CN107636236B - 挖土机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种挖土机。本发明的回转装置使上部回转体相对于履带旋转。附件(12)具有动臂、斗杆、铲斗及动臂缸、斗杆缸、铲斗缸，且安装于上部回转体。控制器(30)限制附件(12)及上部回转体中至少一方的动作，以防附件(12)在动作中施加于铲斗内的物料的力超过可使物料平稳的阈值。

Description

挖土机

技术领域

本发明涉及一种挖土机。

背景技术

挖土机具备被称为履带的行走体、上部回转体、使上部回转体相对于行走体旋转的回转装置及安装于上部回转体的附件。附件具有动臂、斗杆、铲斗及驱动它们的动臂缸、斗杆缸、铲斗缸。各缸体能够通过驾驶员(操作人员)的操纵杆操作而控制。

若在铲斗中容纳有沙土或瓦砾等物料的状态下，由操作人员突然启动动臂轴、斗杆轴、铲斗轴或回转轴，则物料从铲斗洒落下来(称为沙土溢出)。沙土溢出时需要进行返工作业，因此成为降低作业效率的因素。

以往技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2008-267760号公报

发明内容

发明要解决的技术课题

然而，以往抑制沙土溢出时，抑制回转转矩的骤变或根据操作人员的设定来限制回转加速度或以减少附件的冲击的方式缓慢地止住回转轴等，虽然对伴随回转运动的沙土溢出有效，但没有考虑到由附件动作引起的沙土溢出，因此存在改善的余地。

并且，以往技术中，主要进行使铲斗姿势相对于地面自动地保持为水平的铲斗角恒定控制，没有考虑铲斗的机械运动。

本发明是鉴于这种问题而完成的，其一种方式的例示的目的之一在于提供一种能够抑制沙土溢出的挖土机。

用于解决技术课题的手段

1.本发明的一种方式涉及挖土机。挖土机具备：履带；上部回转体；回转装置，使上部回转体相对于履带旋转；附件，具有动臂、斗杆、铲斗及动臂缸、斗杆缸、铲斗缸且安装于上部回转体；及控制器，限制附件及上部回转体中至少一方的动作，以防附件在动作中施加于铲斗内的物料的力超过可使物料平稳的阈值。

根据该方式，通过考虑附件动作中施加于物料的力，能够抑制沙土溢出。

控制器可以考虑伴随附件的动作产生的力与伴随回转装置的动作产生的力的合力。由此，能够抑制同时进行了回转运动与附件的屈伸运动时的沙土溢出。

控制器可以抑制回转轴、动臂轴、斗杆轴、铲斗轴中至少一个轴的加速度。

控制器可以抑制回转轴、动臂轴、斗杆轴、铲斗轴这些所有轴的加速度。

控制器可以优先抑制向使物料从铲斗溢出的方向起到支配作用的轴的加速度。

控制器可以抑制回转轴、动臂轴、斗杆轴、铲斗轴中至少一个轴的速度。

控制器可以抑制回转轴、动臂轴、斗杆轴、铲斗轴中至少一个轴的急动度。

阈值可以与附件的姿势相应。

2.本发明的一种方式涉及挖土机。挖土机具备：履带；上部回转体；回转装置，使上部回转体相对于履带旋转；附件，具有动臂、斗杆、铲斗及动臂缸、斗杆缸、铲斗缸且安装于上部回转体；及控制器，铲斗移动时使铲斗向使铲斗的基准面靠近与在铲斗内的物料中产生的加速度方向垂直的面的方向倾斜。

本发明的另一种方式同样为挖土机。该挖土机具备：履带；上部回转体；回转装置，使上部回转体相对于履带旋转；附件，具有动臂、斗杆、铲斗及动臂缸、斗杆缸、铲斗缸且安装于上部回转体；及控制器，以使回转装置及附件中的至少一个在活动中使铲斗内的物料的正向力变大的方式使铲斗倾斜。

本发明的另一种方式同样为挖土机。该挖土机具备：履带；上部回转体；回转装置，使上部回转体相对于履带旋转；附件，具有动臂、斗杆、铲斗及动臂缸、斗杆缸、铲斗缸且安装于上部回转体；及控制器，以使回转装置及附件中的至少一个在活动中与铲斗的基准面平行作用于铲斗内的物料的力变小的方式使铲斗倾斜。

