JP7253478B2

JP7253478B2 - 作業機械

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Publication number: JP7253478B2
Application number: JP2019174623A
Authority: JP
Inventors: 孝昭千葉; 賢人熊谷; 勇佑今井
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 2019-09-25
Filing date: 2019-09-25
Publication date: 2023-04-06
Anticipated expiration: 2039-09-25
Also published as: CN113544389A; EP3919755A1; US20220127823A1; KR20210124388A; JP2021050786A; CN113544389B; KR102582557B1; EP3919755A4; WO2021059775A1

Description

本発明は、作業機械に関する。

作業機械として、油圧アクチュエータを駆動する圧油を供給するメイン油圧ポンプと、油圧アクチュエータへ供給する圧油の流量を制御する流量制御弁と、流量制御弁を駆動するための圧油を供給するパイロット油圧ポンプとを備えた油圧ショベルが広く知られている。このような作業機械において、メイン油圧ポンプとパイロット油圧ポンプは１つのエンジン（すなわち、原動機）によって駆動されており、パイロット油圧ポンプは固定容量型油圧ポンプであることが一般的である。そして、油圧アクチュエータを駆動していない場合でもパイロット油圧ポンプがエンジンの回転数に応じて圧油を供給するため、エネルギーを無駄に消費する問題があった。

この問題を解決するために、様々な技術が提案されている。例えば特許文献１では、メイン油圧ポンプを駆動する原動機とは別にパイロット油圧ポンプを駆動する電動モータを設け、油圧アクチュエータの操作信号に応じてパイロット油圧ポンプと直結した電動モータの始動と停止が制御される作業機械が開示されている。この作業機械によれば、油圧アクチュエータの操作信号が無い場合は電動モータが停止するので、パイロット油圧ポンプによる無駄なエネルギーの消費を抑えることが可能になる。

また、特許文献２では、圧力補償型の可変容量パイロット油圧ポンプを備える作業機械が開示されている。この作業機械によれば、パイロット油圧ポンプの消費トルクが一定になるようにパイロット油圧ポンプの吐出圧に応じて吐出流量が制御されるので、油圧アクチュエータの操作が無い場合、すなわちパイロット油圧ポンプの吐出流量が不要の場合のエネルギー消費を低減することができる。

特許第４６０１６３５号公報特開２０１７－０６１７９５号公報

しかしながら、上述の作業機械では、以下の問題点がある。すなわち、特許文献１の作業機械では、油圧アクチュエータの操作信号が入力されてからパイロット油圧ポンプに直結した電動モータが始動するので、電動モータの回転数が上昇するまではパイロット油圧ポンプの吐出圧が上昇しない。このため、油圧アクチュエータの応答性が低下し、操作性を損なう可能性がある。また、操作信号に応じて電動モータは始動と停止の動作のみを行うので、油圧アクチュエータ操作時にパイロット油圧ポンプから余剰な吐出流量を供給してしまい、結果としてはエネルギーを無駄に消費することになる。

また、特許文献２の作業機械において、圧力補償型の可変容量パイロット油圧ポンプでは、油圧アクチュエータの操作によって流量制御弁が駆動され、パイロット油圧ポンプの吐出圧が低下してからパイロット油圧ポンプの供給流量が上昇するため、可変容量パイロット油圧ポンプの応答性によっては、一時的に油圧アクチュエータ動作の減速または停止が発生し、操作性を悪化させる可能性がある。

上述の事情に鑑みて、本発明は、パイロット油圧ポンプで消費されるエネルギーを低減できるとともに、良好な操作性を維持できる作業機械を提供することを目的とする。

本発明に係る作業機械は、原動機と、前記原動機により駆動される少なくとも一つのメイン油圧ポンプと、前記メイン油圧ポンプから吐出された圧油により駆動される複数の油圧アクチュエータと、前記メイン油圧ポンプから前記油圧アクチュエータに供給される圧油の流量を制御する複数の流量制御弁と、前記流量制御弁を駆動するための圧油を供給するパイロット油圧ポンプと、前記パイロット油圧ポンプの吐出流量を制御する制御装置とを備える作業機械において、前記制御装置は、前記パイロット油圧ポンプの吐出流量を、前記流量制御弁への制御指令に応じて決定される要求パイロット流量と予め設定されたスタンバイ流量との和になるように制御することを特徴としている。

本発明に係る作業機械によれば、パイロット油圧ポンプのエネルギー消費を低減することが可能である。加えて、油圧アクチュエータの駆動に必要なパイロット流量よりもスタンバイ流量だけ多いパイロット流量をパイロット油圧ポンプから供給するため、油圧アクチュエータの応答遅れやパイロット流量の供給不足による油圧アクチュエータの一時的な減速や停止を防止することができ、良好な操作性を維持することが可能である。

