WO2012002439A1 - エネルギ回生用制御回路および作業機械 - Google Patents

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accumulator
energy
control
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鉄也 芳野
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キャタピラー エス エー アール エル
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Definitions

  • the present invention relates to an energy regeneration control circuit having an energy regeneration system and a work machine equipped with the control circuit.
  • Some work machines such as hydraulic excavators, recover the potential energy of the work equipment and use that energy for assisting the hydraulic source and actuator operation.
  • Such an energy regeneration system includes an accumulator 5 between the actuator (boom cylinder 1) of the working device and the main control valve 9, and switching valves 2 and 6 for switching between accumulation and discharge of the accumulator 5, and the like.
  • There are problems such as an increase in installation space and cost due to an increase in the number of parts such as piping for connecting the valves.
  • This invention is made in view of such a point, and it aims at providing the working machine provided with the control circuit for energy regeneration which can aim at the space saving of an energy recovery system, and cost reduction, and its control circuit.
  • an energy regeneration control circuit having an energy regeneration system that regenerates energy possessed by a work device, and includes a regeneration control valve block in which a plurality of valves constituting the energy regeneration system are incorporated.
  • the regeneration control valve block is an energy regeneration control circuit including a main spool in which a plurality of control characteristics related to energy regeneration are integrated.
  • the work device to which the energy regenerative control circuit according to the first aspect is applied has a boom that can be moved up and down by a boom cylinder, and the regenerative control valve block is in the raised state. It has a function of accumulating the potential energy of the boom from the boom cylinder to the accumulator when the boom is lowered and also directly discharging the accumulated fluid of the accumulator to the boom cylinder when the boom is raised.
  • the first boom cylinder and the second boom cylinder are installed in parallel, and the main spool is the first boom cylinder.
  • Inflow control characteristics that control the accumulated inflow flow from the cylinder to the accumulator, unload control characteristics that control unloading from the boom second cylinder, and switching / control of communication between the boom first cylinder and the boom second cylinder
  • a discharge flow rate control characteristic for controlling the discharge flow rate from the accumulator to the boom first cylinder and the boom second cylinder.
  • the main spool in the energy regeneration control circuit is arbitrarily controlled by a pilot pressure obtained by converting an electric signal from the controller into a pressure signal by an electromagnetic proportional valve. The stroke is controlled.
  • the invention described in claim 5 is mounted on any one of the body, the working device having a boom mounted on the body and capable of moving up and down by two boom cylinders, and the body and the working device.
  • an energy regeneration control circuit including the regeneration control valve block according to any one of claims 1 to 4, wherein the regeneration control valve block accumulates fluid collected from one boom cylinder in the accumulator when the boom is lowered.
  • the work machine is provided with a control characteristic for supplying the fluid in the accumulator to the two boom cylinders when the boom is raised.
  • the piping of the energy regeneration system can be simplified without being scattered over a wide range. Space saving and cost reduction. Furthermore, by consolidating a plurality of control characteristics necessary for energy regeneration into one main spool, the number of control actuators required for each control can be reduced.
  • the regenerative control valve block that consolidates a plurality of control characteristics into one main spool accumulates potential energy of the raised boom from the boom cylinder to the accumulator when the boom is lowered. Since the accumulator has a function of directly discharging the accumulated fluid of the accumulator to the boom cylinder when the boom is raised, the accumulated energy can be used more efficiently than when it is discharged to the pump discharge line.
  • the main spool has an inflow flow rate control characteristic for controlling the accumulated pressure inflow flow rate from the boom first cylinder to the accumulator, and an unload control characteristic for controlling the unload from the boom second cylinder.
  • the accumulated pressure inflow flow rate from one boom first cylinder to the accumulator is controlled, and in the discharge flow rate control characteristic, the two boom cylinders, that is, the boom first cylinder and the boom second cylinder from the accumulator. Since the discharge flow rate to the accumulator is controlled, when accumulating pressure in the accumulator, the potential energy due to the weight of the working device is concentrated on one boom first cylinder, so that the pressure for accumulating output from this boom first cylinder is collected. Can be stored in the accumulator by double the boom cylinder holding pressure obtained from the two boom first cylinders and the boom second cylinder, and a large boom operating pressure can be secured when the energy from the accumulator is released.
  • the main spool is arbitrarily stroke-controlled by the pilot pressure obtained by converting the electric signal from the controller into the pressure signal by the electromagnetic proportional valve, the electric signal from the controller is controlled.
  • the operation characteristics of the main spool can be freely controlled.
  • the regenerative control valve block accumulates the fluid recovered from one boom cylinder in the accumulator when the boom is lowered, and the fluid in the accumulator is stored in the two boom cylinders when the boom is raised. Since it has control characteristics to supply, when lowering or accumulating the boom, the potential energy due to the weight of the work equipment is concentrated on one boom cylinder, so that the pressure for accumulating output from this boom cylinder is 2
  • the accumulator can be accumulated twice as much as the boom cylinder holding pressure obtained from the boom cylinder, and the required operating pressure can be ensured when the boom is raised and the energy is released, or when the boom is loaded with earth and sand.
  • FIG. 1 is a circuit diagram showing an embodiment of an energy regeneration control circuit according to the present invention.
  • FIG. It is a characteristic view which shows the main spool opening characteristic of a control circuit same as the above. It is a circuit diagram which shows the state at the time of boom lowering operation of a control circuit same as the above. It is a circuit diagram which shows the state at the time of boom raising operation of a control circuit same as the above. It is a side view of the working machine provided with the control circuit same as the above. It is a circuit diagram which shows the conventional control circuit.
  • FIG. 5 shows a hydraulic excavator HE as a work machine.
  • the machine body 10 is configured such that an upper swing body 13 is provided to a lower traveling body 11 via a swing bearing portion 12 so as to be swingable by a swing motor.
  • a power device 14, a cab 15, and a front working device (hereinafter referred to as a working device) 16 for working on a bucket are mounted on the upper turning body 13 of the machine body 10.
  • a boom 17 is pivotally attached to the upper swing body 13, and an arm (stick) 18 is pivotally connected to the boom 17.
  • a bucket 19 is rotated around the arm 18.
  • the shaft is movably connected.
