KR20170077024A

KR20170077024A - 건설 기계의 유압 제어 장치

Info

Publication number: KR20170077024A
Application number: KR1020160145023A
Authority: KR
Inventors: 료오헤이 야마시타; 신야 이무라
Original assignee: 히다찌 겐끼 가부시키가이샤
Priority date: 2015-12-25
Filing date: 2016-11-02
Publication date: 2017-07-05
Also published as: KR101887276B1; JP2017116075A; CN106917432B; CN106917432A; EP3184700A1; JP6474718B2; US10030355B2; US20170183842A1; EP3184700B1

Abstract

유압 액추에이터에 작용하는 부의 부하가 변화해도, 조작성을 악화시키지 않고, 또한 높은 에너지 절약 효과가 얻어지는 건설 기계의 유압 제어 장치를 제공한다.
아암을 구동하는 유압 액추에이터와, 유압 액추에이터로부터 배출되는 압유가 흐르는 미터 아웃 유로와, 미터 아웃 유로에 설치된 가변 스로틀과, 조작 장치와, 가변 스로틀의 개구 면적을 제어하는 컨트롤러를 구비한 건설 기계의 유압 제어 장치에 있어서, 아암이 수평 방향과 이루는 각도를 연산하는 자세 연산부와, 아암이 수평 방향과 이루는 각도와 그 시간 변화량에 따라서 가변 스로틀의 개구 면적을 연산하는 미터 아웃 개구 면적 연산부와, 미터 아웃 개구 연산부에서 연산한 가변 스로틀의 개구 면적에 따라, 가변 스로틀의 개구 면적을 조정하기 위한 전자기 밸브에 지령 신호를 출력하는 미터 아웃 제어부를 구비하였다.

Description

건설 기계의 유압 제어 장치{HYDRAULIC CONTROL DEVICE FOR CONSTRUCTION MACHINE}

본 발명은 건설 기계의 유압 제어 장치에 관한 것이다.

유압 셔블 등의 건설 기계의 유압 제어 장치는, 일반적으로 유압 펌프와, 유압 펌프로부터 토출되는 압유에 의해 구동되는 유압 액추에이터와, 유압 액추에이터에 대한 압유의 급배를 제어하는 제어 밸브를 구비하고 있다. 예를 들어, 유압 셔블의 유압 액추에이터는, 프론트 작업기의 붐을 구동하는 붐 실린더와, 아암을 구동하는 아암 실린더와, 버킷을 구동하는 버킷 실린더 등이며, 각각의 유압 액추에이터에 대응하는 제어 밸브가 설치되어 있다.

또한, 이들 제어 밸브는, 각각 미터 인 스로틀과 미터 아웃 스로틀을 구비하고, 미터 인 스로틀에 의해 유압 펌프로부터 유압 액추에이터에 공급되는 압유의 유량을 제어하고, 미터 아웃 스로틀에 의해 유압 액추에이터로부터 탱크에 배출되는 압유의 유량을 제어한다.

그런데, 프론트 작업기에 장착되는 어태치먼트는, 표준 버킷 이외에, 대형 버킷, 파쇄기, 코빙기 등이 있지만, 이것들은, 표준 버킷보다 대중량인 것이 많다. 이로 인해, 개발 시에 표준 버킷을 장착한 상태를 상정하여 미터 아웃 스로틀의 개구 면적을 조정하면, 유저가 표준 버킷 대신 대중량의 어태치먼트를 장착한 경우에 이하의 문제가 발생한다.

어태치먼트를 장착한 아암을 공중에서 인입, 즉 크라우드할 때, 아암과 어태치먼트의 중량에 의해 아암 실린더에 가하여지는 부하이며, 아암 실린더의 신장 방향과 동일한 방향의 부하(이후, 부의 부하라고 함)는, 표준 버킷을 장착한 상태보다도 증가한다. 이에 의해, 아암 실린더의 동작 속도가 표준 버킷을 장착한 상태보다도 빨라지거나, 미터 인측의 압유의 유량이 부족함으로써 공동화 현상(캐비테이션)이 발생하거나 하는 것이 상정된다. 이 결과, 건설 기계의 조작성이 악화된다. 또한, 공동화 현상은, 유압 액추에이터나 제어 밸브의 손상 원인이 되는 경우가 있다.

이러한 문제의 발생을 방지하기 위해, 일반적으로는, 미터 아웃 스로틀의 개구 면적은, 대중량의 어태치먼트를 장착한 상태를 상정하여 조정되고 있다. 그러나, 이와 같이 미터 아웃 스로틀의 개구 면적을 조정한 건설 기계로, 표준 버킷을 장착하여 작업을 행하는 경우에는, 미터 아웃측에, 아암과 표준 버킷의 중량에 의한 부의 부하를 지지하는 데 필요한 미터 아웃 압력 손실보다도, 높은 미터 아웃 압력 손실이 발생하여, 건설 기계의 에너지 손실의 원인이 되고 있다.

이러한 문제를 해결하기 위해, 아암용 유량 제어 밸브의 아암 실린더 신장측의 파일럿압 수압부에 작용하는 파일럿압을, 아암 실린더에 공급되는 압유의 압력에 따라서 감압하는 감압 수단을 설치하고, 공중에서 아암 크라우드 조작을 행한 경우에 아암용 유량 제어 밸브의 스풀 스트로크를 규제하여, 미터 아웃 스로틀의 개구 면적을 감소시키도록 구성한 유압 회로가 있다(예를 들어, 특허문헌 1 참조).

일본 특허 공개 제2012-36665호 공보

상술한 유압 회로에 있어서는, 아암 실린더의 신장 속도가 상승하고, 아암용 유량 제어 밸브의 미터 인측의 압력이 저하되면, 아암 실린더 신장측의 파일럿압 수압부에 작용하는 파일럿압을 감압하여, 미터 아웃 스로틀의 개구 면적을 감소시킨다. 이것에 의해, 미터 아웃측의 압력을 상승시키고, 그 결과, 아암 실린더의 신장 속도가 저하된다.

