JP2004225805A - 油圧ショベルの油圧回路 - Google Patents
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Abstract
【課題】作業形態のいかんにかかわらず、常にエネルギー効率がよいこと。
【解決手段】掘削装置の駆動源としてのバケットシリンダ３のメータアウト３２の流量を制御するためにバイパス絞り弁３４を設けるとともに、このバイパス絞り弁３４は、バケットシリンダ３の負荷がシリンダ減速方向に働く掘削作業時に、負荷がシリンダ増速方向に働く作業時と比較してメータアウト開口を増大させるようにコントローラ２７で制御されている。
【選択図】 図１
【解決手段】掘削装置の駆動源としてのバケットシリンダ３のメータアウト３２の流量を制御するためにバイパス絞り弁３４を設けるとともに、このバイパス絞り弁３４は、バケットシリンダ３の負荷がシリンダ減速方向に働く掘削作業時に、負荷がシリンダ増速方向に働く作業時と比較してメータアウト開口を増大させるようにコントローラ２７で制御されている。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、建設現場等で使用される油圧ショベルの油圧回路に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
油圧ショベルの油圧回路においては、流量制御としてメータアウト制御が広く用いられている。このメータアウト制御は油圧シリンダの出口配管にメータアウト絞りを設け、これによりシリンダ流出流量を制御することでシリンダ動作の速度制御を行うものである。
【０００３】
このメータアウト制御において、例えば油圧シリンダのロッドが伸びるシリンダ動作方向に自重などの負荷が作用すると、そのシリンダ動作が増速されて油圧ポンプによる供給流量が不足し、その結果シリンダ供給側の配管内でキャビテーションを起こす問題があった。これに対し、メータアウト開口を絞ることにより、油圧シリンダ内のロッド室側に背圧を与えてそのシリンダ動作を減速させることがある（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−２２０５４号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
一般に、油圧ショベルの作業形態には、バケットを空中に上げた状態で作業を行ういわゆる空中作業と、バケットを地中に食い込ませた状態で作業を行う掘削作業とが含まれており、このうちの掘削作業においては、アーム引き操作およびブーム掘削操作に対して、負荷抵抗となる掘削抵抗が、上記シリンダ動作方向と逆方向のシリンダ制動方向に作用する。
【０００６】
ところが、この掘削作業においても、上記のようにメータアウト開口を絞ってシリンダ動作を減速させた場合には、上記負荷抵抗がシリンダ制動方向に作用する結果、油圧ポンプに対して負荷が大きくなり、ポンプ動力が増加しエネルギー効率が悪化するという問題があった。
【０００７】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、作業形態のいかんを問わず、常にエネルギー効率のよい油圧ショベルの油圧回路を提供することである、
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、掘削装置の駆動源としての油圧シリンダのメータアウト流量を制御するメータアウト制御手段を設け、このメータアウト制御手段は、上記油圧シリンダの負荷がシリンダ減速方向に働く掘削作業時に、負荷がシリンダ増速方向に働く作業時と比較してメータアウト開口を増大させるように構成されたことを特徴とするものである。
【０００９】
この構成によれば、メータアウト制御手段により、油圧シリンダの負荷がシリンダ減速方向に働く掘削作業時に、負荷がシリンダ増速方向に働く作業時と比較してメータアウト開口が増大させられるので、掘削作業時のように、負荷が油圧シリンダを制動する方向に作用する場合でも、メータアウトの開度を大きくすることで、メータアウトの絞り抵抗を低減させることができる。その結果、ポンプ動力を低減させて、エネルギー効率を向上させることができる。
【００１０】
請求項２記載の発明のように、メータアウト制御手段は、油圧シリンダに対する油の給排を制御するコントロール弁のメータアウト通路と並列に設けられたバイパス弁と、このバイパス弁の開度を制御するバイパス制御部とによって構成されたこととすれば、掘削作業時のように、負荷が油圧シリンダを制動する方向に作用する場合には、上記バイパス弁の開度を大きくすることで、その絞り抵抗を低減させることができる。なお、上記バイパス弁には、開口面積を調整可能なバイパス絞り弁の他、オンオフ式の切換弁をも含む。
【００１１】
請求項３記載の発明のように、操作手段の操作に応じてコントロール弁の作動を制御するコントローラがバイパス制御部を兼ねることとすれば、構成がさらに簡単化されるとともに、操作性も向上される。
【００１２】
請求項４記載の発明のように、コントロール弁としてパイロット式コントロール弁を設けるとともに、そのパイロットラインに電磁弁を設け、コントローラは掘削作業時に上記コントロール弁のメータアウト開口を増大させるように上記電磁弁の開度を制御するパイロット制御部を備えたこととすれば、掘削作業時のように、負荷が油圧シリンダを制動する方向に作用する場合でも、上記コントロール弁のメータアウト開度を大きくすることで、その絞り抵抗を低減させることができる。なお、電磁弁を設けた場合には、例えば掘削判定の継続時間が設定時間以上となったときに、コントロール弁内のメータアウト開口の絞り面積を大きくするなどの制御を行うことが可能となり、軽い掘削を行う場合などに、掘削判定が頻繁に行われてその制御がハンチングするなどの問題が解消される。
【００１３】
ところで、掘削作業の場合、空中でバケットを抱え込んだ状態では、その空中操作においても、油圧シリンダの負荷圧が高くなる。したがって、例えばそのメータイン側が高圧となった場合に、メータアウトを絞るように制御したのでは、上記空中操作においてもメータアウトの開口面積が変化することとなる。この開口面積の変化に伴い、バケット及びアームの動きが変化し、オペレータの意思通りに動かなくなるため、操作性が悪化する。
【００１４】
