KR20140021024A - 쇼벨 및 쇼벨의 제어방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시예에 관한 쇼벨은, 붐실린더(7) 및 암실린더(8)를 구비하는 쇼벨로서, 붐실린더(7)로부터 유출되는 작동유에 의하여 구동되는 유압모터(310)와, 붐실린더(7)로부터 유출되는 작동유를 유압모터(310)에 공급하기 위한 회생용 유로(C4)와, 붐실린더(7)로부터 유출되는 작동유를 암실린더(8)로 공급하는 재생용 유로(C3)와, 재생용 유로(C3)를 흐르는 작동유의 유량을 제어하는 재생용 유량제어밸브(321)를 구비한다.

Description

쇼벨 및 쇼벨의 제어방법{Shovel and control method of shovel}
본 발명은, 붐회생용 유압모터를 구비한 쇼벨 및 그 쇼벨의 제어방법에 관한 것이다.
종래, 붐하강시에 붐회생용 유압모터에 의하여 회전구동되는 붐용 전동발전기와, 엔진에 의하여 회전구동되는 엔진용 전동발전기와, 회생운전 및 역행운전이 가능한 선회용 전동발전기를 구비한 하이브리드식 쇼벨이 알려져 있다(예를 들면, 특허문헌 1 참조.).
이 하이브리드식 쇼벨은, 붐용 전동발전기 또는 선회용 전동발전기의 회생운전시에 엔진용 전동발전기를 역행운전으로 이행시킴으로써, 회생된 전력을 배터리에 충전하지 않고 엔진용 전동발전기의 구동에 이용하여, 회생전력을 보다 효율적으로 이용할 수 있도록 한다.
선행기술문헌
(특허문헌)
특허문헌 1: 일본 특허공개공보 2010-281183호
그러나, 특허문헌 1의 하이브리드식 쇼벨은, 붐실린더로부터 유출되는 작동유를 붐회생용 유압모터의 구동에 이용한 후에는 그 작동유를 오일탱크에 배출할 뿐이므로, 에너지의 유효 이용을 도모하는 관점에서 개선의 여지가 있다.
상술의 점을 감안하여, 본 발명은, 붐하강시에 붐실린더로부터 유출되는 작동유를 보다 효율적으로 이용하는 쇼벨 및 그 쇼벨의 제어방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 관한 쇼벨은, 붐실린더를 포함하는 유압액츄에이터를 구비하는 쇼벨로서, 상기 붐실린더로부터 유출되는 작동유에 의하여 구동되는 유압모터와, 상기 붐실린더로부터 유출되는 작동유를 상기 유압모터에 공급하기 위한 회생용 유로(油路)와, 상기 붐실린더로부터 유출되는 작동유를 다른 유압액츄에이터로 공급하는 재생용 유로와, 상기 재생용 유로를 흐르는 작동유의 유량을 제어하는 재생용 유량제어밸브를 구비하는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명의 실시예에 관한 쇼벨의 제어방법은, 붐실린더를 포함하는 유압액츄에이터를 구비하는 쇼벨의 제어방법으로서, 상기 붐실린더로부터 유출되는 작동유에 의하여 유압모터를 구동하는 스텝과, 상기 붐실린더로부터 유출되는 작동유를 상기 유압모터에 공급하는 스텝과, 재생용 유로를 통하여 상기 붐실린더로부터 유출되는 작동유를 다른 유압액츄에이터로 공급하는 스텝과, 재생용 유량제어밸브에 의하여 상기 재생용 유로를 흐르는 작동유의 유량을 제어하는 스텝을 가진다.
상술의 수단에 의하여, 본 발명은, 붐하강시에 붐실린더로부터 유출되는 작동유를 보다 효율적으로 이용하는 쇼벨 및 그 쇼벨의 제어방법을 제공할 수 있다.
도 1은 제1 실시예에 관한 하이브리드식 쇼벨의 측면도이다.
도 2는 제1 실시예에 관한 하이브리드식 쇼벨의 동작상태의 추이를 나타내는 도이다.
도 3은 제1 실시예에 관한 하이브리드식 쇼벨의 구동계의 구성예를 나타내는 블록도이다.
도 4는 제1 실시예에 관한 하이브리드식 쇼벨의 축전계의 구성예를 나타내는 블록도이다.
도 5는 제1 실시예에 관한 하이브리드식 쇼벨에 있어서의 연통회로의 구성예를 나타내는 도이다.
도 6은 연통회로 구동처리의 흐름을 나타내는 플로우차트이다.
도 7은 암구동 어시스트처리시의 연통회로의 상태를 나타내는 도이다.
도 8은 붐회생 발전처리시의 연통회로의 상태를 나타내는 도이다.
도 9는 덤프동작구간에 있어서 컨트롤러가 암구동 어시스트처리 또는 붐회생 발전처리를 실행할 때의 각종 물리량의 시간적 추이를 나타내는 도이다.
도 10은 제2 실시예에 관한 쇼벨의 구동계의 구성예를 나타내는 블록도이다.
도 1은, 본 발명이 적용되는 하이브리드식 쇼벨을 나타내는 측면도이다.
하이브리드식 쇼벨의 하부 주행체(1)에는, 선회기구(2)를 통하여 상부 선회체(3)가 탑재된다. 상부 선회체(3)에는, 붐(4)이 장착된다. 붐(4)의 선단에, 암(5)이 장착되고, 암(5)의 선단에 버킷(6)이 장착된다. 붐(4), 암(5) 및 버킷(6)은, 붐실린더(7), 암실린더(8), 및 버킷실린더(9)에 의하여 각각 유압구동된다. 상부 선회체(3)에는, 캐빈(10)이 설치되고, 또한 엔진 등의 동력원이 탑재된다.
다음으로, 도 2를 참조하면서 하이브리드식 쇼벨의 동작의 일례인 굴착·적재 동작에 대하여 설명한다. 먼저, 상태 CD1로 나타내는 바와 같이, 조작자는, 상부 선회체(3)를 선회시켜, 버킷(6)을 굴착위치의 상방에 위치시키며, 암(5)을 개방하고, 또한, 버킷(6)을 개방한다. 그 상태로, 조작자는, 붐(4)을 하강시켜, 버킷(6)의 선단이 굴착대상으로부터 원하는 높이가 되도록 버킷(6)을 하강시킨다. 통상, 상부 선회체(3)를 선회시킬 때, 및, 붐(4)을 하강시킬 때, 조작자는, 육안으로 버킷(6)의 위치를 확인한다. 또, 상부 선회체(3)의 선회, 및, 붐(4)의 하강은 동시에 행해지는 것이 일반적이다. 이상의 동작을 붐하강 선회동작이라고 하고, 이 동작구간을 붐하강 선회동작구간이라고 한다.
