KR20220014177A

KR20220014177A - 건설 기계

Info

Publication number: KR20220014177A
Application number: KR1020200093942A
Authority: KR
Inventors: 강병일
Original assignee: 현대두산인프라코어(주)
Priority date: 2020-07-28
Filing date: 2020-07-28
Publication date: 2022-02-04
Also published as: WO2022025556A1

Abstract

본 발명의 실시예에 따른 붐을 포함하는 건설 기계는 상기 붐을 승강시키며 헤드측과 로드측으로 구분된 붐 실린더와, 상기 붐 실린더의 헤드측에서 배출되는 작동유의 유량을 제어하며, 입력받은 파일럿 압력에 따라 스풀이 변위되면서 개구 면적이 조절되는 붐 밸브와, 상기 붐 밸브에 전달할 상기 파일럿 압력을 생성하는 붐 밸브용 전자 비례 감압 밸브와, 상기 붐의 조작을 위한 조작 신호를 발생시키는 조작 장치, 그리고 상기 조작 장치의 조작 신호에 대응하는 상기 붐 밸브의 목표 통과 유량과 상기 목표 통과 유량을 통과시키기 위한 상기 붐 밸브의 개구 면적을 계산하고 상기 개구 면적을 달성하기 위해 상기 붐 밸브에 전달되어야 하는 상기 파일럿 압력을 산출하고 산출된 상기 파일럿 압력을 생성하도록 전류 지령값을 상기 붐 밸브용 전자 비례 감압 밸브에 전달하는 제어 장치를 포함한다.

Description

건설 기계{CONSTRUCTION MACHINERY}

본 발명은 건설 기계에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 붐의 속도를 제어할 수 있는 건설 기계에 관한 것이다.

건설 기계는 크게 토목 공사나 건축 공사에 사용되는 모든 기계를 말한다. 일반적으로 건설 기계는 엔진과 엔진의 동력으로 동작하는 유압 펌프를 가지며, 엔진과 유압 펌프를 통해 발생한 동력으로 주행을 하거나 작업 장치를 구동한다.

예를 들어, 건설 기계의 한 종류인 굴삭기는 토목, 건축, 건설 현장에서 땅을 파는 굴삭 작업, 토사를 운반하는 적재 작업, 건물을 해체하는 파쇄 작업, 지면을 정리하는 정지 작업 등의 작업을 행하는 건설 기계로서 장비의 이동 역할을 하는 주행체와, 주행체에 탑재되어 360도 회전하는 상부 선회체, 그리고 작업 장치로 구성되어 있다.

또한, 굴삭기는 주행에 이용되는 주행 모터와, 상부 선회체 스윙(swing)에 사용되는 선회 모터, 그리고 작업 장치에 이용되는 붐 실린더, 암 실린더, 버킷 실린더, 및 옵션 실린더 등의 구동 장치들을 포함한다. 그리고 이러한 구동 장치들은 엔진 또는 전기 모터에 의해 구동되는 가변 용량형 유압 펌프로부터 토출되는 작동유에 의해 구동된다.

그런데, 붐, 암, 및 각종 어태치먼트는 상대적으로 매우 무거운 중량을 갖고 있으므로, 사용자가 조이스틱을 조작해 붐을 하강시킬 때 사용자의 의도와 다른 속도로 붐이 하강되기 쉽다.

이를 방지하기 위하여, 붐의 현재 속도를 측정한 후 이를 조이스틱의 조작량에 따른 목표 속도와 비교하여 오차를 보상하도록 붐 밸브를 제어하게 된다. 이때, 조이스틱의 조작량은 전류 지령값으로 전달된다. 따라서, 측정된 붐의 현재 속도가 사용자의 조작 의도와 다를 경우 전류 지령값을 보정하여 이를 보정하였다.

하지만, 전류 지령값이 변경된 후 변경된 전류 지령값에 따라 붐의 속도가 변경되기까지는 여러 신호 전달 체계를 거치게 되고 그 과정에서 응답 지연과 히스테리시스(hysteresis) 현상이 발생된다. 이에, 붐의 속도가 보정되기까지 지연 및 왜곡이 발생되므로 붐의 속도를 사용자의 의도대로 제어하기 어려운 문제점이 있다.

본 발명의 실시예는 붐의 속도를 사용자의 의도대로 제어할 수 있는 건설 기계를 제공한다.

본 발명의 실시예에 따르면, 붐을 포함하는 건설 기계는 상기 붐을 승강시키며 헤드측과 로드측으로 구분된 붐 실린더와, 상기 붐 실린더의 헤드측에서 배출되는 작동유의 유량을 제어하며, 입력받은 파일럿 압력에 따라 스풀이 변위되면서 개구 면적이 조절되는 붐 밸브와, 상기 붐 밸브에 전달할 상기 파일럿 압력을 생성하는 붐 밸브용 전자 비례 감압 밸브와, 상기 붐의 조작을 위한 조작 신호를 발생시키는 조작 장치, 그리고 상기 조작 장치의 조작 신호에 대응하는 상기 붐 밸브의 목표 통과 유량과 상기 목표 통과 유량을 통과시키기 위한 상기 붐 밸브의 개구 면적을 계산하고 상기 개구 면적을 달성하기 위해 상기 붐 밸브에 전달되어야 하는 상기 파일럿 압력을 산출하고 산출된 상기 파일럿 압력을 생성하도록 전류 지령값을 상기 붐 밸브용 전자 비례 감압 밸브에 전달하는 제어 장치를 포함한다.

