JP2014062371A - 建設機械の油圧回路 - Google Patents

Abstract

【課題】超大型の油圧ショベルのように大量の戻り油が発生する建設機械の場合でも効率良く作動油を冷却できる新規な建設機械の油圧回路の提供。
【解決手段】油圧ラインＬ３にリターン切換弁５０を設け、旋回用油圧モータ４１が作動して大量の作動油（戻り油）が発生したときには、その作動油をそのまま作動油タンク４２に戻し、旋回用油圧モータ４１が作動していないときの少量の作動油（戻り油）をオイルクーラ４４に流す。これによって、超大型の油圧ショベル１００のように大量の戻り油が発生する場合でもオイルクーラ４４のダメージを回避しつつ優れた冷却効率を発揮することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、作動油の油圧によって各部が動作する油圧ショベルなどの建設機械に係り、特に、その作動油を冷却するためのオイルクーラを備えた油圧回路に関するものである。

一般に油圧ショベルなどの建設機械は、油圧シリンダや油圧モータなどの油圧式アクチュエータによって作動するようになっているが、その作動油の温度が上昇して適正温度を超えると、作動油の劣化やシールの老化などを招くおそれがある。そのため、作動油が流れる油圧回路には、オイルクーラ（熱交換器）が設けられており、高温となった作動油（戻り油）をこのオイルクーラに流して冷却することによって適正温度に制御している。

例えば、以下の特許文献１では、作動油の温度を検出する手段を備え、作動油の温度が適正温度を越えたときには、旋回ポンプの吐出流量を増やしてオイルクーラを通過する作動油（戻り油）の量を増やして冷却を促進することで作動油の温度上昇を抑制している。また、以下の特許文献２では、オイルクーラを設けた戻り油冷却管路の管路抵抗を、リリーフ弁を設けたバイパス管路の管路抵抗より大きくしてそれらの作動油の流量を変化させることで作動油が適正温度に保たれるように調整している。

特開平４−３２２４６号公報 特開２００４−１９６７５号公報

ところで、この油圧回路に備わっているオイルクーラは圧力損失が大きいため、戻り油の流量が一気に増えるとオイルクーラの入口部が高圧となり、ダメージを受けるおそれがある。そのため、鉱山の露天掘り作業などに用いられる超大型油圧ショベル（マイニング機械）のように大量の戻り油が発生する建設機械の場合には、リリーフ弁を設けるほかに、戻り油の一部、例えば旋回動作を行う旋回用油圧モータからの戻り油はオイルクーラを通さずに直接作動油タンクに戻すようにしている。

しかし、このように戻り油の一部をオイルクーラを通さずにそのまま直接作動油タンクに戻すような油圧回路では、十分な冷却効率が得られない。そのため、オイルクーラを大型化することも考えられるが、そうするとコストが上昇する上に、戻り油の過冷却を防ぐための新たな構造や制御が必要となるといった問題が生ずる。

そこで、本発明はこれらの課題を解決するために案出されたものであり、その目的は、超大型の油圧ショベルのように大量の戻り油が発生する建設機械の場合でもオイルクーラのダメージを回避しつつ効率良く作動油を冷却できる新規な建設機械の油圧回路を提供するものである。

通常、鉱山（マイニング）向け数百トンクラスの大型または超大型油圧ショベルには、油圧シリンダや油圧モータなどのアクチュエータを作動させるための制御弁が複数（例えば３つ）搭載されている。そのうちの１つには、ブームやアーム、バケットを作動させるための各油圧シリンダと共に、旋回体の旋回動作を行うための旋回用油圧モータが設けられている。

通常、この旋回用油圧モータが設けられた制御弁では、旋回用油圧モータからの戻り油のみならず、油圧シリンダからの戻り油もオイルクーラを通過させずに、直接作動油タンクに流すようになっている。これは旋回動作を行う旋回用油圧モータの戻り油の流量が多いため、これをオイルクーラに流すとそのオイルクーラの入口が高圧になってダメージを与えてしまうからである。よって、この制御弁の油圧シリンダからの戻り油も冷却されることがないため、効率の良い冷却が行われていないのが現状である。

