JPWO2015114736A1 - 作業機械の圧油エネルギ回収装置 - Google Patents

Abstract

油圧ポンプと、作業装置を駆動する油圧アクチュエータと、油圧アクチュエータを操作する操作装置と、油圧アクチュエータの戻り油を回生する回生装置とを備えた作業機械の圧油エネルギ回収装置において、油圧アクチュエータからの戻り油が流通する管路と、管路を複数の管路に分岐する分岐部と、分岐部から分岐された一方の管路であって回生装置が設けられた回生回路と、分岐部から分岐された他方の管路であって戻り油をタンクに排出する排出回路と、排出回路に設けられ、戻り油の流量を調整可能な流量調整装置と、操作装置の操作量を検出する操作量検出部と、操作量検出部が検出した操作装置の操作量を取込み，排出回路を流通する戻り油の目標排出流量と回生回路を流通する戻り油の目標回生流量とを算出し、目標排出流量に応じて流量調整装置を制御し、目標回生流量に応じて回生装置を制御する制御装置とを備えた。

Description

本発明は、作業機械の圧油エネルギ回収装置に係り、さらに詳しくは、ハイブリッド式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の圧油エネルギ回収装置に関する。

操作性の急変を招くことなく、エネルギ回生量の増大と操作性の向上を高度なレベルで両立させることを目的として、ブームを有する作業部を備え、コントロール弁の切り換えによってブームシリンダを伸長・収縮させ、前記ブームを駆動可能とした作業機械のブームエネルギの回生装置において、前記ブームを下げるときにおける前記ブームシリンダからの戻り油油路を２本以上の油路に分流する分岐部と、分流された一方を、回生手段を介してタンクに導く回生回路と、分流された他方を、流量調整手段を介してタンクに導く流量調整回路と、を備え、且つ前記回生手段を介してタンクに導く回生回路を、前記コントロール弁の外側に配置したことを特徴とする作業機械のブームエネルギの回生装置が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００７−１０７６１６号公報

上述した従来技術によれば、ブームシリンダからの油の流れを２本の油路に分流し、その内の一方が回生手段に常に連結されていて、この状態で、回生回路と流量調整回路に流出する戻り油の流量を制御することにより、ブーム降下速度を制御でき、操作性を向上させることができる。また、回生回路側に流出する戻り油の流量を多く設定することにより、エネルギの回生量を増大させることができる。

しかし、上述した従来技術においては、回生回路側と流量調整回路側への戻り油の流量配分は、操作レバーの操作に応じて一義的に行っているため、必要以上に戻り油を流量調整回路側に流すことになり、エネルギ回生装置で回収できるエネルギが減少するという問題がある。

本発明は、上述の事柄に基づいてなされたもので、その目的は、油圧アクチュエータの操作性を確保すると共に、回生エネルギを効率よく回収できる作業機械の圧油エネルギ回収装置を提供するものである。

上記の目的を達成するために、第１の発明は、油圧ポンプと、作業装置を駆動する油圧アクチュエータと、前記油圧アクチュエータを操作する操作装置と、前記油圧アクチュエータの戻り油を回生する回生装置とを備えた作業機械の圧油エネルギ回収装置において、前記油圧アクチュエータからの戻り油が流通する管路と、前記管路を複数の管路に分岐する分岐部と、前記分岐部から分岐された一方の管路であって前記回生装置が設けられた回生回路と、前記分岐部から分岐された他方の管路であって前記戻り油をタンクに排出する排出回路と、前記排出回路に設けられ、戻り油の流量を調整可能な流量調整装置と、前記操作装置の操作量を検出する操作量検出部と、前記操作量検出部の検出信号を取込み，前記排出回路を流通する戻り油の目標排出流量を算出する排出流量演算部と、前記操作量検出部の検出信号を取込み，前記回生回路を流通する戻り油の目標回生流量を算出する回生流量演算部と、前記目標排出流量に応じて前記流量調整装置を制御し、前記目標回生流量に応じて前記回生装置を制御する制御装置とを備え、前記排出流量演算部は、前記操作装置の操作開始直後は、前記操作量に応じて増大し、時間の経過とともに緩やかに減少する目標排出流量を算出し、前記回生流量演算部は、前記操作装置の操作開始直後は、目標回生流量を前記目標排出流量よりも小さく設定し、時間の経過とともに前記操作量に応じて緩やかに増大する目標回生流量を算出するものとする。

また、第２の発明は、第１の発明において、パイロット油を供給するパイロット油圧ポンプを備え、前記流量調整装置は、前記パイロット油が供給され、前記制御装置からの指令により減圧した２次圧油を出力する減圧装置と、前記減圧装置から出力された２次圧油を入力し、前記２次圧油の圧力に比例した開度に調整される制御弁とを備え、前記制御装置は、前記操作量検出部の検出信号の変化に対して前記減圧装置への指令に遅れ要素を付加して制御することを特徴とする。

更に、第３の発明は、第２の発明において、前記制御装置の遅れ要素の付加は、ローパスフィルタ機能を備えた演算部に前記操作装置の操作量信号を入力し、前記演算部の出力を前記減圧装置への指令として構成したことを特徴とする。