상기한 건설 기계는 상기 붐 밸브용 전자 비례 감압 밸브가 생성한 파일럿 압력을 측정하는 파일럿 압력 센서를 더 포함할 수 있다. 그리고 상기 제어 장치는 산출된 상기 파일럿 압력과 상기 파일럿 압력 센서가 측정한 상기 파일럿 압력을 비교하고, 측정된 상기 파일럿 압력이 산출된 상기 파일럿 압력을 추종하도록 상기 붐 밸브용 전자 비례 감압 밸브를 제어할 수 있다.

상기한 건설 기계는 상기 붐 실린더에 대한 작동유의 공급을 제어하는 제어 밸브와, 상기 제어 밸브와 상기 붐 실린더의 헤드측을 연결하는 제1 붐 유압 라인과, 상기 제어 밸브와 상기 붐 실린더의 로드측을 연결하는 제2 붐 유압 라인, 그리고 상기 제1 붐 유압 라인에서 분기되어 상기 제2 붐 유압 라인과 연결된 재순환 라인을 더 포함할 수 있다. 그리고 상기 붐 밸브는 상기 재순환 라인 상에 설치될 수 있다.

상기한 건설 기계는 상기 제1 붐 유압 라인 상에 설치된 제1 압력 센서와, 상기 제2 붐 유압 라인 상에 설치된 제2 압력 센서를 더 포함할 수 있다. 그리고 상기 제어 장치는 상기 제1 압력 센서가 측정한 압력과 상기 제2 압력 센서가 측정한 압력 차이를 고려하여 상기 목표 통과 유량을 통과시키기 위한 상기 붐 밸브의 개구 면적을 계산할 수 있다.

상기한 건설 기계는 상기 제어 밸브로 작동유를 공급하는 메인 펌프와, 상기 붐 밸브용 전자 비례 감압 밸브가 상기 파일럿 압력을 생성하기 위해 필요한 작동유를 공급하는 파일럿 펌프, 그리고 상기 메인 펌프 및 상기 파일럿 펌프에 회전 동력을 제공하는 엔진을 더 포함할 수 있다.

상기한 건설 기계는 상기 붐 실린더에서 배출된 작동유로 회생 동작을 수행하여 재생 에너지를 생성하는 회생 모터와, 상기 제1 붐 유압 라인에서 분기되어 상기 회생 모터와 연결된 회생 라인과, 상기 회생 라인 상에 설치되어 상기 붐 실린더의 헤드측으로 배출되는 작동유의 유량을 제어하며 입력받은 파일럿 압력에 따라 스풀이 변위되면서 개구 면적이 조절되는 회생 밸브, 그리고 상기 회생 밸브에 전달할 상기 파일럿 압력을 생성하는 회생 밸브용 전자 비례 감압 밸브를 더 포함할 수 있다.

상기 제어 장치는 상기 조작 장치의 조작 신호에 대응하는 상기 회생 밸브의 목표 통과 유량과 상기 목표 통과 유량을 통과시키기 위한 상기 회생 밸브의 개구 면적을 계산하고, 상기 개구 면적을 달성하기 위해 상기 회생 밸브에 전달되어야 하는 상기 파일럿 압력을 산출하고, 산출된 상기 파일럿 압력을 생성하도록 전류 지령값을 상기 회생 밸브용 전자 비례 감압 밸브에 전달할 수 있다.

상기한 건설 기계는 상기 회생 라인과 연결되어 작동유를 축적하는 어큐뮬레이터와, 상기 어큐뮬레이터로의 작동유 유출입을 제어하는 어큐뮬레이터 밸브를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 건설 기계는 붐의 속도를 사용자의 의도대로 제어할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 건설 기계의 측면도이다.
도 2는 도 1의 건설 기계에 사용된 유압 시스템을 나타낸 유압 회로도이다.
도 3은 도 1의 유압 시스템에 사용된 붐 밸브를 나타낸 도면이다.
도 4는 도 1의 유압 시스템에 사용된 붐 밸브의 스풀 변위와 개구 면적의 상관관계를 나타낸 그래프이다.
도 5 및 도 6은 전자 비례 감압 밸브에 인가된 전류 지령값과 전자 비례 감압 밸브가 생성한 파일럿 압력의 상관관계를 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 건설 기계의 제어 방법을 나타낸 순서도이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

도면들은 개략적이고 축척에 맞게 도시되지 않았다는 것을 일러둔다. 도면에 있는 부분들의 상대적인 치수 및 비율은 도면에서의 명확성 및 편의를 위해 그 크기에 있어 과장되거나 축소되어 도시되었으며 임의의 치수는 단지 예시적인 것이지 한정적인 것은 아니다. 그리고 둘 이상의 도면에 나타나는 동일한 구조물, 요소 또는 부품에는 동일한 참조 부호가 유사한 특징을 나타내기 위해 사용된다.

