JPWO2015178316A1 - ショベル及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

ショベル（１）は、油圧ポンプ（１０Ｒ）が吐出する作動油の少なくとも一部をポンプ供給油として受け入れるブームシリンダ（７）と、ブームシリンダ（７）のボトム側油室から流出する作動油の一部を再生油としてロッド側油室に流入させる再生油路（３３）と、油圧ポンプ（１０Ｒ）が吐出する作動油の吐出流量（Ｑｐ）を制御してブームシリンダ流入流量（Ｑｓ）を調整するコントローラ（５４）とを備える。コントローラ（５４）は、ブーム下げ操作が行われた場合、ブームシリンダ（７）に作用する推力（Ｆ）に応じて吐出流量（Ｑｐ）を決定し、ロッド側油室の圧力を所定の目標圧（Ｐｔｇ）以上としながら再生流量（Ｑｇ）を最大化する。

Description

本発明は、ブーム下げ操作時にブームシリンダの収縮側油室から流出する作動油を伸張側油室に流入させる再生油路を備えたショベル及びその制御方法に関する。

１台の油圧ポンプが吐出する作動油によってブームシリンダ及びバケットシリンダを同時に駆動して操作体としてのブーム及びバケットを同時に動かすようにする建設機械の制御装置が知られている（特許文献１参照。）。

この制御装置は、ブーム下げ操作が行われた場合にブームシリンダのボトム側油室から流出する作動油をブームシリンダのロッド側油室に流入させる再生油路を含む。また、ブーム下げ操作のみが行われた場合には、ブーム下げ操作とバケット開き操作とが同時に行われた場合に比べ、油圧ポンプの吐出流量を減少させ、油圧ポンプの吐出圧が過度に上昇しないようにする。

特開２０００−３０９９４９号公報

しかしながら、上述の制御装置は、ブーム下げ操作のみが行われる場合であってもブーム操作レバーの操作量に応じて油圧ポンプの吐出流量を決定することに変わりはない。そのため、ブームシリンダを収縮させようとする外力（例えば、土砂の重量を含むアタッチメントの重量による力）の大きさが異なる場合であっても、ブーム操作レバーの操作量が同じであれば油圧ポンプの吐出流量も同じとなる。その結果、外力が小さいほど再生効率（ブームシリンダのロッド側油室に流入する作動油量に占める再生油量の割合）が低くなる。

上述に鑑み、ブーム下げ操作の際の再生効率を向上できるショベルを提供することが望ましい。

本発明の実施例に係るショベルは、油圧ポンプが吐出する作動油の少なくとも一部をポンプ供給油として受け入れるブームシリンダと、前記ブームシリンダの収縮側油室から流出する作動油の一部を再生油として伸張側油室に流入させる再生油路と、前記油圧ポンプが吐出する作動油の吐出流量を制御して前記ポンプ供給油の供給流量を調整する制御装置と、を備え、前記制御装置は、ブーム下げ操作が行われた場合、前記ブームシリンダに作用する推力に応じて前記吐出流量を決定し、前記伸張側油室の圧力を所定圧以上としながら前記再生油の再生流量を最大化する。

上述の手段により、ブーム下げ操作の際の再生効率を向上できるショベルが提供される。

本発明の実施例に係るショベルの構成例を示す側面図である。 図１のショベルに搭載される油圧回路の構成例を示す図である。 ブーム下げ操作が単独で行われたときの油圧回路の状態を示す図である。 ブームシリンダに流出入する作動油の関係を示す図である。 ブーム下げ操作量と再生油路及び戻り油路のそれぞれの流路面積との対応関係の一例を示す図である。 吐出流量とブームシリンダ流入流量、再生流量、及びブームロッド圧のそれぞれとの関係を示すグラフである。 吐出流量最適化処理の一例の流れを示すフローチャートである。 ブーム下げ操作が単独で行われるときの各種パラメータの時間的推移を示すグラフである。

図１は、本発明の実施例に係る作業機械の構成例を示す側面図である。図１において、作業機械としてのショベル（掘削機）１は、クローラ式の下部走行体２の上に、旋回機構を介して、上部旋回体３をＸ軸周りに旋回自在に搭載している。

また、上部旋回体３は、前方中央部に掘削アタッチメントを備える。掘削アタッチメントは、ブーム４、アーム５、及び、バケット６を含み、且つ、油圧アクチュエータとしてのブームシリンダ７、アームシリンダ８、及び、バケットシリンダ９を含む。

図２は、図１のショベルに搭載される油圧回路の構成例を示す図である。なお、図２の破線は制御圧ラインを示し、図２の点線は電気信号ラインを示す。

油圧ポンプ１０Ｌ、１０Ｒは、エンジン、電動モータ等の駆動源によって駆動される可変容量型ポンプである。本実施例では、油圧ポンプ１０Ｌは、制御弁１１Ｌ〜１５Ｌのそれぞれを連通するセンターバイパス油路３０Ｌを通じて作動油タンク２２まで作動油を循環させる。また、油圧ポンプ１０Ｌは、センターバイパス油路３０Ｌに平行に伸びるパラレル油路３１Ｌを通じて制御弁１１Ｌ〜１５Ｌのそれぞれに作動油を供給可能である。同様に、油圧ポンプ１０Ｒは、制御弁１１Ｒ〜１５Ｒのそれぞれを連通するセンターバイパス油路３０Ｒを通じて作動油タンク２２まで作動油を循環させる。また、油圧ポンプ１０Ｒは、センターバイパス油路３０Ｒに平行して伸びるパラレル油路３１Ｒを通じて制御弁１２Ｒ〜１５Ｒのそれぞれに作動油を供給可能である。なお、以下では、油圧ポンプ１０Ｌ及び油圧ポンプ１０Ｒは、集合的に「油圧ポンプ１０」として参照される場合もある。左右一対で構成される他の構成要素についても同様である。

