JP4678096B2

JP4678096B2 - 建設機械の油圧回路

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Publication number: JP4678096B2
Application number: JP2001131069A
Authority: JP
Inventors: 吉美早乙女
Original assignee: Kobelco Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Kobelco Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 2001-04-27
Filing date: 2001-04-27
Publication date: 2011-04-27
Anticipated expiration: 2021-04-27
Also published as: JP2002327714A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ブレーキ制動回路やリモコン回路等のように比較的低圧の制御圧を補助圧源から供給する建設機械の油圧回路に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電動機で油圧ポンプを駆動する建設機械では、図５に示すように、２方向流れ２方向回転形の油圧ポンプ５０を電動機５１で駆動しており、この油圧ポンプ５０の両側吐出口は、給排路５２及び５３を介して油圧シリンダ５４のロッド側油室５４ａ及びヘッド側油室５４ｂに接続されている。図中５５，５６はリリーフ弁、５７はタンク、５８ａ，５８ｂはオペレートチェック弁、５９は各給排路５２，５３を接続している油路に設けられた手動開閉弁である。
【０００３】
この油圧回路では、油圧ポンプ５０が正転すると、圧油がオペレートチェック弁５８ｂを通じてヘッド側油室５４ｂに送られ、それにより、油圧シリンダ５４が伸長する。このとき、ロッド側油室５４ａ内の圧油は、給排路５３の圧力上昇によって開かれたオペレートチェック弁５８ａを通じて油圧ポンプ５０の吸引側に送られる。
【０００４】
一方、油圧ポンプ５０が逆転すると、オペレートチェック弁５８ａ、給排路５２を通じて圧油がロッド側油室５４ａに供給され、それにより、油圧シリンダ５４が縮小する。上述した電動油圧回路は重掘削が行えるよう高圧の圧油を制御する。
【０００５】
これに対し、例えば上部旋回体の旋回モータに制動を与えるような油圧ブレーキは低圧で制御される。この低圧制御用の圧源としてアキュムレータを用いることがあり、必要な流量を放出してアキュムレータの圧力が低下すると、油圧シリンダが停止しているときに蓄圧ポンプを駆動させて圧油を補充する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来の油圧回路では、アキュムレータを蓄圧する蓄圧ポンプ駆動用として専用の電動機を設置しなければならない。通常、電動油圧回路の電動機は、バッテリの消耗を少なくするためにエンジン駆動の油圧回路と違って常時駆動させることはない。そしてアクチュエータ単位に電動機を設置することが常であるからである。そのため、アキュムレータ蓄圧用として電動機の設置が避けられず、コストダウンが図れないばかりか省スペース化の妨げにもなっていた。
【０００７】