본 발명의 실시예는 본 발명의 이상적인 실시예를 구체적으로 나타낸다. 그 결과, 도해의 다양한 변형이 예상된다. 따라서 실시예는 도시한 영역의 특정 형태에 국한되지 않으며, 예를 들면 제조에 의한 형태의 변형도 포함한다.

이하, 도 1 내지 도 6을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 건설 기계(101)를 설명한다.

본 명세서에서는, 건설 기계(101)로 굴삭기를 예로 들어 설명한다. 하지만, 건설 기계(101)가 굴삭기에 한정되는 것은 아니며, 본 발명은 붐(170)과 같이 위치 에너지를 발생시키는 작업 장치(160)가 장착된 모든 건설 기계에 적용될 수 있다.

도 1에 도시한 바와 같이, 건설기계(101)는 하부 주행체(120), 하부 주행체(120) 상에 선회 가능하도록 탑재되는 상부 선회체(130), 및 상부 선회체(130)에 설치되어 사용자가 탑승하는 운전실(150)과 각종 작업 장치(160)를 포함할 수 있다.

하부 주행체(120)는 상부 선회체(130)를 지지하고, 엔진(100)(도 2에 도시)에서 발생한 동력을 이용하여 주행 장치를 통해 건설 기계(101)를 주행시킬 수 있다. 하부 주행체(120)는 무한궤도를 포함하는 무한궤도식 타입의 주행체이거나 주행 휠들을 포함하는 휠 타입의 주행체일 수 있다.

상부 선회체(130)는 하부 주행체(120) 상에서 회전하여 작업 방향을 설정할 수 있다. 상부 선회체(130)는 상부 프레임(132)과 상부 프레임(132)에 설치되는 운전실(150)과 작업 장치(160)를 포함할 수 있다.

작업 장치(160)는 붐(170), 암(180) 및 버켓(190)을 포함할 수 있다. 붐(170)과 상부 프레임(132) 사이에는 붐(170)의 움직임을 제어하기 위한 붐 실린더(200)가 설치될 수 있다. 또한, 붐(170)과 암(180) 사이에는 암(180)의 움직임을 제어하기 위한 암 실린더(182)가 설치되고, 암(180)과 버켓(190) 사이에는 버켓(190)의 움직임을 제어하기 위한 버켓 실린더(192)가 설치될 수 있다.

붐 실린더(200), 암 실린더(182) 및 버켓 실린더(192)가 신장 또는 수축함에 따라 붐(170), 암(180), 및 버켓(190)은 다양한 움직임을 구현할 수 있고, 작업 장치(160)는 여러 작업들을 수행할 수 있다. 이때, 붐 실린더(200), 암 실린더(182) 및 버켓 실린더(192)는 후술할 메인 펌프(310)(도 2에 도시)로부터 공급되는 작동유에 의해 동작된다.

도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 건설 기계(101)에 사용되는 유압 시스템은 붐 실린더(200), 붐 밸브(410), 붐 밸브용 전자 비례 감압 밸브(460), 조작 장치(770), 및 제어 장치(700)를 포함한다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 건설 기계(101)에 사용되는 유압 시스템은 파일럿 압력 센서(760), 제어 밸브(500), 제1 붐 유압 라인(610), 제2 붐 유압 라인(620), 재순환 라인(650), 제1 압력 센서(710), 제2 압력 센서(720), 메인 펌프(310), 파일럿 펌프(370), 엔진(100), 회생 모터(380), 회생 라인(670), 회생 밸브(420), 회생 밸브용 전자 비례 감압 밸브(470), 어큐뮬레이터(800), 및 어큐뮬레이터 밸브(480)를 더 포함할 수 있다.

엔진(100)은 후술할 메인 펌프(310)와 연결되어 동력을 제공한다. 엔진(100)은 연료를 연소시켜 동력을 발생시킨다. 예를 들어, 엔진(100)은 디젤 엔진이거나 액화 천연 가스(LNG) 엔진, 압축 천연 가스(CNG) 엔진, 흡착 천연 가스(ANG) 엔진, 액화 석유 가스(LPG) 엔진, 또는 가솔린 엔진일 수 있다. 하지만, 본 발명의 일 실시예가 전술한 바에 한정되는 것은 아니며, 엔진(100) 대신 전기 모터 등 다른 동력 장치가 사용될 수도 있다.

또한, 엔진(100)은 메인 펌프(310) 이외에 후술할 파일럿 펌프(370)와 연결되어 파일럿 펌프(370)에도 동력을 제공할 수도 있다.

또한, 엔진(100)은 메인 펌프(310) 이외에 후술할 회생 모터(380)와 연결되어 회생 모터(380)로부터 에너지를 공급받을 수도 있다.

