JP7237792B2

JP7237792B2 - 建設機械

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Publication number: JP7237792B2
Application number: JP2019183201A
Authority: JP
Inventors: 自由理清水; 賢二平工; 宏政高橋; 哲平齋藤
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 2019-10-03
Filing date: 2019-10-03
Publication date: 2023-03-13
Anticipated expiration: 2039-10-03
Also published as: WO2021066029A1; US20220364337A1; CN114423907A; CN114423907B; EP4015712A1; JP2021059855A; EP4015712A4

Description

本発明は、液圧ポンプで液圧アクチュエータを直接駆動する液圧駆動装置を備えた建設機械に関する。

近年、油圧ショベルなどの建設機械において、油圧シリンダなどの油圧アクチュエータを駆動させる油圧回路内の絞り要素を減らし燃料消費率を低減する為に、油圧ポンプなどの油圧駆動源から作動油を油圧アクチュエータへ送り、油圧アクチュエータで仕事を行った作動油をタンクに戻さず油圧ポンプへ戻すように接続した油圧回路（閉回路と定義する）の開発が進められている。

特許文献１には、バックホウショベルに対して、アクチュエータとポンプを閉回路状に接続する構成が記載されている。

特開２０１６－１４５６０３号公報

特許文献１のシステムを、バックホウショベルではなく、例えばローディングショベルに適用することを考える。ローディングショベルは、アームシリンダを伸長することにより、バケットを押し出す構造のショベルである。ローディングショベルは、掘削動作を行う際に、バケットを水平に押し出す動作を行う。特許文献１のシステムを適用する場合、バケットの水平押出し動作を実現するためには、アームシリンダ伸長方向のレバー入力と、ブームシリンダ収縮方向のレバー入力を微調整する必要がある。そのため、オペレータに複雑な入力を要求することになり、繰り返し掘削動作を行う際に、オペレータの負荷を増大させてしまう。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、オペレータがアームを押出方向に操作するだけでバケットを直線的に押し出すことが可能な建設機械を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、ブームと、前記ブームに回動可能に取り付けられたアームと、前記アームに回動可能に取り付けられたバケットと、伸長動作により前記ブームを上げ方向に駆動し、収縮動作により前記ブームを下げ方向に駆動するブームシリンダと、伸長動作により前記アームを押出方向に駆動し、収縮動作により前記アームを引込方向に駆動するアームシリンダと、前記ブームおよび前記アームの動作を指示する操作装置と、前記ブームシリンダに閉回路状に接続可能な両傾転型の第１液圧ポンプと、前記アームシリンダに閉回路状に接続可能な両傾転型の第２液圧ポンプと、前記操作装置の操作に応じて、前記第１液圧ポンプから前記ブームシリンダに供給される圧油の流量、および前記第２液圧ポンプから前記アームシリンダに供給される圧油の流量を制御するコントローラとを備えた建設機械において、前記ブームの角度を検出するブーム角度検出装置と、前記アームの押出動作時の前記バケットの移動軌跡として円弧軌跡および直線軌跡のいずれか一方を選択するバケット軌跡選択装置とを備え、前記コントローラは、前記バケット軌跡選択装置を介して前記直線軌跡が選択された場合に、前記操作装置を介して前記アームの押出動作の指示が開始された時点で前記ブーム角度検出装置により検出された前記ブームの角度であるブーム初期角度に応じた一定の流量比を算出し、前記操作装置を介して前記アームの押出動作が指示され、かつ前記ブームの動作が指示されていない間、前記アームシリンダのキャップ室に供給される流量に前記流量比を掛けて得られる流量が前記ブームシリンダのキャップ室から排出されるように前記第１液圧ポンプの吐出流量を制御し、前記操作装置を介して前記アームの引込動作が指示されている間は、前記バケット軌跡選択装置の選択状態に関わらず、前記操作装置の入力に応じた流量が前記アームシリンダのキャップ室から前記第液圧ポンプに吸収されるように前記第２の液圧ポンプの吐出流量を制御するものとする。

以上のように構成した本発明によれば、バケット軌跡選択装置を介して直線軌跡が選択され、かつ操作装置を介してアームの押出動作が指示された場合に、ブーム初期角度に基づいて一定の流量比が算出され、操作装置を介してアームの押出動作が指示され、かつブームの動作が指示されていない間、アームシリンダのキャップ室に供給される流量に前記流量比を掛けて得られる流量がブームシリンダのキャップ室から排出されるように第１液圧ポンプの吐出流量が制御される。これにより、オペレータがアームを押出方向に操作するだけでバケットを直線的に押し出すことが可能となる。

本発明に係る建設機械によれば、オペレータがアームを押出方向に操作するだけでバケットを直線的に押し出すことができるため、掘削作業時のオペレータの負荷を軽減することが可能となる。

本発明の第１の実施例に係る油圧ショベルの側面図である。図１に示す油圧ショベルの掘削時の動作を示す図である。図１に示す油圧ショベルに搭載された液圧駆動装置の概略構成図である。図３に示すコントローラの機能ブロック図である。水平押出円弧掘削切換スイッチを介して水平押出モードが選択され、かつレバーを介してアーム押し単独動作が指示された場合の、レバーの入力、液圧ポンプの吐出流量、切換弁の開閉状態、およびアームシリンダおよびブームシリンダの速度（シリンダ速度）の変化を示す図である。図４に示すコントローラの指令演算部の処理を示すフローチャートである。水平押出円弧掘削切換スイッチを介して円弧掘削モードが選択され、かつレバーを介してアーム押し単独動作が指示された場合の、レバーの入力、液圧ポンプの吐出流量、切換弁の開閉状態、およびアームシリンダおよびブームシリンダの速度（シリンダ速度）の変化を示す図である。水平押出円弧掘削切換スイッチの切換状態に関わらず、レバーを介してアーム引き単独動作が指示された場合の、レバーの入力、液圧ポンプの吐出流量、比例弁の通過流量、切換弁の開閉状態、およびアームシリンダ（シリンダ速度）の変化を示す図である。本発明の第２の実施例におけるコントローラの機能ブロック図である。本発明の第２の実施例におけるコントローラの指令演算部の処理を示すフローチャートである。図１に示す油圧ショベルの積込完了姿勢から初期姿勢に戻る動作を示す図である。図１１に示す積込姿勢において、レバーを介してアーム引き単独動作が指示された場合の、レバーの入力、液圧ポンプの吐出流量、比例弁の通過流量、アームシリンダのキャップ室圧力、液圧ポンプの吸収トルク、切換弁の開閉状態、およびアームシリンダの速度（シリンダ速度）の変化を示す図である。