また、第４の発明は、第２の発明において、前記制御装置の遅れ要素の付加は、変化速度制限機能を備えた演算部に前記操作装置の操作量信号を入力し、前記演算部の出力を前記減圧装置への指令として構成したことを特徴とする。

更に、第５の発明は、第１乃至第４の発明のいずれかにおいて、前記回生装置は、前記油圧アクチュエータの戻り油により駆動される油圧モータと、前記油圧モータと機械的に接続された発電電動機とを備え、前記制御装置は前記発電電動機の回転数を制御可能に構成したことを特徴とする。

また、第６の発明は、第１乃至第４の発明のいずれかにおいて、前記回生装置は、前記油圧アクチュエータの戻り油により駆動される可変容量型油圧モータを備え、前記制御装置は、前記可変容量型油圧モータの容量を制御可能に構成したことを特徴とする。

更に、第７の発明は、第１乃至第４の発明のいずれかにおいて、前記回生装置は、前記油圧アクチュエータの戻り油により駆動される可変容量型油圧モータと、前記可変容量型油圧モータと機械的に接続された発電電動機とを備え、前記制御装置は、前記可変容量型油圧モータの容量と前記発電電動機の回転数を制御可能に構成したことを特徴とする。

本発明によれば、油圧アクチュエータから排出される戻り油の全流量を操作開始直後はタンク側に排出し、その後徐々に回生装置側へ分流する流量を増加させ、タンク側の排出流量を緩やかに減少させるので、油圧アクチュエータの良好な操作性が確保できると共に高いエネルギ回生効率が実現できる。

本発明の作業機械の圧油エネルギ回収装置の第１の実施の形態を備えた油圧ショベルを示す斜視図である。 本発明の作業機械の圧油エネルギ回収装置の第１の実施の形態を示す制御システムの概略図である。 本発明の作業機械の圧油エネルギ回収装置の第１の実施の形態を構成するコントローラのブロック図である。 本発明の作業機械の圧油エネルギ回収装置の第１の実施の形態を構成するコントローラの制御内容を説明する特性図である。 本発明の作業機械の圧油エネルギ回収装置の第２の実施の形態を示す制御システムの概略図である。 本発明の作業機械の圧油エネルギ回収装置の第２の実施の形態を構成するコントローラのブロック図である。 本発明の作業機械の圧油エネルギ回収装置の第３の実施の形態を示す制御システムの概略図である。

以下、本発明の作業機械の圧油エネルギ回収装置の実施の形態を図面を用いて説明する。

図１は本発明の作業機械の圧油エネルギ回収装置の第１の実施の形態を備えた油圧ショベルを示す斜視図、図２は本発明の作業機械の圧油エネルギ回収装置の第１の実施の形態を示す制御システムの概略図である。
図１において、油圧ショベル１は、ブーム１ａ、アーム１ｂ及びバケット１ｃを有する多関節型の作業装置１Ａと、上部旋回体１ｄ及び下部走行体１ｅを有する車体１Ｂとを備えている。ブーム１ａは、上部旋回体１ｄに回動可能に支持されていて、ブームシリンダ（油圧シリンダ）３ａにより駆動される。上部旋回体１ｄは下部走行体１ｅ上に旋回可能に設けられている。

アーム１ｂは、ブーム１ａに回動可能に支持されていて、アームシリンダ（油圧シリンダ）３ｂにより駆動される。バケット１ｃは、アーム１ｂに回動可能に支持されていて、バケットシリンダ（油圧シリンダ）３ｃにより駆動される。ブームシリンダ３ａ、アームシリンダ３ｂ、及びバケットシリンダ３ｃの駆動は、上部旋回体１ｄの運転室（キャブ）内に設置され油圧信号を出力する操作装置４（図２参照）によって制御されている。

図２に示す実施の形態においては、ブーム１ａを操作するブームシリンダ３ａに関する制御システムのみを示している。この制御システムは、制御弁２と、操作装置４と、パイロットチェック弁８と、回収切換弁１０と、第２制御弁１１と、電磁切換弁１５と、電磁比例減圧弁１６と、インバータ２４と、チョッパ２５と、蓄電装置２６とを備えており、制御装置としてコントローラ１００を備えている。

油圧源装置としては、油圧ポンプ６とパイロット圧油を供給するパイロット油圧ポンプ７とタンク６Ａとを備えている。油圧ポンプ６とパイロット油圧ポンプ７とは駆動軸で連結されたエンジン５０によって駆動される。

油圧ポンプ６からの圧油をブームシリンダ３ａへ供給する管路３０には、管路内の圧油の方向と流量を制御する４ポート３位置型の制御弁２が設けられている。制御弁２は、そのパイロット受圧部２ａ，２ｂへのパイロット圧油の供給により、スプールの位置を切り換えて、油圧ポンプ６からの圧油をブームシリンダ３ａに供給して、ブーム１ａを駆動している。

油圧ポンプ６からの圧油が供給される制御弁２の入口ポートは、管路３０により油圧ポンプ６と接続されている。制御弁２の出口ポートは、戻り管路３３によりタンク６Ａと接続されている。