これに対し、請求項５記載の発明のように、作業状態が掘削作業か否かを検出する作業状態検出手段を有し、バイパス制御部は、この作業状態検出手段によって掘削作業時であることが検出されたときにメータアウト開口を増大させるように構成されたこととすれば、掘削作業を自動的に検出され、この検出結果によりメータアウト開口面積を拡大することが可能となり、手動で切り換え操作を行うなどの手間をかけることなく、エネルギー効率を向上させることができる。
【００１５】
すなわち、上記のように、空中でバケットを抱え込んだ状態では、油圧シリンダの負荷圧が高くならないため、メータアウトの開口面積が変化することがない。したがって、この構成では、空中操作でメータアウトの開口面積が変化することがないため、上記のように空中操作においても操作性が悪化することはない。一方、掘削作業時には、メータアウトの開口面積が変化するが、掘削中は掘削抵抗が大きいため、掘削中にそのメータアウトの開口面積を変化させたとしても、バケット及びアームの動きはほとんど変化せず、かつ、メータアウトの絞り損失を低減させることが可能となる。
【００１６】
請求項６記載の発明のように、作業状態検出手段は、油圧シリンダの駆動回路中のポンプ吐出圧又は同油圧シリンダの前後圧の測定値に基づいて、作業状態が掘削作業か否かを検出することとすれば、簡単な構成で掘削作業を自動的に判別することができる。
【００１７】
請求項７記載の発明のように、油圧シリンダのメータイン流量を制御するメータイン制御手段をさらに設け、このメータイン制御手段は、上記油圧シリンダの負荷がシリンダ減速方向に働く掘削作業時に、負荷がシリンダ増速方向に働く作業時と比較してメータイン開口を増大させるように構成されたこととすれば、メータイン制御手段により、油圧シリンダの負荷がシリンダ減速方向に働く掘削作業時に、負荷がシリンダ増速方向に働く作業時と比較してメータイン開口が増大させられるので、掘削作業時のように、負荷が油圧シリンダを制動する方向に作用する場合でも、このメータインの開度を大きくすることで、メータインの絞り抵抗を低減させることができる。その結果、ポンプ動力をさらに低減させて、エネルギー効率をより一層向上させることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
（実施形態１）
図１は本発明の実施形態１に係る油圧ショベルの油圧回路を示す図である。
【００１９】
図１において、１，２は可変容量タイプの油圧ポンプ、３，４は油圧ポンプ１，２から供給される作動油によってそれぞれ作動する油圧シリンダとしてのバケットシリンダ及びアームシリンダ、５，６はバケットシリンダ３及びアームシリンダ４に対する作動油の給排をそれぞれ制御するコントロール弁である（５がバケットシリンダ用コントロール弁、６がアームシリンダ用コントロール弁である）。７〜１２はリリーフ弁、１３〜１６はチェック弁である。油圧ポンプ１，２はエンジン駆動のものであってもよいし、モータ駆動のものであってもよい。
【００２０】
また、１７，１８は油圧ポンプ１，２の吐出圧（ポンプ圧）をそれぞれ検出する圧力センサ、１９，２０は操作レバー、２１，２２はレバー操作量に応じてパイロット圧をそれぞれ発生させるリモコン弁、２３〜２６はパイロット圧を検出する圧力センサである。２７は圧力センサ１７，１８により検出されたポンプ圧、及び圧力センサ２３〜２６により検出されたパイロット圧を入力し、これらの入力に基づいて油圧ポンプ１，２の吐出量を制御するための出力信号を同ポンプの図示しない流量調整部に発するコントローラである。
【００２１】
さらに、２８，２９はブリードオフ、３０，３１はメータイン、３２，３３はメータアウトである。３４は、メータアウト３２をバイパスするバイパス絞り弁（メータアウト制御手段、バイパス弁に相当する。）であり、このバイパス絞り弁３４の開度もコントローラ２７により制御されるようになっている。なお、圧力センサ１８等として、油圧ショベルに標準搭載されているエンジン停止検出用のセンサを使用することができる。
【００２２】
この本実施形態１の油圧回路を備えた油圧ショベルは、その作業形態として空中作業と掘削作業とを有する。以下、各作業について説明する。図２は本実施形態１の油圧回路を備えた油圧ショベルの空中作業時の状態を示す側面図、図３は同掘削作業時の状態を示す側面図である。なお、図２，３において、４１はアーム、４２はバケット、４４〜５４はアーム動作等の各方向を示す。
【００２３】
油圧ショベルの作業形態としての空中作業とは、図２に示すように、バケット４２を空中に上げた状態での作業をいうが、この空中作業では、アーム４１の自重は４４の方向に作用するため、この自重負荷はアームシリンダ４に対してはシリンダ伸び方向４５に作用する。また、バケット４２の自重は４６の方向に作用するため、この自重負荷はバケットシリンダ３に対してはシリンダ伸び方向４７の方向に作用する。
【００２４】
そして、この空中作業中での掘削作業に入るための操作では、アームシリンダ４を伸び方向に駆動するため、上記自重による負荷はアームシリンダ４の駆動方向４６と同一方向に作用する。また、バケットシリンダ３を伸び方向に駆動するため、上記自重による負荷はバケットシリンダ３の駆動方向４８と同一の方向に作用する。
【００２５】
一方、油圧ショベルの作業形態としての掘削作業とは、図３に示すように、バケット４２を地盤に食い込ませた状態でアーム４１を引き動作することによって、バケット４２で掘削動作をする作業をいうが、この掘削作業では、バケット４２は掘削反力４９を受けるため、バケットシリンダ３の負荷方向はシリンダ縮み方向５０となる。この掘削作業中での掘削動作を行うための操作では、バケットシリンダ３の駆動方向は伸び方向５１であるため、この場合負荷の方向はバケットシリンダ３の駆動方向と逆、すなわち制動方向となる。また、アーム４１も掘削反力５２を受けるため、アームシリンダ４の負荷方向はシリンダ縮み方向５３となる。この掘削作業中での掘削動作を行うための操作では、アームシリンダ４の駆動方向は伸び方向５４であるため、この場合負荷の方向はアームシリンダ４の駆動方向と逆、すなわち制動方向となる。
【００２６】
ついで、本実施形態１の油圧回路のバイパス絞り弁の動作等について説明する。図４，図５は空中作業時，掘削作業時でのレバー操作量とコントロール弁の開口面積との関係を示す図であって、それぞれ（ａ）はメータアウトの開口面積の変化を示す図、（ｂ）はバイパス絞り弁の開口面積の変化を示す図、（ｃ）はシリンダ排出側の合成開口面積の変化を示す図である。