另外，在方法、装置、***等之间相互替换以上构成要件的任意组合或本发明的构成要件或表现方式时，作为本发明的方式也同样有效。

发明效果

根据本发明，能够抑制沙土溢出。

附图说明

图1为表示作为实施方式所涉及的施工机械的一例的挖土机的外观的立体图。

图2为示意地表示挖土机的坐标系的图。

图3为第1实施方式所涉及的挖土机的一实施例的框图。

图4为第1实施方式所涉及的挖土机的一实施例的框图。

图5为第1实施方式所涉及的挖土机的一实施例的框图。

图6为第1实施方式所涉及的挖土机的一实施例的框图。

图7为示意地表示铲斗及物料的图。

图8为表示第1使用方式中的挖土机的动作的图。

图9为表示第2使用方式中的挖土机的动作的图。

图10为控制器的框图。

图11为第2实施方式所涉及的挖土机的一实施例的框图。

图12为示意地表示铲斗及物料的图。

图13中，图13(a)及图13(b)为示意地表示基于控制器的铲斗角控制的图。

图14中，图14(a)及图14(b)为表示铲斗角控制有效的挖土机的第1使用方式的图。

图15为表示铲斗角控制有效的挖土机的第2使用方式的图。

图16为控制器的框图。

图17为第1变形例所涉及的挖土机的电力***和液压***等的框图。

图18为第2变形例所涉及的挖土机的电力***和液压***等的框图。

具体实施方式

以下，根据优选实施方式，参考附图对本发明进行说明。对各附图中所示的相同或同等的构成要件、部件、处理标注相同的符号，并适当省略重复的说明。并且，实施方式并不限定发明而仅为示例，实施方式中所描述的所有特征或其组合并不一定限定发明的本质。

本说明书中，“部件A与部件B连接的状态”除了部件A与部件B物理地直接连接的情况之外，还包括部件A与部件B实质上不影响它们的电连接状态或者不损害通过它们的结合所起到的功能或效果的经由其他部件间接连接的情况。

图1为表示作为实施方式所涉及的施工机械的一例的挖土机1的外观的立体图。挖土机1主要具备履带(也称为行走机构)2及经由回转装置3转动自如地搭载于履带2的上部的上部回转体(以下，也简称为回转体)4。

在回转体4安装有动臂5、铰链(link)连接于动臂5的前端的斗杆6、铰链连接于斗杆6的前端的铲斗10。铲斗10为用于捕获沙土、钢材等起吊物料的设备。动臂5、斗杆6及铲斗10统称为附件12，分别通过动臂缸7、斗杆缸8及铲斗缸9被液压驱动。并且，在回转体4设置有用于容纳操作铲斗10的位置、励磁动作及释放动作的驾驶员的驾驶室4a及用于产生液压的引擎11等动力源。引擎11例如由柴油引擎构成。

图2为示意地表示挖土机1的坐标系的图。挖土机1中，定义出表示动臂5、斗杆6、铲斗10各自的位置的角度坐标θ₁～θ₃。只要θ₁、θ₂及θ₃分别一对一地表示动臂与回转体4的位置关系、动臂5与斗杆6的位置关系、斗杆6与铲斗10的位置关系，则如何定义它们都无妨。将θ₁～θ₃的组合简单地表示为θ，以表示附件12整体的位置(姿势)。

并且，φ表示回转装置3的回转角。R(θ₁、θ₂、θ₃)为附件12的原点O与铲斗10的基准位置X的距离。R以基于附件12的机构的函数表示，且能够根据位置信息θ₁～θ₃计算。将R(θ₁、θ₂、θ₃)简单标记为R(θ)。并且，附件12的原点及铲斗10的基准位置只要分别适当地确定即可。

(第1实施方式)

图3～图6为第1实施方式所涉及的挖土机1的电力***和液压***等的框图。另外，图3～图6中，用双重线表示机械传递动力的***，用粗实线表示液压***，用虚线表示操纵***，用细实线表示电力***。另外，在此对液压挖土机进行说明，但本发明也能够应用于回转中使用电动机的混合式挖土机中。

作为机械式驱动部的引擎11与作为液压泵的主泵14及先导泵15连接。在主泵14经由高压液压管路16连接有控制阀17。另外，有时向液压驱动器供给液压的液压回路设置成双***，此时主泵14包括2个液压泵。本说明书中为了便于理解，对主泵为单***的情况进行说明。

控制阀17为进行挖土机1中的液压***的控制的装置。在控制阀17除了连接有用于驱动图1所示的履带2的行走液压马达2A及2B之外，还经由高压液压管路连接有动臂缸7、斗杆缸8及铲斗缸9，控制阀17根据驾驶员的操作输入控制供给至这些缸体的液压。

并且，用于驱动回转装置3的回转液压马达21连接于控制阀17。回转液压马达21经由回转控制器的液压回路连接于控制阀17，但图3等中未示出回转控制器的液压回路而进行了简化。

在先导泵15经由先导管路25连接有操作装置26(操作构件)。操作装置26为用于操作履带2、回转装置3、动臂5、斗杆6及铲斗10的操作装置，通过驾驶员***作。在操作装置26经由液压管路27连接有控制阀17，并且经由液压管路28连接有压力传感器29。

