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JP2014118985A - 建設機械の油圧回路 - Google Patents

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JP2014118985A
JP2014118985A JP2012272217A JP2012272217A JP2014118985A JP 2014118985 A JP2014118985 A JP 2014118985A JP 2012272217 A JP2012272217 A JP 2012272217A JP 2012272217 A JP2012272217 A JP 2012272217A JP 2014118985 A JP2014118985 A JP 2014118985A
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hydraulic
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Koji Ueda
浩司 上田
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Kobelco Construction Machinery Co Ltd
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Kobelco Construction Machinery Co Ltd
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Abstract

【課題】回生機能付きの油圧回路において、回路状態を、少なくとも回生作用が働く回路状態と回生作用が停止する回路状態の間で切換可能とする。
【解決手段】ブーム下げ／アーム押しの複合操作時に、第２パイロットチェック弁２９のみを開いて、ブームシリンダヘッド側からの戻り油を、回生ライン２６経由でアームシリンダ８に送る第１回路状態とし、回生弁３０やメータアウト弁３２がコントローラ３３の出力異常によって制御不能になったときに、第１パイロットチェック弁２８のみを開いて戻り油をブーム用コントロールバルブ１２経由でタンクに戻す第２回路状態に切換えるように構成した。
【選択図】図１

Description

本発明はたとえば油圧ショベルにおいて、ブーム下げ時にブームシリンダからの戻り油を他の油圧アクチュエータの駆動力として回生するようにした建設機械の油圧回路に関するものである。
油圧ショベルを例にとって背景技術を説明する。
油圧ショベルは、図３に示すようにクローラ式の下部走行体１上に上部旋回体２が地面に対して垂直となる軸Ｘのまわりに旋回自在に搭載され、この上部旋回体２に掘削等の作業を行うフロントアタッチメント３が装着されて構成される。
フロントアタッチメント３は、上部旋回体２に起伏(上げ下げ)自在に取付けられたブーム４と、このブーム４の先端に取付けられたアーム５と、このアーム５の先端に取付けられたバケット６、それにこれらを作動させるブーム、アーム、バケット各シリンダ（油圧シリンダ）７,８,９によって構成される。
また、下部走行体１及び上部旋回体２は、それぞれ図示しない走行モータ、旋回モータ（油圧モータ）によって走行、旋回駆動される。
この油圧ショベルにおいて、たとえばブーム４の下げ操作を行う場合、ブームシリンダ７には、ブーム４の高さに応じた位置エネルギーが作用するため、同シリンダ７から排出される油(戻り油)は高圧となる。
そこで、このような油圧アクチュエータが持つエネルギーを他の油圧アクチュエータの駆動力として回生する技術が公知となっている。
たとえば特許文献１には、ブーム下げ／アーム押しの複合操作時に、ブームヘッド側からの戻り油を回生ライン経由でアームシリンダのロッド側に送り、アーム押し動作を増速させる技術が開示されている。
この公知技術を含めた回生機能付きの油圧回路においては、回生ラインに、同ラインを開閉または開度調整する回生弁が設けられるとともに、回生元(上記例ではブームシリンダヘッド側)からのタンクへの戻り油量を制御するメータアウト弁が設けられる。
この回生弁及びメータアウト弁は、いずれも制御手段としてのコントローラからの電気信号に基づいて作動制御される。