【００２７】
まず空中作業においては、図４（ａ）に示すように、メータアウト３２はレバー操作量が大きくなるに従って開口面積が増大し最大値はＡ１となる。一方、図４（ｂ）に示すように、バイパス絞り弁３４の開口面積は、空中作業時には全閉となるようにコントローラ２７によって制御される。したがって、図４（ｃ）に示すように、空中作業時の排出側合成開口面積はＡ１となり絞られた状態になる。
【００２８】
これに対して、掘削作業時においては、図５（ａ）に示すように、メータアウト３２はレバー操作量が大きくなるに従って開口面積が増大し最大値はＡ１となる。一方、図５（ｂ）に示すように、バイパス絞り弁３４の開口面積はレバー操作量が大きくなるに従って開口面積が増大し最大値はＡ２となる。したがって、図５（ｃ）に示すように、掘削作業時の排出側合成開口面積はＡ１＋Ａ２となり開かれた状態となる。
【００２９】
ここで、空中作業時のバケット掘削操作においては、上記図２に示したように、負荷がシリンダ駆動方向と同一方向に作用する。この場合、本実施形態１では、メータアウト３２の開口面積が絞られた状態となるため、シリンダ排出側に高い背圧が発生し、これがバケットシリンダ３に対する制動力として作用する。したがって、シリンダ速度が増速しなくなるため、油圧ポンプ１の供給流量が不足しキャビテーションを起こす問題は解消される。
【００３０】
一方、掘削作業時においては、上記図３に示したように、負荷の方向はバケットシリンダ３の駆動方向と逆、すなわち制動方向となる。この場合、本実施形態１では、掘削作業時に排出側合成開口面積が大きくなるため、シリンダ排出側の絞り抵抗がきわめて小さくなり、エネルギー効率が低下する問題は解消される。
【００３１】
なお、バイパス弁として、上記バイパス絞り弁３４に代えて、オンオフ式の切換弁を用いることもできる。図６はその掘削作業時でのレバー操作量とコントロール弁の開口面積との関係を示す図であって、（ａ）はメータアウトの開口面積の変化を示す図、（ｂ）は切換弁の開口面積の変化を示す図、（ｃ）は排出側の合成開口面積の変化を示す図である。
【００３２】
この場合、掘削作業時においては、図６（ａ）に示すように、メータアウト３２はレバー操作量が大きくなるに従って開口面積が増大し最大値はＡ１となる。一方、図６（ｂ）に示すように、切換弁の開口面積はレバー操作量が大きくなると急に開口面積が増大し最大値はＡ２となる。したがって、図６（ｃ）に示すように、操作レバー１９を入れていくと排出側合成開口面積が急に開くが、掘削作業においては、微速での操作性はあまり要求されないため、このような構成としても操作性上の問題は少ない。このため、この方法によればバイパス弁の構造を簡易化できるとともに、操作レバー１９が浅い位置でも排出側合成開口面積が大きくなるため、エネルギー効率を向上する効果がさらに向上する。
【００３３】
引き続き、本実施形態１の油圧回路における掘削作業の判定及びバイパス弁の開度調整方法について説明する。図７，図８は掘削作業の判定方法を例示する図であって、（ａ）はレバー操作量の変化を示す図、（ｂ）はポンプ圧の変化を示す図、（ｃ）はバイパス弁の開度の変化を示す図である。
【００３４】
いま図７（ａ）に示すように、操作レバー２０の操作によりアーム引き操作を行ったとする。このときが空中作業時であるとすると、上記図２で示したように、アーム４１の自重４４はアームシリンダ４の伸び方向４５に作用する。アームシリンダ４の駆動方向は伸び方向４５であるので、このアーム引き操作では、自重の作用する方向はアームシリンダ４の駆動方向４６と一致する。このため、空中作業時においては、ポンプ負荷が小さくなり、図７（ｂ）中の破線で示すように、ポンプ圧６５は低圧になる。
【００３５】
一方、掘削作業時であるとすると、図３に示したように、掘削抵抗５２はシリンダ縮み方向５３に作用する。この場合には、負荷方向はシリンダ制動方向に作用するため、油圧ポンプ２に対する負荷が大きくなり、図７（ｂ）中の実線で示すように、ポンプ圧６６は高圧になる。
【００３６】
したがって、図１に示したように、アームシリンダ４に作動油を供給する油圧ポンプ２のポンプ圧を圧力センサ（作動状態検出手段に相当する。）１８により検出し、図７（ｂ）に示すように、そのポンプ圧Ｐｐがしきい値Ｐｐｓより大きくなった場合に、コントローラ２７が掘削作業時であると判定し（作業状態検出手段としての機能である）、バイパス絞り弁３４の開度を、図７（ｃ）中の６８のように、拡大することにより、メータアウト３２の開度を大きくする（メータアウト制御手段、バイパス制御部としての機能である）。
【００３７】
この方法を用いることにより、掘削作業時を自動的に判別し、上記方法によりメータアウト３２の開度を開くことが可能となり、手動で切り換え操作を行うなどの手間をかけることなく自動的にエネルギー効率を改善することができる。
【００３８】
また、下記のような方法を用いることとしてもよい。
【００３９】
いま、図８（ａ）に示すように、操作レバー２０の操作によりアーム引き操作を行ったとする。このときに、図８（ｂ）に示すように、ポンプ圧Ｐｐがしきい値Ｐｐｓを越えると、その超えた時点からポンプ圧が大きくなるに従って（図中６９，７０）、図８（ｃ）に示すように、バイパス絞り弁３４の開き方が大きくなるようにする（図中７１，７２）。
【００４０】
この方法によれば、掘削する土が軟らかい場合はメータアウト３２が絞られることで、過度に操作速度が速くなる問題を解消することができるとともに、掘削する土が硬い場合はメータアウト３２が開くことで、これらの絞り抵抗を低減しエネルギー効率を向上させることができる。
【００４１】
ところで、上記実施形態１では、メータアウト３２の開度調整のみを行っているが、さらにメータイン３０の開度調整を行うこととしてもよい。実施形態２は、このことに着目してなされたもので、以下に説明する。
【００４２】
（実施形態２）
図９は本発明の実施形態２に係る油圧ショベルの油圧回路を示す図である。なお、ここではバイパス絞り弁３４まわりについては上記実施形態１と同様の構成であるのでその記載を省略する。また、その他の上記実施形態１と共通する要素には同一番号を付して記載するが、その重複説明は省略する。
【００４３】