  • the boom 17, that is, the working device 16 is rotated in the vertical direction by the boom cylinder 17c, the arm 18 is rotated by the arm cylinder 18c, and the bucket 19 is rotated by the bucket cylinder 19c.
  • the fluid that operates each of these cylinders is oil or hydraulic oil.
  • a regeneration control valve block 20 incorporating a plurality of valves constituting an energy regeneration system that regenerates boom energy released from the boom cylinder 17c when the work device 16 is lowered is attached to the base rear surface of the boom 17, etc. .
  • FIG. 1 shows a configuration of a main hydraulic circuit that controls the power unit 14 and two boom first cylinders 17c1 and a boom second cylinder 17c2 as the boom cylinder 17c.
  • the first pump 23 and the second pump 24 are driven, and the first pump 23 and the second pump 24 are pumps whose capacity is variably controlled.
  • the main hydraulic circuit of the boom cylinder 17c is such that the discharge ports of the first pump 23 and the second pump 24 are connected to the supply ports 34 and 35 of the main control valve 33, respectively. 36 and the boom second spool 37, and an energy having an energy regeneration system for regenerating the energy of the working device 16 between the output ports 38 and 39 thereof and the boom first cylinder 17c1 and the boom second cylinder 17c2.
  • a regeneration control circuit 40 is provided.
  • the control circuit 40 includes an output port 38 of the first boom spool 36 and the second boom spool 37 in the main control valve 33, and a boom first cylinder 17c1 and a boom second cylinder installed in parallel as the boom cylinder 17c.
  • a regenerative control valve block 20 for regenerating the boom energy is provided between the control unit 17c2 and the boom energy regenerator.
  • An accumulator 41 for energy storage is connected to the accumulator connection port Acc of the regenerative control valve block 20.
  • the regenerative control valve block 20 stores and regenerates the potential energy of the raised boom 17 from the boom first cylinder 17c1 to the accumulator 41 when the boom 17 is lowered.
  • a plurality of valves constituting the regenerative system are incorporated.
  • the center of these valves is a pilot operated proportional operation main spool 43 in which a plurality of control characteristics related to energy regeneration are integrated.
  • This pilot-operated proportional-action main spool 43 receives a pilot pressure obtained by converting an electric signal (current) from a controller (not shown) into a pressure signal by an electromagnetic proportional valve at one end or the other end, and is arbitrarily Stroke control, an inflow flow rate control characteristic for controlling the accumulated pressure inflow flow rate from the boom first cylinder 17c1 to the accumulator 41, an unload control characteristic for controlling unloading from the boom second cylinder 17c2, A switching control characteristic for switching control of communication / separation between one cylinder 17c1 and a boom second cylinder 17c2, and a discharge flow rate control characteristic for controlling the discharge flow rate from the accumulator 41 to the boom first cylinder 17c1 and the boom second cylinder 17c2. is doing.
  • Pilot passages 44 and 45 respectively connected to both ends of the main spool 43 are connected to a pilot pump (not shown) via electromagnetic proportional valves 46 and 47 for adjusting the operation amount of the main spool 43, respectively.
  • the pilot pressure port Pi communicated with the drain port Dr and the drain port Dr communicated with the tank 48 are respectively connected.
  • the control valve port Cv connected to the output port 38 of the main control valve 33 is connected to one pilot type poppet type drift reduction valve 52 via a bypass check valve 51, and the other pilot type poppet via a passage 53.
  • the upper pilot pressure chambers of these drift reduction valves 52 and 54 are connected to a tank 48 via a tank port T, which is connected to a tank passage 56 via a selector valve 55. Yes.
  • the selector valve 55 When the selector valve 55 is operated from the off position to the on position by the boom lowering pilot pressure input from the port Pa, the upper pilot pressure chambers of the drift reducing valves 52 and 54 communicate with the tank passage 56 to reduce the pressure. Therefore, the poppet in the drift reduction valves 52 and 54 is pushed up by the pressure from the boom cylinder head side and rises, and the poppet lower chamber communicates with the poppet side chamber.
  • the bypass check valve 51 and the passage 53 are connected to the poppet lower chambers of the drift reduction valves 52 and 54, respectively, and the head side passages that can communicate with each other by a connecting portion 43a provided in the main spool 43. 57 and 58 are connected to each other, and the poppet side chambers of the drift reducing valves 52 and 54 are connected to the respective connection ports Cy1 of the boom first cylinder 17c1 and the boom second cylinder 17c2 via the head side passages 59 and 60. , Communicated with Cy2.
  • Line relief valves 63 and 64 are provided in the head side passages 59 and 60, respectively.
  • One of the internal passages of the main spool 43 communicates with the port Mu via the makeup check valve 68 and also communicates with the tank port T.
  • the port Mu is communicated with the rod side of the boom first cylinder 17c1 and the boom second cylinder 17c2 by an external pipe of the regeneration control valve block 20.
  • Accumulator check valves 72 and 73 having a check action in opposite directions are interposed in the accumulator passage 70 provided between the accumulator connection port Acc and the two oil passages of the main spool 43.
  • a main spool 43 that functions as a switching valve that switches between accumulation and discharge of the accumulator 41, and a plurality of components such as valves necessary for the energy regeneration system are assembled into one regeneration control valve block 20, By connecting the valves through the passage in the block main body 42 of the regeneration control valve block 20, the pipes connecting these valves are eliminated.
  • FIG. 2 shows an opening characteristic necessary for boom energy regeneration of the main spool 43 of the regeneration control valve block 20, and an inflow rate control characteristic A for controlling the accumulated pressure inflow rate from the boom first cylinder 17c1 to the accumulator 41.
  • An unload control characteristic B for controlling unloading from the boom second cylinder 17c2 to the tank 48, and a switching control characteristic C for switching control of communication / separation of the connecting portion between the boom first cylinder 17c1 and the boom second cylinder 17c2.
  • the discharge flow rate control characteristic D for controlling the discharge flow rate from the accumulator 41 to the boom first cylinder 17c1 and the boom second cylinder 17c2 is collected in one main spool 43.
  • the right side of the switching control characteristic C indicates that the connecting portion between the boom first cylinder 17c1 and the boom second cylinder 17c2 is fully open, and the left side of the switching control characteristic C is the boom first cylinder 17c1 and the boom second cylinder 17c2. It shows that the connecting part of is gradually closed to prevent impact.