特開２０１０−１９０２６１号公報
特許文献１に記載の技術を含めて公知の回生機能付きの油圧回路においては、回路状態として、回生元、回生先の両アクチュエータ回路が常に回生ラインでつながった一つの回路状態でしか使用できないため、不都合が生じる場合がある。
たとえば、ブーム下げ／アーム押しの複合操作時に、回生弁またはメータアウト弁がコントローラからの出力異常によって制御不能となった場合に、回生元であるブームの下げ動作が正しく行われなくなる。
この場合、回生作用を停止させ、回生元及び回生先の両油圧アクチュエータを通常通り独立して作動させる回生機能無しの回路状態に切換えることができれば、作業の継続が可能となる。
しかし、公知技術ではこのような回路状態の切換えができないため、作業を停止するほかなかった。
そこで本発明は、回生機能付きの油圧回路において、回路状態を、少なくとも回生作用が働く回路状態と回生作用が停止する回路状態の間で切換えることができる建設機械の油圧回路を提供するものである。
上記課題を解決する手段として、本発明においては、油圧ポンプを油圧源とする複数の油圧アクチュエータと、各油圧アクチュエータの作動を個別に制御するコントロールバルブと、上記各油圧アクチュエータのうちの一つである特定油圧アクチュエータからの戻り油を回生油として回生先に送る回生ラインと、この回生ラインに設けられた回生弁と、上記戻り油のタンクへの戻り流量を制御するメータアウト弁と、回路状態を切換える回路切換手段とを備え、上記回路切換手段は、上記戻り油を上記回生ラインに送って回生作用を行わせる回生作用状態としての第１回路状態と、上記戻り油を上記特定油圧アクチュエータ用のコントロールバルブに送って上記回生作用を停止させる回生停止状態としての第２回路状態の少なくとも二つの回路状態の間で切換えるように構成したものである。
この構成によれば、回路切換手段により、回生元である特定油圧アクチュエータ(請求項３，４ではブームシリンダ)からの戻り油を回生ライン(請求項４では回生ライン経由でアームシリンダ)に送って回生作用を行わせる第１回路状態と、戻り油を特定油圧アクチュエータ用のコントロールバルブに送って回生作用を停止させる回生機能無しの第２回路状態の少なくとも二つの回路状態の間で回路状態を切換えることができる。
このため、たとえば請求項５のように回生弁やメータアウト弁に関する異常が発生してこれらが制御不能となった場合に、回生機能無しの通常の回路状態である第２回路状態に切換えることにより、適正なアクチュエータ作動を確保して作業を継続することが可能となる。
本発明において、上記特定油圧アクチュエータから上記コントロールバルブに向かう油の流れを阻止する第１パイロットチェック弁と、上記回生ラインにおける上記回生弁の上流側で回生弁に向かう油の流れを阻止する第２パイロットチェック弁と、上記両パイロットチェック弁を開閉制御する制御手段とによって上記回路切換手段を構成するのが望ましい(請求項２)。
この構成によれば、洩れ防止作用を行うチェック弁が回路切換作用をも担うため、両作用を別々の弁で行う構成をとる場合と比較して、回路構成が簡単となり、設備コストが安くてすむ。
本発明の一つの実施形態として、下部走行体と、この下部走行体上に旋回自在に搭載された上部旋回体と、この上部旋回体に装着されたフロントアタッチメントを備え、上記フロントアタッチメントは、上記上部旋回体に起伏自在に取付けられたブームと、このブームを起伏させるブームシリンダとを備えた建設機械の油圧回路において、上記特定油圧アクチュエータとしての上記ブームシリンダのヘッド側油室とブーム用シリンダ用のコントロールバルブとを結ぶヘッド側管路に上記回生ラインを分岐接続する構成をとることができる(請求項３，４)。
こうすれば、第１回路状態で、ブームシリンダの戻り油(ブームの位置エネルギー)を他の油圧アクチュエータに回生動力として利用でき、この回生動力が不要な場合や利用できない場合に、第２の回路状態に切換えることができる。
この場合、請求項４の構成によれば、ブーム下げ／アーム押しの複合操作時に、ブームシリンダのヘッド側からの戻り油をアームシリンダのロッド側に送ってアーム押し動作を増速させる第１回路状態とし、回生弁やメータアウト弁の制御不能時に、上記戻り油をコントロールバルブ経由でタンクに落とす第２回路状態に切換えることにより、ブーム下げ／アーム押しの動作をアーム増速機能がない状態で継続させることができる。