그러나, 상술한 유압 회로는, 미터 인측의 실제의 압력과 설정 압력을 비교하여 제어하는 소위 온/오프 제어이므로, 이하의 과제가 발생할 우려가 있다. 미터 아웃 스로틀의 개구 면적을 감소시켜서 아암 실린더의 신장 속도를 저하시키면, 이에 수반하여, 미터 인측의 압력이 상승하므로, 아암 실린더 신장측의 파일럿압 수압부에 작용하는 파일럿압의 감압 제어가 해제된다. 이에 의해, 아암 실린더의 신장 속도가 다시 상승한다. 이러한 동작을 반복함으로써, 조작성의 악화를 초래해 버린다.

또한, 부의 부하를 지지하기 위해 필요한 로드측 유실의 압력, 즉 미터 아웃 압력 손실은, 아암과 어태치먼트의 중량뿐만 아니라, 아암의 자세에 따라서도 변화한다. 예를 들어, 아암을 공중에서 지면에 대하여 수평에 가까운 각도로부터 연직까지 크라우드 동작하는 경우, 아암 실린더의 신장 개시 직후, 즉 아암의 각도가 수평에 가까운 상태에서는, 부의 부하를 지지하는 데 높은 로드측 유실의 압력이 필요해지는 것에 반해, 아암 실린더가 신장하여, 아암의 각도가 연직에 가까운 상태에서는, 신장 개시 직후보다도 낮은 로드측 유실의 압력으로 부의 부하를 지지할 수 있다.

본 발명은, 상술한 사항에 기초하여 이루어진 것으로, 그 목적은, 유압 액추에이터에 작용하는 부의 부하가 변화해도, 조작성을 악화시키지 않고, 또한 높은 에너지 절약 효과가 얻어지는 건설 기계의 유압 제어 장치를 제공하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위해, 예를 들어 특허 청구 범위에 기재된 구성을 채용한다. 본원은, 상기 과제를 해결하는 수단을 복수 포함하고 있지만, 그 일례를 들면, 유압 펌프로부터 토출되는 압유에 의해 아암을 구동하는 유압 액추에이터와, 상기 유압 액추에이터로부터 배출되는 압유가 흐르는 미터 아웃 유로와, 상기 미터 아웃 유로에 설치된 가변 스로틀과, 상기 유압 액추에이터의 동작 지령 신호를 조작량에 따라서 출력하는 조작 장치와, 상기 가변 스로틀의 개구 면적을 제어하는 컨트롤러를 구비한 건설 기계의 유압 제어 장치에 있어서, 상기 컨트롤러는, 상기 아암이 수평 방향과 이루는 각도를 연산하는 자세 연산부와, 상기 자세 연산부가 연산한 상기 아암이 수평 방향과 이루는 각도와, 그 시간 변화량에 따라, 상기 미터 아웃 유로에 설치된 상기 가변 스로틀의 개구 면적을 연산하는 미터 아웃 개구 면적 연산부와, 상기 미터 아웃 개구 연산부에서 연산한 상기 가변 스로틀의 개구 면적에 따라, 상기 가변 스로틀의 개구 면적을 조정하기 위한 전자기 밸브에 지령 신호를 출력하는 미터 아웃 제어부를 구비한 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 아암 또는 버킷의 수평 방향과 이루는 각도를 검출하고, 그 시간 변화량에 따라서 미터 아웃 스로틀의 개구 면적을 제어하므로, 유압 액추에이터에 작용하는 부의 부하가 변화해도, 조작성을 악화시키지 않고, 또한 높은 에너지 절약 효과가 얻어진다.

도 1은 본 발명의 건설 기계의 유압 제어 장치의 제1 실시 형태를 구비한 유압 셔블을 도시하는 측면도.
도 2는 본 발명의 건설 기계의 유압 제어 장치의 제1 실시 형태 중 유압 셔블의 아암 실린더에 관계되는 유압 회로 부분을 모식적으로 도시하는 개략도.
도 3은 본 발명의 건설 기계의 유압 제어 장치의 제1 실시 형태에 있어서의, 미터 아웃 스로틀(23a)의 개구 면적 특성을 도시하는 특성도.
도 4는 본 발명의 건설 기계의 유압 제어 장치의 제1 실시 형태를 구성하는 컨트롤러의 처리 기능을 도시하는 기능 블록도.
도 5는 본 발명의 건설 기계의 유압 제어 장치의 제1 실시 형태를 구비한 유압 셔블의 프론트 기구를 모식적으로 도시하는 개략도.
도 6은 본 발명의 건설 기계의 유압 제어 장치의 제1 실시 형태에 있어서, 아암을 공중에서 지면에 대하여 수평에 가까운 각도로부터 연직까지 크라우드했을 경우의 아암 각도와 아암 실린더에 작용하는 부하와의 관계를 도시하는 특성도.
도 7은 본 발명의 건설 기계의 유압 제어 장치의 제1 실시 형태에 있어서, 아암을 공중에서 지면에 대하여 수평에 가까운 각도로부터 연직까지 크라우드했을 경우의 아암 각도와 미터 아웃 스로틀(23a)의 목표 개구 면적과의 관계를 도시하는 특성도.
도 8은 본 발명의 건설 기계의 유압 제어 장치의 제2 실시 형태 중 유압 셔블의 아암 실린더에 관계되는 유압 회로 부분을 모식적으로 도시하는 개략도.
도 9는 본 발명의 건설 기계의 유압 제어 장치의 제2 실시 형태를 구성하는 컨트롤러의 처리 기능을 도시하는 기능 블록도.
도 10은 종래의 건설 기계의 유압 제어 장치 중 유압 셔블의 아암 실린더에 관계되는 유압 회로 부분을 모식적으로 도시하는 개략도.

이하, 건설 기계로서 유압 셔블을 예로 들어 본 발명의 실시 형태를 도면을 사용하여 설명한다.