本発明は以上のような従来の電動油圧回路における課題を考慮してなされたものであり、専用の電動機を設置せずにアキュムレータを蓄圧することができ、それにより、コストダウンと省スペース化が図れるようにした建設機械の油圧回路を提供するものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る建設機械の油圧回路は、電動機によって駆動されアクチュエータに対して圧油を供給する電動油圧ポンプと、補助油圧源としての圧油を蓄積するアキュムレータとを有する建設機械の油圧回路において、上記電動油圧ポンプと上記アクチュエータとを接続するアクチュエータ回路に、上記アキュムレータにつながるアキュムレータ回路を接続し、上記アクチュエータ回路に使用されない圧油を上記アキュムレータ回路を介して上記アキュムレータに供給するように構成し、上記アクチュエータ回路に、同回路の余剰油をタンクに戻すブリードオフ回路を接続し、上記ブリードオフ回路には、流量制御弁と、この流量制御弁と上記タンクとの間に配置されるとともに上記アキュムレータ内の圧力が設定圧を超えると開くリリーフ弁とが設けられ、上記アキュムレータ回路は、上記流量制御弁と上記リリーフ弁との間で上記ブリードオフ回路に接続されるように構成されている。
【０００９】
この油圧回路に従えば、蓄圧用のポンプ及びそのポンプを駆動させる電動機を設置することなく、アキュムレータの蓄圧が可能になる。
【００１０】
また、流量制御弁は、アクチュエータの非操作時に電動油圧ポンプからの圧油を全量ブリードオフさせ、アクチュエータを微速操作した時にはブリードオフを徐々に閉じていきアクチュエータ回路の圧力を高めていくように構成することができる。それにより、負荷の影響を受けずにインチング操作が可能になると同時にブリードオフされる圧油を蓄圧に利用することができる。
【００１１】
また、上記アクチュエータを操作するための指令を出力する操作部と、上記操作部からの指令に応じて上記流量制御弁を制御する制御部とをさらに備えた構成とすることができる。
【００１２】
また、上記アクチュエータ回路は、上記アクチュエータとしての油圧シリンダのヘッド側に接続されるヘッド側油路と、上記油圧シリンダのロッド側に接続されるロッド側油路とを有し、上記電動油圧ポンプは、上記ヘッド側油路に接続されるとともに上記電動機の正逆回転に応じて圧油の吐出方向が変化する２方向吐出し型のヘッド側ポンプと、上記ロッド側油路に接続されるとともに上記電動機の正逆回転に応じて圧油の突出方向が変化する２方向吐出し型のロッド側ポンプとを有し、上記ヘッド側油路、ロッド側油路のうちの上記油圧シリンダへ圧油を供給する油路と上記ブリードオフ回路とが接続されるように、上記ブリードオフ回路の接続先を切り換える切換手段をさらに備えている構成とすることができる。それにより、蓄圧流量を増加させることができる。
【００１３】
また、上記電動機とは別の第２電動機によって駆動され上記アクチュエータとは別の第２アクチュエータに対して圧油を供給する第２電動油圧ポンプと、上記第２電動油圧ポンプと同軸に設けられた上記アキュムレータ蓄圧用の補助ポンプとをさらに備え、上記第２電動油圧ポンプの回転時に上記補助ポンプを連動させ、上記アキュムレータを蓄圧する圧油をその補助ポンプを介して補充するように構成し、上記補助ポンプから引き出された蓄圧用の油路と、上記アキュムレータ回路とを合流させて蓄圧用の圧油を一つの上記アキュムレータに導くことができる。
【００１４】
このようにすれば、稼働率の高いアクチュエータには蓄圧効率の高い油圧回路を配置することができ、油圧回路全体のエネルギー効率を高めることができる。
【００１５】
また、補助ポンプとして第２電動機の正逆回転に応じて圧油の吐出方向が変化する２方向吐出し形のポンプを用いれば、第２電動機の回転方向に関係なくアキュムレータの蓄圧が可能になる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面に示した実施の形態に基づいて本発明を詳細に説明する。
【００１７】
図１は、本発明に係る建設機械の油圧回路について第一の形態を示したものである。
【００１８】
同図において、１はアクチュエータとしての油圧シリンダ（例えば油圧ショベルであればフロントアタッチメントに取り付けられているブームシリンダ）であり、ヘッド側油室１ａとロッド側油室１ｂを有し、各油室１ａ，１ｂに対して圧油を給排することによりロッド１ｃを伸縮させるようになっている。
【００１９】