本発明によれば、パイロット油圧ポンプで消費されるエネルギーを低減できるとともに、良好な操作性を維持することができる。

第１実施形態に係る油圧ショベルを示す側面図である。第１実施形態に係る油圧ショベルのシステムを示す構成図である。第１実施形態に係る油圧ショベルの油圧回路を示す図である。油圧アクチュエータ及び流量制御弁の油圧回路を説明するための図である。パイロット油圧ポンプの制御に関わる制御装置を示すブロック図である。要求パイロット流量演算部の演算を説明するための図である。流量制御弁の制御指令と要求パイロット流量の関係を示す図である。パイロット油圧ポンプの吐出流量の時系列変化を示す図である。第２実施形態に係る油圧ショベルのシステムを示す構成図である。パイロット油圧ポンプの制御に関わる制御装置を示すブロック図である。第３実施形態に係る油圧ショベルのシステムを示す構成図である。第３実施形態に係る油圧ショベルの油圧回路を示す図である。パイロット油圧ポンプの制御に関わる制御装置を示すブロック図である。制御装置の制御処理を示すフロー図である。パイロット油圧ポンプの吐出流量の時系列変化を示す図である。第４実施形態に係る油圧ショベルのシステムを示す構成図である。パイロット油圧ポンプの制御に関わる制御装置を示すブロック図である。

以下、図面を参照して本発明に係る作業機械の実施形態について説明する。図面の説明において同一の要素には同一符号を付し、重複説明は省略する。また、以下の説明において、作業機械が油圧ショベルである例を挙げて説明するが、本発明は油圧ショベルに限定されず、油圧ショベル以外の作業機械にも適用される。更に、以下の説明において、上下、左右、前後の方向及び位置は、油圧ショベルの通常の使用状態、すなわち走行体が地面に接地する状態を基準とする。

[第１実施形態]
図１は第１実施形態に係る油圧ショベルを示す側面図である。本実施形態に係る油圧ショベル１は、左右側部のそれぞれに設けられる履帯を駆動させて走行する走行体２と、走行体２の上部に旋回可能に設けられる旋回体３とを備えている。旋回体３は、運転室４、機械室５、カウンタウェイト６及び作業機７を有する。運転室４は、旋回体３の左側部に設けられている。機械室５は、運転室４の後方に設けられている。カウンタウェイト６は、機械室５の後方、すなわち旋回体３の最後部に設けられている。

作業機７は、ブーム８、アーム９、バケット１０、ブーム８を駆動するためのブームシリンダ１１ａ、アーム９を駆動するためのアームシリンダ１１ｂ、及びバケット１０を駆動するためのバケットシリンダ１１ｃを有する。ブーム８の基端部は、ブームピンを介して旋回体３の前部に回動可能に取り付けられている。アーム９の基端部は、アームピンを介してブーム８の先端部に回動可能に取り付けられている。バケット１０の基端部は、バケットピンを介してアーム９の先端部に回動可能に取り付けられている。

ブームシリンダ１１ａと、アームシリンダ１１ｂと、バケットシリンダ１１ｃとは、それぞれ圧油によって駆動される油圧アクチュエータである。従って、以下の説明ではブームシリンダ１１ａを「油圧アクチュエータ１１ａ」、アームシリンダ１１ｂを「油圧アクチュエータ１１ｂ」、バケットシリンダ１１ｃを「油圧アクチュエータ１１ｃ」という。

旋回体３の中央部には、旋回モータ１１ｄが設置されている（図４参照）。旋回モータ１１ｄを駆動すると、旋回体３は走行体２に対して回転することになる。また、走行体２には右走行モータ１１ｅと左走行モータ１１ｆとがそれぞれ設置されている（図４参照）。これらの走行モータを駆動すると、左右の履帯がそれぞれ駆動される。これによって、走行体２は前進又は後進することができる。旋回モータ１１ｄ、右走行モータ１１ｅ及び左走行モータ１１ｆは、それぞれ圧油によって駆動される油圧アクチュエータである。従って、以下の説明では旋回モータ１１ｄを「油圧アクチュエータ１１ｄ」、右走行モータ１１ｅを「油圧アクチュエータ１１ｅ」、左走行モータ１１ｆを「油圧アクチュエータ１１ｆ」という。

また、機械室５の内部には、エンジン１６、メイン油圧ポンプ１７及びパイロット油圧ポンプ１８がそれぞれ設置されている（図２参照）。メイン油圧ポンプ１７とパイロット油圧ポンプ１８とは、それぞれエンジン（原動機）１６によって駆動される。なお、メイン油圧ポンプ１７とパイロット油圧ポンプ１８とは、電動機（原動機）によってそれぞれ駆動されても良い。

図２は第１実施形態に係る油圧ショベルのシステムを示す構成図である。図２に示すように、油圧アクチュエータ１１ａ～１１ｆは、メイン油圧ポンプ１７によって吐出され、更に流量制御弁２５ａ～２５ｆを通して供給された圧油によって駆動される。流量制御弁２５ａ～２５ｆは、メイン油圧ポンプ１７から各油圧アクチュエータ１１ａ～１１ｆへ供給する圧油の流量を制御するためのものであり、操作装置１４から出力された制御パイロット圧によって駆動される。

メイン油圧ポンプ１７とパイロット油圧ポンプ１８とは、エンジン１６によって駆動される可変容量型の油圧ポンプであり、制御装置１５からの制御指令によってメイン油圧ポンプ１７及びパイロット油圧ポンプ１８の押しのけ容積（ポンプ傾転）がそれぞれ制御されている。より具体的には、制御装置１５からの制御信号がレギュレータ１７ａに送られ、レギュレータ１７ａがメイン油圧ポンプ１７の傾転を制御することによりメイン油圧ポンプ１７の吐出流量が調整される。同様に、制御装置１５からの制御信号がレギュレータ１８ａに送られ、レギュレータ１８ａがパイロット油圧ポンプ１８の傾転を制御することによりパイロット油圧ポンプ１８の吐出流量が調整される。そして、メイン油圧ポンプ１７は流量制御弁２５ａ～２５ｆに圧油を供給し、パイロット油圧ポンプ１８は操作装置１４にパイロット圧油を供給する。