메인 펌프(310)는 엔진(100)이 발생시킨 동력으로 동작하며 작동유를 토출한다. 메인 펌프(310)에서 토출된 작동유는 후술할 붐 실린더(200)를 포함한 각종 작업 장치(160)에 공급될 수 있다. 또한, 메인 펌프(310)는 사판의 각도에 따라 토출되는 유량이 가변하는 가변 용량형 펌프일 수 있다.

이하, 본 명세서에서는, 전술한 여러 작업 장치(160) 중에서 붐 실린더(200)를 예로 들어 설명한다. 붐 실린더(200)는 붐(170)을 승강시키며, 헤드측(210)과 로드측(220)으로 구분된다.

제어 밸브(500)는 붐 실린더(200)에 대한 메인 펌프(310)가 토출한 작동유의 공급을 제어한다. 즉, 메인 펌프(310)에서 토출된 작동유는 제어 밸브(500)의 절환 동작에 따라 붐 실린더(200)의 헤드측(210)으로 공급하거나 붐 실린더(200)의 로드측(220)으로 공급되거나 공급이 차단될 수 있다.

제1 붐 유압 라인(610)은 제어 밸브(500)와 붐 실린더(200)의 헤드측(210)을 연결한다.

제2 붐 유압 라인(620)은 제어 밸브(500)와 붐 실린더(200)의 로드측(220)을 연결한다.

즉, 메인 펌프(310)에서 토출되어 제어 밸브(500)를 통과한 작동유는 제1 붐 유압 라인(610)을 따라 붐 실린더(200)의 헤드측(210)으로 이동하거나 제2 붐 유압 라인(620)을 따라 붐 실린더(200)의 로드측(220)으로 이동할 수 있다.

재순환 라인(630)은 제1 붐 유압 라인(610)에서 분기되어 제2 붐 유압 라인(620)과 연결된다. 재순환 라인(630)에 의해 붐 실린더(200)의 헤드측(210)으로 배출된 작동유의 일부는 붐 실린더(200)의 로드측(220)으로 공급될 수 있다.

이에, 붐(170)의 하강 동작 시 붐 실린더(200)의 헤드측(210)에서 배출된 작동유 중 일부는 재순환 라인(630)을 따라 이동하다가 제2 붐 유압 라인(620)을 거쳐 붐 실린더(200)의 로드측(220)으로 유입된다. 이와 같이, 붐(170)의 하강 시 붐 실린더(200)의 헤드측(210)에서 배출된 작동유가 붐 실린더(200)의 로드측(220)으로 유입됨으로써 붐 실린더(200)의 압력을 높이고 에너지 이용 효율을 향상시킬 수 있다.

붐 밸브(410)는 재순환 라인(630) 상에 설치된다. 붐 밸브(410)는 붐 실린더(200)의 헤드측(210)에서 배출되는 작동유의 유량을 제어할 수 있다. 특히, 붐 밸브(410)는 붐 실린더(200)의 헤드측(210)에서 배출되어 붐 실린더(200)의 로드측(220)으로 유입되는 작동유의 유량을 제어할 수 있다. 이에, 붐 밸브(410)는 붐(170)의 속도, 특히 붐(170)의 하강 속도를 제어하게 된다.

예를 들어, 붐 밸브(410)가 개방되면, 고압의 헤드측(210) 압력이 로드측(220)으로 전달되어 로드측(220) 압력이 높아지고, 높아진 로드측(220) 압력으로 인해 헤드측(210) 압력이 다시 상승하게 된다. 이로 인하여, 붐(170)의 하강 작동 중 붐 실린더(200)의 헤드측(210)의 압력이 높아지고, 높아진 헤드측(210) 압력을 후술할 회생 밸브(420)를 통해 회생 모터(380)를 구동시키거나 어큐뮬레이터(800)에 저장함으로써 에너지 효율을 높일 수 있다.

구체적으로, 도 3에 도시한 바와 같이, 붐 밸브(410)는 슬리브(415)와, 슬리브(415) 내에서 이동하면서 작동유가 통과할 개구 면적을 조절하는 스풀(411), 그리고 스풀(411)의 위치를 복원시키는 스프링(418)을 포함할 수 있다. 즉, 붐 밸브(410)의 스풀(411)은 입력받은 파일럿 압력(P_S1)에 따라 위치가 가변되고, 스풀(411)의 변위에 따라 개구 면적이 조절된다. 이때, 스풀(411)의 변위는 후술할 수학식 4를 통해 계산할 수 있다.

붐 밸브용 전자 비례 감압 밸브(electric proportional pressure reducing valve, EPPR valve)(460)는 붐 밸브(410)에 전달할 파일럿 압력(P_S1)을 생성한다. 즉, 붐 밸브용 전자 비례 감압 밸브(460)가 생성한 파일럿 압력(P_S1)은 붐 밸브(410)의 스풀(411)의 일단을 가압하여 스풀(411)을 변위시키게 된다.

파일럿 펌프(370)는 붐 밸브용 전자 비례 감압 밸브(460)가 파일럿 압력(P_S1)을 생성하기 위해 필요한 작동유를 공급한다. 예를 들어, 파일럿 펌프(370)가 토출한 작동유의 압력을 1차 파일럿 압력이라고 하면, 붐 밸브용 전자 비례 감압 밸브(460)가 이를 가공하여 2차 파일럿 압력을 생성하고, 이렇게 생성된 2차 파일럿 압력이 붐 밸브(410)의 스풀(411)의 일단을 가압하게 된다.

