JPWO2014061741A1 - 作業機械 - Google Patents

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Abstract

可変容量型のポンプ2と、ポンプ2の吐出油で駆動するアクチュエータ5と、アクチュエータ5への作動油の流量を制御するオープンセンター型のアクチュエータ流量制御弁4と、アクチュエータ流量制御弁4をタンク6に接続するブリードオフ管路8aと、ブリードオフ管路8aに配置したブリードオフ流量制御弁8と、アクチュエータ5の動作を指示する操作装置3と、操作装置3の操作量に応じてブリードオフ流量制御弁8の開度を制御するブリードオフ制御装置14と、操作装置3の操作量に応じた基準ポンプ流量をブリードオフ流量制御弁8の開度に応じて補正してポンプ流量を制御するポンプ制御装置15とを備える。これにより、操作に対する違和感の発生を抑えつつ省エネルギーを実現することができる作業機械を提供する。

Description

本発明は、油圧ショベル等の油圧アクチュエータを備えた作業機械に関する。
油圧ショベル等の作業機械においては、一般にエンジンでポンプを駆動し、ポンプからアクチュエータに供給する作動油の流量や方向を制御してアクチュエータの動作を制御する。アクチュエータへの作動油を制御する機器の一つにオープンセンター型の流量制御弁があり、この流量制御弁を用いた場合、アクチュエータに作動油が送られない状態では当該弁のブリードオフ開口を介して作動油がタンクに流れ込む。一方、アクチュエータに作動油を送る場合、流量制御弁のアクチュエータに繋がる開口(メータイン開口)の面積が増大し、それに伴ってブリードオフ開口の面積が減少する(特許文献1等参照)。
特開2011−85198号公報
重負荷のかかったアクチュエータに作動油を送り込む場合、アクチュエータにかかった負荷圧よりも高圧の作動油を送り込まなければならないため、必要以上に大きなレバー操作を強いられる場合がある。この場合、レバー操作量に応じてポンプ流量が増大するため、オープンセンター型の流量制御弁ではブリードオフ開口を通る作動油の流量も増し、アクチュエータの作動に寄与することなくタンクに戻る作動油の流量が必要以上に多くなりエネルギーロスが大きい。
それに対し、上記特許文献1の建設機械は、ブリードオフ管路からタンクへの作動油の流れを遮断するカットオフ弁を備えていて、重負荷のかかったアクチュエータに作動油を供給する際にカットオフ弁が閉じ、必要以上に大きくレバーを操作しなくても負荷圧よりも高圧の作動油がアクチュエータに供給されるようになっている。
しかしながら、操作性を考慮すると、たとえ重負荷作業であってもブリードオフ管路の作動油の流れを遮断することが好ましくない場合もある。例えば走行体に対して旋回体を旋回させる場合、タンクへの流路を遮断するとポンプの吐出油が全て旋回モータに流れようとする。しかし、旋回体は慣性が大きいため旋回モータの回転速度が上昇するのに時間を要し、ポンプ流量に応じた値まで旋回モータの回転速度が上昇するまでは、旋回モータへの作動油の流入が制限されてポンプ吐出圧が必要以上に上昇する。たとえレバー操作量が小さくてもポンプ吐出圧はリリーフ圧まで上昇し、旋回動作の加速度がレバー操作量の割に大きくなって操作に対する違和感を生じさせ得る。
本発明は上述の課題に基づいてなされたもので、操作に対する違和感の発生を抑えつつ省エネルギーを実現することができる作業機械を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明は、可変容量型のポンプと、このポンプの吐出油で駆動するアクチュエータと、このアクチュエータへの作動油の流量を制御するオープンセンター型のアクチュエータ流量制御弁と、このアクチュエータ流量制御弁をタンクに接続するブリードオフ管路と、このブリードオフ管路に配置したブリードオフ流量制御弁と、前記アクチュエータの動作を指示する操作装置と、この操作装置の操作量に応じて前記ブリードオフ流量制御弁の開度を制御するブリードオフ制御装置と、前記操作装置の操作量に応じた基準ポンプ流量を前記ブリードオフ流量制御弁の開度に応じて補正してポンプ流量を制御するポンプ制御装置とを備える。
本発明によれば、操作に対する違和感の発生を抑えつつ省エネルギーを実現することができる。
本発明に係る作業機械の側面図である。 本発明の第1の実施の形態に係る作業機械に備えられた油圧駆動システムの要部を抜き出して表した回路図である。 本発明の第1の実施の形態に係る作業機械に備えられたコントローラの機能ブロック図である。 操作装置の操作量に対する各種値の挙動を表した図である。 操作装置の操作に伴う各種値の経時的挙動を表した図である。 本発明の第2の実施の形態に係る作業機械に備えられた油圧駆動システムの要部を抜き出して表した回路図である。 本発明の第3の実施の形態に係る作業機械に備えられた油圧駆動システムの要部を抜き出して表した回路図である。 本発明の第3の実施の形態に係る作業機械に備えられたコントローラの機能ブロック図である。 本発明の第4の実施の形態に係る作業機械に備えられた油圧駆動システムの要部を抜き出して表した回路図である。
以下に図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。