制御弁１１Ｌは、操作装置としての左側走行レバー（図示せず。）が操作された場合に、油圧ポンプ１０Ｌが吐出する作動油を油圧アクチュエータとしての左側走行用油圧モータ４２Ｌに供給するために作動油の流れを切り替えるスプール弁である。

制御弁１１Ｒは、走行直進弁としてのスプール弁である。本実施例では、走行直進弁１１Ｒは、４ポート２位置のスプール弁であり、第１弁位置及び第２弁位置を有する。具体的には、第１弁位置は、油圧ポンプ１０Ｌとパラレル油路３１Ｌとを連通する流路と、油圧ポンプ１０Ｒと制御弁１２Ｒとを連通する流路と有する。また、第２弁位置は、油圧ポンプ１０Ｒとパラレル油路３１Ｌとを連通する流路と、油圧ポンプ１０Ｌと制御弁１２Ｒとを連通する流路とを有する。

制御弁１２Ｌは、油圧ポンプ１０が吐出する作動油をオプションの油圧アクチュエータ（図示せず。）に供給するために作動油の流れを切り替えるスプール弁である。

制御弁１２Ｒは、操作装置としての右側走行レバー（図示せず。）が操作された場合に、油圧ポンプ１０が吐出する作動油を油圧アクチュエータとしての右側走行用油圧モータ４２Ｒに供給するために作動油の流れを切り替えるスプール弁である。

制御弁１３Ｌは、操作装置としての旋回操作レバー（図示せず。）が操作された場合に、油圧ポンプ１０が吐出する作動油を油圧アクチュエータとしての旋回用油圧モータ４４に供給するために作動油の流れを切り替えるスプール弁である。

制御弁１３Ｒは、操作装置としてのバケット操作レバー（図示せず。）が操作された場合に、油圧ポンプ１０が吐出する作動油をバケットシリンダ９へ供給するために作動油の流れを切り替えるスプール弁である。

制御弁１４Ｌ、１４Ｒは、操作装置としてのブーム操作レバー（図示せず。）が操作された場合に、油圧ポンプ１０が吐出する作動油をブームシリンダ７へ供給するために作動油の流れを切り替えるスプール弁である。なお、制御弁１４Ｌは、ブーム操作レバーが所定のレバー操作量以上でブーム上げ方向に操作された場合に、作動油を追加的にブームシリンダ７に供給する。

制御弁１５Ｌ、１５Ｒは、操作装置としてのアーム操作レバー（図示せず。）が操作された場合に、油圧ポンプ１０が吐出する作動油をアームシリンダ８へ供給するために作動油の流れを切り替えるスプール弁である。なお、制御弁１５Ｒは、アーム操作レバーが所定のレバー操作量以上で操作された場合に、作動油を追加的にアームシリンダ８に供給する。

センターバイパス油路３０Ｌ、３０Ｒはそれぞれ、最も下流にある制御弁１５Ｌ、１５Ｒと作動油タンク２２との間にネガティブコントロール絞り２０Ｌ、２０Ｒを備える。なお、以下では、ネガティブコントロールを「ネガコン」と略称する。ネガコン絞り２０Ｌ、２０Ｒは、油圧ポンプ１０Ｌ、１０Ｒが吐出する作動油の流れを制限してネガコン絞り２０Ｌ、２０Ｒの上流でネガコン圧を発生させる。

圧力センサＳ１、Ｓ２は、ネガコン絞り２０Ｌ、２０Ｒの上流で発生したネガコン圧を検出し、検出した値を電気的なネガコン圧信号としてコントローラ５４に対して出力する。

圧力センサＳ３、Ｓ４は、油圧ポンプ１０Ｌ、１０Ｒの吐出圧を検出し、検出した値を電気的な吐出圧信号としてコントローラ５４に対して出力する。

圧力センサＳ５は、ブームシリンダ７のロッド側油室における作動油の圧力を検出し、検出した値を電気的なブームロッド圧信号としてコントローラ５４に対して出力する。また、圧力センサＳ６は、ブームシリンダ７のボトム側油室における作動油の圧力を検出し、検出した値を電気的なブームボトム圧信号としてコントローラ５４に対して出力する。

なお、左側走行レバー、右側走行レバー、アーム操作レバー、旋回操作レバー、ブーム操作レバー、バケット操作レバー等の操作装置には操作内容検出部が取り付けられる。操作内容検出部は、例えば、各操作装置が生成するパイロット圧を検出する圧力センサ（図示せず。）である。これら圧力センサは、検出した値を電気的なパイロット圧信号としてコントローラ５４に対して出力する。

コントローラ５４は、油圧回路を制御する機能要素であり、例えば、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＮＶＲＡＭ等を備えたコンピュータである。本実施例では、コントローラ５４は、圧力センサ等の操作内容検出部の出力に基づいて各種操作装置の操作内容（例えば、レバー操作の有無、レバー操作方向、レバー操作量等である。）を電気的に検出する。なお、操作内容検出部は、各種操作レバーの傾きを検出する傾きセンサ等、圧力センサ以外のセンサで構成されてもよい。

そして、コントローラ５４は、各種操作装置の操作内容に応じてポンプレギュレータ４０Ｌ、４０Ｒ等を動作させる各種機能要素に対応するプログラムをＣＰＵに実行させる。

ポンプレギュレータ４０Ｌ、４０Ｒは、油圧ポンプ１０Ｌ、１０Ｒの吐出流量を制御する機構である。本実施例では、ポンプレギュレータ４０Ｌ、４０Ｒは、コントローラ５４が生成する指令に応じて油圧ポンプ１０Ｌ、１０Ｒの斜板傾転角を調整して油圧ポンプ１０Ｌ、１０Ｒの吐出流量を制御する。

