JP7252421B2 - 建設機械 - Google Patents

Description

本発明は、油圧ショベル等の建設機械に関する。

特許文献１には、アキュムレータ（蓄圧装置）に蓄えた圧油をブームシリンダに供給し、その分ポンプからブームシリンダに送る流量を低減させることにより、燃費を低減することが出来る流体圧アクチュエータ制御回路が記載されている。

特開２００９－２７５７７１号公報

従来の油圧ショベルではオペレータが繊細な作業を行う場合や、車体の騒音を下げたい場合に、エンジン回転数を下げて作業を行うことがある。エンジン回転数を下げることにより、油圧ポンプからアクチュエータへの圧油の供給量を低下させ、油圧ショベル全体の動作を遅くすることができる。しかし、特許文献１に記載の流体圧アクチュエータ制御回路では、アキュムレータに十分圧油が蓄圧されているときにアキュムレータからアクチュエータに圧油が供給されるため、エンジン回転数を下げてもアキュムレータからアクチュエータへの圧油の供給量は変わらずアクチュエータの速度を落とすことが出来ないという課題があった。

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、アクチュエータの戻り油を蓄える蓄圧装置を搭載し、かつ原動機の回転数に応じてアクチュエータの動作速度を調整できる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、原動機と、前記原動機によって駆動される油圧ポンプと、前記原動機の回転数を設定する回転数設定装置と、アクチュエータと、前記アクチュエータの戻り油を蓄える蓄圧装置と、前記蓄圧装置と前記アクチュエータとを接続する油路に設けられた第１制御弁と、前記アクチュエータの動作を指示する操作装置と、前記操作装置の操作信号が入力され、前記第１制御弁に制御信号を出力するコントローラとを備えた建設機械において、前記コントローラは、前記操作装置の操作量と前記回転数設定装置で設定された回転数とに基づいて前記第１制御弁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、アクチュエータの戻り油を蓄える蓄圧装置を搭載した建設機械において、蓄圧装置がアクチュエータに給排する圧油の流量が原動機の回転数に応じて変化する。これにより、原動機の回転数に応じてアクチュエータの動作速度を調整することが可能となる。

本発明によれば、アクチュエータの戻り油を蓄える蓄圧装置を搭載した建設機械において、原動機の回転数に応じてアクチュエータの動作速度を調整することが可能となる。

本発明の実施の形態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に搭載される油圧駆動装置の回路図である。 図２に示すコントローラの処理内容を示す図である。 エンジン回転数とボトム側制御弁の目標開口量に掛けるゲインとの対応関係を示す図である。

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、本実施の形態に係る油圧ショベルの側面図である。

図１に示すように、油圧ショベル２００は、走行体２０１と、走行体２０１上に旋回可能に配置され、車体を構成する旋回体２０２と、旋回体２０２に上下方向に回動可能に取り付けられ、土砂の掘削作業等を行う作業装置２０３とを備えている。旋回体２０２は、旋回モータ２０４によって駆動される。

作業装置２０３は、旋回体２０２に上下方向に回動可能に取り付けられるブーム２０５と、ブーム２０５の先端に上下方向に回動可能に取り付けられるアーム２０６と、アーム２０６の先端に上下方向に回動可能に取り付けられるバケット２０７とを含んでいる。ブーム２０５はブームシリンダ１によって駆動され、アーム２０６はアームシリンダ２０８によって駆動され、バケット２０７はバケットシリンダ２０９によって駆動される。

旋回体２０２上の前側位置には運転室２１０を設けてあり、後側位置には重量バランスを確保するカウンタウエイト２１１を設けてある。運転室２１０とカウンタウエイト２１１の間には機械室２１２を設けてある。機械室２１２には、原動機としてのエンジン、油圧ポンプ、コントロールバルブ２１３等が収容される。コントロールバルブ２１３は、油圧ポンプから各アクチュエータへ供給される圧油の流れを制御する。なお、本発明における原動機はエンジンに限られず、インバータを介して回転数を調整可能なモータであっても良い。

図２は、油圧ショベル２００に搭載される油圧駆動装置の回路図である。

ブーム操作レバー５は、オペレータがブーム２０５の動作を指示するための操作装置であり、ブーム上げ方向に操作されたときはブーム上げパイロット圧Ｐｕを出力し、ブーム下げ方向に操作されたときはブーム下げパイロット圧Ｐｄを出力する。ブーム下げパイロット圧Ｐｄは、後述するパイロットチェック弁１０および昇圧用制御弁９に作用する。ブーム下げパイロット圧Ｐｄは圧力センサ１１により検出され、ブーム上げパイロット圧Ｐｕは圧力センサ１２により検出される。圧力センサ１１，１２の信号はコントローラ８に入力される。