操作装置26将通过先导管路25供给的液压(一次侧的液压)转换为与驾驶员的操作量相应的液压(二次侧的液压)而进行输出。从操作装置26输出的二次侧的液压通过液压管路27被供给至控制阀17，并且通过压力传感器29检测。另外，图3等中画有1条液压管路27，但实际存在左行走液压马达、右行走液压马达、各自回转的控制指令值的液压管路。

操作装置26包括3个输入装置26A～26C。输入装置26A～26C为踏板或操纵杆，输入装置26A～26C经由液压管路27及28分别连接于控制阀17及压力传感器29。压力传感器29连接于进行电力***的驱动控制的控制器30。本实施方式中，输入装置26A可发挥回转操作杆的功能，输入装置26B可发挥附件的操作杆的功能。输入装置26C为行走用操纵杆或踏板。

控制器30为进行挖土机的驱动控制的主控制部。控制器30由包括CPU(中央处理器(Central Processing Unit))及内部存储器的运算处理装置构成，并通过由CPU执行存储于存储器中的驱动控制用程序来实现。

传感器530检测附件23的位置信息θ。具体而言，位置信息θ包括表示动臂5、斗杆6、铲斗10各自的位置的角度坐标θ₁～θ₃的检测值。传感器530能够由连杆角传感器或检测缸体的位移量的传感器构成。并且，位置信息可以是角度信息[rad]，也可以是角速度信息[rad/s]或角加速度信息[rad/s²]。

控制器30限制附件12及上部回转体4中至少一方的动作，以防附件12在动作中施加于铲斗10内的物料的力F超过可使物料平稳的阈值T。由控制器30进行的限制控制将在后面说明。

图7为示意地表示铲斗10及物料40的图。在一种使用方式中，在施加于物料40的力F超过最大静摩擦力μN时发生沙土溢出。因此，能够考虑静摩擦系数μ和正向力N、物料40的质量m来计算阈值T。

具体而言，通过将物料及铲斗10进行模型化而能够近似计算出阈值。将铲斗10与水平面(地面)所成的角度作为δ。铲斗10在静止状态下正向力N为N＝mg×cosδ。并且，在使物料40溢出的方向x上，重力的分量F_G＝mg×sinδ在起作用。因此，关系式F_G＜μN成为不发生沙土溢出的条件。

若使附件12或回转装置3工作，除了重力的分量之外，还有由附件12或回转装置3的动作引起的力F_||施加于物料40。此时，关系式F_||+F_G＜μN成为不发生沙土溢出的条件。若将此进行变形，则能够获得以下关系式，右边μ_N-F_G成为阈值T。

F_||＜μN-F_G

T＝μN-F_G＝μmg×cosδ-mg×sinδ

＝mg(μcosδ-sinδ)

即阈值T为铲斗角δ的函数，因此铲斗角δ在容易溢出的范围时，优选减小阈值T。另外，因为使附件12或回转装置3工作使得正向力N也发生变化，但其影响可忽略不计。

阈值T可以在挖土机1的设计阶段假定典型的δ、μ、m，并使用根据这些计算出的规定值。或者也能够由挖土机1的驾驶员设定。

或者可以预先在由控制器30执行的程序(或硬件)中记述阈值T的运算表达式而适应性地运算阈值T。例如可以根据附件12的姿势计算角度δ并适当计算出阈值T。并且物料40的质量m为可测定时，可以将质量m反应到阈值T中。

在高度更高的模型中，可以考虑由附件12或回转装置3的动作引起的正向力N的变化。

通过经验可知溢出容易度根据物料40的形状而有所不同。因此可以通过摄像机等检测物料的形状等并根据形状灵活且适应性地改变阈值T。

另外，由控制器30进行的附件12或回转体4的动作的限制只在搬运铲斗10中的物料的状态下进行，否则优选例如在卸土中或挖掘中不进行限制。卸土、挖掘动作中沙土溢出不会成为问题，因此通过解除限制能够防止作业效率下降。另外，判定是否处于卸土中或挖掘中时，能够采用例如专利申请2006-182504号公报中记载的技术。

接着，关于由控制器30进行的附件12或回转体4的动作限制，与挖土机1的若干个使用方式建立关联来进行说明。

图8为表示第1使用方式中的挖土机1的动作的图。图8中示出回转起吊动作。回转起吊动作中，作用于铲斗内的物料40的力F_A以式(1a)、(1b)表示。

F_A＝m×α_A……(1a)

α_A＝(y₁₁+y₁₂+y₁₃+y₁₄)……(1b)

m：物料的质量

α_A：物料的加速度

y₁₁：由附件12的动作产生的离心力

y₁₂：由回转装置3的动作产生的离心力

y₁₃：由回转装置3的动作使附件12施加于物料40的力

y₁₄：由附件12的动作使附件12施加于物料40的力

即在该使用方式中，可以考虑伴随附件12的动作产生的力y₁₁、y₁₄与伴随回转装置3的动作产生的力y₁₂、y₁₃的合力F_A。另外，关于回转放下动作也能够做相同的考虑。