操作装置１４は、油圧式のパイロットレバーであり、パイロットレバーの操作量に応じてパイロット油圧ポンプ１８から供給されたパイロット圧油を減圧し、各流量制御弁２５ａ～２５ｆへ制御パイロット圧を出力する。また、詳細内容は後述するが、油圧式のパイロットレバーには、操作量検出装置が取り付けられている。操作量検出装置は、操作装置１４の操作量を検出し、その検出結果を制御装置１５に出力する。

制御装置１５は、操作量検出装置の検出結果に基づき、操作装置１４から出力された各操作量から流量制御弁２５ａ～２５ｆへの制御指令を演算し、流量制御弁２５ａ～２５ｆへの制御指令とエンジン１６から出力されたエンジン回転数からメイン油圧ポンプ１７及びパイロット油圧ポンプ１８の制御量をそれぞれ演算し、出力する。

図３は第１実施形態に係る油圧ショベルの油圧回路を示す図である。図３に示すように、操作装置１４は、ブーム操作レバー２２ａと、アーム操作レバー２２ｂと、バケット操作レバー２２ｃと、旋回操作レバー２２ｄと、右走行操作レバー２２ｅと、左走行操作レバー２２ｆとからなる。ブーム操作レバー２２ａにはその操作量を検出するためのブーム操作量検出装置２３ａが、アーム操作レバー２２ｂにはその操作量を検出するためのアーム操作量検出装置２３ｂが、バケット操作レバー２２ｃにはその操作量を検出するためのバケット操作量検出装置２３ｃが、旋回操作レバー２２ｄにはその操作量を検出するための旋回操作量検出装置２３ｄが、右走行操作レバー２２ｅにはその操作量を検出するための右走行操作量検出装置２３ｅが、左走行操作レバー２２ｆにはその操作量を検出するための左走行操作量検出装置２３ｆがそれぞれ取り付けられている。各操作量検出装置２３ａ～２３ｆは、その検出した結果を制御装置１５に出力する。なお、各操作量検出装置２３ａ～２３ｆは、各操作レバー２２ａ～２２ｆの駆動量を電気的に計測するポテンショメータやストロークセンサなどの装置であっても良く、各操作レバー２２ａ～２２ｆの操作結果によって生じる制御パイロット圧を検出する圧力センサであっても良い。

図示しないが、操作レバー２２ａ～２２ｆには、パイロットバルブがそれぞれ設けられている。パイロットバルブは、操作レバー２２ａ～２２ｆの操作方向と操作量に応じてパイロット油圧ポンプ１８から供給されたパイロット圧油を減圧し、制御パイロット圧を流量制御弁２５ａ～２５ｆに出力する。

より具体的には、ブーム操作レバー２２ａからはブーム下げ制御パイロット圧２４ａとブーム上げ制御パイロット圧２４ｂが、アーム操作レバー２２ｂからはアームダンプ制御パイロット圧２４ｃとアームクラウド制御パイロット圧２４ｄが、バケット操作レバー２２ｃからはバケットダンプ制御パイロット圧２４ｅとバケットクラウド制御パイロット圧２４ｆが、旋回操作レバー２２ｄからは旋回右制御パイロット圧２４ｇと旋回左制御パイロット圧２４ｈが、右走行操作レバー２２ｅからは右走行前進制御パイロット圧２４ｉと右走行後進制御パイロット圧２４ｊが、左走行操作レバー２２ｆからは左走行前進制御パイロット圧２４ｋと左走行後進制御パイロット圧２４ｌが、それぞれ出力される。

また、パイロット油圧ポンプ１８の吐出油路の途中には、リリーフバルブ２１が設けられている。このリリーフバルブ２１は、パイロット圧油がリリーフバルブ２１の設定圧以上に上昇することを防止する。

図４は油圧アクチュエータ及び流量制御弁の油圧回路を説明するための図である。上述したように、油圧アクチュエータ１１ａ～１１ｆは、メイン油圧ポンプ１７によって吐出されて更に流量制御弁２５ａ～２５ｆを通して供給された圧油によって駆動される。流量制御弁２５ａ～２５ｆのうち、２５ａはブーム流量制御弁、２５ｂはアーム流量制御弁、２５ｃはバケット流量制御弁、２５ｄは旋回流量制御弁、２５ｅは右走行流量制御弁、２５ｆは左走行流量制御弁である。

すなわち、ブーム流量制御弁２５ａは油圧アクチュエータ（すなわち、ブームシリンダ）１１ａへ供給される圧油の流量を、アーム流量制御弁２５ｂは油圧アクチュエータ（すなわち、アームシリンダ）１１ｂへ供給される圧油の流量を、バケット流量制御弁２５ｃは油圧アクチュエータ（すなわち、バケットシリンダ）１１ｃへ供給される圧油の流量を、旋回流量制御弁２５ｄは油圧アクチュエータ（すなわち、旋回モータ）１１ｄへ供給される圧油の流量を、右走行流量制御弁２５ｅは油圧アクチュエータ（すなわち、右走行モータ）１１ｅへ供給される圧油の流量を、左走行流量制御弁２５ｆは油圧アクチュエータ（すなわち、左走行モータ）１１ｆへ供給される圧油の流量を、それぞれ制御する。