本発明によると、回生機能付きの油圧回路において、回路状態を、少なくとも回生作用が働く回路状態と回生作用が停止する回路状態の間で切換えることができる。
本発明の実施形態に係る油圧回路図である。 実施形態における制御手段による制御内容を説明するためのフローチャートである。 油圧ショベルの概略側面図である。
実施形態は図３に示す油圧ショベルを適用対象としている。
この油圧ショベルにおいては、図１に示すように全油圧アクチュエータを、ブームシリンダ７を含む図左側の第１グループと、アームシリンダ８を含む図右側の第２グループ(符号省略)に分け、第１油圧ポンプ１０によって第１グループを、第２油圧ポンプ１１によって第２グループをそれぞれ駆動する構成がとられている。
図１においては、ブーム、アーム両シリンダ７，８以外の油圧アクチュエータの図示を省略している。また、ブーム用、アーム用両コントロールバルブ１２，１３以外のコントロールバルブについては共通符号「１４」を付し、バルブ構成の図示を省略している。
さらに、各コントロールバルブ１２〜１４はそれぞれリモコン弁によって操作されるが、ブーム用及びアーム用の両コントロールバルブ１２，１３を操作するリモコン弁１５，１６以外のリモコン弁の図示を省略している。
第１、第２両グループにおいて、各コントロールバルブ１２〜１４のポンプポートは圧油供給管路１７，１８に、タンクポートは戻り管路１９，２０にそれぞれ接続されている。
また、両戻り管路１９，２０はタンクライン２１に接続され、このタンクライン２１に背圧弁２２が設けられている。
図１中、２３，２４は両グループの各コントロールバルブを縦貫して戻り管路１９，２０につながるセンターバイパスライン、Ｔはタンクである。
実施形態においては、ブーム下げ／アーム押しの複合操作時に、回生元であるブームシリンダ７のヘッド側から出た高圧の戻り油を、回生先であるアームシリンダ８のロッド側に回生油として送る構成がとられている。
この点の構成を詳述する。
ブームシリンダ７のヘッド側とブーム用コントロールバルブ１２とがヘッド側管路２５によって接続されるとともに、このヘッド側管路２５から回生ライン２６が分岐され、この回生ライン２６がチェック弁２７を介して第２グループの圧油供給管路１８に接続されている。
ヘッド側管路２５には、ブームシリンダヘッド側からコントロールバルブ１２に向かう油の流れを阻止するパイロットチェック弁(第１パイロットチェック弁)２８が設けられている。
一方、回生ライン２６には、ブームシリンダヘッド側から回生ライン２６に向かう油の流れを阻止するパイロットチェック弁(第２パイロットチェック弁)２９が設けられるとともに、この第２パイロットチェック弁２９よりも下流側(ブームシリンダヘッド側からの戻り油の流れの下流側)に回生弁３０が設けられている。
また、回生ライン２６における第２パイロットチェック弁２９と回生弁３０の間に分岐管路３１が接続され、その分岐端が第２グループの戻り管路２０に接続されるとともに、この分岐管路３１に、ブームシリンダヘッド側からの戻り油量を調整するためのメータアウト弁３２が設けられている。
回生弁３０及びメータアウト弁３２は、それぞれ閉じ位置イと全開位置ロを備えた電磁弁として構成され、制御手段であってかつ回路切換手段の構成要素としてのコントローラ３３からの信号に基づいて作動制御される。
すなわち、回生弁３０は両位置イ，ロ間で切換わり制御され(ストローク作動して開度が変化するように構成してもよい)、メータアウト弁３２は両位置イ，ロ間でストローク作動して開度制御される。
第１及び第２両パイロットチェック弁２８，２９は、コントローラ３３からの信号に基づいて開閉、つまり、逆流を阻止する状態と両方向流れを許容する状態との間で切換わる電磁パイロットチェック弁として構成され、基本的に、ブーム下げ／アーム押しの複合操作時、つまり回生作用を行うときは、第１パイロットチェック弁２８が閉じ状態、第２パイロットチェック弁２９が開き状態とされる。
一方、コントローラ３３と回生弁３０またはメータアウト弁３２の間の信号系の異常、たとえばコントローラ３３から両弁３０，３２に切換信号を出すべきところ出ていない、あるいは逆に切換信号を出していないのに出た状態となっている等の出力異常によって回生弁３０またはメータアウト弁３２が制御不能に陥った場合(以下、異常発生時という)に、第１パイロットチェック弁２８が開き状態、第２パイロットチェック弁２９が閉じ状態とされる。
