WO2011105027A1

WO2011105027A1 - 油圧制御装置

Info

Publication number: WO2011105027A1
Application number: PCT/JP2011/000865
Authority: WO
Inventors: 健吾粂内; 清水　宏一
Original assignee: 株式会社竹内製作所
Priority date: 2010-02-23
Filing date: 2011-02-17
Publication date: 2011-09-01
Also published as: EP2541070B1; EP2541070A1; JP2011174494A; EP2541070A4

Abstract

　作動油を吐出する油圧ポンプ（３２）と、油圧アクチュエータ（３９）と、作動制御を行うために操作される操作装置（１７）と、油圧ポンプ（３２）により吐出された作動油の吐出圧を検出する吐出圧センサ（３７）と、油圧アクチュエータの作動油圧を検出する作動油圧センサ（３８）と、油圧ポンプを駆動させる電動モータ（３３）と、電動モータ（３３）に電力を供給させるインバータ（４３）と、吐出圧センサ（３７）により検出された吐出圧と作動油圧センサ（３８）により検出された作動油圧との差分を求め、差分が一定値になるように電動モータ（３３）に供給される電力の大きさを調整して油圧ポンプ（３２）の吐出圧を変化させる制御を行うコントローラ（４０）とを備える。

Description

油圧制御装置

　本発明は、主として建設機械に用いられる油圧制御装置に関する。

　エンジンで油圧ポンプを駆動させ、油圧ポンプから供給された作動油を用いて油圧アクチュエータを作動させる構成を有する油圧制御装置を用いた機械として、例えば、パワーショベル等の建設機械がある。上記油圧アクチュエータとしては、油圧モータや油圧シリンダ等が挙げられる。例えば建設機械では、油圧制御装置を用いてこれらの油圧アクチュエータを作動させることにより、走行装置、旋回装置、ブーム、アーム、バケット等のシリンダを作動させて走行、掘削など各種作業を行う。パワーショベルは、走行、掘削の他に、車両の旋回や土砂を移動させるような作業を行う。

　ところで、上述したような建設機械の油圧制御装置においては、油圧アクチュエータからフィードバック信号を油圧ポンプに出力して、油圧アクチュエータの負荷圧を油圧ポンプに導き、その負荷圧との差圧を一定に保つように、油圧ポンプの吐出量を変化させるロードセンシングシステムを用いるものが公知である（例えば、特許文献１を参照）。なお、油圧ポンプの吐出量を制御する方法としては、油圧ポンプの斜板角を変化させる方法が挙げられる。

特開２００９－２８７７４４号公報

　ところで、上記の油圧制御装置には、油圧アクチュエータの負荷圧を油圧ポンプに伝達させ、油圧ポンプの斜板角を変化させる方法が用いられている。このように、フィードバック信号として油圧を用いる場合、油圧の微細な変化に対しても油圧ポンプが敏感に反応することによりハンチング現象を発生させる問題がある。また、上記のように油圧ポンプをエンジンで駆動させる場合、常にオペレータの操作によりエンジン回転数が設定されるため、各油圧アクチュエータにおいて作動油の流量があまり必要でないときにも、エンジンは常に設定された回転数で駆動するため、無駄にエネルギーが消費されるという課題があった。

　本発明は上記のような課題に鑑みてなされたものであり、電動モータにより駆動させる油圧ポンプを備えた油圧制御装置であって、油圧ポンプ等を安定稼動させるとともに、省エネルギー化を実現させた油圧制御装置を提供することを目的とする。