例えば、ブーム流量制御弁２５ａは、操作装置１４から出力されたブーム下げ制御パイロット圧２４ａまたはブーム上げ制御パイロット圧２４ｂによって駆動されている。例えば、ブーム流量制御弁２５ａにブーム下げ制御パイロット圧２４ａが作用した場合、ブーム流量制御弁２５ａは図４中の右方向に駆動する。これによって、メイン油圧ポンプ１７から供給された圧油はブームシリンダ１１ａのロッド室側に供給され、ブームシリンダ１１ａのボトム室側の油はタンクに排出される。その結果、ブームシリンダ１１ａは縮み方向に動作し、ブーム８は下げ方向に動作する。

一方、ブーム流量制御弁２５ａにブーム上げ制御パイロット圧２４ｂが作用した場合、ブーム流量制御弁２５ａは図４中の左方向に駆動するので、メイン油圧ポンプ１７から供給された圧油はブームシリンダ１１ａのボトム室側に供給され、ブームシリンダ１１ａのロッド室側の油はタンクに排出される。これによって、ブームシリンダ１１ａは伸び方向に動作し、ブーム８は上げ方向に動作する。

図５はパイロット油圧ポンプの制御に関わる制御装置を示すブロック図である。図５に示すように、制御装置１５は流量制御弁指令演算部３９と、要求パイロット流量演算部２９と、目標ポンプ容積演算部３０とから構成されている。流量制御弁指令演算部３９は、各操作レバー２２ａ～２２ｆから出力された操作量に基づいて各流量制御弁２５ａ～２５ｆの制御指令を演算し、出力する。本実施形態において、操作装置１４は油圧式のパイロットレバーであるため、実際に流量制御弁２５ａ～２５ｆに出力される制御指令はパイロットバルブによって生成されたパイロット圧であるが、流量制御弁指令演算部３９では操作装置１４の操作量から実際に生成されているパイロット圧を推定する。

要求パイロット流量演算部２９は、流量制御弁２５ａ～２５ｆの制御指令からパイロット油圧ポンプ１８の要求パイロット流量を演算する。言い換えれば、この要求パイロット流量演算部２９は、流量制御弁２５ａ～２５ｆの制御指令に応じて決定される要求パイロット流量を求める。一方、目標ポンプ容積演算部３０は、要求パイロット流量演算部２９から出力された要求パイロット流量をエンジン回転数で除算することにより、パイロット油圧ポンプ１８の目標ポンプ容積を演算し、更に演算した目標ポンプ容積にするための制御指令を出力する。

図６は要求パイロット流量演算部の演算を説明するための図である。図６に示すように、要求パイロット流量演算部２９は、流量制御弁２５ａ～２５ｆの制御指令から変換テーブルに基づいて各流量制御弁２５ａ～２５ｆの要求パイロット流量を演算し、要求パイロット流量そのままの値と、要求パイロット流量をハイパスフィルタを通過させて定数倍した値との和を取ることにより、流量制御弁２５ａ～２５ｆの動き出し時のみ一時的に要求パイロット流量を多くしている。

また、要求パイロット流量演算部２９は、要求パイロット流量そのままの値とフィルタ処理した値の最大値を選択することにより、要求パイロット流量の立下り時にはフィルタ処理がかからないようにしている。その後、要求パイロット流量演算部２９は、各流量制御弁２５ａ～２５ｆの要求パイロット流量の和を取り、予め設定されたスタンバイ流量との和をパイロット油圧ポンプの要求パイロット流量として出力する。

ここで、スタンバイ流量とは、油圧アクチュエータ１１ａ～１１ｆに供給される圧油の流量を制御する流量制御弁２５ａ～２５ｆ一個当たりに消費するパイロット流量のことを意味しており、待機流量ともいう。なお、本実施形態に係る油圧ショベル１では、上述したように複数の油圧アクチュエータ（すなわち、６個の油圧アクチュエータ１１ａ～１１ｆ）が設けられており、これらの油圧アクチュエータ１１ａ～１１ｆを時系列で順次駆動するときに、油圧アクチュエータ１１ａ～１１ｆに対し、スタンバイ流量が設定されている。

例えば、オペレータがブーム８、アーム９、バケット１０を順番に動かして土砂などを積み込む場合、ブーム８を駆動するための油圧アクチュエータ（すなわち、ブームシリンダ）１１ａ、アーム９を駆動するための油圧アクチュエータ（すなわち、アームシリンダ）１１ｂ、バケット１０を駆動するための油圧アクチュエータ（すなわち、バケットシリンダ）１１ｃを順次駆動していく。このとき、油圧アクチュエータ１１ａ、油圧アクチュエータ１１ｂ、油圧アクチュエータ１１ｃ毎に、スタンバイ流量が設定される（図８参照）。そして、油圧アクチュエータ１１ａ、１１ｂ、１１ｃ毎に設定されたスタンバイ流量は、同じであっても良く、異なっても良い。

一方、走行体２を前進又は後進させる場合、油圧アクチュエータ（すなわち、右走行モータ）１１ｅ及び油圧アクチュエータ（すなわち、左走行モータ）１１ｆを同時に駆動する。このとき、駆動指令が出力される油圧アクチュエータ１１ｅ及び油圧アクチュエータ１１ｆに対し、１つのスタンバイ流量が設定される。