２は上記ヘッド側油室１ａに圧油を供給するための２方向流れのヘッド側油圧ポンプ（電動油圧ポンプ）である。３は上記ロッド側油室１ｂに圧油を供給するためのロッド側油圧ポンプであり、２方向流れ、可変容量形からなる。
【００２０】
各油圧ポンプ２，３は電動機４を駆動源として回転するようになっており、この電動機４の回転数は、操作レバー（或いは操作ペダル：操作部）５の操作に基づいて制御を行うコントローラ（制御部）６により、低速回転域（例えば100rpm）〜高速回転域（例えば3,000rpm）まで増減するようになっている。
【００２１】
ヘッド側油圧ポンプ２の吐出側ポートから一方に分岐する油路７には、開閉動作する電磁切換弁（切換手段）８及び電磁切換弁（切換手段）９が直列に配設されており、さらに電磁切換弁９は給排路（アクチュエータ回路）１０及び保持弁１１を介して油圧シリンダ１のロッド側油室１ｂに接続されている。一方、ヘッド側油圧ポンプ２の吐出側ポートから他方に分岐する給排路（アクチュエータ回路）１２は、保持弁１３を介してヘッド側油室１ａに接続されている。
【００２２】
また、上記電磁切換弁８と電磁切換弁９との間から分岐油路１４が引き出されている。この分岐油路１４には電磁比例弁（流量制御弁）１５が介設され、その電磁比例弁１５における出口側油路１６にリリーフ弁１７が接続され、このリリーフ弁１７の出口側油路１８はタンクＴに接続されている。上記分岐油路１４，出口側油路１６，１８及び後述する油路２６はブリードオフ回路を構成する。
【００２３】
上記電磁比例弁１５とリリーフ弁１７の間からは分岐路（アキュムレータ回路）１９が引き出され、この分岐路１９はチェック弁２０を介して補助圧源としてのアキュムレータ２１に接続されている。
【００２４】
また、上記給排路１０から分岐して油路２２が設けられており、この油路２２はロッド側油圧ポンプ３を経由した後、油路２３を通じてタンクＴに接続されている。
【００２５】
また、出口側油路１６における分岐路１９上流部分で、油路７に接続されている油路７ａと油路２２に接続されている油路２２ａが合流しており、各油路７ａ，２２ａにはチェック弁７ｂ，２２ｂがそれぞれ設けられている。なお、図中２４，２５はリリーフ弁である。
【００２６】
次に、上記油圧回路の動作について説明する。
【００２７】
(ａ) 油圧シリンダ１の伸長
操作レバー５をシリンダ伸長側に操作し始めると、例えばリミットスイッチ（図示しない）がレバー中立位置から外れたことを検知し、操作有り信号をコントローラ６に与える。コントローラ６はその操作有り信号を受けて電磁比例弁１５を遮断位置ａから連通位置ｂに切り換えて全開とし、同時に電磁切換弁８を閉位置ｃから開位置ｄに切り換える。
【００２８】
図２は操作レバー５の操作量（レバー変位）に対する電磁比例弁１５の開口面積特性と電動機４の回転数特性の関係を示したものである。同図において、コントローラ６は、電磁比例弁１５及び電磁切換弁８の開弁動作を待って（ｔ秒後）電動機４を駆動させ、回転数Ｎ₁で定速回転させる。
【００２９】
この回転数Ｎ₁は、油圧シリンダ１のロッド１ｃに作用する負荷が高くとも所定のポンプ流量が確保できる値、具体的には低速回転域の100rpmに設定される。
【００３０】
そしてさらに操作レバー５が深く操作されると、その操作量に応じて電磁比例弁１５の開口面積を徐々に閉じていく。なお、当初、電磁比例弁１５を全開にしている時は、ヘッド側ポンプ容量ｑ₁に基づいて求められる
流量Ｑ₁＝ｑ₁×Ｎ₁×容積効率
を十分低い圧力で流せるだけの開口面積を開けている。その開口面積を操作レバー５の操作量に応じて徐々に閉じていくことにより、ヘッド側の給排路１２の圧力が高められる。
【００３１】
この給排路１２の圧力が高まればロッド側の給排路１０に設けられた保持弁１１が開く。この状態で、ヘッド側の給排路１２の圧力が負荷圧よりも高くなれば、油圧シリンダ１が伸長動作を開始することになる。この制御内容は、バイパス回路で流量を制御するいわゆるブリードオフ制御であり、油圧シリンダ１の滑らかな始動が保証される。