  • the electromagnetic proportional valves 46 and 47 are connected to a controller (not shown) and controlled by a control signal from the controller.
  • the main spool 43 in the regenerative control valve block 20 allows passage from the head side passage 57 of the boom first cylinder 17c1 to the accumulator connection port Acc and from the accumulator connection port Acc to the boom first cylinder 17c1 and the boom second cylinder 17c2.
  • the passages to the head side passages 57 and 58 are closed, and the oil passage to the accumulator 41 is blocked.
  • the main spool 43 in the regenerative control valve block 20 moves in the boom lowering direction (to the right in FIG. 3) (this switches to the left chamber), the connecting portion 43a gradually closes, and the boom first cylinder 17c1
  • the oil passage from the head side passage 57 to the accumulator passage 70 gradually opens, and at the same time, the oil passage from the head side passage 58 of the boom second cylinder 17c2 to the tank port T and the port Mu gradually opens.
  • the head side oil of the boom first cylinder 17c1 is supplied to the head side passage 59, the drift reduction valve 52, the head side passage 57, the passage in the main spool 43, the accumulator check valve 73, and the accumulator connection port Acc in the regeneration control valve block 20. And flow to the accumulator 41.
  • the oil on the head side of the boom first cylinder 17c1 is accumulated in the accumulator 41 by the dead weight of the working device 16 and the pushing pressure of the first pump 23.
  • the head side oil of the boom second cylinder 17c2 passes through the head side passage 60, the drift reduction valve 54, the passage 53, the head side passage 58, and the passage in the main spool 43 in the regeneration control valve block 20, and the regeneration control valve. It flows to the tank port T and the port Mu of the block 20.
  • the boom 17 is lowered while accumulating the potential energy of the working device 16 in the raised state and the discharge pressure energy from the first pump 23 in the accumulator 41.
  • the connecting portion 43a is gradually closed to switch the communication between the boom first cylinder 17c1 and the boom second cylinder 17c2 to the separated state.
  • the potential energy of the work device 16 is transferred to one boom first cylinder 17c1.
  • the pressure for accumulating output from the boom first cylinder 17c1 is doubled the boom cylinder holding pressure obtained from the boom first cylinder 17c1 and the boom second cylinder 17c2, and the accumulator 41 is used. In order to generate the required operating pressure when the boom is raised or the energy is released.
  • the main spool 43 in the regenerative control valve block 20 moves in the boom raising direction (to the left in FIG. 4) (this switches to the right chamber), the connecting portion 43a communicates with the opening, and the accumulator connection port Acc is connected to the accumulator.
  • the oil passage communicating with the head-side passages 57 and 58 through the passage 70, the accumulator check valve 72, and the internal passage of the main spool 43 gradually opens.
  • the oil accumulated in the accumulator 41 is supplied from the first pump 23 and the second pump 24 through the accumulator connection port Acc, the accumulator passage 70, the accumulator check valve 72, the internal passage of the main spool 43, and the head side passages 57 and 58. It merges with the discharged oil and flows to the head side of the boom first cylinder 17c1 and the boom second cylinder 17c2 via the drift reduction valves 52 and 54 and the head side passages 59 and 60.
  • control actuators such as electromagnetic control valves
  • the regenerative control valve block 20 since the plurality of valves are integrated by the regenerative control valve block 20 in which a plurality of control characteristics A, B, C, and D are integrated into one main spool 43, the main of the regenerative control valve block 20 is integrated. As shown in FIG. 5, the regenerative control valve block 20 can be assembled to the back of the base portion of the boom 17 as shown in FIG. Since it can be installed compactly in other places that are easy to manage, maintenance is also improved.
  • Another advantage is that the standard system can be used in common by adding the regenerative control valve block 20 to the standard system, and switching from the normal control to the energy regenerative control by simply switching the main spool 43.
  • the surface and reliability can be improved, and the fail-safety against failure etc. can be improved.
  • the regenerative control valve block 20 in which a plurality of control characteristics A, B, C, and D are integrated into one main spool 43 is as shown in FIG.
  • the boom accumulator 41 has a function of directly releasing the accumulated oil of the accumulator 41 to the boom first cylinder 17c1 and the boom second cylinder 17c2 as shown in FIG.
  • the accumulated pressure energy can be used more efficiently than the case of discharging to the pump discharge line as in the conventional example shown in FIG.
  • one main spool 43 controls the inflow flow rate control characteristic A for controlling the accumulated inflow flow rate from the boom first cylinder 17c1 to the accumulator 41 according to the displacement direction and stroke of the main spool 43, and the boom second cylinder 17c2.
  • Unload control characteristic B for controlling the unloading of the main spool 43 in accordance with the displacement direction and stroke of the main spool 43, and the communication / separation of the connecting portion 43a of the boom first cylinder 17c1 and the boom second cylinder 17c2 And a switching control characteristic C for switching control according to the stroke, and a discharge flow rate control characteristic D for controlling the discharge flow rate from the accumulator 41 to the boom first cylinder 17c1 and the boom second cylinder 17c2 according to the displacement direction and stroke of the main spool 43.
  • the inflow flow rate control characteristic A of the regenerative control valve block 20 controls the accumulated inflow flow rate from one boom first cylinder 17c1 to the accumulator 41 when the boom is lowered, and the discharge flow rate control characteristic D is from the accumulator 41. Since the discharge flow rate to the two boom cylinders, the first boom cylinder 17c1 and the second boom cylinder 17c2, is controlled, the potential energy due to the weight of the work device 16 is reduced by one when accumulating the accumulator 41 when the boom is lowered. By concentrating on the boom first cylinder 17c1, the pressure for accumulating output from the boom first cylinder 17c1 is 2 of the boom cylinder holding pressure obtained from the two boom first cylinders 17c1 and the boom second cylinder 17c2.
  • Double the accumulated pressure in the accumulator 41, and the accumulated oil in this accumulator 41 is supplied to the two boom cylinders when the boom is raised.
  • it can be secured boom hydraulic pressure required in such as during up in sediment loading work.
  • the connecting portion 43a of the main spool 43 that connects the head side of the boom first cylinder 17c1 and the boom second cylinder 17c2 is gradually closed from the fully opened state, the heads of both cylinders Modulation of the side connection switching can be achieved, and the operability can be improved by preventing an impact caused by a sudden change in the boom operation.