以下、本発明の実施の形態に係る建設機械として油圧ショベルを例に挙げ、図面を参照して説明する。なお、各図中、同等の部材には同一の符号を付し、重複した説明は適宜省略する。

図１は、本発明の第１の実施例に係る油圧ショベルの側面図である。

図１において、油圧ショベル１００は、クローラ式の走行装置８を装備した下部走行体１０１と、下部走行体１０１上に旋回装置７を介して旋回可能に取り付けられた上部旋回体１０２と、上部旋回体１０２の前部に上下方向に回動可能に取り付けられたフロント作業装置１０３とを備えている。上部旋回体１０２上には、オペレータが搭乗するキャブ１０４が設けられている。キャブ１０４内には、後述のレバー５１（図３に示す）が配設されている。

フロント作業装置１０３は、上部旋回体１０２の前部に上下方向に回動可能に取り付けられたブーム２と、ブーム２の先端部に上下または前後方向に回動可能に連結されたアーム４と、アーム４の先端部に上下または前後方向に回動可能に連結されたバケット６と、ブーム２を駆動するブームシリンダ１と、アーム４を駆動するアームシリンダ３と、バケット６を駆動するバケットシリンダ５とを備えている。

本実施例に係る油圧ショベル１００はローディングショベルであり、アームシリンダ３またはバケットシリンダ５を伸長させることにより、バケット６が前方に押し出されるように構成されている。掘削時の油圧ショベル１００は、図２に示すように、アーム４を引きかつブーム２を上げた姿勢（初期姿勢）からアーム４を押し出しかつブーム２を下げた姿勢（掘削完了姿勢）に移行する動作を繰り返し行う。

図３は、油圧ショベル１００に搭載された液圧駆動装置の概略構成図である。なお、説明の簡略化のため、図３では、ブームシリンダ１およびアームシリンダ３の駆動に関わる部分のみを示し、その他のアクチュエータの駆動に関わる部分は省略している。

図３において、液圧駆動装置３００は、ブームシリンダ１と、アームシリンダ３と、ブームシリンダ１およびアームシリンダ３の各動作方向および各要求速度を指示する操作装置としてのレバー５１と、動力源であるエンジン９と、エンジン９の動力を配分する動力伝達装置１０と、動力伝達装置１０によって配分された動力で駆動される液圧ポンプ１２～１５およびチャージポンプ１１と、液圧ポンプ１２～１５と液圧アクチュエータ１，３との接続を切換可能な切換弁４０～４７と、比例弁４８，４９と、切換弁４０～４７、比例弁４８，４９、および後述のレギュレータ１２ａ，１３ａ，１４ａ，１５ａを制御するコントローラ５０とを備えている。

動力源であるエンジン９は、動力を配分する動力伝達装置１０に接続されている。動力伝達装置１０には、液圧ポンプ１２～１５、およびチャージポンプ１１が接続されている。

液圧ポンプ１２，１３は、一対の入出力ポートを持つ両傾転斜板機構と、傾転斜板の傾斜角を調整するレギュレータ１２ａ，１３ａとを備えている。液圧ポンプ１４，１５は、入力ポートと出力ポートを持つ片傾転斜板機能と、傾転斜板の傾斜角を調整するレギュレータ１４ａ，１５ａとを備えている。レギュレータ１２ａ，１３ａ，１４ａ，１５ａは、コントローラ５０からの信号により、液圧ポンプ１２～１５の傾転斜板の傾転角を調整する。

液圧ポンプ１２，１３は、傾転斜板の傾転角を調整することにより、入出力ポートからの作動油の吐出流量と方向を制御できる。また、液圧ポンプ１２，１３は、圧油の供給を受けると液圧モータとしても機能する。

液圧ポンプ１２の一対の入出力ポートには流路２００，２０１が接続され、流路２００，２０１には切換弁４０，４１が接続されている。切換弁４０，４１は、コントローラ５０からの信号により、流路の連通と遮断を切り換える。切換弁４０，４１は、コントローラ５０からの信号が無い場合は、遮断状態である。

切換弁４０は、流路２１０，２１１を介してブームシリンダ１に接続されている。コントローラ５０からの信号により切換弁４０が連通状態になると、液圧ポンプ１２は、流路２００，２０１、切換弁４０、および流路２１０，２１１を介してブームシリンダ１と接続されることにより閉回路を構成する。

切換弁４１は、流路２１３，２１４を介してアームシリンダ３に接続されている。コントローラ５０からの信号により切換弁４１が連通状態になると、液圧ポンプ１２は、流路２００，２０１、切換弁４１、および流路２１３，２１４を介してアームシリンダ３と接続されることにより閉回路を構成する。

液圧ポンプ１３の一対の入出力ポートには流路２０２，２０３が接続され、流路２０２，２０３には切換弁４２，４３が接続されている。切換弁４２，４３は、コントローラ５０からの信号により、流路の連通と遮断を切り換える。切換弁４２，４３は、コントローラ５０からの信号が無い場合は、遮断状態である。