この実施形態２においては、図９に示すように、コントロール弁５のメータイン３０をバイパスするバイパス絞り弁（バイパス弁に相当する。）６０をさらに設け、空中作業時にはバイパス絞り弁６０が閉じるように動作するとともに、掘削判定時にはバイパス絞り弁６０の開度が大きくなるよう動作する。すなわち、メータイン３０とバイパス絞り弁６０とは、上記図４，図５に示すように上記実施形態１と同様な動作となる。
【００４４】
すなわち、この場合には、空中作業時には、上記図４（ａ）〜（ｃ）において、バイパス絞り弁６０が閉じることにより、メータイン３０の開度がレバー操作量が増大するに従って増加するため、レバー操作量に対してシリンダ速度を容易にコントロールすることが可能となるとともに、掘削作業時には、図５（ａ）〜（ｃ）において、シリンダ供給側の絞り抵抗を低減し、エネルギー効率を改善することができる。
【００４５】
本実施形態２における掘削作業の判定方法及びバイパス絞り弁６０の開度調整方法も、上記実施形態１と同様に行うことができる。したがって、図９に示したように、アームシリンダ４に作動油を供給する油圧ポンプ２のポンプ圧Ｐｐを圧力センサ１８により検出し、図７（ｂ）に示すように、そのポンプ圧Ｐｐがしきい値Ｐｐｓより大きくなった場合に掘削作業時であると判定し、バイパス絞り弁６０の開度を、図７（ｃ）中の６８のように、拡大することにより、メータイン３０の開度を大きくすることにより、上記実施形態１と同様に、掘削作業時を自動的に判別し、上記方法によりメータイン３０の開度を開くことが可能となり、手動で切り替え操作を行うなどの手間をかけることなく自動的にエネルギー効率を改善することができる。
【００４６】
また、バイパス絞り弁６０の代わりに、オンオフ式の切換弁を設けてもよい。その場合には、図８（ｂ）に示したように、ポンプ圧Ｐｐがしきい値Ｐｐｓを越えると、この超えた時点からポンプ圧Ｐｐが大きくなるに従って（図中６９，７０）、バイパス絞り弁６０の開き方が大きくなるようにすれば（図中７１，７２）、上記実施形態１と同様に、掘削する土が軟らかい場合はメータイン３０が絞られることで、過度に操作速度が速くなる問題を解消することができるとともに、掘削する土が硬い場合はメータイン３０が開くことで、これらの絞り抵抗を低減しエネルギー効率を向上することができる。
【００４７】
上記実施形態１，２の変形例として以下のような構成が考えられる。
【００４８】
（変形例１）
図１０は変形例１に係る油圧ショベルの油圧回路の一部を示す図である。なお、ここでは、バケットシリンダ３側の駆動回路は上記実施形態１，２と同様であるので、その回路の要素をすべて省略している。さらに、アームシリンダ４側の駆動回路においても上記実施形態１，２と共通する要素には同一番号を付してその重複説明を省略する。
【００４９】
この変形例１では、掘削作業時の判定方法として、図１０に示すように、アームシリンダ４の前後圧を圧力センサ（作業状態検出手段に相当する。）８０、８１により測定し、次式により、シリンダ負荷を求める方法を採用している。
【００５０】
Ｆ＝Ａｈ×Ｐｈ−Ａｒ×Ｐｒ （１）
ここで、Ｆ：負荷力、Ａｈ：アームシリンダヘッド側断面積、Ｐｈ：アームシリンダヘッド圧、Ａｒ：アームシリンダロッド側断面積、Ｐｒ：アームシリンダロッド圧である。
【００５１】
そして、コントローラ２７は、油圧ショベルの作業形態が掘削作業となっているか否かを、アームシリンダ４の駆動回路中のシリンダ前後圧の測定値に基づいて判定する（作業状態検出手段としての機能である）。
【００５２】
この変形例１によれば、圧力センサ８０，８１により、上記ポンプ圧よりも高い精度での差圧検出が可能となるので、精度良くアームシリンダ４の負荷を求めることができるようになり、掘削作業時の判定の判定精度が高まって、より効果的にエネルギー効率を低減することができる。
【００５３】
（変形例２）
図１１は変形例２に係る油圧ショベルの油圧回路の一部を示す図、図１２はその制御例を示す図である。なお、ここでは、アームシリンダ４側の油圧回路は上記実施形態１，２と同様であるので、その回路の要素を省略している。さらに、バケットシリンダ３側の油圧回路においても上記実施形態１，２と共通する要素には同一番号を付してその重複説明を省略する。
【００５４】
図１１において、８５はバケットシリンダ３を伸び方向に操作する場合のパイロットライン８６に設置された電磁切換弁（メータアウト制御手段、電磁弁に相当する。）であり、コントローラ２７はこの電磁切換弁８５の開度を制御することにより、コントロール弁（メータアウト制御手段に相当する。）５の開度を制御する（メータアウト制御手段、パイロット制御手段としての機能である）。
【００５５】
すなわち、コントローラ２７による電磁切換弁８５の制御動作では、図１２に示すように、空中作業時にはレバー操作量に対してコントロール弁５のストロークが０〜ｓｔ１となるようにパイロット圧を制御するとともに、掘削作業時にはコントロール弁５のストロークが０〜ｓｔ２となるようにパイロット圧を制御する。
【００５６】
そして、同図において、空中作業時のメータイン３０、メータアウト３２の開口面積▲１▼，▲２▼はそれぞれ最大でＡ２、Ａ１となるのに対し、掘削作業時にはメータイン３０、メータアウト３２の開口面積▲１▼，▲２▼はともに最大でＡ３となり、両開口面積▲１▼，▲２▼が拡大される。このことから、掘削作業時にはメータイン３０、メータアウト３２の絞り抵抗が低減され、エネルギー効率の高い運転が可能となる。ただし、同図中の▲３▼はブリードオフ２８の開口面積の変化を示す。
【００５７】
この変形例２によれば、掘削作業時のように、負荷がシリンダ制動方向に作用する場合でも、コントロール弁５の開度を大きくすることで、その絞り抵抗を低減してポンプ動力を低減させることができる。
【００５８】
なお、電磁切換弁８５を設けた場合には、例えば掘削判定の継続時間が設定時間以上となったときに、コントロール弁５内のメータアウト３２の絞り面積を開くなどの制御を行うことが可能となり、軽い掘削を行う場合などに、掘削判定が頻繁に行われてその制御がハンチングするなどの問題が解消される。
【００５９】
（変形例３）
上記実施形態１，２では、バケットシリンダ３の駆動回路中のコントロール弁５のバイパス絞り弁３４，６０の開度調整について説明したが、アームシリンダ４の駆動回路中のコントロール弁６についても、これと全く同様の構成とすることができる。
【００６０】