例えば、ショベル１における油圧アクチュエータが何れも操作されていない状態では、油圧ポンプ１０Ｌ、１０Ｒが吐出する作動油は、センターバイパス油路３０Ｌ、３０Ｒを通ってネガコン絞り２０Ｌ、２０Ｒに至り、ネガコン絞り２０Ｌ、２０Ｒの上流で発生するネガコン圧を増大させる。この場合、ポンプレギュレータ４０Ｌ、４０Ｒは、ネガコン圧信号に基づいてコントローラ５４が生成する指令に応じて油圧ポンプ１０Ｌ、１０Ｒの吐出流量を低減させる。その結果、油圧ポンプ１０Ｌ、１０Ｒが吐出する作動油がセンターバイパス油路３０Ｌ、３０Ｒを通過する際の圧力損失（ポンピングロス）が抑制される。

一方、何れかの油圧アクチュエータが操作された場合、油圧ポンプ１０Ｌ、１０Ｒが吐出する作動油は、その油圧アクチュエータに対応する制御弁を介してその油圧アクチュエータに流れ込む。そのため、ネガコン絞り２０Ｌ、２０Ｒに至る量は減少或いは消滅し、ネガコン絞り２０Ｌ、２０Ｒの上流で発生するネガコン圧は低下する。この場合、ポンプレギュレータ４０Ｌ、４０Ｒは、油圧ポンプ１０Ｌ、１０Ｒの吐出流量を増大させ、各油圧アクチュエータに十分な作動油を循環させ、各アクチュエータの駆動を確かなものとする。

また、油圧ポンプ１０Ｌ、１０Ｒの吐出圧が、吐出流量に応じて決まる所定値を上回った場合、ポンプレギュレータ４０Ｌ、４０Ｒは、吐出圧信号に基づいてコントローラ５４が生成する指令に応じて油圧ポンプ１０Ｌ、１０Ｒの吐出流量を低減させる。油圧ポンプ１０Ｌ、１０Ｒの吸収馬力が駆動源としてのエンジンの出力馬力を上回るのを防止するためである。

なお、ポンプレギュレータ４０Ｌ、４０Ｒは、ネガコン絞り２０Ｌ、２０Ｒの上流のネガコン圧、油圧ポンプ１０Ｌの吐出圧、及び油圧ポンプ１０Ｒの吐出圧を利用して、油圧ポンプ１０Ｌ、１０Ｒの吐出流量を油圧的に制御してもよい。

次に、図３を参照してブーム下げ操作が単独で行われた場合の油圧回路の状態について説明する。なお、図３は、ブーム下げ操作が単独で行われた場合の油圧回路の状態を示す図であり、図２に対応する。また、本実施例では、ブーム下げ操作は、掘削アタッチメントを空中で動かす際にブーム４を下降させるための操作を意味する。また、図３の太実線はブームシリンダ７に向かう作動油の流れを表し、図３の太点線は作動油タンク２２に向かう作動油の流れを表す。また、本実施例では、ブーム下げ操作はフルレバー操作で行われる。「フルレバー操作」は、所定の操作量以上で行われるレバー操作を意味し、所定の操作量は例えば８０％以上の操作量である。なお、操作量１００％は操作レバーを最大限傾斜させたときの操作量に対応し、操作量０％は操作レバーを中立にしたとき（操作レバーを操作していないとき）の操作量に対応する。

具体的には、ブーム操作レバーが下げ方向に操作されると、制御弁１４Ｒは、図の右側のパイロットポートでパイロット圧を受けて図の左側に移動する。

制御弁１４Ｒが左に移動するとセンターバイパス油路３０Ｒが遮断されるため、油圧ポンプ１０Ｒが吐出する作動油はパラレル油路３１Ｒを通って制御弁１４Ｒに向かう。そして、パラレル油路３１Ｒの作動油は、制御弁１４Ｒを通じてブームシリンダ７のロッド側油室に流入する。また、ブームシリンダ７のボトム側油室から流出する作動油の一部は、制御弁１４Ｒ内に形成された再生油路３３を通じてパラレル油路３１Ｒからの作動油と合流してブームシリンダ７のロッド側油室に流入する。また、ブームシリンダ７のボトム側油室から流出する作動油の残りの部分は、制御弁１４Ｒ内に形成された戻り油路３４を通じて作動油タンク２２に排出される。

次に、図４を参照し、ブーム下げ操作が単独で行われた場合におけるブームシリンダ７に作用する推力Ｆ、油圧ポンプ１０Ｒの吐出流量Ｑｐ、再生油路３３の再生流量Ｑｇ、及び戻り油路３４の戻り流量Ｑｃの関係について説明する。なお、図４は、ブームシリンダ７に流出入する作動油の関係を示す図である。

ブームシリンダ７内を摺動するピストンのロッド側の受圧面積をＡｒとし、ボトム側の受圧面積をＡｂとし、ロッド側油室の圧力をブームロッド圧Ｐｒとし、ボトム側油室の圧力をブームボトム圧Ｐｂとすると、ブームシリンダ７に作用する推力Ｆは、以下の式（１）で表される。

また、式（１）は以下の式（２）で書き換えられる。

また、再生油路３３が構成する絞りの前後の差圧をΔＰ（＝Ｐｂ−Ｐｒ）とし、作動油の密度をρとし、再生油路３３の流路面積（絞り断面）をＡｇとし、作動油の流出係数をＣとすると、再生油路３３の再生流量Ｑｇは、以下の式（３）で表される。

ここで、式（４）で示す第１絞り係数Ｃｇを用いると、式（３）は以下の式（５）で書き換えられる。

同様に、戻り油路３４の下流の圧力をＰｔとし、戻り油路３４を構成する絞りの前後の差圧をΔＰ（＝Ｐｂ−Ｐｔ）とし、作動油の密度をρとし、戻り油路３４の流路面積（絞り断面）をＡｃとし、作動油の流出係数をＣとすると、戻り油路３４の戻り流量Ｑｃは、以下の式（６）で表される。