切換弁４２は、流路２１０，２１１を介してブームシリンダ１に接続されている。コントローラ５０からの信号により切換弁４２が連通状態になると、液圧ポンプ１３は、流路２０２，２０３、切換弁４２、および流路２１０，２１１を介してブームシリンダ１と接続されることにより閉回路を構成する。

切換弁４３は、流路２１３，２１４を介してアームシリンダ３に接続されている。コントローラ５０からの信号により切換弁４３が連通状態になると、液圧ポンプ１３は、流路２０２，２０３、切換弁４３、および流路２１３，２１４を介してアームシリンダ３と接続されることにより閉回路を構成する。

液圧ポンプ１４の出力ポートは、流路２０４を介して切換弁４４，４５、比例弁４８、およびリリーフ弁２１に接続されている。液圧ポンプ１４の入力ポートは、タンク２５に接続されている。

リリーフ弁２１は、流路圧が所定の圧力以上になったときに、作動油をタンク２５に逃がし回路を保護する。

切換弁４４，４５は、コントローラ５０からの信号により、流路の連通と遮断を切り換える。コントローラ５０からの信号が無い場合は、切換弁４４，４５は、遮断状態である。

切換弁４４は、流路２１０を介してブームシリンダ１のキャップ室１ａに接続されている。

切換弁４５は、流路２１３を介してアームシリンダ３のキャップ室３ａに接続されている。

比例弁４８は、コントローラ５０からの信号により、開口面積を変化させ、通過流量を制御する。コントローラ５０からの信号が無い場合、比例弁４８は最大開口面積に保持される。また、切換弁４４，４５が遮断状態の時、コントローラ５０は、液圧ポンプ１４の吐出流量に応じて予め設定された開口面積となるように比例弁４８に信号を与える。

液圧ポンプ１５の出力ポートは、流路２０５を介して切換弁４６，４７、比例弁４９、およびリリーフ弁２２に接続されている。液圧ポンプ１５の入力ポートは、タンク２５に接続されている。

リリーフ弁２２は、流路圧が所定の圧力以上になったときに、作動油をタンク２５に逃がし回路を保護する。

切換弁４６，４７は、コントローラ５０からの信号により、流路の連通と遮断を切り換える。コントローラ５０からの信号が無い場合は、切換弁４６，４７は、遮断状態である。

切換弁４６は、流路２１０を介してブームシリンダ１のキャップ室１ａに接続されている。

切換弁４７は、流路２１３を介してアームシリンダ３のキャップ室３ａに接続されている。

比例弁４９は、コントローラ５０からの信号により、開口面積を変化させ、通過流量を制御する。コントローラ５０からの信号が無い場合、比例弁４９は最大開口面積に保持される。また、切換弁４６，４７が遮断状態の時、コントローラ５０は、液圧ポンプ１５の吐出流量に応じて予め設定された開口面積となるように比例弁４９に信号を与える。

チャージポンプ１１の吐出口は、チャージライン２１２を介して、チャージ用リリーフ弁２０、およびチャージ用チェック弁２６，２７，２８ａ，２８ｂ，２９ａ，２９ｂに接続されている。チャージポンプ１１の吸込口はタンク２５に接続されている。チャージポンプ１１は、チャージライン２１２に圧油を供給する。

チャージ用リリーフ弁２０は、チャージライン２１２の流路圧が所定の圧力以上になったときに作動油をタンク２５に逃がし、チャージライン２１２の圧力を一定に保つ。

チャージ用チェック弁２６は、流路２００，２０１の圧力がチャージ用リリーフ弁２０で設定した圧力を下回った場合に、チャージライン２１２から流路２００，２０１に圧油を供給する。

チャージ用チェック弁２７は、流路２０２，２０３の圧力がチャージ用リリーフ弁２０で設定した圧力を下回った場合に、チャージライン２１２から流路２０２，２０３に圧油を供給する。

チャージ用チェック弁２８ａ，２８ｂは、流路２１０，２１１の圧力がチャージ用リリーフ弁２０で設定した圧力を下回った場合に、チャージライン２１２から流路２１０，２１１に圧油を供給する。

チャージ用チェック弁２９ａ，２９ｂは、流路２１３，２１４の圧力がチャージ用リリーフ弁２０で設定した圧力を下回った場合に、チャージライン２１２から流路２１３，２１４に圧油を供給する。

流路２００，２０１に設けられたリリーフ弁３０ａ，３０ｂは、流路圧が所定の圧力以上になったときに、作動油をチャージライン２１２に逃がして回路を保護する。

流路２０２，２０３に設けられたリリーフ弁３１ａ，３１ｂは、流路圧が所定の圧力以上になったときに、作動油をチャージライン２１２に逃がして回路を保護する。

ブームシリンダ１は、作動油の供給を受けて伸縮作動する液圧片ロッドシリンダである。ブームシリンダ１のキャップ室１ａには流路２１０が接続され、ブームシリンダ１のロッド室１ｂには流路２１１が接続されている。ブームシリンダ１の伸縮方向は作動油の供給方向に依存する。

流路２１０，２１１に設けられたリリーフ弁３２ａ，３２ｂは、流路圧が所定の圧力以上になったときに、作動油をチャージライン２１２に逃がして回路を保護する。

流路２１０，２１１に設けられたフラッシング弁３４は、流路内の余剰油をチャージライン２１２に排出する。

アームシリンダ３は、作動油の供給を受けて伸縮作動する液圧片ロッドシリンダである。アームシリンダ３のキャップ室３ａには流路２１３が接続され、アームシリンダ３のロッド室３ｂには流路２１４が接続されている。アームシリンダ３の伸縮方向は作動油の供給方向に依存する。

流路２１３，２１４に設けられたリリーフ弁３３ａ，３３ｂは、流路圧が所定の圧力以上になったときに、作動油をチャージライン２１２に逃がして回路を保護する。

流路２１３，２１４に設けられたフラッシング弁３５は、流路内の余剰油をチャージライン２１２に排出する。

ブームシリンダ１に設置されたストロークセンサ６０は、ブームシリンダ１のストロークを計測し、コントローラ５０に入力する。コントローラ５０は、ブームシリンダ１のストロークからブーム２の姿勢（角度）を演算する。