조작자는, 버킷(6)의 선단이 원하는 높이에 도달하였다고 판단한 경우, 상태 CD2로 나타내는 바와 같이, 암(5)이 지면에 대해서 대략 수직이 될 때까지 암(5)을 폐쇄한다. 이로써, 소정 깊이의 흙이 굴착되고, 암(5)이 지표면에 대해서 대략 수직이 될 때까지 버킷(6)으로 긁어 모여진다. 다음으로, 조작자는, 상태 CD3으로 나타내는 바와 같이, 암(5) 및 버킷(6)을 더욱 폐쇄하여, 상태 CD4로 나타내는 바와 같이, 버킷(6)이 암(5)에 대해서 대략 수직이 될 때까지 버킷(6)을 폐쇄한다. 즉, 버킷(6)의 상측 가장자리가 대략 수평이 될 때까지 버킷(6)을 폐쇄하고, 긁어 모은 흙을 버킷(6) 내에 수용한다. 이상의 동작을 굴착동작이라고 하고, 이 동작구간을 굴착동작구간이라고 한다.
다음으로, 조작자는, 버킷(6)이 암(5)에 대해서 대략 수직이 될 때까지 폐쇄되었다고 판단한 경우, 상태 CD5로 나타내는 바와 같이, 버킷(6)을 폐쇄한 채로 버킷(6)의 바닥부가 지면으로부터 원하는 높이가 될 때까지 붐(4)을 상승시킨다. 이 동작을 붐상승동작이라고 하고, 이 동작구간을 붐상승동작구간이라고 한다. 이 동작에 이어, 혹은 동시에, 조작자는, 상부 선회체(3)를 선회시켜, 화살표(AR1)로 나타내는 바와 같이 버킷(6)을 배토위치까지 선회 이동한다. 붐상승동작을 포함하는 이 동작을 붐상승 선회동작이라고 하고, 이 동작구간을 붐상승 선회동작구간이라고 한다.
다만, 버킷(6)의 바닥부가 원하는 높이가 될 때까지 붐(4)을 상승시키는 것은, 예를 들면, 덤프카의 적재함에 배토할 때에는 버킷(6)을 적재함의 높이보다 높게 들어 올리지 않으면 버킷(6)이 적재함에 부딪쳐 버리기 때문이다.
다음으로, 조작자는, 붐상승 선회동작이 완료되었다고 판단한 경우, 상태 CD6으로 나타내는 바와 같이, 붐(4)을 하강시키면서 암(5) 및 버킷(6)을 개방하여, 버킷(6) 내의 흙을 배출한다. 이 동작을 덤프동작이라고 하고, 이 동작구간을 덤프동작구간이라고 한다.
다음으로, 조작자는, 덤프동작이 완료되었다고 판단한 경우, 상태 CD7로 나타내는 바와 같이, 화살표(AR2)의 방향으로 상부 선회체(3)를 선회시켜, 버킷(6)을 굴착위치의 바로 위로 이동시킨다. 이 때, 선회와 동시에 붐(4)을 하강시켜 버킷(6)을 굴착대상으로부터 원하는 높이의 곳까지 하강시킨다. 이 동작은 상태 CD1에서 설명한 붐하강 선회동작의 일부이다. 그 후, 조작자는, 상태 CD1로 나타내는 바와 같이 버킷(6)을 원하는 높이까지 하강시켜, 다시 굴착동작 이후의 동작을 행하도록 한다.
조작자는, 상술의 “붐하강 선회동작”, “굴착동작”, “붐상승 선회동작”, 및 “덤프동작”을 1사이클로 하여 이 사이클을 반복하면서 굴착·적재를 진행시켜 나간다.
실시예 1
도 3은, 본 발명의 제1 실시예에 관한 하이브리드식 쇼벨의 구동계의 구성예를 나타내는 블록도이다. 도 3은, 기계적 동력계를 이중선, 고압유압라인을 실선(굵은 선), 파일럿라인을 파선, 전기 구동·제어계를 실선(가는 선)으로 각각 나타낸다.
기계식 구동부로서의 엔진(11), 및, 어시스트 구동부로서의 전동발전기(12)는, 변속기(13)의 2개의 입력축에 각각 접속된다. 변속기(13)의 출력축에는, 유압펌프로서의 메인펌프(14) 및 파일럿펌프(15)가 접속된다. 메인펌프(14)에는, 고압유압라인(16)을 통하여 컨트롤밸브(17)가 접속된다.
레귤레이터(14A)는, 메인펌프(14)의 토출량을 제어하기 위한 장치이며, 예를 들면, 메인펌프(14)의 토출압, 컨트롤러(30)로부터의 제어신호 등에 따라 메인펌프(14)의 경사판 경전각(傾轉角)을 조절함으로써, 메인펌프(14)의 토출량을 제어한다.
컨트롤밸브(17)는, 하이브리드식 쇼벨에 있어서의 유압계의 제어를 행하는 제어장치이다. 하부 주행체(1)용의 유압모터(1A(우측용) 및 1B(좌측용)), 붐실린더(7), 암실린더(8) 및 버킷실린더(9)는, 고압유압라인을 통하여 컨트롤밸브(17)에 접속된다. 다만, 이하에서는, 하부 주행체(1)용의 유압모터(1A(우측용) 및 1B(좌측용)), 붐실린더(7), 암실린더(8) 및 버킷실린더(9)를 총칭하여 유압액츄에이터라고 한다.