ここで、式（７）で示す第２絞り係数Ｃｃを用いると、式（６）は以下の式（８）で書き換えられる。

なお、再生油路３３の流路面積Ａｇと戻り油路３４の流路面積Ａｃは、ブーム操作レバーの下げ方向へのレバー操作量（以下、「ブーム下げ操作量」とする。）に応じて一意に決まる値である。図５は、ブーム下げ操作量と流路面積Ａｇ及び流路面積Ａｃのそれぞれとの対応関係の一例を示す。具体的には、流路面積Ａｇ及び流路面積Ａｃは何れもブーム下げ操作量が大きいほど大きくなる。例えば、ブーム下げ操作量が１００％（最大レバー操作量）の場合、流路面積Ａｇは最大値Ａｇｍａｘとなり、流路面積Ａｃは最大値Ａｃｍａｘとなる。

そのため、本実施例では、第１絞り係数Ｃｇ及び第２絞り係数Ｃｃとブーム下げ操作量との対応関係は式（４）及び式（７）に基づいて予め導き出され、コントローラ５４のＲＯＭ等に対応テーブルの形で予め記憶される。したがって、コントローラ５４は、ブーム下げ操作量が決まれば第１絞り係数Ｃｇ及び第２絞り係数Ｃｃのそれぞれを一意に決定できる。

また、ブームシリンダ７のロッド側油室に流入する作動油の流量をブームシリンダ流入流量Ｑｓとし、ブームシリンダ７のボトム側油室から流出する作動油の流量を排出流量Ｑｅとすると、排出流量Ｑｅは、以下の式（９）で表される。

そして、ブームシリンダ流入流量Ｑｓは再生流量Ｑｇと油圧ポンプ１０Ｒの吐出流量Ｑｐの和であり、排出流量Ｑｅは再生流量Ｑｇと戻り流量Ｑｃの和であるとすると、式（９）は以下の式（１０）で書き換えられる。

次に、図６を参照し、ブーム操作レバーを下げ方向にフルレバー操作した場合における吐出流量Ｑｐと、ブームシリンダ流入流量Ｑｓ、再生流量Ｑｇ、及びブームロッド圧Ｐｒのそれぞれとの関係について説明する。図６は、ブーム操作レバーを下げ方向にフルレバー操作した場合における吐出流量Ｑｐと、ブームシリンダ流入流量Ｑｓ、再生流量Ｑｇ、及びブームロッド圧Ｐｒのそれぞれとの関係を示すグラフである。具体的には、図６（Ａ）は、吐出流量Ｑｐとブームシリンダ流入流量Ｑｓとの関係を示すグラフである。また、図６（Ｂ）は吐出流量Ｑｐと再生流量Ｑｇとの関係を示すグラフであり、図６（Ｃ）は吐出流量Ｑｐとブームロッド圧Ｐｒとの関係を示すグラフである。なお、図６（Ａ）〜図６（Ｃ）では吐出流量Ｑｐに対応する横軸は共通である。また、図６（Ａ）〜図６（Ｃ）において、実線で示す推移は、ブームシリンダ７を収縮させようとする外力が大きい場合の推移を表す。また、破線で示す推移は外力が中程度の場合の推移を表し、一点鎖線で示す推移は外力が小さい場合の推移を表す。なお、ブームシリンダ７を収縮させようとする外力は、バケット６内の土砂の量、ショベル１の姿勢（傾斜地にあるか平坦地にあるか）、掘削アタッチメントの姿勢等によって変化する。

具体的には、図６（Ａ）に示すように、ブーム操作レバーを下げ方向にフルレバー操作した場合、すなわち、戻り油路３４の流路面積Ａｃを最大値Ａｃｍａｘとした場合、ブームシリンダ流入流量Ｑｓは、吐出流量Ｑｐの大きさにかかわらず、外力が大きいほど大きくなる。

一方で、ブームシリンダ流入流量Ｑｓは、外力が一定であれば、吐出流量Ｑｐの大きさにかかわらずほぼ一定となる。すなわち、吐出流量Ｑｐを増大させたとしても、ブームシリンダ流入流量Ｑｓは増大せず、ブーム下げ速度も増大しない。図６（Ｂ）に示すように、再生流量Ｑｇは、外力の大きさにかかわらず、吐出流量Ｑｐが増大するにつれて減少するためである。

そのため、吐出流量Ｑｐを減少させれば、ブームシリンダ流入流量Ｑｓを減少させることなく、再生流量Ｑｇを増大させることができる。

しかしながら、図６（Ｃ）に示すように、ブームロッド圧Ｐｒは、外力の大きさにかかわらず、吐出流量Ｑｐが減少するにつれて低下する傾向を有する。そのため、吐出流量Ｑｐを過度に減少させると、ブームロッド圧Ｐｒを過度に低下させてしまい、キャビテーションを発生させてしまうおそれがある。

また、図６（Ｃ）に示すように、ブームロッド圧Ｐｒは、吐出流量Ｑｐが一定であれば、外力が大きいほど低くなる。すなわち、ブームロッド圧Ｐｒは、外力が大きければ、吐出流量Ｑｐが比較的大きい場合であっても、キャビテーションを発生させるレベルまで低下してしまうおそれがある。

このように、吐出流量Ｑｐの低減は再生流量Ｑｇの増大を実現でき、省エネルギ化を図る上で有効である。しかしながら、キャビテーションを発生させることなく再生流量Ｑｇを最大化させるために必要な吐出流量Ｑｐは外力の大きさによって異なるため、吐出流量Ｑｐを無制限に低減させることはできない。