図７は流量制御弁の制御指令と要求パイロット流量の関係を示す図である。図７に示すように、流量制御弁の制御指令に対して要求パイロット流量は単調増加するように設定されているが、両者の関係は油圧パイロットレバーの特性や流量制御弁の特性によって決定され、油圧アクチュエータ毎に異なっても良いし、単調増加でなくても良い。

図８はパイロット油圧ポンプの吐出流量の時系列変化を示す図である。図８において、一点鎖線で示すのは動的流量補償をする前の要求パイロット流量の和であり、破線で示すのは動的な流量補償をした要求パイロット流量の和であり、実線で示すのはパイロット油圧ポンプの吐出流量である。この図８に示す例では、例えばオペレータがブーム８、アーム９、バケット１０を順次駆動して土砂などを積み込む作業が想定される。

図８に示すように、本実施形態では、流量制御弁２５ａ～２５ｆの制御指令に応じた要求パイロット流量の和（すなわち、一点鎖線で示す動的流量補償をする前の要求パイロット流量の和）に対して、動き出し時にのみフィルタ処理により一時的に要求パイロット流量が多くなっており、動的な流量補償の指令が出力されている（すなわち、破線で示す動的な流量補償をした要求パイロット流量の和）。本実施形態では、この動的な流量補償をした要求パイロット流量の和にあらかじめ設定されたスタンバイ流量を加えた流量がパイロット油圧ポンプの吐出流量として出力されている（実線部分参照）。

すなわち、本実施形態に係る油圧ショベル１において、制御装置１５は、流量制御弁２５ａ～２５ｆへの制御指令に応じて決定される要求パイロット流量と予め設定されたスタンバイ流量との和になるように、パイロット油圧ポンプ１８の吐出流量を制御している。このため、パイロット油圧ポンプ１８は油圧アクチュエータ１１ａ～１１ｆの駆動に必要なパイロット流量よりもスタンバイ流量だけ多いパイロット流量を供給するので、パイロット油圧ポンプ１８のエネルギー消費を低減することができるとともに、パイロット流量の供給不足による油圧アクチュエータ１１ａ～１１ｆの応答遅れや油圧アクチュエータ１１ａ～１１ｆの一時的な減速や停止を防止でき、良好な操作性を維持することが可能である。

[第２実施形態]
以下、図９及び図１０を参照して作業機械の第２実施形態を説明する。本実施形態の油圧ショベルは、パイロット油圧ポンプが電動機によって駆動される点、及び制御装置の構造において上述した第１実施形態と異なっている。その他の構造は第１実施形態と同様であるので、重複説明を省略する。

図９は第２実施形態に係る油圧ショベルのシステムを示す構成図である。本実施形態において、パイロット油圧ポンプ１８は電動機３１によって駆動される固定容量型油圧ポンプであり、電動機３１はバッテリ３２によって駆動されており、その回転数が制御装置１５Ａからの制御指令に応じて制御されている。電動機３１及びバッテリ３２は、例えば機械室５の内部に配置されている。

図１０はパイロット油圧ポンプの制御に関わる制御装置を示すブロック図である。図１０に示すように、制御装置１５Ａは、流量制御弁指令演算部３９と、要求パイロット流量演算部２９と、目標電動機回転演算部３３とから構成されている。流量制御弁指令演算部３９及び要求パイロット流量演算部２９は、第１実施形態で説明した内容と同じである。一方、目標電動機回転演算部３３は、要求パイロット流量演算部２９から出力された要求パイロット流量をパイロット油圧ポンプ１８のポンプ容積で除算することにより、目標電動機回転数を演算して制御指令を出力する。

そして、制御装置１５Ａは、第１実施形態と同様に、流量制御弁２５ａ～２５ｆへの制御指令に応じて決定される要求パイロット流量と予め設定されたスタンバイ流量との和になるように、パイロット油圧ポンプ１８の吐出流量を制御している。

本実施形態に係る油圧ショベルによれば、上述した第１実施形態と同様に、パイロット油圧ポンプで消費されるエネルギーを低減できるとともに、良好な操作性を維持することができる。

[第３実施形態]
以下、図１１～図１５を参照して作業機械の第３実施形態を説明する。本実施形態の油圧ショベルは、操作装置が電気レバーである点、及び電磁比例弁を更に備える点において上述した第１実施形態と異なっている。その他の構造は第１実施形態と同様であるので、重複説明を省略する。

図１１は第３実施形態に係る油圧ショベルのシステムを示す構成図である。本実施形態の操作装置１４Ａは、電気レバーであり、ブーム操作レバーと、アーム操作レバーと、バケット操作レバーと、旋回操作レバーと、右走行操作レバーと、左走行操作レバーとから構成されている。ブーム操作レバーはブーム下げ操作量とブーム上げ操作量を、アーム操作レバーはアームダンプ操作量とアームクラウド操作量を、バケット操作レバーはバケットダンプ操作量とバケットクラウド操作量を、旋回操作レバーは旋回右操作量と旋回左操作量を、右走行操作レバーは右走行前進操作量と右走行後進操作量を、左走行操作レバーは左走行前進操作量と左走行後進操作量を、それぞれ制御装置１５Ｂに出力する。