전동발전기(12)에는, 인버터(18A)를 통하여, 축전기로서의 커패시터를 포함하는 축전계(120)가 접속된다. 축전계(120)에는, 인버터(20)를 통하여 전동작업요소로서의 선회용 전동기(21)가 접속된다. 선회용 전동기(21)의 회전축(21A)에는, 리졸버(22), 메커니컬브레이크(23), 및 선회변속기(24)가 접속된다. 또, 파일럿펌프(15)에는, 파일럿라인(25)을 통하여 조작장치(26)가 접속된다. 선회용 전동기(21), 인버터(20), 리졸버(22), 메커니컬브레이크(23) 및 선회변속기(24)로 제1 부하구동계가 구성된다.
조작장치(26)는, 레버(26A), 레버(26B), 페달(26C)을 포함한다. 레버(26A), 레버(26B), 및 페달(26C)은, 유압라인(27 및 28)을 통하여, 컨트롤밸브(17) 및 압력센서(29)에 각각 접속된다. 압력센서(29)는, 유압액츄에이터의 각각의 작동상태를 검출하는 작동상태 검출부로서 기능하고, 전기계의 구동제어를 행하는 컨트롤러(30)에 접속된다.
또, 본 실시예에서는, 붐회생전력을 얻기 위한 붐회생용 발전기(300)가 인버터(18C)를 통하여 축전계(120)에 접속된다. 발전기(300)는, 붐실린더(7)로부터 유출되는 작동유에 의하여 구동되는 유압모터(310)에 의하여 구동된다. 발전기(300)는, 붐(4)이 자중으로 하강할 때에 붐실린더(7)로부터 유출되는 작동유의 압력을 이용하여, 붐(4)의 위치에너지(붐실린더(7)로부터 유출되는 작동유의 유압에너지)를 전기에너지로 변환한다. 다만, 도 3에 있어서, 설명의 편의상, 유압모터(310)와 발전기(300)는 떨어진 위치에 나타나지만, 실제로는, 발전기(300)의 회전축은 유압모터(310)의 회전축에 기계적으로 접속된다. 즉, 유압모터(310)는, 붐(4)이 하강할 때에 붐실린더(7)로부터 유출되는 작동유에 의하여 회전하도록 구성되고, 붐(4)이 자중으로 하강할 때의 작동유의 유압에너지를 회전력으로 변환하기 위하여 설치된다.
발전기(300)로 발전된 전력은, 회생전력으로서 인버터(18C)를 거쳐 축전계(120)에 공급된다. 발전기(300)와 인버터(18C)로 제2 부하구동계가 구성된다.
다만, 본 실시예에서는, 붐실린더(7)의 보텀측 오일챔버에 있어서의 작동유의 압력을 검출하기 위한 붐실린더압센서(S1)가 붐실린더(7)에 장착되고, 암실린더(8)의 로드측 오일챔버에 있어서의 작동유의 압력을 검출하기 위한 암실린더압센서(S2)가 암실린더(8)에 장착된다. 붐실린더압센서(S1) 및 암실린더압센서(S2)의 각각은, 유압액츄에이터압 검출부의 일례이며, 검출한 압력치를 컨트롤러(30)에 대해서 출력한다.
연통회로(320)는, 붐실린더(7)로부터 유출되는 작동유의 공급선을 제어하기 위한 유압회로이며, 예를 들면, 컨트롤러(30)로부터의 제어신호에 따라 붐실린더(7)로부터 유출되는 작동유의 전부 또는 일부를 암실린더(8)에 공급한다. 또, 연통회로(320)는, 붐실린더(7)로부터 유출되는 작동유의 전부를 유압모터(310)에 공급하도록 하여도 되고, 붐실린더(7)로부터 유출되는 작동유의 일부를 암실린더(8)에 공급하면서, 나머지 부분을 유압모터(310)에 공급하여도 된다. 다만, 연통회로(320)의 동작에 대해서는 후술한다.
도 4는 축전계(120)의 구성예를 나타내는 블록도이다. 축전계(120)는, 커패시터(19), 승강압컨버터(100) 및 DC버스(110)를 포함한다. 커패시터(19)에는, 커패시터 전압치를 검출하기 위한 커패시터 전압검출부(112)와, 커패시터 전류치를 검출하기 위한 커패시터 전류검출부(113)가 형성되어 있다. 커패시터 전압검출부(112)와 커패시터 전류검출부(113)에 의하여 검출되는 커패시터 전압치와 커패시터 전류치는, 컨트롤러(30)에 공급된다.
승강압컨버터(100)는, 전동발전기(12), 선회용 전동기(21) 및 발전기(300)의 운전상태에 따라, DC버스 전압치가 일정한 범위 내에 들어가도록 승압동작과 강압동작을 전환하는 제어를 행한다. DC버스(110)는, 인버터(18A, 18C 및 20), 및, 승강압컨버터(100)의 사이에 배치되어 있으며, 커패시터(19), 전동발전기(12), 선회용 전동기(21) 및 발전기(300)의 사이에서 전력의 수수(授受)를 행한다.
여기에서 다시 도 3을 참조하여 컨트롤러(30)의 상세에 대하여 설명한다. 컨트롤러(30)는, 하이브리드식 쇼벨의 구동제어를 행하는 주제어부로서의 제어장치이다. 컨트롤러(30)는, CPU(Central Processing Unit) 및 내부메모리를 포함하는 연산처리장치로 구성되고, CPU가 내부메모리에 격납된 구동제어용의 프로그램을 실행한다.
컨트롤러(30)는, 압력센서(29)로부터 공급되는 신호를 선회 속도지령으로 변환하여, 선회용 전동기(21)의 구동제어를 행한다. 이 경우, 압력센서(29)로부터 공급되는 신호는, 선회기구(2)를 선회시키기 위하여 조작장치(26)(선회 조작레버)를 조작한 경우의 조작량을 나타내는 신호에 상당한다.
또, 컨트롤러(30)는, 전동발전기(12)의 운전제어(전동(어시스트)운전 또는 발전운전의 전환)를 행함과 함께, 승강압제어부로서의 승강압컨버터(100)를 구동제어함으로써 커패시터(19)의 충방전제어를 행한다. 구체적으로는, 컨트롤러(30)는, 커패시터(19)의 충전상태, 전동발전기(12)의 운전상태(전동(어시스트)운전 또는 발전운전), 선회용 전동기(21)의 운전상태(역행운전 또는 회생운전), 및, 발전기(300)의 운전상태에 근거하여, 승강압컨버터(100)의 승압동작과 강압동작의 전환제어를 행하고, 이로써 커패시터(19)의 충방전제어를 행한다.