  • the main spool 43 is arbitrarily stroke-controlled by the pilot pressure obtained by converting the electric signal (current) from the controller (not shown) into the pressure signal by the electromagnetic proportional valves 46 and 47 for adjusting the operation amount. By controlling the electric signal, the operation characteristics of the main spool 43 can be freely controlled.
  • the solenoid spool valves 46 and 47 control the main spool 43 to have an optimal stroke according to the accumulated pressure state of the accumulator 41 and the amount of boom lever operation for operating the boom 17 according to the signal output from the controller. By doing so, maximum energy regeneration and optimum operability can be obtained.
  • control circuit for energy regeneration of the present invention can also be applied to crane boom control.
  • the present invention can be used in an industry for manufacturing and selling an energy regeneration control circuit having an energy regeneration system that regenerates energy possessed by a work device, and a work machine such as a hydraulic excavator and a crane equipped with the control circuit. .

Abstract

　エネルギ回収システムの省スペース化とコスト低減を図れるエネルギ回生用制御回路を提供する。エネルギ回生用制御回路40は、メインコントロール弁33の出力ポート38と、並列に設置したブーム第１シリンダ17c1およびブーム第２シリンダ17c2との間に、ブームエネルギ回生用の回生制御用弁ブロック20を設置する。回生制御用弁ブロック20は、ブロック本体42の内部に、エネルギ回生に係わる複数の制御特性を集約したメインスプール43などの複数の弁を組み込み、上昇状態のブームが有する位置エネルギをブーム下降時にブーム第１シリンダ17c1からアキュムレータ41に蓄圧するとともに、ブーム上昇時にアキュムレータ41の蓄圧油をブーム第１シリンダ17c1およびブーム第２シリンダ17c2に直接放出する機能を備えている。

Description

エネルギ回生用制御回路および作業機械
　本発明は、エネルギ回生システムを有するエネルギ回生用制御回路およびその制御回路を備えた作業機械に関する。
　油圧ショベルなどの作業機械において、作業装置の持つ位置エネルギを回収し、そのエネルギを油圧源やアクチュエータ動作のアシストに使用しているものがある。
　例えば、作業装置をブームシリンダにより上下動する場合、上げたブームを下げる際には、ブームシリンダのヘッド側の油はブームの位置エネルギにより高圧に押し出される。この高圧になった油は、回路中の絞りによって熱になったり、そのままタンクへ戻されたりすると無駄になるので、図６に示されるように、ブームシリンダ１のヘッド側で高圧になった油を、電磁式切換弁２、ポペット弁３およびチェック弁４を経てアキュムレータ５に蓄圧し、また、ブームシリンダ１などのアクチュエータを動かす際に、このアキュムレータ５からパイロット式切換弁６およびチェック弁７を経て、メインポンプ８からメインコントロール弁９に作動油を供給する吐出ラインにアキュムレータ蓄圧油を放出することで、ブームの位置エネルギを有効活用するようにしたエネルギ回生システムや、これに類似するエネルギ回生システムが提案されている（例えば、特許文献１、２参照）。
特開平５－１６３７４５号公報 特開２００８－１２１８９３号公報
　このようなエネルギ回生システムは、作業装置のアクチュエータ（ブームシリンダ１）とメインコントロール弁９との間に、アキュムレータ５と、このアキュムレータ５の蓄圧と放出とを切り換える切換弁２，６などと、それらの弁類を接続する配管などの部品が多くなり、設置スペースとコストが増加する問題がある。
　特に、省エネ化のためにエネルギロスをなくす必要があり、エネルギ回生システムの設置が望まれるものの、ハイブリッド化のための電気モジュールの設置などにより機体上の設置スペースは狭くなり、電気モジュールとエネルギ回生システムとの両立が困難であることから、エネルギ回生システムの設置が容易でない。
　本発明は、このような点に鑑みなされたもので、エネルギ回収システムの省スペース化とコスト低減を図れるエネルギ回生用制御回路およびその制御回路を備えた作業機械を提供することを目的とする。
　請求項１に記載された発明は、作業装置が有するエネルギを回生するエネルギ回生システムを有するエネルギ回生用制御回路において、エネルギ回生システムを構成する複数の弁が組み込まれた回生制御用弁ブロックを備え、この回生制御用弁ブロックは、エネルギ回生に係わる複数の制御特性が集約されたメインスプールを具備したエネルギ回生用制御回路である。
　請求項２に記載された発明は、請求項１記載のエネルギ回生用制御回路が適用される作業装置は、ブームシリンダにより上下動可能なブームを有し、回生制御用弁ブロックは、上昇状態のブームが有する位置エネルギをブーム下降時にブームシリンダからアキュムレータに蓄圧するとともに、ブーム上昇時にアキュムレータの蓄圧流体をブームシリンダに直接放出する機能を備えたものである。
