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WO2013175699A1 - 建設機械のブーム駆動装置 - Google Patents

建設機械のブーム駆動装置 Download PDF

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WO2013175699A1
WO2013175699A1 PCT/JP2013/002468 JP2013002468W WO2013175699A1 WO 2013175699 A1 WO2013175699 A1 WO 2013175699A1 JP 2013002468 W JP2013002468 W JP 2013002468W WO 2013175699 A1 WO2013175699 A1 WO 2013175699A1
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WO
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boom
side chamber
cylinder
hydraulic
arm
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Ceased
Application number
PCT/JP2013/002468
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English (en)
French (fr)
Inventor
浩司 上田
一治 但馬
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Kobelco Construction Machinery Co Ltd
Original Assignee
Kobelco Construction Machinery Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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Priority to EP13793456.8A priority patent/EP2857695B1/en
Priority to CN201380026977.4A priority patent/CN104302930B/zh
Priority to KR1020147036078A priority patent/KR102011542B1/ko
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    • F15B2211/78—Control of multiple output members
    • F15B2211/782—Concurrent control, e.g. synchronisation of two or more actuators

Definitions

  • the present invention relates to a device that is provided in a construction machine such as a hydraulic excavator provided with a work attachment including a boom and an arm, and drives the boom by hydraulic pressure.
  • a general hydraulic excavator includes a base machine and a work attachment attached to the base machine.
  • the work attachment includes a boom that can be raised and lowered, and an arm that is rotatably connected to a tip of the boom.
  • a bucket attached to the tip of the arm, a boom cylinder for raising and lowering the boom, an arm cylinder for rotating the arm, and a bucket cylinder for rotating the bucket.
  • the boom cylinder is interposed between the boom and the base machine so as to move the boom in the upward direction by extension, and the arm cylinder pulls the arm by extension (direction approaching the boom). Is interposed between the arm and the boom.
  • the base machine is equipped with a hydraulic circuit for expanding and contracting each cylinder.
  • the hydraulic circuit includes a hydraulic pump that sucks and discharges hydraulic oil in a tank, and a plurality of hydraulic pumps that are interposed between the hydraulic pump and the cylinders and switch a supply direction of the hydraulic oil from the hydraulic pump to the cylinders.
  • a control valve, and each cylinder is extended and contracted by operating the control valve.
  • Patent Document 1 describes that a desired excavation operation is performed by a combined operation of a boom raising operation that is an operation in the boom raising direction and an arm pulling operation that is an operation in the arm pulling direction. .
  • Patent Document 1 as means for preventing the vehicle body from floating due to excavation reaction force during the combined operation, a replenishment oil passage that communicates the rod side chamber of the boom cylinder and the head side chamber of the arm cylinder, A switching valve that opens and closes the replenishment oil passage, and the switching valve opens only when the rod side chamber of the boom cylinder rises above a certain level, and the head side chamber from the head side chamber of the arm cylinder to the boom cylinder A technique for automatically extending the boom cylinder while allowing the hydraulic oil to flow into the cylinder is described, but the technique hardly contributes to the reduction of the required power as described above.
  • the present invention is an apparatus provided on a construction machine having a work attachment including a boom and an arm for driving the boom by hydraulic pressure, and required power for excavation work by complex operation including raising operation of the boom.
  • An object of the present invention is to provide an apparatus capable of effectively reducing the above.
  • the excavation reaction force that the work attachment receives from the ground extends the boom cylinder for raising and lowering the boom (that is, moving in the boom raising direction). )
  • the boom cylinder may be extended without supplying hydraulic oil to the boom cylinder.
  • the front end of the base machine is lifted from the ground as shown in FIG.
  • gravity acting on the base machine or the like acts to maintain the base machine in the landing state against the excavation reaction force.
  • a phenomenon may occur in which the boom cylinder is extended by overtaking the supply of hydraulic oil from the hydraulic pump.
  • the boom cylinder can naturally expand and suck the hydraulic oil into the head side chamber. Therefore, in this state, the necessary power for moving the hydraulic pump can be effectively reduced by stopping the active supply of hydraulic oil from the hydraulic pump to the head side chamber of the boom cylinder.
  • an apparatus provided by the present invention is provided in a construction machine including a base machine, a boom attached to the base machine so as to be raised and lowered, and an arm rotatably connected to a tip of the boom.
  • a device for driving the boom hydraulically the boom being interposed between the base machine and the boom and coupled to the boom and the base machine so as to move the boom in an upward direction by extension thereof
  • a cylinder a variable displacement hydraulic pump that sucks and discharges hydraulic oil in the tank, a position where the hydraulic oil discharged from the hydraulic pump is guided to the head side chamber of the boom cylinder and the boom cylinder is extended, and the hydraulic pump
  • the hydraulic oil discharged from the boom cylinder can be switched to a position where the boom cylinder is contracted by guiding it to the rod side chamber of the boom cylinder.
  • a boom cylinder pressure detector that detects at least the pressure in the rod side chamber, and a supply switching that can be switched between a permissible position for allowing hydraulic oil to be supplied from the hydraulic pump to the head side chamber of the boom cylinder and a shutoff position for shutting off
  • a replenishment valve that communicates between the tank and the head side chamber so as to allow replenishment of the hydraulic oil from the tank to the head side chamber of the boom cylinder when the supply switching valve shuts off the supply of the hydraulic oil.
  • An oil passage and the boom raising operation detector detects the boom raising operation, and the boom series
  • the pressure detected by the pressure detector is a state in which the boom cylinder is extended by the excavation reaction force acting on the work attachment even if the hydraulic oil is not supplied from the hydraulic pump to the head side chamber of the boom cylinder. Only when the predetermined extension qualification condition is satisfied, the supply switching valve is switched to the shut-off position, and the capacity of the hydraulic pump is increased as compared with the case where the supply switching valve is in the allowable position. And a controller for reduction.
  • the hydraulic oil from the hydraulic pump to the head side chamber of the boom cylinder is based on at least the pressure of the rod side chamber of the boom cylinder. Even if there is no supply, the excavation reaction force acting on the work attachment causes the boom cylinder to extend (hereinafter referred to as “natural extension state”), in other words, from the tank to the head side chamber through the supply oil passage. It is determined whether or not the hydraulic fluid can be sucked in. When it is determined that the hydraulic fluid is in a naturally extended state, the supply of hydraulic fluid to the head side chamber is shut off, and the pump capacity of the hydraulic pump is Reduced. As a result, it is possible to reduce the power of the hydraulic pump while ensuring normal operation (operation including boom raising operation) of the work attachment.
  • the extension authorization condition includes that the cylinder thrust for extending the boom cylinder, which is obtained based on the pressure in the head side chamber and the rod side chamber, is less than a preset thrust threshold value. Is preferred. Thus, based on the magnitude of the cylinder thrust, it is possible to accurately determine the extension state of the boom cylinder (determination of whether or not it is in the natural extension state). In this case, the boom cylinder pressure detector only needs to detect the pressures in the head side chamber and the rod side chamber of the boom cylinder.
  • an arm pulling operation detector that detects that an arm pulling operation, which is an operation of moving the arm in the pulling direction, is performed, and the controller detects the arm pulling operation in addition to the boom raising operation. It is preferable to switch the supply switching valve to the shut-off position and reduce the capacity of the hydraulic pump only in the case where In this way, in addition to detecting the boom raising operation and satisfying the extension authorization condition, the arm pulling operation detection is included in the supply shut-off conditions, so that other than the excavation reaction force in the excavation work by the boom raising operation / arm pulling operation. For example, when the boom cylinder is extended due to the above factors, for example, when the boom cylinder is periodically extended due to the swing of the work attachment, the supply of hydraulic oil to the head side chamber is prevented from being interrupted. It is.
  • the controller is configured to supply the supply switching valve only when the discharge pressure of the hydraulic pump exceeds a preset pressure threshold value. Is preferably switched to the shut-off position and the capacity of the hydraulic pump is reduced.
  • the amount by which the controller reduces the capacity of the hydraulic pump when the supply of hydraulic oil to the head side chamber is shut off is preferably close to the amount of hydraulic oil that is no longer required to be discharged due to the supply cutoff.
  • the controller calculates the flow rate of the hydraulic oil flowing into the head side chamber of the head cylinder, and the pump capacity corresponding to the flow rate is not operated during normal operation without shutting off the supply of hydraulic oil to the head side chamber. It is preferred to command the subtracted pump capacity as the actual capacity of the hydraulic pump.
  • FIG. 2 shows an example of a hydraulic excavator in which the drive device according to the present invention is mounted.
  • the hydraulic excavator includes a base machine having a lower traveling body 1 and an upper swing body 2 mounted thereon, and a work attachment 9 attached to the upper swing body 2 of the base machine.