以下に説明する実施の形態では油圧ショベルに本発明を適用した場合を例に挙げるが、油圧ショベルに限らず、油圧アクチュエータを備えた作業機械全般に本発明は適用可能である。
<第1の実施の形態>
(作業機械)
図1は本発明に係る作業機械の側面図である。
図1に例示した油圧ショベル100は、クローラ式の左右の走行装置を装備した走行体101と、キャブ103を備えた旋回体102とを備えている。本願明細書にではキャブ103に搭乗した作業者が向く方向(同図では右方向)を前方とする。左右の走行装置にはそれぞれ走行モータが備えられていて、左右の走行モータを適宜駆動することで前進、後進、ターン等の各種走行動作がなされる。上記旋回体102は旋回装置104を介して走行体101の上部に旋回可能に連結されている。特に図示していないが、旋回装置104には旋回モータが設けられていて、旋回モータを駆動することによって旋回体102が旋回する。
旋回体102の前部には作業装置(フロント作業装置)106が設けられている。この作業装置106は、ブーム112、アーム114及びバケット115を備えている。ブーム112は旋回体102に対して俯仰動可能に連結されていて、ブームシリンダ111により駆動する。ブームシリンダ111のロッド先端がブーム112に連結されていて、シリンダチューブの基端が旋回体102に連結されている。アーム114はブーム112の先端に前後に揺動可能に連結されていて、アームシリンダ113により駆動する。アームシリンダ113のロッド先端がアーム114に連結されていて、シリンダチューブの基端がブーム112に連結されている。バケット115はアーム114の先端に揺動可能に連結されていて、バケットシリンダ(不図示)により駆動する。バケットシリンダのロッド先端がバケット115に連結されていて、シリンダチューブの基端がアーム114に連結されている。
旋回体102には、ブームシリンダ111、アームシリンダ113、バケットシリンダ、旋回モータ、走行モータ等、油圧ショベル100に搭載された油圧アクチュエータを駆動する油圧駆動システム105が備えられている。これら油圧アクチュエータは、キャブ103内に設置された操作レバー装置3(図2参照)やペダル等の操作装置の操作を基に閉回路油圧駆動システム105によって駆動される。油圧アクチュエータの動作方向及び動作速度は、操作装置の操作方向及び操作量によって指示される。
(油圧駆動システム)
図2は本発明の第1の実施の形態に係る作業機械に備えられた油圧駆動システムの要部を抜き出して表した回路図である。同図では、1つの油圧アクチュエータを駆動する回路部分を抜き出して図示してあるが、他の油圧アクチュエータを駆動する回路部分についても同様に構成することができる。
図2に示した油圧駆動システムは、動力源であるエンジン1、油圧ポンプ2、操作レバー装置3、アクチュエータ流量制御弁4、油圧ポンプ2の吐出油で駆動する油圧アクチュエータ5、作動油のタンク6、油圧回路の圧力を制限するリリーフ弁7、開口面積を変化させることでブリードオフ流量を制御するブリードオフ流量制御弁8、操作レバー装置3が生成した操作パイロット圧に応じた電気信号を出力する圧力センサ9、ポンプ制御圧生成装置10、ブリードオフ流量制御弁8を駆動するためのブリードオフ制御圧を生成するためのブリードオフ制御圧生成装置11、ポンプ制御圧生成装置10とブリードオフ制御圧生成装置11に制御指令値を送るコントローラ12を備えている。
油圧ポンプ2はエンジン1で駆動する可変容量型のものであり、可変容量機構として例えば斜軸を有している。この場合、油圧ポンプ2は、斜軸の傾転角を容量制御装置2aで調整して容量(押し退け容積)を変化させ、作動油の吐出流量(ポンプ流量)を変化させる。容量制御装置2aは、ポンプ制御圧生成装置10が生成するポンプ制御圧で駆動する。
操作レバー装置3は作業者がアクチュエータ(ここでは油圧アクチュエータ5)の動作を指示するためのものであり、圧力源(図示しないパイロットポンプ)で発生した油圧をレバー操作量に応じて減圧する減圧弁機能を持ち、レバー操作量に応じた操作パイロット圧を生成する。
アクチュエータ流量制御弁4は油圧アクチュエータ5への作動油の流量(方向を含む)を制御するオープンセンター型の流量制御弁であり、操作パイロット圧で駆動されるスプールを備えている。スプールには、メータイン開口4b、ブリードオフ開口4a及びメータアウト管路(不図示)が備わっている。メータイン開口4bは、油圧ポンプ2の吐出管路2bを油圧アクチュエータ5に作動油を供給するメータイン管路5aに連通させる開口であり、その開口面積をメータイン開口面積Acと称する。ブリードオフ開口4aは、タンク6に接続するブリードオフ管路6aに吐出管路2bを連通させる開口であり、その開口面積をブリードオフ開口面積Atと称する。メータアウト開口(不図示)は、油圧アクチュエータ5から吐出された作動油が流れるメータアウト管路(不図示)にタンク6を連通させる開口であり、その開口面積をメータアウト開口面積と称する。スプールが移動することによって、これらメータイン開口面積Ac、ブリードオフ開口面積At及びメータアウト開口面積の割合が変化する。
油圧アクチュエータ5は、前述したブームシリンダ111、アームシリンダ113、バケットシリンダ、旋回モータ、走行モータ等の油圧アクチュエータの1つであるが、図2では油圧シリンダを例示的に図示してある。油圧アクチュエータ5は、メータイン管路5aに流れ込む作動油の流量(メータイン流量)に比例した速度で動作する。