一方、この超大型油圧ショベルの一般的な稼働である掘削積込み作業は、「土砂の掘削」、「旋回体の旋回」、「掘削した土砂の放土（積込み）」、「掘削位置への戻り」という動作を繰り返すことによって行われる。例えば、バックホウ仕様でダンプトラックへの積込み作業であれば、「土砂の掘削」はブーム、アーム、バケットを操作して掘削土砂をバケットに取り込み、「上部旋回体の旋回」はブームを上げながら上部旋回体を後方へ旋回させ、ダンプトラックの積込み位置までバケットを移動させる。また、「土砂の放土」はその状態からバケットを下方に回動させ、取り込んだ土砂をダンプトラックに積み込む。「掘削位置への戻り」はダンプ積込み位置から上部旋回体を旋回させながらブームを下げ、アーム、バケットを操作して掘削位置に戻ることになる。

そして、これら一連の掘削土砂の積込み作業において、作動油の戻り量は、油圧シリンダのみが作動する「掘削」と「放土」動作時には少なく、油圧シリンダと同時に旋回用油圧モータも作動する「旋回」、「戻り」動作時には多くなる。そのため、戻り流量が少ない「掘削」や「放土」動作時には、オイルクーラには余裕があり、この余裕分を利用すれば、オイルクーラを大型化することなく、効率良く戻り油を冷却することが可能である。

そこで、前記課題を解決するために第１の発明は、作動油タンク内の作動油を圧送する油圧ポンプと、当該油圧ポンプから圧送される作動油によって旋回用油圧モータと油圧シリンダのいずれかあるいは両方を作動する制御弁と、当該制御弁から排出される作動油の流れを切り換えるリターン切換弁とを備え、当該リターン切換弁は、前記旋回用油圧モータが作動しているときには前記制御弁から排出される作動油を前記作動油タンク側に流し、前記旋回用油圧モータが停止しているときには前記制御弁から排出される作動油をオイルクーラ側に流すことを特徴とする建設機械の油圧回路である。

このような構成によれば、旋回用油圧モータが作動しているときにはその制御弁から排出される大量の作動油（戻り油）が直接作動油タンク側に流れるため、オイルクーラにダメージを与えることがない。一方、旋回用油圧モータが停止しているときにはその制御弁から排出される少量の戻り油がオイルクーラ側に流れるため、戻り油を効率良く冷却することができる。

第２の発明は、第１の発明において、前記旋回用油圧モータの操作を油圧によって行うパイロット回路を備え、前記リターン切換弁は、前記パイロット回路の第１のパイロット油圧ラインの油圧と第２のパイロット油圧ラインの油圧とに差圧が発生したときは、前記制御弁から排出される作動油を前記作動油タンク側に流すように前記作動油の流れを切り換え、前記差圧が発生してないときは、前記制御弁から排出される作動油を前記オイルクーラ側に流すように前記作動油の流れを切り換えることを特徴とする建設機械の油圧回路である。このような構成によれば、旋回用油圧モータの作動・停止状態を確実に検知できるため、リターン切換弁による戻り油の流れの切換動作を適切に行うことができる。

第３の発明は、第２の発明において、前記パイロット回路の第１のパイロット油圧ラインと第２のパイロット油圧ラインとに差圧が生じたときにその圧油を前記リターン切換弁に送るシャトル弁を備え、前記リターン切換弁は、前記シャトル弁からの圧油によって切換動作することを特徴とする建設機械の油圧回路である。このような構成によれば、パイロット回路の第１の油圧ラインと第２の油圧ラインとに差圧を正確に検知して確実にリターン切換弁を動作することができる。

第４の発明は、第１乃至第３のいずれかの発明において、他の油圧シリンダを制御する制御弁を併設し、当該制御弁から排出される作動油を前記オイルクーラに流すことを特徴とする建設機械の油圧回路である。このような構成によれば、他の油圧シリンダを制御する制御弁から排出される戻り油を効率的に冷却することができる。