作業モード切換スイッチ６は、オペレータが作業モードを選択するための操作装置であり、作業モード切換スイッチ６の信号はコントローラ８に入力される。エンジン回転数ダイヤル７は、オペレータがエンジン２０の回転数を設定するための操作装置であり、エンジン回転数ダイヤル７の信号はコントローラ８に入力される。オペレータは、エンジン回転数ダイヤル７を介してエンジン回転数を変更することにより、油圧ショベル２００の動作速度を調整することができる。

アキュムレータ４は、ブームシリンダ１の収縮時にボトム側からの戻り油を蓄え、ブームシリンダ１の伸長時にボトム側に圧油を供給する油圧機器である。アキュムレータ４とボトム側油室１ａとはボトム側油路３０を介して接続されており、ボトム側油路３０には制御弁２（以下、ボトム側制御弁）が配置されている。ボトム側制御弁２は、コントローラ８からの制御信号に応じて開口量を変化させることにより、アキュムレータ４からブームシリンダ１のボトム側油室１ａに供給される流量、または、ボトム側油室１ａからアキュムレータ４に回生される流量（回生流量）を制御する。

ボトム側油路３０のうちボトム側制御弁２とボトム側油室１ａとを接続する油路部分には、パイロットチェック弁１０が配置されている。パイロットチェック弁１０は、ブーム下げパイロット圧Ｐｄが作用していないときはボトム側油室１ａからの圧油の流出を阻止し、ブーム下げパイロット圧Ｐｄが作用しているときはボトム側油室１ａからの圧油の流出を許可する。これにより、ブーム操作レバー５がブーム下げ方向に操作されない限りボトム圧が保持されるため、オペレータに意図に反してブーム２０５が落下することを防止することができる。

ブームシリンダ１のロッド側油室１ｂは、ロッド側油路３１を介して作動油タンク１４に接続されている。ロッド側油路３１には制御弁３（以下、ロッド側制御弁）が配置されている。ロッド側制御弁３は、コントローラ８からの制御信号に応じて開口量を調整することにより、ブームシリンダ１のロッド側油室１ｂから作動油タンク１４に排出される流量を制御する。

ボトム側油路３０のうちパイロットチェック弁１０とボトム側制御弁２とを接続する油路部分は、連通油路３２を介して、ロッド側油路３１のうちロッド側油室１ｂとロッド側制御弁３とを接続する油路部分に接続されている。連通油路３２には昇圧用制御弁９が配置されている。昇圧用制御弁９は、ブーム下げパイロット圧Ｐｄが作用していないときは閉じており、ブーム下げパイロット圧Ｐｄが作用することにより開く。ブーム下げ動作時に昇圧用制御弁９を介してボトム側油路３０をロッド側油路３１に連通させることにより、ボトム圧を昇圧することができる。

ブーム操作レバー５がブーム下げ方向に操作され、ブーム操作レバー５からブーム下げパイロット圧Ｐｄが出力されると、コントローラ８はボトム側制御弁２を開く。この時、ブーム下げパイロット圧Ｐｄによってパイロットチェック弁１０の圧力保持機能が解除され、かつ昇圧用制御弁９が開いてブームシリンダ１のボトム側が昇圧される。これにより、ブームシリンダ１のボトム側油室１ａの圧油がアキュムレータ４およびロッド側油室１ｂに供給され、ブームシリンダ１が収縮動作する。

ブーム操作レバー５がブーム上げ方向に操作され、ブーム操作レバー５からブーム上げパイロット圧Ｐｕが出力されると、コントローラ８はボトム側制御弁２およびロッド側制御弁３を開く。この時、昇圧用制御弁９は閉じており、ブームシリンダ１のボトム側は昇圧されていない。これにより、アキュムレータ４の圧油がブームシリンダ１のボトム側油室１ａに供給されると共にロッド側油室１ｂの作動油がロッド側制御弁３を介して作動油タンク１４に排出され、ブームシリンダ１が伸長動作する。