リリーフ弁7は、作動油が流れる油圧配管を保護するものであり、油圧ポンプ2の吐出配管2bに接続して設けられ、吐出配管2bの圧力が設定圧力以上に上昇した場合に開き、吐出管路2bからタンク6に作動油を逃がす。
ブリードオフ流量制御弁8は、ブリードオフ管路6a(すなわちアクチュエータ流量制御弁4とタンク6の間)に配置されている。ブリードオフ流量制御弁8のスプールにはブリードオフ開口8aが備わっており、スプールが移動することによってブリードオフ開口8aの開口面積(ブリードオフ開口面積Ab)が変化するようになっている。このスプールは、ブリードオフ制御圧生成装置11で生成されたブリードオフ制御圧によって駆動する。このブリードオフ流量制御弁8のブリードオフ開口面積Ab、並びにアクチュエータ流量制御弁4のメータイン開口面積Ac及びブリードオフ開口面積Atによって、ポンプ流量Qpがメータイン流量Qcとブリードオフ流量Qtに振り分けられる。これらの流量は、油圧ポンプ2の吐出圧をPp、油圧アクチュエータ5のメータイン圧をPc、タンク6の圧力をPtとすると、次のように表すことができる。
Qp=Qc+Qt ・・・(式1)
Qc=c・Ac・(Pp−Pc)1/2 ・・・(式2)
Qt=c・At’・(Pp−Pt)1/2 ・・・(式3)
但し、cは係数であり、流量係数をCd、流体の密度をρとすると、次式で表される。
c=Cd×(2/ρ)1/2 ・・・(式4)
また、At’はAt及びAbの合成開口面積であり、
At’=(At・Ab)/(At+Ab1/2 ・・・(式5)
で表される。
ポンプ制御圧生成装置10は電磁減圧弁であり、コントローラ12からの指令に応じて操作パイロット圧を減圧し、容量制御装置2aに入力するポンプ制御圧を生成する。
ブリードオフ制御圧生成装置11は電磁減圧弁であり、圧力源であるパイロットポンプ25で発生させたパイロット圧をコントローラ12からの指令に従って減圧し、ブリードオフ制御圧を生成する。
(コントローラ)
図3はコントローラの機能ブロック図である。
図3に示したように、コントローラ12は、モード選択部13、ブリードオフ制御部14、及びポンプ制御部15を備えている。
モード選択部13は、第一モード及び第二モードのいずれかを選択してブリードオフ制御部14に指示する機能部である。第一モードとは、操作レバー装置3の操作量に応じてブリードオフ流量制御弁8の開度を制御するモードである。第二モードとは、操作レバー装置3の操作量によらずブリードオフ流量制御弁8の開度を一定(本実施の形態では最大)とするモードである。モード選択部13は、油圧ポンプ2及びブリードオフ流量制御弁8の双方の制御動作が正常である場合には第一モードを選択し、油圧ポンプ2及びブリードオフ流量制御弁8の少なくとも一方の制御動作が異常である場合には第二モードを選択し、ブリードオフ制御部14に選択結果を出力する。
ここで「制御動作が正常」とは、油圧ポンプ2及びブリードオフ流量制御弁8の制御又は動作に関する機器の異常が認識できないことをいう。「制御動作が正常」であるか否かの判断の基礎としては、例えば圧力センサ9、ポンプ制御圧生成装置10及びブリードオフ制御圧生成装置11の信号等が例示できる。圧力センサ9であれば、検出信号が適正範囲(検出範囲)にない場合や断線している場合には正常に機能していないと判断することできる。ポンプ制御圧生成装置10やブリードオフ制御圧生成装置11であればコントローラ12の指令値通りに制御圧を制御している状態をいう。ポンプ制御圧生成装置10やブリードオフ制御圧生成装置11の場合、コントローラ12からの指令値を受けて電磁減圧弁に流れる電流値をモード選択部13に入力されるようにすれば、コントローラ12からの指令値に応じた値と入力電流の誤差が許容範囲(設定値)を超えていれば正常に機能していないと判断することができる。
ブリードオフ制御部14は、モード選択部13からの入力信号にしたがって第一モードと第二モードを選択的に実行可能である。第一モード時には、操作レバー装置3の操作量による操作パイロット圧(圧力センサ9の信号)に応じてブリードオフ制御圧の指令値を決定しブリードオフ圧力生成装置11に出力し、ブリードオフ流量制御弁8の開度(=ブリードオフ開口面積Ab)を制御する。ブリードオフ制御圧の指令値は、例えば図4(b)のように、操作パイロット圧が0(ゼロ)又はその付近の値の時はブリードオフ開口面積Ab(ブリードオフ流量制御弁8の開度)が最大で、操作パイロット圧が大きくなるにつれてAbが小さくなるように決定する。この場合、図4(a)に例示したような操作パイロット圧及びブリードオフ制御圧の関係のテーブルをブリードオフ制御部14に予め格納しておき、圧力センサ9から入力された操作パイロット圧に対応するブリードオフ制御圧の指令値をテーブルに従って決定する。一方、第二モード時には、操作レバー装置3の操作量によらずブリードオフ流量制御弁8の開度を一定(本実施の形態では最大)とする。本実施の形態では、第二モード時、ブリードオフ制御圧生成装置11でブリードオフ制御圧は生成されない。ブリードオフ流量制御弁8は、ブリードオフ制御圧が生成されない場合には最大開度となる構成である。