本発明によれば、旋回用油圧モータが作動しているときにはその制御弁から排出される大量の作動油（戻り油）が直接作動油タンク側に流れるため、オイルクーラにダメージを与えることがない。一方、旋回用油圧モータが停止しているときにはその制御弁から排出される少量の戻り油がオイルクーラ側に流れるため、戻り油を効率良く冷却することができる。

本発明の油圧回路を備えた超大型油圧ショベル（建設機械）１００の実施の一形態を示す全体図である。 本発明に係る油圧回路２００の実施の一形態を示す回路図である。 油圧ラインＬ３にリターン切換弁５０を備えない油圧回路２００の一例を示した回路図である。

次に、本発明の実施の一形態を添付図面を参照しながら説明する。図１は、本発明に係る油圧回路を備えた大型油圧ショベル１００の全体構造を示したものである。図示するように、この大型油圧ショベル１００は、地上を走行する走行体１０と、この走行体１０の上部に旋回可能に搭載された旋回体２０と、この旋回体２０の前部に設けられたフロント装置３０とから構成されている。

走行体１０は、平面視略Ｈ字形状をしたトラックフレーム１１の左右両側にそれぞれ駆動輪１２と従動輪１３を設けると共に、この駆動輪１２と従動輪１３間に無限軌道履帯（クローラ）１４を架け渡してなるものであり、この駆動輪１２を走行用油圧モータ１５により駆動してクローラ１４を回転駆動することで地上を走行するようになっている。

一方、旋回体２０は、基礎下部構造をなす旋回フレーム２１上にエンジンユニット２２と、運転室２３と、この運転室２３を支持する運転室ベッド２４と、フロント装置３０との重量バランスをとるためのカウンタウエイト２５などを一体的に設けて構成されている。この旋回体２０は、旋回フレーム２１までの地上高さが例えば約２ｍであり、その運転室２３までの地上高さは例えば約７ｍに達している。そのため、この旋回体２０の側面には、地上から運転室２３に行くための階段２６や通路２７が設けられている。

そして、この旋回体２０は、走行体１０の略中央部に配置された旋回輪２８を介して走行体３上に設けられており、この旋回輪２８の中心近傍に設けられた複数の図示しない旋回用油圧モータによってこの旋回輪２８を回転駆動することで走行体１０に対して水平方向に旋回動自在となっている。

フロント装置３０は、旋回体２０から前方に延びるブーム３１と、このブーム３１の先端に軸支されたアーム３２と、このアーム３２の先端に設けられたバケット３３およびこれらを駆動するブームシリンダ３４と、アームシリンダ３５と、バケットシリンダ３６などの油圧アクチュエータから構成されている。そして、エンジンで動作する図示しない油圧ポンプからの油圧によってこれら各油圧アクチュエータを伸縮させてブーム３１とアーム３２とバケット３３を動かすことで掘削作業などの各種作業を行うようになっている。

図２は、この大型油圧ショベル１００に設けられる本発明の油圧回路２００を示したものである。図において符号４０は、ディーゼルエンジン（原動機）であり、本実施の形態ではこのディーゼルエンジン４０が３つの容量可変型油圧ポンプＰ１、Ｐ２、Ｐ３と、ファンポンプＰ４と、パイロットポンプＰ５とを駆動するようになっている。そして、これら３つの油圧ポンプＰ１、Ｐ２、Ｐ３の各油圧ラインＬ１、Ｌ２、Ｌ３には、それぞれ第１制御弁Ｖ１、第２制御弁Ｖ２、第３制御弁Ｖ３が設けられており、これら３つの制御弁Ｖ１乃至Ｖ３によって前述した各種油圧アクチュエータを駆動制御するようになっている。