また、本実施形態に係る油圧ショベルは、更に電磁比例弁（減圧弁）３４を備えている。電磁比例弁３４は、制御装置１５Ｂからの制御指令に基づいてパイロット油圧ポンプ１８から供給された圧油を減圧し、流量制御弁２５ａ～２５ｆを駆動するパイロット圧を生成し、流量制御弁２５ａ～２５ｆに出力する。

図１２は第３実施形態に係る油圧ショベルの油圧回路を示す図である。図１２に示すように、電磁比例弁３４は、ブーム下げ電磁比例弁３５ａ、ブーム上げ電磁比例弁３５ｂ、アームダンプ電磁比例弁３５ｃ、アームクラウド電磁比例弁３５ｄ、バケットダンプ電磁比例弁３５ｅ、バケットクラウド電磁比例弁３５ｆ、旋回右電磁比例弁３５ｇ、旋回左電磁比例弁３５ｈ、右走行前進電磁比例弁３５ｉ、右走行後進電磁比例弁３５ｊ、左走行前進電磁比例弁３５ｋ、及び左走行後進電磁比例弁３５ｌから構成されている。

ブーム下げ電磁比例弁３５ａはブーム下げ制御パイロット圧３７ａを、ブーム上げ電磁比例弁３５ｂはブーム上げ制御パイロット圧３７ｂを、それぞれブーム流量制御弁２５ａに出力する。アームダンプ電磁比例弁３５ｃはアームダンプ制御パイロット圧３７ｃを、アームクラウド電磁比例弁３５ｄはアームクラウド制御パイロット圧３７ｄを、それぞれアーム流量制御弁２５ｂに出力する。バケットダンプ電磁比例弁３５ｅはバケットダンプ制御パイロット圧３７ｅを、バケットクラウド電磁比例弁３５ｆはバケットクラウド制御パイロット圧３７ｆを、それぞれバケット流量制御弁２５ｃに出力する。

旋回右電磁比例弁３５ｇは旋回右制御パイロット圧３７ｇを、旋回左電磁比例弁３５ｈは旋回左制御パイロット圧３７ｈを、旋回流量制御弁２５ｄにそれぞれ出力する。右走行前進電磁比例弁３５ｉは右走行前進制御パイロット圧３７ｉを、右走行後進電磁比例弁３５ｊは右走行後進制御パイロット圧３７ｊを、それぞれ右走行流量制御弁２５ｅに出力する。左走行前進電磁比例弁３５ｋは左走行前進制御パイロット圧３７ｋを、左走行後進電磁比例弁３５ｌは左走行後進制御パイロット圧３７ｌを、それぞれ左走行流量制御弁２５ｆに出力する。

図１３はパイロット油圧ポンプの制御に関わる制御装置を示すブロック図である。図１３に示すように、制御装置１５Ｂは最大流量演算部３６と、流量制御弁指令演算部３９と、要求パイロット流量演算部２９と、目標ポンプ容積演算部３０と、流量制御弁指令制限部３８とから構成されている。

最大流量演算部３６は、エンジン回転数とパイロット油圧ポンプ１８の最大押しのけ容積に基づいてパイロット油圧ポンプ１８の最大流量を演算し、演算した結果を要求パイロット流量演算部２９に出力する。流量制御弁指令演算部３９は、操作装置１４Ａから出力された各操作レバーの操作量に応じて流量制御弁２５ａ～２５ｆの制御指令を演算し、出力する。要求パイロット流量演算部２９は、最大流量演算部３６から出力されたパイロット油圧ポンプ１８の最大流量と流量制御弁指令演算部３９から出力された流量制御弁制御指令に基づいて、パイロット油圧ポンプ１８の要求パイロット流量と各流量制御弁２５ａ～２５ｆの制限制御量を出力する。なお、要求パイロット流量演算部２９の詳細は後述する。

目標ポンプ容積演算部３０は、エンジン回転数と要求パイロット流量演算部２９から出力された要求パイロット流量に基づいてパイロット油圧ポンプ１８の目標容積を演算し、パイロット油圧ポンプ１８への制御指令を出力する。

流量制御弁指令制限部３８は、流量制御弁指令演算部３９から出力された流量制御弁２５ａ～２５ｆの制御量と要求パイロット流量演算部２９から出力された各流量制御弁２５ａ～２５ｆの制限制御量に基づいて、電磁比例弁３４の制御指令を演算して出力する。具体的には、流量制御弁指令演算部３９から出力された流量制御弁２５ａ～２５ｆの制御量と要求パイロット流量演算部２９から出力された流量制御弁２５ａ～２５ｆの制限制御量の小さい方を選択し、流量制御弁２５ａ～２５ｆの制御量に必要な電磁比例弁指令を出力している。

図１４は制御装置の制御処理を示すフロー図である。まず、ステップＳ１では、要求パイロット流量演算部２９は、流量制御弁指令演算部３９から出力された流量制御弁２５ａ～２５ｆの制御指令から各流量制御弁２５ａ～２５ｆで消費される要求パイロット流量を演算する。流量制御弁２５ａ～２５ｆの制御指令から要求パイロット流量を演算する方法は第１実施形態で説明した内容と同様である。

ステップＳ１に続くステップＳ２では、制御装置１５Ｂは、各要求パイロット流量が０よりも大きい時は油圧アクチュエータのＯＮ判定を、要求パイロット流量が０の時は油圧アクチュエータのＯＦＦ判定を行う。ステップＳ２に続くステップＳ３では、制御装置１５Ｂは、ＯＦＦ判定された油圧アクチュエータに対し、該油圧アクチュエータに割り付けられた動作番号を０にする。