离心力y₁₁为伴随动臂轴、斗杆轴、铲斗轴的位移，包含附件12的平面内绕原点O的离心力，以y₁₁＝R(θ)·(θ₁'+θ₂'+θ₃')²表示。“'”表示时间微分d/dt。

y₁₂为因回转轴的旋转产生的离心力，例如以y₁₂＝R(θ)·φ'²表示。

y₁₃为由回转轴的旋转使附件12施加于物料40的力，例如以y₁₃＝R(θ)·φ”表示。“””表示时间的二阶微分(d/dt)²。

y₁₄为伴随动臂轴、斗杆轴、铲斗轴的位移使附件12施加于物料40的力，例如以y₁₄＝R(θ)·(θ₁”+θ₂”+θ₃”)表示。

另外，F_A为三维矢量，如图7所示作用于沙土溢出的是与铲斗10平行的分量F_||。因此可以考虑附件12的姿势运算平行分量F_||。或者力F_A的范数(绝对值)可以均作用于沙土溢出而与|F_A|≈F_||近似。

控制器30还根据各轴的坐标θ₁～θ₃及φ运算力F_A。如上所述，力F_A视为θ₁～θ₃及φ的函数。而且，将回转起吊动作中可使物料40平稳的阈值写作T_A时，控制器30以满足关系式(2)的方式限制附件12及回转装置3中至少一方的动作。

T_A＞F_A……(2)

在此，阈值T_A主要受摩擦力支配，因此若与物料40的质量成比例，则能够进行近似。若将比例系数设为S_A，则阈值T_A以式(3)表示。

T_A＝m×S_A……(3)

根据式(1)～(3)获得不依赖于物料40的质量m的关系式(4)。控制器30只要以满足关系式(4)的方式限制多个轴的加速度y₁₁、y₁₂、y₁₃、y₁₄中的至少一个即可。

S_A＞(y₁₁+y₁₂+y₁₃+y₁₄)……(4)

图9为表示第2使用方式中的挖土机1的动作的图。图9中示出起吊动作。起吊动作中，铲斗10一边朝上起吊一边被拉到跟前。在该起吊动作中，作用于铲斗内的物料40的力F_B以式(5a)、(5b)表示。

F_B＝m×α_B……(5a)

α_B＝y₁₁……(5b)

y₁₁：由附件12的动作产生的离心力

另外，该使用方式中可以考虑y₁₄。

该使用方式中，离心力y₁₁向使物料40从铲斗10的两侧朝向斗杆6的深度侧溢落的方向施加。

控制器30还根据各轴的坐标θ₁～θ₃运算力F_B。而且，将起吊动作中可使物料40平稳的阈值写作T_B时，控制器30以满足关系式(6)的方式限制附件12及回转装置3中至少一方的动作。阈值T_B可以被设定为与阈值T_A不同的值。

T_B＞F_B……(6)

阈值T_B利用比例系数S_B以式(7)表示。

T_B＝m×S_B……(7)

根据式(5)～(7)获得不依赖于物料40的质量m的关系式(8)。控制器30只要以满足关系式(8)的方式限制与斗杆轴、动臂轴、铲斗轴相关的加速度y₁₁、y₁₄中的一个即可。

S_B＞y₁₁……(8)

第1、第2使用方式中，为了抑制力F_A或F_B，控制器30能够进行以下控制。

控制1.加速度的抑制

控制器30能够通过限制至少一个轴的加速度(角加速度)来降低力F_A、F_B。

控制1A.例如控制器30可以通过抑制所有轴的加速度来维持关系式(4)或(8)。所有轴的加速度的抑制能够通过(i)减少先导压的流量变化或者(ii)限制泵输出转矩的变化量(时间变化率)等来实现。先导压的流量变化可以通过在先导管路25上追加电磁节流器来实现。

具体而言，图3的挖土机1中，在液压管路27的路径上设置有流量调整阀18。控制器30能够通过控制流量调整阀18来抑制所有轴的加速度。

并且，图4的挖土机1中，能够通过由控制器30控制主泵14来抑制主泵14的输出转矩的变化量。

通过抑制所有轴的加速度，直接抑制y₁₃及y₁₄的项。并且，通过加速度的抑制，之后的速度下降，因此y₁₁、y₁₂的项也得到间接抑制。其结果，力F_A、F_B减少，并满足式(4)、(8)，从而能够抑制沙土溢出。并且能够通过统一抑制所有轴来简化控制。

控制器30可以如下进行控制：若成为S＜α则抑制加速度，在仍保持S＜α时，进一步抑制加速度。或者控制器30还可以根据S与α的比率K＝α/S抑制加速度。例如可以在某一规定的范围0＜K＜0.8内不抑制加速度，若成为0.8＜K则抑制加速度。可以是K越大则抑制加速度的程度越高。为了满足式(4)和(8)，在如何降低加速度的问题上存在各种变数，且变数也包含在本发明的范围内。