この変形例３では、アームシリンダ４側においても、空中作業時のバケット掘削操作では、上記図２に示したように、負荷がシリンダ駆動方向と同一方向に作用する。この場合に、メータアウト３３又はメータイン３１の開口面積が絞られた状態とすれば、シリンダ排出側に高い背圧が発生し、これがバケットシリンダ３に対する制動力として作用する。したがって、シリンダ速度が増速しなくなるため、油圧ポンプ２の供給流量が不足しキャビテーションを起こす問題は解消される。
【００６１】
また、その掘削作業時においても、上記図３に示したように、負荷の方向はバケットシリンダ３の駆動方向と逆、すなわち制動方向となる。この場合に、掘削作業時に排出側合成開口面積を大きくすれば、シリンダ排出側の絞り抵抗がきわめて小さくなり、エネルギー効率が低下する問題は解消される。
【００６２】
なお、上記実施形態１，２では、バイパス絞り弁３４，６０を設けているが、その代わりに、コントローラ２７でコントロール弁（メータアウト制御手段に相当する。）５のメータアウト３２，メータイン３０を直接絞るように制御してもよい（メータアウト制御手段としての機能である）。コントロール弁６についてもこれと同様の構成をとることができる。さらに、上記実施形態１，２では、アウト油圧ショベルの作業形態としての空中作業と掘削作業とについて説明しているが、他の作業があってもよく、その他の作業の場合には上記空中作業と同様に扱えば足りる。
【００６３】
【発明の効果】
本発明によれば、掘削作業時のように、負荷が油圧シリンダを制動する方向に作用する場合でも、メータアウトの開度を大きくすることで、メータアウトの絞り抵抗を低減させることができるので、ポンプ動力を低減させて、エネルギー効率を向上させることができる。その結果、作業形態のいかんにかかわらず、常にエネルギー効率のよい油圧回路が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１に係る油圧ショベルの油圧回路を示す図である。
【図２】本実施形態１の油圧回路を搭載した油圧ショベルの空中作業時の状態を示す側面図である。
【図３】本実施形態１の油圧回路を搭載した油圧ショベルの掘削作業時の状態を示す側面図である。
【図４】空中作業時でのレバー操作量とコントロール弁の開口面積との関係を示す図であって、（ａ）はメータアウト（メータイン）の開口面積の変化を示す図、（ｂ）はバイパス弁の開口面積の変化を示す図、（ｃ）は排出側（供給側）の合成開口面積の変化を示す図である。
【図５】掘削作業時でのレバー操作量とコントロール弁の開口面積との関係を示す図であって、（ａ）はメータアウト（メータイン）の開口面積の変化を示す図、（ｂ）はバイパス弁の開口面積の変化を示す図、（ｃ）は排出側（供給側）の合成開口面積の変化を示す図である。
【図６】掘削作業時でのレバー操作量とコントロール弁の開口面積との関係を示す図であって、（ａ）はメータアウト（メータイン）の開口面積の変化を示す図、（ｂ）はバイパス弁の開口面積の変化を示す図、（ｃ）は排出側（供給側）の合成開口面積の変化を示す図である。
【図７】掘削作業の判定方法を一例を示す図であって、（ａ）はレバー操作量の変化を示す図、（ｂ）はポンプ圧の変化を示す図、（ｃ）はバイパス弁の開度の変化を示す図である。
【図８】掘削作業の判定方法を他の例を示す図であって、（ａ）はレバー操作量の変化を示す図、（ｂ）はポンプ圧の変化を示す図、（ｃ）はバイパス弁の開度の変化を示す図である。
【図９】本発明の実施形態２に係る油圧ショベルの油圧回路を示す図である。
【図１０】変形例１に係る油圧ショベルの油圧回路の一部を示す図である。
【図１１】変形例２に係る油圧ショベルの油圧回路の一部を示す図である。
【図１２】変形例２における制御例を示す図である。
【符号の説明】
１，２ 油圧ポンプ
３ バケットシリンダ（油圧シリンダに相当する。）
４ アームシリンダ（油圧シリンダに相当する。）
５，６ コントロール弁
１８ 圧力センサ（作業状態検出手段に相当する。）
２７ コントローラ（メータアウト制御手段、作業状態検出手段、バイパス制御部、パイロット制御部としての機能を有する。）
２８，２９ ブリードオフ
３０，３１ メータイン
３２，３３ メータアウト
３４ バイパス絞り弁（メータアウト制御手段、バイパス弁に相当する。）
６０ バイパス絞り弁（メータイン制御手段、バイパス弁に相当する。）
８０，８１ 圧力センサ（作業状態検出手段に相当する。）
８５ 電磁切換弁（メータアウト制御手段、電磁弁に相当する。）
８６ パイロットライン
【発明の属する技術分野】
本発明は、建設現場等で使用される油圧ショベルの油圧回路に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
油圧ショベルの油圧回路においては、流量制御としてメータアウト制御が広く用いられている。このメータアウト制御は油圧シリンダの出口配管にメータアウト絞りを設け、これによりシリンダ流出流量を制御することでシリンダ動作の速度制御を行うものである。
【０００３】
このメータアウト制御において、例えば油圧シリンダのロッドが伸びるシリンダ動作方向に自重などの負荷が作用すると、そのシリンダ動作が増速されて油圧ポンプによる供給流量が不足し、その結果シリンダ供給側の配管内でキャビテーションを起こす問題があった。これに対し、メータアウト開口を絞ることにより、油圧シリンダ内のロッド室側に背圧を与えてそのシリンダ動作を減速させることがある（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−２２０５４号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
一般に、油圧ショベルの作業形態には、バケットを空中に上げた状態で作業を行ういわゆる空中作業と、バケットを地中に食い込ませた状態で作業を行う掘削作業とが含まれており、このうちの掘削作業においては、アーム引き操作およびブーム掘削操作に対して、負荷抵抗となる掘削抵抗が、上記シリンダ動作方向と逆方向のシリンダ制動方向に作用する。
【０００６】
ところが、この掘削作業においても、上記のようにメータアウト開口を絞ってシリンダ動作を減速させた場合には、上記負荷抵抗がシリンダ制動方向に作用する結果、油圧ポンプに対して負荷が大きくなり、ポンプ動力が増加しエネルギー効率が悪化するという問題があった。