ポンプ制御部15は、ブリードオフ流量制御弁8のブリードオフ開口面積Abを演算するAb演算部16、アクチュエータ流量制御弁4のブリードオフ開口面積Atを演算するAt演算部17、ブリードオフ流量の目標減少量ΔQを演算するΔQ演算部18、基準ポンプ流量を演算する基準ポンプ流量演算部19、基準ポンプ流量とΔQの差分を演算する差分演算部20、及びポンプ制御圧の指令値を演算してポンプ制御圧生成装置10に出力するポンプ制御圧演算部21を備えている。このポンプ制御部15は、各演算部16−21を機能させて、ブリードオフ制御部14による制御値(ブリードオフ制御圧の指令値)及び操作レバー装置3の操作量(操作パイロット圧)に応じて油圧ポンプ2の吐出流量を制御する。具体的には、ブリードオフ流量制御弁8の開口面積Abの減少によるブリードオフ流量Qtの減少分だけポンプ流量Qpが減少するように、ポンプ制御圧を演算する。
Ab演算部16では、ブリードオフ制御部14で演算されたブリードオフ制御圧の指令値を基に、ブリードオフ流量制御弁8の開口面積Abを推定する。例えば、図4(b)に例示したようなブリードオフ制御圧とブリードオフ開口面積Abの関係のテーブルをAb演算部16に予め格納しておき、ブリードオフ制御部14から入力されたブリードオフ制御圧の指令値に対応するブリードオフ開口面積Abをテーブルに従って決定する。
At演算部17では、操作パイロット圧に基づいてアクチュエータ流量制御弁4のブリードオフ開口面積Atを推定する。例えば、図4(c)のように操作パイロット圧に対するブリードオフ開口面積Atの関係のテーブルをAt演算部17に予め格納しておき、圧力センサ9から入力された操作パイロット圧に対応するブリードオフ開口面積Atをテーブルに従って決定する。
ΔQ演算部18では、ブリードオフ開口面積Abの減少(Abの最大値との差分)によるブリードオフ流量Qtの減少量(Abが最大の時のQtとの差分)を演算し、その値をポンプ流量Qpの目標減少量ΔQpとして出力する。ΔQpは、例えば次式で求められる。
ΔQp=c・ΔAt’・(Pp−Pt)1/2 ・・・(式6)
ただし、ΔAt’はAb及びAtの合成開口面積の減少量であり、開口面積Abの最大値をAbmaxとすると、次式で表すことができる。
ΔAt’=(At・Abmax)/(At+Amax1/2−(At・Ab)/(At+Ab1/2 ・・・(式7)
なお、第二モードの場合、Abが最大であるため、ΔQ=0となる。
ΔQp演算部18は、例えば、ポンプ吐出圧Ppやタンク圧Ptの平均的な値を予め設定しておき、その値を(式6)に代入してΔQpを求める。また、ポンプ吐出圧Ppやタンク圧Ptを検出するセンサを設け、それらの検出値を(式6)に代入してΔQpを求めても良い。また、図4(d)は(式6)で演算したポンプ流量の目標減少量ΔQpと操作パイロット圧との関係を例示したものであるが、このような操作パイロット圧に対するΔQpの関係のテーブルをΔQp演算部18に予め格納しておき、圧力センサ9から入力された操作パイロット圧に対応するΔQpをテーブルに従って決定することもできる。
基準ポンプ流量演算部19では、操作パイロット圧に基づいて、第二モード(ブリードオフ流量制御弁8が最大開度)の場合のポンプ流量を演算し、その値を基準ポンプ流量として出力する。例えば、操作パイロット圧に対する基準ポンプ流量のテーブルを基準ポンプ流量演算部19に予め格納しておき、圧力センサ9から入力された操作パイロット圧に対応する基準ポンプ流量をテーブルに従って決定することができる。また、基準ポンプ容積を同様にして予め用意したテーブルで演算し、基準ポンプ容積にポンプ回転数を乗じることでも基準ポンプ流量を演算することができる。
差分演算部20では、基準ポンプ流量演算部19で演算した基準ポンプ流量からポンプ流量の目標減少量ΔQpを減算し、目標ポンプ流量を演算する。以上のように演算した基準ポンプ流量及び目標ポンプ流量と操作パイロット圧の関係を図4(e)に例示する。
ポンプ制御圧演算部21では、実際のポンプ流量が目標ポンプ流量に近付くようにポンプ制御圧の指令値を演算し、ポンプ制御圧生成装置10に出力する。第二モードの場合、ΔQ=0であるため差分演算部20による演算結果は基準ポンプ流量と同値となる。その結果、ポンプ制御部15においては、第一モード時にはブリードオフ流量制御弁8の開度に応じて操作パイロット圧が減圧されてポンプ制御圧生成装置10に出力されるのに対し、第二モード時には操作パイロット圧が減圧されずにそのままポンプ制御圧生成装置10に出力される。
(動作・作用)
作業者が操作レバー装置3を操作すると、操作量に応じて操作パイロット圧が生成され、その圧力に応じて油圧ポンプ2の容量とアクチュエータ流量制御弁4のスプール位置が変化する。操作量が大きいほど油圧ポンプ2の容量が大きくなり、ポンプ流量は増加する。操作量が大きいほどアクチュエータ流量制御弁4のメータイン開口面積Acが大きく、ブリードオフ開口面積Atが小さくなる。よって、レバー操作量が大きいほど油圧アクチュエータ5に流れる作動油が多くなり、アクチュエータ速度が大きくなる。
このとき、前述したように、コントローラ12は、第一モード時には操作レバー装置3の操作量に応じてブリードオフ流量制御弁8の開度を制御するとともに、操作量に応じた目標流量(基準ポンプ流量、言い換えれば第二モード時の目標ポンプ流量)をブリードオフ流量制御弁8の開度に応じて補正してポンプ制御圧を出力する。本実施の形態では操作レバー装置3の操作量及びブリードオフ流量制御弁8の開度に応じてポンプ流量が制御され、操作レバー装置3の操作量に応じたポンプ流量がブリードオフ流量制御弁8の開度に応じて減じられる。一方、コントローラ12は、第二モード時には、ブリードオフ流量制御弁8を制御せず(本実施の形態では最大開度とし)、操作パイロット圧にのみ応ずる形でポンプ制御圧が生成され出力される。