ステップＳ３に続くステップＳ４では、制御装置１５Ｂは、ＯＮ判定された油圧アクチュエータの中で前回演算時の動作番号が０以外の小さいものから順に、今回動作の動作番号を１から順に振り直す。ステップＳ４に続くステップＳ５では、制御装置１５Ｂは、ＯＮ判定された油圧アクチュエータの中で前回演算時の動作番号が０の油圧アクチュエータに対して、今回動作の動作番号をステップＳ４で割り振られた番号の次の番号から順に割り振る。

ステップＳ５に続くステップＳ６では、制御装置１５Ｂは、ＯＮ判定された油圧アクチュエータの中で前回演算時の動作番号が０の油圧アクチュエータが複数ある場合、あらかじめ設定された油圧アクチュエータの優先順位に応じて動作番号を割り振る。そして、制御装置１５Ｂは、割り振られた動作番号の中で一番小さい動作番号の油圧アクチュエータを選択する。

ステップＳ６に続くステップＳ７では、制御装置１５Ｂは、選択された油圧アクチュエータに対応した要求パイロット流量が最大流量演算部３６から出力されたパイロット油圧ポンプの最大流量以下であるかを判定する。選択された油圧アクチュエータの要求パイロット流量が最大流量以下の場合は、制御装置１５Ｂは、選択された油圧アクチュエータの要求パイロット流量としてそのまま要求パイロット流量を出力する（ステップＳ８参照）。一方、選択された油圧アクチュエータの要求パイロット流量が最大流量より大きい場合、制御装置１５Ｂは、最大流量を選択された油圧アクチュエータの要求パイロット流量として出力する（ステップＳ９参照）。

ステップＳ８又はステップＳ９に続くステップＳ１０では、制御装置１５Ｂは、最大流量から出力された要求パイロット流量を減算し、次の計算に使用する最大流量として更新する。ステップＳ１０に続くステップＳ１１では、制御装置１５Ｂは、要求パイロット流量を決定していない油圧アクチュエータがあるか否かを判定する。要求パイロット流量を決定していない油圧アクチュエータがある場合、制御処理はステップＳ１２に進む。ステップＳ１２では、制御装置１５Ｂは、次に動作番号の小さい油圧アクチュエータを選択する。その後、制御処理はステップＳ７に進み、上述したステップＳ７からの制御処理が繰り返される。一方、ステップＳ１１において要求パイロット流量を決定していない油圧アクチュエータはないと判定された場合、一連の制御処理が終了する。

このような制御装置１５Ｂの制御処理によれば、各流量制御弁２５ａ～２５ｆの制御量に基づいて各油圧アクチュエータ１１ａ～１１ｆの要求パイロット流量を演算することができるとともに、一度に複数の油圧アクチュエータがパイロット流量を要求したとしても時系列で後から駆動指令が入った油圧アクチュエータの要求パイロット流量を制限することが可能である。

また、制御装置１５Ｂは、制御フローに従って計算された各油圧アクチュエータの要求パイロット流量と予め設定されたスタンバイ流量との和をパイロット油圧ポンプの要求パイロット流量として出力する。更に、演算された各油圧アクチュエータの要求パイロット流量をステップＳ１で使用した流量制御弁の制御量と要求パイロット流量の変換を行うことで、各流量制御弁の制限制御量を演算して出力する。

図１５はパイロット油圧ポンプの吐出流量の時系列変化を示す図である。図１５中の一点鎖線、破線及び実線で示す内容は、図８で説明したものと同様である。図１５に示すように、パイロット油圧ポンプの吐出流量はパイロット油圧ポンプの最大流量以下の場合、流量制御弁の制御量に応じた要求パイロット流量（言い換えれば、流量制御弁への制御指令に応じて決定された要求パイロット流量）とスタンバイ流量との和になるように出力される。一方、パイロット油圧ポンプの最大流量を超えた場合、パイロット油圧ポンプの吐出流量はパイロット油圧ポンプの最大流量で出力される。また、流量制御弁の制御量に応じた要求パイロット流量の和がパイロット油圧ポンプの最大流量を超えた場合は、流量制御弁で消費されるパイロット流量の和がパイロット油圧ポンプの最大流量になるように制限される。

本実施形態に係る油圧ショベルによれば、上述した第１実施形態と同様に、パイロット油圧ポンプで消費されるエネルギーを低減できるとともに良好な操作性を維持できる効果を得られるほか、更に以下の作用効果を得られる。すなわち、複数の油圧アクチュエータを順次に制御する場合に電磁比例弁で消費されるパイロット流量がパイロット油圧ポンプの最大流量を超えたとしても、時系列で後から制御指令が出力された電磁比例弁の出力が制限され、言い換えれば、後から駆動指令が出力された油圧アクチュエータの要求パイロット流量が制限される。従って、パイロット流量の供給不足による油圧アクチュエータの減速や停止を防止することが可能であり、それまでに駆動指令が出力されていた油圧アクチュエータはそのまま動作可能である。

