JP5672995B2 - 建設機械の油圧制御装置 - Google Patents

Description

本発明はショベル等の建設機械において、パイロットポンプをパイロット圧源とするリモコン弁により油圧パイロット式の油圧制御弁を操作して油圧アクチュエータの作動を制御する油圧制御装置に関するものである。

ショベルを例にとって背景技術を説明する。

ショベルにおいては、原動機としてのエンジンで駆動されるメインポンプからの圧油を油圧パイロット式の油圧制御弁(コントロールバルブ)を介して油圧アクチュエータに供給する一方、パイロットポンプを油圧源とするリモコン弁により油圧制御弁を操作して油圧アクチュエータの作動を制御する構成がとられている。

ここで、パイロットポンプは、一般的にはメインポンプとともにエンジンで駆動される。

しかし、このエンジン駆動方式によると、エンジンの低回転時にも作業に支障のないポンプ出力が得られるようにパイロットポンプの容量を大きく設定しなければならない。

このため、パイロットポンプが高価となるとともに、エンジンの高回転時に同ポンプによって不必要にエネルギーを消費する(エネルギーロスが大きい)という問題があった。

そこで、特許文献１に示されているように、パイロットポンプを電動機で駆動する電動機駆動方式が提案されている。

これを図３によって説明する。

エンジン１にメインポンプ２が接続され、このメインポンプ２から吐出油が油圧パイロット式の油圧制御弁３を介して油圧アクチュエータ４に供給される。

５はリモコン弁(油圧パイロット弁)で、操作手段としてのレバー６の操作量に応じたパイロット圧がこのリモコン弁５から油圧制御弁３のパイロットポートに送られ、これにより油圧制御弁３が作動して油圧アクチュエータ４の作動が制御される。

なお、油圧制御弁３、油圧アクチュエータ４、リモコン弁５は、実機では複数ずつ設けられるが、ここでは図の簡略化のためにそれぞれ一つだけを示す。これは本発明の実施形態を示す図１，２においても同じである。

一方、図示しないバッテリを電源とする電動機７によってパイロットポンプ８が駆動され、このパイロットポンプ８からリモコン弁６にパイロット一次圧が供給される。Ｔはタンクである。

パイロットポンプ８とリモコン弁５とを結ぶパイロット一次圧回路には、最高パイロット圧を決めるリリーフ弁９と、パイロット圧を安定させるためのアキュムレータ１０とが接続され、これらによって油圧パイロット制御部Ａが構成される。

このようにパイロットポンプ８を電動機７で駆動する電動機駆動方式によると、パイロットポンプ８をエンジン１とは独立して制御できるため、エネルギーロスを抑えることができる。

この電動機駆動方式をとる場合、特許文献１に示された公知技術では、図３に示すようにパイロットポンプ８の吐出圧を圧力センサ１１で検出し、コントローラ１２により、パイロットポンプ圧が一定範囲(目標圧力)に保たれるように、電動機７をオン／オフ制御またはフィードバック制御する構成をとっている。

特開２００１−１６５１０５号公報

しかし、上記公知技術によると、パイロットポンプ８の吐出圧を検出する圧力センサ１１を新設しけなければならないため、コストが高くなる。

また、オン／オフ制御の場合は制御の安定性を確保するために目標値にヒステリシスを設ける必要があることからヒステリシス幅の圧力変動が生じ、フィードバック制御の場合は応答遅れやゲインによる圧力変動が生じる。このため、制御の精度の点で不利となっていた。

さらに、圧力変動が大きくなるとリリーフ弁９によるリリーフ作用が働くため、いいかえればリリーフ作動を前提とした構成となっているため、なおエネルギーロスが生じるという問題もあった。