　上記課題を解決するため、本発明に係る油圧制御装置は、作動油を吐出する油圧ポンプと、油圧ポンプから吐出される作動油により駆動される油圧アクチュエータと、油圧アクチュエータの作動制御を行うために操作される油圧アクチュエータ操作手段（例えば、実施形態における操作装置１７）と、油圧ポンプにより吐出された作動油の吐出圧を検出する吐出圧検出手段（例えば、実施形態における吐出圧センサ３７）と、油圧アクチュエータの作動油圧を検出する作動油圧検出手段（例えば、実施形態における作動油圧センサ３８）と、油圧ポンプを駆動させる電動モータと、電動モータに電力を供給して電動モータを駆動させる電力供給手段（例えば、実施形態におけるインバータ４３）と、吐出圧検出手段により検出された油圧ポンプの吐出圧と作動油圧検出手段により検出された油圧アクチュエータの作動油圧との差分を求め、差分が一定値になるように、電力供給手段により電動モータに供給される電力の大きさを調整して油圧ポンプの吐出圧を変化させる制御を行う油圧制御手段（例えば、実施形態におけるコントローラ４０）とを備えることを特徴とする。

　また、上記油圧制御装置において、油圧ポンプの吐出圧と油圧アクチュエータの作動油圧との差分値を設定するために操作される差圧操作手段（例えば、実施形態におけるボリューム５０）を備え、油圧制御手段は、油圧ポンプの吐出圧と油圧アクチュエータの作動油圧との差分が、差圧操作手段の操作により設定された差分値になるように、電力供給手段により電動モータに供給される電力の大きさを調整して油圧ポンプの吐出圧を変化させる制御を行うことが好ましい。

　以上、本発明に係る油圧制御装置においては、電動モータにより油圧ポンプが駆動され、また、吐出圧検出手段及び作動油圧検出手段を備え、これらが油圧ポンプの吐出圧及び油圧アクチュエータの作動油圧（負荷圧）を検出する。そして、油圧制御手段が上記吐出圧と作動油圧との差分を求め、該差分が一定値になるように、電動モータに供給される電力量を自動的に変更するため、油圧アクチュエータの作動油圧が低いときには、電動モータへの電力量を小さくして吐出圧を抑えることが可能となり、無駄なエネルギー消費を抑え、省エネルギー化を実現させることができる。

　また、上記差分値を設定するために操作される差圧操作手段を備えることにより、運転者が手動で上記差分値を変更し、油圧アクチュエータの負荷圧に対する油圧ポンプの吐出圧の大きさを調節して、大きなパワーが必要なときでもスムーズに操作性が高い状態で作業を行うことができるとともに、待機時、地均し作業、或いは吊り作業等パワーが不要なときは、吐出圧の上記負荷圧に対する差分を小さくして、無駄なエネルギー消費を抑えることもできる。

本発明に係る油圧制御装置を適用させた機械の一例として示すパワーショベルの斜視図である。本発明に係る油圧制御装置を示す油圧回路及び電気回路を示すブロック図である。

　以下、図面を参照しながら本発明に係る油圧制御装置の実施形態について説明する。図１には、本発明に係る油圧制御装置を適用させた建設機械の一例としてクローラ型のパワーショベル１を示している。このパワーショベル１は、平面視略Ｈ字状の走行台車４（車体）の左右に走行機構３，３が設けられて構成される走行装置２と、走行台車４の後部に上下に揺動自在に設けられたブレード９と、走行台車４の上部に旋回可能に設けられた旋回台１１と、旋回台１１の前部に設けられたショベル機構１２と、旋回台１１の上部に立設された運転者搭乗用のオペレータキャビン１５（車体）とから構成されている。

　走行装置２を構成する左右一対の走行機構３，３は、走行台車４の左右前部に設けられた駆動用スプロケットホイール５と、走行台車４の左右後部に設けられたアイドラホイール６との間に履帯７が巻き掛けられて構成される。駆動用スプロケットホイール５は、油圧駆動式の走行モータ３６（後に詳述）により回転駆動される。ブレード９は、油圧駆動式のブレードシリンダ（不図示）の作動により揺動される。旋回台１１は、電動モータあるいは油圧モータからなる旋回モータ（不図示）により旋回動される。