  • the work attachment 9 is mounted on the upper swing body 2 so as to be able to move up and down, an arm 4 connected to the tip of the boom 3 so as to be able to rotate, and is attached to the tip of the arm 4 so as to be rotatable.
  • a bucket 5 for excavation is provided for excavation.
  • This hydraulic excavator is equipped with a drive device for moving the work attachment 9 including the boom 3 by hydraulic pressure.
  • This apparatus includes a boom cylinder 6, an arm cylinder 7 and a bucket cylinder 8 shown in FIG. 2, and a hydraulic circuit shown in FIG.
  • the boom cylinder 6 is interposed between the upper swing body 2 and the boom 3, expands and contracts upon receiving hydraulic pressure, moves the boom 3 in the raising direction shown in FIG.
  • the boom 3 and the upper swing body 2 are rotatably connected to each other so as to move the boom 3 in the downward direction.
  • the arm cylinder 7 is interposed between the boom 3 and the arm 4 and expands and contracts when supplied with hydraulic pressure.
  • the arm 4 and the boom 3 are rotatably connected so that the arm 4 is rotated in the pushing direction (the direction away from the boom 3) by the contraction. .
  • the bucket cylinder 8 is interposed between the arm 4 and the bucket 5 and expands and contracts upon receiving hydraulic pressure, and the bucket 5 is scooped in the scooping direction (counterclockwise in FIG. 2).
  • the bucket 5 is pivotally connected to the bucket 5 and the arm 4 so that the bucket 5 is rotated in the opening direction (clockwise direction in FIG. 2) by the contraction.
  • Each of the cylinders 6 to 8 has a cylinder body, a piston loaded in the cylinder, and a rod extending in one direction from the piston, and the piston moves the internal space of the cylinder body into the rod side chamber and the opposite side thereof.
  • the head side chamber is partitioned.
  • the boom cylinder 6 corresponds to the drive target of the drive device according to the present invention, and description of elements for driving the bucket cylinder 8 is omitted in the following description.
  • the hydraulic circuit shown in FIG. 1 includes, as means for moving the boom cylinder 6 and the arm cylinder 7, a hydraulic pump 10, a boom control valve 12 and an arm control valve 14 connected to the hydraulic pump 10, A boom operation device 16 and an arm operation device 18 are provided.
  • the hydraulic pump 10 sucks and discharges hydraulic oil in the tank, and is composed of a variable displacement hydraulic pump whose capacity can be adjusted. Specifically, a regulator 11 is attached to the hydraulic pump 10, and the regulator 11 operates to change the capacity of the hydraulic pump 10 by receiving an input of a capacity control signal described later.
  • the discharge port of the hydraulic pump 10 can communicate with a tank through a center bypass line 20 and a tank line 26 connected thereto, and the boom and arm control valves 12 and 14 are provided on the center bypass line 20.
  • this circuit has a parallel line for supplying hydraulic oil discharged from the hydraulic pump 10 to the control valves 12 and 14 in parallel with each other.
  • a common oil passage 21 branched from the center bypass line 20, and branch oil passages 22, 24 further branched from the common oil passage 21 to reach the control valves 12, 14.
  • the hydraulic pump 10 does not necessarily drive both the boom cylinder 6 and the arm cylinder 7. That is, in the present invention, the boom cylinder and the arm cylinder may be driven by separate hydraulic pumps.
  • the control valves 12 and 14 are each constituted by a three-position hydraulic pilot switching valve.
  • the boom control valve 12 has a pair of pilot ports 12c and 12d.
  • the boom control valve 12 is held at the neutral position 12n, and the pilot pressure is supplied to the pilot port 12c. Is switched to the boom raising position 12a, and when the pilot pressure is inputted to the pilot port 12d, the boom lowering position 12b is switched.
  • the arm control valve 14 has a pair of pilot ports 14c and 14d.
  • the arm control valve 14 When the pilot pressure is not input to both the pilot ports 14c and 14d, the arm control valve 14 is held at the neutral position 14n, and the pilot pressure is applied to the pilot port 14c. When it is input, it is switched to the arm pulling position 14a, and when the pilot pressure is input to the pilot port 14d, it is switched to the arm pushing position 14b.
  • the boom control valve 12 opens the center bypass line 20 at the neutral position 12n and disconnects the boom cylinder 6 from the hydraulic pump 10 and the tank. At the boom raising position 12a, the boom control valve 12 extends in the extending direction. To open the supply side oil passage for introducing hydraulic oil supplied from the hydraulic pump 10 through the branch oil passage 22 into the head side chamber 6a of the boom cylinder 6 and the rod side chamber 6b of the boom cylinder 6 to the tank. An operation that is supplied from the hydraulic pump 10 through the branch oil passage 22 so as to open the return-side oil passage that communicates with the tank through the line 26 and to move the boom cylinder 6 in the contraction direction at the boom lowered position 12b.
  • Supply side oil passage for introducing oil into the rod side chamber 6b of the boom cylinder 6 Thereby opening to open the return side oil path communicating the rod chamber 6b of the boom cylinder 6 to the tank through the tank line 26.
  • the stroke from the neutral position 12n to the boom raising position 12a or the boom lowering position 12b increases in accordance with the magnitude of the input pilot pressure. As the stroke increases, the supply side oil passage and the return line are increased. The opening area of the side oil passage increases.
  • the arm control valve 14 opens the center bypass line 20 and shuts off the arm cylinder 7 from the hydraulic pump 10 and the tank at the neutral position 14n, and the arm cylinder 7 at the arm pulling position 14a.
  • Open the supply side oil passage that introduces hydraulic oil supplied from the hydraulic pump 10 through the branch oil passage 24 to the head side chamber 7a of the arm cylinder 7 and moves the rod side chamber 7b of the arm cylinder 7 Is formed from the hydraulic pump 10 through the branch oil passage 24 so as to move the arm cylinder 7 in the contracting direction at the arm pushing position 14b.
  • the supplied hydraulic fluid is introduced into the rod side chamber 7b of the arm cylinder 7.
  • the stroke from the neutral position 14n to the arm pulling position 14a or the arm pushing position 14b increases in accordance with the magnitude of the input pilot pressure. As the stroke increases, the supply side oil passage and the return line are increased. The opening area of the side
  • the boom operation unit 16 is used by an operator to operate the boom cylinder 6, and includes a pilot hydraulic pressure source (not shown), a boom remote control valve 16a, and a boom operation lever 16b.
  • the boom operation lever 16b is an operation member that is rotated by an operator, and is pivotally connected to the boom remote control valve 16a.
  • the boom operation lever 16b is pivotally connected to the boom remote control valve 16a.
  • the boom remote control valve 16a supplies a pilot pressure generated by the pilot pressure supply source to the boom control valve 12 in accordance with the operation position of the boom operation lever 16b. Specifically, the boom remote control valve 16a does not supply pilot pressure when the boom operation lever 16b is in the neutral position, and the operation amount when the boom operation lever 16b is operated to the boom raising side.
  • the arm operating unit 18 is used by an operator to operate the arm cylinder 7, and includes a pilot hydraulic pressure source (not shown), an arm remote control valve 18a, and an arm operating lever 18b.
  • the arm operating lever 18b is an operating member that is rotated by an operator, and is pivotally connected to the arm remote control valve 18a. Both sides of the arm operating lever 18b, that is, the arm pulling side and the arm pushing side, are sandwiched by the operator. Can be manipulated.
  • the arm remote control valve 18a supplies a pilot pressure generated by the pilot pressure supply source to the arm control valve 14 in accordance with the operation position of the arm operation lever 18b.
  • the arm remote control valve 18a does not supply pilot pressure when the arm operation lever 18b is in the neutral position, and the operation amount when the arm operation lever 18b is operated to the arm pulling side.
  • the pilot pressure is supplied to the pilot port 14c of the arm control valve 14 through the pilot line 19C, and the arm operating lever 18b is operated to the arm pushing side, the magnitude corresponding to the operation amount is supplied. Is supplied to the pilot port 14d of the arm control valve 14 through the pilot line 19D.
  • This device further includes a supply switching valve 30 provided in the branch oil passage 22 which is a supply oil passage to the boom cylinder 6 as a feature thereof.
  • the supply switching valve 30 is constituted by a two-position electromagnetic-hydraulic pilot switching valve having a solenoid 32, and when no switching command signal is input to the solenoid 32, hydraulic fluid in the open position, that is, in the supply direction.
  • the pilot is introduced when the switching command signal is input to the solenoid 32 when the switching command signal is input to the solenoid 32.
  • the pressure is switched to the shut-off position, that is, the position where the branch oil passage 22 is shut off and the supply of hydraulic oil through the branch oil passage 22 is blocked (the lower position in FIG. 1).
  • the supply switching valve 30 can be a simple pilot switching valve. In that case, an electromagnetic switching valve for switching the pilot pressure input to the pilot pressure switching valve may be separately provided.