そこで、コントローラ５４は、ブームロッド圧Ｐｒが所定の目標圧Ｐｔｇとなるように吐出流量Ｑｐを決定し、キャビテーションを発生させない限りにおいて、再生流量Ｑｇができるだけ大きくなるようにする。なお、所定の目標圧Ｐｔｇは、キャビテーションを発生させるおそれのないレベルの圧力であり、例えば４［ＭＰａ］である。

図６（Ｃ）の例では、コントローラ５４は、ブームロッド圧Ｐｒを目標圧Ｐｔｇとするために、外力が小さいときの吐出流量ＱｐをＱｐＬとする。また、コントローラ５４は、外力が中程度のときの吐出流量ＱｐをＱｐＭ（＞ＱｐＬ）とし、外力が大きいときの吐出流量ＱｐをＱｐＨ（＞ＱｐＭ）とする。

そして、外力が小さいときの吐出流量ＱｐがＱｐＬに決定されると、外力が小さいときの再生流量ＱｇはＱｇＬとなり、ブームシリンダ流入流量ＱｓはＱｓＬ（＝ＱｇＬ＋ＱｐＬ）となる。また、外力が中程度のときの吐出流量ＱｐがＱｐＭに決定されると、外力が中程度のときの再生流量ＱｇはＱｇＭ（＞ＱｇＬ）となり、ブームシリンダ流入流量ＱｓはＱｓＭ（＝ＱｇＭ＋ＱｐＭ＞ＱｓＬ）となる。また、外力が大きいときの吐出流量ＱｐがＱｐＨに決定されると、外力が大きいときの再生流量ＱｇはＱｇＨ（＞ＱｇＭ）となり、ブームシリンダ流入流量ＱｓはＱｓＨ（＝ＱｇＨ＋ＱｐＨ＞ＱｓＭ）となる。

また、ブーム操作レバーが下げ方向にフルレバー操作された場合に外力の大きさに関係なく共通の吐出流量ＱｐＲを吐出していたときと比較すると、再生流量Ｑｇの増分は、外力が小さいときほど大きくなることが分かる。具体的には、再生流量Ｑｇの増分は、外力が大きいときにＤＨとなり、外力が中程度のときにＤＭ（＞ＤＨ）となり、外力が小さいときにＤＬ（＞ＤＭ）となる。また、共通の吐出流量ＱｐＲを吐出していたときには、外力が大きいほどブームロッド圧Ｐｒが小さくなることが分かる。一方で、吐出流量ＱｐをＱｐＲからＱｐＬ、ＱｐＭ、又はＱｐＨに低減させた場合であっても、外力が同じであれば、ブームシリンダ流入流量Ｑｓにはほとんど変化が見られないことが分かる。

次に、図７を参照し、コントローラ５４が油圧ポンプ１０Ｒの吐出流量Ｑｐを最適化する処理（以下、「吐出流量最適化処理」とする。）について説明する。なお、図７は、吐出流量最適化処理の一例の流れを示すフローチャートであり、コントローラ５４は、所定の制御周期でこの吐出流量最適化処理を繰り返し実行する。また、本実施例では、「吐出流量Ｑｐの最適化」は、キャビテーションを発生させない限りにおいて、再生流量Ｑｇを最大化させる吐出流量を実現することを意味する。

最初に、コントローラ５４は、ブーム下げ操作中であるかを判定する（ステップＳＴ１）。本実施例では、コントローラ５４は、圧力センサ等の操作内容検出部の出力に基づいてブーム操作レバーの操作内容からブーム下げ操作中であるかを判定する。また、本実施例では、コントローラ５４は、ブーム操作レバーが単独で下げ方向にフルレバー操作されたことを検知した場合にブーム下げ操作中であると判定する。また、本実施例では、コントローラ５４は、掘削アタッチメントを掘削対象に押し付けていないと判断した場合、すなわち、掘削アタッチメントを空中で動かしていると判断した場合に、ブーム下げ操作中であると判定する。なお、コントローラ５４は、圧力センサＳ５が出力するブームロッド圧信号、及び、圧力センサＳ６が出力するブームボトム圧信号の少なくとも一方に基づいて掘削アタッチメントを掘削対象に押し付けているかを判断する。

ブーム下げ操作中でないと判定した場合（ステップＳＴ１のＮＯ）、コントローラ５４は、今回の吐出流量最適化処理を終了させる。

ブーム下げ操作中であると判定した場合（ステップＳＴ１のＹＥＳ）、コントローラ５４は、ポンプレギュレータ４０Ｒに対する指令である第１指令値を導き出す（ステップＳＴ２）。本実施例では、コントローラ５４は、ネガコン圧信号に応じて第１指令値を導き出す。第１指令値は、ネガコン圧信号に応じて一意に決まる吐出流量指令値であり、ブーム下げ操作量が大きいほど大きい。具体的には、ブーム下げ操作量が大きいほど、制御弁１４Ｒの移動量が大きくなり、センターバイパス油路３０Ｒの流路面積が小さくなる。そして、センターバイパス油路３０Ｒの流路面積が小さくなると、ネガコン圧が低くなり、吐出流量指令値は大きくなる。そして、吐出流量指令値が大きくなると、油圧ポンプ１０Ｒの吐出流量Ｑｐは大きくなる。なお、コントローラ５４は、ブーム下げ操作量に応じて第１指令値を導き出してもよい。

その後、コントローラ５４は、第１指令値をポンプレギュレータ４０Ｒに対して出力し、油圧ポンプ１０Ｒの吐出流量Ｑｐが第１指令値に対応する流量となるように斜板傾転角を制御する（ステップＳＴ３）。