アームシリンダ３に設置されたストロークセンサ６１は、アームシリンダ３のストロークを計測し、コントローラ５０に入力する。コントローラ５０は、アームシリンダ３のストロークからアーム４の姿勢（角度）を演算する。

なお、本実施例では、ブーム２およびアーム４の姿勢（角度）を検出する手段（ブーム角度検出装置およびアーム角度検出装置）としてストロークセンサ６０，６１を使用するが、ブーム２およびアーム４の回転軸に取り付ける角度センサや、ブーム２およびアーム４に取り付けるＩＭＵを使用してもよい。

レバー５１は、オペレータによって操作され、各アクチュエータに対する操作量をコントローラ５０に入力する。

水平押出円弧掘削切換スイッチ５２は、バケット６の移動軌跡を選択するための手段（バケット軌跡選択装置）である。水平押出円弧掘削切換スイッチ５２は、オペレータによって操作され、後述する水平押出モードと円弧掘削モードの選択結果をコントローラ５０に入力する。

図４は、コントローラ５０の機能ブロック図である。なお、図４では、図３と同様に、ブームシリンダ１およびアームシリンダ３の駆動に関わる部分のみを示し、その他のアクチュエータの駆動に関わる部分は省略している。

図４において、コントローラ５０は、レバー操作量演算部Ｆ１１と、ブーム姿勢演算部Ｆ１２ｂと、アーム姿勢演算部Ｆ１２ａと、指令演算部Ｆ１３とを有する。

レバー操作量演算部Ｆ１１は、レバー５１からの入力に応じて、アクチュエータ１，３の動作方向および目標動作速度を演算し、指令演算部Ｆ１３に入力する。

ブーム姿勢演算部Ｆ１２ｂは、ストロークセンサ６０の値（ブームシリンダ１のストローク）から、ブーム２の姿勢（角度）を演算し、指令演算部Ｆ１３に入力する。

アーム姿勢演算部Ｆ１２ｂは、ストロークセンサ６１の値（アームシリンダ３のストローク）から、アーム４の姿勢（角度）を演算し、指令演算部Ｆ１３に入力する。

指令演算部Ｆ１３は、レバー操作量演算部Ｆ１１、ブーム姿勢演算部Ｆ１２ｂ、およびアーム姿勢演算部Ｆ１２ａからの入力に基づいて、切換弁４０～４７、比例弁４８，４９、およびレギュレータ１２ａ～１５ａへの指令値を演算し、出力する。

指令演算部Ｆ１３は、水平押出円弧掘削選択部Ｆ１４と、ブーム流量比演算部Ｆ１５と、アクチュエータ割当流量演算部Ｆ１６とを有する。

水平押出円弧掘削選択部Ｆ１４は、水平押出円弧掘削切換スイッチ５２からの入力に基づいて、水平押出モードと円弧掘削モードのいずれかを選択し、ブーム流量比演算部Ｆ１５に入力する。

ブーム流量比演算部Ｆ１５は、水平押出円弧掘削選択部Ｆ１４から水平押出モードが入力された場合、ブーム姿勢演算部Ｆ１２ｂ、およびアーム姿勢演算部Ｆ１２ａからの入力に基づいて、アームシリンダ３のキャップ室３ａへの供給流量Ｑａに対するブームシリンダ１のキャップ室１ａからの排出流量Ｑｂの比率である流量比αを演算する。ブームシリンダ１への供給流量Ｑｂは、流量比αを用いて以下の式（１）で表される。

ここで、流量比αは、ブーム２の初期角度θｂ０、およびアーム４の初期角度θａ０に基づいて幾何学的に決定される。すなわち、流量比αは以下の式（２）で表される。

なお、掘削開始時のアームシリンダ３が常に最縮長である場合は、流量比αは、ブーム２の初期角度θｂ０のみに基づいて決定される。すなわち、供給流量比αは以下の式（３）で表される。

アクチュエータ割当流量演算部Ｆ１６は、レバー操作量演算部Ｆ１１、およびブーム流量比演算部Ｆ１５からの入力に基づき、切換弁４０～４７、比例弁４８，４９、およびレギュレータ１２ａ～１５ａへの指令値を演算し、出力する。

次に、本実施例に係る液圧駆動装置３００の動作を説明する。

（１）非操作時
図３において、レバー５１が非操作時は、液圧ポンプ１２～１５は最小傾転角に制御され、切換弁４０～４７は全て閉じられ、ブームシリンダ１およびアームシリンダ３は停止状態で保持される。

（２）アーム押し動作時（水平押出選択時）
図５に、水平押出円弧掘削切換スイッチ５２を介して水平押出モードが選択され、かつレバー５１を介してアーム押し単独動作が指示された場合の、レバー５１の入力、液圧ポンプ１３，１５，１２の吐出流量Ｑｃｐ１３，Ｑｏｐ１５，Ｑｃｐ１２、切換弁４３，４７，４０の開閉状態、およびアームシリンダ３およびブームシリンダ１の速度（シリンダ速度）の変化を示す。

時刻ｔ０から時刻ｔ１にかけて、レバー５１の入力におけるアクチュエータの動作を指示する指令値は全て０であり、アームシリンダ３およびブームシリンダ１は静止している。

時刻ｔ１から時刻ｔ２にかけて、レバー５１の入力におけるアームシリンダ３の伸長動作（アーム押し動作）を指示する指令値（以下、アーム押し指令値）が最大値まで上げられる。

図６は、コントローラ５０の指令演算部Ｆ１３の処理を示すフローチャートである。

まず、ステップＳ１において、コントローラ５０は、レバー５１の入力がアーム押し単独動作であるか否かを判定する。本動作はアーム押し単独動作であるため、ステップＳ２に進む。

