JP2007010064A - 建設機械の油圧制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小旋回姿勢においての急飛び出し、ギクシャク感を改善した建設機械の油圧制御装置を提供する。
【解決手段】分岐吐出ラインＰＭＬ２から圧力補償弁２６へ与えられる圧油はラインＬ１からポートＡ、Ａを通り圧油供給通路であるラインＬ２から、センタバイパスラインＢＬを経てタンクＴに到る経路のほかに、前記ラインＬ２からさらにラインＬ３、ブリード弁ＢＶＬ、ラインＬ４およびタンクラインＴＬを通ってタンクにいたる経路とが形成される。ブリード弁ＢＶＬへの操作信号圧力である外部信号ＦＳは、外部信号生成手段５０にて作業系の全ての慣性負荷の値に関連付けられた電気信号が演算形成される。小旋回姿勢、微操作時においては旋回用の油圧モータＭＴＲには大きな起動トルクは必要なく、寧ろ可変容量吐出ポンプ１０からの圧油を一部ブリードした方がハンティング等の急激なる操作感がなく、スムーズな操作性が得られる。
【選択図】図１

Description

本発明は、建設機械の油圧制御装置に係り、特に油圧掘削機のように慣性負荷の変化が大きいアクチュエータを操作する場合において、効果的にブリード量を調整することで機械全体の操作性を高め、且つ作業効率の向上を図ることが可能な、建設機械の油圧制御装置に関する。

本発明に係る従来例として、慣性負荷が大きいアクチュエータ、特に旋回系を駆動する際の既知のロードセンシング型切換弁での不具合に対する改善例として、オープンセンタ型切換弁の併用例が提示されている。

すなわち、油圧掘削機においては作業系（たとえばブーム、アーム等）油圧アクチュエータの負荷圧力によって切換弁の操作量が異なるのを避けるためロードセンシング型が望まれている一方、慣性負荷が大きい旋回系に関しては、常時圧力補償されることによる起動停止時の急加減速感は作業者の不快感のもととなっており、微操作性を得るためにはオープンセンタ型が望まれている。上記の従来例はその限りにおいては問題点の解決となっている。（特許文献１）

図７は、本発明に関連した前記特許文献１中の一部分を例示的に示す。同図７において、吐出量可変ポンプ１０の吐出ラインＰＭＬは分岐点Ｑからそれぞれ分岐吐出ラインＰＭＬ１、ＰＭＬ２へ分岐されている。分岐吐出ラインＰＭＬ１、ＰＭＬ２にはそれぞれ上方に圧力補償弁１６、２０を介してクローズドセンタ型の切換弁１４、１８が設けられ、それら各切換弁には油圧アクチュエータＡＣ１、ＡＣ２が接続されている。前記ＡＣ１、ＡＣ２は、例えば建設機械の、ブーム駆動用の油圧シリンダ、アーム駆動用の油圧シリンダである。なお、同図の油圧アクチュエータＡＣ２の右側には、図示しないが、バケット駆動用の油圧シリンダ（ＡＣ３とする）および対応する切換弁、圧力補償弁が配置されているものとする。

参照符号１２は、前記ポンプ１０の吐出流量調整機構であって、同吐出流量調整機構１０には各切換弁１４、１８の内部に形成された絞りで発生する差圧が逆止弁を介して検出され破線ＦＢＬで示すラインにより与えられるようになっている。

参照符号ＭＴＲは、建設機械の旋回台を回転駆動する旋回駆動用の油圧モータである。参照符号２２は、オープンセンタ型の切換弁であって、センタバイパスラインＢＬを有する。参照符号２４は流量調整弁、２６は圧力補償弁である。前記流量調整弁２４には切換弁２２の操作信号圧力ＳＧ１、ＳＧ２の内の大きい方がシャトル弁２８により選択され与えられている。図８は、図７に示した切換弁２２の切換途中の状態ＰＨ１、ＰＨ２を付加したものである。

図７、８に示す油圧制御装置によれば、油圧モータＭＴＲにより旋回台を起動させる場合、旋回台に搭載されているブーム、アーム、バケット等による慣性負荷が最大のとき（図２（ａ））と、最小のとき（図２（ｂ））とで、センタバイパスラインＢＬを流れる圧油は同様となる。つまり、最小慣性負荷のときでも最大慣性負荷のときと同様に、ゆっくりとしか起動しない。