  • a replenishing oil passage 34 that allows replenishment is provided.
  • the replenishment oil passage 34 is provided so as to communicate the head side chamber 6 a and the tank line 26, and the head side chamber 6 a to the tank line 26 in the middle of the replenishment oil passage 34.
  • a check valve 36 is provided to prevent the flow (back flow) of the hydraulic oil.
  • This check valve 36 may be a dedicated one or may be incorporated in a relief valve with a check valve that constitutes a port relief valve provided for the head side chamber 6a. In other words, the relief flow path provided for the head side chamber 6a may be diverted to the replenishment oil path 34 as it is.
  • this apparatus includes a plurality of pressure sensors provided in the circuit as means for performing switching control of the supply switching valve 30 and control of the capacity of the hydraulic pump 10 in addition to the above components, and A controller 50 that receives a detection signal generated by the pressure sensor and performs a control operation.
  • the pressure sensor includes a pump pressure sensor 40 that detects a pump pressure Pp that is a discharge pressure of the hydraulic pump 10, and a pilot pressure corresponding to a boom raising operation signal, that is, the boom operating device 16 that is output to the pilot line 17C.
  • a boom cylinder head pressure sensor 46A and a boom cylinder rod pressure sensor 46B that respectively detect a head pressure Ph that is a pressure of the head side chamber 6a of the boom cylinder 6 and a rod pressure Pr that is a pressure of the rod side chamber 6b are included.
  • the boom raising pilot pressure sensor 42, the arm pulling pilot pressure sensor 44, and the head pressure and rod pressure sensors 46A and 46B are respectively a boom raising detector, an arm pulling detector, and a boom cylinder. Corresponds to pressure detector.
  • the controller 50 includes a computer or the like, and has a boom cylinder thrust determining unit 52, a supply switching control unit 54, and a pump capacity control unit 56 as shown in FIG.
  • the boom cylinder thrust determining unit 52 is hydraulic fluid supplied to the head side chamber 6a based on the head pressure Ph and the rod pressure Pr detected by the boom cylinder head pressure sensor 46A and the boom cylinder rod pressure sensor 46B.
  • the thrust Fd for expanding the boom cylinder 6 is calculated, and it is determined whether or not this thrust is below a preset thrust threshold Fo. This determination is to determine whether or not the boom cylinder 6 has been extended beyond the supply of hydraulic oil to the head side chamber 6a by an excavation reaction force as will be described later.
  • the fact that the thrust Fd of the boom cylinder 6 is lower than the thrust threshold Fo (Fd ⁇ Fo) indicates that the extension certification condition according to the present invention, that is, the hydraulic pump 10 to the boom cylinder 6
  • the condition for determining that the excavation reaction force is in a state of extending the boom cylinder 6 even when no hydraulic oil is supplied to the head side chamber 6a is set.
  • the thrust Fd is calculated based on the following equation (1).
  • Fh and Fr are the forces received by the piston of the boom cylinder 6 from the head side chamber 6a and the rod side chamber 6b, respectively
  • Ah and Ar are the pressure receiving areas of the pistons in the head side chamber 6a and the rod side chamber 6b.
  • the thrust threshold value Fo can be set as appropriate, but considering that Fh ⁇ Fo is the extension certification condition, Fo ⁇ 0, that is, the thrust threshold value Fo is 0 or a value in the vicinity thereof. Is preferred. However, Fo may be set to a negative value sufficiently away from 0 in order to more carefully determine that the boom cylinder 6 is in the natural extension state.
  • the supply switching control unit 54 controls the supply switching valve 30 only when all the following conditions A to D are satisfied (YES in steps S1 to S4 in the flowchart shown in FIG. 4).
  • a switching command signal is output and switched to the cut-off position (step S6 in the flowchart). Otherwise (NO in any of steps S1 to S4), the output of the switching command signal is stopped and the switching command signal is stopped.
  • the supply switching valve 30 is held at the open position (step S5 in the flowchart).
  • Condition B The arm operating device 18 is operated in the arm pulling direction. That is, the pilot pressure (pressure in the pilot line 19C) as an arm pulling operation signal is rising (YES in step S2).
  • Condition D The pump pressure Pp detected by the pump pressure sensor 40 exceeds the preset pump pressure threshold Po (YES in step S4).
  • condition B determine whether or not excavation work as shown in FIG. 2, that is, excavation work by a combined operation in which a boom raising operation and an arm pulling operation are performed simultaneously, is performed. is there.
  • Condition B can be omitted, but considering this condition B, a situation in which the boom cylinder thrust Fd falls below the thrust threshold Fo due to factors other than the excavation reaction force in the excavation work (for example, work attachments) 9), it is possible to prevent the supply of hydraulic oil to the head side chamber 6a from being interrupted in a situation where the head pressure Ph and the rod pressure Pr fluctuate greatly due to the swinging of the head 9.
  • condition D excludes that the hydraulic oil supply is shut off in a situation where the pump pressure Pp is low and the excavation reaction force is assumed not to occur (for example, the work attachment 9 is floating from the ground). Is to do.
  • This condition D can also be omitted according to the specification.
  • the determination accuracy is lowered in place of the condition C, but as a simple means, it may be set as the extension certification condition that the rod pressure Pr is equal to or higher than a preset rod pressure threshold.
  • the pump capacity control unit 56 controls the capacity of the hydraulic pump 10, and in this embodiment, when the supply switching valve 30 is switched to the shut-off position (step S6), the pump capacity control unit 56 is configured to shut off the supply. Control for reducing the capacity of the hydraulic pump 10 is performed as much as the supply is no longer needed when the supply switching valve 30 is not switched to the shut-off position (step S5).
  • the capacity to be reduced is calculated in the following manner, for example.
  • the boom-side control valve 12 Based on the boom raising operation signal, the boom-side control valve 12 specifies the return side oil passage that opens at the boom raising position 12a, that is, the opening area At of the oil passage from the rod side chamber 6b to the tank.
  • the “return-side oil passage opening area At” here is a value obtained by converting the flow resistance in the return-side oil passage into the opening area of the throttle, and as shown in FIG. 5, the opening with respect to the boom raising operation signal.
  • the characteristics of the area At are determined by the operating characteristics of the direction switching valve constituting the boom control valve 12, the pressure loss in each flow path, and the like. Therefore, the opening area At can be specified based on this characteristic.
  • the flow rate Qh flowing into the head side chamber 6a is converted into a pump capacity.
  • the final capacity is obtained by subtracting the reduced capacity Vh from the pump capacity (normal pump capacity) Vo to be set when the supply of hydraulic oil to the head side chamber 6a is not shut off.
  • a capacity operation signal is input to the regulator 11 of the hydraulic pump 10.
  • the normal pump capacity Vo can be determined by various conventionally known calculation methods. For example, calculation based on position control for increasing the pump capacity as each operation amount of the boom operation unit 16 and the arm operation unit 18 increases, or based on the pump pressure Pp so that the pump driving horsepower approaches a predetermined characteristic. It may be determined based on calculations based on horsepower control that changes the pump capacity, or on the lower selection of values obtained by these calculations.
  • the flow rate Qr of the hydraulic oil actually input to the rod side chamber 6b is calculated based on the opening area At of the boom return side oil passage, and this flow rate flows into the head side chamber 6a.
  • the supply side oil passage where the boom control valve 12 opens at the boom raising position 12a that is, the oil passage from the hydraulic pump 10 to the head side chamber 6a is replaced.
  • the virtual flow rate Qh ′ of hydraulic oil that will flow into the head chamber 6a when the supply switching valve 30 is open may be estimated and calculated.
  • the operations 1 ') and 2') may be performed.
  • an opening area As of the supply side oil passage that the boom control valve 12 opens at the boom raising position 12a is specified.
  • the “opening area As of the supply side oil passage” here is also a value obtained by converting the flow resistance in the supply side oil passage into the opening area of the throttle, and as shown in FIG. 6, the opening area with respect to the boom raising operation signal.
  • the characteristics of As are also determined by the operating characteristics of the direction switching valve constituting the boom control valve 12, the pressure loss in each flow path, and the like. Therefore, it is possible to specify the opening area As based on this characteristic.
  • the supply switching control unit 54 of the controller 50 turns on the supply switching valve 30.
  • the switch command signal is not output and held in the open position, and the pump capacity control unit 56 sets the pump capacity Vo for normal operation (step S5). Therefore, the hydraulic pump 10 discharges hydraulic oil at a normal flow rate, and this hydraulic oil is supplied to the boom control valve 12 as it is.
  • the supply switching control unit 54 outputs a switching command signal to the supply switching valve 30.
  • This is switched to the shut-off position to forcibly shut off the supply of hydraulic oil from the hydraulic pump 10 to the head side chamber 6a of the boom cylinder 6, while the pump capacity control unit 56 sets the pump capacity to be higher than the normal pump capacity Vo. It is reduced by a reduced capacity Vh (pump capacity corresponding to the hydraulic oil flow rate Qh flowing into the head side chamber 6a or the virtual flow rate Qh 'of the hydraulic oil that will flow in) (step S6).