조작 장치(770)는 붐(170)의 조작을 위한 조작 신호를 발생시킨다. 후술할 제어 장치는(700) 조작 장치(770)의 조작 신호를 받아 조작 신호에 대응하는 전류 지령값을 붐 밸브용 전자 비례 감압 밸브(460)에 전달한다. 그러면 붐 밸브용 전자 비례 감압 밸브(460)는 전달받은 전류 지령값에 따라 파일럿 압력(P_S1)을 생성하게 된다.

또한, 조작 장치(770)는 각종 작업 장치(160)와 주행 장치를 사용자가 조작할 수 있도록 운전실(150) 내에 설치된 조이스틱, 조작 레버, 및 패달(pedal) 등을 포함할 수 있다.

제1 압력 센서(710)는 제1 붐 유압 라인 상(610)에 설치된다. 즉, 제1 압력 센서(710)가 측정한 압력은 붐 실린더(200)의 헤드측(210) 압력이 된다.

제2 압력 센서(720)는 제2 붐 유압 라인(620) 상에 설치된다. 즉, 제2 압력 센서(720)가 측정한 압력은 붐 실린더(200)의 로드측(220) 압력이 된다.

이와 같이, 제1 압력 센서(710)와 제2 압력 센서(720)를 사용하여 붐 밸브(410)의 전후단 압력 차이를 산출할 수 있다. 즉, 붐 밸브(410)의 일측 포트는 붐 실린더(200)의 헤드측(210)과 연결되고, 붐 밸브(410)의 타측 포트는 붐 실린더(200)의 로드측(220)과 연결되므로, 붐 밸브(410)의 양단에 걸리는 압력 차이(ΔP)는 아래 수학식 1과 같이 계산될 수 있다.

여기서, Ph는 붐 실린더(200)의 헤드측(210) 압력으로 제1 압력 센서가(710) 측정한 압력이고, Pr은 붐 실린더(200)의 로드측(220) 압력으로 제2 압력 센서(720)가 측정한 압력이다.

파일럿 압력 센서(760)는 붐 밸브용 전자 비례 감압 밸브(460)가 생성하여 붐 밸브(410)에 전달하는 파일럿 압력을 측정한다.

제어 장치(700)는 조작 장치(770)의 조작 신호에 대응하는 붐 밸브(410)의 목표 통과 유량과, 목표 통과 유량을 통과시키기 위한 붐 밸브(410)의 개구 면적을 계산할 수 있다.

구체적으로, 제어 장치(700)는 조작 장치(770)의 조작 신호에 대응하는 붐(170)의 목표 속도를 결정하고, 목표 속도를 달성하기 위해 작동유가 붐 밸브(410)를 통과해야 할 목표 통과 유량을 계산한다.

예를 들어, 목표 통과 유량은 아래 수학식 2를 통해 계산할 수 있다.

여기서, V_bm는 붐(170)의 목표 속도이고, Q_rod는 붐 실린더(200)의 로드측(220)의 유량이며, A_rod는 붐 실린더(200)의 로드측(220)의 면적이고, Q_v1는 붐 밸브(410)를 통과해야 할 목표 통과 유량이다.

이와 같이, 붐 실린더(200)의 헤드측(210)에서 배출되어 붐 밸브(410)를 거쳐 붐 실린더(200)의 로드측(220)으로 유입되어야 할 목표 통과 유량을 전술한 수학식 2를 통해 계산할 수 있다.

다음, 제어 장치(700)는 전술한 바와 같은 목표 통과 유량을 통과시키기 위한 붐 밸브(410)의 개구 면적을 계산한다.

붐 밸브(410)의 개구 면적은 아래 수학식 3을 통해 계산할 수 있다.

여기서, A_v1 은 붐 밸브의 개구 면적이고, ρ는 밀도이다. Cd는 유출 계수로 기설정된 상수이다.

이와 같이, 목표 통과 유량을 통과시키기 위한 붐 밸브(410)의 개구 면적 계산에 제1 압력 센서(710)가 측정한 압력과 제2 압력 센서(720)가 측정한 압력 차이가 고려될 수 있다.

다음, 붐 밸브(410)의 개구 면적이 결정되면, 제어 장치(700)는 붐 밸브(410)의 설계된 스풀 형상에 따라 정의된 스풀 변위 - 면적 선도로부터 스풀(411)의 변위를 결정한다. 도 4에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에서는 스풀(411)의 변위가 증가할 수록 유량이 통과하는 개구 면적이 증가된다.

이때, 스풀(411)의 변위는 스풀(411)의 한쪽 면에 작용하는 파일럿 압력(P_S1)에 의해 결정되며, 이는 스풀(411)의 단면적과 스풀(411)을 지지하는 스프링(418)의 관계에 따른다.

구체적으로, 도 3을 참조하여 스풀(411)의 변위는 아래 수학식 4를 통해 계산할 수 있다.