控制1B.或者控制器30可以限制几个轴的加速度而不抑制其他轴的加速度。例如关于铲斗轴θ₃，有时对力y₁₄带来的影响与其他轴相比没那么大。此时，可以不限制θ₃的加速度而限制θ₁、θ₂、φ这3个轴的加速度。通过适当地选择不限制加速度的轴，能够防止响应性下降及操作感变差。

或者控制器30可以仅抑制回转轴φ的加速度。另外，不可将该控制与以往技术混淆。以往，没有考虑由附件的运动产生的力y₁₁、y₁₄。

控制2.速度的抑制

控制器30能够通过限制至少一个轴的速度(角速度)来降低力F_A、F_B。

控制2A.控制器30可以通过限制所有轴的速度来维持关系式(2)。所有轴的速度的抑制能够通过(i)降低泵的输出转矩、(ii)降低先导压或(iii)降低引擎的转速来实现。

图4的挖土机1中，控制器30通过控制主泵14来降低主泵14的输出转矩，由此能够限制速度。

图5的挖土机1中，在液压管路27上设置有比例阀19。控制器30通过控制比例阀19来降低先导压，由此能够限制速度。

图6的挖土机1中，控制器30能够通过降低引擎11的转速来限制速度。

控制器30可以如下进行控制：若成为S＜α则抑制所有轴的速度，在仍保持S＜F时，进一步抑制速度。或者控制器30还可以根据S与α的比率K＝α/S抑制速度。例如可以在某一规定的范围0＜K＜0.8内不抑制速度而在成为0.8＜K时抑制速度。可以是K越大则抑制速度的程度越高。

通过如此抑制所有轴的速度，离心力的项y₁₁及y₁₂的项得到抑制。其结果，力F_A、F_B减少且满足式(4)、(8)，从而能够抑制沙土溢出。并且，能够通过统一抑制所有轴来简化控制。

控制2B.控制器30可以限制几个轴的速度而不抑制其他轴的速度。通过适当地选择不限制加速度的轴，能够防止响应性下降及操作感变差。

控制3.加速度及速度的抑制

控制器30可以同时采用抑制加速度的控制与抑制速度的控制。此时，y₁₁、y₁₂、y₁₃、y₁₄所有项被限制而使得力F_A、F_B下降。例如可以(i)抑制所有轴的加速度及速度这两者，或者(ii)抑制所选择的几个轴的加速度及速度这两者，或者(iii)抑制几个轴的加速度且抑制其他几个轴的速度。

控制4.加加速度的抑制

控制器30能够通过限制至少一个轴的加加速度(急动度)来降低力F_A、F_B。加加速度的抑制可以与加速度和速度的抑制组合。

如此，能够通过抑制加速度、速度、加加速度来实现不使力F超过阈值T的控制。

接着，对多个轴的控制进行说明。控制器30可以优先抑制向使物料40从铲斗10溢出的方向起到支配作用的轴的加速度、速度或急动度。

S＞K₁·y₁₁+K₂·y₁₂+K₃·y₁₃+K₄·y₁₄……(9)

K₁、K₂、K₃、K₄为各轴的增益，控制器30将K₁、K₂、K₃、K₄进行加权，从而不破坏操作感便能够抑制沙土溢出。

控制器30可以根据沙土的形状、铲斗的姿势等灵活、适应性地改变K₁、K₂、K₃、K₄。根据沙土的形状、铲斗的姿势，沙土的溢出容易度、易溢出方向可能不同。在此考虑这些因素而改变K₁、K₂、K₃、K₄，从而能够不破坏与沙土溢出不相关的轴的操作感便能够抑制沙土溢出。

图10为控制器30的框图。控制器30具备阈值获取部32、力运算部34、限制部36。控制器30能够通过CPU、微控制器、DSP(数字信号处理(Digital Signal Processor))等硬件与程序的组合来实现，因此阈值获取部32、力运算部34、限制部36在硬件上被视为CPU或DSP的一部分。

阈值获取部32获取阈值T。阈值T可以如上进行运算，也可以使用规定值。或者规定值乘以与铲斗的角度δ或物料40的形状相应的可变系数来作为阈值T。阈值T可以以如上具有加速度维度的S表示。

力运算部34接收表示附件12的位置的信息θ₁～θ₃及表示回转装置3的状态的信息φ并运算力F。力F可以以具有加速度维度的α表示。

限制部36根据加速度α与阈值S的关系限制附件12及回转装置3中至少一个轴的动作。如上所述，限制部36能够将加速度、速度、急动度作为限制对象，并且待限制的轴可能也存在各种变数。

以上，对第1实施方式进行了说明。该实施方式为示例，本领域技术人员应当理解，这些各种构成要件和各处理程序的组合可存在各种变形例，并且这种变形例也属于本发明的范围。以下，对这种变形例进行说明。