[실시예 1]

도 1은 본 발명의 건설 기계의 유압 제어 장치의 제1 실시 형태를 구비한 유압 셔블을 도시하는 측면도이다.

도 1에 있어서, 유압 셔블(301)은 좌우 한 쌍의 크롤러 벨트(302a, 302b)를 구비한 하부 주행체(303)와, 하부 주행체(303)의 상부에 선회 가능하게 설치한 상부 선회체(304)와, 일단부가 상부 선회체(304)에 연결된 다관절형 프론트 기구(300)를 구비하고 있다.

하부 주행체(303)에는, 크롤러 벨트(302a, 302b)를 구동시키는 주행 유압 모터(318a, 318b)가 탑재되어 있다. 상부 선회체(304)의 전방 좌측에는 조작 레버(조작 장치)(36)(도 2 참조)가 저장된 운전실(305)이 설치되어 있다. 상부 선회체(304) 전방 중앙부에는 프론트 기구(300)가 설치되어 있다.

프론트 기구(300)는, 상부 선회체(304)의 전방 중앙부에 설치된 붐 푸트(도시하지 않음)에 상하 요동 가능하게 설치된 붐(52)과, 붐(52)의 선단에 전후 방향으로 요동 가능하게 설치된 아암(51)과, 아암(51)의 선단에 상하 회동 가능하게 설치된 작업구(어태치먼트)인 버킷(53)을 구비하고 있다.

또한, 프론트 기구(300)는, 붐 푸트와 붐(52)에 연결되어, 붐(52)을 상하 방향으로 요동시키는 유압 액추에이터의 붐 실린더(12)와, 붐(52)과 아암(51)에 연결되어, 아암(51)을 상하 방향으로 요동시키는 유압 액추에이터의 아암 실린더(11)와, 아암(51)과 작업구(53)에 연결되어, 버킷(53)을 상하 방향으로 회동시키는 유압 액추에이터의 버킷 실린더(13)를 갖고 있다. 즉, 프론트 기구(300)는 이들 각 유압 액추에이터(11, 12, 13)에 의해 구동된다.

도 2는 본 발명의 건설 기계의 유압 제어 장치의 제1 실시 형태 중 유압 셔블의 아암 실린더에 관계되는 유압 회로 부분을 모식적으로 도시하는 개략도이다. 도 2에 있어서, 본 실시 형태에 관한 유압 제어 장치는, 원동기(1)와, 이 원동기(1)에 의해 구동되는 유압 펌프(2)와, 유압 펌프(2)의 토출 라인(3)에 접속되며, 아암 실린더(11)에 공급되는 압유의 유량 및 방향을 제어하는 아암용 유량 제어 밸브(31)를 갖는 밸브 장치(4)와, 아암용 조작 레버 장치인 파일럿 밸브(5)를 구비하고 있다.

유압 펌프(2)는 가변 용량형이며, 밀어내기 용적 가변 부재, 예를 들어 경사판(2a)을 갖고, 경사판(2a)은 유압 펌프(2)의 토출압이 높아짐에 따라서 용량을 저감시키도록 마력 제어 액추에이터(2b)에 의해 제어된다.

유량 제어 밸브(31)는, 센터 바이패스형이며, 센터 바이패스부(21)가 센터 바이패스 라인(32) 상에 위치하고 있다. 센터 바이패스 라인(32)은 상류측을 유압 펌프(2)의 토출 라인(3)에 접속하고, 하류측을 탱크(33)에 접속하고 있다. 또한, 유량 제어 밸브(31)는 펌프 포트(31a) 및 탱크 포트(31b)와 액추에이터 포트(31c, 31d)를 갖고, 펌프 포트(31a)는 센터 바이패스 라인(32)에 접속되며, 탱크 포트(31b)는 탱크(33)에 접속되고, 액추에이터 포트(31c, 31d)는 액추에이터 라인(35, 34)을 통하여 아암 실린더(11)의 1 보텀측 유실과 로드측 유실에 접속되어 있다.

파일럿 밸브(5)는, 조작 레버(36)와, 한 쌍의 감압 밸브(도시하지 않음)를 내장한 파일럿압 발생부(37)를 갖고, 파일럿압 발생부(37)는 파일럿 라인(38, 39)을 통하여 유량 제어 밸브(31)의 파일럿압 수압부(31e, 31f)에 접속되어 있다. 조작 레버(36)가 조작되면 지령 파일럿압 발생부(37)는 그 조작 방향에 따라서 한 쌍의 감압 밸브의 한쪽을 작동시키고, 그 조작량에 따른 파일럿압을 파일럿 라인(38, 39)의 한쪽에 출력한다.

여기서, 유량 제어 밸브(31)는, 중립 위치 A와 전환 위치 B, C를 갖고, 파일럿 라인(38)으로부터 수압부(31e)에 파일럿압이 부여되면, 도시한 좌측의 전환 위치 B로 전환된다. 이때, 액추에이터 라인(35)이 미터 인측에, 액추에이터 라인(34)이 미터 아웃측이 되고, 아암 실린더(11)의 보텀측 유실에 압유가 공급되어, 아암 실린더(11)의 피스톤 로드가 신장된다.

한편, 파일럿 라인(39)으로부터 수압부(31f)에 파일럿압이 부여되면, 도시한 우측의 위치 C로 전환된다. 이때, 액추에이터 라인(34)이 미터 인측에, 액추에이터 라인(35)이 미터 아웃측이 되고, 아암 실린더(11)의 로드측 유실에 압유가 공급되어, 아암 실린더(11)의 피스톤 로드가 수축한다. 아암 실린더(11)의 피스톤 로드의 신장은 아암 크라우드 동작에 대응하고, 아암 실린더(11)의 피스톤 로드 수축은 아암 덤프 동작에 대응한다.