上述した従来例では、作業系（ブーム、アーム等）の油圧アクチュエータを最大作業範囲状態（以下最大リーチという）に保持する場合と、最小作業範囲状態（以下小旋回姿勢という）に保持する場合とでは旋回操作に対するそれぞれの慣性負荷が大きく異なるため、特に小旋回姿勢においての急飛び出し、ギクシャク感の改善には至らず、更なる操作性の改善が望まれている。

この対策案として、センタバイパス通路開口を切換弁操作時において完全に閉止せず一部開度を設け、切換弁に供給される圧油の一部をその通路からブリードすることで上記不具合を解消する方法も考えられるが、小旋回姿勢での操作性を重視すればセンタバイパス開口は大きくする必要がある反面、作業系が最大リーチ状態、又は傾斜地での振り上げ旋回操作を想定した場合、センタバイパス開口により旋回の起動性、振り上げ操作に必要なトルクが得られないという別の問題を惹起することになる。

特開２００２−２９５４０５号公報（図１、図２、図３）

本発明者等は、前記問題点を解決すべく鋭意研究・検討および努力を行った結果、前記作業系の姿勢を検出し、同作業系の慣性負荷に関連付けて前記ブリード量を調整することにより前記問題点が基本的に解決できることを見出した。

したがって、本発明の目的は、小旋回姿勢においての急飛び出し、ギクシャク感を改善した建設機械の油圧制御装置を提供することにある。

前記目的を達成するため、本発明による建設機械の油圧制御装置は、
旋回台、同旋回台を回転駆動する油圧モータ、および前記旋回台に搭載された１または複数の作業系を有する建設機械の油圧制御装置であって、同油圧装置は、
前記各作業系を駆動する油圧アクチュエータへの圧油の給排を行う切換弁群と、
前記切換弁群へ圧油を供給する吐出量可変ポンプと、
前記油圧モータへの圧油の給排を行うオープンセンタ型切換弁と、
同オープンセンタ型切換弁の圧油供給通路に接続され同圧油供給通路の圧油の一部をタンク通路へバイパスするためのブリード弁と、
前記各作業系の少なくとも１つの姿勢に対応した慣性負荷の値を生成する外部信号生成手段と、を備え、
前記外部信号生成手段からの出力を前記ブリード弁のバイパス開口を調整する外部信号圧力として与えることを特徴とする。

その場合、前記外部信号生成手段は、前記全ての作業系の姿勢に対応した慣性負荷の値に基づく全慣性負荷の値を生成することができる。

またその場合、前記オープンセンタ型切換弁の圧油供給通路であって前記ブリード弁の上流側に接続され、前記オープンセンタ型の切換弁の操作量に応じて開口量が調整され且つ、オープンセンタ型切換弁の開口部を通過する流量を圧力補償する圧力補償弁を設けることができる。

また、前記目的を達成するため、本発明による建設機械の油圧制御装置は、
吐出流量可変ポンプ、同ポンプの吐出ラインから分岐した第１のラインに接続され圧力補償弁を併設したセンタークローズの切換弁を複数個備えたロードセンシング型の第１制御弁、前記吐出ラインから分岐した第２のラインに接続され少なくとも１個以上のオープンセンタ型の切換弁を備えた第２制御弁および、前記オープンセンタ型の切換弁の操作量に応じて開口量が調整され且つ、その開口量に応じた通過流量を圧力補償する圧力補償弁を有する建設機械の油圧制御装置において、
前記圧力補償弁下流の前記オープンセンタ型切換弁への圧油供給通路とタンク通路間に外部信号圧力にて開度調整可能なブリード弁を設け前記第２制御弁に供給される圧油の一部を前記タンク通路にバイパス可能としたことを特徴とする。

その場合、前記オープンセンタ型切換弁の１つは旋回駆動用、ロードセンシング型切換弁の１つはブーム駆動用であることができる。

またその場合、前記ブリード弁の開口を調整する外部信号圧力は、作業系の姿勢を検知し作業系の慣性負荷に関連付けたものとすることができる。

さらに、外部信号圧力は、作業系に設けた位置、若しくは角度センサ出力に基づいて演算された前記作業系の慣性負荷の値に関連付けられており、前記慣性負荷の小さい小旋回姿勢においてはブリード弁開口を大きくすることで旋回駆動系への起動トルクを下げ、慣性負荷の大きい場合又は、傾斜地での振り上げ操作のように起動トルクを要する場合はブリード弁開口を閉止若しくは最小とすることができる。