その後、コントローラ５４は、ブームボトム圧Ｐｂ及びブームロッド圧Ｐｒのそれぞれの変動幅が所定値未満となったかを判定する（ステップＳＴ４）。変動幅が大きいとブームシリンダ７に作用する推力Ｆを正確に推定することができないためである。なお、本実施例では、コントローラ５４は、圧力センサＳ５が出力するブームロッド圧信号の前回値と今回値の差をブームボトム圧Ｐｂの変動幅として導き出す。ブームロッド圧Ｐｒの変動幅についても同様である。

ブームボトム圧Ｐｂ及びブームロッド圧Ｐｒの少なくとも１つの変動幅が所定値以上であると判定した場合（ステップＳＴ４のＮＯ）、コントローラ５４は、ステップＳＴ４の判定を繰り返す。

その後、ブームボトム圧Ｐｂ及びブームロッド圧Ｐｒのそれぞれの変動幅が所定値未満になったと判定した場合（ステップＳＴ４のＹＥＳ）、コントローラ５４は、ポンプレギュレータ４０Ｒに対する指令である第２指令値を導き出す（ステップＳＴ５）。第２指令値は、
ブームシリンダ７に作用する推力Ｆに応じて変化する吐出流量指令値であり、推力Ｆが大きいほど大きい。

具体的には、コントローラ５４は、圧力センサＳ５が出力するブームロッド圧信号と、圧力センサＳ６が出力するブームボトム圧信号と、上述の式（１）とに基づいてブームシリンダ７に作用する推力Ｆを導き出す。

また、コントローラ５４は、ブームロッド圧Ｐｒに関する所定の目標圧ＰｔｇをＲＯＭ等から読み出し、推力Ｆと上述の式（２）とに基づいて、ブームロッド圧Ｐｒを目標圧Ｐｔｇとした場合のブームボトム圧Ｐｂを導き出す。

また、コントローラ５４は、第１絞り係数Ｃｇ及び第２絞り係数Ｃｃとブーム下げ操作量との対応関係を予め記憶した対応テーブルを参照し、現在のブーム下げ操作量に対応する第１絞り係数Ｃｇ及び第２絞り係数Ｃｃを取得する。なお、対応テーブルはＲＯＭ等に予め記憶される。

そして、コントローラ５４は、取得した第１絞り係数Ｃｇと式（５）とに基づいて再生油路３３の再生流量Ｑｇを導き出す。また、コントローラ５４は、取得した第２絞り係数Ｃｃと式（８）とに基づいて戻り油路３４の戻り流量Ｑｃを導き出す。

そして、コントローラ５４は、再生流量Ｑｇと、戻り流量Ｑｃと、式（１０）とに基づいて第２指令値に対応する吐出流量を導き出す。

なお、コントローラ５４は、第２指令値を導き出すために、必ずしも、ブームロッド圧Ｐｒを目標圧Ｐｔｇとした場合のブームボトム圧Ｐｂ、再生流量Ｑｇ、戻り流量Ｑｃ等をその都度導き出す必要はない。例えば、コントローラ５４は、ブーム操作レバーに関するパイロット圧信号、ブームボトム圧信号、及びブームロッド圧信号の組み合わせと、第２指令値との対応関係を予め記憶した対応テーブルを参照してもよい。この場合、コントローラ５４は、ＲＯＭ等に予め記憶されたその対応テーブルを参照し、現在のブーム下げ操作量、ブームロッド圧Ｐｒ、及びブームボトム圧Ｐｂの組み合わせに対応する第２指令値を直接的に導き出す。

その後、コントローラ５４は、第２指令値をポンプレギュレータ４０Ｒに対して出力し、油圧ポンプ１０Ｒの吐出流量Ｑｐが第２指令値に対応する吐出流量となるように制御する（ステップＳＴ６）。

このようにして、コントローラ５４は、キャビテーションを発生させない限りにおいて、再生流量Ｑｇを最大化させるべく、油圧ポンプ１０Ｒの吐出流量Ｑｐを最適化する。

次に、図８を参照し、コントローラ５４が吐出流量最適化処理を実行する場合における各種パラメータの時間的推移について説明する。なお、図８は、ブーム下げ操作が単独で行われるときの各種パラメータの時間的推移を示すグラフである。具体的には、図８（Ａ）は、ブームロッド圧Ｐｒ及びブームボトム圧Ｐｂの時間的推移を表す。また、図８（Ｂ）は吐出流量指令値の時間的推移を表し、図８（Ｃ）はブーム下げ速度の時間的推移を表す。なお、図８（Ａ）〜図８（Ｃ）では時間軸としての横軸は共通である。

具体的には、時刻ｔ１においてブーム下げ操作が単独で行われるまでは、ブームボトム圧Ｐｂ及びブームロッド圧Ｐｒは、図８（Ａ）に示すように、変動幅が小さい状態で推移する。そして、時刻ｔ１においてブーム下げ操作が単独で行われると、ブームボトム圧Ｐｂ及びブームロッド圧Ｐｒの変動幅は大きくなる。例えば、ブームボトム圧Ｐｂはボトム側油室から作動油が流出することによって一時的に低下し、ブームロッド圧Ｐｒはロッド側油室に作動油が流入することによって一時的に増大する。その後、ブームボトム圧Ｐｂ及びブームロッド圧Ｐｒのそれぞれは安定に向かい、時刻ｔ２においてそれぞれの変動幅は所定値未満となる。