　請求項３に記載された発明は、請求項２記載のエネルギ回生用制御回路が適用されるブームシリンダは、ブーム第１シリンダおよびブーム第２シリンダが並列に設置され、メインスプールは、ブーム第１シリンダからアキュムレータへの蓄圧流入流量を制御する流入流量制御特性と、ブーム第２シリンダからのアンロードを制御するアンロード制御特性と、ブーム第１シリンダとブーム第２シリンダの連通・分離を切換制御する切換制御特性と、アキュムレータからブーム第１シリンダおよびブーム第２シリンダへの放出流量を制御する放出流量制御特性とを具備したものである。
　請求項４に記載された発明は、請求項１乃至３のいずれか記載のエネルギ回生用制御回路におけるメインスプールが、コントローラからの電気信号を電磁比例弁により圧力信号に変換したパイロット圧により任意にストローク制御されるものである。
　請求項５に記載された発明は、機体と、この機体に搭載され２本のブームシリンダにより上下動可能なブームを有する作業装置と、機体および作業装置のいずれか一方に搭載された請求項１乃至４のいずれか記載の回生制御用弁ブロックを備えたエネルギ回生用制御回路とを具備し、回生制御用弁ブロックは、ブーム下げ時に１本のブームシリンダから回収された流体をアキュムレータに蓄圧し、ブーム上げ時にアキュムレータ内の流体を２本のブームシリンダに供給する制御特性を備えた作業機械である。
　請求項１記載の発明によれば、エネルギ回生システムの構成部品を１つの回生制御用弁ブロックに組み込んでまとめたことにより、エネルギ回生システムの構成部品を広範囲に点在させることなく簡素な配管取り回しをすることができ、省スペース化とコスト低減を図れる。さらに、エネルギの回生に必要な複数の制御特性を１本のメインスプールに集約したことによって、それぞれの制御で必要としていた制御アクチュエータの数を削減できる。
　請求項２記載の発明によれば、複数の制御特性を１本のメインスプールに集約した回生制御用弁ブロックによって、上昇状態のブームが有する位置エネルギをブーム下降時にブームシリンダからアキュムレータに蓄圧するとともに、ブーム上昇時にアキュムレータの蓄圧流体をブームシリンダに直接放出する機能を備えたので、ポンプ吐出ラインに放出する場合より、蓄圧エネルギを効率良く利用できる。
　請求項３記載の発明によれば、メインスプールが、ブーム第１シリンダからアキュムレータへの蓄圧流入流量を制御する流入流量制御特性と、ブーム第２シリンダからのアンロードを制御するアンロード制御特性と、ブーム第１シリンダとブーム第２シリンダの連結部の連通・分離を切換制御する切換制御特性と、アキュムレータからブーム第１シリンダおよびブーム第２シリンダへの放出流量を制御する放出流量制御特性とを具備しているので、１本のメインスプールにより、アキュムレータへの蓄圧やアキュムレータからの放出を切換制御できるとともに、アキュムレータへの蓄圧流入量やアキュムレータからの放出流量を効率良く制御できる。特に、流入流量制御特性では、１本のブーム第１シリンダからアキュムレータへの蓄圧流入流量を制御するとともに、放出流量制御特性では、アキュムレータからブーム第１シリンダおよびブーム第２シリンダの２本のブームシリンダへの放出流量を制御するので、アキュムレータへの蓄圧時は、作業装置の自重による位置エネルギを１本のブーム第１シリンダに集中させることで、このブーム第１シリンダから出力される蓄圧用の圧力を、２本のブーム第１シリンダおよびブーム第２シリンダから得られるブームシリンダ保持圧の２倍にしてアキュムレータに蓄圧でき、アキュムレータからのエネルギ開放時に大きなブーム作動圧を確保できる。
　請求項４記載の発明によれば、メインスプールは、コントローラからの電気信号を電磁比例弁により圧力信号に変換したパイロット圧により任意にストローク制御されるので、コントローラからの電気信号を制御することで、メインスプールの動作特性を自在に制御できる。
　請求項５記載の発明によれば、回生制御用弁ブロックは、ブーム下げ時に１本のブームシリンダから回収された流体をアキュムレータに蓄圧し、ブーム上げ時にアキュムレータ内の流体を２本のブームシリンダに供給する制御特性を備えたので、ブーム下げ・蓄圧時は、作業装置の自重による位置エネルギを１本のブームシリンダに集中させることで、このブームシリンダから出力される蓄圧用の圧力を、２本のブームシリンダから得られるブームシリンダ保持圧の２倍にしてアキュムレータに蓄圧でき、ブーム上げ・エネルギ開放時に、土砂積み込みのブーム上げ時などで必要な作動圧を確保できる。
本発明に係るエネルギ回生用制御回路の一実施の形態を示す回路図である。 同上制御回路のメインスプール開口特性を示す特性図である。 同上制御回路のブーム下げ操作時の状態を示す回路図である。 同上制御回路のブーム上げ操作時の状態を示す回路図である。 同上制御回路を備えた作業機械の側面図である。 従来の制御回路を示す回路図である。
　以下、本発明を、図１乃至図５に示された一実施の形態に基いて詳細に説明する。
　図５は、作業機械としての油圧ショベルHEを示し、その機体10は、下部走行体11に対して旋回軸受部12を介して上部旋回体13が旋回モータにより旋回可能に設けられて構成されている。この機体10の上部旋回体13に動力装置14、キャブ15およびバケット作業用のフロント作業装置（以下、作業装置という）16が搭載されている。この作業装置16は、上部旋回体13にブーム17が上下方向回動自在に枢着され、このブーム17にアーム（スティック）18が回動自在に軸連結され、このアーム18にバケット19が回動自在に軸連結されている。そして、ブーム17すなわち作業装置16はブームシリンダ17cにより上下方向に回動され、アーム18はアームシリンダ18cにより回動され、バケット19はバケットシリンダ19cにより回動される。これらの各シリンダを作動する流体は油すなわち作動油である。
　ブームシリンダ17cから作業装置16の下降時に放出されるブームエネルギを回生するエネルギ回生システムを構成する複数の弁が組み込まれた回生制御用弁ブロック20が、ブーム17の根元背面などに取り付けられている。
　図１は、前記動力装置14と、上記ブームシリンダ17cとしての２本のブーム第１シリンダ17c1およびブーム第２シリンダ17c2を制御するメイン油圧回路の構成を示し、動力装置14は、エンジン21により第１ポンプ23および第２ポンプ24を駆動するようにしたもので、これらの第１ポンプ23および第２ポンプ24は、容量を可変制御されるポンプである。