本発明によれば、建設機械の作業系の姿勢が慣性負荷の小さい小旋回姿勢においては、ブリード弁開口を大きくすることで旋回駆動系への起動トルクを下げ、慣性負荷の大きい場合又は、傾斜地での振り上げ操作のように起動トルクを要する場合はブリード弁開口を閉止若しくは最小とすることで作業系の姿勢に拘わらず操作性改善を図ることが可能となる。

以下、本発明の好適実施例について、添付図面を参照し詳細に説明する。

図１は、図７に対応した、本発明による油圧制御装置を示している。説明の煩雑さを避けるため、図１において、図７と同じ参照符号は同じ構成要素を示しており、したがって、それらの説明は省略し、以下では相違する点を中心に説明するものとする。

図１において、オープンセンタ型の切換弁２２Ａは、図示のように上流側、下流側に各４つのポートＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄを有する。分岐吐出ラインＰＭＬ２から圧力補償弁２６へ与えられる圧油はラインＬ１からポートＡ、Ａを通り圧油供給通路であるラインＬ２から、バイパスラインＢＬ、ポートＤ、Ｄを経てタンクＴに到る経路のほかに、前記ラインＬ２からさらにラインＬ３、ブリード弁ＢＶＬ、ラインＬ４およびタンクラインＴＬを通ってタンクＴにいたる経路とが形成されている。ブリード弁ＢＶＬへの操作信号圧力である外部信号ＦＳは、外部信号生成手段５０にて前述したブーム、アーム等の作業系の全ての慣性負荷の値に関連付けられた電気信号が演算形成され、それが電油変換部５２で圧油信号に変換されることにより与えられる。参照符号ＳＮＲは、前記外部信号生成手段５０に与えられるセンサ信号発生部である。そのセンサとしては、例えば前記作業系の各揺動軸と関連して取付けられたポテンショメータＰＴ１、ＰＴ２、ＰＴ３が示される。（図２（ａ）参照）

図１から明らかなように、作業系の慣性負荷が最大で大きな起動トルクを必要とする場合、例えば最大リーチの場合（図２（ａ）参照）には、前記ブリード弁ＢＶＬが閉じた状態であるので圧油はラインＬ４、タンクラインＴＬを介してブリードすることはなく、したがって、操作信号ＳＧ１またはＳＧ２により旋回駆動が起動されると、ポートＤ、Ｄ間のセンタバイパス通路はその開口状態が全開から徐々に遮断状態に移行する。

オープンセンタ型切換弁２２Ａの上流には圧力補償弁２６が設けられており、可変容量吐出ポンプ１０からは作動圧力に影響を受けず切換弁内の供給量制御用開口に応じた流量が供給される。その供給された圧油は前記切換弁２２Ａのある切換え位置では一部がセンタバイパス通路ＢＬを経てタンクＴに、残りは旋回用の油圧モータＭＴＲにそれぞれ切換弁２２Ａを介して供給される。この状態では通常のオープンセンタ型切換弁と同じ作動であり、旋回の操作性においては切換弁２２Ａの各開口特性を適度に定めることにより、スムーズな起動性を確保可能となる。

一方、小旋回姿勢、微操作時においては前記旋回用の油圧モータＭＴＲには大きな起動トルクは必要なく、寧ろ可変容量吐出ポンプ１０からの圧油を一部ブリードした方がスムーズな操作性が得られる。この場合、外部信号圧力ＦＳを印加することによりブリード弁ＢＶＬを開放し一部圧油をラインＬ４、タンクラインＴＬを経てタンクＴにバイパスさせることでハンティング等の急激なる操作感を効果的に緩和可能となる。この場合、作業系の姿勢即ち旋回される作業系の慣性負荷の大きさに関連付けて形成した適度の外部信号圧力ＦＳを印加し、ブリード弁ＢＶＬの開度を調整することにより一層の操作性改善が行える。