(第1实施方式的变形例)

关于阈值T的确定，图7中示出的模型仅为一例，也可以根据其他模型确定阈值T。

并且，挖土机1的图8、图9的使用方式中作用于物料40的力F_A、F_B并不限定于式(1)和(5)。例如可以省略某一项，并且可以进一步考虑其他项。

(第2实施方式)

图11为第2实施方式所涉及的挖土机1的电力***和液压***等的框图。

详细内容将于后面说明，控制器30通过控制铲斗10的斜度来防止沙土溢出。例如控制阀17能够进行电子控制时，控制器30可以直接电力驱动对铲斗缸9或其他缸体7、8进行控制的阀。以上为挖土机1的整体框图。

接着，对沙土溢出的机理进行说明。图12为示意地表示铲斗10及物料40的图。一种使用方式中，认为沙土溢出是在施加于物料40的力F超过与最大静摩擦力μN相应的阈值T时发生。因此，阈值T能够考虑静摩擦系数μ与正向力N、物料40的质量m来计算。

具体而言，阈值T能够通过将物料及铲斗10模型化来近似计算。将铲斗10的基准面与水平面(地面)所成的角度(以下，称为铲斗角)作为δ。基准面41能够确定为与铲斗的底面或上表面平行。铲斗10在静止状态下正向力N为N＝mg×cosδ。g表示重力加速度。并且，在溢出物料40的方向x上，重力的分量F_G＝mg×sinδ在作用。因此，关系式F_G＜μN成为不发生沙土溢出的条件。可以认为在以往的铲斗角恒定控制中，通过使δ接近零来使F_G接近零以增大正向力N，从而防止沙土溢出。

若使附件12或回转装置3工作，则除了重力的分量F_G之外，还有由附件12或回转装置3的动作引起的力F_||施加于物料40。此时，关系式F_||+F_G＜μN成为不发生沙土溢出的条件。力F_||可包括由附件12的运转引起的加速度、离心加速度、由回转装置3的启用引起的加速度、离心加速度。

接着，对本实施方式所涉及的挖土机1的防止沙土溢出的控制进行说明。图13(a)、图13(b)为示意地表示基于控制器30的铲斗角控制的图。能够考虑将物料40划分为溢落的上部分40a、容纳于铲斗10的下部分40b，且能够视为下部分40b与铲斗10成一体。

现考虑，使铲斗10沿图中箭头方向即地面水平方向(X轴方向)以加速度α加速。另外，图13(a)～(c)中以加速度的大小示出力。图13(a)中，示出如以往将铲斗角δ保持为0度的控制。若将上部分40a的质量设为m，则正向力N为mg，最大静摩擦力成为μmg。沿箭头方向X对下部分40b施加加速度α的力等于沿与箭头X相反的方向对上部分40a施加加速度α的力。因此，如下关系成立时，即

mα＞μmg

进而如下关系成立时，即

α＞μg……(1)

上部分40a向X轴的相反方向溢出。

图13(b)中示出基于本实施方式中的控制器30的铲斗角控制。使铲斗10以加速度α加速时，控制器30在使铲斗10移动时使铲斗10向其基准面41靠近与在物料40产生的加速度方向(X方向)垂直的面42的方向倾斜。铲斗角δ的控制可以仅通过铲斗轴θ₃的控制进行，也可以组合动臂轴θ₁、斗杆轴θ₂的控制来进行。

与图13(a)相同，沿与箭头X相反的方向对上部分40a施加加速度α的力，沿铅垂方向施加有重力加速度g。此时的正向力成为加速度α的与基准面41垂直的分量α_||和重力加速度g的与基准面41垂直的分量g_||之和，即

g×cosδ+α×sinδ

因此，最大静摩擦力如下：

μ×(g×cosδ+α×sinδ)。

另一方面，使上部分40a向与基准面41水平的方向滑动的力成为加速度α的与基准面41平行的分量α_||和重力加速度g的与基准面41平行的分量g_||之和，即

α×cosδ-g×sinδ

另外，α_||与g_||为反向。

因此，关系式(2)成立时，上部分40a向X轴方向或其相反方向溢出。

|α×cosδ-g×sinδ|＞μ×(g×cosδ+α×sinδ)……(2)

通过对比关系式(1)与(2)，实施方式所涉及的铲斗角控制的优点变得明确。关系式(1)、(2)各自的左边为使上部分40a溢出的力，通过适当地选择δ使得下式成立。

α＞|α×cosδ-g×sinδ|

另一方面，若比较关系式(1)、(2)各自的右边的最大静摩擦力，则通过适当地选择δ使得下式成立，即

μg＜μ×(g×cosδ+α×sinδ)