【０００７】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、作業形態のいかんを問わず、常にエネルギー効率のよい油圧ショベルの油圧回路を提供することである、
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、掘削装置の駆動源としての油圧シリンダのメータアウト流量を制御するメータアウト制御手段を設け、このメータアウト制御手段は、上記油圧シリンダの負荷がシリンダ減速方向に働く掘削作業時に、負荷がシリンダ増速方向に働く作業時と比較してメータアウト開口を増大させるように構成されたことを特徴とするものである。
【０００９】
この構成によれば、メータアウト制御手段により、油圧シリンダの負荷がシリンダ減速方向に働く掘削作業時に、負荷がシリンダ増速方向に働く作業時と比較してメータアウト開口が増大させられるので、掘削作業時のように、負荷が油圧シリンダを制動する方向に作用する場合でも、メータアウトの開度を大きくすることで、メータアウトの絞り抵抗を低減させることができる。その結果、ポンプ動力を低減させて、エネルギー効率を向上させることができる。
【００１０】
請求項２記載の発明のように、メータアウト制御手段は、油圧シリンダに対する油の給排を制御するコントロール弁のメータアウト通路と並列に設けられたバイパス弁と、このバイパス弁の開度を制御するバイパス制御部とによって構成されたこととすれば、掘削作業時のように、負荷が油圧シリンダを制動する方向に作用する場合には、上記バイパス弁の開度を大きくすることで、その絞り抵抗を低減させることができる。なお、上記バイパス弁には、開口面積を調整可能なバイパス絞り弁の他、オンオフ式の切換弁をも含む。
【００１１】
請求項３記載の発明のように、操作手段の操作に応じてコントロール弁の作動を制御するコントローラがバイパス制御部を兼ねることとすれば、構成がさらに簡単化されるとともに、操作性も向上される。
【００１２】
請求項４記載の発明のように、コントロール弁としてパイロット式コントロール弁を設けるとともに、そのパイロットラインに電磁弁を設け、コントローラは掘削作業時に上記コントロール弁のメータアウト開口を増大させるように上記電磁弁の開度を制御するパイロット制御部を備えたこととすれば、掘削作業時のように、負荷が油圧シリンダを制動する方向に作用する場合でも、上記コントロール弁のメータアウト開度を大きくすることで、その絞り抵抗を低減させることができる。なお、電磁弁を設けた場合には、例えば掘削判定の継続時間が設定時間以上となったときに、コントロール弁内のメータアウト開口の絞り面積を大きくするなどの制御を行うことが可能となり、軽い掘削を行う場合などに、掘削判定が頻繁に行われてその制御がハンチングするなどの問題が解消される。
【００１３】
ところで、掘削作業の場合、空中でバケットを抱え込んだ状態では、その空中操作においても、油圧シリンダの負荷圧が高くなる。したがって、例えばそのメータイン側が高圧となった場合に、メータアウトを絞るように制御したのでは、上記空中操作においてもメータアウトの開口面積が変化することとなる。この開口面積の変化に伴い、バケット及びアームの動きが変化し、オペレータの意思通りに動かなくなるため、操作性が悪化する。
【００１４】
これに対し、請求項５記載の発明のように、作業状態が掘削作業か否かを検出する作業状態検出手段を有し、バイパス制御部は、この作業状態検出手段によって掘削作業時であることが検出されたときにメータアウト開口を増大させるように構成されたこととすれば、掘削作業を自動的に検出され、この検出結果によりメータアウト開口面積を拡大することが可能となり、手動で切り換え操作を行うなどの手間をかけることなく、エネルギー効率を向上させることができる。
【００１５】
すなわち、上記のように、空中でバケットを抱え込んだ状態では、油圧シリンダの負荷圧が高くならないため、メータアウトの開口面積が変化することがない。したがって、この構成では、空中操作でメータアウトの開口面積が変化することがないため、上記のように空中操作においても操作性が悪化することはない。一方、掘削作業時には、メータアウトの開口面積が変化するが、掘削中は掘削抵抗が大きいため、掘削中にそのメータアウトの開口面積を変化させたとしても、バケット及びアームの動きはほとんど変化せず、かつ、メータアウトの絞り損失を低減させることが可能となる。
【００１６】
請求項６記載の発明のように、作業状態検出手段は、油圧シリンダの駆動回路中のポンプ吐出圧又は同油圧シリンダの前後圧の測定値に基づいて、作業状態が掘削作業か否かを検出することとすれば、簡単な構成で掘削作業を自動的に判別することができる。
【００１７】
請求項７記載の発明のように、油圧シリンダのメータイン流量を制御するメータイン制御手段をさらに設け、このメータイン制御手段は、上記油圧シリンダの負荷がシリンダ減速方向に働く掘削作業時に、負荷がシリンダ増速方向に働く作業時と比較してメータイン開口を増大させるように構成されたこととすれば、メータイン制御手段により、油圧シリンダの負荷がシリンダ減速方向に働く掘削作業時に、負荷がシリンダ増速方向に働く作業時と比較してメータイン開口が増大させられるので、掘削作業時のように、負荷が油圧シリンダを制動する方向に作用する場合でも、このメータインの開度を大きくすることで、メータインの絞り抵抗を低減させることができる。その結果、ポンプ動力をさらに低減させて、エネルギー効率をより一層向上させることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
（実施形態１）
図１は本発明の実施形態１に係る油圧ショベルの油圧回路を示す図である。
【００１９】
図１において、１，２は可変容量タイプの油圧ポンプ、３，４は油圧ポンプ１，２から供給される作動油によってそれぞれ作動する油圧シリンダとしてのバケットシリンダ及びアームシリンダ、５，６はバケットシリンダ３及びアームシリンダ４に対する作動油の給排をそれぞれ制御するコントロール弁である（５がバケットシリンダ用コントロール弁、６がアームシリンダ用コントロール弁である）。７〜１２はリリーフ弁、１３〜１６はチェック弁である。油圧ポンプ１，２はエンジン駆動のものであってもよいし、モータ駆動のものであってもよい。
【００２０】