油圧ポンプ１３は、アキュムレータ４や図示しない他のアクチュエータに圧油を供給するための油圧機器であり、エンジン２０によって駆動される。油圧ポンプ１３の吐出ポートは、チャージ用制御弁１８を介して作動油タンク１４またはアキュムレータ４のいずれか一方に接続される。チャージ用制御弁１８は、コントローラ８からの制御信号に応じて切り換わる。アキュムレータ４の圧力は圧力センサ１９により検出され、圧力センサ１９の信号はコントローラ８に入力される。コントローラ８は、アキュムレータ４の圧力に応じてチャージ用制御弁１８を切り換えることにより、アキュムレータ４の圧力を保持することができる。

図３は、コントローラ８の処理内容を示す図である。

図３において、圧力センサ信号１１２は、圧力センサ１２で検出したブーム上げパイロット圧Ｐｕ（ブーム上げ操作量）に応じてコントローラ８に入力される信号である。圧力センサ信号１１１は、圧力センサ１１で検出したブーム下げパイロット圧Ｐｄ（ブーム下げ操作量）に応じてコントローラ８に入力される信号である。エンジン回転数ダイヤル信号１０７は、エンジン回転数ダイヤル７で設定されたエンジン回転数に応じてコントローラ８に入力される信号である。作業モード切換スイッチ信号１０６は、作業モード切換スイッチ６で選択された作業モードに応じてコントローラ８に入力される信号である。圧力センサ信号１１９は、圧力センサ１９で検出したアキュムレータ４の圧力に応じてコントローラ８に入力される信号である。

関数発生部１２０は、圧力センサ信号１１２（ブーム上げ操作量）をロッド側制御弁３の目標開口量に変換し、出力変換部１２１に出力する。出力変換部１２１は、関数発生部１２０からの目標開口量に応じた制御信号をロッド側制御弁３に出力する。これにより、ブーム上げ操作量に応じてロッド側制御弁３が開口し、ブームシリンダ１のロッド側の作動油が作動油タンク１４に排出される。

関数発生部１２２は、圧力センサ信号１１２（ブーム上げ操作量）をボトム側制御弁２の目標開口量に変換し、乗算部１２３に出力する。関数発生部１２４は、圧力センサ信号１１１（ブーム下げ操作量）をボトム側制御弁２の目標開口量に変換し、乗算部１２５に出力する。関数発生部１２６は、エンジン回転数ダイヤル信号１０７（エンジン回転数）および作業モード切換スイッチ信号１０６（作業モード）に応じたゲインを乗算部１２３，１２５に出力する。

図４は、エンジン回転数および作業モードとゲインとの対応関係を示す図である。本実施例における関数発生部１１０には３つの特性ａ，ｂ，ｃが設定されている。関数発生部１１０は、作業モードに応じて特性ａ，ｂ，ｃのいずれかを選択する。例えば作業効率重視の作業モードでは特性ａを選択し、省エネ重視の作業モードでは特性ｂ，ｃを選択する。特性ａのゲインは、エンジン回転数に応じて下限値（例えば０．３）から上限値（１．０）まで連続的に増加する。特性ｂのゲインは、エンジン回転数に応じて最小値（０．３）から所定の上限値（例えば０．９）まで連続的に増加する。特性ｃのゲインは、エンジン回転数に応じて下限値（０．３）から所定の上限値（例えば０．８）まで連続的に増加する。このようにエンジン回転数に応じてゲインを変化させることにより、エンジン回転数に応じてブーム操作レバー５の操作量に対するボトム側制御弁２の開口量の感度を調整することができる。また、作業モードに応じてゲインの上限値を変化させることにより、作業モードに応じてアクチュエータの最大動作速度を規制することができる。

図３に戻り、乗算部１２３は、関数発生部か１２２からの目標開口量に関数発生部１２６からのゲインを掛け、最大値選択部１２７に出力する。乗算部１２５は、関数発生部１２４からの目標開口量に関数発生部１２６からのゲインを掛け、最大値選択部１２７に出力する。最大値選択部１２７は、乗算部１２３からの目標開口量と乗算部１２５からの目標開口量のうち大きい方を選択し、出力変換部１２８に出力する。出力変換部１２８は、最大値選択部１２７からの目標開口量に応じた制御弁制御信号１０２をボトム側制御弁２に出力する。これにより、ブーム操作レバー５がブーム上げ方向に操作されたときは、ブーム上げ操作量に応じてボトム側制御弁２が開口し、アキュムレータ４の圧油がブームシリンダ１のボトム側に供給される。一方、ブーム操作レバー５がブーム下げ方向に操作されたときは、ブーム下げ操作量に応じてボトム側制御弁２が開口し、昇圧用制御弁９が開くことで昇圧されたブームシリンダ１のボトム側の圧油の一部がアキュムレータ４に蓄えられ、残りの一部がブームシリンダ１のロッド側に供給される。