即，若比较关系式(1)与(2)，则可知关系式(2)很难成立。

以上为基于控制器30的铲斗角控制的原理。如此根据实施方式所涉及的挖土机1，在使铲斗10移动时，通过使铲斗10向其基准面41靠近与在物料40产生的加速度方向(X方向)垂直的面42的方向倾斜，从而能够抑制沙土溢出。

如上所述，若比较关系式(1)与(2)各自的右边，则关系式(2)的右边更大。即从另一观点分析本实施方式，能够认为控制器30以如下方式进行使铲斗10倾斜的控制，即，在使回转装置3及附件12中的至少一个在活动时(即铲斗10在移动中)使对物料40(上部分40a)的最大静摩擦力变大，换言之使正向力变大。

并且，如上所述若比较关系式(1)与(2)各自的左边，则关系式(2)的左边更小。即从另一观点分析本实施方式，能够认为控制器30以如下方式进行使铲斗10倾斜的控制，即，在使回转装置3及附件12中的至少一个在活动时使与基准面平行地作用于物料40(上部分40a)的力变小。

另外，基于控制器30的铲斗角控制仅在搬运铲斗10中的物料40的状态下进行，否则，优选例如在卸土中或挖掘中不进行铲斗角控制。卸土、挖掘动作中沙土溢出不会成为问题，因此通过解除限制，能够防止作业效率下降。另外，判定是否处于卸土中或挖掘中时，能够采用例如专利申请2006-182504号公报中记载的技术。

图14(a)、图14(b)为表示铲斗角控制有效的挖土机1的第1使用方式的图。第1使用方式示出将附件12固定而使回转装置3回转的回转动作。回转动作中，离心力加速度Rφ'²与回转加速度Rφ”作用于物料40。

铲斗10在包括动臂5及斗杆6的平面内活动，因此不可能向与回转加速度rφ”对置的方向倾斜。因此，控制器30只要在作用于物料40的力中将在包括动臂5及斗杆6的平面内作用的力考虑在内，而使铲斗的基准面向靠近该平面内的加速度的垂直面的方向倾斜即可。具体而言，回转动作中，控制器30使铲斗10向其基准面41靠近离心力加速度Rφ'²的垂直面42的方向倾斜。

图15为表示铲斗角控制有效的挖土机1的第2使用方式的图。第2使用方式示出将回转轴φ固定而通过附件12起吊(或放下)物料40的动作。起吊动作中，加速度Rθ”与离心力加速度Rθ'²作用于物料40。控制器30使铲斗10以其基准面41靠近加速度Rθ”与离心力加速度Rθ'²中的任一个的垂直面的方式倾斜。

或者控制器30可以将加速度Rθ”与离心力加速度Rθ'²进行矢量合成，而使铲斗10以其基准面41靠近合成的加速度的垂直面的方式倾斜。

除了图14、图15的使用方式之外，在作为这些个组合的回转起吊动作(回转放下)动作中实施方式所涉及的铲斗角控制也同样有效。在该回转起吊动作中，加速度Rθ”、离心力加速度Rθ'²、离心力加速度Rφ'²、回转加速度Rφ”作用于物料40。控制器30能够根据加速度Rθ”、离心力加速度Rθ'²、离心力加速度Rφ'²中的任一个或几个组合进行铲斗角控制。

图16为控制器30的框图。图16的控制器30具备加速度方向获取部32、铲斗角运算部34及反向运动学运算部36。控制器30能够通过CPU、微控制器、DSP(Digital SignalProcessor)等硬件与程序的组合来实现，因此加速度方向获取部32、铲斗角运算部34在硬件上被视为CPU或DSP的一部分。

加速度方向获取部32在使铲斗10移动时获取铲斗10内的物料40中产生的加速度方向。加速度方向获取部32可以根据位置信息θ₁～θ₃及φ(或速度信息)运算加速度方向。或者可以保持将位置信息θ₁～θ₃及φ(或速度信息)与加速度方向建立对应关联的分布图(一览表)，并通过参考一览表来获取加速度方向。分布图按每个使用方式(起吊动作、回转动作、回转起吊动作)准备。

铲斗角运算部34以靠近通过加速度方向获取部32获得的加速度方向的垂直面的方式，通过运算或参考一览表来确定铲斗角δ。反向运动学运算部36运算可获得铲斗角δ的连杆角θ₁～θ₃的指令值。

图16中，通过加速度方向获取部32与铲斗角运算部34的两个阶段的信号处理确定了铲斗角δ，但本发明并不限定于此。例如可以预先准备将位置信息θ₁～θ₃及φ(或速度信息)与铲斗角δ直接建立对应关联的分布图(一览表)，并通过参考一览表来确定铲斗角δ。此时，分布图也可以按每个使用方式(起吊动作、回转动作、回转起吊动作)准备。