制御弁２の一方の接続ポートには、ロッド側油室管路３１の一端側が接続されていて、ロッド側油室管路３１の他端側はブームシリンダ３ａのロッド側油室３ａｙに接続されている。また、制御弁２の他方の接続ポートには、ボトム側油室管路３２の一端側が接続されていて、ボトム側油室管路３２の他端側はブームシリンダ３ａのボトム側油室３ａｘに接続されている。

ボトム側油室管路３２には、制御弁２側から順に、管路内の圧油の流量を制御する２ポート２位置の制御弁である第２制御弁１１と、回収分岐部３２ａ１と、パイロットチェック弁８とが設けられている。回収分岐部３２ａ１には回収管路３４が接続されている。

第２制御弁１１は、一端側にばね１１ｂを、他端側にパイロット受圧部１１ａを有している。第２制御弁１１のスプールは、パイロット受圧部１１ａに入力されるパイロット圧油の圧力に応じて移動するので、圧油が通過する開口面積が制御される。このことにより、ブームシリンダ３ａのボトム側油室３ａｘから制御弁２へ流入する油の流量を制御できる。パイロット受圧部１１ａには、パイロット油圧ポンプ７から後述する電磁比例減圧弁１６を介してパイロット圧油が供給されている。

制御弁２のスプールの位置は、操作装置４の操作レバー等の操作によって切換え操作される。操作装置４には、パイロット弁５が設けられていて、パイロット弁５は、パイロット油圧ポンプ７からの図示しないパイロット１次側油路を介して供給されるパイロット１次圧油から、操作レバー等の図上ａ方向の傾動操作（ブーム上げ方向操作）の操作量に応じたパイロット圧Ｐｕのパイロット２次圧油を発生させる。このパイロット２次圧油は、パイロット２次側油路４０ａを介して制御弁２のパイロット受圧部２ａに供給され、制御弁２はパイロット圧Ｐｕに応じて切換／制御される。

同様に、パイロット弁５は、操作レバー等の図上ｂ方向の傾動操作（ブーム下げ方向操作）の操作量に応じたパイロット圧Ｐｄのパイロット２次圧油を発生させる。このパイロット２次圧油は、パイロット２次側油路４０ｂを介して制御弁２のパイロット受圧部２ｂに供給され、制御弁２はパイロット圧Ｐｄに応じて切換／制御される。

したがって、制御弁２のスプールは、これら２つのパイロット受圧部２ａ，２ｂに入力されるパイロット圧Ｐｕ、Ｐｄに応じて移動し、油圧ポンプ６からブームシリンダ３ａに供給される圧油の方向及び流量を切り換える。

パイロット圧Ｐｄのパイロット２次圧油は、パイロット２次側油路４０ｃを介してパイロットチェック弁８にも供給される。パイロットチェック弁８は、パイロット圧Ｐｄが加圧されることにより、開動作する。このことにより、ブームシリンダ３ａのボトム側油室３ａｘの圧油が、ボトム側油室管路３２に導かれる。パイロットチェック弁８は、ブームシリンダ３ａからボトム側油室管路３２への不用意な圧油流入（ブーム落下）を防止するためのものであって、通常は、回路を遮断していて、パイロット圧油の加圧により回路を開くものである。

パイロット２次側油路４０ｂには、圧力センサ２１（操作量検出手段）が取り付けられている。この圧力センサ２１は、操作装置４のパイロット弁５の下げ側パイロット圧Ｐｄを検出してその圧力に対応する電気信号に変換する信号変換手段として機能するもので、変換した電気信号をコントローラ１００に出力可能に構成されている。

次に、回生装置である圧油エネルギ回収装置７０について説明する。圧油エネルギ回収装置７０は、図２に示すように、回収管路３４と、電磁切換弁１５と、電磁比例減圧弁１６と、油圧モータ２２と、発電電動機２３と、インバータ２４と、チョッパ２５と、蓄電装置２６と、コントローラ１００とを備えている。

回収管路３４は、回収切換弁１０と、この回収切換弁１０の下流側に設置された油圧モータ２２とを備えており、当該油圧モータ２２を介してブームシリンダ３ａのボトム側油室３ａｘからの戻り油をタンク６Ａに導いている。油圧モータ２２の回転軸には発電電動機２３の回転軸が機械的に接続されている。ブーム下げ時における戻り油を回収管路３４に導入して油圧モータ２２が回転すると、発電電動機２３が回転して発電する。この電気エネルギは、インバータ２４と昇圧機能を有するチョッパ２５とを介して蓄電装置２６に蓄えられる。

回収切換弁１０は、一端側にばね１０ｂを、他端側にパイロット受圧部１０ａを有し、そのパイロット受圧部１０ａへのパイロット圧油の供給の有無により、スプール位置を切り換えて、ブームシリンダ３ａのボトム側油室３ａｘから油圧モータ２２へ流入する戻り油の連通／遮断を制御している。パイロット受圧部１０ａには、パイロット油圧ポンプ７から後述する電磁切換弁１５を介してパイロット圧油が供給される。

また、ブーム下げ操作時における油圧モータ２２及び発電電動機２３の回転数はインバータ２４によって制御されている。このように油圧モータ２２の回転数をインバータ２４で制御すると油圧モータ２２を通過する油の流量を調整できるので、ボトム側油室３ａｘから回収管路３４に流れこむ戻り油の流量を調整することができる。すなわち、本実施の形態におけるインバータ２４は、回収管路３４の戻り油の流量を制御する流量制御手段として機能している。