図5は操作レバー装置の操作に伴う各種値の経時的挙動を表した図である。図中の実線は第一モード時、破線は第二モード時の挙動を示している。
図5(a)は操作パイロット圧の挙動の一例である。同図では実線と破線がほぼ重なっており、第一モードと第二モードで同じ操作を行っていることを示している。
図5(b)はブリードオフ流量制御弁8に入力されたブリードオフ制御圧である。同図により、第一モードでは操作パイロット圧の上昇に伴ってブリードオフ制御圧が上昇しており、操作量の増加に伴ってブリードオフ流量制御弁8の開度が低下するように指令されていることが分かる。第二モードでは操作パイロット圧が上昇してもブリードオフ制御圧は生成されず、ブリードオフ流量制御弁8の開口が最大のままで維持されるように指令されていることがわかる。
図5(c)は油圧ポンプ2の容量制御装置2aに入力されたポンプ制御圧である。第二モードでは操作量に応じてポンプ制御圧が上昇していて、操作量に応じてポンプ流量が増大するように指令されていることがわかる。それに対し、第一モードは、操作量に応じたポンプ流量(第二モードのポンプ流量)に対してポンプ制御圧が低く抑えられていることがわかる。その結果、図5(e)に示すように、同じ操作量であっても第一モード時には第二モード時よりもポンプ流量が抑えられており、ブリードオフ流量制御弁8の開度が小さいほど基準ポンプ流量に対してポンプ流量が小さくなっている(基準ポンプ流量との偏差が大きくなっている)。
第一モード時は第二モード時に比べてポンプ流量が小さいが、対応してブリードオフ流量制御弁8の開度が小さいため、図5(d)に示すように第一モードと第二モードとでポンプ吐出圧はほぼ同じに制御される。
ポンプ吐出圧とポンプ流量を乗じた値はエンジン負荷に比例するので、第一モード時には、ブリードオフ流量制御弁8によってブリードオフ流量を積極的に制御しない場合(すなわち第二モードの場合)に比べてエンジンの負荷を軽減することができる。また、第一モード時にはポンプ流量が低下するが、ブリードオフ流量が小さくなるため、図5(f)に示すように第二モードの場合とのメータイン流量の挙動が変化せず、第二モードの場合と同等のアクチュエータ速度及び操作性を確保することができる。
以上のように、本実施の形態においてはブリードオフ流量を0にすることはなく、ブリードオフ流量を制御して適当なメータイン流量を確保する。すなわち、ブリードオフ流量制御弁8を介して相応の流量の作動油をタンク6に流しつつ、ブリードオフ流量を絞った分だけポンプ流量を抑える。これにより、重負荷作業であっても油圧ポンプ2から吐出された作動油が行き場を失ってポンプ吐出圧が必要以上に上昇しリリーフ圧にまで達することを抑制することができる。したがって、レバー操作量に対して違和感のない、或いは違和感の少ないアクチュエータ速度を実現することができる。よって、本実施の形態によれば操作に対する違和感の発生を抑えつつ省エネルギーを実現することができる。
また、本実施の形態においては、圧力センサ9やポンプ制御圧生成装置10、ブリードオフ制御圧生成装置11等が故障した場合には運転モードが第一モードから第二モードに自動的に切り換わるが、上記のように第一モードで第二モードと同等のアクチュエータ速度及び操作性を実現しているので、モードが切り換わっても操作フィーリングが変化しない。異なる見方をすれば、圧力センサ9等に異常が生じて第一モードのまま運転が継続するとかえって操作に対する違和感が生じ得る状態に陥っても、自動的に第二モードに切り換わるので圧力センサ9等に異常が発生しても問題なく運転を継続することができるメリットがある。
<第2の実施の形態>
図6は本発明の第2の実施の形態に係る作業機械に備えられた油圧駆動システムの要部を抜き出して表した回路図であり、第1の実施の形態の図2に対応する図である。図6においては、既述したものには既出図面と同符号を付して説明を省略する。
本実施の形態が先の実施の形態と相違する点は、ポンプ制御圧の元圧がパイロットポンプ25で発生させたパイロット圧である点である。すなわち、本実施の形態では、パイロットポンプ25からのパイロット圧をポンプ制御圧生成装置10で減圧してポンプ制御圧を生成し、油圧ポンプ2の容量制御装置2aにポンプ制御圧を出力する。その他、説明を省略する点については第1の実施の形態と同様である。
本実施の形態においても第1の実施の形態と同様の効果を得ることができる。加えて、本実施の形態においては、第1の実施の形態と異なり、ポンプ制御圧を操作パイロット圧よりも高くすることができる。そのため、より大型の油圧ポンプやアクチュエータを用いる場合にも好適に適用することができる。
<第3の実施の形態>
図7は本発明の第3の実施の形態に係る作業機械に備えられた油圧駆動システムの要部を抜き出して表した回路図、図8はコントローラの機能ブロック図であり、図7は図2及び図6、図8は図3に対応している。本実施の形態では、既述したものについては図7及び図8において既出図面と同符号を付して説明を省略する。