関数発生部１２９は、圧力センサ信号１１９（アキュムレータ４の圧力）をチャージ用制御弁１８のＯＮ／ＯＦＦ位置に変換し、出力変換部１３０に出力する。具体的には、アキュムレータ４の圧力が所定の値を下回るときはＯＮ位置を出力し、所定の値以上のときはＯＦＦ位置を出力する。出力変換部１３０は、関数発生部１２９からのＯＮ／ＯＦＦ位置に応じた制御弁制御信号をチャージ用制御弁１８に出力する。これにより、アキュムレータ４の圧力が所定の値を下回ると、油圧ポンプ１３によってアキュムレータ４が蓄圧される。

本実施の形態では、エンジン２０と、エンジン２０の回転数を設定するための回転数設定装置７と、アクチュエータ１と、アクチュエータ１からの戻り油を蓄える蓄圧装置４と、蓄圧装置４とアクチュエータ１とを接続する油路３０に設けられた第１制御弁２と、アクチュエータ１の動作を指示するための操作装置５と、操作装置５の操作信号が入力され、第１制御弁２に制御信号を出力するコントローラ８とを備えた建設機械２００において、コントローラ８は、操作装置５の操作量と回転数設定装置７で設定された回転数とに基づいて第１制御弁２を制御する。

以上のように構成した本実施の形態によれば、アクチュエータ１の戻り油を蓄える蓄圧装置４を搭載した建設機械２００において、蓄圧装置４がアクチュエータ１に給排する圧油の流量が原動機２０の回転数に応じて変化する。これにより、原動機２０の回転数に応じてアクチュエータ１の動作速度を調整することが可能となり、原動機２０の回転数を下げて作業を行う際に、蓄圧装置４から圧油を供給されるアクチュエータ１と油圧ポンプ１３から圧油を供給される他のアクチュエータとの速度バランスを維持することができる。

また、本実施の形態に係る建設機械２００は、作動油タンク１４と、原動機２０によって駆動され、作動油タンク１４から作動油を吸い込んで吐出する油圧ポンプ１３と、蓄圧装置４の圧力を検出する圧力センサ１９と、コントローラ８からの制御信号に応じて油圧ポンプ１３の吐出ポートを作動油タンク１４および蓄圧装置４のいずれか一方に接続する第２制御弁１８とを備え、コントローラ８は、圧力センサ１９で検出した圧力が所定の圧力以上のときに油圧ポンプ１３の吐出ポートが作動油タンク１４に接続され、圧力センサ１９で検出した圧力が前記所定の圧力を下回ったときに油圧ポンプ１３の吐出ポートが蓄圧装置４に接続されるように第２制御弁１８に制御信号を出力する。これにより、蓄圧装置４の圧力が所定の圧力以上に保持されるため、任意のタイミングでアクチュエータ１を駆動することが可能となる。

また、本実施の形態に係る建設機械２００は、ブーム２０５を備え、アクチュエータ１は、ブーム２０５を駆動するブームシリンダである。これにより、オペレータは、回転数設定装置７を介して原動機２０の回転数を変更することにより、ブームシリンダ１の動作速度を調整することができる。

また、本実施の形態において、原動機２０はエンジンであり、回転数設定装置７は、エンジン２０の回転数を設定するエンジン回転数ダイヤルであり、操作装置５の操作量に応じた第１制御弁２の開口量にエンジン回転数ダイヤル７で設定された回転数に応じたゲインを乗じることにより前記目標開口量を算出する。これにより、エンジン回転数ダイヤル７の操作を介してアクチュエータ１の動作速度を調整することができる。

また、本実施の形態に係る建設機械２００は、作業モードを選択するための作業モード選択装置６を備え、コントローラ８は、作業モード選択装置６で選択された作業モードに応じて前記ゲインの上限値を変更する。これにより、オペレータは、作業モード選択装置６を介して選択した作業モードに応じてアクチュエータ１の最大動作速度を制限することができる。

なお、本実施例では、ボトム側制御弁２およびロッド側制御弁３を目標開口量に応じた制御信号で制御する構成としたが、ボトム側制御弁２およびロッド側制御弁３には、目標流量に応じた制御信号で制御されるフローコントロールバルブを用いることができる。その場合、コントローラ８は、目標開口量に応じた制御信号に代えて、目標流量に応じた制御信号をボトム側制御弁２およびロッド側制御弁３に出力するように構成される。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明は、上記した実施の形態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、上記した実施の形態は、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。

