JPH05287774A - 油圧式掘削機のエネルギー再生装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 油圧式掘削機において、アキュムレータに回
収したエネルギーの再生対象を特定のアクチュエータに
限定せず、必要あるとき随時アシストすることにより、
省エネルギー効果を高める。 【構成】 アキュムレータ１３の蓄圧が設定圧未満の場
合、ブーム下げ操作または旋回操作時、レバー操作量が
所定値以上となったときにアキュムレータ１３からアシ
ストシリンダ１２のボトム側管路または旋回用油圧モー
タ１０の圧力管路に至る管路１４ａまたは管路１４ｅに
設けた電磁弁１５，２１を開いてアキュムレータ１３に
蓄圧し、アキュムレータの蓄圧が設定圧以上であれば、
ブーム上げ、アーム掘削、バケット掘削ならびに旋回操
作のそれぞれに対して、エンジン負荷およびレバー操作
量がいずれも所定値以上となったときに、電磁弁１５，
１８，２０，２１，２３のうち該当する電磁弁を開いて
回収エネルギーを供給する制御を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、油圧式掘削機のエネル
ギー再生装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ブーム、アーム、バケット等をそれぞれ
回動自在に連結してなる作業機を上部旋回体に搭載した
油圧式掘削機において、省エネルギー対策の一つとし
て、油圧回路内に設けたアキュムレータに蓄圧すること
によりエネルギーを回収し、必要に応じて活用する下記
のようなエネルギー再生装置が知られている。 （１）作業機の操作、たとえばブームを下げる際、ブー
ムシリンダボトム側から油タンクに戻される圧油の一部
をアキュムレータに導いて、蓄圧する作業機重量キャン
セルシステム。 （２）上部旋回体を旋回させて停止する際、旋回モータ
から油タンクに戻される圧油の一部をアキュムレータに
導き、蓄圧するシステム。 上記（１）の作業機重量キャンセルシステムは、ブーム
下げ操作によって回収したエネルギーをブーム上げ操作
のためのみに活用し、また（２）の蓄圧システムは、旋
回操作によって回収したエネルギーを旋回操作のための
みに活用している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】油圧式掘削機の全作業
のうち、ブーム上げ操作あるいは旋回操作の割合はそれ
程多くないため、回収したエネルギーをアシストとして
活用する機会が少なく、従って、従来のエネルギー回収
システムでは省エネルギー効果が小さい。また、軽作業
等でエンジン出力に余裕がある場合でも自動的にアシス
トしてしまうので、このような場合は省エネルギーにな
らない。本発明は上記従来の問題点に着目してなされた
もので、アキュムレータに蓄えられたエネルギーのアシ
スト対象を限定せず、作業機駆動用油圧シリンダ、旋回
用油圧モータ、エンジンに対して必要あるとき随時アシ
ストすることにより、省エネルギー効果を高めることが
できるような油圧式掘削機のエネルギー再生装置を提供
することを目的としている。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明に係る油圧式掘削機のエネルギー再生装置
は、ブーム上げおよび下げ操作、アーム掘削操作、バケ
ット掘削操作ならびに上部旋回体の旋回操作において、
レバー操作量が所定値以上となったときに作動する圧力
スイッチと、ブーム下げおよび旋回停止時に得られるエ
ネルギーを回収して蓄積するアキュムレータと、アキュ
ムレータの圧力およびブームシリンダ、アームシリン
ダ、バケットシリンダの各ボトム側圧力、旋回用油圧モ
ータの圧力をそれぞれ検出する圧力センサと、エンジン
の回転数を検出する回転数センサと、アキュムレータか
らブーム上げ操作を補助するアシストシリンダのボトム
側に至る管路、アームシリンダ、バケットシリンダの各
ボトム側に至る管路と、アキュムレータから旋回用油圧
モータの圧力管路およびエンジンにより駆動されるアシ
スト用油圧ポンプの吸い込み管路に至るそれぞれの管路
とに設けた電磁弁と、前記圧力スイッチ、圧力センサお
よび回転数センサの出力信号に基づいて、電磁弁に開閉
指令信号を出力する制御装置とを備える構成とし、この
ような構成において、前記制御装置は、アキュムレータ
の蓄圧が設定圧未満であれば、ブーム下げ操作または旋
回操作時、レバー操作量が所定値以上となったときに、
アキュムレータからアシストシリンダのボトム側に至る
管路またはアキュムレータから旋回用油圧モータの圧力
管路に至る管路に設けた電磁弁を開いてアキュムレータ
に蓄圧し、アキュムレータの蓄圧が設定圧以上であれ
ば、ブーム上げ操作、アーム掘削操作、バケット掘削操
作ならびに旋回操作のそれぞれに対して、エンジン負荷
およびレバー操作量がいずれも所定値以上となったとき
に、それぞれ該当する電磁弁を開いて回収エネルギーを
供給する制御を行うものとした。