本実施の形態における電磁切換弁１５の入力ポートには、パイロット油圧ポンプ７から出力される圧油が入力されている。一方、電磁切換弁１５の操作部には、コントローラ１００から出力される指令信号が入力されている。この指令信号に応じて、パイロット油圧ポンプ７から供給されたパイロット圧油の回収切換弁１０のパイロット操作部１０ａへの供給／遮断を制御するものである。

本実施の形態における電磁比例減圧弁１６の入力ポートには、パイロット油圧ポンプ７から出力される圧油が入力されている。一方、電磁比例減圧弁１６の操作部には、コントローラ１００から出力される指令信号御が入力されている。この指令信号に応じて電磁比例減圧弁１５のスプール位置が調整され、これにより、パイロット油圧ポンプ７から第２制御弁１１のパイロット受圧部１１ａに供給されるパイロット圧油の圧力が適宜調整されている。

コントローラ１００は、圧力センサ２１から操作装置４のパイロット弁５の下げ側パイロット圧Ｐｄを入力し、これらの入力値に応じた演算を行い、電磁切換弁１５、電磁比例減圧弁１６、及びインバータ２４へ制御指令を出力する。

次に、上述した本発明の作業機械の圧油エネルギ回収装置の第１の実施の形態の動作の概要を説明する。
まず、図２に示す操作装置４の操作レバーをａ方向（ブーム上げ、ピストンロッド伸長方向）に操作すると、パイロット弁５からパイロット圧Ｐｕが制御弁２のパイロット受圧部２ａに伝えられ、制御弁２が切換操作される。これにより、油圧ポンプ６からの圧油が第２制御弁１１を介してボトム側油室管路３２に導かれ、パイロットチェック弁８を介してブームシリンダ３ａのボトム側油室３ａｘに流入する。この結果、ブームシリンダ３ａのピストンロッドは伸長動作する。これに伴い、ブームシリンダ３ａのロッド側油室３ａｙから排出される戻り油は、ロッド側油室管路３１と制御弁２とを通ってタンク６Ａに導かれる。

次に、ブーム下げ操作について説明する。
操作装置４の操作レバーをｂ方向（ブーム下げ、ピストンロッド縮小方向）に操作すると、パイロット弁５から生成されるパイロット圧Ｐｄが生成され、パイロットチェック弁８に操作圧として導かれるため、パイロットチェック弁８が開動作する。さらに、パイロット圧Ｐｄは制御弁２の操作ポート２ｂに伝えられ、制御弁２が切換操作される。

また、コントローラ１００は、電磁切換弁１５へ切換指令を、電磁比例減圧弁１６へ制御指令をそれぞれ出力する。このことにより、回収切換弁１０と第２制御弁１１とが切換り、ブームシリンダ３ａのボトム側油室３ａｘの油は、回収管路３４側（回生装置側）と、第２制御弁１１と制御弁２とを介してタンク６Ａ側とに排出される。この結果、ブームシリンダ３ａのピストンロッドは縮小動作する。

このときにタンク６Ａ側に排出される戻り油の流量（以下、排出流量という）は制御弁２と第２制御弁１１との合成開口面積によって調整され、回収管路３４側（回生装置側）に流れる戻り油の流量（以下、回生流量という）は油圧モータ２２を回転させる。油圧モータ２２は、油圧モータ２２に直結された発電電動機２３を回転させて発電し、発電された電気エネルギは蓄電装置２６に蓄えられる。

次に、コントローラ１００の制御の概要について図３及び図４を用いて説明する。図３は本発明の作業機械の圧油エネルギ回収装置の第１の実施の形態を構成するコントローラのブロック図、図４は本発明の作業機械の圧油エネルギ回収装置の第１の実施の形態を構成するコントローラの制御内容を説明する特性図である。図３及び図４において、図１及び図２に示す符号と同符号のものは同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。

図３に示すコントローラ１００は、第１関数発生器１０１と、第２関数発生器１０２と、第３関数発生器１０３と、加算演算器１０４と、回生流量演算部１０５と、第１出力変換部１０６と、排出流量演算部１０７と、第２出力変換部１０８と、第３出力変換部１０９とを備えている。

第１関数発生器１０１と第２関数発生器１０２と第３関数発生器１０３とは、図３に示すように、圧力センサ２１で検出した操作装置４のパイロット弁５の下げ側パイロット圧Ｐｄをレバー操作信号１２１として入力する。第１関数発生器１０１には、レバー操作信号１２１に対する目標ボトム流量（ブームシリンダ３ａのボトム側油室３ａｘから流出する戻り油の目標流量）が予めテーブルに記憶されている。第２関数発生器１０２には、レバー操作信号１２１に対するタンク６Ａに流す目標流量（目標排出流量）が予めテーブルに記憶されている。第３関数発生器１０３には、レバー操作信号１２１に対する切換開始点が予めテーブルに記憶されている。