　ブームシリンダ17cのメイン油圧回路は、第１ポンプ23および第２ポンプ24の吐出口が、メインコントロール弁33の供給ポート34，35にそれぞれ接続され、このメインコントロール弁33は、ブーム用第１スプール36およびブーム用第２スプール37を備え、その出力ポート38，39と、ブーム第１シリンダ17c1およびブーム第２シリンダ17c2との間に、作業装置16が有するエネルギを回生するエネルギ回生システムを有するエネルギ回生用制御回路40が設けられている。
　この制御回路40は、メインコントロール弁33中のブーム用第１スプール36およびブーム用第２スプール37の出力ポート38と、ブームシリンダ17cとして並列に設置されたブーム第１シリンダ17c1およびブーム第２シリンダ17c2との間に設置された前記ブームエネルギ回生用の回生制御用弁ブロック20を備えている。
　回生制御用弁ブロック20のアキュムレータ接続ポートAccにはエネルギ蓄積用のアキュムレータ41が接続されている。
　この回生制御用弁ブロック20は、上昇状態のブーム17が有する位置エネルギをブーム17の下降時にブーム第１シリンダ17c1からアキュムレータ41に蓄圧して回生するものであり、ブロック本体42の内部に、エネルギ回生システムを構成する複数の弁が組み込まれている。これらの弁の中心となるものが、エネルギ回生に係わる複数の制御特性が集約されたパイロット操作式比例動作形のメインスプール43である。
　このパイロット操作式比例動作形のメインスプール43は、コントローラ（図示せず）からの電気信号（電流）を電磁比例弁により圧力信号に変換したパイロット圧を、その一端または他端に受けて、任意にストローク制御されるもので、ブーム第１シリンダ17c1からアキュムレータ41への蓄圧流入流量を制御する流入流量制御特性と、ブーム第２シリンダ17c2からのアンロードを制御するアンロード制御特性と、ブーム第１シリンダ17c1とブーム第２シリンダ17c2の連通・分離を切換制御する切換制御特性と、アキュムレータ41からブーム第１シリンダ17c1およびブーム第２シリンダ17c2への放出流量を制御する放出流量制御特性とを具備している。
　メインスプール43の両端にそれぞれ接続されたパイロット通路44，45は、メインスプール43の操作量をそれぞれ調整する操作量調整用の電磁比例弁46，47を介して、パイロットポンプ（図示せず）に連通されたパイロット圧ポートPiと、タンク48に連通されたドレンポートDrとに、それぞれ接続されている。
　これらの電磁比例弁46，47は、アキュムレータ41の蓄圧圧力状態と、ブーム17を操作するためのブームレバー操作量により、コントローラから出力される信号によりメインスプール43を最適なストロークになるように制御し、最大のエネルギ回生と最適な操作性を得られるようにしている。
　メインコントロール弁33の出力ポート38に接続されたコントロール弁ポートCvは、バイパスチェック弁51を介して一方のパイロット式ポペット形のドリフト低減弁52に接続され、また通路53を経て他方のパイロット式ポペット形のドリフト低減弁54に接続され、これらのドリフト低減弁52，54の上部パイロット圧室は、セレクタ弁55を介してタンク通路56に接続された、タンクポートＴを経てタンク48に接続されている。
　そして、このセレクタ弁55を、ポートPaから入力されたブーム下げパイロット圧により、オフ位置からオン位置に操作すると、ドリフト低減弁52，54の上部パイロット圧室がタンク通路56に連通して圧力低下するので、ドリフト低減弁52，54内のポペットは、ブームシリンダヘッド側からの圧力により押し上げられて上昇し、ポペット下室がポペット側室に連通する。
　これらのドリフト低減弁52，54のそれぞれのポペット下室には、前記バイパスチェック弁51および前記通路53が接続されているとともに、メインスプール43に設けられた連結部43aにより連通可能なヘッド側通路57，58がそれぞれ接続され、また、これらのドリフト低減弁52，54のそれぞれのポペット側室は、ヘッド側通路59，60を経てブーム第１シリンダ17c1およびブーム第２シリンダ17c2のそれぞれの接続ポートCy1，Cy2に連通されている。これらのヘッド側通路59，60には、ラインリリーフ弁63，64がそれぞれ設けられている。
　メインスプール43の内部通路の１つは、メイクアップチェック弁68を介してポートMuに連通されているとともに、タンクポートＴに連通されている。ポートMuは、回生制御用弁ブロック20の外部配管により、ブーム第１シリンダ17c1およびブーム第２シリンダ17c2のロッド側に連通されている。
　アキュムレータ接続ポートAccとメインスプール43の２つの油通路との間に設けられた、アキュムレータ通路70には、相互に逆方向の逆止作用を有するアキュムレータチェック弁72，73が介在されている。
　このように、アキュムレータ41の蓄圧と放出を切り換える切換弁として機能するメインスプール43と、エネルギ回生システムに必要な弁類などの複数の構成部品を１つの回生制御用弁ブロック20に組み込んでまとめ、この回生制御用弁ブロック20のブロック本体42内の通路で各弁類をつなぐことにより、これらの各弁類をつなぐ配管を排除する。
　図２は、回生制御用弁ブロック20のメインスプール43が有するブームエネルギの回生に必要な開口特性を示し、ブーム第１シリンダ17c1からアキュムレータ41への蓄圧流入流量を制御する流入流量制御特性Ａと、ブーム第２シリンダ17c2からタンク48へのアンロードを制御するアンロード制御特性Ｂと、ブーム第１シリンダ17c1とブーム第２シリンダ17c2の連結部の連通・分離を切換制御する切換制御特性Ｃと、アキュムレータ41からブーム第１シリンダ17c1およびブーム第２シリンダ17c2への放出流量を制御する放出流量制御特性Ｄとを、１本のメインスプール43に集約する。
　切換制御特性Ｃの右側は、ブーム第１シリンダ17c1とブーム第２シリンダ17c2の連結部が全開状態であることを示し、切換制御特性Ｃの左側は、ブーム第１シリンダ17c1とブーム第２シリンダ17c2の連結部が衝撃防止のために徐々に閉じられることを示す。
　電磁比例弁46，47は、コントローラ（図示せず）に接続されて、このコントローラからの制御信号により制御される。
　次に、この図１および図２に示された制御回路の作用を図１乃至図４に基づき説明する。なお、以下の作動説明は、ブーム17が単動操作される場合である。
(i)中立時（図１）
　ブーム第１シリンダ17c1およびブーム第２シリンダ17c2のヘッド側の保持圧は、回生制御用弁ブロック20内のドリフト低減弁52，54により保持されている。
　回生制御用弁ブロック20内のメインスプール43に設けられた連結部43aによりブーム第１シリンダ17c1のヘッド側通路57とブーム第２シリンダ17c2のヘッド側通路58とが連通している。