ステップＳ２において、コントローラ５０は、水平押出モードが選択されているか否かを判定する。本動作では水平押出モードが選択されているため、ステップＳ３に進む。

ステップＳ３において、コントローラ５０は、ストロークセンサ６０の信号（ブームシリンダ１のストローク）に基づき、ブーム２の姿勢（角度）を演算する。さらに、水平押出動作を行うためのアームシリンダ３のキャップ室３ａへの供給流量に対するブームシリンダ１のキャップ室１ａからの排出流量の比率（流量比α）を演算し、ステップＳ４に進む。

ステップＳ４において、コントローラ５０は、アーム押し指令値に基づき、アームシリンダ３のキャップ室３ａへの供給流量Ｑａを演算する。さらにステップＳ３で求めた流量比αと、アームシリンダ３のキャップ室３ａへの供給流量Ｑａから、ブームシリンダ１のキャップ室１ａからの排出流量Ｑｂを演算し、処理を完了する。

図５に示す通り、時刻ｔ１から時刻ｔ２にかけて、図６に示したステップＳ４で演算したアームシリンダ３のキャップ室３ａへの供給流量Ｑａが液圧ポンプ１３，１５から供給されるように、レギュレータ１３ａ，１５ａを制御する。液圧ポンプ１３をアームシリンダ３に接続するため、時刻ｔ１において切換弁４３を開き、液圧ポンプ１５をアームシリンダ３のキャップ室３ａに接続するため、時刻ｔ１において切換弁４７を開く。

また、図６に示したステップＳ４で演算したブームシリンダ１のキャップ室１ａからの排出流量Ｑｂが液圧ポンプ１２に吸収されるように、液圧ポンプ１２の吐出流量を制御する。液圧ポンプ１２をブームシリンダ１に接続するため、時刻ｔ１において切換弁４０を開く。

上記の通り、アーム単独押し動作のレバー入力に対して、ポンプの吐出流量と切換弁の開閉を制御することにより、アームシリンダ３の伸長速度に対して、ブームシリンダ１の収縮速度を適正に制御し、水平押出動作を実現する。

本実施例では、ブームシリンダ１の収縮に液圧ポンプ１２のみを使用した。液圧ポンプ１２は閉回路ポンプであり、ブーム下げ動作では、ロッド室１ｂの圧力よりキャップ室１ａの圧力が高くなるため、液圧ポンプ１２は吸い込み側が高くなり、油圧モータとして振る舞い動力伝達装置１０に回生トルクを与える。回生されたトルクは、液圧ポンプ１３，１５の駆動に使用することができ、エンジン９の燃料消費量を低減することができる。また、ブーム下げをポンプのみで制御することにより、圧力の影響で流量が変動してしまう弁を用いた制御に対して、流量の制御精度を向上できるため、水平押出の目標軌跡への追従性が向上できる。

本実施例のように、ブームシリンダ１の収縮に液圧ポンプ１２のみを使用する場合、シリンダのキャップ側とロッド側の受圧面積比により生じる余剰流量は、フラッシング弁３４を介して、チャージライン２１２へ排出される。排出流量が増大すると、チャージライン２１２の圧力が増大してしまう。これを防ぐために、時刻ｔ１において、切換弁４４を開き、比例弁４８からタンク２５へ一部の流量を排出してもよい。

（３）アーム押し動作時（円弧掘削選択時）
図７に、水平押出円弧掘削切換スイッチ５２を介して円弧掘削モードが選択され、かつレバー５１を介してアーム押し単独動作が指示された場合の、レバー５１の入力、液圧ポンプ１３，１５，１２の吐出流量Ｑｃｐ１３，Ｑｏｐ１５，Ｑｃｐ１２、切換弁４３，４７，４０の開閉状態、およびアームシリンダ３およびブームシリンダ１の速度（シリンダ速度）の変化を示す。

時刻ｔ１から時刻ｔ２にかけて、レバー５１の入力におけるアーム押し指令値が最大値まで上げられる。

コントローラ５０は、まず、図６に示すステップＳ１において、レバー５１の入力がアーム単独動作であるか否かを判定する。本動作は、アーム押し単独動作であるため、ステップＳ２に進む。

ステップＳ２において、コントローラ５０は、水平押出モードが選択されているか否かを判定する。本動作では円弧掘削モードが選択されているため、ステップＳ５に進む。

ステップＳ５において、コントローラ５０は、アーム押し単独動作のレバー入力に基づき、アームシリンダ３のキャップ室３ａへの供給流量Ｑａを演算し、処理を完了する。

一方で、ブームシリンダ１は駆動しないため、液圧ポンプ１２の吐出流量は０に保たれ、切換弁４０も閉じた状態に保たれる。

上記の通り、アーム押し単独動作のレバー入力に対して、ポンプの吐出流量と切換弁の開閉を制御することにより、アームシリンダ３のみを駆動するため、バケット６はブーム２とアーム４を接続する点を中心に円弧の軌跡で動かされる。

（３）アーム引き動作時
図８に、レバー５１を介してアーム引き動作が指示された場合の、レバー５１の入力、液圧ポンプ１３，１２の吐出流量Ｑｃｐ１３，Ｑｃｐ１２、比例弁４９の通過流量Ｑｐｖ４９、切換弁４３，４７，４０の開閉状態、およびアームシリンダ３の速度（シリンダ速度）の変化を示す。

時刻ｔ１から時刻ｔ２にかけて、レバー５１におけるアームシリンダ３の収縮動作（アーム引き動作）を指示する指令値（以下、アーム引き指令値）が最大値まで上げられる。

コントローラ５０は、まず、図６に示すステップＳ１において、レバー５１の入力がアーム押し単独動作であるか否かを判定する。本レバー入力にはアーム引き動作が含まれるため、ステップＳ６に進む。