또한, 유량 제어 밸브(31)은, 미터 인 스로틀(22a, 22b)과 미터 아웃 스로틀(23a, 23b)을 갖고 있다. 유량 제어 밸브(31)가 전환 위치 B에 있을 때에는 미터 인 스로틀(22a)에 의해 아암 실린더(11)에 공급되는 압유의 유량을 제어하고, 미터 아웃 스로틀(23a)에 의해 아암 실린더(11)로부터의 복귀유의 유량을 제어한다. 한편, 유량 제어 밸브(31)가 전환 위치 C에 있을 때에는 미터 인 스로틀(22b)에 의해 아암 실린더(11)에 공급되는 압유의 유량을 제어하고, 미터 아웃 스로틀(23b)에 의해 아암 실린더(11)로부터의 복귀유의 유량을 제어한다.

도 3은 본 발명의 건설 기계의 유압 제어 장치의 제1 실시 형태에 있어서의, 미터 아웃 스로틀(23a)의 개구 면적 특성을 도시하는 특성도이다. 구체적으로는, 수압부(31e)에 작용하는 파일럿압, 즉 아암 크라우드 파일럿압에 대한 미터 아웃 스로틀(23a)의 개구 면적 특성을 나타낸다. 도면 중, 실선 A가 본 실시 형태에 있어서의 개구 면적 특성을 나타내고, 파선 B가 종래예의 개구 면적 특성을 나타낸다. 동일한 아암 크라우드 파일럿압이 공급된 경우, 본 실시 형태에 있어서의 개구 면적은, 종래예의 개구 면적보다도 크게 설정되어 있다.

도 2로 되돌아가서, 파일럿 라인(38)에는, 파일럿 밸브(5)로부터 출력되는 아암 크라우드 파일럿압을 검출하는 압력 센서(43)와, 파일럿 밸브(5)로부터 출력되는 아암 크라우드 파일럿압을 조정하여 수압부(31e)에 공급하는 전자 비례 밸브(44)가 설치되어 있다. 압력 센서(43)가 검출한 아암 크라우드 파일럿압 신호는, 후술하는 컨트롤러(45)에 입력되고, 전자 비례 밸브(44)에는, 컨트롤러(45)로부터 지령 신호가 출력된다.

또한, 상부 선회체에 지지되어 있는 붐(52)의 기단부에는, 붐(52)의 회동 각도를 검출하는 붐 각도 센서(42)가 설치되고, 아암(51)의 일단부측이 회전 가능하게 지지되어 있는 붐(52)의 선단부에는, 아암(51)의 회동 각도를 검출하는 아암 각도 센서(41)가 설치되어 있다. 이 각도 센서(42, 41)가 검출한 회동 각도 신호는 컨트롤러(45)에 입력된다.

본 실시 형태의 유압 제어 장치는, 그 특징적 구성으로서, 아암(51)의 회동 각도를 검출하는 아암 각도 센서(41)와, 붐(52)의 회동 각도를 검출하는 붐 각도 센서(42)와, 파일럿 밸브(5)로부터 출력되는 아암 크라우드 파일럿압을 검출하는 압력 센서(43)와, 파일럿 라인(38)에 배치되는 전자 비례 밸브(44)와, 아암 각도 센서(41)와 붐 각도 센서(42)와 압력 센서(43)의 검출 신호를 입력하고, 소정의 연산 처리를 행하여, 전자 비례 밸브(44)에 지령 전류를 출력하는 컨트롤러(45)를 구비하고 있다.

이어서, 본 실시 형태에 있어서의 컨트롤러의 처리 내용을 도 4, 5를 사용하여 설명한다. 도 4는 본 발명의 건설 기계의 유압 제어 장치의 제1 실시 형태를 구성하는 컨트롤러의 처리 기능을 도시하는 기능 블록도, 도 5는 본 발명의 건설 기계의 유압 제어 장치의 제1 실시 형태를 구비한 유압 셔블의 프론트 기구를 모식적으로 도시하는 개략도이다. 도 4 및 도 5에 있어서, 도 1 내지 3에 도시하는 부호와 같은 부호인 것은 동일 부분이므로, 그 상세한 설명은 생략한다.

컨트롤러(45)의 설명에 앞서, 본 실시 형태에 있어서의 프론트 기구를 구성하는 붐(52), 아암(51) 등의 각도나 구성물의 길이를 도 5에 도시하는 바와 같이 정의한다. 도 5에 있어서, θ_A는, 아암(51)의 회동 각도이며, 아암(51)이 붐(52)과 이루는 각도를 말하고, θ_A'는, 아암(51)이 수평 방향과 이루는 각도를 말한다. θ_B는, 붐(52)의 회동 각도이며, 붐(52)이 붐 설치면과 이루는 각도를 말하고, θ_B'는, 붐(52)이 수평 방향과 이루는 각도를 말한다. 또한, θ_F는, 붐(52) 및 붐 실린더(12)의 설치면이 수평 방향과 이루는 각도를 말한다.

이어서, 각 구성물의 길이에 대해서, L_A1은, 아암(51)의 회동 중심으로부터 아암(51)과 아암 실린더(11) 선단의 접합부까지 사이의 거리를 말한다. L_A2는, 아암(51)의 회동 중심으로부터 붐(52)과 아암 실린더(11) 기단부의 접합부까지 사이의 거리를 말한다. L_A3은, 아암 실린더(11) 전체의 길이이며, 붐(52)과 아암 실린더(11) 기단부의 접합부로부터 아암 실린더(11)의 선단까지 사이의 거리를 말한다. 마찬가지로, L_B1은, 붐(52)의 회동 중심으로부터 붐 실린더(12) 기단부와 설치면의 접합부까지 사이의 거리를 말한다. L_B2는, 붐(52)의 회동 중심으로부터 붐(52)과 붐 실린더(12) 선단의 접합부까지 사이의 거리를 말한다. L_B3은, 붐 실린더(12)의 전체 길이이며, 붐 실린더(12) 기단부와 설치면의 접합부로부터 붐(52)과 붐 실린더(12) 선단의 접합부까지 사이의 거리를 말한다.