　回生制御用弁ブロック20内のメインスプール43により、ブーム第１シリンダ17c1のヘッド側通路57からアキュムレータ接続ポートAccへの通路およびアキュムレータ接続ポートAccからブーム第１シリンダ17c1およびブーム第２シリンダ17c2へのヘッド側通路57，58への通路は閉じており、アキュムレータ41への油路は遮断されている。
(ii)ブーム下げ・蓄圧時（図３）
　ブーム操作レバーが下げ方向に操作されると、回生制御用弁ブロック20内のドリフト低減弁52，54が、ポートPaから入力されたブーム下げパイロット圧により圧抜き位置に切り換わったセレクタ弁55を経て機能解除されるとともに、メインコントロール弁33内のブーム用第１スプール36が下げ方向に切り換わり、第１ポンプ23の吐出油がブーム第１シリンダ17c1およびブーム第２シリンダ17c2のロッド側に供給される。
　回生制御用弁ブロック20内のメインスプール43がブーム下げ方向(図３の右方)へ移動し（これにより左室に切り換わり）、連結部43aが徐々に閉止するとともに、ブーム第１シリンダ17c1のヘッド側通路57からアキュムレータ通路70への油路が徐々に開き、同時に、ブーム第２シリンダ17c2のヘッド側通路58からタンクポートＴおよびポートMuへの油路が徐々に開く。
　ブーム第１シリンダ17c1のヘッド側油は、回生制御用弁ブロック20内のヘッド側通路59、ドリフト低減弁52、ヘッド側通路57、メインスプール43内の通路、アキュムレータチェック弁73、アキュムレータ接続ポートAccを通り、アキュムレータ41に流れる。
　要するに、作業装置16の自重および第１ポンプ23の押込み圧により、ブーム第１シリンダ17c1のヘッド側の油はアキュムレータ41に蓄圧される。
　ブーム第２シリンダ17c2のヘッド側油は、回生制御用弁ブロック20内のヘッド側通路60、ドリフト低減弁54、通路53、ヘッド側通路58、メインスプール43内の通路を通り、回生制御用弁ブロック20のタンクポートＴおよびポートMuに流れる。
　すなわち、ブーム第２シリンダ17c2のヘッド側から流出した油の一部は、タンクポートＴにアンロード制御されてタンク48に戻され、また、ブーム第２シリンダ17c2のヘッド側から流出した油の残り量は、ポートMuからブーム第１シリンダ17c1およびブーム第２シリンダ17c2のロッド側に回生される。
　上記動作により、上昇状態にある作業装置16の位置エネルギと第１ポンプ23からの吐出圧エネルギとをアキュムレータ41に蓄圧しながら、ブーム17が下がる。
　ここで、連結部43aを徐々に閉止して、ブーム第１シリンダ17c1とブーム第２シリンダ17c2の連通を分離状態に切り換えるのは、作業装置16の位置エネルギを１本のブーム第１シリンダ17c1に集中させることで、このブーム第１シリンダ17c1から出力される蓄圧用の圧力を、ブーム第１シリンダ17c1およびブーム第２シリンダ17c2の２本から得られるブームシリンダ保持圧の２倍にして、アキュムレータ41に蓄圧し、次の土砂積み込みのブーム上げ・エネルギ開放時などで必要な作動圧を発生させるためである。
(iii)ブーム上げ・エネルギ開放時（図４）
　メインコントロール弁33内のブーム用第１スプール36およびブーム用第２スプール37が上げ方向に切り換わり、第１ポンプ23および第２ポンプ24の吐出油が、回生制御用弁ブロック20内のバイパスチェック弁51および通路53、ドリフト低減弁52，54、ヘッド側通路59，60を経て、ブーム第１シリンダ17c1およびブーム第２シリンダ17c2のヘッド側に供給される。
　回生制御用弁ブロック20内のメインスプール43がブーム上げ方向(図４の左方)へ移動し（これにより右室に切り換わり）、連結部43aが開口連通するとともに、アキュムレータ接続ポートAccからアキュムレータ通路70、アキュムレータチェック弁72、メインスプール43の内部通路を経てヘッド側通路57，58に連通する油路が徐々に開く。
　アキュムレータ41に蓄圧された油は、アキュムレータ接続ポートAccからアキュムレータ通路70、アキュムレータチェック弁72、メインスプール43の内部通路、ヘッド側通路57，58を経て、第１ポンプ23および第２ポンプ24からの吐出油と合流し、ドリフト低減弁52，54、ヘッド側通路59，60を経てブーム第１シリンダ17c1およびブーム第２シリンダ17c2のヘッド側に流れる。
　上記動作により、ブーム下げ・蓄圧時にブームシリンダ保持圧の２倍の圧でアキュムレータ41に蓄圧されたエネルギは、ブーム17の持ち上げ動力として効果的に用いられる。
　次に、図１乃至図４に示された制御回路の効果を説明する。
　エネルギ回生システムに必要な弁類などの構成部品を１つの回生制御用弁ブロック20に組み込んでまとめたことにより、エネルギ回生システムの構成部品を広範囲に点在させることなく簡素な配管取り回しをすることができ、省スペース化とコスト低減を図れる。
　さらに、ブームエネルギの回生に必要な複数の弁制御を１本のメインスプール43に集約したことによって、それぞれの制御で必要としていた制御アクチュエータ（電磁制御弁など）の数を削減できる。
　また、複数の制御特性Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄを１本のメインスプール43に集約した回生制御用弁ブロック20によって複数の弁類を一体化したことにより、この回生制御用弁ブロック20のメインコントロール弁33への組付け（内蔵も可能）や、図５に示されるようにブーム17の根元部分の背面への回生制御用弁ブロック20の組付けなどが可能となり、さらに、上部旋回体13上の管理し易い他の場所へもコンパクトに設置できるので、メンテナンス性も向上する。
　他の利点としては、回生制御用弁ブロック20を標準システムに追加し、そのメインスプール43を切り換えるだけで通常制御からエネルギ回生制御に切り換わるようにすることにより、標準システムを共通使用でき、コスト面および信頼性を向上できるとともに、故障などに対するフェイルセーフ性を高めることができる。
　また、複数の制御特性Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄを１本のメインスプール43に集約した回生制御用弁ブロック20は、上昇状態のブーム17が有する位置エネルギをブーム下降時に図３に示されるようにブーム第１シリンダ17c1からアキュムレータ41に蓄圧するとともに、ブーム上昇時に図４に示されるようにアキュムレータ41の蓄圧油をブーム第１シリンダ17c1およびブーム第２シリンダ17c2に直接放出する機能を備えたので、図６に示される従来例のようにポンプ吐出ラインに放出する場合より、蓄圧エネルギを効率良く利用できる。