  • Vh pump capacity corresponding to the hydraulic oil flow rate Qh flowing into the head side chamber 6a or the virtual flow rate Qh 'of the hydraulic oil that will flow in
  • An operation state that satisfies the conditions A to D can basically occur during excavation work as shown in FIG. That is, as shown in FIG. 2, in the excavation work in which the boom raising operation and the arm pulling operation are performed simultaneously, the excavation reaction force that the bucket 5 receives from the ground is the base machine (in FIG. 2, the lower traveling body 1 and the upper swing body 2). ), The gravity acting on the base machine acts against the excavation reaction force so as to keep the grounding state of the base machine. The power of is added. When this force becomes larger than a certain level, the boom cylinder 6 naturally expands without supplying hydraulic oil from the hydraulic pump 10 to the head side chamber 6a, and the supply becomes unnecessary.
  • the conditions A to D are conditions for certifying whether or not the boom cylinder 6 is in such a natural extension state.
  • the controller 50 controls the supply switching valve 30.
  • the supply of the hydraulic oil is cut off, and the capacity of the hydraulic pump 10 is reduced by an amount corresponding to the flow rate of the hydraulic oil that will be supplied from the hydraulic pump 10 to the head side chamber 6a when there is no such cutoff. Thereby, reduction of the required power of the hydraulic pump 10 is realizable.
  • the boom cylinder 6 can be extended without receiving the supply of the hydraulic oil from the hydraulic pump 10 by sucking the hydraulic oil in the tank into the head side chamber 6a through the supply oil passage 34.
  • the reduced capacity Vh is not necessarily a capacity corresponding to the flow rate into the head side chamber 6a, and may be determined to be a constant capacity, for example.

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Description

建設機械のブーム駆動装置
　本発明は、ブーム及びアームを含む作業アタッチメントを備えた油圧ショベル等の建設機械に設けられ、当該ブームを油圧により駆動するための装置に関する。
　一般的な油圧ショベルは、ベースマシンと、このベースマシンに取付けられる作業アタッチメントと、を備え、当該作業アタッチメントは、起伏可能なブームと、このブームの先端に回動可能に連結されるアームと、このアームの先端に取付けられるバケットと、前記ブームを起伏させるブームシリンダと、前記アームを回動させるアームシリンダと、前記バケットを回動させるバケットシリンダと、を有する。前記ブームシリンダは、その伸長により前記ブームを上げ方向に動かすように当該ブームと前記ベースマシンとの間に介設され、前記アームシリンダは、その伸長により前記アームを引き方向（ブームに近づく方向）に回動させるように当該アームと前記ブームとの間に介設される。
　前記ベースマシンには、前記各シリンダを伸縮させるための油圧回路が搭載される。この油圧回路は、タンク内の作動油を吸い込んで吐出する油圧ポンプと、この油圧ポンプと前記各シリンダとの間に介在して当該油圧ポンプから当該シリンダへの作動油の供給方向を切換える複数のコントロールバルブと、を含み、当該コントロールバルブの作動によって前記各シリンダの伸長操作及び収縮操作が行われる。
　このような油圧ショベルでは、前記ブーム、アーム及びバケットの動きにより、掘削その他の種々の作業が実現される。例えば特許文献１には、前記ブームの上げ方向の操作であるブーム上げ操作と前記アームの引き方向の操作であるアーム引き操作との複合操作によって所望の掘削作業が行われることが記載されている。
　この油圧ショベルに例示される従来の建設機械では、前記各シリンダを伸縮させるべく前記油圧ポンプを回転させるために相当の動力、例えばエンジン馬力、が必要であり、その低減が重要な課題である。特に、前記のようなブーム上げ操作とアーム引き操作とを同時に行うような掘削作業時には、ブームシリンダ及びアームシリンダを同時に伸長させるために相当な馬力を要しており、その改善が求められている。
　前記特許文献１には、前記複合操作時に掘削反力で車体が浮き上がるのを防ぐための手段として、前記ブームシリンダのロッド側室と前記アームシリンダのヘッド側室とを連通する補給用油路と、この補給用油路を開閉する切換弁と、が設けられ、前記ブームシリンダのロッド側室が一定以上まで高まったときにのみ前記切換弁が開いて前記アームシリンダのヘッド側室から前記ブームシリンダへのヘッド側室への作動油の流入を許容して自動的にブームシリンダを伸長させる技術が記載されているが、当該技術は前記のような必要動力の削減にはほとんど寄与しない。
ＷＯ２００４／００５７２７
　本発明は、ブーム及びアームを含む作業アタッチメントを備えた建設機械に設けられて当該ブームを油圧により駆動するための装置であって、前記ブームの上げ操作を含む複合操作による掘削作業での必要動力を有効に低減することが可能な装置を提供することを目的とする。
　この目的を達成するために、本発明者らは、掘削作業時において、前記作業アタッチメントが地盤から受ける掘削反力が、前記ブームを起伏させるためのブームシリンダを伸長させる（即ちブーム上げ方向に動かす）力として作用するために、当該ブームシリンダへの作動油の供給がなくてもブームシリンダが伸張し得る場合が存する点に着目した。具体的に、前記ブーム上げ操作を含む複合操作、例えば当該ブーム上げ操作とアーム引き操作とによる掘削作業時には、前記特許文献１の図７にも示すようにベースマシンの前端を地面から浮き上がらせるような掘削反力が発生するが、その一方でベースマシン等に作用する重力は前記掘削反力に抗してベースマシンを着地状態に維持するように作用するため、当該ブームシリンダのヘッド側室への油圧ポンプからの作動油の供給を追い越して当該ブームシリンダが伸長させられる現象が生じ得る。このような状態では、油圧ポンプから前記ブームシリンダのヘッド側室に積極的に作動油を押し込まなくても当該ブームシリンダが自ずと伸張して当該ヘッド側室に作動油を吸込むことが可能である。従って、当該状態では前記油圧ポンプから前記ブームシリンダのヘッド側室への作動油の積極的な供給を休止することにより、当該油圧ポンプを動かすための必要動力を有効に低減することが可能である。