여기서, x는 스풀(411)의 변위이고, k는 스프링 계수이고, F₀는 초기 스프링 예압력이고, P_S1은 스풀(411)의 수압면에 작용하는 파일럿 압력이고, As는 압력을 받는 스풀(411)의 면적이다.

이와 같이, 수학식 4에 의해 스풀(411)을 x 만큼 이동시키기 위한 파일럿 압력(P_S1)을 계산할 수 있다.

전술한 바와 같이, 붐 밸브(410)의 개구 면적을 달성하기 위해 붐 밸브(410)에 전달되어 스풀(411)에 가해져야 하는 상기 파일럿 압력이 산출되면, 제어 장치(700)는 산출된 파일럿 압력을 생성하도록 전류 지령값을 붐 밸브용 전자 비례 감압 밸브(460)에 전달한다.

스풀(411)에 작용하는 파일럿 압력(P_S1)은 붐 밸브용 전자 비례 감압 밸브(460)에 의해 제어되며, 붐 밸브용 전자 비례 감압 밸브(460)에 인가되는 전류가 증가함에 따라 파일럿 압력(P_S1)은 이상적으로는 도 5와 같이 증가하는 특성을 보인다. 이때, 붐 밸브용 전자 비례 감압 밸브(460)에 작용하는 전류와 그에 의해 생성되는 파일럿 압력(P_S1)이 도 5와 같이 정확히 일치하면 목표로 하는 속도가 달성될 수 있다.

그러나 실제로는, 도 6과 같이 유체의 압축성, 마찰, 유동력 등에 의해 압력 상승 및 하강 시 히스테리시스(hysteresis) 및 응답 지연이 발생하게 된다. 예를 들어, 특정 시점에서 압력(P1)에 해당하는 전류값은 A1 또는 A2가 될 수 있다. 상시 상황에서 도 6에서 P1 압력에 해당하는 전류가 A1으로 사전 정의되어 있는 경우, 압력이 상승하는 경우 실제 밸브에는 P2 압력이 형성되며, 이는 곧 목표로 한 붐 속도에 도달할 수 없음을 의미한다. 특히 급 조작 조건인 경우 붐의 반응이 크게 느려지는 악영향이 나타난다.

하지만, 본 발명의 일 실시예에서, 제어 장치(700)는 산출된 파일럿 압력과 파일럿 압력 센서(760)가 측정한 파일럿 압력을 비교하고, 산출된 파일럿 압력과 측정된 파일럿 압력이 상이하다면 붐 밸브용 전자 비례 감압 밸브(460)에 전달되는 전류 지령값을 보정하여 측정된 파일럿 압력이 산출된 파일럿 압력을 추종하도록 붐 밸브용 전자 비례 감압 밸브(460)를 제어함으로써, 도 5에서 발생한 히스테리시스(hysteresis) 및 응답 지연을 개선할 수 있으며 붐(170)의 제어성을 향상시킬 수 있다.

또한, 제어 장치(700)는 엔진(100), 메인 펌프(310), 회생 모터(380), 및 제어 밸브(500) 등 건설 기계(101)의 여러 구성들을 제어할 수 있다. 그리고 제어 장치(700)는 엔진 제어 장치(engine control unit, ECU) 및 차량 제어 장치(vehicle control unit, VCU) 중 하나 이상을 포함할 수 있다.

회생 모터(380)는 붐 실린더(200)에서 배출된 작동유로 회생 동작을 수행하여 재생 에너지를 생성한다. 회생 모터(380)는 후술할 회생 라인(640)과 연결되어 회생 라인(640)을 통해 공급받은 작동유의 압력으로 동작한다. 회생 모터(380)는 엔진(100)을 보조하여 메인 펌프(310)를 구동시킬 수 있다. 즉, 회생 모터(380)가 메인 펌프(310)를 구동시킨 만큼 엔진(100)의 연비를 절감할 수 있다. 또한, 회생 모터(380)도 가변 용량형일 수 있으며, 제어 장치(700)의 신호에 따라 사판각이 조절될 수 있다.

일례로, 엔진(100)과, 메인 펌프(310), 파일럿 펌프(370), 그리고 회생 모터(380)는 직결될 수 있다.

회생 라인(640)은 제1 붐 유압 라인(610)에서 분기되어 회생 모터(380)와 연결된다. 이와 같이, 회생 라인(640)은 제1 붐 유압 라인(610)에서 분기되어 붐(170)의 하강 동작 시 붐 실린더(200)의 헤드측(210)에서 배출된 작동유를 이동시킨다. 즉, 붐 실린더(200)에서 배출되어 회생 라인(640)을 따라 이동한 작동유는 회생 모터(380)를 동작시킨다.

회생 밸브(420)는 회생 라인(640) 상에 설치되어 붐 실린더(200)의 헤드측(210)으로 배출되는 작동유의 유량을 제어하며, 입력받은 파일럿 압력에 따라 스풀이 변위되면서 개구 면적이 조절될 수 있다.

회생 밸브용 전자 비례 감압 밸브(470)는 회생 밸브(420)에 전달할 파일럿 압력을 생성한다.