【００３２】
油圧シリンダ１の伸長動作中、電磁比例弁１５を通過した圧油は油路２２ａ→２２を流れ、ロッド側油圧ポンプ３を経由し、油路２３を通じてタンクＴに戻る。
【００３３】
ヘッド側油圧ポンプ２とロッド側油圧ポンプ３は電動機４によって連動しているため、ロッド側油圧ポンプ３には当初、ヘッド側油圧ポンプ２の吐出量Ｑ1の全量が電磁比例弁１５を通過する。この電磁比例弁１５を通過した圧油はロッド側油圧ポンプの吸い込み側に入り、残りの圧油は、油路１９を通じてアキュムレータ２１に供給される。その結果、アキュムレータ２１が蓄圧される。次いでアキュムレータ２１内の圧力が設定圧を超えるとリリーフ弁１７が開き、余剰の圧油は油路１８→２６を通じてタンクＴに戻される。
【００３４】
そもそも上記油圧回路は、油圧シリンダ１を微操作するにあたり、電動機４を低速回転していると負荷が作用することによってポンプ流量が変化してしまうという電動油圧回路固有の問題を解消するように構成されたものである。そのため、所定のポンプ流量を確保できるように電動機４を回転させておき、この状態でヘッド側油圧ポンプ２から吐出される圧油を電磁比例弁１５を通じてブリードオフさせておく。そして操作レバー５をゆっくりと操作すると、それに連動してブリードオフが閉じられていき、油圧シリンダ１の給排路の圧力が高められる。従って、負荷に影響されず油圧シリンダ１を微操作することができるようになっている。
【００３５】
その油圧シリンダ１が伸長動作を始める前または油圧シリンダ１の停止時において、電磁比例弁１５を通じてブリードオフされている圧油の一部をアキュムレータ２１に導けば、蓄圧用のポンプ及びそのポンプを駆動する電動機を設けることなく蓄圧することが可能になる。
【００３６】
(ｂ) 油圧シリンダ１の縮小
操作レバー５をシリンダ縮小側に操作し始めると、リミットスイッチから出力される信号を受けてコントローラ６は電磁比例弁１５を遮断位置ａから連通位置ｂに切り換えて全開とし、今度は電磁切換弁９を閉位置ｅから開位置ｆに切り換える。
【００３７】
次いで操作レバー５の操作量に応じて電磁比例弁１５の開口面積を閉じていく。その開口面積をレバー操作量に応じて徐々に閉じていくことにより、給排路１０の圧力が高まる。ロッド側の給排路１０の圧力が高まればヘッド側の給排路１２に設けられた保持弁１３が開き、油圧シリンダ１が縮小し始める。このときもブリードオフ制御が行なわれ、滑らかな始動が保証される。もちろん、油圧シリンダ１が縮小動作を開始する前においても電磁比例弁１５が開いて圧油がブリードオフされている期間は、油圧シリンダ伸長時と同様にアキュムレータ２１を蓄圧することができる。
【００３８】
なお、上記実施形態ではロッド側油圧ポンプ３を、２方向流れ１方向回転のポンプで構成したが、２方向流れ、２方向回転の両傾転ポンプを使用すると、アキュムレータ２１への蓄圧流量を増加させることができる。
【００３９】
すなわち、油圧シリンダ１のヘッド側容量をｑ_１とし、ロッド側容量をｑ_２とすると、２方向流れ１方向回転の場合では蓄圧流量がＮ×（ｑ_１−ｑ_２）×ηvとなるが、２方向流れ２方向回転にすると、蓄圧流量がＮ×（ｑ_１＋ｑ_２）×ηvとなるからである。ただし、Ｎは電動機４の回転数、ηvはポンプの容積効率である。
【００４０】
図３は本発明に係る油圧回路の第二の形態を示したものである。なお、以下の説明において図１と同じ構成要素については同一符号を付してその説明を省略する。
【００４１】
図３に示す油圧回路では、電動機４の出力軸にシリンダ伸縮用のポンプ２，３とアキュムレータ２１を蓄圧するための蓄圧ポンプ（補助ポンプ）３０とを取り付けている。
【００４２】
この蓄圧ポンプ３０は２方向流れの定容量形の油圧ポンプからなり、回転することによってタンクＴから油路３１を通じて圧油を取り込み、給排路３２、切換弁３３、油路３４を通じてアキュムレータ２１に圧油を供給するようになっている。