【０００５】

【作用】上記構成によれば、アキュムレータの蓄圧が設
定圧未満の場合は、ブーム下げ操作または旋回操作時、
レバー操作量が所定値以上となったときにアシストシリ
ンダのボトム側管路または旋回用油圧モータの圧力管路
に設けた電磁弁を開き、アキュムレータに蓄圧する。従
って、油タンクに戻される圧油を利用して効率よくエネ
ルギーを回収することができる。アキュムレータの蓄圧
が設定圧以上になると、ブーム上げ操作、アーム掘削操
作、バケット掘削操作ならびに旋回操作のそれぞれに対
して、エンジン負荷およびレバー操作量がいずれも所定
値以上となったときに、アキュムレータから作業機駆動
用油圧シリンダ、旋回用油圧モータに至る各管路および
エンジンにより駆動されるアシスト用油圧ポンプの吸い
込み管路に至る管路に設けた電磁弁のうち、該当する電
磁弁を開いて回収エネルギーを供給することにしたの
で、前記回収エネルギーの再生対象は特定アクチュエー
タに限定されない。従って、作業機駆動用油圧シリン
ダ、旋回用油圧モータ、エンジンに対して必要あるとき
随時アシストすることができ、回収エネルギーを有効に
活用することにより、省エネルギー効果を高めることが
できる。

【０００６】

【実施例】以下に本発明に係る油圧式掘削機のエネルギ
ー再生装置の実施例について、図面を参照して説明す
る。図１は油圧式掘削機の油圧・電気回路のうち、エネ
ルギー再生装置に関する部分のみを示したもので、本装
置以外の回路は記載を省略してある。同図において、エ
ンジン１により主油圧ポンプ２、パイロット用油圧ポン
プ３、アシスト用油圧ポンプ４および旋回用油圧ポンプ
５が駆動され、主油圧ポンプ２の圧力管路は図示しない
主操作弁を経て、２本のブームシリンダ６、アームシリ
ンダ７、バケットシリンダ８などに接続されている。ま
た、旋回用油圧ポンプ５の圧力管路５ａは、旋回用操作
弁９を経て旋回用油圧モータ１０に接続され、アシスト
用油圧ポンプ４の圧力管路４ａは、油タンク１１に導か
れている。なお、前記２本のブームシリンダ６の間にア
シストシリンダ１２が設けられている。

【０００７】アキュムレータ１３から前記各アクチュエ
ータに至る管路のうち、管路１４から分岐する管路１４
ａは電磁弁１５を介してアシストシリンダ１２のボトム
側に接続され、管路１４ｂは止め弁１６を介してブーム
シリンダ６のボトム側に接続されている。また、管路１
４ｃは逆止め弁１７と電磁弁１８とを介してアームシリ
ンダ７のボトム側に、管路１４ｄは逆止め弁１９と電磁
弁２０とを介してバケットシリンダ８のボトム側に、管
路１４ｅは電磁弁２１と逆止め弁２２とを介して前記圧
力管路５ａに、管路１４ｆは電磁弁２３を介してアシス
ト用油圧ポンプ４の吸い込み管路４ｂに、それぞれ接続
されている。前記電磁弁１５，１８，２０，２１，２３
はいずれもコントローラ２４が出力する指令電流によっ
て作動する。