이 승강압컨버터(100)의 승압동작과 강압동작의 전환제어는, DC버스 전압검출부(111)에 의하여 검출되는 DC버스 전압치, 커패시터 전압검출부(112)에 의하여 검출되는 커패시터 전압치, 및 커패시터 전류검출부(113)에 의하여 검출되는 커패시터 전류치에 근거하여 행해진다.
이상과 같은 구성에 있어서, 어시스트 모터인 전동발전기(12)가 발전한 전력은, 인버터(18A)를 통하여 축전계(120)의 DC버스(110)에 공급되고, 승강압컨버터(100)를 통하여 커패시터(19)에 공급된다. 또, 선회용 전동기(21)가 회생운전하여 생성한 회생전력은, 인버터(20)를 통하여 축전계(120)의 DC버스(110)에 공급되고, 승강압컨버터(100)를 통하여 커패시터(19)에 공급된다. 또, 붐회생용의 발전기(300)가 발전한 전력은, 인버터(18C)를 통하여 축전계(120)의 DC버스(110)에 공급되고, 승강압컨버터(100)를 통하여 커패시터(19)에 공급된다. 다만, 전동발전기(12) 또는 발전기(300)가 발전한 전력은, 인버터(20)를 통하여 선회용 전동기(21)에 직접적으로 공급되어도 된다. 또, 선회용 전동기(21) 또는 발전기(300)가 발전한 전력은, 인버터(18A)를 통하여 전동발전기(12)에 직접적으로 공급되어도 된다.
커패시터(19)는, 승강압컨버터(100)를 통하여 DC버스(110)와의 사이에서 전력의 수수를 행할 수 있도록, 충방전 가능한 축전기이면 된다. 다만, 도 4에는, 축전기로서 커패시터(19)를 나타내지만, 커패시터(19) 대신에, 리튬이온전지 등의 충방전 가능한 이차전지, 리튬이온커패시터, 또는, 전력의 수수가 가능한 그 외의 형태의 전원을 축전기로서 이용하여도 된다.
상술과 같은 기능에 더해, 컨트롤러(30)는 또한, 유압액츄에이터의 작동상태, 및, 유압액츄에이터에 있어서의 작동유의 압력상태에 따라 연통회로(320)의 구동제어를 행한다.
여기에서, 도 5를 참조하면서, 연통회로(320)의 상세에 대하여 설명한다. 다만, 도 5는, 연통회로(320)의 구성예를 나타내는 도이다. 본 실시예에 있어서, 연통회로(320)는, 붐실린더(7)의 보텀측 오일챔버와, 암실린더(8)의 로드측 오일챔버와, 컨트롤밸브(17)와, 유압모터(310)를 접속하도록 배치된다.
연통회로(320)는, 재생용 유량제어밸브(321), 회생용 유량제어밸브(322), 전자밸브(323) 및 역류방지밸브(324)로 구성된다.
재생용 유량제어밸브(321)는, 붐실린더 보텀측 유로(C1)(굵은 선으로 강조하여 표시)와 암실린더 로드측 유로(C2)(마찬가지로 굵은 선으로 강조하여 표시)를 접속하는 재생용 유로(C3)를 흐르는 작동유의 유량을 제어한다. 본 실시예에서는, 재생용 유량제어밸브(321)는, 예를 들면, 3포트 2위치의 전자 스풀밸브이다. 다만, 붐실린더 보텀측 유로(C1)는, 붐실린더(7)의 보텀측 오일챔버와 컨트롤밸브(17)의 붐용 유량제어밸브(17B)를 접속하는 유로이다. 또, 암실린더 로드측 유로(C2)는, 암실린더(8)의 로드측 오일챔버와 컨트롤밸브(17)의 암용 유량제어밸브(17A)를 접속하는 유로이다.
제1 실시예에 있어서, 재생용 유로(C3)는, 그 일단이 암실린더 로드측 유로(C2)에 접속된다. 다만, 재생용 유로(C3)는, 암실린더(8)의 보텀측 오일챔버와 컨트롤밸브(17)의 암용 유량제어밸브(17A)를 접속하는 유로에 접속되어도 된다. 이 경우, 붐실린더(7)의 보텀측 오일챔버로부터 유출되는 작동유는, 암실린더(8)의 보텀측 오일챔버에 유입 가능해져, 암폐쇄 동작을 위하여 이용 가능해진다. 또, 재생용 유로(C3)는, 메인펌프(14L, 14R)와 컨트롤밸브(17)를 접속하는 유로, 즉, 컨트롤밸브(17)의 상류에 접속되어도 된다. 이 경우, 붐실린더(7)의 보텀측 오일챔버로부터 유출되는 작동유는, 암실린더(8) 이외의 다른 유압액츄에이터여도 이용 가능해진다.
회생용 유량제어밸브(322)는, 붐실린더 보텀측 유로(C1)와 유압모터(310)를 접속하는 회생용 유로(C4)를 흐르는 작동유의 유량을 제어한다. 본 실시예에서는, 회생용 유량제어밸브(322)는, 예를 들면, 3포트 2위치의 스풀밸브이다.
전자밸브(323)는, 회생용 유량제어밸브(322)를 제어한다. 본 실시예에서는, 전자밸브(323)는, 예를 들면, 파일럿펌프가 발생시키는 제어압을 회생용 유량제어밸브(322)의 파일럿 포트에 선택적으로 작용시킨다.
역류방지밸브(324)는, 재생용 유로(C3)에 설치되고, 암실린더 로드측 유로(C2)로부터 붐실린더 보텀측 유로(C1)로 작동유가 흐르는 것을 방지한다.
여기에서, 도 6을 참조하면서, 컨트롤러(30)가 연통회로(320)에 있어서의 작동유의 흐름을 제어하는 처리(이하, “연통회로 구동처리”라고 함)에 대하여 설명한다. 다만, 도 6은, 연통회로 구동처리의 흐름을 나타내는 플로우차트이며, 컨트롤러(30)는, 쇼벨운전 중, 소정의 제어주기로 반복하여 이 연통회로 구동처리를 실행한다.