도 4로 되돌아가서, 컨트롤러(45)는, 자세 연산부인 각도 및 각속도 연산부(45a)와, 미터 아웃 개구 면적 연산부인 미터 아웃 개구 연산부(45b)와, 미터 아웃 제어부인 솔레노이드 전류 연산부(45c)를 구비하고 있다.

각도 및 각속도 연산부(45a)는, 아암 각도 센서(41)가 검출한 아암(51)의 회동 각도 신호 θ_A와, 붐 각도 센서(42)가 검출한 붐(52)의 회동 각도 신호 θ_B를 입력하고, 이들 값으로부터 아암(51)이 수평 방향과 이루는 각도(이하, 아암 각도라고도 함) θ_A'와 아암(51)이 회동할 때의 각속도(이하, 아암 각속도라고도 함) ω_A'를 산출한다.

구체적으로는, 이하에 나타내는 식을 사용하여, 아암 각도 θ_A'와 아암 각속도 ω_A'를 각각 연산한다.

θ_A'=180°-θ_A-θ_B'

=180°-θ_A-θ_B+θ_F …(1)

ω_A'=θ_A'(t+Δt)-θ_A'(t)/Δt …(2)

여기서, t는 연산 개시부터의 시간을 나타내고, Δt는 연산의 시간 스텝을 나타낸다.

미터 아웃 개구 연산부(45b)는, 각도 및 각속도 연산부(45a)가 산출한 아암 각도 신호 θ_A'와 아암 각속도 신호 ω_A'와, 조작 장치의 조작량 신호인 압력 센서(43)가 검출한 아암 크라우드 파일럿압 신호를 입력하고, 도 4 중에 도시한 테이블을 사용하여 아암 각도 θ_A'와 아암 각속도 ω_A'와 아암 크라우드 파일럿압에 따른 미터 아웃 스로틀(23a)의 목표 개구 면적을 산출한다. 산출한 미터 아웃 스로틀(23a)의 목표 개구 면적 신호는, 솔레노이드 전류 연산부(45c)에 출력된다.

또한, 여기에서는, 2개의 테이블(45bH와 45bL)을 구비하고 있지만, 이것은 미리 소정의 아암 크라우드 파일럿압을 설정해 두고, 입력한 아암 크라우드 파일럿압이 설정값 이상인 경우에는, 테이블(45bH)이 선택되고, 그 이외의 경우에는, 테이블(45bL)이 선택되도록 구성되어 있다. 2개의 테이블(45bH와 45bL)은, 아암 각도 θ_A'에 대한 미터 아웃 스로틀 목표 개구 면적의 특성이 상이하고, 구체적으로는, 상한값과 하한값이 상이하다

미터 아웃 개구 연산부(45b)의 테이블은, 모두 아암 각도 θ_A'가 약 90° 이하, 즉 아암 실린더(11)에 부의 부하가 작용할 때, 아암 각속도 ω_A'가 높아짐에 따라서, 미터 아웃 스로틀(23a)의 목표 개구 면적을 감소시키도록 특성 설정되어 있다. 그리고, 아암 각도 θ_A'가 약 90° 이상, 즉, 정의 부하가 작용할 때에는, 아암 각속도 ω_A'에 따르지 않고, 미터 아웃 스로틀(23a)의 목표 개구 면적을 최대값으로 하도록 특성 설정되어 있다. 이것들은, 상술한 바와 같이, 조작 장치의 조작량 신호인 아암 크라우드 파일럿압에 의해, 상이한 테이블을 선택하고 있지만, 테이블은 2개에 한정되는 것은 아니고, 그 이상의 테이블을 구비하여, 아암 크라우드 파일럿압마다에 세부적인 선택이 이루어지도록 해도 된다.

솔레노이드 전류 연산부(45c)는, 미터 아웃 개구 연산부(45b)에서 산출된 미터 아웃 스로틀(23a)의 목표 개구 면적 신호를 입력하고, 입력값에 따른 솔레노이드 전류값을 산출하여, 전자 비례 밸브(44)에 제어 신호로서 출력한다.

이어서, 본 발명의 건설 기계의 유압 제어 장치의 제1 실시 형태의 동작을 도 6, 7 및 10을 사용하여 종래예와 비교하여 설명한다. 도 6은 본 발명의 건설 기계의 유압 제어 장치의 제1 실시 형태에 있어서, 아암을 공중에서 지면에 대하여 수평에 가까운 각도로부터 연직까지 크라우드했을 경우의 아암 각도와 아암 실린더에 작용하는 부하와의 관계를 도시하는 특성도, 도 7은 본 발명의 건설 기계의 유압 제어 장치의 제1 실시 형태에 있어서, 아암을 공중에서 지면에 대하여 수평에 가까운 각도로부터 연직까지 크라우드했을 경우의 아암 각도와 미터 아웃 스로틀(23a)의 목표 개구 면적과의 관계를 도시하는 특성도, 도 10은 종래의 건설 기계의 유압 제어 장치 중 유압 셔블의 아암 실린더에 관계되는 유압 회로 부분을 모식적으로 도시하는 개략도이다. 도 6, 7 및 10에 있어서, 도 1 내지 5에 나타내는 부호와 같은 부호인 것은 동일 부분이므로, 그 상세한 설명은 생략한다.

도 10에 도시하는 종래의 유압 제어 장치는, 본 실시 형태에 있어서의 유압 제어 장치와 비교하면, 아암 각도 센서(41)와 붐 각도 센서(42)와 압력 센서(43)와 전자 비례 밸브(44)와 컨트롤러(45)가 설치되어 있지 않다.

종래의 유압 제어 장치에 있어서, 아암(51)을 지면보다 위, 즉 공중에서 크라우드하기 위해, 아암용 유량 제어 밸브(31)를 도 10의 B 위치로 전환했다고 하자. 이때, 유량 제어 밸브(31)는 아암 실린더(11)의 복귀유를 미터 아웃 스로틀(23a)에 의해 제어함으로써, 아암 실린더(11)의 속도 제어를 함과 함께, 아암(51)의 자유 낙하에 의한 공동화 현상(캐비테이션)을 방지하고 있다.