第３関数発生器１０３は、レバー操作信号１２１が切換開始点以下の場合にはＯＦＦ信号を、切換開始点超過の場合にはＯＮ信号を、第３出力変換部１０９に出力する。第３出力変換部１０９は、入力信号を電磁切換弁１５の制御信号に変換し、電磁弁指令１１５として電磁切換弁１５に出力する。このことにより、電磁切換弁１５が動作し、回収切換弁１０が切換えられ、ブームシリンダ３ａのボトム側油室３ａｘの油は、回収管路３４側（回生装置側）に流入する。

第１関数発生器１０１は、算出した目標ボトム流量を加算演算器１０４の一方の入力端に出力する。第２関数発生器１０２は算出した目標排出流量を加算演算器１０４の一方の入力端と排出流量演算部１０７とに出力する。

加算演算器１０４は、入力された目標ボトム流量と目標排出流量との偏差を目標回生流量として算出し、回生流量演算部１０５へ出力する。

回生流量演算部１０５は、入力された目標回生流量の信号に対して、遅れ要素を付加した信号（例えば１次遅れの信号）を算出し、第１出力変換部１０６へ出力する。この遅れ信号は、例えばローパスフィルタ回路やレイトリミッタ回路で実現できる。

排出流量演算部１０７は、入力された目標排出流量の信号に対して、遅れ要素を付加した信号（例えば１次遅れの信号）を算出し、第２出力変換部１０８へ出力する。この遅れ信号は、例えばローパスフィルタ回路やレイトリミッタ回路で実現できる。

第１出力変換部１０６は、入力された目標回生流量を目標発電電動機回転数に変換し回転数指令１２４としてインバータ２４に出力する。このことにより、回収管路３４の戻り油の流量（回生流量）が制御される。

第２出力変換部１０８は、入力された目標排出流量を電磁比例減圧弁１６の制御指令に変換し電磁弁指令１１６として電磁比例減圧弁１６に出力する。このことにより、第２制御弁１１の開度が制御され、タンク６Ａ側に排出される戻り油の流量が制御される。

次に、コントローラ１００の制御ロジックの構成が、ブームシリンダ３ａのボトム側油室３ａｘからの戻り油の流量を回生装置側（回生流量）とタンク側（排出流量）とに分流して、操作性を確保すると共に、回生エネルギを効率よく回収できる原理について説明する。

回生装置で油圧アクチュエータの操作性を確保するのに重要なことは、操作装置４のレバー操作量が変化する過渡期（操作開始当初）において、従来油圧ショベルの油圧アクチュエータの動作と同等のスムーズな動作を実現することである。操作装置４のレバー操作量がある一定量で落ち着く定常状態では、回生装置のインバータの回転数制御により、回生流量が一定量に保たれることから、従来油圧ショベルの油圧アクチュエータの動作と同等の動作は可能となる。

そこで本発明の実施の形態においては、操作装置４のレバー操作が開始された直後は、ボトム側油室３ａｘからの戻り油の流量を従来油圧ショベルのように制御弁で制御し（排出流量制御のみ）、時間の経過と共に回生流量を増やすように制御するものである。この機能を実現するために、コントローラ１００を構成する回生流量演算部１０５と排出流量演算部１０７とに、入力信号に対して遅れ要素を付加する機能を持たせたことが特徴である。

次に、この遅れ要素の機能の効果について、各部の挙動を示す図４を用いて説明する。図４において、横軸は時間を示していて、縦軸の（ａ）〜（ｄ）は上から順に操作装置４のレバー操作量、目標排出流量Ｑｄ、目標回生流量Ｑｒ、実際の戻り油流量Ｑｔを示している。また、時刻ｔ０は、操作装置４のレバー操作を開始した時刻を示し、時刻ｔ１は、回生装置側へ圧油が流れ始める時刻を示している。

図３に戻り、操作装置４の操作レバーをブーム下げ方向に操作すると、パイロット弁５からパイロット圧Ｐｄが生成され、圧力センサ２１により検出され、コントローラ１００にレバー操作信号１２１として入力される。なお、この操作レバーの操作は、図４の（ａ）レバー操作量のように時刻ｔ０から開始して一定の速度で最大操作位置まで操作する。

レバー操作信号１２１は第２関数発生器１０２に入力され、第２関数発生器１０２は、タンク６Ａに流す目標流量（目標排出流量）を算出して加算演算器１０４の一方の入力端と排出流量演算部１０７とに出力する。排出流量演算部１０７は、入力された目標排出流量の信号に対して、遅れ要素を持たせた信号を算出し、第２出力変換部１０８へ出力する。図４の（ｂ）目標排出流量において、破線で示すＱｄ１は第２関数発生器１０２の出力特性を示し、実線で示すＱｄ２は排出流量演算部１０７の出力特性を示している。時刻ｔ０から時刻ｔ１の間は、Ｑｄ１とＱｄ２の出力特性は重なっている。このように、排出流量演算部１０７から出力される目標排出流量信号は遅れが加わることにより、時刻ｔ１からなだらかに減少している。