먼저, 컨트롤러(30)는, 압력센서(29)의 출력에 근거하여 붐조작레버 및 암조작레버의 조작량을 검출하고, 덤프동작구간인지 아닌지, 즉, 붐하강과 암개방이 동시에 행해지고 있는지 아닌지를 판정한다(스텝 ST1). 다만, 컨트롤러(30)는, 덤프동작구간인지 아닌지를 판정하기 위하여, 붐하강과, 암개방과, 버킷개방이 동시에 행해지고 있는지 아닌지를 판정하도록 하여도 된다. 또, 컨트롤러(30)는, 각도센서(도시하지 않음.) 또는 변위센서(도시하지 않음.)의 출력에 근거하여 덤프동작구간인지 아닌지를 판정하도록 하여도 된다. 다만, 각도센서는, 붐(4), 암(5), 버킷(6)의 각각의 회전운동 각도를 검출하고, 변위센서는, 붐실린더(7), 암실린더(8), 버킷실린더(9)의 각각의 변위를 검출한다.
덤프동작구간이 아닌, 즉, 붐하강과 암개방이 동시에 행해지고 있지 않다고 판정한 경우(스텝 ST1의 NO), 컨트롤러(30)는, 덤프동작구간이라고 판정할 때까지, 압력센서(29)의 출력의 감시를 계속한다.
덤프동작구간인, 즉, 붐하강과 암개방이 동시에 행해지고 있다고 판정한 경우(스텝 ST1의 YES), 컨트롤러(30)는, 붐실린더압센서(S1)의 검출압(P1)과 암실린더압센서(S2)의 검출압(P2)을 비교한다(스텝 ST2).
검출압(P1)이 검출압(P2)보다 큰 경우, 즉, 붐실린더(7)의 보텀측 오일챔버에 있어서의 작동유의 압력이 암실린더(8)의 로드측 오일챔버에 있어서의 작동유의 압력보다 큰 경우(스텝 ST2의 YES), 컨트롤러(30)는, 암구동 어시스트처리를 실행한다(스텝 ST3).
구체적으로는, 컨트롤러(30)는, 연통회로(320)에 있어서의 재생용 유량제어밸브(321) 및 전자밸브(323)에 대하여 소정의 제어신호를 출력한다. 그리고, 컨트롤러(30)는, 붐실린더(7)의 보텀측 오일챔버로부터 유출되는 작동유를 암실린더(8)의 로드측 오일챔버에 유입시키도록 한다.
또, 컨트롤러(30)는, 레귤레이터(14RA)에 대하여 소정의 제어신호를 출력하여 메인펌프(14R)의 토출량을 제어한다. 그리고, 컨트롤러(30)는, 붐실린더(7)의 보텀측 오일챔버로부터 유출되는 작동유와 메인펌프(14R)가 토출하는 작동유에 의하여, 암실린더(8)의 로드측 오일챔버에 원하는 유량으로 작동유가 공급되도록 한다. 구체적으로는, 컨트롤러(30)는, 붐실린더압센서(S1)의 검출압(P1)과 암실린더압센서(S2)의 검출압(P2)에 근거하여, 메인펌프(14R)가 토출해야 할 작동유의 유량을 결정한다.
이로써, 컨트롤러(30)는, 덤프동작구간에 있어서 붐실린더(7)로부터 유출되는 작동유의 유압에너지를 전기에너지로 변환하지 않고 암개방 동작을 위하여 이용할 수 있도록 한다. 그 결과, 컨트롤러(30)는, 지금까지와 같이 유압모터(310)를 회전시킨 후에 오일탱크에 배출되었던 작동유의 보다 효율적인 이용을 도모할 수 있다.
한편, 검출압(P1)이 검출압(P2) 이하인 경우, 즉, 붐실린더(7)의 보텀측 오일챔버에 있어서의 작동유의 압력이 암실린더(8)의 로드측 오일챔버에 있어서의 작동유의 압력 이하인 경우(스텝 ST2의 NO), 컨트롤러(30)는, 붐회생 발전처리를 실행한다(스텝 ST4).
구체적으로는, 컨트롤러(30)는, 연통회로(320)에 있어서의 재생용 유량제어밸브(321) 및 전자밸브(323)에 대하여 소정의 제어신호를 출력한다. 그리고, 컨트롤러(30)는, 붐실린더(7)의 보텀측 오일챔버로부터 유출되는 작동유를 유압모터(310)에 유입시켜, 발전기(300)에 의한 발전을 실행시키도록 한다.
암실린더(8)의 로드측 오일챔버에 있어서의 작동유의 압력이 붐실린더(7)의 보텀측 오일챔버에 있어서의 작동유의 압력보다 높기 때문에, 붐실린더(7)의 보텀측 오일챔버로부터 유출되는 작동유를 암실린더(8)의 로드측 오일챔버에 유입시킬 수 없기 때문이다.
다만, 컨트롤러(30)는, 붐실린더(7)로부터 유출되는 작동유의 일부를 암실린더(8)에 공급하면서, 붐실린더(7)로부터 유출되는 작동유의 나머지 부분을 유압모터(310)에 유입시켜도 된다. 암구동 어시스트처리에 있어서, 붐실린더(7)로부터 유출되는 작동유의 유량이, 암개방 동작에서 필요하게 되는 작동유의 유량보다 큰 경우이더라도, 붐실린더(7)로부터 유출되는 작동유의 유압에너지를 최대한 이용할 수 있도록 하기 위해서이다.
또, 컨트롤러(30)는, 붐하강과 암개방 또는 버킷개방이 동시에 행해지고 있지 않은 경우이더라도, 붐하강이 행해지고 있는 경우에는, 붐회생 발전처리를 실행한다. 붐실린더(7)로부터 유출되는 작동유의 유압에너지를 최대한 이용할 수 있도록 하기 위해서이다.
또, 본 실시예에 있어서, 컨트롤러(30)는, 붐실린더(7)로부터 유출되는 작동유가 암개방 동작을 위하여 이용되도록 하지만, 암폐쇄 동작, 버킷폐쇄 동작, 버킷개방 동작, 혹은, 하부 주행체(1)의 주행을 위하여 이용되도록 하여도 된다.