具体的には、第１制御弁Ｖ１および第２制御弁Ｖ２は、前述した走行用油圧モータ１５と、バケットシリンダ３６と、アームシリンダ３５と、ブームシリンダ３４とを、運転室２３内の走行レバーやコントロールレバーなどの操作によって制御するようになっている。一方、第３制御弁Ｖ３は、前記旋回体２０の旋回輪２８を回転駆動するための旋回用油圧モータ４１と、バケットシリンダ３６と、アームシリンダ３５と、ブームシリンダ３４とを、同じく運転室２３内に設けられたコントロールレバーなどの操作によって駆動制御するようになっている。

これら３つの制御弁Ｖ１乃至Ｖ３が設けられた各油圧ラインＬ１乃至Ｌ３のうち、第１制御弁Ｖ１が設けられた油圧ラインＬ１は、第２制御弁Ｖ２が設けられた油圧ラインＬ２と合流し、その合流ラインＬ４は、作動油タンク４２側に延びている。そして、この合流ラインＬ４の途中にはオイルクーラ（熱交換器）４４が設けられており、合流ラインＬ４を流れる高温の作動油（戻り油）を空気冷却するようになっている。

一方、第３制御弁Ｖ３が設けられた油圧ラインＬ３には、リターン切換弁５０が設けられている。このリターン切換弁５０は、旋回用油圧モータ４１を制御するパイロット回路７０に設けられたシャトル弁８０からの油圧によって動作する方向切換弁であり、油圧が掛からないときは、油圧ラインＬ３をリターンラインＬ５側に接続し、油圧が掛かったときには、油圧ラインＬ３を戻りラインＬ６側に接続するように切り換えるようになっている。そして、このリターン切換弁５０から延びるリターンラインＬ５は、オイルクーラ４４の入口側の合流ラインＬ４に合流するように接続され、戻りラインＬ６は作動油タンク４２側に接続されている。

また、このオイルクーラ４４の上流側の合流ラインＬ４であって、リターンラインＬ５の合流点よりも下流側には、バイパスラインＬ７がこれより分岐して設けられている。そして、このバイパスラインＬ７には、リリーフ弁５１が設けられており、オイルクーラ４４の入口の油圧が所定圧を越えたときに作動（開いて）して合流ラインＬ４を流れる戻り油を、オイルクーラ４４をバイパスしてこのバイパスラインＬ７から作動油タンク４２側に流すようになっている。

他方、ファンポンプＰ４の油圧ラインＬ８には、ファンポンプＰ４から圧送される作動油で回転駆動するファンモータ６０が設けられており、オイルクーラ４４を空冷するためのファン６１を駆動するようになっている。なお、この油圧ラインＬ８は、オイルクーラ４４の出口側に接続されており、ファンモータ６０を駆動した後の作動油を、オイルクーラ４４で冷却された作動油と共に作動油タンク４２に戻すようになっている。

パイロットポンプＰ５には、パイロット回路７０が接続されている。このパイロット回路７０は、パイロットポンプＰ５からの圧油を流すパイロットラインＬ９と、このパイロットラインＬ９に設けられたパイロット切換弁７１と、このパイロット切換弁７１から第３制御弁Ｖ３側に延びる一対のパイロット油圧ラインＬ１０、Ｌ１１とから主に構成されている。

そして、このパイロット切換弁７１を切り換えるためのコントロールレバー７２を運転手が操作してパイロット油圧ラインＬ１０、Ｌ１１のパイロット圧を変化させて第３制御弁Ｖ３のスプールを動かすことで旋回用油圧モータ４１を正逆いずれか任意の方向に対して回転駆動するようになっている。また、このパイロットラインＬ９にも、パイロットリリーフ弁７３を備えたバイパスラインＬ１２がこれより分岐して設けられており、パイロットラインＬ９の油圧が所定圧を越えたときにパイロットリリーフ弁７３が開いてパイロットラインＬ９の圧油を作動油タンク４２に流してその圧力を下げるようになっている。

なお、図２では、油圧ラインＬ１、Ｌ２、Ｌ３を流れる作動油を受ける作動油タンク４２と、パイロット回路７０を流れる作動油を受ける作動油タンク４２を別々に記載しているが、これらは１つのタンクで構成されており、すべての戻り油はこの作動油タンク４２で合流するようになっている。また、各油圧ポンプＰ１乃至Ｐ３、ファンポンプＰ４と、パイロットポンプＰ５は、この作動油タンク４２内に溜まった作動油をオイルフィルターで濾過してから汲み上げるようにして循環させている。