また、第１関数発生器１０１は、目標ボトム流量を算出して加算演算器１０４に出力する。加算演算器１０４は、目標ボトム流量と目標排出流量とから目標回生流量を算出して回生流量演算部１０５に出力する。回生流量演算部１０５は、入力された目標回生流量の信号に対して、遅れ要素を持たせた信号を算出し、第１出力変換部１０６へ出力する。図４の（ｃ）目標回生流量において、破線で示すＱｒ１は加算演算器１０４の出力特性を示し、実線で示すＱｒ２は回生流量演算部１０５の出力特性を示している。加算演算器１０４から出力される目標回生流量は、第１関数発生器１０１の出力から第２関数発生器１０２の出力分を減算するため、時刻ｔ０から時刻ｔ１の間では、０となり、時刻ｔ１を過ぎて立ち上がっている。遅れ要素を持たせた回生流量演算部１０５からの目標回生流量信号Ｑｒ２は、加算演算器１０４の出力信号Ｑｒ１に対してなだらかに増加している。

図４の（ｄ）実際の戻り油流量Ｑｔにおいて、破線で示すＱｔ１はブームシリンダ３ａのボトム側油室３ａｘからの戻り油の実際の全体流量を示し、実線で示すＱｔ２は実際の排出流量を示し、Ｑｔ３は実際の回生流量を示している。時刻ｔ０から時刻ｔ１の間は、Ｑｔ１とＱｔ２の特性は重なっている。
上述したように、目標排出流量信号Ｑｄ２と目標回生流量信号Ｑｒ２とに遅れ要素を持たせたことにより、操作装置４のレバー操作量信号が入った直後（時刻ｔ０から時刻ｔ１）は、排出流量Ｑｔ２が多く流れ、その後（時刻ｔ１以降）排出流量Ｑｔ２は徐々に減少する。また、時刻ｔ１以降、排出流量Ｑｔ２の減少に伴い、回生流量Ｑｔ３を徐々に増加することにより、結果的に排出流量Ｑｔ２と回生流量Ｑｔ３とを合わせた流量がブームシリンダ３ａのボトム側油室３ａｘからの戻り油の全体流量Ｑｔ１となる特性を得る。

このことにより、オペレータが操作レバーを急激に操作した場合でも、油圧アクチュエータであるブームシリンダ３ａの動き始めは、全体の戻り油が、タンク側（排出流量側）に多く流れ、その後、徐々に回生装置側（回生流量側）の流量を増加するので、良好な操作性が確保できる。また、タンク側（排出流量側）に分流する流量を緩やかに減少させるので、必要以上にタンクに排出することがない。さらに、定常時には、タンク側（排出流量側）に戻り油を流さないので、高いエネルギ回生効率を実現できる。

次に、上述した本発明の作業機械の圧油エネルギ回収装置の第１の実施の形態の制御ロジックによる動作を図２及び図３を用いて説明する。
操作装置４の操作レバーをブーム下げ方向に操作すると、パイロット弁５からパイロット圧Ｐｄが生成され、圧力センサ２１により検出され、コントローラ１００にレバー操作信号１２１として入力される。

コントローラ１００において、レバー操作信号１２１は、第１関数発生器１０１と第２関数発生器１０２と第３関数発生器１０３とに入力される。第３関数発生器１０３は、レバー操作信号１２１が切換開始点超過の場合にＯＮ信号を出力し、第３出力変換部１０９を介して電磁切換弁１５にＯＮ信号が出力される。これにより、パイロット油圧ポンプ７からの圧油は電磁切換弁１５を介して回収切換弁１０のパイロット操作部１０ａに入力される。この結果、開側に切換動作が行われ、ブームシリンダ３ａのボトム側油室３ａｘからの戻り油が回生装置に流入する。

第１関数発生器１０１と第２関数発生器１０２とは、レバー操作信号１２１に応じた目標ボトム流量と目標排出流量とを算出する。加算演算器１０４は、目標ボトム流量と目標排出流量から目標回生流量を算出し、目標回生流量と目標排出流量とはそれぞれ回生流量演算部１０５と排出流量演算部１０７とに入力される。

回生流量演算部１０５と排出流量演算部１０７とにより、目標回生流量と目標排出流量とに遅れ要素を持たせた指令信号が生成され、第１出力変換部１０６と第２出力変換部１０８とを介してインバータ２４と電磁比例減圧弁１６とにそれぞれ制御信号１２４、１１６とが出力される。

このことにより、発電電動機２３の回転数は徐々に加速され、第２制御弁１１の開度は徐々に絞られるため、操作装置４の操作レバーが操作された直後は全体の戻り油が、タンク側（排出流量側）に多く流れ、その後、徐々に回生装置側（回生流量側）の流量を増加する。また、また、タンク側（排出流量側）に分流する流量を緩やかに減少させるので、必要以上にタンクに排出することがない。以上の動作により、レバー操作に応じたスムーズなシリンダ動作が実現できると共に、効率よくエネルギの回生が図れる。

上述した本発明の作業機械の圧油エネルギ回収装置の第１の実施の形態によれば、油圧アクチュエータであるブームシリンダ３ａから排出される戻り油の全流量を操作開始直後はタンク６Ａ側に排出し、その後徐々に回生装置７０側へ分流する流量を増加させ、タンク６Ａ側の排出流量を緩やかに減少させるので、油圧アクチュエータであるブームシリンダ３ａの良好な操作性が確保できると共に高いエネルギ回生効率が実現できる。