【０００８】前記管路１４にはアキュムレータ１３の圧
力を検出する圧力センサ２５が取着され、管路１４ｂ，
１４ｃ，１４ｄにはそれぞれ圧力センサ２６，２７，２
８が取着されている。管路１４ｅの分岐管路１４ｇは、
シーケンス弁２９と逆止め弁３０または逆止め弁３１を
介して旋回用油圧モータ１０の圧力管路に接続され、分
岐管路１４ｇの圧力を検出する圧力センサ３２が取着さ
れている。エンジン１には回転数センサ３３が取着さ
れ、これらの圧力センサ、回転数センサの出力配線はい
ずれもコントローラ２４に接続されている。

【０００９】運転席に設けられたブーム・バケット操作
レバー３４をブーム上げまたはブーム下げ操作し、レバ
ー操作量に比例して発生するパイロット圧が設定値に達
したときに作動する圧力スイッチ３５，３６と、前記操
作レバー３４をバケット掘削側に操作して，パイロット
圧が設定値に達したときに作動する圧力スイッチ３７と
の出力配線は、いずれもコントローラ２４に接続されて
いる。また、アーム・旋回操作レバー３８をアーム掘削
側に操作、または旋回操作して、レバー操作量に比例し
て発生するパイロット圧が設定値に達したとき作動する
圧力スイッチ３９，４０の出力配線も、コントローラ２
４に接続されている。

【００１０】アキュムレータ１３に蓄圧する場合、止め
弁１６は閉じた状態にしてまずブームを上げ、その後ブ
ームを下げにレバー操作する。アキュムレータ１３の圧
が低いため電磁弁１５がＯＮの状態になっており、アシ
ストシリンダ１２のボトム側から出ていく圧油の一部は
管路１４ａおよび管路１４を通ってアキュムレータ１３
に流入し、蓄圧される。蓄圧終了し、設定圧力以上にな
ると電磁弁１５がＯＦＦの状態になる。以後のエネルギ
ー回収すなわち蓄圧は、アシストシリンダ１２および旋
回用油圧モータ１０によって行われる。また、エンジン
出力のアシストは、さきに本発明者が実願平４−９０９
０で出願したものと同一であり、電磁弁２３をＯＮに
し、アシスト用油圧ポンプ４の吸い込み管路４ｂにアキ
ュムレータ１３から圧油を送ることにより、アシスト用
油圧ポンプ４をエンジン回転数以上の速度で回転させ、
エンジン出力を一時的に増大させるものである。

【００１１】図２は、エネルギー再生装置に用いられて
いるコントローラのブロック図である。前述のように作
業機操作レバーをブーム上げ側またはブーム下げ側、バ
ケット掘削側、アーム掘削側に操作し、または旋回操作
して、各パイロット圧が設定値に達すると、圧力スイッ
チ３５，３６，３７，３９，４０の出力信号はコントロ
ーラ２４内の電磁弁開閉指令信号出力手段５１に入力さ
れる。アキュムレータ圧力を検出する圧力センサ２５の
出力信号は、アキュムレータの圧力演算手段５２によっ
て演算処理の上、蓄圧の良否判定手段５３に入力され、
アキュムレータ設定圧記憶手段５４が出力するアキュム
レータ設定圧と比較して蓄圧の良否が判定される。

【００１２】蓄圧が設定圧未満の場合は蓄圧しなければ
ならないので、ブーム下げ、旋回あるいはブーム下げと
旋回の複合操作を、これらの圧力スイッチ３６または４
０が検出すると、電磁弁開閉指令信号出力手段５１が電
磁弁１５または電磁弁２１あるいは電磁弁１５，２１の
双方にＯＮ指令信号を出力し、これらの電磁弁が励磁さ
れる。これにより、アシストシリンダ１２または旋回用
油圧モータ１０から油タンクに戻される圧油の一部がア
キュームレータに流入し、圧力の蓄積が行われる。