次に、このような構成をした本発明の油圧回路２００の作用を説明する。前述したように、この超大型油圧ショベル１００の一般的な稼働である掘削積込み作業は、「土砂の掘削」、「旋回体２０の旋回」、「掘削した土砂の放土（積込み）」、「掘削位置への戻り」という動作を繰り返すことによって行われる。そして、これら一連の掘削積込み作業において、作動油の戻り量は、油圧シリンダのみが作動する「掘削」と「放土」動作時には少なく、油圧シリンダと同時に旋回用油圧モータも作動する「旋回」、「戻り」動作時には多くなる。そのため、作動油の戻り量が少ない「掘削」や「放土」動作時には、オイルクーラ４４には余裕があり、この余裕分を利用すれば、オイルクーラを大型化することなく、効率良く戻り油を冷却することが可能である。

（掘削、放土動作時：旋回用油圧モータ４１非作動時）
先ず、旋回体２０の旋回動を伴わない掘削、放土動作時には、旋回用油圧モータ４１を動かさないため、パイロット回路７０のパイロット油圧ラインＬ１０、Ｌ１１のパイロット圧（油圧）に差圧が生じていない。そのため、リターン切換弁５０は、リターンラインＬ５側に接続された状態となっている。したがって、油圧ラインＬ３を流れる作動油（戻り油）は、リターン切換弁５０からリターンラインＬ５を介して合流ラインＬ４側に流れ、油圧ラインＬ１およびＬ２から流れてきた作動油（戻り油）と合流してオイルクーラ４４に流れ込む。

これによって、油圧ラインＬ１およびＬ２を流れる戻り油のみならず、油圧ラインＬ３を流れる戻り油も冷却されて作動油タンク４２に戻されるため、効率的な冷却が行われる。また、旋回用油圧モータ４１が作動していないことから、油圧ラインＬ３を流れる戻り油は少量で油圧も高くないため、オイルクーラ４４の入口部などにダメージを与えるようなこともない。

（旋回、戻り動作時：旋回用油圧モータ４１作動時）
一方、旋回体２０の旋回動を伴う旋回、戻り時には、コントロールレバー７２が操作されることでパイロット回路７０のパイロット切換弁７１が作動し、パイロット油圧ラインＬ１０、Ｌ１１のパイロット圧（油圧）に差圧が生じて旋回用油圧モータ４１が動作する。すると、この差圧によってシャトル弁８０が作動してリターン切換弁５０に圧油が流れ、その油圧によってリターン切換弁５０が作動して油圧ラインＬ３を戻りラインＬ６に接続するように切り換える。

すると、油圧ラインＬ３を流れる大量の戻り油が戻りラインＬ６側を介して作動油タンク４２側に直接流れるため、オイルクーラ４４に大量の戻り油が流れ込むようなことがなくなり、オイルクーラ４４の入口にダメージを与えるようなこともない。

そして、作業員がコントロールレバー７２を操作して旋回用油圧モータ４１を停止すると、パイロット油圧ラインＬ１０、Ｌ１１のパイロット圧（油圧）に差圧がなくなるため、リターン切換弁５０が元の状態に戻って油圧ラインＬ３をリターンラインＬ５に接続する。これによって、油圧ラインＬ３を流れる戻り油は、このリターンラインＬ５を介して合流ラインＬ４側に流れ、油圧ラインＬ１およびＬ２から流れてきた戻り油と合流してオイルクーラ４４に流れ込んで冷却が行われることになる。

図３は、図２のように油圧ラインＬ３にリターン切換弁５０などを備えない油圧回路を示したものである。このような構成の油圧回路では、油圧ラインＬ３の戻り油のすべてが常に作動油タンク４２に戻されるようになるため、旋回用油圧モータ４１を動かすことによって発生する大量の戻り油が流れ込んでオイルクーラ４４の入口部などにダメージを与えるようなことはない。しかし、旋回用油圧モータ４１が作動していないときの少量の作動油もそのまますべて作動油タンク４２に戻されるため、冷却効率は良くない。