上記出力異常は、コントローラ３３自らが検出することができる。あるいは、信号出力ラインの電流を電流計によって計測し、異常判断するようにしてもよい。
こうして、両パイロットチェック弁２８，２９とコントローラ３３によって請求項１，２の「回路切換手段」が構成され、コントローラ３３は請求項２，５の「制御手段」となる。
また、回生を行うべきブーム下げ／アーム押しの複合操作を検出する手段として、ブーム用リモコン弁１５のパイロット圧によってブーム下げ操作を検出するブーム下げセンサ３４と、アーム用リモコン弁１６のパイロット圧によってアーム押し操作を検出するアーム押しセンサ３５が設けられ、この両センサ３４，３５の検出信号がコントローラ３３に入力される。
コントローラ３３は、ブーム下げ／アーム押しの複合操作が検出されたときに、第２パイロットチェック弁２９のみを開き、第１パイロットチェック弁２８は閉じ(逆流阻止)状態のままとする。
この回路状態(第１回路状態)では、ブームシリンダ７のヘッド側からの戻り油が回生ライン２６のみに流れ、回生弁３０、チェック弁２７、圧油供給管路１８、アーム用コントロールバルブ１３を通るルートでアームシリンダ８のロッド側に供給されてアーム押し動作が増速される。
すなわち、ブームシリンダヘッド側の戻り油(ブームの位置エネルギー)をアーム押し動力として利用する回生作用が行われる。
このとき、回生ライン２６中の余剰流量はメータアウト弁３２を通じてタンクＴに戻される。
なお、第２回路状態において、種々の制御、たとえばブーム下げ操作量(ブーム下げ目標速度)とアーム押し操作量(アーム押し目標速度)から、回生に用いることができる最大回生流量と目標流量を求めるとともに、この両流量の差から回生に用いる流量を決め、この回生流量に応じて、アームシリンダ用の第２油圧ポンプ１１の吐出量を増減させる等の制御を行うようにしてもよい。
一方、異常発生時には、コントローラ３３からの信号によって第１パイロットチェック弁２８を開き、第２パイロットチェック弁２９を閉じる。
この回路状態(第２回路状態)では、ブームシリンダヘッド側からの戻り油は回生ライン２６には流れず、通常通り、ブーム用コントロールバルブ１２、戻り管路１９を通ってタンクＴに戻る。
この回路状態の切換えにより、たとえばブームシリンダ７の下げ動作が正常に行われない等の動作異常を回避し、アーム増速機能がない状態でブーム下げ／アーム押しの複合操作を継続することができる。
図２はこの回路状態の切換え作用を説明するためのフローチャートで、ステップＳ１でブーム下げ／アーム押しの複合操作時か否かが判断され、ＹＥＳの場合にステップＳ２で異常有りか否かが判断される。
ここでＮＯ(異常無し)の場合は、ステップＳ３で第１回路状態を選択し、回生作用を行わせる。
これに対しステップＳ２でＹＥＳ(異常発生)と判断されると、ステップＳ４で第２回路状態に換える。
なお、ステップＳ１でＮＯ、つまりブーム下げ／アーム押しの複合操作時以外は、回生不要としてステップＳ４に移行し、第２回路状態とする。
上記のようにこの油圧回路によると、回路状態を、ブームシリンダヘッド側からの戻り油を回生ライン２６経由でアームシリンダ８に送って回生作用を行わせる第１回路状態と、戻り油をブーム用コントロールバルブ１２に送って回生作用を停止させる回生機能無しの第２回路状態の二つの間で切換えることができる。
このため、正常時には、第１回路状態としてブームの位置エネルギーをアーム押し増速のための回生動力として利用することができる。
そして、たとえば回生弁３０やメータアウト弁３２に関する異常が発生してこれらが制御不能となった場合に、回生機能無しの通常の回路状態である第２回路状態に切換えることにより、正常なブーム動作を確保して作業(アーム増速の無いブーム下げ／アーム押し複合操作)を継続することが可能となる。
また、この油圧回路によると、洩れ防止作用を行うチェック弁(第１及び第２パイロットチェック弁)２８，２９が回路切換作用をも担うため、両作用を別々の弁で行う構成をとる場合と比較して、回路構成が簡単となり、設備コストが安くてすむ。
他の実施形態
(１) 上記実施形態では、回生作用を行う第１回路状態と、回生作用を停止させる第２回路状態の二つの間で回路状態を切換える構成をとったが、選択可能な他の回路状態として、両パイロットチェック弁２８，２９をともに開き状態とする第３回路状態を追加してもよい。