즉, 미터 아웃측을 교축함으로써, 아암 실린더(11)의 로드측 유실의 압력을 상승시키고, 아암(51)과 어태치먼트(53)의 중량에 의한 부의 부하에 저항하기 위하여 필요한 추력을 발생시키고 있다. 이에 의해, 아암(51)에 대중량의 어태치먼트(53)를 장착해도, 아암 실린더(11)의 속도가 표준 버킷을 장착한 상태보다도 빨라지거나, 공동화 현상이 발생하거나 하는 일이 없다.

그러나, 표준 버킷을 장착하여 작업을 행하는 경우, 아암(51)과 어태치먼트(53)의 중량에 의한 부의 부하에 대하여, 아암 실린더(11)의 로드측 유실의 압력이 높기 때문에, 아암 실린더(11)의 추력을 부하에 적당한 크기로 하기 위해서는, 유압 펌프(2)로부터 아암 실린더(11)의 보텀측 유실에 압유를 공급함으로써, 보텀측 유실의 압력을 상승시켜야만 한다. 이것에 의해, 에너지 손실의 원인이 된다.

이상과 같은, 종래 기술에 대하여, 본 실시 형태에서는, 이하와 같이 동작한다. 본 실시 형태에 있어서의 아암(51)을 공중에서 수평에 가까운 각도로부터 연직까지 크라우드할 때의 아암 각도 θ_A'와 아암 실린더(11)에 작용하는 부하의 관계를 도시하는 도 6에 있어서, 횡축에 나타내는 아암 각도란, 수평면에 대한 아암(51)의 각도이며, 아암(51)이 공중에서 지면에 대하여 수평하게 보유 지지된 상태를 0도로 하고, 이 상태로부터 아암 실린더(11)를 늘려서 도 1 중의 반시계 방향으로 아암(51)을 회동시켜서 아암(51)이 수평면에 대하여 연직으로 보유 지지된 상태를 90도로 한다. 도면 중, 실선 A가 어태치먼트로서 표준 버킷을 장착한 경우에 아암 실린더(11)에 작용하는 부하의 아암 각도 θ_A'에 대한 특성을 나타내고, 파선 B가 표준 버킷보다 무거운 대중량 어태치먼트를 장착한 경우에 아암 실린더(11)에 작용하는 부하의 아암 각도 θ_A'에 대한 특성을 나타내고 있다.

모든 경우에 있어, 아암 각도 θ_A'가 0도에 가까운 상태에서는, 아암(51)과 어태치먼트(53)의 중량에 의한 부의 부하의 최댓값이 작용하지만, 대중량 어태치먼트를 장착한 경우 쪽이, 부의 부하는 커진다. 모든 경우에 있어, 아암 각도 θ_A'의 증가에 수반하여 부의 부하는 감소하고, 약 90°에서 정의 부하가 된다.

이때의 아암 각도 θ_A'와 컨트롤러(45)의 미터 아웃 개구 연산부(45b)에서 산출되는 미터 아웃 스로틀(23a)의 목표 개구 면적 신호와의 관계를 도 7에 나타낸다. 도 7에 있어서, 실선 A는, 어태치먼트(53)로서 표준 버킷을 장착한 경우의 미터 아웃 스로틀(23a)의 목표 개구 면적을 나타내고, 파선 B는, 표준 버킷보다 무거운 어태치먼트(53)를 장착한 경우의 미터 아웃 스로틀(23a)의 목표 개구 면적을 나타낸다.

모든 경우에 있어, 아암 각도 θ_A'가 0도에 가까운 상태에서는, 미터 아웃 스로틀 목표 개구 면적은, 최솟값까지 좁혀져 있다. 미터 아웃 개구 연산부(45b)에 있어서는, 부의 부하가 커짐에 따라서, 환언하면, 아암 각속도 ω_A'가 높아짐에 따라서, 미터 아웃 스로틀(23a)의 목표 개구 면적을 감소시키는 특성으로 하고 있으므로, 대중량의 어태치먼트(53)를 장착한 경우 쪽이 미터 아웃 스로틀 목표 개구 면적은 작아진다. 아암 각도 θ_A'의 증가와 함께 미터 아웃 스로틀 목표 개구 면적도 증가하여, 약 90°에서 최댓값이 된다.

종래의 유압 제어 장치의 경우에는, 미터 아웃 스로틀(23a)의 개구 면적은, 도 7에 나타내는 파선 B의 최솟값에 상당하는 개구 면적으로 일정했던 것에 반해, 본 실시 형태에 있어서는, 아암 각도 θ_A'와, 그 시간 변화량인 아암 각속도 ω_A'에 따라, 미터 아웃 스로틀(23a)의 개구 면적을 변화시키고 있으므로, 종래예보다도 미터 아웃 압력 손실이 저감되고, 에너지 손실도 저감된다. 또한, 상술한 동작은, 아암 크라우드 파일럿압에 따라서 상한값과 하한값이 조정되므로, 조작 레버의 조작량에 따르지 않고, 에너지 손실 저감 효과를 얻을 수 있다.

또한, 상술한 실시 형태는, 본 발명을 유압 셔블의 아암 실린더의 밸브 장치에 적용한 경우를 예로 들어 설명했지만, 이것에 한정하는 것은 아니다. 예를 들어, 버킷 크라우드 조작을 행하는 버킷 실린더의 밸브 장치에 적용해도 된다. 이 경우, 예를 들어 도 2에 도시하는 유압 회로 부분에서 아암 실린더를 버킷 실린더로 치환하고, 아암용 유량 제어 밸브를 버킷용 유량 제어 밸브로 치환하고, 아암용 조작 레버 장치를 버킷용 조작 레버 장치로 치환하면 된다.

상술한 본 발명의 건설 기계의 유압 제어 장치의 제1 실시 형태에 의하면, 아암 또는 버킷의 수평 방향과 이루는 각도를 검출하고, 그 시간 변화량에 따라서 미터 아웃 스로틀의 개구 면적을 제어하므로, 유압 액추에이터에 작용하는 부의 부하가 변화해도, 조작성을 악화시키지 않고, 또한 높은 에너지 절약 효과가 얻어진다.