そこで本発明は、パイロットポンプを電動機で駆動する電動機駆動方式をとりながら、圧力センサを不要としてコストダウンできるとともに制御精度を改善し、かつ、リリーフ作動によるエネルギーロスを解消することができる建設機械の油圧制御装置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、原動機と、この原動機によって駆動されるメインポンプと、このメインポンプから吐出される圧油によって駆動される油圧アクチュエータと、この油圧アクチュエータの作動を制御する油圧パイロット式の油圧制御弁と、操作手段の操作量に応じたパイロット圧を上記油圧制御弁に送るリモコン弁と、このリモコン弁にパイロット一次圧を供給するパイロットポンプと、このパイロットポンプを駆動する電動機と、この電動機を制御する制御手段とを具備し、上記制御手段は、上記電動機について、
Ｐｐ＝２π×電動機トルク÷パイロットポンプ容量
で決定される上記パイロットポンプのポンプ圧Ｐｐを一定とするためのトルク一定制御を行うように構成したものである。

この構成によれば、パイロットポンプの吐出圧(ポンプ圧＝パイロット一次圧)Ｐｐを一定に保つことができる。

従って、通常運転中、リリーフ作動は一切行われないため、エネルギーロスが生じない。

また、公知技術で必要であった圧力センサが不要となるとともに、オン／オフ制御におけるヒステリシス幅の圧力変動や、フィードバック制御における応答遅れやゲインによる圧力変動がなくなり、制御精度を向上させることができる。

本発明において、上記パイロットポンプとリモコン弁とを結ぶパイロット一次圧回路にチェック弁、このチェック弁の下流にアキュムレータをそれぞれ設ける一方、上記操作手段の操作の有無を検出する操作検出手段を設け、上記制御手段は、上記操作手段の中立時に上記電動機に対するトルク指令を０にするように構成するのが望ましい(請求項２)。

この構成によれば、操作手段の中立時(非操作時)に電動機が停止してパイロットポンプが停止するため、無駄な運転を回避し、省エネルギーとなる。

この場合、パイロット一次圧回路の圧力がアキュムレータによって確保されるとともに、チェック弁によりパイロットポンプからのパイロット油の漏れが防止される。

これにより、パイロットポンプ起動時のパイロット一次圧不足による遅れを防止することができる。

また本発明においては、上記パイロットポンプとリモコン弁とを結ぶパイロット一次圧回路にリリーフ弁を設け、上記電動機に指令されるトルク値Ｔｏ及びパイロットポンプの容量ｑから(２π×Ｔｓ)／ｑによって求められるパイロットポンプの吐出圧をＰｐ、上記パイロット一次圧回路と同回路に設けられた油圧機器とから成る油圧パイロット制御部の許容圧力をＰｌとして、上記リリーフ弁の設定圧Ｐｓを、
Ｐｐ＜Ｐｓ≦Ｐｌ
に設定するのが望ましい(請求項３)。

本発明によると、前記のように通常運転中、リリーフ作動が行われないため、理論的にはリリーフ弁は不要となる。

但し、電動機制御系の故障によりトルク一定制御ができなくなってパイロット一次圧回路の圧力が上昇した場合に、油圧パイロット制御部の機器や配管が破損するおそれがある。

この点、上記のようにリリーフ弁を設けてその設定圧Ｐｓを
Ｐｐ＜Ｐｓ≦Ｐｌ
に設定することにより、油圧パイロット制御部の配管を含めた機器の破損を防止することができる。

さらに本発明において、上記原動機の停止時に上記電動機の作動を許可する非常スイッチを設け、上記制御手段は、この非常スイッチの操作に基づいて電動機を作動させるように構成するのが望ましい(請求項４)。

この構成によれば、ショベルのように、加圧時にブレーキ解放するネガティブ式の旋回ブレーキや、ブームの負荷を保持する保持弁(ホールディングバルブ)を設け、これらをパイロット圧で作動させる機械において、修理やメンテナンス、緊急避難時のような原動機を作動させることができない状況でも、パイロットポンプからの油により上記油圧機器を作動させてブレーキを解放したりブームを下げたり(負荷を下ろしたり)することができる。

一方、本発明において、ハイブリッド構成、すなわち、上記原動機としてのエンジンに発電電動機を接続し、上記発電電動機の発電機作用によって動力バッテリの充電を行うとともに、この動力バッテリの電力により上記発電電動機を電動機として駆動してエンジンをアシストする構成をとるハイブリッド機械において、上記パイロットポンプの駆動源である電動機を上記動力バッテリまたは発電電動機の電力によって駆動するように構成することができる(請求項５)。