ステップＳ６において、コントローラ５０は、レバー入力がアーム引き動作を含むか否かを判定する。本動作はアーム引き単独動作であるため、ステップＳ７に進む。

ステップＳ７において、コントローラ５０は、アーム引き指令値に基づき、アームシリンダ３のロッド室３ｂへの供給流量Ｑｂを演算する。

図８に示す通り、時刻ｔ１から時刻ｔ２にかけて、演算したアームシリンダ３のロッド室３ｂへの供給流量Ｑｂが液圧ポンプ１３から供給されるように、レギュレータ１３ａを制御する。また、アームシリンダ３のキャップ室３ａからの排出流量とロッド室３ｂへの供給流量の差分を補償するように、比例弁４９の通過流量Ｑｐｖ４９を制御する。液圧ポンプ１３をアームシリンダ３に接続するため、時刻ｔ１において切換弁４３を開き、比例弁４９をアームシリンダ３のキャップ室３ａに接続するため、時刻ｔ１において切換弁４７を開く。

一方で、ブームシリンダ１は駆動しないため、液圧ポンプ１２の吐出流量Ｑｃｐ１２は０に保たれ、切換弁４０も閉じた状態に保たれる。

図６に戻り、レバー入力にアーム引き動作以外の動作指示が含まれる場合は、ステップＳ８において、他の動作を指示する指令値に応じた演算および制御を行う。

上記の通り、アーム単独引き動作のレバー入力に対して、ポンプの吐出流量と切換弁の開閉を制御することにより、アームシリンダ３は単独で引き動作を実現する。

本実施例では、ブーム２と、ブーム２に回動可能に取り付けられたアーム４と、アーム４に回動可能に取り付けられたバケット６と、伸長動作によりブーム２を上げ方向に駆動し、収縮動作によりブーム２を下げ方向に駆動するブームシリンダ１と、伸長動作によりアーム４を押出方向に駆動し、収縮動作によりアーム４を引込方向に駆動するアームシリンダ３と、ブーム２およびアーム４の動作を指示する操作装置５１と、ブームシリンダ１に閉回路状に接続可能な両傾転型の第１液圧ポンプ１２と、アームシリンダ３に閉回路状に接続可能な両傾転型の第２液圧ポンプ１３，１５と、操作装置５１の操作に応じて、第１液圧ポンプ１２からブームシリンダ１に供給される圧油の流量、および第２液圧ポンプ１３，１５からアームシリンダ３に供給される圧油の流量を制御するコントローラ５０とを備えた建設機械１００において、ブーム２の角度を検出するブーム角度検出装置６０と、アーム４の押出動作時のバケット６の移動軌跡として円弧軌跡および直線軌跡のいずれか一方を選択するバケット軌跡選択装置５２とを備え、コントローラ５０は、バケット軌跡選択装置５２を介して前記直線軌跡が選択された場合に、操作装置５１を介してアーム４の押出動作の指示が開始された時点でブーム角度検出装置６０により検出されたブーム２の角度であるブーム初期角度θｂ０に応じた一定の流量比αを算出し、操作装置５１を介してアーム４の押出動作が指示され、かつブーム２の動作が指示されていない間、アームシリンダ３のキャップ室３ａに供給される流量Ｑａに流量比αを掛けて得られる流量Ｑｂがブームシリンダ１のキャップ室１ａから排出されるように第１液圧ポンプ１２の吐出流量を制御し、操作装置５１を介してアーム４の引込動作が指示されている間は、バケット軌跡選択装置５２の選択状態に関わらず、操作装置５１の入力に応じた流量がアームシリンダ３のキャップ室３ａから第２液圧ポンプ１３に吸収されるように第２液圧ポンプ１３の吐出流量を制御する。

以上のように構成した本発明によれば、バケット軌跡選択装置５２を介して直線軌跡が選択され、かつ操作装置５１を介してアーム４の押出動作が指示された場合に、ブーム初期角度θｂ０に基づいて一定の流量比αが算出され、操作装置５１を介してアーム４の押出動作が指示され、かつブーム２の動作が指示されていない間、アームシリンダ３のキャップ室３ａに供給される流量に流量比αを掛けて得られる流量がブームシリンダ１のキャップ室１ａから排出されるように第１液圧ポンプ１２の吐出流量が制御される。これにより、オペレータが操作装置を介してアーム４の押出動作を指示するだけでバケット６を直線的に押し出すことが可能となる。

また、本実施例に係る建設機械１００は、アーム４の角度を検出するアーム角度検出装置６１を更に備え、コントローラ５０は、操作装置５１を介してアーム４の押出動作の指示が開始された時点でアーム角度検出装置６１で検出されたアーム４の角度であるアーム初期角度θａ０とブーム初期角度θｂ０とに基づいて流量比αを算出する。これにより、バケット６を直線軌跡に沿って移動させる際のバケット６の高さを調整することが可能となる。

また、ブームシリンダ１とアームシリンダ３とを含む複数の液圧アクチュエータ１，３，５と、第１液圧ポンプ１２と第２液圧ポンプ１３，１５とを含む複数の液圧ポンプ１２～１５と、複数の液圧アクチュエータ１，３，５と複数の液圧ポンプ１２～１５との接続状態を切換可能な複数の切換弁４０～４７とを備える。これにより、油圧閉回路システムを搭載した建設機械１００において、オペレータがアーム４を押出方向に操作するだけでバケット６を直線的に押し出すことが可能となる。

本発明の第２の実施例に係る油圧ショベル１００について、第１の実施例との相違点を中心に説明する。第１の実施例ではバケット６の押出方向を水平方向に限定したが、本実施例は押出方向の角度を変更できるように構成したものである。