すなわち、油圧アクチュエータ駆動に必要な要求パイロット流量がパイロット油圧ポンプの最大流量を超えた場合に、要求パイロット流量がパイロット油圧ポンプの最大流量を超える以前に動作していた電磁比例弁以外の電磁比例弁の出力を制限することで、それまで動作していた油圧アクチュエータが減速または停止することを防止でき、良好な操作性を維持することが可能である。

[第４実施形態]
以下、図１６及び図１７を参照して作業機械の第４実施形態を説明する。本実施形態の油圧ショベルは、パイロット油圧ポンプが電動機によって駆動される点、及び電磁比例弁を更に備える点において上述した第１実施形態と異なっている。その他の構造は第１実施形態と同様であるので、重複説明を省略する。

図１６は第４実施形態に係る油圧ショベルのシステムを示す構成図である。本実施形態において、パイロット油圧ポンプ１８は電動機３１によって駆動される固定容量型油圧ポンプであり、電動機３１はバッテリ３２によって駆動されており、その回転数が制御装置１５Ｃからの制御指令に応じて制御されている。電動機３１及びバッテリ３２は、例えば機械室５の内部に設けられている。

また、本実施形態に係る油圧ショベルは、更に電磁比例弁３４を備えている。電磁比例弁３４は、制御装置１５Ｃからの制御指令に基づいてパイロット油圧ポンプ１８から供給された圧油を減圧し、流量制御弁２５ａ～２５ｆを駆動するパイロット圧を生成し、流量制御弁２５ａ～２５ｆに出力する。なお、電磁比例弁３４の構成は第３実施形態で説明した内容と同様である。

図１７はパイロット油圧ポンプの制御に関わる制御装置を示すブロック図である。図１７に示すように、制御装置１５Ｃは、最大流量演算部３６と、流量制御弁指令演算部３９と、要求パイロット流量演算部２９と、目標電動機回転演算部３３と、流量制御弁指令制限部３８とから構成される。最大流量演算部３６は、パイロット油圧ポンプ１８の押しのけ容積と電動機３１の最大回転数とからパイロット油圧ポンプ１８の最大流量を演算して出力する。

目標電動機回転演算部３３は、パイロット油圧ポンプ１８の押しのけ容積と要求パイロット流量演算部２９から出力されたパイロット油圧ポンプ１８の要求パイロット流量とから電動機３１の目標回転数を演算し、制御指令を出力する。要求パイロット流量演算部２９と、流量制御弁指令演算部３９と、流量制御弁指令制限部３８の構成は第３実施形態で説明した内容と同様である。

本実施形態に係る油圧ショベルによれば、上述した第１実施形態と同様に、パイロット油圧ポンプで消費されるエネルギーを低減できるとともに良好な操作性を維持できる効果を得られるほか、更に以下の作用効果を得られる。すなわち、複数の油圧アクチュエータを順次に制御する場合に電磁比例弁で消費されるパイロット流量がパイロット油圧ポンプの最大流量を超えたとしても、時系列で後から制御指令が出力された電磁比例弁の出力が制限されるので、パイロット流量の供給不足による油圧アクチュエータの減速や停止を防止することが可能であり、それまでに駆動指令が出力されていた油圧アクチュエータはそのまま動作可能である。

以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。

１油圧ショベル
２走行体
３旋回体
４運転室
５機械室
６カウンタウェイト
７作業機
８ブーム
９アーム
１０バケット
１１ａ～１１ｆ油圧アクチュエータ
１４，１４Ａ操作装置
１５，１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃ制御装置
１６エンジン（原動機）
１７メイン油圧ポンプ
１７ａ，１８ａレギュレータ
１８パイロット油圧ポンプ
２５ａ～２５ｆ流量制御弁
２９要求パイロット流量演算部
３０目標ポンプ容積演算部
３１電動機
３３目標電動機回転演算部
３４電磁比例弁（減圧弁）
３６最大流量演算部
３８流量制御弁指令制限部
３９流量制御弁指令演算部

Claims

原動機と、前記原動機により駆動される少なくとも一つのメイン油圧ポンプと、前記メイン油圧ポンプから吐出された圧油により駆動される複数の油圧アクチュエータと、前記メイン油圧ポンプから前記油圧アクチュエータに供給される圧油の流量を制御する複数の流量制御弁と、前記流量制御弁を駆動するための圧油を供給するパイロット油圧ポンプと、前記パイロット油圧ポンプの吐出流量を制御する制御装置とを備える作業機械において、
前記制御装置は、前記流量制御弁への制御指令に応じて決定される要求パイロット流量にハイパスフィルタ処理を施すことにより、前記流量制御弁の動き出し時のみ増加させると共に、予め設定されたスタンバイ流量を加えることにより、前記パイロット油圧ポンプの吐出流量を制御することを特徴とする作業機械。
前記パイロット油圧ポンプから供給される圧油を減圧して前記流量制御弁への制御指令を出力する減圧弁を更に複数備え、
前記減圧弁は、前記制御装置によって制御される電磁比例弁であり、
前記制御装置は、前記要求パイロット流量が前記パイロット油圧ポンプの最大流量を超えた場合、電磁比例弁の出力を制限する請求項１に記載の作業機械。
前記制御装置は、前記要求パイロット流量が前記パイロット油圧ポンプの最大流量を超えた場合、前記要求パイロット流量が前記パイロット油圧ポンプの最大流量を超える以前に動作していた電磁比例弁以外の電磁比例弁の出力を制限する請求項２に記載の作業機械。