この構成によれば、ハイブリッド機械に搭載された動力バッテリや発電電動機の電力、すなわち、エンジンの余力を使って発電された電力をパイロットポンプ用電動機の電源として活用できるため、鉛蓄電器等の補助バッテリを使用する場合のように同バッテリの容量を大きくする必要がなく、コスト等の点で有利となる。

本発明によると、電動機駆動方式をとりながら、圧力センサを省略してコストダウンできるとともに制御精度を改善し、かつ、リリーフ作動によるエネルギーロスを解消することができる。

本発明の第１実施形態を示すシステム構成図である。 本発明の第２実施形態を示すシステム構成図である。 公知技術を示すシステム構成図である。

実施形態はハイブリッドショベルを適用対象としている。

図１に示す第１実施形態、及び図２に示す第２実施形態において、次の点は図３に示す公知技術と同じである。

(ｉ) 原動機としてのエンジン２１にメインポンプ２２が接続され、このメインポンプ２２から吐出油が油圧パイロット式の油圧制御弁２３を介して油圧アクチュエータ２４に供給される点。

(ｉｉ) リモコン弁(油圧パイロット弁)２５を備え、操作手段としてのレバー２６の操作量に応じたパイロット圧がこのリモコン弁２５から油圧制御弁２３のパイロットポートに送られ、これにより油圧制御弁２３が作動して油圧アクチュエータ２４の作動が制御される点。

(ｉｉｉ) 電動機(以下、パイロットポンプ用電動機という)２７によってパイロットポンプ２８が駆動され、このパイロットポンプ２８からリモコン弁２５にパイロット一次圧が供給される点。

また、両実施形態において、ハイブリッド特有の構成として、エンジン２１にメインポンプ２２とともに発電電動機２９が接続され、この発電電動機２９の発電機作用によって動力バッテリ３０が充電される一方、適時、この動力バッテリ３０の電力により発電電動機２９が電動機作用を行ってエンジン２１をアシストするように構成されている。

第１実施形態(図１参照)
発電電動機２９の発電機／電動機作用、及び動力バッテリ３０の充放電作用は、制御手段を構成するコントローラ３１及びインバータ３２によって制御される。

また、パイロットポンプ用電動機２７は、制御手段を構成する電動機制御器３３を介して動力バッテリ３０に接続され、動力バッテリ３０を電源として駆動されるとともに、コントローラ３１及び電動機制御器３３によって制御される。

一方、パイロットポンプ２８とリモコン弁２５とを結ぶパイロット一次圧回路に、リリーフ弁３４と、パイロットポンプ停止時に必要なパイロット圧を確保するためのアキュムレータ３５と、アキュムレータ３５の上流側においてパイロットポンプ２８に向かうパイロット油の流れを阻止するチェック弁３６とが設けられ、これらによって油圧パイロット制御部Ｂが構成されている。

また、リモコン弁２５の操作の有無を検出する操作検出手段として、リモコン弁２５から油圧制御弁２３に送られるパイロット圧を検出する圧力センサ３７が設けられ、同センサ３７からの信号(操作の有無)がコントローラ３１に送られる。

コントローラ３１は、基本的作用として、圧力センサ３７からの信号に基づいてリモコン弁２５の操作の有無を判別し、操作時に、パイロットポンプ用電動機２７のトルクが常に一定となるように同電動機２７についてトルク一定制御を行う。

ここで、前記のようにトルク一定制御によって得られるパイロットポンプ２８の吐出圧(ポンプ圧)Ｐｐは、パイロットポンプ用電動機２７に対するトルク指令値をＴｏとすると、
Ｐｐ＝２π×Ｔｏ÷パイロットポンプ容量
で決定される。

すなわち、パイロットポンプ用電動機２７をトルク一定制御することにより、パイロットポンプ２８が、エンジン回転数によらず、任意の回転数(目標トルクで決まる回転数)で駆動され、ポンプ圧(＝パイロット一次圧)Ｐｐが常に一定となる。