　本発明は、このような観点からなされたものであり、次の構成を有する装置を提供する。すなわち、本発明が提供する装置は、ベースマシンと、このベースマシンに起伏可能に取付けられるブームと、このブームの先端に回動可能に連結されるアームと、を備えた建設機械に設けられて当該ブームを油圧により駆動するための装置であって、前記ベースマシンと前記ブームとの間に介在し、その伸長により前記ブームを上げ方向に動かすように当該ブーム及び前記ベースマシンに連結されるブームシリンダと、タンク内の作動油を吸込んで吐出する可変容量型の油圧ポンプと、この油圧ポンプが吐出する作動油を前記ブームシリンダのヘッド側室に導いて当該ブームシリンダを伸長させる位置と当該油圧ポンプが吐出する作動油を前記ブームシリンダのロッド側室に導いて当該ブームシリンダを収縮させる位置とに切換可能なブーム用コントロールバルブと、このブーム用コントロールバルブについて前記ブームを上げ方向に動かすためのブーム上げ操作が行われていることを検出するブーム上げ操作検出器と、前記ブームシリンダのヘッド側室及びロッド側室のうちの少なくともロッド側室の圧力をそれぞれ検出するブームシリンダ圧力検出器と、前記油圧ポンプから前記ブームシリンダのヘッド側室への作動油の供給を許容する許容位置と遮断する遮断位置とに切換可能な供給切換弁と、この供給切換弁が前記作動油の供給を遮断したときに前記タンクから前記ブームシリンダのヘッド側室への作動油の補給を許容するように当該タンクと当該ヘッド側室とを連通する補給用油路と、前記ブーム上げ操作検出器が前記ブーム上げ操作を検出し、かつ、前記ブームシリンダ圧力検出器により検出される圧力が、前記油圧ポンプから前記ブームシリンダのヘッド側室への作動油の供給がなくても前記作業アタッチメントに作用する掘削反力が前記ブームシリンダを伸長させる状態であると判断するために予め設定された伸長認定条件を満たす場合にのみ、前記供給切換弁を前記遮断位置に切換えるとともに、当該供給切換弁が前記許容位置にある場合に比べて前記油圧ポンプの容量を低減させるコントローラと、を備える。
　この装置によれば、前記ブームシリンダについてブーム上げ方向の操作が行われているときに、当該ブームシリンダの少なくともロッド側室の圧力に基づいて、前記油圧ポンプから前記ブームシリンダのヘッド側室への作動油の供給がなくても前記作業アタッチメントに作用する掘削反力が前記ブームシリンダを伸長させる状態（以下「自然伸長状態」と称する。）、換言すれば、補給用油路を通じてタンクからヘッド側室内への作動油の吸い込みが可能な状態、であるか否かが判断され、自然伸長状態と判断されたときに前記ヘッド側室への作動油の供給が遮断されるとともに、前記油圧ポンプのポンプ容量が低減される。これにより、前記作業アタッチメントの正常な動作（ブーム上げ動作を含む動作）を保証しながら前記油圧ポンプの動力を節減することが可能となる。
　具体的に、前記伸張認定条件としては、前記ヘッド側室及び前記ロッド側室の圧力に基づいて求められる、前記ブームシリンダを伸長させるシリンダ推力が、予め設定された推力閾値未満であること、を含むものが好適である。このようにシリンダ推力の大きさを基礎とすることにより、ブームシリンダの伸張状態の判定（自然伸張状態であるか否かの判定）を的確に行うことが可能となる。この場合は、前記ブームシリンダ圧力検出器が、当該ブームシリンダのヘッド側室及びロッド側室のそれぞれの圧力を検出するものであればよい。
　さらに、前記アームを引き方向に動かす操作であるアーム引き操作が行われていることを検出するアーム引き操作検出器を備え、前記コントローラが、前記ブーム上げ操作に加えて前記アーム引き操作が検出されている場合にのみ、前記供給切換弁を前記遮断位置に切換え、かつ、前記油圧ポンプの容量を低減させることが、好ましい。このように、ブーム上げ操作の検出及び前記伸張認定条件の充足に加えてアーム引き操作の検出を供給遮断の条件に含むことにより、ブーム上げ操作／アーム引き操作による掘削作業での掘削反力以外の要因でブームシリンダが伸張する場合、例えば、作業アタッチメントの揺動に起因して前記ブームシリンダが周期的に伸張する場合、に前記ヘッド側室への作動油供給が遮断されることが、防がれる。
　さらに、前記コントローラは、前記ブーム上げ操作及び前記アーム引き操作の検出および前記伸張認定条件の充足に加え、前記油圧ポンプの吐出圧力が予め設定された圧力閾値を超える場合にのみ、前記供給切換弁を前記遮断位置に切換え、かつ、前記油圧ポンプの容量を低減させることが、好ましい。このように、油圧ポンプの吐出圧力を考慮することにより、負荷のほとんどない状態（例えば作業アタッチメントが地面から浮いた状態）で前記ブーム上げ操作及び前記アーム引き操作が行われているときに前記ヘッド側室への作動油供給が遮断されることが、防がれる。
　前記ヘッド側室への作動油の供給の遮断時に前記コントローラが前記油圧ポンプの容量を低減させる量は、当該供給遮断により吐出が不要となった作動油の量に近いことが好ましい。具体的に、前記コントローラは、前記ヘッドシリンダのヘッド側室に流入する作動油の流量を演算し、当該流量に相当するポンプ容量を前記ヘッド側室への作動油の供給の遮断を行わない通常運転時に設定されるポンプ容量から減じたものを前記油圧ポンプの実際の容量として指令するのが、好ましい。
本発明の実施の形態に係る油圧駆動装置を示す回路図である。 前記油圧駆動装置が搭載される油圧ショベルの例を示す正面図である。 前記油圧駆動装置のコントローラの機能構成及びその入出力信号を示すブロック図である。 前記コントローラが行う演算制御動作を示すフローチャートである。 前記油圧駆動装置におけるブーム上げ操作信号とブーム用戻り側油路の開口面積との関係の例を示すグラフである。 前記油圧駆動装置におけるブーム上げ操作信号とブーム用供給側油路の開口面積との関係の例を示すグラフである。
　本発明の好ましい実施の形態を図１～図５を参照しながら説明する。
　図２は、本発明に係る駆動装置が搭載される油圧ショベルの例を示す。この油圧ショベルは、下部走行体１及びこれに搭載される上部旋回体２を有するベースマシンと、このベースマシンの上部旋回体２に取付けられる作業アタッチメント９と、を備える。作業アタッチメント９は、前記上部旋回体２に起伏可能に取付けられるブーム３と、このブーム３の先端に回動可能に連結されるアーム４と、当該アーム４の先端部に回動可能に装着される掘削用のバケット５と、を有する。
　この油圧ショベルには、前記ブーム３を含む作業アタッチメント９を油圧により動かすための駆動装置が搭載される。この装置は、図２に示すブームシリンダ６、アームシリンダ７及びバケットシリンダ８と、図１に示す油圧回路と、を備える。
　前記ブームシリンダ６は、前記上部旋回体２と前記ブーム３との間に介設され、油圧の供給を受けて伸縮し、その伸長により前記ブーム３を図２に示す上げ方向に動かしかつその収縮により前記ブーム３を下げ方向に動かすように、当該ブーム３と前記上部旋回体２とにそれぞれ回動可能に連結される。同様に、前記アームシリンダ７は、前記ブーム３と前記アーム４との間に介設され、油圧の供給を受けて伸縮し、その伸長により前記アーム４を図２に示すような引き方向（ブーム３に近づく方向）に回動させかつその収縮により当該アーム４を押し方向（ブーム３から離れる方向）に回動させるように、当該アーム４と前記ブーム３とにそれぞれ回動可能に連結される。また、前記バケットシリンダ８は、前記アーム４と前記バケット５との間に介設され、油圧の供給を受けて伸縮し、その伸長により前記バケット５をすくい方向（図２では反時計回り方向）に回動させかつその収縮により当該バケット５を開き方向（図２では時計回り方向）に回動させるように、当該バケット５と前記アーム４とにそれぞれ回動可能に連結される。
　前記各シリンダ６～８は、シリンダ本体と、これに装填されるピストンと、このピストンから一方向に延びるロッドと、を有し、前記ピストンは前記シリンダ本体の内部空間をロッド側室とその反対側のヘッド側室とに区画する。これらのシリンダ６～８のうち、本発明に係る駆動装置の駆動対象に相当するのはブームシリンダ６であり、以下の記載では当該バケットシリンダ８の駆動のための要素についての説明を省略する。
　図１に示す油圧回路は、前記ブームシリンダ６及び前記アームシリンダ７を動かすための手段として、油圧ポンプ１０と、この油圧ポンプ１０に接続されるブーム用コントロールバルブ１２及びアーム用コントロールバルブ１４と、ブーム操作器１６と、アーム操作器１８と、を備える。