図９は、本実施例におけるコントローラ５０の機能ブロック図である。図９において、第１の実施例（図４に示す）との相違点は、バケット６の要求押出角度を指示する押出角度指示装置６２をキャブ１０４（図１に示す）に設け、水平押出円弧掘削切換スイッチ５２および水平押出円弧掘削選択部Ｆ１４に代えて直線押出円弧掘削切換スイッチ５２Ａおよび直線押出円弧掘削選択部Ｆ１４Ａを備えている点である。押出角度指示装置６２からの信号はコントローラ５０の供給流量比演算部Ｆ１５に入力される。

本実施例におけるブーム流量比演算部Ｆ１５は、直線押出円弧掘削選択部Ｆ１４Ａから直線押出モードが入力された場合、ブーム姿勢演算部Ｆ１２ｂ、アーム姿勢演算部Ｆ１２ａ、および押出角度指示装置６２からの入力に基づいて流量比αを演算する。ここで、供給流量比αは、ブーム２の初期姿勢θｂ０、アーム４の初期姿勢θａ０、および要求押出角度θｄより決定される。すなわち、供給流量比αは以下の式（４）で表される。

図１０は、本実施例におけるコントローラ５０の指令演算部Ｆ１３の処理を示すフローチャートである。図１０において、第１の実施例（図６に示す）との相違点は、ステップＳ２，Ｓ３に代えてステップＳ２Ａ，Ｓ３Ａを備えている点である。

ステップＳ２Ａにおいて、コントローラ５０は、直線押出モードが選択されているか否かを判定する。

ステップＳ３Ａにおいて、コントローラ５０は、ストロークセンサ６０の信号（ブームシリンダ１のストローク）に基づき、ブーム２の姿勢（角度）を演算する。さらに、直線押出動作を行うためのアームシリンダ３のキャップ室３ａへの供給流量に対するブームシリンダ１のキャップ室１ａからの排出流量の比率（流量比α）を演算し、ステップＳ４に進む。

本実施例に係る建設機械１００は、バケット６の直線軌跡が地面に対してなす角度である対地角度を指示する押出角度指示装置６２を更に備え、コントローラ５０は、ブーム初期角度θｂ０とアーム初期角度θａ０と前記対地角度とに基づいて流量比αを決定する。

以上のように構成した本実施例に係る建設機械１００によれば、オペレータがアーム４を押出方向に操作するだけでバケット６を所望の角度で直線的に押し出すことが可能となる。

本発明の第３の実施例に係る油圧ショベル１００について、第１の実施例および第２の実施例との相違点を中心に説明する。第１の実施例および第２の実施例ではバケット６の押出動作を中心に述べたが、本実施例は引込動作時の効果について述べるものである。

掘削積込後の油圧ショベル１００は、図１１に示すように、アーム４を押しかつブーム２を上げた姿勢（積込完了姿勢）からアーム４を引いた姿勢（初期姿勢）に戻る動作を行う。

図１２に、図１１に示す積込完了姿勢において、レバー５１を介してアーム引き単独動作が指示された場合の、レバー５１の入力、液圧ポンプ１３の吐出流量Ｑｃｐ１３、比例弁４９の通過流量Ｑｐｖ４９、アームシリンダ３のキャップ室圧力Ｐｃａｐ３，液圧ポンプ１３の吸収トルクＴｃｐ１３、切換弁４３，４７の開閉状態、およびアームシリンダ３の速度（シリンダ速度）の変化を示す。

時刻ｔ１から時刻ｔ２にかけて、レバー５１の入力におけるアーム引き指令値が最大値まで上げられる。

コントローラ５０は、アーム引き指令値に基づき、アームシリンダ３のロッド室３ｂへの供給流量Ｑｂを演算する。

図１２に示す通り、時刻ｔ１から時刻ｔ２にかけて、演算したアームシリンダ３のロッド室３ｂへの供給流量Ｑｂが液圧ポンプ１３から供給されるように、レギュレータ１３ａを制御する。また、アームシリンダ３のキャップ室３ａからの排出流量とロッド室３ｂへの供給流量の差分を補償するように、比例弁４９の通過流量を制御する。液圧ポンプ１３をアームシリンダ３に接続するため、時刻ｔ１において切換弁４３を開き、比例弁４９をアームシリンダ３のキャップ室３ａに接続するため、時刻ｔ１において切換弁４７を開く。

図１２に示す通り、図１１に示す積込完了姿勢から初期姿勢にかけてアームシリンダ３のキャップ室３ａの圧力Ｐｃａｐ３は低下する。図１１に示す積込完了姿勢において、アームシリンダ３のキャップ室３ａの圧力Ｐｃａｐ３は、ロッド室３ｂの圧力より高くなる。従って、液圧ポンプ１３の吸込側（流路２０２）の圧力は、吐出側（流路２０３）の圧力より高くなる。吸込側の圧力が高くなる場合、液圧ポンプ１３は液圧モータとして作用するため、液圧ポンプ１３の吸収トルクＴｃｐ１３は負の値となる。図１２に示す通り、時刻ｔ１から時刻ｔ２にかけて液圧ポンプ１３の吐出流量Ｑｃｐ１３の増加に伴い、液圧ポンプ１３の吸収トルクＴｃｐ１３は負側に増加する。時刻ｔ２以降は、液圧ポンプ１３の吐出流量Ｑｃｐ１３は一定となるが、アーム４の姿勢が変化することにより、アームシリンダ３のキャップ室３ａの圧力Ｐｃａｐ３が減少するため、液圧ポンプ１３の吸収トルクＴｃｐ１３は減少する。

上記の通り、アーム引き動作のレバー入力に対して、ポンプの吐出流量と切換弁の開閉を制御することにより、アームシリンダ３は引き動作を実現する。液圧ポンプ１３は閉回路ポンプであり、アーム引き動作では、ロッド室３ｂの圧力よりキャップ室３ａの圧力Ｐｃａｐ３が高くなるため、液圧ポンプ１３は吸い込み側が高くなり、油圧モータとして振る舞い動力伝達装置１０に回生トルクを与える。回生されたトルクにより、エンジン９の燃料消費量を低減することができる。