또한, 상술한 본 발명의 건설 기계의 유압 제어 장치의 제1 실시 형태에 의하면, 아암 각도 θ_A'와, 그 시간 변화량인 아암 각속도 ω_A'와, 아암 크라우드 파일럿압에 따라, 미터 아웃 스로틀(23a)의 개구 면적을 제어하므로, 유압 액추에이터에 부의 부하가 작용할 때의 공동화 현상이 방지되어, 높은 에너지 절약 효과를 얻을 수 있다.

[실시예 2]

이하, 본 발명의 건설 기계의 유압 제어 장치의 제2 실시 형태를 도면을 사용하여 설명한다. 도 8은 본 발명의 건설 기계의 유압 제어 장치의 제2 실시 형태 중 유압 셔블의 아암 실린더에 관계되는 유압 회로 부분을 모식적으로 도시하는 개략도, 도 9는 본 발명의 건설 기계의 유압 제어 장치의 제2 실시 형태를 구성하는 컨트롤러의 처리 기능을 도시하는 기능 블록도이다. 도 8 및 도 9에 있어서, 도 1 내지 도 7에 나타내는 부호와 같은 부호인 것은 동일 부분이므로, 그 상세한 설명은 생략한다.

본 발명의 건설 기계의 유압 제어 장치의 제2 실시 형태에 있어서, 제어 회로 및 유압 회로의 개략 시스템은, 제1 실시 형태와 대략 동일하지만, 붐 각도 센서(42)와 아암 각도 센서(41)를 구비하지 않고, 그것들을 대체하는 것으로서, 아암 실린더(11)의 로드의 신축량을 검출하는 아암 실린더 변위 센서(46)와, 붐 실린더(12)의 로드 신축량을 검출하는 붐 실린더 변위 센서(47)를 구비하고 있는 점이 상이하다.

아암 실린더 변위 센서(46)는, 도 8에 도시하는 바와 같이, 아암 실린더(11)의 실린더 외측부에 설치되고, 붐 실린더 변위 센서(47)는 붐 실린더(12)의 외측부에 설치되어 있다. 이들 변위 센서(47, 46)가 검출한 변위량 신호는 컨트롤러(45)에 입력된다.

제1 실시 형태에서는, 붐 각도 센서(42)와 아암 각도 센서(41)가 검출한 붐 회동 각도 θ_B와 아암 회동 각도 θ_A를 기초로, 아암 각도 θ_A'와 아암 각속도 ω_A'를 연산하고, 이것들과 아암 크라우드 파일럿압을 기초로 미터 아웃 스로틀 목표 개구 면적을 산출한 것에 반해서, 본 실시 형태에서는, 아암 실린더 변위 센서(46)와 붐 실린더 변위 센서(47)가 검출한 아암 실린더 변위량 L_A3과 붐 실린더 변위량 L_B3을 기초로, 아암 각도 θ_A'와 아암 각속도 ω_A'를 연산하고, 이것들과 아암 크라우드 파일럿압을 기초로 미터 아웃 스로틀 목표 개구 면적을 산출하는 점이 주된 특징이다.

도 9에 도시하는 본 실시 형태의 컨트롤러(45)는, 자세 연산부인 각도 및 각속도 연산부(45d)와, 미터 아웃 개구 면적 연산부인 미터 아웃 개구 연산부(45b)와, 미터 아웃 제어부인 솔레노이드 전류 연산부(45c)를 구비하고 있다.

각도 및 각속도 연산부(45d)는, 아암 실린더 변위 센서(46)가 검출한 아암 실린더 변위량 L_A3과, 붐 실린더 변위 센서(47)가 검출한 붐 실린더 변위량 L_B3을 입력하고, 이들 값으로부터 아암(51)이 수평 방향과 이루는 각도(이하, 아암 각도라고도 함) θ_A'와 아암(51)이 회동할 때의 각속도(이하, 아암 각속도라고도 함) ω_A'를 산출한다.

구체적으로는, 제1 실시 형태에 있어서의 식 (1)과 식 (2)를 사용하여, 아암 각도 θ_A'와 아암 각속도 ω_A'를 각각 연산하는데, 식 (1)과 식 (2)에 있어서의 아암(51)의 회동 각도 θ_A와 붐(52)의 회동 각도 θ_B를 이하의 식 (3)과 식 (4)로 연산한다.

θ_A=COS^- ¹((L² _A3-L² _A1-L² _A2)/2L_A1L_A2) …(3)

θ_B=COS^- ¹((L² _B1+L² _B2-L² _B3)/2L_B1L_B2) …(4)

여기서, L_A1 ~ L_A3 및 L_B1 ~ L_B3은, 도 5에 도시하는 각 구성물의 길이이다.

미터 아웃 개구 연산부(45b)의 테이블은, 모두, 아암 각도 θ_A'가 약 90° 이하, 즉 아암 실린더(11)에 부의 부하가 작용할 때, 아암 각속도 ω_A'가 높아짐에 따라서, 미터 아웃 스로틀(23a)의 목표 개구 면적을 감소시키도록 특성 설정되어 있다. 그리고, 아암 각도 θ_A'가 약 90° 이상, 즉, 정의 부하가 작용할 때에는, 아암 각속도 ω_A'에 따르지 않고, 미터 아웃 스로틀(23a)의 목표 개구 면적을 최대값으로 하도록 특성 설정되어 있다. 이것들은, 상술한 바와 같이, 아암 크라우드 파일럿압에 의해, 상이한 테이블을 선택하고 있지만, 테이블은 2개로 한정하는 것은 아니며, 그 이상의 테이블을 구비하여, 아암 크라우드 파일럿압에 따른 더욱 세부적인 선택이 이루어져도 된다. 이 구성은 제1 실시 형태와 마찬가지이다.