従って、通常運転中、リリーフ弁３４によるリリーフ作動は行われないため、リリーフ損失が生じない。

また、公知技術で必要であったポンプ圧を検出するための圧力センサが不要となるため、コストが安くてすむ。

なお、操作検出手段としての圧力センサ３７が必要となるが、同センサ３７は、ポンプ制御等のために元々機械に標準設備として設けられ、このセンサ信号をパイロットポンプ制御のために利用するだけでよいため、コストアップにはならない。

さらに、公知技術のオン／オフ制御におけるヒステリシス幅の圧力変動や、フィードバック制御における応答遅れやゲインによる圧力変動がなくなるため、制御精度を向上させることができる。

また、実施形態においては、リモコン弁２５の中立時(非操作時)に、コントローラ３１からパイロットポンプ用電動機２７に送られるトルク指令を０にするように構成されている。

この構成によれば、非操作時にパイロットポンプ用電動機２７が停止してパイロットポンプ２８が停止するため、無駄な運転を回避し、省エネルギーとなる。

この場合、パイロット一次圧回路の圧力がアキュムレータ３５によって確保されるとともに、チェック弁３６によりパイロットポンプ２８からのパイロット油の漏れが防止される。

これにより、パイロットポンプ起動時のパイロット一次圧不足による遅れを防止することができる。

ところで、上記のようにトルク一定制御によってパイロットポンプ２８のポンプ圧Ｐｐが常に一定に保たれるため、通常運転中、リリーフ弁３４がリリーフ作動を行うことはない。つまり、理論上、リリーフ弁３４は不要となる。

但し、電動機制御系の故障によりトルク一定制御ができなくなってパイロット一次圧回路の圧力が上昇した場合に、油圧パイロット制御部Ｂの機器及び配管が破損するおそれがある。

そこで、実施形態においてはリーフ弁３４が設けられ、その設定圧Ｐｓが、
Ｐｐ＜Ｐｓ≦Ｐｌ
に設定されている。Ｐｌは油圧パイロット制御部Ｂの許容圧力(配管及び機器の破損を防止し得る限界圧力である。

これにより、油圧パイロット制御部Ｂの機器及び配管の破損を防止することができる。

加えて、実施形態によると、ハイブリッド機械に搭載された動力バッテリ３０の電力、すなわち、エンジン２１の余力を使って発電された電力をパイロットポンプ用電動機２７の電源として活用できるため、鉛蓄電器等の補助バッテリを使用する場合のように同バッテリの容量を大きくする必要がなく、コスト等の点で有利となる。

なお、発電電動機２９の電力をパイロットポンプ用電動機２７の電源とする構成をとってもよい。この場合でも、上記同様の効果が得られる。

第２実施形態(図２参照)
第１実施形態との相違点のみを説明する。

ショベルにおいては、加圧時にブレーキ解放するネガティブ式の旋回ブレーキや、ブームシリンダの負荷を保持する保持弁(ホールディングバルブ)が設けられ、それぞれパイロットポンプ油によって作動する構成がとられている。

この場合、エンジン駆動方式では、修理やメンテナンス、緊急避難時のようなエンジンを作動させることができない状況ではこれらを作動させることができなかった。

第２実施形態では、第１実施形態の基本的構成に加えて、この点の対策がとられている。ここでは保持弁３８を例示しているが、旋回ブレーキ等のパイロット油によって作動する他の油圧機器についても以下同様の構成をとることができる。

油圧アクチュエータの一つであるブームシリンダ２４の伸び側に保持弁３８が設けられ、この保持弁３８によってブーム(負荷Ｗ)の自然降下が防止される。

一方、ブーム用リモコン弁２５のブーム下げ操作時に、ブーム用リモコン弁２５からのパイロット圧が油圧制御弁２３中のブーム用制御弁に供給されるとともに、保持弁管路３９によってこの保持弁３８にも供給される。