【００１３】前記アキュムレータの圧力演算手段５２に
よる演算結果は、蓄圧の実測値と負荷圧との比較・判定
手段５５にも入力される。ブームシリンダ、アームシリ
ンダ、バケットシリンダおよび旋回用油圧モータの負荷
圧を検出する各圧力センサ２６，２７，２８，３２の出
力信号は、負荷圧演算手段５６によって演算処理の上、
前記蓄圧の実測値と負荷圧との比較・判定手段５５に入
力される。エンジンの回転数を検出する回転数センサ３
３の出力信号は、回転数演算手段５７によって演算処理
の後、エンジン負荷判定手段５８に入力され、エンジン
回転数の設定範囲記憶手段５９が出力するエンジン回転
数の設定範囲と比較した上、エンジン負荷の判定が行わ
れる。ここでエンジン回転数の設定範囲とは、エンジン
最大トルク点付近から定格トルク点付近までの範囲であ
る。前記蓄圧の良否判定結果、蓄圧の実測値と負荷圧と
の比較・判定結果およびエンジン負荷の判定結果は、い
ずれも電磁弁開閉指令信号出力手段５１に入力され、電
磁弁開閉指令信号出力手段５１が出力する指令信号によ
り、各電磁弁１５，１８，２０，２１，２３のＯＮ，Ｏ
ＦＦが行われる。

【００１４】アキュムレータ１３の蓄圧が設定圧以上の
場合は、エネルギーの再生が行われる。圧力スイッチ３
５，３７，３９，４０のいずれか１つ以上がＯＮで、か
つエンジン負荷判定手段５８によってエンジン負荷大と
判定された場合、電磁弁１５，１８，２０，２１のうち
前記圧力スイッチに対応する電磁弁と、電磁弁２３とが
励磁され、アキュムレータから対象アクチュエータおよ
びエンジンにエネルギーが供給される。

【００１５】図３、図４、図５は、エネルギー再生シス
テム装置の制御を実行するフローチャートである。これ
らの図において、各ステップの左上に記載した数字はス
テップ番号を示す。図３において、操作レバーを動か
し、パイロット圧が設定値以上になると作動する圧力ス
イッチの出力信号が１つ以上入力されると、コントロー
ラが起動して制御プログラムがスタートする。まずステ
ップ１でアキュムレータの蓄圧が設定圧以上になってい
るか否かの判定を行い、設定圧以上になっていればエネ
ルギー再生が行われる。エネルギー再生については、図
４および図５で説明する。アキュムレータの蓄圧が設定
圧未満の場合は、エネルギー回収のプログラムに入り、
ステップ２でレバー操作がブーム下げ操作のみか否かに
ついて判定する。この判定は、ブーム下げ側パイロット
圧の圧力スイッチ３６がＯＮになっていればＹＥＳとな
り、その場合はステップ３で電磁弁１５をＯＮにする。
これにより、アシストシリンダ１２のボトム側から流出
する圧油がアキュムレータに流入し、アキュムレータの
蓄圧が行われる。前記ステップ２の判定がＮＯの場合は
ステップ４に進み、レバー操作が旋回のみか否かについ
て前記と同様の方法で判定し、ＹＥＳの場合はステップ
５で電磁弁２１をＯＮにする。これにより、旋回停止時
に旋回用油圧モータ１０から流出する圧油がアキュムレ
ータに流入し、アキュムレータの蓄圧が行われる。ま
た、前記ステップ４の判定もＮＯの場合はステップ６に
進み、レバー操作がブーム下げと旋回との複合操作か否
かについて判定し、圧力スイッチ３６，４０の双方がＯ
ＮであればＹＥＳとなり、ステップ７で電磁弁１５，２
１をＯＮにする。これにより、アシストシリンダ１２の
ボトム側および旋回用油圧モータ１０から流出する圧油
がアキュムレータに流入し、アキュムレータの蓄圧が行
われる。前記ステップ６の判定もＮＯの場合は、ステッ
プ２に戻る。

【００１６】上記ステップ３，５または７で、電磁弁１
５または電磁弁２１あるいは電磁弁１５と２１とがＯＮ
となるが、ステップ８，９，１０では上記各レバーの操
作状態が継続されているか否かの判定を、各圧力スイッ
チのＯＮ，ＯＦＦに基づいて行い、ＹＥＳの場合はそれ
ぞれステップ３またはステップ５あるいはステップ７に
戻り、各電磁弁ＯＮの状態が継続される。また、ステッ
プ８，９，１０でＮＯと判定した場合は、ステップ１１
で各電磁弁をＯＮからＯＦＦに切換え、ステップ１に戻
る。