여기에서, 도 7 및 도 8을 참조하면서, 암구동 어시스트처리 및 붐회생 발전처리시의 연통회로(320)의 동작을 상세하게 설명한다. 다만, 도 7은, 암구동 어시스트처리시의 연통회로(320)의 상태를 나타내고, 도 8은, 붐회생 발전처리시의 연통회로(320)의 상태를 나타낸다. 또, 도 7 및 도 8에 있어서의 굵은 실선은, 작동유의 흐름이 발생하고 있는 것을 나타낸다.
도 7은, 메인펌프(14L)가 토출하는 작동유가 붐실린더(7)의 로드측 오일챔버에 유입되고, 메인펌프(14R)가 토출하는 작동유가 암실린더(8)의 로드측 오일챔버에 유입되며, 붐하강과 암개방이 동시에 실행되고 있는 상태를 나타낸다. 다만, 도 7에서는, 붐실린더압센서(S1)의 검출압(P1)은, 암실린더압센서(S2)의 검출압(P2)보다 크다.
이러한 상태에 있어서, 재생용 유량제어밸브(321)는, 컨트롤러(30)로부터의 제어신호에 따라 그 밸브위치를 제1 밸브위치(321A)로 전환한다. 그 결과, 붐실린더(7)로부터 컨트롤밸브(17)로의 작동유의 흐름이 차단된다. 붐실린더(7)로부터 유출되는 작동유는, 재생용 유로(C3)를 통하여 암실린더 로드측 유로(C2)에 이르며, 메인펌프(14R)가 토출하는 작동유에 합류하여, 암실린더(8)의 로드측 오일챔버에 유입된다.
또, 전자밸브(323)는, 컨트롤러(30)로부터의 제어신호에 따라 회생용 유량제어밸브(322)의 밸브위치를 제1 밸브위치(322A)로 전환한다. 그 결과, 붐실린더(7)로부터 유압모터(310)로의 작동유의 흐름이 차단되고, 붐실린더(7)로부터 유출되는 작동유의 전부가 암실린더(8)의 로드측 오일챔버에 유입된다.
또, 컨트롤러(30)는, 레귤레이터(14RA)에 대하여 제어신호를 출력하고, 메인펌프(14R)의 토출량을 저감시켜, 메인펌프(14R)로부터 암실린더(8)의 로드측 오일챔버를 향하는 작동유의 유량을 저감시키도록 한다. 또, 컨트롤러(30)는, 암용 유량제어밸브(17A)를 제어하여 메인펌프(14R)로부터 암실린더(8)의 로드측 오일챔버를 향하는 작동유의 유량을 저감시키거나 혹은 소멸시키도록 하여도 된다. 다만, 메인펌프(14R)로부터 암실린더(8)의 로드측 오일챔버를 향하는 작동유의 유량을 소멸시킨 경우에는, 붐실린더(7)의 보텀측 오일챔버로부터 유출되는 작동유만이 암실린더(8)의 로드측 오일챔버에 공급된다.
이와 같이 하여, 연통회로(320)는, 붐하강과 암개방이 동시에 실행되고, 또한, 검출압(P1)이 검출압(P2)보다 큰 경우에, 붐실린더(7)로부터 유출되는 작동유의 전부를 암실린더(8)의 로드측 오일챔버에 유입시키도록 한다.
또, 도 8은, 메인펌프(14L)가 토출하는 작동유가 붐실린더(7)의 로드측 오일챔버에 유입되고, 붐하강만이 실행되고 있는 상태를 나타낸다.
이러한 상태에 있어서, 재생용 유량제어밸브(321)는, 컨트롤러(30)로부터의 제어신호에 따라 그 밸브위치를 제2 밸브위치(321B)로 전환한다. 그 결과, 붐실린더(7)로부터 암실린더(8)로의 작동유의 흐름이 차단된다. 붐실린더(7)로부터 유출되는 작동유의 일부는, 붐실린더 보텀측 유로(C1)를 통해서 컨트롤밸브(17)에 이르며, 컨트롤밸브(17)를 통해서 오일탱크에 배출된다.
또, 전자밸브(323)는, 컨트롤러(30)로부터의 제어신호에 따라 회생용 유량제어밸브(322)의 밸브위치를 제2 밸브위치(322B)로 전환한다. 그 결과, 붐실린더(7)로부터 유출되는 작동유의 나머지 부분은, 유압모터(310)에 유입되고, 유압모터(310) 및 발전기(300)를 회전시킨 후에 오일탱크에 배출된다.
이와 같이 하여, 연통회로(320)는, 붐하강만이 실행되고 있는 경우에, 붐실린더(7)로부터 유출되는 작동유의 일부를 유압모터(310)에 유입시켜, 발전기(300)에 의한 발전을 실행시키도록 한다. 다만, 컨트롤러(30)는, 붐실린더(7)로부터 유출되는 작동유의 전부를 유압모터(310)에 유입시키도록 하여도 된다.
다음으로, 도 9를 참조하면서, 덤프동작구간에 있어서 컨트롤러(30)가 암구동 어시스트처리 또는 붐회생 발전처리를 실행할 때의 파일럿압(도 9 상단 참조.), 실린더 변위(도 9 중단 참조.), 및 실린더 압력(도 9 하단 참조.)의 각각의 시간적 추이에 대하여 설명한다. 다만, 도 9 상단, 도 9 중단, 및 도 9 하단의 각각에 있어서 실선으로 나타나는 추이는, 붐조작레버의 파일럿압, 붐실린더(7)의 변위, 및, 붐실린더(7)의 보텀측 오일챔버에 있어서의 작동유의 압력(붐실린더압센서(S1)의 검출압(P1))을 각각 나타낸다. 또, 도 9 상단, 도 9 중단, 및 도 9 하단의 각각에 있어서 파선으로 나타나는 추이는, 암조작레버의 파일럿압, 암실린더(8)의 변위, 및, 암실린더(8)의 로드측 오일챔버에 있어서의 작동유의 압력(암실린더압센서(S2)의 검출압(P2))을 각각 나타낸다.
시각 t0에 있어서 붐조작레버가 하강방향으로 조작되고, 붐조작레버의 하강방향의 파일럿압이 상승하면, 컨트롤러(30)는, 붐회생 발전처리를 실행하여, 연통회로(320)를 도 8 상태로 한다. 붐하강에 의하여 붐실린더(7)로부터 유출되는 작동유의 유압에너지가 이용 가능해지기 때문이며, 또, 검출압(P1)이 검출압(P2) 이하로 되어 있어 암구동 어시스트처리를 실행할 수 없기 때문이다. 다만, 암조작레버는 이미 개방방향으로 조작되고 있으며, 암조작레버의 개방방향의 파일럿압은 이미 소정 레벨 이상으로 되어 있다.