本実施の形態が先の実施の形態と相違する点は、複数(本実施の形態では2つ)の油圧アクチュエータ51,52を同一の油圧ポンプ2から吐出された作動油で駆動する点である。それぞれメータイン管路51a,52aを介して油圧アクチュエータ51,52に供給される作動油はアクチュエータ流量制御弁41,42により制御され、アクチュエータ流量制御弁41,42のスプール位置はそれぞれ操作レバー装置31,32で生成された操作パイロット圧により制御される。また、操作レバー装置31,32が生成した操作パイロット圧に応じた電気信号が圧力センサ91,92からコントローラ12に出力される。アクチュエータ流量制御弁41,42のブリードオフ開口41a,42aはブリードオフ管路6a上に直列的に配置されており、油圧ポンプ2から吐出された作動油はアクチュエータ流量制御弁41,42及びブリードオフ流量制御弁8のブリードオフ開口41a,42a,8aを通ってタンク6に流れ得る。その他の回路構成は第2の実施の形態と同様であるが、第1の実施の形態のようにポンプ制御圧の元圧を操作レバー装置31,32で生成された操作パイロット圧とすることもできる。
また、コントローラ12においては、モード選択部13、ブリードオフ制御部14、At演算部17、基準ポンプ流量演算部19に対して圧力センサ91,92からの信号が入力され、圧力センサ91,92の信号を基にモード判定及び各種演算がなされる。
アクチュエータ流量制御弁41のメータイン開口41b及びブリードオフ開口41aの面積をそれぞれAc1,At1、アクチュエータ流量制御弁42のメータイン開口42b及びブリードオフ開口42aの面積をそれぞれAc2,At2、ブリードオフ流量制御弁8の開口面積をAb、油圧ポンプ2の吐出圧をPp、油圧アクチュエータ51のメータイン圧力をPc1、油圧アクチュエータ52のメータイン圧力をPc2、タンク6の圧力をPtとすると、ポンプ流量Qp、油圧アクチュエータ51のメータイン流量Qc1、油圧アクチュエータ52のメータイン流量Qc2、ブリードオフ流量Qtは、以下の式で表すことができる。
Qp=Qc1+Qc2+Qt ・・・(式8)
Qc1=c・Ac1・(Pp−Pc1)1/2 ・・・(式9)
Qc2=c・Ac2・(Pp−Pc2)1/2 ・・・(式10)
Qt=c・ΔAt”・(Pp−Pt)1/2 ・・・(式11)
ただし、At''はAt1、At2、Abの合成開口であり、
ΔAt”=(At1・At2・Ab)/{(At1・At2)+(At1・Ab)+(At2・Ab)1/2 ・・・(式12)
と求められる。
モード選択部13は、圧力センサ91,92、ブリードオフ制御圧生成装置11、ポンプ制御圧生成装置10の全てが正常に動作しているときは第一モードを選択し、いずれか1つでも正常に動作していないときは第二モードを選択し、ブリードオフ制御部14に出力する。
ブリードオフ制御部14は、圧力センサ91,92の信号(操作レバー装置31,32の操作パイロット圧)に基づいてブリードオフ制御圧の指令値を決定する。例えば、操作レバー装置31,32の操作パイロット圧のそれぞれについて図4(a)のようなテーブルを予め設定しておき、圧力センサ91,92からそれぞれ入力される信号についてブリードオフ制御圧を演算し、ここでは大きい方を選択してブリードオフ制御圧の指令値としてブリードオフ制御圧生成装置11に出力する。
At演算部17は、圧力センサ91,92の信号を基にそれぞれアクチュエータ流量制御弁41,42のブリードオフ開口面積At1,At2を推定する。例えば、操作レバー装置31,32の操作パイロット圧のそれぞれについて図4(c)のようなテーブルを予め設定しておき、圧力センサ91,92の信号を基にブリードオフ開口面積At1,At2を演算する。
ΔQp演算部18は、ブリードオフ流量制御弁8の開度の低下に伴うブリードオフ流量Qtの減少量を演算し、その値をポンプ流量の目標減少量ΔQpとして出力する。ΔQpは、例えば以下の式で求める。
ΔQp=c・ΔAt”・(Pp−Pt)1/2 ・・・(式13)
ただし、ΔAt”はAb,At1,At2の合成開口面積の減少量で、Abの最大値をAbmaxとすると、
ΔAt”=(At1・At2・Abmax)/{(At1・At2)+(At1・Abmax)+(At2・Abmax)1/2−(At1・At2・Ab)/{(At1・At2)+(At1・Ab)+(At2・Ab)1/2 ・・・(式14)
と表すことができる。
基準ポンプ流量演算部19では、圧力センサ91,92の信号に基づいて第二モードの場合のポンプ流量を演算し、その値を基準ポンプ流量として出力する。そのために、操作レバー装置31,32の操作パイロット圧のそれぞれについて基準ポンプ流量のテーブルを予め設定しておき、圧力センサ91,92からそれぞれ入力される信号を基にポンプ流量を演算し、大きい方を基準ポンプ流量として出力する。
その他、Ab演算部16、差分演算部20、ポンプ制御圧演算部21については第1及び第2の実施の形態と同様の処理が実行される。その結果、第一モード時には操作量に応じてブリードオフ流量制御弁8の開度が制御されるとともに、ブリードオフ流量制御弁8の開度を基にポンプ流量が補正制御される。第二モード時にはブリードオフ流量制御弁8の開度は制御されず(最大のままとされ)、ΔQpが0となるためポンプ流量は操作量に応じた基準ポンプ流量を目標流量として制御される。