この第３回路状態では、ブームシリンダヘッド側の戻り油が、回生ライン２６とブーム用コントロールバルブ１２の双方に送られる。
(２) 上記実施形態では、異常時としてコントローラ３３からの出力異常のみを挙げたが、回生弁３０及びメータアウト弁３２が一方の位置から動かない「固着」をも検出し、これを異常発生とする構成をとってもよい。
(３) 上記実施形態では、回生ブーム下げ／アーム押しの複合操作時に第２の回路状態(回生状態)とする場合を挙げたが、この回生元と回生先の組み合わせは種々変更可能である。
この場合、ハイブリッド建設機械や電動式の建設機械において、回生先として回生モータ(油圧モータ)を用い、この回生モータで発電機を回転させて蓄電器に充電し、またはエンジンをアシストするように構成することもできる。
１ 下部走行体
２ 上部旋回体
３ フロントアタッチメント
４ ブーム
５ アーム
７ 回生元である特定油圧アクチュエータとしてのブームシリンダ
８ 回生先であるアームシリンダ
１０，１１ 油圧ポンプ
１２ ブーム用コントロールバルブ
１３ アーム用コントロールバルブ
１５ ブーム用リモコン弁
１６ アーム用リモコン弁
１７，１８ 圧油供給管路
１９，２０ 戻り管路
２１ タンクライン
２５ ブームシリンダのヘッド側管路
２６ 回生ライン
２７ チェック弁
２８ 回路切換手段を構成する第１パイロットチェック弁
２９ 同、第２パイロットチェック弁
３０ 回生弁
３１ 分岐管路
３２ メータアウト弁
Ｔ タンク
３３ 制御手段であってかつ回路切換手段を構成するコントローラ
３４ ブーム下げ操作を検出するセンサ
３５ アーム押し操作を検出するセンサ

Claims (5)

  1. 油圧ポンプを油圧源とする複数の油圧アクチュエータと、各油圧アクチュエータの作動を個別に制御するコントロールバルブと、上記各油圧アクチュエータのうちの一つである特定油圧アクチュエータからの戻り油を回生油として回生先に送る回生ラインと、この回生ラインに設けられた回生弁と、上記戻り油のタンクへの戻り流量を制御するメータアウト弁と、回路状態を切換える回路切換手段とを備え、上記回路切換手段は、上記戻り油を上記回生ラインに送って回生作用を行わせる回生作用状態としての第１回路状態と、上記戻り油を上記特定油圧アクチュエータ用のコントロールバルブに送って上記回生作用を停止させる回生停止状態としての第２回路状態の少なくとも二つの回路状態の間で切換えるように構成したことを特徴とする建設機械の油圧回路。
  2. 上記特定油圧アクチュエータから上記コントロールバルブに向かう油の流れを阻止する第１パイロットチェック弁と、上記回生ラインにおける上記回生弁の上流側で回生弁に向かう油の流れを阻止する第２パイロットチェック弁と、上記両パイロットチェック弁を開閉制御する制御手段とによって上記回路切換手段を構成したことを特徴とする請求項１記載の建設機械の油圧回路。
  3. 下部走行体と、この下部走行体上に旋回自在に搭載された上部旋回体と、この上部旋回体に装着されたフロントアタッチメントを備え、上記フロントアタッチメントは、上記上部旋回体に起伏自在に取付けられたブームと、このブームを起伏させるブームシリンダとを備えた建設機械の油圧回路において、上記特定油圧アクチュエータとしての上記ブームシリンダのヘッド側油室とブーム用シリンダ用のコントロールバルブとを結ぶヘッド側管路に上記回生ラインを分岐接続し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回路。
  4. 上記フロントアタッチメントは、上記ブームの先端に回動可能に取付けられたアームと、このアームを作動させる上記回生先としてのアームシリンダを備え、上記回生ラインを、上記油圧ポンプと上記アームシリンダ用のコントロールバルブとを結ぶ管路に接続したことを特徴とする請求項３記載の建設機械の油圧回路。
  5. 上記回生弁及びメータアウト弁を、上記制御手段からの信号に基づいて作動する電磁弁として構成し、上記制御手段は、上記回生弁及びメータアウト弁に関する異常発生を検出し、異常発生時に上記第１回路状態から上記第２回路状態に切換えるように構成したことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の建設機械の油圧回路。
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