상술의 조작에 의하여, 붐실린더(7)는, 완만하게 수축측으로 변위하여 붐(4)을 하강하도록 작동하고, 암실린더(8)는, 수축측으로 변위하여 암(5)을 개방하도록 작동한다. 다만, 컨트롤러(30)는, 붐실린더(7) 및 암실린더(8)의 이러한 변위에 근거하여 암구동 어시스트처리 또는 붐회생 발전처리의 개시 타이밍을 판단하도록 하여도 된다.
그 후, 시각 t1에 있어서 검출압(P1)이 검출압(P2)을 상회하면, 컨트롤러(30)는, 붐회생 발전처리의 실행을 중지한 후에, 암구동 어시스트처리를 실행하여, 연통회로(320)를 도 7의 상태로 한다. 검출압(P1)이 검출압(P2)을 상회하여, 붐실린더(7)로부터 유출되는 작동유를 암실린더(8)에 유입시키는 것이 가능해졌기 때문이다.
다만, 컨트롤러(30)는, 암구동 어시스트처리를 실행하는 경우이더라도, 붐실린더(7)로부터 유출되는 작동유의 일부를 이용하여, 붐회생 발전처리의 실행을 계속시키도록 하여도 된다. 그 경우, 재생용 유량제어밸브(321)가 제1 밸브위치(321A)로 설정되고, 회생용 유량제어밸브(322)가 제2 밸브위치(322B)로 설정된다.
그 후, 시각 t2에 있어서 검출압(P1)이 다시 검출압(P2) 미만이 되면, 컨트롤러(30)는, 암구동 어시스트처리의 실행을 중지한 후에, 붐회생 발전처리를 실행하여, 연통회로(320)를 다시 도 8의 상태로 한다. 검출압(P1)이 검출압(P2) 이하가 되어 암구동 어시스트처리를 실행할 수 없기 때문이다.
이상의 구성에 의하여, 제1 실시예에 관한 하이브리드식 쇼벨은, 붐하강시에 붐실린더(7)로부터 유출되는 작동유의 유압에너지를 전기에너지로 변환하지 않고 다른 유압액츄에이터의 동작을 위하여 이용할 수 있다. 이로 인하여, 붐하강시에 붐실린더(7)로부터 유출되는 작동유를 보다 효율적으로 이용할 수 있다.
또, 제1 실시예에 관한 하이브리드식 쇼벨은, 붐실린더(7)에 있어서의 작동유의 압력이, 그 작동유의 공급 후보인 다른 유압액츄에이터에 있어서의 작동유의 압력보다 큰 것을 확인한다. 그 후에, 제1 실시예에 관한 하이브리드식 쇼벨은, 붐실린더(7)로부터 유출되는 작동유를 그 공급 후보인 다른 유압액츄에이터에 유입시킨다. 한편, 제1 실시예에 관한 하이브리드식 쇼벨은, 붐실린더(7)에 있어서의 작동유의 압력이, 그 작동유의 공급 후보인 다른 유압액츄에이터에 있어서의 작동유의 압력보다 작은 경우에는, 붐실린더(7)와 그 공급 후보인 다른 유압액츄에이터와의 사이의 유로를 차단한다. 이로 인하여, 붐실린더(7)로부터 유출되는 작동유를 확실히 그 공급 후보인 다른 유압액츄에이터에 유입시킬 수 있다.
또, 제1 실시예에 관한 하이브리드식 쇼벨은, 붐실린더(7)로부터 유출되는 작동유의 공급 후보인 다른 유압액츄에이터가 작동 중인 것을 확인한다. 그 후에, 제1 실시예에 관한 하이브리드식 쇼벨은, 붐실린더(7)로부터 유출되는 작동유를 그 공급 후보인 다른 유압액츄에이터에 유입시킨다. 한편, 제1 실시예에 관한 하이브리드식 쇼벨은, 그 공급 후보인 다른 유압액츄에이터가 작동 중이 아닌 경우에는, 붐실린더(7)로부터 유출되는 작동유를 유압모터(310)에 유입시켜, 발전기(300)에 의한 발전을 실행시킨다. 이로 인하여, 제1 실시예에 관한 하이브리드식 쇼벨은, 그 공급 후보인 다른 유압액츄에이터의 작동상태에 따라, 붐실린더(7)로부터 유출되는 작동유를 효율적으로 또한 확실하게 이용할 수 있다.
실시예 2
다음으로, 도 10을 참조하면서, 본 발명의 제2 실시예에 관한 쇼벨에 대하여 설명한다.
도 10은, 본 발명의 제2 실시예에 관한 쇼벨의 구동계의 구성예를 나타내는 블록도이며, 도 3과 마찬가지로, 기계적 동력계를 이중선, 고압유압라인을 실선(굵은 선), 파일럿라인을 파선, 전기 구동·제어계를 실선(가는 선)으로 각각 나타낸다.
제2 실시예에 관한 쇼벨은, 전동 선회기구인 제1 부하구동계 대신에 선회용 유압모터(40)를 구비하는 점에 있어서, 제1 실시예에 관한 하이브리드식 쇼벨과 상위하며, 그 외의 점에 있어서 공통된다. 이 구성에 의하여, 제2 실시예에 관한 쇼벨은, 제1 실시예에 관한 하이브리드식 쇼벨과 동일한 효과를 실현시킬 수 있다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만, 본 발명은, 상술한 실시예에 제한되는 것은 아니고, 본 발명의 범위를 일탈하지 않는 한 상술한 실시예에 다양한 변형 및 치환을 더할 수 있다.
예를 들면, 상술의 실시예에 있어서, 재생용 유량제어밸브(321) 및 회생용 유량제어밸브(322)는, 별개 독립한 2개의 스풀밸브로서 구성되지만, 하나의 스풀밸브로 구성되어도 된다.
