全て正しいタイミングで正確に使用できる。すぐれた制御性が実際の試験で得られている。図２において、弁３３のラインＢが順方向駆動を示す。

さらに、蓄圧バッテリー２１を使用した場合、安全性に関するリスクが高くなる。従って、蓄圧バッテリー２１の付加的な油圧オイルは、丸太を順方向に供給する場合にのみ使用し、付加的な加圧オイルは順方向供給時にブームパイプ体２４にリスクを惹起するに過ぎない。さらに、“誤動作”は順方向である供給方向においてのみ発生し、この場合でも伐採ヘッド３０の供給弁３３は稼働状態でなければならない。

図３に、油圧システムの中心部をより詳細に示す。中央システム２０はベースプレート２８（図５）に設置された弁部を有する。運転作業からみて必須の構成要素は蓄圧バッテリー２１、蓄圧用弁２６および放圧用弁２４である。図３に、マシン本体からマルチプロセスマシン、一般的には刈り取り機に至る長い個別の圧力ライン２５を示す。

ポンプから蓄圧器までのほぼ直線状の個別供給ラインを備えた蓄圧システムを有する場合、システムにおいてマシン本体の技術能力を達成できる。システムの蓄圧バッテリー、即ち蓄圧ユニット２１については、従って、マシン本体１０またはブーム部に設けるのが有利である。図１において、蓄圧バッテリー２１の蓄圧器２１１～２１４については、キャビン３７の後に設けるケーシング２１８内にそれら自身のユニットとして組み付ける。これら蓄圧器は共通の圧力ライン２１９に接続する。図４ｂに、蓄圧バッテリーのケーシング２１８を示す。このケーシングは、図１においてはキャビンの後に見られる。

伐採ヘッドは独立した入力部を有し、直接モーターに至る補助的な制御ラインを有する。蓄圧器を使用すると、上記作業を行うためにきわめて簡単な論理制御のみが必要になる。ソーイングおよび丸太供給作業を有する繰り返しサイクルの時間は約２秒であり、そのうちの０．５秒が丸太供給工程時の放圧時間である。残りの時間で蓄圧器を蓄圧する。

この３秒ほどの繰り返しサイクルは、鋸の準備状態をチェックすることによって開始する。

ソーイング作業と供給モーター動作との間にある遅延を蓄圧に過不足なく利用できる。マシン本体の全作業時には蓄圧が停止する。

本発明に有利なマルチプロセスマシンの場合、チェーンソー４２のモーター３８の出力は、供給装置の油圧モーター３２の全出力の７０％～１００％であり、蓄圧バッテリー２１の付加的な出力は要らない。蓄圧バッテリー２１によって供給装置の油圧モーターに与えられる付加的な瞬間的な出力は５０％～１００％である。

図１において、マシン本体（１０）としては重量が７～１０トンの掘削機を使用できる。驚くべきことに本発明において、掘削機、即ち概してマシン本体のモーター出力は低く４５ｋＷ～６０ｋＷであり、その一方で供給速度は４～５ｍ／秒に達する。

１０：基礎マシン、マシン本体
１１：圧力媒体ポンプ
１２：弁部
１３：タンク
２０：ユニット、中央システム
２１：蓄圧バッテリー、蓄圧ユニット
２３：蓄圧用弁
２４：ブームパイプ体、放圧用弁
２５：パイプ、圧力ライン
２６：放圧用弁、蓄圧用弁
２７：専用タンクライン
２８：ベースプレート
３０：丸太処理装置、伐採ヘッド
３１：マルチプロセスマシン、逆止め弁
３２：油圧モーター
３３：供給弁
３７：キャビン
３８：ソーイングモーター、供給装置、モーター
４２：切断装置、チェーンソー
４４：アクチュエータ部
４９：クローラートラック
５０：掘削機、作業ブーム部
５２、５３：ブーム
５６：回転装置
５７：リンク
２１１～２１４：蓄圧器
２１８：ケーシング
２１９：圧力ライン
２８１、２８２、２８３、２８４：接続部
Ｂ：ライン