본 발명의 일 실시예에서, 회생 밸브(420) 및 회생 밸브용 전자 비례 감압 밸브(470)는 전술한 붐 밸브(410) 및 붐 밸브용 전자 비례 감압 밸브(460)와 동일한 동작 원리에 따라 동작할 수 있다.

예를 들어, 제어 장치(700)는 조작 장치(770)의 조작 신호에 대응하는 회생 밸브(420)의 목표 통과 유량과, 목표 통과 유량을 통과시키기 위한 회생 밸브(420)의 개구 면적을 계산하고, 개구 면적을 달성하기 위해 회생 밸브(420)에 전달되어야 하는 파일럿 압력을 산출하고, 산출된 파일럿 압력을 생성하도록 전류 지령값을 회생 밸브용 전자 비례 감압 밸브(470)에 전달할 수 있다.

어큐뮬레이터(800)는 회생 라인(640)과 연결되어 작동유를 축적한다. 즉, 어큐뮬레이터(800)는 붐(170)의 하강 시 붐 실린더(200)에서 배출된 작동유를 저장하였다가 저장된 작동유를 회생 모터(380)로 공급하여 에너지를 회생시킬 수 있다.

어큐뮬레이터 밸브(480)는 어큐뮬레이터로(800)의 작동유 유출입을 제어한다. 어큐뮬레이터 밸브(480)는 제어 장치(700)의 전류 지령값에 따라 동작할 수 있다.

이와 같은 구성에 의하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 건설 기계(101)는 붐(170)의 속도를 사용자의 의도대로 제어할 수 있게 된다.

즉, 제어 과정에서 히스테리시스(hysteresis) 및 응답 지연이 발생하는 것을 억제하고 붐(170)의 제어성을 향상시킬 수 있다.

이하, 도 6을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 건설 기계 (101)의 제어 방법을 상세히 설명한다.

먼저, 사용자가 붐(170)을 조작하기 위해 조작 장치(770)를 조작하여 조작 신호를 발생시키면, 제어 장치(700)가 조작 신호를 수신하여 조작 신호에 따른 봄(170)의 목표 속도를 결정한다. 즉, 사용자가 요구하는 붐(170)의 목표 속도를 결정한다.

그리고 제어 장치(700)는 목표 속도를 달성하기 위한 붐 밸브(410)의 목표 통과 유량을 계산하고, 계산된 목표 통과 유량을 통과시키기 위해 요구되는 붐 밸브(410)의 개구 면적을 계산한다.

다음, 제어 장치(700)는 붐 밸브(410)의 개구 면적이 계산되면, 개구 면적에 대응하는 스풀(411)의 변위를 결정한다. 스풀(411)의 변위가 결정되면, 스풀(411)을 변위시키기 위해 필요한 파일럿 압력을 산출한다.

그리고 제어 장치(700)는 산출된 파일럿 압력을 생성하기 위한 전류 지령값을 붐 밸브용 전자 비례 감압 밸브(460)에 전달하고, 붐 밸브용 전자 비례 감압 밸브(460)는 전달받은 전류 지령값에 따라 파일럿 압력을 생성한다.

다음, 붐 밸브용 전자 비례 감압 밸브(460)가 실제 생성한 파일럿 압력을 측정하고, 제어 장치(700)가 산출한 파일럿 압력과 전자 비례 감압 밸브(460)가 실제 생성한 파일럿 압력을 비교한다.

만약 산출된 파일럿 압력과 측정된 파일럿 압력이 상이하다면, 제어 장치(700)는 측정된 파일럿 압력이 산출된 파일럿 압력을 추종하도록 전류 지령값을 보정한다.

이어, 붐 밸브(410)의 스풀(411)은 파일럿 압력에 따라 변위되고, 붐 밸브(410)의 스풀(411)이 변위되면서 붐 실린더(200)의 압력이 변화된다.

이후, 변화된 붐 실린더(200)의 압력을 기준으로 목표 속도를 달성하기 위한 목표 통과 유량을 계산하면서 전술한 제어 과정을 반복하게 된다.

전술한 바와 같은, 건설 기계(101)의 제어 방법에 따르면, 붐(170)의 속도를 사용자의 의도대로 제어할 수 있게 된다. 즉, 제어 과정에서 히스테리시스(hysteresis) 및 응답 지연이 발생하는 것을 억제하고 붐(170)의 제어성을 향상시킬 수 있다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

그러므로 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명은 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

100: 엔진
101: 건설 기계
120: 하부 주행체
130: 상부 선회체
135: 상부 프레임
150: 운전실
160: 작업 장치
170: 붐
180: 암
182: 암 실런더
200: 붐 실린더
210: 헤드측
220: 로드측
310: 메인 펌프
370: 파일럿 펌프
380: 회생 모터
410: 붐 밸브
411: 스풀
415: 슬리브
418: 스프링
420: 회생 밸브
460: 붐 밸브용 전자 비례 감압 밸브
470: 회생 밸브용 전자 비례 감압 밸브
480: 어큐뮬레이터 밸브
500: 제어 밸브
610: 제1 붐 유압 라인
620: 제2 붐 유압 라인
630: 재순환 라인
640: 회생 라인
700: 제어 장치
710: 제1 압력 센서
720: 제2 압력 센서
760: 파일럿 압력 센서
800: 어큐뮬레이터