【００１７】図４は、ブーム上げ操作時およびアーム掘
削操作時におけるエネルギー再生のフローチャートであ
る。ブーム上げ操作の場合、ステップ１で圧力スイッチ
３５がＯＮか否かの判定を行い、ＹＥＳであればステッ
プ２でエンジン回転数が設定範囲内にあるか否かを判定
し、ＹＥＳの場合はステップ３で電磁弁１５と電磁弁２
３とをＯＮにする。これにより、アキュムレータからア
シストシリンダボトム側に至る管路１４ａと、アシスト
用油圧ポンプ４の吸い込み管路４ｂに至る管路１４ｆと
に圧油が充満するので、ステップ４でアキュムレータの
蓄圧が設定圧以上か否かを判定し、ＹＥＳであればステ
ップ５で圧力スイッチ３５がＯＮか否かについて再度判
定する。そして前記スイッチのＯＮ状態が続いていれ
ば、ステップ３に戻る。すなわち、ブーム上げ側の圧力
スイッチがＯＮの間アキュムレータの圧油は、アシスト
シリンダボトム側とアシスト用油圧ポンプの吸い込み側
とに流入し、ブーム上げ操作におけるエネルギー再生が
行われる。ステップ２の判定がＮＯの場合はエンジン負
荷が比較的軽くアシスト不要であるため、エネルギーの
再生はしない。前記ステップ４またはステップ５の判定
がＮＯの場合はステップ６に進み、電磁弁１５，２３を
ＯＦＦにし、エネルギー再生のフローが終了する。

【００１８】アーム掘削操作の場合は、ステップ７で圧
力スイッチ３９がＯＮか否かの判定を行い、ＹＥＳであ
ればステップ８でエンジン回転数が設定範囲内にあるか
否かを判定する。この判定もＹＥＳの場合はステップ９
に進み、、圧力センサ２５が検出するアキュムレータ圧
力Ｐ13と、圧力センサ２７が検出するアームシリンダボ
トム側圧力Ｐ7 とを比較し、Ｐ13＞Ｐ7 であればステッ
プ１０で電磁弁１８と電磁弁２３とをＯＮにする。これ
により、アキュムレータからアームシリンダボトム側に
至る管路１４ｃと、アシスト用油圧ポンプ４の吸い込み
管路４ｂに至る管路１４ｆとに圧油が充満するので、ス
テップ１１でアキュムレータの蓄圧が設定圧以上か否か
を判定し、ＹＥＳであればステップ１２で圧力スイッチ
３９がＯＮか否かについて再度判定する。そして前記ス
イッチのＯＮ状態が続いていれば、ステップ１０に戻
る。前記ステップ１１またはステップ１２の判定がＮＯ
の場合はステップ１３に進み、電磁弁１８，２３をＯＦ
Ｆにし、エネルギー再生のフローが終了する。

【００１９】図５は、バケット掘削操作時および旋回操
作時におけるエネルギー再生のフローチャートで、図４
に示したアーム掘削操作の場合と同様のフローである。
すなわち、圧力スイッチがＯＮで、エンジン回転数が設
定範囲内にある場合、アキュムレータ圧力Ｐ13と、バケ
ットシリンダボトム側圧力Ｐ8 または旋回用油圧モータ
圧力Ｐ10とを比較し、Ｐ13＞Ｐ8 またはＰ13＞Ｐ10であ
れば電磁弁２０，２３または電磁弁２１，２３をＯＮに
する。更に、アキュムレータの蓄圧が設定圧以上か否か
の判定と、圧力スイッチがＯＮか否かの判定とを行っ
て、電磁弁の開閉指令信号を出力する。

【００２０】本実施例では、操作レバーを動かして圧力
スイッチが１つ以上作動するとコントローラが起動する
方式としたが、これに限るものではなく、エンジンの始
動によってコントローラが起動する方式としてもよい。