なお、本実施例では、アーム引き動作時にキャップ室３ａから排出される作動油の一部を比例弁４９を介してタンク２５に排出し、シリンダ速度の増速を図っているが、比例弁４９を閉じたまま、キャップ室３ａから排出される作動油の全量を液圧ポンプ１３で吸収しても良い。これにより、液圧ポンプ１３による回生トルクを増加させ、他のアクチュエータの駆動に利用することも可能となる。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明は、上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は、本発明を分かり易く説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成に他の実施例の構成の一部を加えることも可能であり、ある実施例の構成の一部を削除し、あるいは、他の実施例の一部と置き換えることも可能である。

１…ブームシリンダ（液圧アクチュエータ）、１ａ…キャップ室、１ｂ…ロッド室、２…ブーム、３…アームシリンダ（液圧アクチュエータ）、３ａ…キャップ室、３ｂ…ロッド室、４…アーム、５…バケットシリンダ（液圧アクチュエータ）、６…バケット、７…旋回装置、８…走行装置、９…エンジン、１０…動力伝達装置、１１…チャージポンプ、１２…液圧ポンプ（第１液圧ポンプ）、１２ａ…レギュレータ、１３…液圧ポンプ（第２液圧ポンプ）、１３ａ…レギュレータ、１４…液圧ポンプ、１４ａ…レギュレータ、１５…液圧ポンプ（第２液圧ポンプ）、１５ａ…レギュレータ、２０…チャージ用リリーフ弁、２１，２２…リリーフ弁、２５…タンク、２６，２７…チャージ用チェック弁、２８ａ，２８ｂ…チャージ用チェック弁、２９ａ，２９ｂ…チャージ用チェック弁、３０ａ，３０ｂ…リリーフ弁、３１ａ，３１ｂ…リリーフ弁、３２ａ，３２ｂ…リリーフ弁、３３ａ，３３ｂ…リリーフ弁、３４，３５…フラッシング弁、４０～４７…切換弁、４８，４９…比例弁、５０…コントローラ、５１…レバー（操作装置）、５２…水平押出円弧掘削切換スイッチ（バケット軌跡選択装置）、５２Ａ…直線押出円弧掘削切替スイッチ（バケット軌跡選択装置）、６０…ストロークセンサ（ブーム角度検出装置）、６１…ストロークセンサ（アーム角度検出装置）、６２…押出角度指示装置、１００…油圧ショベル（建設機械）、１０１…下部走行体、１０２…上部旋回体、１０３…フロント作業装置、１０４…キャブ、２００～２１１，２１３…流路、２１２…チャージライン、３００…液圧駆動装置。

Claims

ブームと、
前記ブームに回動可能に取り付けられたアームと、
前記アームに回動可能に取り付けられたバケットと、
伸長動作により前記ブームを上げ方向に駆動し、収縮動作により前記ブームを下げ方向に駆動するブームシリンダと、
伸長動作により前記アームを押出方向に駆動し、収縮動作により前記アームを引込方向に駆動するアームシリンダと、
前記ブームおよび前記アームの動作を指示する操作装置と、
前記ブームシリンダに閉回路状に接続可能な両傾転型の第１液圧ポンプと、
前記アームシリンダに閉回路状に接続可能な両傾転型の第２液圧ポンプと、
前記操作装置の操作に応じて、前記第１液圧ポンプから前記ブームシリンダに供給される圧油の流量、および前記第２液圧ポンプから前記アームシリンダに供給される圧油の流量を制御するコントローラとを備えた建設機械において、
前記ブームの角度を検出するブーム角度検出装置と、
前記アームの押出動作時の前記バケットの移動軌跡として円弧軌跡および直線軌跡のいずれか一方を選択するバケット軌跡選択装置とを備え、
前記コントローラは、
前記バケット軌跡選択装置を介して前記直線軌跡が選択された場合に、前記操作装置を介して前記アームの押出動作の指示が開始された時点で前記ブーム角度検出装置により検出された前記ブームの角度であるブーム初期角度に応じた一定の流量比を算出し、前記操作装置を介して前記アームの押出動作が指示され、かつ前記ブームの動作が指示されていない間、前記アームシリンダのキャップ室に供給される流量に前記流量比を掛けて得られる流量が前記ブームシリンダのキャップ室から排出されるように前記第１液圧ポンプの吐出流量を制御し、
前記操作装置を介して前記アームの引込動作が指示されている間は、前記バケット軌跡選択装置の選択状態に関わらず、前記操作装置の入力に応じた流量が前記アームシリンダのキャップ室から前記第２液圧ポンプに吸収されるように前記第２液圧ポンプの吐出流量を制御する
ことを特徴とする建設機械。
請求項１に記載の建設機械において、
前記アームの角度を検出するアーム角度検出装置を更に備え、
前記コントローラは、前記操作装置を介して前記アームの押出動作の指示が開始された時点で前記アーム角度検出装置で検出された前記アームの角度であるアーム初期角度と前記ブーム初期角度とに基づいて前記流量比を算出する
ことを特徴とする建設機械。
請求項１に記載の建設機械において、
前記ブームシリンダと前記アームシリンダとを含む複数の液圧アクチュエータと、
前記第１液圧ポンプと前記第２液圧ポンプとを含む複数の液圧ポンプと、
前記複数の液圧アクチュエータと前記複数の液圧ポンプとの接続状態を切換可能な複数の切換弁とを備えた
ことを特徴とする建設機械。
請求項２に記載の建設機械において、
前記直線軌跡が地面に対してなす角度である対地角度を指示する押出角度指示装置を更に備え、
前記コントローラは、前記ブーム初期角度と前記アーム初期角度と前記対地角度とに基づいて前記流量比を決定する
ことを特徴とする建設機械。