Claims

マシン本体（４０）、少なくとも一つのブーム（５３）を有するブーム部（５０）、および樹木を伐採したうえでさらに樹木を処理するジョイント（５７）を介して前記ブーム（５３）に懸架される丸太処理装置（３０）を有するマルチプロセスマシン用の油圧システムであって、
この丸太処理装置（３０）が、
前記丸太処理装置（３０）を回転させる回転体（５６）；
懸架装置、そのアクチュエータ部および油圧モーター（３２）を備えた丸太（１８）供給装置（３８）を有する前記丸太処理装置（３０）のフレームを有し、そして前記油圧システムが、
前記マシン本体（４０）上の油圧ポンプ（１１）；
前記油圧ポンプ（１１）から前記丸太処理装置（３０）に媒体を供給する専用弁部（１２）；
圧力（Ｐ）側およびタンク（Ｔ）側に個別の弁チャネルを有し、前記マシン本体（４０）の専用弁部（１２）から前記丸太処理装置（３０）に至る油圧ライン（２６）および戻りライン（２９）；
前記供給装置（３８）を稼働させる少なくとも一つの前記油圧モーター（３２）；
システム内に設置され、前記油圧モーター（３２）を使用して瞬間的に出力を上げる少なくとも一つの蓄圧器（２１）を有する油圧システムにおいて、
前記丸太処理装置内に専用供給弁（３３）、供給ライン（Ａ／Ｂ）および戻りライン（Ｂ／Ａ）を有し、前記専用供給弁（３３）は前記油圧ライン（２６）および前記戻りライン（２９）に接続され、前記油圧モーター（３２）に媒体を供給する供給ライン（Ａ／Ｂ）および前記油圧モーター（３２）から媒体を戻す戻りライン（Ｂ／Ａ）を作動させ、
前記蓄圧器（２１）として、それぞれが異なるプリチャージ圧力を有する、少なくとも２つの蓄圧器（２１１～２１４）を使用し、
前記油圧システムが、主にソーイングおよび丸太供給ならびにこれらの補助工程を行う、前記蓄圧器の蓄圧を行うパルス動作の論理制御を有し、前記蓄圧器を丸太供給の改善のみのために放圧し、かつ前記油圧システムが前記蓄圧器から前記油圧モーターに至る直接的な供給ラインになり、
前記システムがさらに、
前記ポンプ（１１）から前記蓄圧器に至る第１補助供給ラインであって、前記ポンプ（１１）と前記専用弁部（１２）との間に接続される第１端部を有し、第１制御弁（２３）のみを有する直線状ラインである第１補助供給ライン、および
前記直接的な供給ラインが前記蓄圧器（２１）から直接前記油圧モーター（３２）の順方向側に至り、前記蓄圧器（２１）の圧力を直接前記モーターに供給する第２制御弁（２４）を有する第２補助供給ライン（２５）を有することを特徴とするマルチ油圧システム。
前記蓄圧器（２１）を前記マシン本体（４０）に設ける請求項１に記載のマルチプロセスマシン用油圧システム。
前記蓄圧器（２１）を前記ブーム部（５０）に設ける請求項１に記載のマルチプロセスマシン用油圧システム。
前記蓄圧器の平均プリチャージ圧力が運転圧力の４０％～６０％である請求項３に記載のマルチプロセスマシン用油圧システム。
前記蓄圧器（２１１～２１４）の異なるプリチャージ圧力の範囲が、稼働圧力の８％～１６％にある請求項３または４に記載のマルチプロセスマシン用油圧システム。
前記第１補助供給ライン（１４）の前記制御弁（２３）が、選択的出力で前記蓄圧器（２１）に蓄圧を行う所謂可変流れ制御弁または比例弁である請求項１～５のいずれか１項に記載のマルチプロセスマシン用油圧システム。
選択されたサイクルにおける部分的出力で比例制御弁（２４）を制御する論理制御を行う請求項６に記載のマルチプロセスマシン用油圧システム。
以下の接続部：前記ポンプからの蓄圧接続部（２８１）、モーターへの供給接続部（２８２）、前記タンク（Ｔ）への放圧接続部（２８３）、および蓄圧バッテリー（２８４）への接続部を有する共通ベースプレート（２８）に前記第１補助供給ラインの前記弁、前記制御弁（２４）および前記蓄圧バッテリーの放圧弁を設ける請求項１～７のいずれか１項に記載のマルチプロセスマシン用油圧システム。
前記の第２補助供給ライン（２５）が、圧力が前記蓄圧器（２１）の方に逃げ出ることを防止する一方向弁（３１）を有する請求項１～８のいずれか１項に記載のマルチプロセスマシン用油圧システム。
マシン本体（４０）、少なくとも一つのブーム（５３）を備えたブーム部（５０）、および樹木を伐採し、さらにこの樹木を処理するための、ジョイント（５７）を介して前記ブーム（５３）に懸架する丸太処理装置（３０）を有するマルチプロセスマシンにおいて、請求項１～９のいずれか１項に記載の油圧システムを有するマルチプロセスマシン。
前記丸太処理装置（３０）に油圧モーター（３８）によって駆動されるチェーンソー（４２）を設けた請求項１０に記載のマルチプロセスマシンにおいて、このチェーンソーのモーター出力が前記供給装置の油圧モーター（３２）の出力の７０％～１００％で、蓄圧器（２１）からの出力を追加供給しないマルチプロセスマシン。
前記マシン本体（４０）が、重量が７～１０トンの掘削機である請求項１０または１１に記載のマルチプロセスマシン。
前記マシン本体の前記モーター出力が、供給モーターの定格出力の８０％～１２０％で、前記蓄圧器を使用しない請求項１０～１２のいずれか１項に記載のマルチプロセスマシン。