図２は、油圧掘削機（ショベルカー）の全体外形を示しており、同図（ａ）は、各作業系が最大作業範囲すなわち、最大リーチの状態を示し、同図（ｂ）は、最小リーチすなわち、小旋回姿勢の状態を示す。同図（ａ）において、ブームＢＭの左方端側の基底部は、ほぼ旋回台の回転中心軸ＣＬに軸Ｐ１を介して揺動可能に取付けられており、油圧シリンダＡＣ１の駆動により垂直方向からの角度θが与えられるようになっている。同様にして、ブームＢＭの右方端部にはアームＡＲＭの基底部が軸Ｐ２を介して油圧シリンダＡＣ２により揺動可能に取付けられている。さらに、同様にしてバケットＢＫＴが軸Ｐ３を介して油圧シリンダＡＣ３により揺動可能に取付けられている。前記各軸Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３近傍にはそれぞれの作業系の姿勢を検出するポテンショメータＰＴ１、ＰＴ２、ＰＴ３が取付けられている。

図３は、図１の外部信号生成手段５０の機能的構成を例示するブロック図であって、同図（ａ）は、その構成の詳細ブロック図、同図（ｂ）は、（ａ）中の判定演算部の判定方法の種類を示す。

同図（ａ）において、外部信号生成手段５０は、センサ群ＳＮＲの各センサからの電気的信号をアナログデジタル変換するＡ／Ｄ変換器５０Ａと、作業系全体の慣性負荷ＩＭを演算し算出する慣性負荷演算部５０Ｃと、前記慣性負荷ＩＭから電気信号の外部信号ＦＳを形成するための判定演算部５０Ｄ、および同外部信号ＦＳをデジタルアナログ変換するＤ／Ａ変換部５０Ｅとさらに、前記慣性負荷演算部５０Ｃと、前記慣性負荷ＩＭから電気信号の外部信号ＦＳを形成するための判定演算部５０Ｄでの演算に際し参照されるパラメータデータを記憶するパラメータ記憶部５０Ｂからなる。（演算用のＣＰＵは図示せず。）

前記慣性負荷演算部５０Ｃでは、ステップＳＴＰ１からステップ４の順序で全慣性負荷ＩＭが算出されるようになっている。

前記パラメータ記憶部５０Ｂには、例えば各ステップＳＴＰ１〜４の演算で使用される数式および、ブームＢＭ、アームＡＲＭ等の長さや重量データ、検出された各作業系の姿勢（θ）データのほか、前記判定演算のための設定値α、βおよび定数ｋ、Ｋ等が固定データとしてまたは一時的なデータとして記憶されている。

同図（ｂ）は、前記判定演算部５０Ｄにおける判定方法として３つのケースを例示している。ケース（１）では、慣性負荷すなわち全慣性モーメントＩＭの逆数に係数ｋを乗じた値を外部信号ＦＳとする。この場合ＦＳは、ＩＭが最大のとき最小値となる。すなわち、最大リーチの状態のとき、ブリード弁ＢＶＬのブリード動作はさせないようになっている。また慣性負荷ＩＭが最小のときＦＳは最大値となる。すなわち、小旋回姿勢のときは、ブリード弁ＢＶＬのブリード動作をさせるようになっている。

ケース（２）では、１／ＩＭの値が予め設定した設定値α以下のとき外部信号ＦＳはゼロとなり、設定値αを超えるとき外部信号ＦＳは１となる。この場合は、慣性負荷ＩＭの逆数値（１／ＩＭ）の取りうる範囲を、設定値αにより２つに分けるようにしたものであり、全作業系がＦＳのゼロの範囲にある時はブリードをさせないことに対応している。

ケース（３）では、慣性負荷ＩＭの逆数値（１／ＩＭ）の取りうる範囲を、設定値α、βにより３つに分けるようにしたものであり、前記逆数値（１／ＩＭ）が、α以下のときはＦＳをゼロとし、β以上のときＦＳは１とする。また、前記逆数値（１／ＩＭ）が、αとβの間にあるときはＦＳはＫ／ＩＭに対応した値（Ｋは係数）とする。なお、ケース（２）と（３）のαは同一の値である必要はない。