本実施の形態のように、同一の油圧ポンプ2から吐出された作動油で複数の油圧アクチュエータ51,52を駆動する場合にも本発明は適用可能であり、第1の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
<第4の実施の形態>
図9は本発明の第4の実施の形態に係る作業機械に備えられた油圧駆動システムの要部を抜き出して表した回路図であり、図2、図6及び図7に対応している。本実施の形態では、既述したものについては図9において既出図面と同符号を付して説明を省略する。
本実施の形態は同一の油圧ポンプ2から吐出した作動油で複数の油圧アクチュエータを駆動する点では第3の実施の形態と相違ないが、油圧シリンダである油圧アクチュエータ53及び油圧モータである油圧アクチュエータ54を油圧ポンプ2の吐出油で駆動する構成を特に例示している。油圧アクチュエータ53は、作業装置106を駆動する油圧シリンダ(図1に示すブームシリンダ111、アームシリンダ113又はバケットシリンダ)である。一方の油圧アクチュエータ54は、例えば旋回体102(図1参照)を旋回駆動する旋回モータ、或いは走行体101(図1参照)を駆動して油圧ショベル100を走行させる走行モータである。同図の回路では、油圧アクチュエータ53,54への作動油の流れをアクチュエータ流量制御弁41,42で制御している。その他の回路構成は第3の実施の形態と同様であるが、第1の実施の形態のようにポンプ制御圧の元圧を操作レバー装置31,32で生成された操作パイロット圧とすることもできる。
本実施の形態においては、圧力センサ91,92等の動作の異常の有無でモード選択することで先の各実施の形態と同様の効果が得られることは言うまでもない。ただし、本実施の形態のように複数のアクチュエータ流量制御弁41,42のブリードオフ開口41a,42aを直列に接続した回路構成では、油圧アクチュエータ53,54を同時に駆動する場合、一方のアクチュエータ流量制御弁のブリードオフ開口の減少度合が大きいと、他方のアクチュエータ流量制御弁のブリードオフ開口を通過する流量が自己のスプール位置に関係なく制限され得る。
特に本実施の形態では、旋回モータ又は走行モータを含む複数のアクチュエータ流量制御弁41,42のブリードオフ開口41a,42aを直列に接続している。例えば旋回や走行の動作を指示する場合、油圧ポンプ2からタンク6に流す作動油(ブリードオフ流量)が0に近付くと、油圧ポンプ2から吐出された作動油の多くが油圧アクチュエータ54に流れようとする。しかし、旋回体102や車体(油圧ショベル100)は慣性が大きいため操作量に応じた値まで速度が上昇するのに時間がかかり、その間、油圧ポンプ2が吐出した作動油の行き場が制限されて油圧ポンプ2の吐出圧が上昇する。そのため、たとえ微操作であっても一時的に油圧ポンプ2の吐出圧がリリーフ圧又はこれに近い値まで増加し、旋回体102又は走行体101の動作の加速度が必要以上に大きくなり操作違和感が生じ得る。
そこで本実施の形態では、圧力センサ91,92、ポンプ制御圧生成装置10及びブリードオフ制御圧生成装置11の全ての動作が正常であっても、モード選択部13において、例えば旋回モータ等以外の油圧アクチュエータ53の動作のみが指示された場合(操作レバー装置31のみが操作された場合)にだけ第一モードが選択され、旋回モータ等である油圧アクチュエータ54の動作が指示された場合(操作レバー装置32が操作された場合)には第二モードが選択されるようにする。後者の場合には、油圧アクチュエータ53,54の双方の動作が指示された場合(操作レバー装置31,32が同時操作された場合)も含まれる。一方、圧力センサ91,92、ポンプ制御圧生成装置10及びブリードオフ制御圧生成装置11の少なくとも1つの動作に異常があると判定された場合には、先の各実施の形態と同様、コントローラ12に入力された操作パイロット圧が油圧アクチュエータ53,54のいずれの動作を指示するものであるかに関係なく第二モードに切り換わるようにする。
本実施の形態によれば、旋回や走行の動作時にブリードオフ流量が必要以上に狭くならず、アクチュエータ流量制御弁41のスプール位置に影響されて旋回や走行の動作の加速度が必要以上に上昇することを抑制することができる。一方、旋回や走行の動作を伴わず油圧アクチュエータ53のみに作動油を供給する場合には、先の各実施の形態と同様の効果が得られる。
なお、本実施の形態においては、圧力センサ91,92等に異常がなくても、旋回モータ等である油圧アクチュエータ54の動作が指示された場合には、他方の油圧アクチュエータ53の動作指示の有無に関わらず第二モードが選択されるようにした。しかし、圧力センサ91,92等に異常がなければ、油圧アクチュエータ53,54の双方の動作が同時に指示された場合にのみ第二モードが選択されるようにしても良い。すなわち、モード選択部13により、コントローラ12に入力された操作パイロット圧が油圧アクチュエータ53,54のいずれか一方の動作を指示するものである場合に第一モードが、油圧アクチュエータ53,54の動作を同時に指示するものである場合に第二モードが選択され、ブリードオフ制御部14に選択結果が出力される構成も考えられる。
<その他>
なお、以上の各実施の形態においては、油圧ポンプ2の傾転制御によりポンプ流量を制御する場合を例示して説明したが、例えばポンプ回転数を制御することでポンプ流量を制御する構成とすることもできる。この場合、固定容量の油圧ポンプを用いることができる。