　前記油圧ポンプ１０は、タンク内の作動油を吸込んで吐出するものであって、その容量が調節可能な可変容量型油圧ポンプにより構成される。具体的に、当該油圧ポンプ１０にはレギュレータ１１が付設され、このレギュレータ１１は後述の容量制御信号の入力を受けることにより前記油圧ポンプ１０の容量を変化させるように作動する。
　前記油圧ポンプ１０の吐出口はセンターバイパスライン２０及びこれにつながるタンクライン２６を通じてタンクに連通可能であり、このセンターバイパスライン２０上に前記ブーム用及びアーム用コントロールバルブ１２，１４が設けられる。さらに、この回路は、前記センターバイパスライン２０とは別に、前記油圧ポンプ１０が吐出する作動油を前記各コントロールバルブ１２，１４に相互並列に供給するためのパラレルラインを有し、このパラレルラインは、前記センターバイパスライン２０から分岐する共通油路２１と、この共通油路２１からさらに分岐して前記各コントロールバルブ１２，１４に至る分岐油路２２，２４と、を有する。
　前記油圧ポンプ１０は必ずしもブームシリンダ６及びアームシリンダ７の双方を駆動するものでなくてもよい。すなわち、本発明では、ブームシリンダとアームシリンダとがそれぞれ別の油圧ポンプにより駆動されてもよい。
　前記各コントロールバルブ１２，１４は、この実施の形態では３位置油圧パイロット切換弁により構成される。具体的に、ブーム用コントロールバルブ１２は、一対のパイロットポート１２ｃ，１２ｄを有し、両パイロットポート１２ｃ，１２ｄにパイロット圧が入力されないときは中立位置１２ｎに保持され、前記パイロットポート１２ｃにパイロット圧が入力されたときはブーム上げ位置１２ａに切換えられ、前記パイロットポート１２ｄにパイロット圧が入力されたときはブーム下げ位置１２ｂに切換えられる。同様に、アーム用コントロールバルブ１４は、一対のパイロットポート１４ｃ，１４ｄを有し、両パイロットポート１４ｃ，１４ｄにパイロット圧が入力されないときは中立位置１４ｎに保持され、前記パイロットポート１４ｃにパイロット圧が入力されたときはアーム引き位置１４ａに切換えられ、前記パイロットポート１４ｄにパイロット圧が入力されたときはアーム押し位置１４ｂに切換えられる。
　前記ブーム用コントロールバルブ１２は、前記中立位置１２ｎでは、前記センターバイパスライン２０を開通するとともにブームシリンダ６を油圧ポンプ１０及びタンクから遮断し、前記ブーム上げ位置１２ａでは、前記ブームシリンダ６を伸張方向に動かすように、油圧ポンプ１０から前記分岐油路２２を通じて供給される作動油をブームシリンダ６のヘッド側室６ａに導入する供給側油路を開通するとともに当該ブームシリンダ６のロッド側室６ｂを前記タンクライン２６を通じてタンクに連通する戻り側油路を開通し、逆に前記ブーム下げ位置１２ｂでは、前記ブームシリンダ６を収縮方向に動かすように、油圧ポンプ１０から前記分岐油路２２を通じて供給される作動油をブームシリンダ６のロッド側室６ｂに導入する供給側油路を開通するとともに当該ブームシリンダ６のロッド側室６ｂを前記タンクライン２６を通じてタンクに連通する戻り側油路を開通する。前記中立位置１２ｎから前記ブーム上げ位置１２ａまたは前記ブーム下げ位置１２ｂへのストロークは入力されるパイロット圧の大きさに対応して増大し、このストロークの増大に伴って前記供給側油路及び前記戻り側油路の開口面積が増加する。
　同様に、前記アーム用コントロールバルブ１４は、前記中立位置１４ｎでは、前記センターバイパスライン２０を開通するとともにアームシリンダ７を油圧ポンプ１０及びタンクから遮断し、前記アーム引き位置１４ａでは、前記アームシリンダ７を伸張方向に動かすように、油圧ポンプ１０から前記分岐油路２４を通じて供給される作動油をアームシリンダ７のヘッド側室７ａに導入する供給側油路を開通するとともに当該アームシリンダ７のロッド側室７ｂを前記タンクライン２６を通じてタンクに連通する戻り側油路を形成し、逆に前記アーム押し位置１４ｂでは、前記アームシリンダ７を収縮方向に動かすように、前記油圧ポンプ１０から前記分岐油路２４を通じて供給される作動油をアームシリンダ７のロッド側室７ｂに導入する供給側油路を形成するとともに当該アームシリンダ７のロッド側室７ｂを前記タンクライン２６を通じてタンクに連通する戻り側油路を開通する。前記中立位置１４ｎから前記アーム引き位置１４ａまたは前記アーム押し位置１４ｂへのストロークは入力されるパイロット圧の大きさに対応して増大し、このストロークの増大に伴って前記供給側油路及び前記戻り側油路の開口面積が増加する。
　前記ブーム操作器１６は、オペレータが前記ブームシリンダ６を操縦するために用いるもので、図略のパイロット油圧源と、ブーム用リモコン弁１６ａと、ブーム操作レバー１６ｂと、を有する。ブーム操作レバー１６ｂは、オペレータにより回動操作される操作部材であり、前記ブーム用リモコン弁１６ａに回動可能に連結され、オペレータによって中立位置を挟んでその両側すなわちブーム上げ側とブーム下げ側とに操作されることが可能である。ブーム用リモコン弁１６ａは、前記ブーム操作レバー１６ｂの操作位置に応じて前記ブーム用コントロールバルブ１２に前記パイロット圧供給源が生成するパイロット圧を供給する。具体的に、前記ブーム用リモコン弁１６ａは、前記ブーム操作レバー１６ｂが中立位置にあるときはパイロット圧の供給を行わず、前記ブーム操作レバー１６ｂがブーム上げ側に操作されたときはその操作量に対応する大きさのパイロット圧をパイロットライン１７Ｃを通じて前記ブーム用コントロールバルブ１２のパイロットポート１２ｃに供給し、前記ブーム操作レバー１６ｂがブーム下げ側に操作されたときはその操作量に対応する大きさのパイロット圧をパイロットライン１７Ｄを通じて前記ブーム用コントロールバルブ１２のパイロットポート１２ｄに供給する。
　同様に、前記アーム操作器１８は、オペレータが前記アームシリンダ７を操縦するために用いるもので、図略のパイロット油圧源と、アーム用リモコン弁１８ａと、アーム操作レバー１８ｂと、を有する。アーム操作レバー１８ｂは、オペレータにより回動操作される操作部材であり、前記アーム用リモコン弁１８ａに回動可能に連結され、オペレータによって中立位置を挟んでその両側すなわちアーム引き側とアーム押し側とに操作されることが可能である。アーム用リモコン弁１８ａは、前記アーム操作レバー１８ｂの操作位置に応じて前記アーム用コントロールバルブ１４に前記パイロット圧供給源が生成するパイロット圧を供給する。具体的に、前記アーム用リモコン弁１８ａは、前記アーム操作レバー１８ｂが中立位置にあるときはパイロット圧の供給を行わず、前記アーム操作レバー１８ｂがアーム引き側に操作されたときはその操作量に対応する大きさのパイロット圧をパイロットライン１９Ｃを通じて前記アーム用コントロールバルブ１４のパイロットポート１４ｃに供給し、前記アーム操作レバー１８ｂがアーム押し側に操作されたときはその操作量に対応する大きさのパイロット圧をパイロットライン１９Ｄを通じて前記アーム用コントロールバルブ１４のパイロットポート１４ｄに供給する。
　この装置は、その特徴として、前記ブームシリンダ６への供給油路である前記分岐油路２２に設けられる供給切換弁３０をさらに備える。この供給切換弁３０は、この実施の形態では、ソレノイド３２を有する２位置電磁－油圧式パイロット切換弁により構成され、前記ソレノイド３２に切換指令信号が入力されないときには開通位置すなわち供給方向への作動油の流れのみを許容するように前記分岐油路２２を開通する位置（図１では上側位置）に保持され、前記ソレノイド３２に切換指令信号が入力されたときは当該入力に伴って導入されるパイロット圧によって遮断位置、すなわち前記分岐油路２２を遮断して当該分岐油路２２を通じての作動油の供給を阻止する位置（図１では下側位置）、に切換えられる。この供給切換弁３０には、単なるパイロット切換弁が用いられることも可能である。その場合、当該パイロット圧切換弁に入力されるパイロット圧の切換のための電磁切換弁が別に付設されればよい。
　また、この装置は、前記供給切換弁３０により作動油の供給が遮断されたときにブームシリンダ６の伸長に伴ってタンク内の作動油が前記ブームシリンダ６のヘッド側室６ａに吸込まれる、すなわち補給される、のを許容する補給用油路３４を備える。この実施の形態に係る補給用油路３４は、前記ヘッド側室６ａと前記タンクライン２６とを連通するように設けられ、当該補給用油路３４の途中に前記ヘッド側室６ａから前記タンクライン２６への作動油の流れ（逆流）を阻止するチェック弁３６が設けられている。このチェック弁３６は、専用のものであってもよいし、前記ヘッド側室６ａについて設けられたポートリリーフ弁を構成するチェック弁付リリーフ弁に内蔵されるものであってもよい。換言すれば、前記補給用油路３４には、前記へッド側室６ａについて設けられたリリーフ用流路がそのまま流用されてもよい。