　ショベル機構１２は、旋回台１１の前部に起伏動自在に枢結されたブーム２１と、ブーム２１の先端部にブーム２１の起伏面内で上下に揺動自在に枢結されたアーム２２と、アーム２２の先端に上下で揺動自在に枢結されたバケット２３と、油圧駆動式のブームシリンダ２４、アームシリンダ２５、及びバケットシリンダ２６とから構成されている。ブーム２１はブームシリンダ２４により起伏動され、アーム２２はアームシリンダ２５により上下に揺動され、バケット２３はバケットシリンダ２６により揺動される。以降の説明ではこれらのシリンダ２４～２６やブレード９のブレードシリンダを纏めて「油圧シリンダ群３５」と呼ぶ。オペレータキャビン１５は、上下前後左右が囲まれた矩形箱状に形成されており、内部に運転者が着座するためのオペレータシート１６と、走行装置２やショベル機構１２の作動操作を行うための操作装置１７とが設けられている。

　操作装置１７には、パワーショベル１の走行、掘削等の操作を行うための操作レバー（不図示）及び回転操作式のボリューム５０が設けられており、運転者は、オペレータシート１６に着座して操作レバーを操作することにより油圧シリンダ群３５及び走行モータ３６の駆動を制御してパワーショベル１を走行させたり、また、ショベル機構１２の作動を制御して掘削等の作業をさせたりすることができる。ボリューム５０は、回転操作を許可するために押圧操作可能なつまみ部５０ａ（図２参照）を備え、運転者がつまみ部５０ａを押えながらボリューム５０を回転させることにより、油圧シリンダ群３５及び走行モータ３６に必要な作動油圧と後述する油圧ポンプ３２の吐出圧との差圧を調節し、後述するパワーモードと省エネモードとの切り替えができるようになっている。

　また、パワーショベル１には、油圧シリンダ群３５及び走行モータ３６に作動油を供給し作動させる油圧制御装置３０が設けられている。本実施形態における油圧制御装置３０は、油圧シリンダ群３５及び走行モータ３６の要求に応じて必要な流量のみの作動油を吐出させるロードセンシング式と称される油圧回路を用いている。ロードセンシング式油圧回路の場合は、油圧シリンダ群３５及び走行モータ３６に付与されている作動油の最高圧（負荷圧）を油圧ポンプ３２へフィードバックし、その最高圧と油圧ポンプ３２の吐出圧との差圧が一定になるよう油圧ポンプ３２の流量及び吐出圧を制御する。また、操作を行っていないときは最小限の量（待機油量）の作動油が吐出される。

　ところで、本実施形態における油圧制御装置３０は、作動油圧をそのまま油圧ポンプ３２にフィードバックさせて油圧ポンプ３２の流量等の制御を行う方式とは異なり、作動油圧の検出値を電気信号に変換して、後述するコントローラ４０により電動モータ３３の回転数を決定して制御する方式を用いている。以下で図２を用いて油圧制御装置３０について説明する。なお、図２では、油圧回路を実線で示し、電気的または光学的信号回路を点線の矢印で示している。

　油圧制御装置３０は、タンク３１と、油圧ポンプ３２と、電動モータ３３と、コントロールバルブ３４と、上記油圧シリンダ群３５及び走行モータ３６と、吐出圧センサ３７と、作動油圧センサ３８と、コントローラ４０と、インバータ４３と、ボリューム５０とを備えて構成されている。なお、以下では、油圧シリンダ群３５及び走行モータ３６を纏めて、油圧アクチュエータ３９と称して説明する。