还可以根据加速度的大小及挖土机1的动作的种类适应性地改变铲斗角δ。或者可以按每个挖土机动作预先确定恒定值，若判定挖土机的动作则使用与其相应的恒定值。

并且，实施方式所涉及的铲斗角控制在使铲斗减速的情况下也同样有效。

接着，对基于控制器30的铲斗控制的其他实施例进行说明。图17为第1变形例所涉及的挖土机的电力***和液压***等的框图。为了控制铲斗角，在挖土机1设置有切换阀18及比例阀19。在控制阀17无法电力控制铲斗轴或其他轴时，控制器30可以控制切换阀18及比例阀19，从而控制对控制阀17的压力以控制铲斗角。

图18为第2变形例所涉及的挖土机的电力***和液压***等的框图。该挖土机1具备流量调整阀20，以取代图17的切换阀18、比例阀19。控制器30可以控制流量调整阀20，从而改变供给至控制阀17的压油的流量以控制铲斗角。

根据几个实施方式并使用具体的语句对本发明进行了说明，但实施方式仅示出了本发明的原理、应用，在不脱离权利要求所规定的本发明的思想的范围内，实施方式可以存在多种变形例或允许配置的变更。

符号说明

1-挖土机，2-履带，2A、2B-行走液压马达，3-回转装置，4-回转体，4a-驾驶室，5-动臂，6-斗杆，7-动臂缸，8-斗杆缸，9-铲斗缸，10-铲斗，11-引擎，12-附件，14-主泵，15-先导泵，16-高压液压管路，17-控制阀，18-切换阀，19-比例阀，20-流量调整阀，21-回转液压马达，25-先导管路，26-操作装置，27、28-液压管路，29-压力传感器，30-控制器，32-加速度方向获取部，34-铲斗角运算部，36-反向运动学运算部，40-物料，40a-上部分，40b-下部分，530-传感器。

产业上的可利用性

本发明能够利用于工业机车。

Claims (11)

1.一种挖土机，其特征在于，具备：

履带；

上部回转体；

回转装置，使所述上部回转体相对于所述履带旋转；

附件，具有动臂、斗杆、铲斗及动臂缸、斗杆缸、铲斗缸，且安装于所述上部回转体；及

控制器，限制所述附件及所述上部回转体中至少一方的动作，以防因所述附件的动作而在所述铲斗内的物料中产生的力超过计算出的使所述物料平稳的阈值。

2.根据权利要求1所述的挖土机，其特征在于，

所述控制器考虑了伴随所述附件的动作产生的力与伴随所述回转装置的动作产生的力的合力。

3.根据权利要求1或2所述的挖土机，其特征在于，

所述控制器抑制回转轴、动臂轴、斗杆轴、铲斗轴中至少一个轴的加速度。

4.根据权利要求3所述的挖土机，其特征在于，

所述控制器抑制回转轴、动臂轴、斗杆轴、铲斗轴这些所有轴的加速度。

5.根据权利要求3所述的挖土机，其特征在于，

所述控制器优先抑制向使所述物料从所述铲斗溢出的方向起到支配作用的轴的加速度。

6.根据权利要求1或2所述的挖土机，其特征在于，

所述控制器抑制回转轴、动臂轴、斗杆轴、铲斗轴中至少一个轴的速度。

7.根据权利要求1或2所述的挖土机，其特征在于，

所述控制器抑制回转轴、动臂轴、斗杆轴、铲斗轴中至少一个轴的急动度。

8.根据权利要求1或2所述的挖土机，其特征在于，

所述阈值与所述附件的姿势相应。

9.一种挖土机，其特征在于，具备：

履带；

上部回转体；

回转装置，使所述上部回转体相对于所述履带旋转；

附件，具有动臂、斗杆、铲斗及动臂缸、斗杆缸、铲斗缸，且安装于所述上部回转体；及

控制器，在使所述铲斗移动时，使铲斗向使所述铲斗的基准面靠近与在铲斗内的物料中产生的基于物料的移动的加速度方向垂直的面的方向倾斜。

10.一种挖土机，其特征在于，具备：

履带；

上部回转体；

回转装置，使所述上部回转体相对于所述履带旋转；

附件，具有动臂、斗杆、铲斗及动臂缸、斗杆缸、铲斗缸，且安装于所述上部回转体；及

控制器，在可使所述回转装置及所述附件中的至少一个活动时以使所述铲斗内的因物料的移动而产生的物料的正向力变大的方式使所述铲斗倾斜。

11.一种挖土机，其特征在于，具备：

履带；

上部回转体；

回转装置，使所述上部回转体相对于所述履带旋转；

附件，具有动臂、斗杆、铲斗及动臂缸、斗杆缸、铲斗缸，且安装于所述上部回转体；及

控制器，在可使所述回转装置及所述附件中的至少一个活动时，以使因所述铲斗内的物料的移动而产生的作用于物料的力中、与铲斗的基准面平行地作用的力变小的方式使所述铲斗倾斜。

Images