これにより、ブームシリンダ２４が縮小作動して負荷Ｗを下ろすことができる。

第２実施形態においては、非常スイッチ４０が設けられ、エンジン停止状態でこの非常スイッチ４０が操作されたときに、ブーム下げ操作に基づいてコントローラ３１から電動機制御器３３経由でパイロットポンプ用電動機２７に運転指令が出されるように構成されている。

従って、エンジン停止状態でも、非常スイッチ４０を操作した上でブーム下げ操作を行えばパイロットポンプ用電動機２７が回転してパイロットポンプ２８が駆動され、パイロット油が保持弁３８に供給されるため、ブームを下げて負荷Ｗを下ろすことができる。

ところで、本発明は、上記実施形態で例示したハイブリッドショベルに限らず、一般的な油圧ショベルや、原動機として電動機を用いる電動ショベルにも、またショベルと同様の構成をとる他の建設機械にも上記同様に適用することができる。

なお、エンジンを原動機とする機械の場合は、パイロットポンプ用電動機２７を鉛蓄電器等の通常のバッテリによって駆動する構成がとられる。また、電動機械の場合は、原動機としての電動機と同じ電源によって駆動すればよい。

２１ エンジン
２２ メインポンプ
２３ 油圧制御弁
２４ 油圧アクチュエータ
２５ リモコン弁
２６ 操作手段としてのレバー
２７ パイロットポンプ用電動機
２８ パイロットポンプ
２９ 発電電動機
３０ 動力バッテリ
３１ 制御手段を構成するコントローラ
３２ 同、インバータ
３３ 同、電動機制御器
Ｂ 油圧パイロット制御部
３４ リリーフ弁
３５ アキュムレータ
３６ チェック弁
３７ 操作検出手段としての圧力センサ
４０ 非常スイッチ

Claims (5)

1. 原動機と、この原動機によって駆動されるメインポンプと、このメインポンプから吐出される圧油によって駆動される油圧アクチュエータと、この油圧アクチュエータの作動を制御する油圧パイロット式の油圧制御弁と、操作手段の操作量に応じたパイロット圧を上記油圧制御弁に送るリモコン弁と、このリモコン弁にパイロット一次圧を供給するパイロットポンプと、このパイロットポンプを駆動する電動機と、この電動機を制御する制御手段とを具備し、上記制御手段は、上記電動機について、
   Ｐｐ＝２π×電動機トルク÷パイロットポンプ容量
   で決定される上記パイロットポンプのポンプ圧Ｐｐを一定とするためのトルク一定制御を行うように構成したことを特徴とする建設機械の油圧制御装置。
2. 上記パイロットポンプとリモコン弁とを結ぶパイロット一次圧回路にチェック弁、このチェック弁の下流にアキュムレータをそれぞれ設ける一方、上記操作手段の操作の有無を検出する操作検出手段を設け、上記制御手段は、上記操作手段の中立時に上記電動機に対するトルク指令を０にするように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制御装置。
3. 上記パイロットポンプとリモコン弁とを結ぶパイロット一次圧回路にリリーフ弁を設け、上記電動機に指令されるトルク値Ｔｏ及びパイロットポンプの容量ｑから(２π×Ｔｓ)／ｑによって求められるパイロットポンプの吐出圧をＰｐ、上記パイロット一次圧回路と同回路に設けられた油圧機器とから成る油圧パイロット制御部の許容圧力をＰｌとして、上記リリーフ弁の設定圧Ｐｓを、
   Ｐｐ＜Ｐｓ≦Ｐｌ
   に設定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制御装置。
4. 上記原動機の停止時に上記電動機の作動を許可する非常スイッチを設け、上記制御手段は、この非常スイッチの操作に基づいて電動機を作動させるように構成したことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の建設機械の油圧制御装置。
5. 上記原動機としてのエンジンに発電電動機を接続し、上記発電電動機の発電機作用によって動力バッテリの充電を行うとともに、この動力バッテリの電力により上記発電電動機を電動機として駆動してエンジンをアシストするように構成し、上記パイロットポンプの駆動源である電動機を上記動力バッテリまたは発電電動機の電力によって駆動す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制御装置。

Images