また、上述した本発明の作業機械の圧油エネルギ回収装置の第１の実施の形態によれば、オペレータが操作レバーを急激に操作した場合でも、ブームシリンダ３ａの動き始めは、全体の戻り油が、タンク６Ａ側に多く流れ、その後、徐々に回生装置７０側の流量を増加するので、良好な操作性が確保できる。また、タンク６Ａ側に分流する流量を緩やかに減少させるので、必要以上にタンク６Ａに排出することがない。さらに、定常時には、タンク６Ａ側に戻り油を流さないので、高いエネルギ回生効率を実現できる。

以下、本発明の作業機械の圧油エネルギ回収装置の第２の実施の形態を図面を用いて説明する。図５は本発明の作業機械の圧油エネルギ回収装置の第２の実施の形態を示す制御システムの概略図、図６は本発明の作業機械の圧油エネルギ回収装置の第２の実施の形態を構成するコントローラのブロック図である。図５及び図６において、図１乃至図４に示す符号と同符号のものは同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。

図５及び図６に示す本発明の作業機械の圧油エネルギ回収装置の第２の実施の形態は、大略第１の実施の形態と同様の油圧源と作業機等とで構成されるが、以下の構成が異なる。本実施の形態においては、油圧モータ２２を可変容量型油圧モータ２２２に替え、モータ容量を可変するモータレギュレータ２２２ａを設けている。モータレギュレータ２２２ａは、コントローラ１００からの指令に比例して可変容量型油圧モータ２２２の容量を変化させる。コントローラ１００は、一定回転数指令部２０１と除算演算器２０２と第４出力変換部２０３と容量指令演算部１０５Ａとを設けた点が第１の実施の形態と異なる。

本実施の形態においては、発電電動機２３を一定の回転数で回し、可変容量型油圧モータ２２２の容量を制御することで回生流量を制御する。図６において、第１の実施の形態と異なる部位について説明する。
第１の実施の形態においては、加算演算器１０４からの出力を回生流量演算部１０５と第１出力変換部１０６とを介してインバータ２４に出力していたが、本実施の形態においては、加算演算器１０４からの出力を除算演算器２０２の一端に入力する。発電電動機２３の回転数を常に一定の回転数で回すために、一定回転数指令部２０１は発電電動機の回転数指令を第１出力変換部１０６に出力する。第１出力変換部１０６は、入力された回転数指令を目標発電電動機回転数に変換し回転数指令１２４としてインバータ２４に出力する。

一定回転数指令部２０１は、発電電動機の回転数指令を除算演算器２０２の他端にも出力する。除算演算器２０２は、加算演算器１０４の出力である目標回生流量指令と発電電動機の回転数指令とを入力し、回生流量指令を回転数指令で除算することにより、可変容量型油圧モータ２２２の目標容量を算出し、容量指令演算部１０５Ａへ出力する。

容量指令演算部１０５Ａは、入力された目標容量の信号に対して、遅れ要素を付加した信号（例えば１次遅れの信号）を算出し、第４出力変換部２０３へ出力する。この遅れ信号は、例えばローパスフィルタ回路やレイトリミッタ回路で実現できる。

第４出力変換部２０３は、入力された目標容量を例えば傾転角に変換し容量指令２０４としてモータレギュレータ２２２ａに出力する。このことにより、回収管路３４の戻り油の流量（回生流量）が制御される。

上述した本発明の作業機械の圧油エネルギ回収装置の第２の実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

以下、本発明の作業機械の圧油エネルギ回収装置の第３の実施の形態を図面を用いて説明する。図７は本発明の作業機械の圧油エネルギ回収装置の第２の実施の形態を示す制御システムの概略図である。図７において、図１乃至図６に示す符号と同符号のものは同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。

図７に示す本発明の作業機械の圧油エネルギ回収装置の第３の実施の形態は、大略第１の実施の形態と同様の油圧源と作業機等とで構成されるが、以下の構成が異なる。本実施の形態においては、油圧モータ２２を可変容量型油圧モータ２２２に替え、モータ容量を可変するモータレギュレータ２２２ａを設けている。また、可変容量型油圧モータ２２２には可変容量型油圧ポンプ２２３が連結されている。可変容量型油圧ポンプ２２３には、ポンプ容量を可変するポンプレギュレータ２２３ａが設けられている。可変容量型油圧ポンプ２２３の吐出する作動油は、アームシリンダ等のアクチュエータ等に供給されている。

モータレギュレータ２２２ａは、コントローラ１００からの指令に比例して可変容量型油圧モータ２２２の容量を変化させる。ポンプレギュレータ２２３ａは、コントローラ１００からの指令に比例して可変容量型油圧ポンプ２２３の容量を変化させる。

本実施の形態においては、可変容量型油圧モータ２２２の容量を制御することで回生流量を制御する。

上述した本発明の作業機械の圧油エネルギ回収装置の第３の実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

なお、本実施の形態においては、可変容量型油圧モータ２２２に可変容量型油圧ポンプ２２３を連結した場合を例に説明したが、これに限るものではない。例えば、可変容量型油圧ポンプ２２３にフライホイールを連結する構成として、運動エネルギとして回生エネルギを蓄えても良い。