　タンク３１は、作動油を貯留し、油圧ポンプ３２は、所定油圧、所定流量の作動油を吐出する。油圧ポンプ３２は、固定容量型の油圧ポンプである。電動モータ３３は、油圧ポンプ３２を回転駆動させるために設けられ、電動モータ３３の回転駆動に伴い油圧ポンプ３２も回転駆動し油圧ポンプ３２から作動油が吐出される。電動モータ３３は、インバータ４３から交流電力を受けるとともに、コントローラ４０により設定された回転数で回転駆動する交流電動モータである。コントロールバルブ３４は、油圧ポンプ３２から吐出された作動油を操作装置１７の操作に応じた供給方向及び供給量で油圧アクチュエータ３９に供給させる制御を行う。吐出圧センサ３７は、油圧ポンプ３２から吐出された作動油の油路に設けられ当該吐出された作動油の油圧（吐出圧）を検出し、作動油圧センサ３８は、コントロールバルブ３４の油路に設けられ油圧アクチュエータ３９の作動油圧（負荷圧）を検出する。インバータ４３は、バッテリ（不図示）等から得られた直流電力を交流電力に変換して、変換した交流電力を電動モータ３３に供給する。コントローラ４０は、バッテリ（不図示）等から直流電力を受けて機能し、車両の走行、掘削等を統括的に制御するが、その一環としてインバータ４３による電動モータ３３への交流電力の供給量等の制御を行う。

　吐出圧センサ３７及び作動油圧センサ３８により検出された油圧は、電気信号に変換されて、コントローラ４０に出力される。こうして、コントローラ４０は油圧ポンプ３２の吐出圧及び油圧アクチュエータ３９の作動油圧を検出することが可能となっている。コントローラ４０は、検出した吐出圧及び作動油圧に基づいて、油圧ポンプ３２の吐出圧等が最適状態になるように制御信号を生成し、当該制御信号をインバータ４３に送信する。インバータ４３は、受信した制御信号に基づいて交流電力を電動モータ３３に供給する。

　また、本実施形態におけるコントローラ４０は、作動油圧センサ３８により検出された油圧アクチュエータ３９の負荷圧に基づいて、前記負荷圧と吐出圧センサ３７により検出された油圧ポンプ３２の吐出圧との差圧が常に一定値になるように、電動モータ３３の回転数を決定する。そして、コントローラ４０が決定した回転数で電動モータ３３が回転駆動するように、インバータ４３が電動モータ３３に交流電力を供給し、油圧ポンプ３２からの吐出油量が変動されて吐出圧が制御される。

　ところで、掘削等の作業を行うとき等において、操作装置１７が操作されると、油圧アクチュエータ３９に必要とする作動油を供給させるために、コントロールバルブ３４が開放作動される。これにより、油圧アクチュエータ３９の負荷圧が油圧ポンプ３２の吐出圧に近くなり差圧が小さくなるため、コントローラ４０は、電動モータ３３の回転数を大きくし、油圧ポンプ３２の吐出量を増加させる。これに対して、操作装置１７に対する操作が行われないときなど、油圧アクチュエータ３９が必要とする作動油量が小さい時は、コントロールバルブ３４は閉止作動され、油圧アクチュエータ３９の負荷圧と油圧ポンプ３２の吐出圧の値との差圧が大きくなるため、コントローラ４０は、電動モータ３３の回転数を小さくし、油圧ポンプ３２の吐出量を減少させる。

　以上のようにコントローラ４０は、油圧アクチュエータ３９の負荷圧と油圧ポンプ３２の吐出圧との差圧を一定値にするように作動するが、この差圧の値については、上述したボリューム５０を操作することにより運転者が変更できるようになっている。具体的には、上記差圧の値が大きくなるようにボリューム５０を例えば時計回りに回転させると、油圧アクチュエータ３９の負荷圧に対して油圧ポンプ３２の吐出圧が大きくなるため、より大きなパワーを出力することが可能になる（パワーモードになる）。これに対して、上記差圧の値が小さくなるようにボリューム５０を例えば反時計回りに回転させると、油圧アクチュエータ３９の負荷圧に対して油圧ポンプ３２の吐出圧が抑えられ、省エネルギー化を図ることができる（省エネモードになる）。なお、ボリューム５０の構造については、上記のような回転式に限定されず、レバー式など別の構造のものを用いてもよい。