吐出流量指令値に関しては、時刻ｔ１においてブーム下げ操作が単独で行われると、コントローラ５４は、ネガコン圧に応じた第１指令値ｄ１を導き出し、吐出流量指令値として第１指令値ｄ１を設定する。そのため、吐出流量指令値は、図８（Ｂ）に示すように、時刻ｔ１において第１指令値ｄ１まで増加する。その後、コントローラ５４は、ブームボトム圧Ｐｂ及びブームロッド圧Ｐｒのそれぞれの変動幅が所定値未満になったと判定するまでは吐出流量指令値として第１指令値ｄ１を使用する。そのため、吐出流量指令値は第１指令値ｄ１のまま推移する。その後、コントローラ５４は、時刻ｔ２においてブームボトム圧Ｐｂ及びブームロッド圧Ｐｒのそれぞれの変動幅が所定値未満になったと判定すると、ブームシリンダ７に作用する推力Ｆに応じた第２指令値ｄ２を導き出す。このとき、コントローラ５４は、所定時間Ｔ１の経過後に油圧ポンプ１０Ｒの実際の吐出流量Ｑｐが第２指令値に対応する吐出流量となるように吐出流量指令値を決定する。吐出流量Ｑｐの急変を避けるためである。具体的には、コントローラ５４は、現在の吐出流量指令値としての第１指令値ｄ１と、所定時間Ｔ１経過後の吐出流量指令値としての第２指令値ｄ２との間を線形補間して中間の指令値を導き出す。そして、実際の吐出流量Ｑｐを中間の指令値に対応する吐出流量に合致させるようにポンプレギュレータ４０Ｒを制御する。そのため、吐出流量指令値は、図８（Ｂ）に示すように、時刻ｔ２における第１指令値ｄ１から比較的緩やかに低下し、所定時間Ｔ１経過後の時刻ｔ３において第２指令値ｄ２に至る。

ブーム下げ速度は、図８（Ｃ）に示すように、時刻ｔ１においてブーム下げ操作が行われた後で徐々に増加し、時刻ｔ２において、ブーム下げ操作量に応じた速度Ｖｔに至る。そして、時刻ｔ２において吐出流量指令値の低減が開始され、実際の吐出流量Ｑｐの低減が開始された後もその速度Ｖｔが維持される。さらに、時刻ｔ３において吐出流量指令値が第２指令値ｄ２となり、実際の吐出流量Ｑｐが第２指令値ｄ２に対応する吐出流量となった後もその速度Ｖｔが維持される。吐出流量Ｑｐが減少した分だけ再生流量Ｑｇが増大するためである。

以上の構成により、コントローラ５４は、ブーム下げ操作が行われた場合、ブームシリンダ７に作用する推力Ｆに応じて吐出流量Ｑｐを決定し、ブームロッド圧Ｐｒを所定の目標圧Ｐｔｇ以上としながら再生流量Ｑｇを最大化する。そのため、キャビテーションの発生を防止しながら、ブーム下げ操作の際の再生効率を向上できる。また、吐出流量Ｑｐを必要最小限に低減させるため、省エネルギ化を図ることができる。

また、コントローラ５４は、ブーム下げ操作が行われた直後では、ネガコン圧又はブーム下げ操作量に応じて第１指令値ｄ１を決定する。そして、油圧ポンプ１０Ｒの実際の吐出流量Ｑｐを第１指令値ｄ１に対応する吐出流量に合致させるようにポンプレギュレータ４０Ｒを制御する。また、ブームシリンダ７内の作動油の圧力が安定化した後で、ブームシリンダ７に作用する推力Ｆ、再生油路３３の流路面積Ａｇ、及び、戻り油路３４の流路面積Ａｃに応じて第２指令値ｄ２を決定する。そして、油圧ポンプ１０Ｒの実際の吐出流量Ｑｐを第２指令値ｄ２に対応する吐出流量に合致させるようにポンプレギュレータ４０Ｒを制御する。具体的には、コントローラ５４は、ブームシリンダ７における作動油の圧力の変動幅が所定値未満となった場合に第２指令値を決定する。そのため、コントローラ５４は、推力Ｆを高精度に導き出した上で、ブームロッド圧Ｐｒを所定の目標圧Ｐｔｇ以上としながら再生流量Ｑｇを最大化できる吐出流量Ｑｐに対応する第２指令値ｄ２を導き出すことができる。

なお、ブームシリンダ７に作用する推力Ｆは、ブームボトム圧Ｐｂ及び受圧面積Ａｂとブームロッド圧Ｐｒ及び受圧面積Ａｒとに基づいて導き出される。そのため、コントローラ５４は、簡易な構成で高精度に推力Ｆを導き出すことができる。

また、再生油路３３の流路面積Ａｇ及び戻り油路３４の流路面積Ａｃは、ブーム下げ操作量に基づいて導き出される。そのため、コントローラ５４は、キャビテーションの発生を防止し、ブーム下げ操作の際の再生効率を向上させながらも、ブーム下げ操作量に応じたブーム下げ速度を実現できる。

また、コントローラ５４は、第１指令値ｄ１と第２指令値ｄ２との間を補間して中間指令値を導き出す。そして、所定時間経過後に油圧ポンプ１０Ｒの実際の吐出流量Ｑｐが第２指令値ｄ２に対応する吐出流量となるように、実際の吐出流量Ｑｐをその中間指令値に対応する吐出流量に合致させるようにポンプレギュレータ４０Ｒを制御する。そのため、コントローラ５４は、吐出流量Ｑｐの急変、再生流量Ｑｇの急変、及びブームシリンダ流入流量Ｑｓ（ブーム下げ速度）の急変を防止し、且つ、キャビテーションの発生を防止しながら、ブーム下げ操作の際の再生効率を向上できる。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明は特定の実施例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要旨の範囲内において、種々の変形及び変更が可能である。

例えば、上述の実施例では、コントローラ５４は、ブーム操作レバーが単独で下げ方向にフルレバー操作されたことを検知した場合にブーム下げ操作中であると判定する。しかしながら、本発明はこの構成に限定されるものではない。例えば、コントローラ５４は、ブーム操作レバーが単独で下げ方向にハーフレバー操作されたことを検知した場合にブーム下げ操作中であると判定してもよい。なお、「ハーフレバー操作」は、フルレバー操作よりも小さい操作量で行われるレバー操作を意味する。