１ 油圧ショベル
１ａ ブーム
２ 制御弁
２ａ パイロット受圧部
２ｂ パイロット受圧部
３ａ ブームシリンダ
３ａｘ ボトム側油室
３ａｙ ロッド側油室
４ 操作装置
５ コントロールバルブ
６ 油圧ポンプ
６Ａ タンク
７ パイロット油圧ポンプ
８ パイロットチェック弁
１０ 回収切換弁
１１ 第２制御弁
１５ 電磁切換弁
１６ 電磁比例減圧弁
２１ 圧力センサ（操作量検出手段）
２２ 油圧モータ
２３ 発電電動機
２４ インバータ
２５ チョッパ
２６ 蓄電装置
３０ 管路
３１ ロッド側油室管路
３２ ボトム側油室管路
３３ 戻り管路
３４ 回収管路
４０ａ パイロット２次側油路
４０ｂ パイロット２次側油路
４０ｃ パイロット２次側油路
５０ エンジン
１００ コントローラ（制御装置）
２２２ 可変容量型油圧モータ
２２２ａ モータレギュレータ
２２３ 可変容量型油圧ポンプ
２２３ａ ポンプレギュレータ

Claims (7)

1. 油圧ポンプと、作業装置を駆動する油圧アクチュエータと、前記油圧アクチュエータを操作する操作装置と、前記油圧アクチュエータの戻り油を回生する回生装置とを備えた作業機械の圧油エネルギ回収装置において、
   前記油圧アクチュエータからの戻り油が流通する管路と、前記管路を複数の管路に分岐する分岐部と、前記分岐部から分岐された一方の管路であって前記回生装置が設けられた回生回路と、前記分岐部から分岐された他方の管路であって前記戻り油をタンクに排出する排出回路と、前記排出回路に設けられ、戻り油の流量を調整可能な流量調整装置と、前記操作装置の操作量を検出する操作量検出部と、前記操作量検出部の検出信号を取込み，前記排出回路を流通する戻り油の目標排出流量を算出する排出流量演算部と、前記操作量検出部の検出信号を取込み，前記回生回路を流通する戻り油の目標回生流量を算出する回生流量演算部と、前記目標排出流量に応じて前記流量調整装置を制御し、前記目標回生流量に応じて前記回生装置を制御する制御装置とを備え、
   前記排出流量演算部は、前記操作装置の操作開始直後は、前記操作量に応じて増大し、時間の経過とともに緩やかに減少する目標排出流量を算出し、
   前記回生流量演算部は、前記操作装置の操作開始直後は、目標回生流量を前記目標排出流量よりも小さく設定し、時間の経過とともに前記操作量に応じて緩やかに増大する目標回生流量を算出する
   ことを特徴とする作業機械の圧油エネルギ回収装置。
2. 請求項１に記載の作業機械の圧油エネルギ回収装置において、
   パイロット油を供給するパイロット油圧ポンプを備え、
   前記流量調整装置は、前記パイロット油が供給され、前記制御装置からの指令により減圧した２次圧油を出力する減圧装置と、前記減圧装置から出力された２次圧油を入力し、前記２次圧油の圧力に比例した開度に調整される制御弁とを備え、
   前記制御装置は、前記操作量検出部の検出信号の変化に対して前記減圧装置への指令に遅れ要素を付加して制御する
   ことを特徴とする作業機械の圧油エネルギ回収装置。
3. 請求項２に記載の作業機械の圧油エネルギ回収装置において、
   前記制御装置の遅れ要素の付加は、ローパスフィルタ機能を備えた演算部に前記操作装置の操作量信号を入力し、前記演算部の出力を前記減圧装置への指令として構成した
   ことを特徴とする作業機械の圧油エネルギ回収装置。
4. 請求項２に記載の作業機械の圧油エネルギ回収装置において、
   前記制御装置の遅れ要素の付加は、変化速度制限機能を備えた演算部に前記操作装置の操作量信号を入力し、前記演算部の出力を前記減圧装置への指令として構成した
   ことを特徴とする作業機械の圧油エネルギ回収装置。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の作業機械の圧油エネルギ回収装置において、
   前記回生装置は、前記油圧アクチュエータの戻り油により駆動される油圧モータと、前記油圧モータと機械的に接続された発電電動機とを備え、
   前記制御装置は前記発電電動機の回転数を制御可能に構成した
   ことを特徴とする作業機械の圧油エネルギ回収装置。
6. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の作業機械の圧油エネルギ回収装置において、
   前記回生装置は、前記油圧アクチュエータの戻り油により駆動される可変容量型油圧モータを備え、
   前記制御装置は、前記可変容量型油圧モータの容量を制御可能に構成した
   ことを特徴とする作業機械の圧油エネルギ回収装置。
7. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の作業機械の圧油エネルギ回収装置において、
   前記回生装置は、前記油圧アクチュエータの戻り油により駆動される可変容量型油圧モータと、前記可変容量型油圧モータと機械的に接続された発電電動機とを備え、
   前記制御装置は、前記可変容量型油圧モータの容量と前記発電電動機の回転数を制御可能に構成した
   ことを特徴とする作業機械の圧油エネルギ回収装置。

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