【００４３】
油圧シリンダ伸長方向にヘッド側油圧ポンプ２が回転すると、そのヘッド側油圧ポンプ２と連動する蓄圧ポンプ３０から圧油が吐出され、給排路３２ａ内の圧が上昇し、この回路圧によって切換弁３３がｇ位置からｈ位置に切り換わり、圧油がアキュムレータ２１に供給される。一方、油圧シリンダ縮小方向にヘッド側油圧ポンプ２が回転すると、給排路３２ｂ内の圧が上昇し、この回路圧によって切換弁３３がｇ位置からｉ位置に切り換わり、圧油がアキュムレータ２１に供給される。要するに電動機４がどちらの方向に回転しても蓄圧ができるようになっている。
【００４４】
そしてアキュムレータ２１内の圧力が上昇して設定圧に達すると、電磁弁３５が遮断位置ｊから連通位置ｋに切り換えられ、蓄圧ポンプ３０をアンロードする。
【００４５】
この油圧回路では、図１に示した油圧回路に比べるとブリードオフがない分、エネルギーロスが少ないため蓄圧効率を高めることができるという利点がある。
【００４６】
また、図４は、本発明に係る油圧回路の第三の形態を示したものである。
【００４７】
同図に示す構成は、上記第一実施形態に示した油圧回路４１と、第二実施形態に示した油圧回路４２，４３を複数組み合わせて各アクチュエータ４１ａ，４２ａ，４３ａを動作させるようにしたものである。
【００４８】
このような構成において、複数の操作レバーが接続されているコントローラ６は、各油圧回路４１〜４３の電動機を制御してアクチュエータ４１ａ，４２ａ，４３ａの伸縮動作を制御するようになっており、各油圧回路４１〜４３から引き出された蓄圧用の油路４１ｂ，４２ｂ，４３ｂは合流点４４で合流し、アキュムレータ２１に供給されるようになっている。このアキュムレータ２１に蓄圧された圧油は例えば旋回ネガティブブレーキ用の補助圧源として利用される。
【００４９】
また、油圧回路４２，４３は稼働率が高いアクチュエータに適用され、油圧回路４１は稼働率の低いアクチュエータに適用される。すなわち、稼働率の高いアクチュエータに蓄圧効率の高い油圧回路を多く配置すれば、全体の油圧回路のエネルギーロスを少なくすることができる。
【００５０】
【発明の効果】
以上説明したことから明らかなように、請求項１の本発明によれば、アクチュエータ回路に使用されない圧油をアクチュエータ回路から取り込んでアキュムレータに供給するように構成したため、蓄圧用のポンプ及びそのポンプを駆動させる電動機も設置することなくアキュムレータを蓄圧することができる。
【００５１】
また、ブリードオフ流量の一部をアキュムレータに供給するように構成したため、アクチュエータ回路に比べて設定圧の低いアキュムレータに対して蓄圧することができる。
【００５２】
さらに、流量制御弁を通じてブリードオフされた圧油の一部をアキュムレータに供給するように構成したため、アキュムレータへの蓄圧を円滑に行うことができる。
【００５３】
請求項２の本発明によれば、流量制御弁が、アクチュエータの非操作時に油圧ポンプからの圧油を全量ブリードオフさせ、アクチュエータを微速操作した時にはブリードオフを徐々に閉じていき給排路の圧力を高めるように構成されているため、負荷の影響を受けずにインチング操作が可能になると同時にブリードオフされる圧油を蓄圧に利用することができる。
【００５４】
請求項４の本発明によれば、ロッド用ポンプの吐出し方向を逆方向にすれば蓄圧流量を増加させることができる。
【００５５】
請求項５の本発明によれば、油圧ポンプと同軸にアキュムレータ蓄圧用の補助ポンプを設け、アキュムレータを蓄圧する圧油をその補助ポンプを介して補充するように構成したため、補助ポンプを駆動する電動機を設置することなく、アキュムレータの蓄圧が可能になる。
【００５６】
また、補助ポンプから引き出された蓄圧用の油路と、アキュムレータ回路とを合流させて蓄圧用の圧油を一つのアキュムレータに導いたため、稼働率の高いアクチュエータには蓄圧効率の高い油圧回路を配置することができ、油圧回路全体のエネルギー効率を高めることができる。