　さらに、この装置は、前記の構成要素に加え、前記供給切換弁３０の切換制御及び前記油圧ポンプ１０の容量の制御を行うための手段として、前記回路中に設けられる複数の圧力センサと、これらの圧力センサが生成する検出信号の入力を受けて制御動作を行うコントローラ５０と、を備える。
　前記圧力センサには、前記油圧ポンプ１０の吐出圧であるポンプ圧Ｐｐを検出するポンプ圧センサ４０と、ブーム上げ操作信号に相当するパイロット圧すなわち前記ブーム操作器１６が前記パイロットライン１７Ｃに出力するパイロット圧を検出するブーム上げパイロット圧センサ４２と、アーム引き操作信号に相当するパイロット圧すなわち前記アーム操作器１８が前記パイロットライン１９Ｃに出力するパイロット圧を検出するアーム引きパイロット圧センサ４４と、前記ブームシリンダ６のヘッド側室６ａの圧力であるヘッド圧Ｐｈ及びロッド側室６ｂの圧力であるロッド圧Ｐｒをそれぞれ検出するブームシリンダヘッド圧センサ４６Ａ及びブームシリンダロッド圧センサ４６Ｂと、が含まれる。このうち、前記ブーム上げパイロット圧センサ４２、前記アーム引きパイロット圧センサ４４、並びに前記ヘッド圧及びロッド圧センサ４６Ａ，４６Ｂは、それぞれ本発明に係るブーム上げ検出器、アーム引き検出器、及びブームシリンダ圧力検出器に相当する。
　前記コントローラ５０は、コンピュータ等からなり、図３に示すようなブームシリンダ推力判定部５２、供給切換制御部５４、及びポンプ容量制御部５６を有する。
　前記ブームシリンダ推力判定部５２は、ブームシリンダへッド圧センサ４６Ａおよびブームシリンダロッド圧センサ４６Ｂが検出するへッド圧Ｐｈおよびロッド圧Ｐｒに基づいて、前記ヘッド側室６ａに供給される作動油の圧力がブームシリンダ６を伸張させる推力Ｆｄを演算し、この推力が予め設定された推力閾値Ｆｏを下回っているか否かを判定する。この判定は、後述のような掘削反力によってブームシリンダ６がそのヘッド側室６ａへの作動油の供給を超えて伸張させられているか否かを判定するものである。すなわち、この実施の形態では、前記ブームシリンダ６の推力Ｆｄが前記推力閾値Ｆｏを下回ること（Ｆｄ＜Ｆｏ）が、本発明に係る伸張認定条件、すなわち、前記油圧ポンプ１０から前記ブームシリンダ６のヘッド側室６ａへの作動油の供給がなくても前記掘削反力が前記ブームシリンダ６を伸長させる状態であると判断するための条件、に設定されている。
　前記推力Ｆｄは、次式（１）に基づいて演算される。
　Ｆｄ＝Ｆｈ－Ｆｒ＝Ｐｈ×Ａｈ－Ｐｒ×Ａｒ　　…（１）
　ここで、Ｆｈ，Ｆｒはブームシリンダ６のピストンがヘッド側室６ａ及びロッド側室６ｂからそれぞれ受ける力、Ａｈ，Ａｒはヘッド側室６ａ及びロッド側室６ｂでの当該ピストンのそれぞれの受圧面積を示す。
　前記推力閾値Ｆｏは、適宜設定が可能であるが、Ｆｈ＜Ｆｏが前記伸張認定条件であることに鑑みると、Ｆｏ≒０であること、すなわち推力閾値Ｆｏが０またはその近傍の値であることが、好ましい。ただし、ブームシリンダ６が自然伸張状態であることをより慎重に判断するためにＦｏが０から十分離れた負の値に設定されてもよい。
　前記供給切換制御部５４は、この実施の形態では、下記の条件Ａ～Ｄを全て満たす場合にのみ（図４に示されるフローチャートのステップＳ１～Ｓ４でいずれもＹＥＳ）、前記供給切換弁３０に切換指令信号を出力してこれを遮断位置に切換え（同フローチャートのステップＳ６）、それ以外の場合には（前記ステップＳ１～Ｓ４のいずれかでＮＯ）当該切換指令信号の出力を停止して前記供給切換弁３０を開通位置に保持する（同フローチャートのステップＳ５）。
　条件Ａ：ブーム操作器１６がブーム上げ方向に操作されていること。すなわち、ブーム上げ操作信号であるパイロット圧（パイロットライン１７Ｃ内の圧力）が立ち上っていること（ステップＳ１でＹＥＳ）。
　条件Ｂ：アーム操作器１８がアーム引き方向に操作されていること。すなわち、アーム引き操作信号であるパイロット圧（パイロットライン１９Ｃ内の圧力）が立ち上っていること（ステップＳ２でＹＥＳ）。
　条件Ｃ：ブームシリンダ推力Ｆｄが推力閾値Ｆｏを下回っていること（ステップＳ３でＹＥＳ）。
　条件Ｄ：ポンプ圧センサ４０が検出するポンプ圧Ｐｐが予め設定されたポンプ圧閾値Ｐｏを上回っていること（ステップＳ４でＹＥＳ）。
　ここで、前記条件Ａ及びＢは、図２に示すような掘削作業、すなわち、ブーム上げ操作とアーム引き操作とが同時に行われる複合操作による掘削作業が行われているか否かを判定するものである。条件Ｂは省略することも可能であるが、この条件Ｂを考慮することにより、前記掘削作業での掘削反力以外の要因でブームシリンダ推力Ｆｄが推力閾値Ｆｏを下回るような状況（例えば作業アタッチメント９の揺動によりヘッド圧Ｐｈ及びロッド圧Ｐｒが大きく変動するような状況）でヘッド側室６ａへの作動油の供給を遮断してしまうのを防ぐことができる。
　また、前記条件Ｄは、ポンプ圧Ｐｐが低くて前記掘削反力が生じていないと推察される状況（例えば作業アタッチメント９が地面から浮いている状況）で作動油供給の遮断をすることを排除するためのものである。この条件Ｄも、仕様に応じて省略することが可能である。
　あるいは、前記条件Ｃに代え、判定精度は下がるが、簡易的手段として、ロッド圧Ｐｒが予め設定されたロッド圧閾値以上であることが伸長認定条件に設定されてもよい。
　前記ポンプ容量制御部５６は、前記油圧ポンプ１０の容量を制御するものであり、この実施の形態では、前記供給切換弁３０が遮断位置に切換えられるとき（ステップＳ６）に、その供給の遮断により供給が不要となった分だけ、前記供給切換弁３０が遮断位置に切換えられていないとき（ステップＳ５）よりも油圧ポンプ１０の容量を低減させる制御を行う。この低減すべき容量は、例えば次の要領にて演算される。
　１）ブーム上げ操作信号に基づいて、ブーム用コントロールバルブ１２がそのブーム上げ位置１２ａで開通する戻り側油路、すなわち前記ロッド側室６ｂからタンクに至るまでの油路の開口面積Ａｔを特定する。ここでいう「戻り側油路の開口面積Ａｔ」とは、戻り側油路における流れ抵抗を絞りの開口面積に換算した値であり、図５に示すように、前記ブーム上げ操作信号に対する前記開口面積Ａｔの特性は、ブーム用コントロールバルブ１２を構成する方向切換弁の作動特性や各流路での圧力損失等によって決まる。従って、この特性に基づいて前記開口面積Ａｔを特定することが可能である。
　２）ブームシリンダロッド圧センサ４６Ｂが検出するロッド圧Ｐｒとタンク圧との差を、前記戻り側油路の前後差圧ΔＰｔとし、次式（２）に基づいて、ロッド側室６ｂから流出する作動油の流量Ｑｒを演算する。
　Ｑｒ＝Ｃｄ×Ａｔ√（２ΔＰｔ／ρ）　…（２）
　ここでＣｄは作動油についての流量係数、ρは当該作動油の密度である。
　３）前記ロッド側室６ｂ側の流出流量Ｑｒからヘッド側室６ａに流入する作動油の流量Ｑｈを演算する。この演算は次式（３）を用いて行うことができる。
　Ｑｈ＝Ｑｒ×［Ｒｈ２／（Ｒｈ２－Ｒｒ２）］×Ｎ　…（３）
　ここでＲｈ，Ｒｒはそれぞれヘッド側室６ａ及びロッド側室６ｂの内径、Ｎはブームシリンダ６の本数である。すなわち、油圧ショベルが単一のブームシリンダのみを備える場合は、Ｎ＝１、互いに並設される複数のブームシリンダを備える場合はＮ≧２となる。
　４）前記ヘッド側室６ａへの流入流量Ｑｈをポンプ容量に換算する。具体的に、当該流入流量Ｑｈに相当するポンプ容量（低減容量）Ｖｈは、当該流入流量Ｑｈを油圧ポンプ１０の回転数Ｎｅで除する（Ｖｈ＝Ｑｈ／Ｎｅ）ことにより、得ることができる。
　５）前記ヘッド側室６ａへの作動油の供給を遮断しない場合に設定されるべきポンプ容量（通常ポンプ容量）Ｖｏから前記低減容量Ｖｈを差し引いた値を最終容量とし、この最終容量が得られるように油圧ポンプ１０のレギュレータ１１に容量操作信号を入力する。前記通常ポンプ容量Ｖｏは、従来から知られている種々の演算方式で決定されることが可能である。例えば、ブーム操作器１６及びアーム操作器１８の各操作量の増大に伴ってポンプ容量を増大させるポジションコントロールに基づく演算や、ポンプ駆動馬力を予め定められた特性に近づけるようにポンプ圧Ｐｐに基づいてポンプ容量を変化させる馬力制御に基づく演算、あるいは、これらの演算により求められた値の低位選択に基づいて決定されてもよい。