また、ブリードオフ制御圧が生成されない場合にはブリードオフ流量制御弁8は開度制御されずに最大開度のまま一定となる構成とした。この場合、第二モードではブリードオフ流量制御弁8が最大開度になるため、ブリードオフ流量制御弁8の開度を制御する第一モード時に同一操作をした場合に比べてブリードオフ流量が小さくなることはなく、同一操作であれば第一モード時のポンプ流量よりも第二モード時のポンプ流量が小さくなることはない。しかし、ブリードオフ制御圧が生成されない場合のブリードオフ流量制御弁8の開度が最小開度又は中間開度のまま一定となる構成とすることも、場合によってはあり得る。この場合には、第一モード時に同一操作をした場合に比べて第二モード時のブリードオフ流量が小さくなる可能性があり、同一操作をした場合の第二モード時のポンプ流量が第一モード時のポンプ流量よりも小さくなることもあり得る。
また、操作装置として操作レバー装置3,31,32を例示したが、操作装置にはペダル等の他の形態のものも含まれ得る。
2 油圧ポンプ(ポンプ)
3,31,32 操作レバー装置(操作装置)
4,41,42 アクチュエータ流量制御弁
5,51,52 油圧アクチュエータ(アクチュエータ)
6 タンク
8 ブリードオフ流量制御弁
8a ブリードオフ管路
13 モード選択部
14 ブリードオフ制御部(ブリードオフ制御装置)
15 ポンプ制御部(ポンプ制御装置)
53 油圧アクチュエータ(アクチュエータ、第二アクチュエータ)
54 油圧アクチュエータ(アクチュエータ、第一アクチュエータ)
100 油圧ショベル(作業機械)
101 走行体
102 旋回体

Claims (7)

  1. 可変容量型のポンプと、
    このポンプの吐出油で駆動するアクチュエータと、
    このアクチュエータへの作動油の流量を制御するオープンセンター型のアクチュエータ流量制御弁と、
    このアクチュエータ流量制御弁をタンクに接続するブリードオフ管路と、
    このブリードオフ管路に配置したブリードオフ流量制御弁と、
    前記アクチュエータの動作を指示する操作装置と、
    この操作装置の操作量に応じて前記ブリードオフ流量制御弁の開度を制御するブリードオフ制御装置と、
    前記操作装置の操作量に応じた基準ポンプ流量を前記ブリードオフ流量制御弁の開度に応じて補正してポンプ流量を制御するポンプ制御装置と
    を備えたことを特徴とする作業機械。
  2. 請求項1の作業機械において、
    前記ブリードオフ制御装置は、前記操作装置の操作量に応じて前記ブリードオフ流量制御弁の開度を制御する第一モード、及び前記操作量によらず前記ブリードオフ流量制御弁の開度を一定とする第二モードのいずれかを選択的に実行可能であることを特徴とする作業機械。
  3. 請求項2の作業機械において、
    前記ブリードオフ制御装置は、前記第二モード時には前記ブリードオフ流量制御弁の開度を最大とすることを特徴とする作業機械。
  4. 請求項2の作業機械において、
    前記ポンプ制御装置は、前記ブリードオフ流量制御弁の開度が小さいほど、前記操作装置の操作量に応じた基準ポンプ流量に対してポンプ流量を小さくすることを特徴とする作業機械。
  5. 請求項2の作業機械において、
    前記ポンプ及び前記ブリードオフ流量制御弁の双方の制御動作が正常である場合には前記第一モードを、少なくとも一方の制御動作が異常である場合には前記第二モードを選択し、前記ブリードオフ制御装置に選択結果を出力するモード選択部を備えていることを特徴とする作業機械。
  6. 請求項2の作業機械において、
    前記アクチュエータとして、走行体又はこの走行体上に旋回可能に設けた旋回体を駆動する第一アクチュエータ、及び前記旋回体に設けた作業装置を駆動する第二アクチュエータを備え、
    前記第一アクチュエータ及び第二アクチュエータへの作動油を制御する2つのアクチュエータ流量制御弁のブリードオフ開口が直列に接続されていて、
    前記操作装置からの操作信号が前記第二アクチュエータのみの動作を指示するものである場合に前記第一モードを、前記第一アクチュエータの動作を指示するものである場合に前記第二モードを選択し、前記ブリードオフ制御装置に選択結果を出力するモード選択部をさらに備えていることを特徴とする作業機械。
  7. 請求項2の作業機械において、
    前記アクチュエータとして、走行体又はこの走行体上に旋回可能に設けた旋回体を駆動する第一アクチュエータ、及び前記旋回体に設けた作業装置を駆動する第二アクチュエータを備え、
    前記第一アクチュエータ及び第二アクチュエータへの作動油を制御する2つのアクチュエータ流量制御弁のブリードオフ開口が直列に接続されていて、
    前記操作装置からの操作信号が前記第一アクチュエータ又は前記第二アクチュエータのいずれかの動作を指示するものである場合に前記第一モードを、前記第一アクチュエータ及び前記第二アクチュエータの動作を同時に指示するものである場合に前記第二モードを選択し、前記ブリードオフ制御装置に選択結果を出力するモード選択部をさらに備えていることを特徴とする作業機械。
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