また、１７，１８は油圧ポンプ１，２の吐出圧（ポンプ圧）をそれぞれ検出する圧力センサ、１９，２０は操作レバー、２１，２２はレバー操作量に応じてパイロット圧をそれぞれ発生させるリモコン弁、２３〜２６はパイロット圧を検出する圧力センサである。２７は圧力センサ１７，１８により検出されたポンプ圧、及び圧力センサ２３〜２６により検出されたパイロット圧を入力し、これらの入力に基づいて油圧ポンプ１，２の吐出量を制御するための出力信号を同ポンプの図示しない流量調整部に発するコントローラである。
【００２１】
さらに、２８，２９はブリードオフ、３０，３１はメータイン、３２，３３はメータアウトである。３４は、メータアウト３２をバイパスするバイパス絞り弁（メータアウト制御手段、バイパス弁に相当する。）であり、このバイパス絞り弁３４の開度もコントローラ２７により制御されるようになっている。なお、圧力センサ１８等として、油圧ショベルに標準搭載されているエンジン停止検出用のセンサを使用することができる。
【００２２】
この本実施形態１の油圧回路を備えた油圧ショベルは、その作業形態として空中作業と掘削作業とを有する。以下、各作業について説明する。図２は本実施形態１の油圧回路を備えた油圧ショベルの空中作業時の状態を示す側面図、図３は同掘削作業時の状態を示す側面図である。なお、図２，３において、４１はアーム、４２はバケット、４４〜５４はアーム動作等の各方向を示す。
【００２３】
油圧ショベルの作業形態としての空中作業とは、図２に示すように、バケット４２を空中に上げた状態での作業をいうが、この空中作業では、アーム４１の自重は４４の方向に作用するため、この自重負荷はアームシリンダ４に対してはシリンダ伸び方向４５に作用する。また、バケット４２の自重は４６の方向に作用するため、この自重負荷はバケットシリンダ３に対してはシリンダ伸び方向４７の方向に作用する。
【００２４】
そして、この空中作業中での掘削作業に入るための操作では、アームシリンダ４を伸び方向に駆動するため、上記自重による負荷はアームシリンダ４の駆動方向４６と同一方向に作用する。また、バケットシリンダ３を伸び方向に駆動するため、上記自重による負荷はバケットシリンダ３の駆動方向４８と同一の方向に作用する。
【００２５】
一方、油圧ショベルの作業形態としての掘削作業とは、図３に示すように、バケット４２を地盤に食い込ませた状態でアーム４１を引き動作することによって、バケット４２で掘削動作をする作業をいうが、この掘削作業では、バケット４２は掘削反力４９を受けるため、バケットシリンダ３の負荷方向はシリンダ縮み方向５０となる。この掘削作業中での掘削動作を行うための操作では、バケットシリンダ３の駆動方向は伸び方向５１であるため、この場合負荷の方向はバケットシリンダ３の駆動方向と逆、すなわち制動方向となる。また、アーム４１も掘削反力５２を受けるため、アームシリンダ４の負荷方向はシリンダ縮み方向５３となる。この掘削作業中での掘削動作を行うための操作では、アームシリンダ４の駆動方向は伸び方向５４であるため、この場合負荷の方向はアームシリンダ４の駆動方向と逆、すなわち制動方向となる。
【００２６】
ついで、本実施形態１の油圧回路のバイパス絞り弁の動作等について説明する。図４，図５は空中作業時，掘削作業時でのレバー操作量とコントロール弁の開口面積との関係を示す図であって、それぞれ（ａ）はメータアウトの開口面積の変化を示す図、（ｂ）はバイパス絞り弁の開口面積の変化を示す図、（ｃ）はシリンダ排出側の合成開口面積の変化を示す図である。
【００２７】
まず空中作業においては、図４（ａ）に示すように、メータアウト３２はレバー操作量が大きくなるに従って開口面積が増大し最大値はＡ１となる。一方、図４（ｂ）に示すように、バイパス絞り弁３４の開口面積は、空中作業時には全閉となるようにコントローラ２７によって制御される。したがって、図４（ｃ）に示すように、空中作業時の排出側合成開口面積はＡ１となり絞られた状態になる。
【００２８】
これに対して、掘削作業時においては、図５（ａ）に示すように、メータアウト３２はレバー操作量が大きくなるに従って開口面積が増大し最大値はＡ１となる。一方、図５（ｂ）に示すように、バイパス絞り弁３４の開口面積はレバー操作量が大きくなるに従って開口面積が増大し最大値はＡ２となる。したがって、図５（ｃ）に示すように、掘削作業時の排出側合成開口面積はＡ１＋Ａ２となり開かれた状態となる。
【００２９】
ここで、空中作業時のバケット掘削操作においては、上記図２に示したように、負荷がシリンダ駆動方向と同一方向に作用する。この場合、本実施形態１では、メータアウト３２の開口面積が絞られた状態となるため、シリンダ排出側に高い背圧が発生し、これがバケットシリンダ３に対する制動力として作用する。したがって、シリンダ速度が増速しなくなるため、油圧ポンプ１の供給流量が不足しキャビテーションを起こす問題は解消される。
【００３０】
一方、掘削作業時においては、上記図３に示したように、負荷の方向はバケットシリンダ３の駆動方向と逆、すなわち制動方向となる。この場合、本実施形態１では、掘削作業時に排出側合成開口面積が大きくなるため、シリンダ排出側の絞り抵抗がきわめて小さくなり、エネルギー効率が低下する問題は解消される。
【００３１】
なお、バイパス弁として、上記バイパス絞り弁３４に代えて、オンオフ式の切換弁を用いることもできる。図６はその掘削作業時でのレバー操作量とコントロール弁の開口面積との関係を示す図であって、（ａ）はメータアウトの開口面積の変化を示す図、（ｂ）は切換弁の開口面積の変化を示す図、（ｃ）は排出側の合成開口面積の変化を示す図である。
【００３２】
この場合、掘削作業時においては、図６（ａ）に示すように、メータアウト３２はレバー操作量が大きくなるに従って開口面積が増大し最大値はＡ１となる。一方、図６（ｂ）に示すように、切換弁の開口面積はレバー操作量が大きくなると急に開口面積が増大し最大値はＡ２となる。したがって、図６（ｃ）に示すように、操作レバー１９を入れていくと排出側合成開口面積が急に開くが、掘削作業においては、微速での操作性はあまり要求されないため、このような構成としても操作性上の問題は少ない。このため、この方法によればバイパス弁の構造を簡易化できるとともに、操作レバー１９が浅い位置でも排出側合成開口面積が大きくなるため、エネルギー効率を向上する効果がさらに向上する。
【００３３】