　以上、本実施形態におけるパワーショベル１においては、ロードセンシングシステムを構成した油圧回路において、油圧ポンプ３２の吐出圧を吐出圧センサ３７により、また油圧アクチュエータ３９の負荷圧を作動油圧センサ３８によりそれぞれ検出される。そしてコントローラ４０が、上記吐出圧と上記負荷圧との差圧が常に一定になるように電動モータ３３への電力量及び電動モータ３３の回転数を制御することにより、電動モータ３３を必要最低限の回転数で回転させることが可能となる。従って、パワーショベル１の電力消費を抑え、省エネルギー化を実現させることができる。なお、コントローラ４０は、上記制御を自動的に行うため、作業休止時に回転数を低速にさせるオートデセル装置等は不要になる。

　また、吐出圧センサ３７及び作動油圧センサ３８が検出した油圧は電気信号としてコントローラ４０に出力され、コントローラ４０は上記検出結果を電気的に処理するため、油圧でフィードバック制御する場合と比較して、油圧ポンプ３２の吐出圧をスムーズに変動させることが可能となり、ハンチング等の発生を抑えるとともに、運転者の操作性を向上させることができる。

　なお、本実施形態においては、建設機械の一例として油圧制御装置３０を備えたパワーショベル１を示したが、油圧制御装置３０の適用対象としては、このパワーショベル１に限定されることはない。具体的には、高所作業車、移動式クレーン、フォークリフト、ローダ等に対しても本発明を適用することは可能である。

　　　１　　　　　　　　　パワーショベル
　　　１７　　　　　　　　操作装置（油圧アクチュエータ操作手段）
　　　３０　　　　　　　　油圧制御装置
　　　３２　　　　　　　　油圧ポンプ
　　　３３　　　　　　　　電動モータ
　　　３７　　　　　　　　吐出圧センサ（吐出圧検出手段）
　　　３８　　　　　　　　作動油圧センサ（作動油圧検出手段）
　　　３９　　　　　　　　油圧アクチュエータ
　　　４０　　　　　　　　コントローラ（油圧制御手段）
　　　４３　　　　　　　　インバータ（電力供給手段）
　　　５０　　　　　　　　ボリューム（差圧操作手段）

Claims

　作動油を吐出する油圧ポンプと、
　前記油圧ポンプを駆動させる電動モータと、
　前記油圧ポンプから吐出される作動油により駆動される油圧アクチュエータと、
　前記油圧アクチュエータの作動制御を行うために操作される油圧アクチュエータ操作手段と、
　前記油圧ポンプにより吐出された作動油の吐出圧を検出する吐出圧検出手段と、
　前記油圧アクチュエータの作動油圧を検出する作動油圧検出手段と、
　前記電動モータに電力を供給して前記電動モータを駆動させる電力供給手段と、
　前記吐出圧検出手段により検出された前記油圧ポンプの吐出圧と前記作動油圧検出手段により検出された前記油圧アクチュエータの作動油圧との差圧を求め、前記差圧が所定の設定値となるように前記電力供給手段により前記電動モータへの電力供給を制御して前記電動モータによる前記油圧ポンプの駆動制御を行うコントローラとを備えることを特徴とする油圧制御装置。
　前記設定値を可変設定するために操作される差圧操作手段を備え、前記差圧操作手段の操作により設定された設定値を示す情報が前記コントローラに送られるように構成されており、
　前記コントローラは、前記吐出圧検出手段により検出された前記油圧ポンプの吐出圧と前記作動油圧検出手段により検出された前記油圧アクチュエータの作動油圧との差圧が、前記差圧操作手段の操作により設定された設定値となるように、前記電力供給手段による前記電動モータへの電力供給を制御して前記電動モータによる前記油圧ポンプの駆動制御を行うことを特徴とする請求項１に記載の油圧制御装置。
　前記電動モータが交流電力を受けて回転する交流電動モータから構成され、
　前記電力供給手段が、直流電流を供給するバッテリと、前記バッテリの直流電流を交流電流に変換するとともに前記交流電動モータへの電力供給制御を行うインバータを備えて構成され、
　前記コントローラは、前記インバータによる電力供給制御を行わせて前記交流電動モータの回転駆動制御を行うことを特徴とする請求項１もしくは２に記載の油圧制御装置。