【００２１】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、ア
キュムレータの蓄圧が設定圧未満の場合は、ブーム下げ
操作または旋回操作をして、レバー操作量が所定値以上
となったときに、油タンクに戻される圧油を利用して効
率よくアキュムレータに蓄圧する。アキュムレータの蓄
圧が設定圧以上になると、エンジン負荷およびレバー操
作量がいずれも所定値以上となったときに、作業機およ
び旋回用アクチュエータならびにエンジンに対して回収
エネルギーを供給することにしたので、従来のようにア
シスト対象が特定のアクチュエータに限定されたり、エ
ンジン出力に余裕があるときにアシストすることがなく
なり、アシストを必要とする作業機、エンジン等に回収
エネルギーを有効に活用することができる。これによ
り、省エネルギー効果を一段と高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】油圧式掘削機に搭載するエネルギー再生装置の
油圧・電気回路図である。

【図２】エネルギー再生装置を制御する制御装置のブロ
ック図である。

【図３】エネルギー回収の制御を実行するフローチャー
トである。

【図４】エネルギー再生の制御を実行するフローチャー
トで、ブーム上げ操作およびアーム掘削操作の場合を示
す。

【図５】エネルギー再生の制御を実行するフローチャー
トで、バケット掘削操作および旋回操作の場合を示す。

【符号の説明】

１ エンジン ４ アシスト用油圧ポンプ ４ａ，５ａ 圧力管路 ４ｂ 吸い込み管路 ６ ブームシリンダ ７ アームシリンダ ８ バケットシリンダ １０ 旋回用油圧モータ １２ アシストシリンダ １３ アキュムレータ １４，１４ａ，１４ｂ．１４ｃ，１４ｄ，１４ｅ，１４
ｆ 管路 １５，１８，２０，２１，２３ 電磁弁 ２４ 制御装置（コントローラ） ２５，２６，２７，２８，３２ 圧力センサ ３３ 回転数センサ ３５，３６，３７，３９，４０ 圧力スイッチ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 油圧式掘削機のブーム上げおよび下げ操
   作、アーム掘削操作、バケット掘削操作ならびに上部旋
   回体の旋回操作において、レバー操作量が所定値以上と
   なったときに作動する圧力スイッチと、ブーム下げおよ
   び旋回停止時に得られるエネルギーを回収して蓄積する
   アキュムレータと、アキュムレータの圧力およびブーム
   シリンダ、アームシリンダ、バケットシリンダの各ボト
   ム側圧力、旋回用油圧モータの圧力をそれぞれ検出する
   圧力センサと、エンジンの回転数を検出する回転数セン
   サと、アキュムレータからブーム上げ操作を補助するア
   シストシリンダのボトム側に至る管路、アームシリン
   ダ、バケットシリンダの各ボトム側に至る管路と、アキ
   ュムレータから旋回用油圧モータの圧力管路およびエン
   ジンにより駆動されるアシスト用油圧ポンプの吸い込み
   管路に至るそれぞれの管路とに設けた電磁弁と、前記圧
   力スイッチ、圧力センサおよび回転数センサの出力信号
   に基づいて、電磁弁に開閉指令信号を出力する制御装置
   とを備えていることを特徴とする油圧式掘削機のエネル
   ギー再生装置。
2. 【請求項２】 請求項１の制御装置は、アキュムレータ
   の蓄圧が設定圧未満であれば、ブーム下げ操作または旋
   回操作時、レバー操作量が所定値以上となったときに、
   アキュムレータからアシストシリンダのボトム側に至る
   管路またはアキュムレータから旋回用油圧モータの圧力
   管路に至る管路に設けた電磁弁を開いてアキュムレータ
   に蓄圧し、アキュムレータの蓄圧が設定圧以上であれ
   ば、ブーム上げ操作、アーム掘削操作、バケット掘削操
   作ならびに旋回操作のそれぞれに対して、エンジン負荷
   およびレバー操作量がいずれも所定値以上となったとき
   に、それぞれ該当する電磁弁を開いて回収エネルギーを
   供給する制御を行うものであることを特徴とする油圧式
   掘削機のエネルギー再生装置。