　なお、前記１）～３）の演算は、ブーム用戻り側油路の開口面積Ａｔに基づいて実際にロッド側室６ｂに入力する作動油の流量Ｑｒを演算し、この流量をヘッド側室６ａに流入する作動油の流量Ｑｈに換算するものであるが、これに代え、前記ブーム上げ位置１２ａでブーム用コントロールバルブ１２が開通する供給側油路、すなわち油圧ポンプ１０からヘッド側室６ａに至る油路の開口面積Ａｓに基づいて、供給切換弁３０が開弁している場合にへッド側室６ａに流入するであろう作動油の仮想流量Ｑｈ′を推定演算してもよい。具体的には、前記１）～３）の演算に代え、次の演算１′）及び２′）の演算が行われてもよい。
　１′）ブーム上げ操作信号に基づいて、ブーム用コントロールバルブ１２がブーム上げ位置１２ａで開通する供給側油路の開口面積Ａｓを特定する。ここでいう「供給側油路の開口面積Ａｓ」も、供給側油路における流れ抵抗を絞りの開口面積に換算した値であり、図６に示すように、前記ブーム上げ操作信号に対する前記開口面積Ａｓの特性もブーム用コントロールバルブ１２を構成する方向切換弁の作動特性や各流路での圧力損失等によって決まる。従って、この特性に基づいて前記開口面積Ａｓを特定することが可能である。
　２′）ポンプ圧センサ４０が検出するポンプ圧Ｐｐとブームシリンダヘッド圧センサ４６Ａが検出するヘッド圧Ｐｈとの差を、前記供給側油路の前後差圧ΔＰｓ（＝Ｐｐ－Ｐｈ）とし、次式（２）′に基づいて、供給切換弁３０が開弁しているとした場合にヘッド側室６ａ内に流入するであろう作動油の仮想流量Ｑｈ′を推定する。
　Ｑｈ′＝Ｃｄ×Ａｓ√（２ΔＰｓ／ρ）　…（２）′
　なお、ブームシリンダ６が自然伸長するときのヘッド圧Ｐｈは非常に小さいため、これを０とみなしてΔＰｓ＝Ｐｐとしてもよい。
　次に、前記コントローラ５０の制御に基づく駆動装置の具体的な作用を説明する。
　まず、油圧ショベルの運転状態が前記条件Ａ～Ｄのいずれかを満たしていないとき（図４のステップＳ１～Ｓ４のいずれかでＮＯ）、コントローラ５０の供給切換制御部５４は供給切換弁３０に切換指令信号を出力せず、これを開通位置に保持し、またポンプ容量制御部５６は通常運転のためのポンプ容量Ｖｏを設定する（ステップＳ５）。よって、油圧ポンプ１０は通常の流量で作動油を吐出し、この作動油はそのままブーム用コントロールバルブ１２に供給される。一方、ブーム操作器１６が操作されると、その操作量に対応する大きさのパイロット圧がブーム用コントロールバルブ１２においてその操作方向に対応するパイロットポート１２ｃまたは１２ｄに入力され、これにより当該ブーム用コントロールバルブ１２が作動し、前記作動油を前記ブームシリンダ６のヘッド側室６ａまたはロッド側室６ｂに導く。従って、ブーム操作器１６の操作内容に即した作動油の供給が行われる。これはアームシリンダ７及びアーム操作器１８についても同様である。
　その一方、油圧ショベルの運転状態が前記条件Ａ～Ｄの全てを満たす場合（ステップＳ１～Ｓ４のいずれにおいてもＹＥＳ）、前記供給切換制御部５４は前記供給切換弁３０に切換指令信号を出力してこれを遮断位置に切換え、前記油圧ポンプ１０からブームシリンダ６のヘッド側室６ａへの作動油の供給を強制遮断する一方、ポンプ容量制御部５６はポンプ容量を前記の通常ポンプ容量Ｖｏよりも前記低減容量Ｖｈ（ヘッド側室６ａに流入する作動油流量Ｑｈまたは流入するであろう作動油の仮想流量Ｑｈ′に相当するポンプ容量）だけ低減させる（ステップＳ６）。
　前記条件Ａ～Ｄを満たすような運転状態は、基本的には図２に示すような掘削作業中に生じ得る。すなわち、図２に示すように、ブーム上げ操作とアーム引き操作とが同時に行われる掘削作業では、バケット５が地盤から受ける掘削反力がベースマシン（図２では下部走行体１及び上部旋回体２）の前端を浮き上がらせるように作用する一方、ベースマシンに働く重力は前記掘削反力に抗して当該ベースマシンの着地状態を保つように作用するため、ブームシリンダ６にはこれを伸張させる方向の力が加えられる。この力が一定以上大きくなると、油圧ポンプ１０からヘッド側室６ａへの作動油の供給なくしてブームシリンダ６が自ずと伸張する状態となり、当該供給は不要となる。
　前記条件Ａ～Ｄは、ブームシリンダ６がこのような自然伸張状態にあるか否かを認定するための条件であり、これらの条件Ａ～Ｄを満たす場合にコントローラ５０は、供給切換弁３０によって作動油の供給を遮断させるとともに、当該遮断がない場合に油圧ポンプ１０からへッド側室６ａに供給されるであろう作動油の流量に相当する分だけ当該油圧ポンプ１０の容量を低減させることにより、油圧ポンプ１０の必要動力の低減を実現することができる。このとき、前記ブームシリンダ６は、補給用油路３４を通じてタンク内の作動油をヘッド側室６ａ内に吸込むことによって、前記油圧ポンプ１０からの作動油の供給を受けることなく伸張することができる。
　なお、前記低減容量Ｖｈは、必ずしもヘッド側室６ａへの流入流量に相当する容量でなくてもよく、例えば一定の容量に決められてもよい。

Claims (5)

  1. 　ベースマシンと、このベースマシンに起伏可能に取付けられるブームと、このブームの先端に回動可能に連結されるアームと、を備えた建設機械に設けられて当該ブームを油圧により駆動するための装置であって、
    　前記ベースマシンと前記ブームとの間に介在し、その伸長により前記ブームを上げ方向に動かすように当該ブーム及び前記ベースマシンに連結されるブームシリンダと、
    　タンク内の作動油を吸込んで吐出する可変容量型の油圧ポンプと、
    　この油圧ポンプが吐出する作動油を前記ブームシリンダのヘッド側室に導いて当該ブームシリンダを伸長させる位置と当該油圧ポンプが吐出する作動油を前記ブームシリンダのロッド側室に導いて当該ブームシリンダを収縮させる位置とに切換可能なブーム用コントロールバルブと、
    　このブーム用コントロールバルブについて前記ブームを上げ方向に動かすためのブーム上げ操作が行われていることを検出するブーム上げ操作検出器と、
    　前記ブームシリンダのヘッド側室及びロッド側室のうちの少なくともロッド側室の圧力をそれぞれ検出するブームシリンダ圧力検出器と、
    　前記油圧ポンプから前記ブームシリンダのヘッド側室への作動油の供給を許容する許容位置と遮断する遮断位置とに切換可能な供給切換弁と、
    　この供給切換弁が前記作動油の供給を遮断したときに前記タンクから前記ブームシリンダのヘッド側室への作動油の補給を許容するように当該タンクと当該ヘッド側室とを連通する補給用油路と、
    　前記ブーム上げ操作検出器が前記ブーム上げ操作を検出し、かつ、前記ブームシリンダ圧力検出器により検出される圧力が、前記油圧ポンプから前記ブームシリンダのヘッド側室への作動油の供給がなくても前記作業アタッチメントに作用する掘削反力が前記ブームシリンダを伸長させる状態であると判断するために予め設定された伸長認定条件を満たす場合にのみ、前記供給切換弁を前記遮断位置に切換えるとともに、当該供給切換弁が前記許容位置にある場合に比べて前記油圧ポンプの容量を低減させるコントローラと、を備える、建設機械のブーム駆動装置。
  2. 　請求項１記載の建設機械のブーム駆動装置であって、前記ブームシリンダ圧力検出器は、当該ブームシリンダのヘッド側室及びロッド側室のそれぞれの圧力を検出するものであり、前記伸張認定条件は、前記ヘッド側室及び前記ロッド側室の圧力に基づいて求められる、前記ブームシリンダを伸長させるシリンダ推力が、予め設定された推力閾値未満であること、を含む、建設機械のブーム駆動装置。
  3. 　請求項１または２記載の建設機械のブーム駆動装置であって、前記アームを引き方向に動かす操作であるアーム引き操作が行われていることを検出するアーム引き操作検出器を備え、前記コントローラが、前記ブーム上げ操作に加えて前記アーム引き操作が検出されている場合にのみ、前記供給切換弁を前記遮断位置に切換え、かつ、前記油圧ポンプの容量を低減させる、建設機械のブーム駆動装置。
  4. 　請求項３記載の建設機械のブーム駆動装置であって、前記コントローラは、前記ブーム上げ操作及び前記アーム引き操作の検出および前記伸張認定条件の充足に加え、前記油圧ポンプの吐出圧力が予め設定された圧力閾値を超える場合にのみ、前記供給切換弁を前記遮断位置に切換え、かつ、前記油圧ポンプの容量を低減させる、建設機械のブーム駆動装置。
  5. 　請求項１～４のいずれかに記載の建設機械のブーム駆動装置であって、前記コントローラは、前記ヘッドシリンダのヘッド側室に流入する作動油の流量を演算し、当該流量に相当するポンプ容量を前記ヘッド側室への作動油の供給の遮断を行わない通常運転時に設定されるポンプ容量から減じたものを前記油圧ポンプの実際の容量として指令する、建設機械のブーム駆動装置。

     
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