　すなわち、１本のメインスプール43が、ブーム第１シリンダ17c1からアキュムレータ41への蓄圧流入流量をメインスプール43の変位方向およびストロークに応じて制御する流入流量制御特性Ａと、ブーム第２シリンダ17c2からのアンロードをメインスプール43の変位方向およびストロークに応じて制御するアンロード制御特性Ｂと、ブーム第１シリンダ17c1とブーム第２シリンダ17c2の連結部43aの連通・分離をメインスプール43の変位方向およびストロークにより切換制御する切換制御特性Ｃと、アキュムレータ41からブーム第１シリンダ17c1およびブーム第２シリンダ17c2への放出流量をメインスプール43の変位方向およびストロークに応じて制御する放出流量制御特性Ｄとを具備しているので、１本のメインスプール43により、アキュムレータ41への蓄圧やアキュムレータ41からの放出を切換制御できるとともに、アキュムレータ41への蓄圧流入量やアキュムレータ41からの放出流量を効率良く制御できる。
　特に、回生制御用弁ブロック20の流入流量制御特性Ａでは、ブーム下げ時に１本のブーム第１シリンダ17c1からアキュムレータ41への蓄圧流入流量を制御するとともに、放出流量制御特性Ｄでは、アキュムレータ41からブーム第１シリンダ17c1およびブーム第２シリンダ17c2の２本のブームシリンダへの放出流量を制御するので、ブーム下げ時のアキュムレータ41への蓄圧時は、作業装置16の自重による位置エネルギを１本のブーム第１シリンダ17c1に集中させることで、このブーム第１シリンダ17c1から出力される蓄圧用の圧力を、２本のブーム第１シリンダ17c1およびブーム第２シリンダ17c2から得られるブームシリンダ保持圧の２倍にしてアキュムレータ41に蓄圧でき、このアキュムレータ41内の蓄圧油をブーム上げ時の２本のブームシリンダに供給するエネルギ開放時に大きなブーム作動圧を確保でき、土砂積み込み作業でのブーム上げ時などで必要な作動圧を確保できる。
　切換制御特性Ｃの左側に示されるように、ブーム第１シリンダ17c1とブーム第２シリンダ17c2のヘッド側を連結するメインスプール43の連結部43aが全開状態から徐々に閉じられるため、両シリンダのヘッド側接続切換のモジュレーション化を図れ、ブーム動作の急変による衝撃を防止して操作性を改善できる。
　メインスプール43は、コントローラ（図示せず）からの電気信号（電流）を操作量調整用の電磁比例弁46，47により圧力信号に変換したパイロット圧により任意にストローク制御されるので、コントローラからの電気信号を制御することで、メインスプール43の動作特性を自在に制御できる。
　例えば、電磁比例弁46，47によって、アキュムレータ41の蓄圧圧力状態と、ブーム17を操作するためのブームレバー操作量により、コントローラから出力される信号によりメインスプール43を最適なストロークになるように制御することで、最大のエネルギ回生と最適な操作性が得られる。
　本発明のエネルギ回生用制御回路は、クレーンのブーム制御にも適用できる。
　本発明は、作業装置が有するエネルギを回生するエネルギ回生システムを有するエネルギ回生用制御回路およびその制御回路を搭載した油圧ショベルやクレーンなどの作業機械を製造、販売などする産業において、利用可能である。
　HE　　作業機械としての油圧ショベル
　10　　機体
　16　　作業装置
　17　　ブーム
　17c 　ブームシリンダ
　17c1　ブームシリンダとしてのブーム第１シリンダ
　17c2　ブームシリンダとしてのブーム第２シリンダ
　20　　回生制御用弁ブロック
　40　　エネルギ回生用制御回路
　41　　アキュムレータ
　43　　メインスプール
　46，47　　電磁比例弁
　Ａ　　流入流量制御特性
　Ｂ　　アンロード制御特性
　Ｃ　　切換制御特性
　Ｄ　　放出流量制御特性

Claims (5)

  1. 　作業装置が有するエネルギを回生するエネルギ回生システムを有するエネルギ回生用制御回路において、
    　エネルギ回生システムを構成する複数の弁が組み込まれた回生制御用弁ブロックを備え、
    　この回生制御用弁ブロックは、エネルギ回生に係わる複数の制御特性が集約されたメインスプールを具備した
    　ことを特徴とするエネルギ回生用制御回路。
  2. 　作業装置は、ブームシリンダにより上下動可能なブームを有し、
    　回生制御用弁ブロックは、上昇状態のブームが有する位置エネルギをブーム下降時にブームシリンダからアキュムレータに蓄圧するとともに、ブーム上昇時にアキュムレータの蓄圧流体をブームシリンダに直接放出する機能を備えた
    　ことを特徴とする請求項１記載のエネルギ回生用制御回路。
  3. 　ブームシリンダは、ブーム第１シリンダおよびブーム第２シリンダが並列に設置され、
    　メインスプールは、
    　ブーム第１シリンダからアキュムレータへの蓄圧流入流量を制御する流入流量制御特性と、
    　ブーム第２シリンダからのアンロードを制御するアンロード制御特性と、
    　ブーム第１シリンダとブーム第２シリンダの連通・分離を切換制御する切換制御特性と、
    　アキュムレータからブーム第１シリンダおよびブーム第２シリンダへの放出流量を制御する放出流量制御特性と
    　を具備したことを特徴とする請求項２記載のエネルギ回生用制御回路。
  4. 　メインスプールは、
    　コントローラからの電気信号を電磁比例弁により圧力信号に変換したパイロット圧により任意にストローク制御されるものである
    　ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか記載のエネルギ回生用制御回路。
  5. 　機体と、
    　この機体に搭載され２本のブームシリンダにより上下動可能なブームを有する作業装置と、
    　機体および作業装置のいずれか一方に搭載された請求項１乃至４のいずれか記載の回生制御用弁ブロックを備えたエネルギ回生用制御回路とを具備し、
    　回生制御用弁ブロックは、ブーム下げ時に１本のブームシリンダから回収された流体をアキュムレータに蓄圧し、ブーム上げ時にアキュムレータ内の流体を２本のブームシリンダに供給する制御特性を備えた
    　ことを特徴とする作業機械。
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