솔레노이드 전류 연산부(45c)는, 미터 아웃 개구 연산부(45b)에서 산출된 미터 아웃 스로틀(23a)의 목표 개구 면적 신호를 입력하고, 입력값에 따른 솔레노이드 전류값을 산출하여, 전자 비례 밸브(44)에 제어 신호로서 출력한다. 이 구성은 제1 실시 형태와 마찬가지이다.

이상과 같이 구성한 본 실시 형태에 있어서도, 아암 실린더(11) 및 붐 실린더(12)의 신축량으로부터 아암 각도 θ_A' 및 아암 각속도 ω_A'를 연산함으로써, 제1 실시 형태와 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다.

상술한 본 발명의 건설 기계의 유압 제어 장치의 제2 실시 형태에 의하면, 상술한 제1 실시 형태와 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 형태는, 유압 셔블의 아암 실린더의 밸브 장치에 적용한 경우를 예로 들어 설명했지만, 이것에 한정하는 것은 아니다. 본 발명은, 유압 실린더에 대소의 다양한 중량 부하가 작용하는 것이라면, 유압 셔블의 아암 실린더나 버킷 실린더 이외의 유압 실린더, 또는, 유압 셔블 이외의 건설 기계, 예를 들어 휠 로더, 크레인 등의 유압 실린더의 밸브 장치에도 마찬가지로 적용 가능하다.

1: 원동기
2: 유압 펌프
2a: 밀어내기 용적 가변 부재(경사판)
2b: 마력 제어 액추에이터
3: 토출 라인
4: 밸브 장치
5: 파일럿 밸브(조작 레버 장치)
11: 아암 실린더
12: 붐 실린더
21: 센터 바이패스부
22a, 22b: 미터 인 스로틀
23a, 23b: 미터 아웃 스로틀
31: 유량 제어 밸브
31e, 31f: 수압부
32: 센터 바이패스 라인
33: 탱크
34, 35: 액추에이터 라인
36: 조작 레버
37: 파일럿압 발생부
38, 39: 파일럿 라인
41: 아암 각도 센서
42: 붐 각도 센서
43: 압력 센서
44: 전자 비례 밸브(전자기 밸브)
45: 컨트롤러
46, 47: 실린더 변위 센서
51: 아암
52: 붐
53: 어태치먼트(버킷)
300: 프론트 기구
301: 유압 셔블
303: 하부 주행체
304: 상부 선회체

Claims

유압 펌프로부터 토출되는 압유에 의해 아암을 구동하는 유압 액추에이터와, 상기 유압 액추에이터로부터 배출되는 압유가 흐르는 미터 아웃 유로와, 상기 미터 아웃 유로에 설치된 가변 스로틀과, 상기 유압 액추에이터의 동작 지령 신호를 조작량에 따라서 출력하는 조작 장치와, 상기 가변 스로틀의 개구 면적을 제어하는 컨트롤러를 구비한 건설 기계의 유압 제어 장치에 있어서,
상기 컨트롤러는, 상기 아암이 수평 방향과 이루는 각도를 연산하는 자세 연산부와,
상기 자세 연산부가 연산한 상기 아암이 수평 방향과 이루는 각도와, 그 시간 변화량에 따라, 상기 미터 아웃 유로에 설치된 상기 가변 스로틀의 개구 면적을 연산하는 미터 아웃 개구 면적 연산부와,
상기 미터 아웃 개구 면적 연산부에서 연산한 상기 가변 스로틀의 개구 면적에 따라, 상기 가변 스로틀의 개구 면적을 조정하기 위한 전자기 밸브에 지령 신호를 출력하는 미터 아웃 제어부를 구비한 것을 특징으로 하는, 건설 기계의 유압 제어 장치.
제1항에 있어서,
상기 조작 장치의 조작량을 검출하는 조작량 검출 장치를 구비하고,
상기 미터 아웃 개구 면적 연산부는, 상기 조작량 검출 장치가 검출한 상기 조작 장치의 조작량을 읽어들이고, 상기 조작 장치의 조작량마다, 상기 미터 아웃 유로에 설치된 상기 가변 스로틀의 개구 면적을, 상기 자세 연산부가 연산한 상기 아암이 수평 방향과 이루는 각도와, 그 시간 변화량에 따라서 연산하는 것을 특징으로 하는, 건설 기계의 유압 제어 장치.
제1항에 있어서,
상기 건설 기계는, 하부 주행체와, 상기 하부 주행체에 선회 가능하게 설치한 상부 선회체와, 상기 상부 선회체에 회동 가능하게 접속되며, 붐과 상기 아암을 구비한 다관절형 프론트 기구와, 상기 상부 선회체에 대한 붐의 회동 각도를 검출하는 붐 각도 센서와, 상기 붐에 대한 상기 아암의 회동 각도를 검출하는 아암 각도 센서를 구비하고,
상기 자세 연산부는, 상기 붐 각도 센서, 및 상기 아암 각도 센서가 검출한 회동 각도를 기초로, 상기 아암이 수평 방향과 이루는 각도를 연산하는 것을 특징으로 하는, 건설 기계의 유압 제어 장치.
제1항에 있어서,
상기 건설 기계는, 하부 주행체와, 상기 하부 주행체에 선회 가능하게 설치한 상부 선회체와, 상기 상부 선회체에 회동 가능하게 접속되며, 붐과 상기 아암을 구비한 다관절형의 프론트 기구와, 상기 붐을 구동하는 붐용 유압 실린더와 상기 아암을 구동하는 아암용 유압 실린더와, 상기 붐용 유압 실린더의 변위를 검출하는 붐 실린더 변위 센서와, 상기 아암용 유압 실린더의 변위를 검출하는 아암 실린더 변위 센서를 구비하고,
상기 자세 연산부는, 상기 붐 실린더 변위 센서, 및 상기 아암 실린더 변위 센서가 검출한 변위를 기초로, 상기 아암이 수평 방향과 이루는 각도를 연산하는 것을 특징으로 하는, 건설 기계의 유압 제어 장치.