これに対し、本発明に係る油圧回路２００は、前述したように油圧ラインＬ３にリターン切換弁５０を設け、旋回用油圧モータ４１が作動して大量の戻り油が発生したときには、その戻り油をそのまま作動油タンク４２に戻し、旋回用油圧モータ４１が作動していないときの少量の戻り油はオイルクーラ４４に流すようにしたものである。これによって、図１に示すような超大型油圧ショベル１００のように大量の戻り油が発生する建設機械の場合でもオイルクーラ４４のダメージを回避しつつ効率の良い作動油冷却を行うことができる。

なお、本実施の形態では、パイロット回路７０にシャトル弁８０を設け、このシャトル弁８０がパイロット油圧ラインＬ１０、Ｌ１１のパイロット圧（油圧）の差圧によって動作することによってリターン切換弁５０の切り換えを行うようにしているが、このリターン切換弁５０を電磁切換弁で構成し、コントロールレバー７２の操作や旋回用油圧モータ４１の作動をセンサで検知したときにその作動油の流れ方向を電磁的に切り換えるような構成にしても良い。

１００…超大型油圧ショベル（建設機械）
２００…油圧回路
１０…走行体
２０…旋回体
３０…フロント装置
４０…エンジン（原動機）
４２…作動油タンク
４１…旋回用油圧モータ
４４…オイルクーラ
５０…リターン切換弁
６０…ファンモータ
６１…ファン
７０…パイロット回路
８０…シャトル弁
Ｖ１…第１制御弁
Ｖ２…第２制御弁
Ｖ３…第３制御弁
Ｐ１〜Ｐ３…油圧ポンプ
Ｐ４…ファンポンプ
Ｐ５…パイロットポンプ
Ｌ１〜Ｌ３…油圧ライン
Ｌ４…合流ライン
Ｌ５…リターンライン
Ｌ６…戻りライン
Ｌ１０、Ｌ１１…パイロット油圧ライン

Claims (4)

1. 作動油タンク内の作動油を圧送する油圧ポンプと、
   当該油圧ポンプから圧送される作動油によって旋回用油圧モータと油圧シリンダのいずれかあるいは両方を作動する制御弁と、
   当該制御弁から排出される作動油の流れを切り換えるリターン切換弁とを備え、
   当該リターン切換弁は、
   前記旋回用油圧モータが作動しているときには前記制御弁から排出される作動油を前記作動油タンク側に流し、前記旋回用油圧モータが停止しているときには前記制御弁から排出される作動油をオイルクーラ側に流すことを特徴とする建設機械の油圧回路。
2. 請求項１に記載の建設機械の油圧回路において、
   前記旋回用油圧モータの操作を油圧によって行うパイロット回路を備え、
   前記リターン切換弁は、
   前記パイロット回路の第１のパイロット油圧ラインの油圧と第２のパイロット油圧ラインの油圧とに差圧が発生したときは、前記制御弁から排出される作動油を前記作動油タンク側に流すように前記作動油の流れを切り換え、
   前記差圧が発生してないときは、前記制御弁から排出される作動油を前記オイルクーラ側に流すように前記作動油の流れを切り換えることを特徴とする建設機械の油圧回路。
3. 請求項２に記載の建設機械の油圧回路において、
   前記パイロット回路の第１のパイロット油圧ラインと第２のパイロット油圧ラインとに差圧が生じたときにその圧油を前記リターン切換弁に送るシャトル弁を備え、
   前記リターン切換弁は、前記シャトル弁からの圧油によって切換動作することを特徴とする建設機械の油圧回路。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の建設機械の油圧回路において、
   他の油圧シリンダを制御する制御弁を併設し、当該制御弁から排出される作動油を前記オイルクーラに流すことを特徴とする建設機械の油圧回路。

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