【００５７】
請求項６の本発明によれば、補助ポンプを、電動機の正逆回転に応じて圧油の吐出方向が変化する２方向吐出し形で構成したため、電動機の回転方向に関係なくアキュムレータの蓄圧が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る油圧回路の第一実施形態を示す回路図である。
【図２】操作量に対する電磁比例弁の開口特性及び電動機回転数特性を示すグラフである。
【図３】本発明に係る油圧回路の第二実施形態を示す回路図である。
【図４】本発明に係る油圧回路の第三実施形態を示す回路図である。
【図５】従来の電動油圧回路の構成を示す回路図である。
【符号の説明】
１油圧シリンダ
２ヘッド側油圧ポンプ
３ロッド側油圧ポンプ
４電動機
５操作レバー
６コントローラ
８電磁切換弁
９電磁切換弁
１１保持弁
１３保持弁
１５電磁比例弁
１６吐出側油路
１７リリーフ弁
１８吐出側油路
２０チェック弁
２１アキュムレータ

Claims

電動機によって駆動されアクチュエータに対して圧油を供給する電動油圧ポンプと、補助油圧源としての圧油を蓄積するアキュムレータとを有する建設機械の油圧回路において、
上記電動油圧ポンプと上記アクチュエータとを接続するアクチュエータ回路に、上記アキュムレータにつながるアキュムレータ回路を接続し、上記アクチュエータ回路に使用されない圧油を上記アキュムレータ回路を介して上記アキュムレータに供給するように構成し、
上記アクチュエータ回路に、同回路の余剰油をタンクに戻すブリードオフ回路を接続し、
上記ブリードオフ回路には、流量制御弁と、この流量制御弁と上記タンクとの間に配置されるとともに上記アキュムレータ内の圧力が設定圧を超えると開くリリーフ弁とが設けられ、
上記アキュムレータ回路は、上記流量制御弁と上記リリーフ弁との間で上記ブリードオフ回路に接続されることを特徴とする建設機械の油圧回路。
上記流量制御弁は、上記アクチュエータの非操作時に上記電動油圧ポンプからの圧油を全量ブリードオフさせ、上記アクチュエータを微速操作した時にはブリードオフを徐々に閉じていき上記アクチュエータ回路の圧力を高めていくように構成されている請求項１記載の建設機械の油圧回路。
上記アクチュエータを操作するための指令を出力する操作部と、上記操作部からの指令に応じて上記流量制御弁を制御する制御部とをさらに備えている請求項２に記載の建設機械の油圧回路。
上記アクチュエータ回路は、上記アクチュエータとしての油圧シリンダのヘッド側に接続されるヘッド側油路と、上記油圧シリンダのロッド側に接続されるロッド側油路とを有し、
上記電動油圧ポンプは、上記ヘッド側油路に接続されるとともに上記電動機の正逆回転に応じて圧油の吐出方向が変化する２方向吐出し型のヘッド側ポンプと、上記ロッド側油路に接続されるとともに上記電動機の正逆回転に応じて圧油の突出方向が変化する２方向吐出し型のロッド側ポンプとを有し、
上記ヘッド側油路、ロッド側油路のうちの上記油圧シリンダへ圧油を供給する油路と上記ブリードオフ回路とが接続されるように、上記ブリードオフ回路の接続先を切り換える切換手段をさらに備えている請求項１〜３のいずれか１項に記載の建設機械の油圧回路。
上記電動機とは別の第２電動機によって駆動され上記アクチュエータとは別の第２アクチュエータに対して圧油を供給する第２電動油圧ポンプと、
上記第２電動油圧ポンプと同軸に設けられた上記アキュムレータ蓄圧用の補助ポンプとをさらに備え、
上記第２電動油圧ポンプの回転時に上記補助ポンプを連動させ、上記アキュムレータを蓄圧する圧油をその補助ポンプを介して補充するように構成し、
上記補助ポンプから引き出された蓄圧用の油路と、上記アキュムレータ回路とを合流させて蓄圧用の圧油を一つの上記アキュムレータに導く請求項１〜４のいずれか１項に記載の建設機械の油圧回路。
上記補助ポンプとして上記第２電動機の正逆回転に応じて圧油の吐出方向が変化する２方向吐出し形のポンプを用いた請求項５記載の建設機械の油圧回路。