또, 본원은, 2011년 7월 6일에 출원한 일본 특허출원번호 2011-150372호에 근거하는 우선권을 주장하는 것이며 그 일본 특허출원의 전체 내용을 본원에 참고로 원용한다.
1: 하부 주행체 1A, 1B: 주행용 유압모터
2: 선회기구 3: 상부 선회체
4: 붐 5: 암
6: 버킷 7: 붐실린더
8: 암실린더 9: 버킷실린더
10: 캐빈 11: 엔진
12: 전동발전기 13: 변속기
14, 14L, 14R: 메인펌프 14A, 14LA, 14RA: 레귤레이터
15: 파일럿펌프 16: 고압유압라인
17: 컨트롤밸브 17A: 암용 유량제어밸브
17B: 붐용 유량제어밸브 18A, 18C: 인버터
19: 커패시터 20: 인버터
21: 선회용 전동기 22: 리졸버
23: 메커니컬브레이크 24: 선회변속기
25: 파일럿라인 26: 조작장치
26A, 26B: 레버 26C: 페달
27, 28: 유압라인 29: 압력센서
30: 컨트롤러 40: 선회용 유압모터
100: 승강압컨버터 110: DC버스
111: DC버스 전압검출부 112: 커패시터 전압검출부
113: 커패시터 전류검출부 120: 축전계
300: 발전기 310: 유압모터
320: 연통회로 321: 재생용 유량제어밸브
322: 회생용 유량제어밸브 323: 전자밸브
324: 역류방지밸브

Claims (12)

  1. 붐실린더를 포함하는 유압액츄에이터를 구비하는 쇼벨로서,
    상기 붐실린더로부터 유출되는 작동유에 의하여 구동되는 유압모터와,
    상기 붐실린더로부터 유출되는 작동유를 상기 유압모터에 공급하기 위한 회생용 유로와,
    상기 붐실린더로부터 유출되는 작동유를 다른 유압액츄에이터로 공급하는 재생용 유로와,
    상기 재생용 유로를 흐르는 작동유의 유량을 제어하는 재생용 유량제어밸브를 구비하는 쇼벨.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 붐실린더에 있어서의 작동유의 압력을 검출하는 붐실린더압센서와,
    상기 다른 유압액츄에이터에 있어서의 작동유의 압력을 검출하는 유압액츄에이터압 검출부를 더욱 구비하고,
    상기 재생용 유량제어밸브는, 상기 재생용 유로의 연통·차단을 전환하는 전환밸브이며, 상기 붐실린더에 있어서의 작동유의 압력이 상기 다른 유압액츄에이터에 있어서의 작동유의 압력보다 높은 경우에, 상기 재생용 유로를 연통시키는 쇼벨.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 붐실린더에 있어서의 작동유의 압력을 검출하는 붐실린더압센서와,
    상기 다른 유압액츄에이터에 있어서의 작동유의 압력을 검출하는 유압액츄에이터압 검출부를 더욱 구비하고,
    상기 재생용 유량제어밸브는, 상기 붐실린더에 있어서의 작동유의 압력이 상기 다른 유압액츄에이터에 있어서의 작동유의 압력보다 낮은 경우에, 상기 재생용 유로를 차단하는 쇼벨.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 다른 유압액츄에이터의 작동상태를 검출하는 작동상태 검출부를 더욱 구비하고,
    상기 재생용 유량제어밸브는, 상기 다른 유압액츄에이터가 작동 중인 경우에, 상기 재생용 유로를 연통시키는 쇼벨.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 다른 유압액츄에이터의 작동상태를 검출하는 작동상태 검출부와,
    상기 유압모터에 접속되는 회생용 발전기를 더욱 구비하고,
    상기 회생용 발전기는, 상기 다른 유압액츄에이터가 작동 중이 아닌 경우에, 발전하는 쇼벨.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 다른 유압액츄에이터는, 암실린더인 쇼벨.
  7. 붐실린더를 포함하는 유압액츄에이터를 구비하는 쇼벨의 제어방법으로서,
    상기 붐실린더로부터 유출되는 작동유에 의하여 유압모터를 구동하는 스텝과,
    상기 붐실린더로부터 유출되는 작동유를 상기 유압모터에 공급하는 스텝과,
    재생용 유로를 통해서 상기 붐실린더로부터 유출되는 작동유를 다른 유압액츄에이터로 공급하는 스텝과,
    재생용 유량제어밸브에 의하여 상기 재생용 유로를 흐르는 작동유의 유량을 제어하는 스텝을 가지는 쇼벨의 제어방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 붐실린더에 있어서의 작동유의 압력을 검출하는 스텝과,
    상기 다른 유압액츄에이터에 있어서의 작동유의 압력을 검출하는 스텝을 더욱 가지고,
    상기 재생용 유량제어밸브는, 상기 재생용 유로의 연통·차단을 전환하는 전환밸브이며, 상기 붐실린더에 있어서의 작동유의 압력이 상기 다른 유압액츄에이터에 있어서의 작동유의 압력보다 높은 경우에, 상기 재생용 유로를 연통시키는 쇼벨의 제어방법.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 붐실린더에 있어서의 작동유의 압력을 검출하는 스텝과,
    상기 다른 유압액츄에이터에 있어서의 작동유의 압력을 검출하는 스텝을 더욱 가지고,
    상기 재생용 유량제어밸브는, 상기 붐실린더에 있어서의 작동유의 압력이 상기 다른 유압액츄에이터에 있어서의 작동유의 압력보다 낮은 경우에, 상기 재생용 유로를 차단하는 쇼벨의 제어방법.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 다른 유압액츄에이터의 작동상태를 검출하는 스텝을 더욱 가지고,
    상기 재생용 유량제어밸브는, 상기 다른 유압액츄에이터가 작동 중인 경우에, 상기 재생용 유로를 연통시키는 쇼벨의 제어방법.
  11. 제 7 항에 있어서,
    상기 다른 유압액츄에이터의 작동상태를 검출하는 스텝과,
    상기 다른 유압액츄에이터가 작동 중이 아닌 경우에, 상기 유압모터에 접속되는 회생용 발전기에 의하여 발전하는 스텝을 더욱 가지는 쇼벨의 제어방법.
  12. 제 7 항에 있어서,
    상기 다른 유압액츄에이터는, 암실린더인 쇼벨의 제어방법.
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