また、上述の実施例では、再生油路３３は制御弁１４Ｒの内部に形成されるが、制御弁１４Ｒの外部に形成されてもよい。

また、本願は、２０１４年５月１９日に出願した日本国特許出願２０１４−１０３７１０号に基づく優先権を主張するものであり、これらの日本国特許出願の全内容を本願に参照により援用する。

１・・・ショベル ２・・・下部走行体 ３・・・上部旋回体 ４・・・ブーム ５・・・アーム ６・・・バケット ７・・・ブームシリンダ ８・・・アームシリンダ ９・・・バケットシリンダ １０Ｌ、１０Ｒ・・・油圧ポンプ １１Ｌ、１１Ｒ、１２Ｌ、１２Ｒ、１３Ｌ、１３Ｒ、１４Ｌ、１４Ｒ、１５Ｌ、１５Ｒ・・・制御弁 ２０Ｌ、２０Ｒ・・・ネガコン絞り ２２・・・作動油タンク ３０Ｌ、３０Ｒ・・・センターバイパス油路 ３１Ｌ、３１Ｒ・・・パラレル油路 ３３・・・再生油路 ３４・・・戻り油路 ４０Ｌ、４０Ｒ・・・ポンプレギュレータ ４２Ｌ、４２Ｒ・・・走行用油圧モータ ４４・・・旋回用油圧モータ ５４・・・コントローラ Ｓ１〜Ｓ６・・・圧力センサ

Claims (10)

1. 油圧ポンプが吐出する作動油の少なくとも一部をポンプ供給油として受け入れるブームシリンダと、
   前記ブームシリンダの収縮側油室から流出する作動油の一部を再生油として伸張側油室に流入させる再生油路と、
   前記油圧ポンプが吐出する作動油の吐出流量を制御して前記ポンプ供給油の供給流量を調整する制御装置と、を備え、
   前記制御装置は、ブーム下げ操作が行われた場合、前記ブームシリンダに作用する推力に応じて前記吐出流量を決定し、前記伸張側油室の圧力を所定圧以上としながら前記再生油の再生流量を最大化する、
   ショベル。
2. 前記制御装置は、
   ブーム下げ操作量に応じて前記吐出流量の第１指令値を決定して前記油圧ポンプの実際の吐出流量を該第１指令値に対応する吐出流量に合致させるように前記吐出流量を制御し、
   その後に、前記ブームシリンダに作用する推力、前記再生油路の流路面積、及び、前記ブームシリンダと作動油タンクとを連通する戻り油路の流路面積に応じて前記吐出流量の第２指令値を決定して前記油圧ポンプの実際の吐出流量を該第２指令値に対応する吐出流量に合致させるように前記吐出流量を制御する、
   請求項１に記載のショベル。
3. 前記制御装置は、前記ブームシリンダにおける作動油の圧力の変動幅が所定値未満となった場合に前記第２指令値を決定する、
   請求項２に記載のショベル。
4. 前記制御装置は、前記第１指令値と前記第２指令値との間を補間して中間指令値を導き出し、所定時間経過後に前記油圧ポンプの実際の吐出流量が前記第２指令値に対応する吐出流量となるように、前記油圧ポンプの実際の吐出流量を該中間指令値に対応する吐出流量に合致させるように前記吐出流量を制御する、
   請求項２又は３に記載のショベル。
5. 前記制御装置は、前記収縮側油室の圧力及び受圧面積と前記伸張側油室の圧力及び受圧面積とに基づいて前記ブームシリンダに作用する推力を導き出す、
   請求項２又は３に記載のショベル。
6. 前記制御装置は、前記再生油路の流路面積及び前記戻り油路の流路面積のそれぞれとブーム下げ操作量との対応関係を予め記憶した対応テーブルを参照し、現在のブーム下げ操作量に対応する前記再生油路の流路面積及び前記戻り油路の流路面積を導き出す、
   請求項２又は３に記載のショベル。
7. 油圧ポンプが吐出する作動油の少なくとも一部をポンプ供給油として受け入れるブームシリンダと、前記ブームシリンダの収縮側油室から流出する作動油の一部を再生油として伸張側油室に流入させる再生油路と、前記油圧ポンプが吐出する作動油の吐出流量を制御して前記ポンプ供給油の供給流量を調整する制御装置と、を備えるショベルの制御方法であって、
   ブーム下げ操作が行われた場合、前記ブームシリンダに作用する推力に応じて前記制御装置が前記吐出流量を決定し、前記伸張側油室の圧力を所定圧以上としながら前記制御装置が前記再生油の再生流量を最大化する、
   制御方法。
8. ブーム下げ操作量に応じて前記吐出流量の第１指令値を決定して前記油圧ポンプの実際の吐出流量を該第１指令値に対応する吐出流量に合致させるように前記制御装置が前記吐出流量を制御し、その後に、前記ブームシリンダに作用する推力、前記再生油路の流路面積、及び、前記ブームシリンダと作動油タンクとを連通する戻り油路の流路面積に応じて前記吐出流量の第２指令値を決定して前記油圧ポンプの実際の吐出流量を該第２指令値に対応する吐出流量に合致させるように前記制御装置が前記吐出流量を制御する、
   請求項７に記載の制御方法。
9. 前記ブームシリンダにおける作動油の圧力の変動幅が所定値未満となった場合に前記制御装置が前記第２指令値を決定する、
   請求項８に記載の制御方法。
10. 前記第１指令値と前記第２指令値との間を補間して中間指令値を導き出し、所定時間経過後に前記油圧ポンプの実際の吐出流量が前記第２指令値に対応する吐出流量となるように、前記油圧ポンプの実際の吐出流量を該中間指令値に対応する吐出流量に合致させるように前記制御装置が前記吐出流量を制御する、
    請求項８又は９に記載の制御方法。

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