１…ブームシリンダ（アクチュエータ）、２…ボトム側制御弁（第１制御弁）、３…ロッド側制御弁、４…アキュムレータ（蓄圧装置）、５…ブーム操作レバー（操作装置）、６…作業モード切換スイッチ（作業モード選択装置）、７…エンジン回転数ダイヤル（回転数設定装置）、８…コントローラ、９…制御弁、１０…パイロットチェック弁、１１…圧力センサ、１２…圧力センサ、１３…油圧ポンプ、１４…作動油タンク、１８…チャージ用制御弁（第２制御弁）、１９…圧力センサ、２０…エンジン（原動機）、３０…ボトム側油路、３１…ロッド側油路、３２…連通油路、１０２…制御弁制御信号、１０３…制御弁制御信号、１０６…作業モード切換スイッチ信号、１０７…エンジン回転数ダイヤル信号、１１１，１１２…圧力センサ信号、１１８…制御弁制御信号、１１９…圧力センサ信号、１２０，１２２，１２４，１２６，１２９…関数発生部、１２１，１２８，１３０…出力変換部、１２３，１２５…乗算部、１２７…最大値選択部、２００…油圧ショベル（建設機械）、２０１…走行体、２０２…旋回体、２０３…作業装置、２０４…旋回モータ、２０５…ブーム、２０６…アーム、２０７…バケット、２０８…アームシリンダ、２０９…バケットシリンダ、２１０…運転室、２１１…カウンタウエイト、２１２…機械室、２１３…コントロールバルブ。

Claims (6)

1. 原動機と、
   前記原動機の回転数を設定するための回転数設定装置と、
   アクチュエータと、
   前記アクチュエータの戻り油を蓄える蓄圧装置と、
   前記蓄圧装置と前記アクチュエータとを接続する油路に設けられた第１制御弁と、
   前記アクチュエータの動作を指示するための操作装置と、
   前記操作装置の操作信号が入力され、前記第１制御弁に制御信号を出力するコントローラとを備えた建設機械において、
   前記コントローラは、前記操作装置の操作量と前記回転数設定装置で設定された回転数とに基づいて前記第１制御弁を制御する
   ことを特徴とする建設機械。
2. 請求項１に記載の建設機械において、
   前記コントローラは、前記操作装置の操作量と前記回転数設定装置で設定された回転数とに基づいて前記第１制御弁の目標開口量を算出し、前記目標開口量に応じた制御信号を前記第１制御弁に出力する
   ことを特徴とする建設機械。
3. 請求項１に記載の建設機械において、
   作動油タンクと、
   前記原動機によって駆動され、前記作動油タンクから作動油を吸い込んで吐出する油圧ポンプと、
   前記蓄圧装置の圧力を検出する圧力センサと、
   前記コントローラからの制御信号に応じて前記油圧ポンプの吐出ポートを前記作動油タンクおよび前記蓄圧装置のいずれか一方に接続する第２制御弁とを備え、
   前記コントローラは、前記圧力センサで検出した圧力が所定の圧力以上のときに前記油圧ポンプの吐出ポートが前記作動油タンクに接続され、前記圧力センサで検出した圧力が所定の圧力を下回ったときに前記油圧ポンプの吐出ポートが前記蓄圧装置に接続されるように前記第２制御弁に制御信号を出力する
   ことを特徴とする建設機械。
4. 請求項１に記載の建設機械において、
   ブームを備え、
   前記アクチュエータは、前記ブームを駆動するブームシリンダである
   ことを特徴とする建設機械。
5. 請求項２に記載の建設機械において、
   前記原動機はエンジンであり、
   前記回転数設定装置は、前記エンジンの回転数を設定するエンジン回転数ダイヤルであり、
   前記コントローラは、前記操作装置の操作量に応じた前記第１制御弁の開口量に前記エンジン回転数ダイヤルで設定された回転数に応じたゲインを乗じることにより前記目標開口量を算出する
   ことを特徴とする建設機械。
6. 請求項５に記載の建設機械において、
   作業モードを選択するための作業モード選択装置を備え、
   前記コントローラは、前記作業モード選択装置で選択された作業モードに応じて前記ゲインの上限値を変更する
   ことを特徴とする建設機械。

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