図４、図５は、切換弁２２Ａの、それぞれ弁操作量ＳＧ１（ＳＧ２）に対する開口特性、流量特性を示す。

図６は、本発明に適用されるブリード弁の外部信号圧力（ＦＳ）に対する開口特性の１例を示すグラフである。

以上、本発明の好適な実施例について説明したが、本発明はこれら例示したものに限定されるものではなく種々の変形、修正が可能である。例えば、各センサからの検出信号を無線にて送信することができる。さらに、図１ではセンサとしてポテンショメータを例示したが、その代わりにカム例えば偏心カムのリフトを機械的な位置として検出し、検出信号とすることもできる。また、図３においては、判定演算部５０Ｄでは判定のため逆数値（１／ＩＭ）を用いたが、図１のブリード弁ＢＶＬの左右の切換え位置を逆にすれば、判定のために数値ＩＭを使用することも可能である。

また、図１、図３では、外部信号生成手段５０は電気的に処理するものとして例示したが、前記カムのリフトを検出しそのリフト量に対応する油圧信号を圧力信号として形成するようにし、その圧力信号に関し適宜閾値を設けて弁別し外部信号圧力ＦＳとして形成することにより前記電気的処理を介さずにブリード弁ＢＶＬへの外部信号圧力を生成することが可能である。

さらにまた、図３では作業系の全部を慣性負荷ＩＭの算出対象としているが、例えば慣性負荷の比較的大きいブームのみを対象としてもよい。またバケット内にコンクリートの固まり等重量物を保持している状態と空の状態とを識別してバケット部分の慣性モーメントＭ３を算出するようにしてもよい。

さらにまた、前記センサとして各作業系を駆動するアクチュエータの油圧シリンダにおけるピストンロッドのストローク位置を検出する検出手段を用いることも可能である。

上述したセンサは各作業系の姿勢を連続的に検出するものであるが、本発明の趣旨からすれば、必ずしも作業系の姿勢を連続的に検出するものでなくてもよい。例えば、ブームの側壁により光線の遮断される光センサを運転室近傍に取付けて所定角以上ブームが傾斜状態にある場合とそうでない場合との２つの状態に対応させて外部信号ＦＳを生成するようにしてもよい。

また、上述した本発明の実施例では、ショベルカーのような堀削機械を例として説明したが、基底部アームに、伸縮可能な複数のアームを収納し且つ、旋回可能なクレーンタイプの建設機械の場合にも本発明を適用することが可能である。すなわち、この場合、前記基底部アームと他の伸縮するアームは同一姿勢であるが、伸縮動作に対応して慣性負荷が変化するのでその伸縮量を慣性負荷に換算すればよい。

上述したような種々の変形、修正は、本発明を適用したものであり、当業者であれば容易に採用することが可能である。

本発明による油圧制御装置を示す図である。 本発明の適用される油圧掘削機の全体外形を示しており、同図（ａ）は、各作業系が最大作業範囲すなわち、最大リーチの状態を示し、同図（ｂ）は、最小リーチすなわち、小旋回姿勢の状態を示す。 図１の外部信号生成手段の機能的構成を例示するブロック図であって、同図（ａ）は、その構成の詳細ブロック図、同図（ｂ）は、（ａ）中の判定演算部の判定方法の種類を示す。 旋回駆動用切換弁の、弁操作量に対する開口特性を示すグラフである。 旋回駆動用切換弁の、弁操作量に対する流量特性を示すグラフである。 本発明に適用されたブリード弁の外部信号圧力に対する開口特性を示すグラフである。 作業系の旋回駆動用にオープンセンタ型切換弁を設けた従来の油圧制御装置の油圧回路図である。 図７に示したオープンセンタ型切換弁に、その切換途中の状態を付加した切換弁を示す図である。