Claims

붐을 포함하는 건설 기계에 있어서,
상기 붐을 승강시키며 헤드측과 로드측으로 구분된 붐 실린더;
상기 붐 실린더의 헤드측에서 배출되는 작동유의 유량을 제어하며, 입력받은 파일럿 압력에 따라 스풀이 변위되면서 개구 면적이 조절되는 붐 밸브;
상기 붐 밸브에 전달할 상기 파일럿 압력을 생성하는 붐 밸브용 전자 비례 감압 밸브;
상기 붐의 조작을 위한 조작 신호를 발생시키는 조작 장치; 및
상기 조작 장치의 조작 신호에 대응하는 상기 붐 밸브의 목표 통과 유량과 상기 목표 통과 유량을 통과시키기 위한 상기 붐 밸브의 개구 면적을 계산하고, 상기 개구 면적을 달성하기 위해 상기 붐 밸브에 전달되어야 하는 상기 파일럿 압력을 산출하고, 산출된 상기 파일럿 압력을 생성하도록 전류 지령값을 상기 붐 밸브용 전자 비례 감압 밸브에 전달하는 제어 장치
를 포함하는 건설 기계.
제1항에 있어서,
상기 붐 밸브용 전자 비례 감압 밸브가 생성한 파일럿 압력을 측정하는 파일럿 압력 센서를 더 포함하며,
상기 제어 장치는 산출된 상기 파일럿 압력과 상기 파일럿 압력 센서가 측정한 상기 파일럿 압력을 비교하고, 측정된 상기 파일럿 압력이 산출된 상기 파일럿 압력을 추종하도록 상기 붐 밸브용 전자 비례 감압 밸브를 제어하는 것을 특징으로 하는 건설 기계.
제1항에 있어서,
상기 붐 실린더에 대한 작동유의 공급을 제어하는 제어 밸브;
상기 제어 밸브와 상기 붐 실린더의 헤드측을 연결하는 제1 붐 유압 라인;
상기 제어 밸브와 상기 붐 실린더의 로드측을 연결하는 제2 붐 유압 라인; 및
상기 제1 붐 유압 라인에서 분기되어 상기 제2 붐 유압 라인과 연결된 재순환 라인
을 더 포함하며,
상기 붐 밸브는 상기 재순환 라인 상에 설치된 것을 특징으로 하는 건설 기계.
제3항에 있어서,
상기 제1 붐 유압 라인 상에 설치된 제1 압력 센서; 및
상기 제2 붐 유압 라인 상에 설치된 제2 압력 센서
를 더 포함하며,
상기 제어 장치는 상기 제1 압력 센서가 측정한 압력과 상기 제2 압력 센서가 측정한 압력 차이를 고려하여 상기 목표 통과 유량을 통과시키기 위한 상기 붐 밸브의 개구 면적을 계산하는 것을 특징으로 하는 건설 기계.
제3항에 있어서,
상기 제어 밸브로 작동유를 공급하는 메인 펌프;
상기 붐 밸브용 전자 비례 감압 밸브가 상기 파일럿 압력을 생성하기 위해 필요한 작동유를 공급하는 파일럿 펌프; 및
상기 메인 펌프 및 상기 파일럿 펌프에 회전 동력을 제공하는 엔진
을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 건설 기계.
제3항에 있어서,
상기 붐 실린더에서 배출된 작동유로 회생 동작을 수행하여 재생 에너지를 생성하는 회생 모터;
상기 제1 붐 유압 라인에서 분기되어 상기 회생 모터와 연결된 회생 라인;
상기 회생 라인 상에 설치되어 상기 붐 실린더의 헤드측으로 배출되는 작동유의 유량을 제어하며, 입력받은 파일럿 압력에 따라 스풀이 변위되면서 개구 면적이 조절되는 회생 밸브; 및
상기 회생 밸브에 전달할 상기 파일럿 압력을 생성하는 회생 밸브용 전자 비례 감압 밸브
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 건설 기계.
제6항에 있어서,
상기 제어 장치는 상기 조작 장치의 조작 신호에 대응하는 상기 회생 밸브의 목표 통과 유량과 상기 목표 통과 유량을 통과시키기 위한 상기 회생 밸브의 개구 면적을 계산하고, 상기 개구 면적을 달성하기 위해 상기 회생 밸브에 전달되어야 하는 상기 파일럿 압력을 산출하고, 산출된 상기 파일럿 압력을 생성하도록 전류 지령값을 상기 회생 밸브용 전자 비례 감압 밸브에 전달하는 것을 특징으로 하는 건설 기계.
제6항에 있어서,
상기 회생 라인과 연결되어 작동유를 축적하는 어큐뮬레이터; 및
상기 어큐뮬레이터로의 작동유 유출입을 제어하는 어큐뮬레이터 밸브
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 건설 기계.