符号の説明

１０ 吐出量可変ポンプ
１２ 吐出流量調整機構
１４ 切換弁
１６ 圧力補償弁
１８ 切換弁
２０ 圧力補償弁
２２ オープンセンタ型切換弁
２２Ａ オープンセンタ型切換弁
２４ 流量調整弁
２６ 圧力補償弁
２８ シャトル弁
５０ 外部信号生成手段
５０Ａ Ａ／Ｄ変換部
５０Ｂ パラメータ記憶部
５０Ｃ 慣性負荷演算部
５０Ｄ 判定演算部
５０Ｅ Ｄ／Ａ変換部
５２ 電油変換部
ＡＣ１ 油圧シリンダ
ＡＣ２ 油圧シリンダ
ＡＣ３ 油圧シリンダ
ＡＲＭ アーム
ＢＬ センタバイパスライン
ＢＭ ブーム
ＢＫＴ バケット
ＢＶＬ ブリード弁
ＣＬ 旋回台の中心軸
ＣＭ 建設機械
ＦＳ 外部信号、外部信号圧力
ＭＴＲ 旋回台駆動用の油圧モータ
Ｐ１ 軸
Ｐ２ 軸
Ｐ３ 軸
ＰＭＬ 吐出ライン
ＰＭＬ１ 分岐吐出ライン
ＰＭＬ２ 分岐吐出ライン
ＰＴ１ ポテンショメータ
ＰＴ２ ポテンショメータ
ＰＴ３ ポテンショメータ
ＳＮＲ センサー群
ＴＬ タンクライン
ＳＧ１ 操作圧油信号
ＳＧ２ 操作圧油信号
Ｔ タンク

Claims (7)

1. 旋回台、同旋回台を回転駆動する油圧モータ、および前記旋回台に搭載された１または複数の作業系を有する建設機械の油圧制御装置であって、同装置は、
   前記各作業系を駆動する油圧アクチュエータへの圧油の給排を行う切換弁群と、
   前記切換弁群へ圧油を供給する吐出量可変ポンプと、
   前記油圧モータへの圧油の給排を行うオープンセンタ型切換弁と、
   同オープンセンタ型切換弁の圧油供給通路に接続され同圧油供給通路の圧油の一部をタンク通路へバイパスするためのブリード弁と、
   前記各作業系の少なくとも１つの姿勢に対応した慣性負荷の値を生成する外部信号生成手段と、を備え、
   前記外部信号生成手段からの出力を前記ブリード弁のバイパス開口を調整する外部信号として与えることを特徴とする建設機械の油圧制御装置。
2. 前記外部信号生成手段は、前記全ての作業系の姿勢に対応した慣性負荷の値に基づく全慣性負荷の値を生成することを特徴とする請求項１記載の建設機械の油圧制御装置。
3. 前記オープンセンタ型切換弁の圧油供給通路であって前記ブリード弁の上流側に接続され、前記オープンセンタ型の切換弁の操作量に応じて開口量が調整され且つ、前記オープンセンタ型切換弁の開口部を通過する流量を圧力補償する圧力補償弁を設けたことを特徴とする請求項１または２記載の建設機械の油圧制御装置。
4. 吐出流量可変ポンプ、同ポンプの吐出ラインから分岐した第１のラインに接続され圧力補償弁を併設したセンタークローズの切換弁を複数個備えたロードセンシング型の第１制御弁、前記吐出ラインから分岐した第２のラインに接続され少なくとも１個以上のオープンセンタ型の切換弁を備えた第２制御弁および、前記オープンセンタ型の切換弁の操作量に応じて開口量が調整され且つ、その開口量に応じた通過流量を圧力補償する圧力補償弁を有する建設機械の油圧制御装置において、
   前記圧力補償弁下流の前記オープンセンタ型切換弁への圧油供給通路とタンク通路間に外部信号圧力にて開度調整可能なブリード弁を設け前記第２制御弁に供給される圧油の一部を前記タンク通路にバイパス可能としたことを特徴とする建設機械の油圧制御装置。
5. 前記オープンセンタ型切換弁の１つは旋回駆動用、ロードセンシング型切換弁の１つはブーム駆動用であることを特徴とする請求項４記載の建設機械の油圧制御装置。
6. 前記ブリード弁の開口を調整する外部信号圧力は、作業系の姿勢を検知し作業系の慣性負荷に関連付けられていることを特徴とする建設機械の油圧制御装置。
7. 外部信号圧力は、作業系に設けた位置、若しくは角度センサ出力に基づいて演算された前記作業系の慣性負荷の値に関連付けられており、前記慣性負荷の小さい小旋回姿勢においてはブリード弁開口を大きくすることで旋回駆動系への起動トルクを下げ、慣性負荷の大きい場合又は、傾斜地での振り上げ操作のように起動トルクを要する場合はブリード弁開口を閉止若しくは最小とすることを特徴とする請求項４乃至６記載の建設機械の油圧制御装置。

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