引き続き、本実施形態１の油圧回路における掘削作業の判定及びバイパス弁の開度調整方法について説明する。図７，図８は掘削作業の判定方法を例示する図であって、（ａ）はレバー操作量の変化を示す図、（ｂ）はポンプ圧の変化を示す図、（ｃ）はバイパス弁の開度の変化を示す図である。
【００３４】
いま図７（ａ）に示すように、操作レバー２０の操作によりアーム引き操作を行ったとする。このときが空中作業時であるとすると、上記図２で示したように、アーム４１の自重４４はアームシリンダ４の伸び方向４５に作用する。アームシリンダ４の駆動方向は伸び方向４５であるので、このアーム引き操作では、自重の作用する方向はアームシリンダ４の駆動方向４６と一致する。このため、空中作業時においては、ポンプ負荷が小さくなり、図７（ｂ）中の破線で示すように、ポンプ圧６５は低圧になる。
【００３５】
一方、掘削作業時であるとすると、図３に示したように、掘削抵抗５２はシリンダ縮み方向５３に作用する。この場合には、負荷方向はシリンダ制動方向に作用するため、油圧ポンプ２に対する負荷が大きくなり、図７（ｂ）中の実線で示すように、ポンプ圧６６は高圧になる。
【００３６】
したがって、図１に示したように、アームシリンダ４に作動油を供給する油圧ポンプ２のポンプ圧を圧力センサ（作動状態検出手段に相当する。）１８により検出し、図７（ｂ）に示すように、そのポンプ圧Ｐｐがしきい値Ｐｐｓより大きくなった場合に、コントローラ２７が掘削作業時であると判定し（作業状態検出手段としての機能である）、バイパス絞り弁３４の開度を、図７（ｃ）中の６８のように、拡大することにより、メータアウト３２の開度を大きくする（メータアウト制御手段、バイパス制御部としての機能である）。
【００３７】
この方法を用いることにより、掘削作業時を自動的に判別し、上記方法によりメータアウト３２の開度を開くことが可能となり、手動で切り換え操作を行うなどの手間をかけることなく自動的にエネルギー効率を改善することができる。
【００３８】
また、下記のような方法を用いることとしてもよい。
【００３９】
いま、図８（ａ）に示すように、操作レバー２０の操作によりアーム引き操作を行ったとする。このときに、図８（ｂ）に示すように、ポンプ圧Ｐｐがしきい値Ｐｐｓを越えると、その超えた時点からポンプ圧が大きくなるに従って（図中６９，７０）、図８（ｃ）に示すように、バイパス絞り弁３４の開き方が大きくなるようにする（図中７１，７２）。
【００４０】
この方法によれば、掘削する土が軟らかい場合はメータアウト３２が絞られることで、過度に操作速度が速くなる問題を解消することができるとともに、掘削する土が硬い場合はメータアウト３２が開くことで、これらの絞り抵抗を低減しエネルギー効率を向上させることができる。
【００４１】
ところで、上記実施形態１では、メータアウト３２の開度調整のみを行っているが、さらにメータイン３０の開度調整を行うこととしてもよい。実施形態２は、このことに着目してなされたもので、以下に説明する。
【００４２】
（実施形態２）
図９は本発明の実施形態２に係る油圧ショベルの油圧回路を示す図である。なお、ここではバイパス絞り弁３４まわりについては上記実施形態１と同様の構成であるのでその記載を省略する。また、その他の上記実施形態１と共通する要素には同一番号を付して記載するが、その重複説明は省略する。
【００４３】
この実施形態２においては、図９に示すように、コントロール弁５のメータイン３０をバイパスするバイパス絞り弁（バイパス弁に相当する。）６０をさらに設け、空中作業時にはバイパス絞り弁６０が閉じるように動作するとともに、掘削判定時にはバイパス絞り弁６０の開度が大きくなるよう動作する。すなわち、メータイン３０とバイパス絞り弁６０とは、上記図４，図５に示すように上記実施形態１と同様な動作となる。
【００４４】
すなわち、この場合には、空中作業時には、上記図４（ａ）〜（ｃ）において、バイパス絞り弁６０が閉じることにより、メータイン３０の開度がレバー操作量が増大するに従って増加するため、レバー操作量に対してシリンダ速度を容易にコントロールすることが可能となるとともに、掘削作業時には、図５（ａ）〜（ｃ）において、シリンダ供給側の絞り抵抗を低減し、エネルギー効率を改善することができる。
【００４５】
本実施形態２における掘削作業の判定方法及びバイパス絞り弁６０の開度調整方法も、上記実施形態１と同様に行うことができる。したがって、図９に示したように、アームシリンダ４に作動油を供給する油圧ポンプ２のポンプ圧Ｐｐを圧力センサ１８により検出し、図７（ｂ）に示すように、そのポンプ圧Ｐｐがしきい値Ｐｐｓより大きくなった場合に掘削作業時であると判定し、バイパス絞り弁６０の開度を、図７（ｃ）中の６８のように、拡大することにより、メータイン３０の開度を大きくすることにより、上記実施形態１と同様に、掘削作業時を自動的に判別し、上記方法によりメータイン３０の開度を開くことが可能となり、手動で切り替え操作を行うなどの手間をかけることなく自動的にエネルギー効率を改善することができる。
【００４６】
また、バイパス絞り弁６０の代わりに、オンオフ式の切換弁を設けてもよい。その場合には、図８（ｂ）に示したように、ポンプ圧Ｐｐがしきい値Ｐｐｓを越えると、この超えた時点からポンプ圧Ｐｐが大きくなるに従って（図中６９，７０）、バイパス絞り弁６０の開き方が大きくなるようにすれば（図中７１，７２）、上記実施形態１と同様に、掘削する土が軟らかい場合はメータイン３０が絞られることで、過度に操作速度が速くなる問題を解消することができるとともに、掘削する土が硬い場合はメータイン３０が開くことで、これらの絞り抵抗を低減しエネルギー効率を向上することができる。
【００４７】
上記実施形態１，２の変形例として以下のような構成が考えられる。
【００４８】
（変形例１）
図１０は変形例１に係る油圧ショベルの油圧回路の一部を示す図である。なお、ここでは、バケットシリンダ３側の駆動回路は上記実施形態１，２と同様であるので、その回路の要素をすべて省略している。さらに、アームシリンダ４側の駆動回路においても上記実施形態１，２と共通する要素には同一番号を付してその重複説明を省略する。
【００４９】
この変形例１では、掘削作業時の判定方法として、図１０に示すように、アームシリンダ４の前後圧を圧力センサ（作業状態検出手段に相当する。）８０、８１により測定し、次式により、シリンダ負荷を求める方法を採用している。
【００５０】
Ｆ＝Ａｈ×Ｐｈ−Ａｒ×Ｐｒ （１）
ここで、Ｆ：負荷力、Ａｈ：アームシリンダヘッド側断面積、Ｐｈ：アームシリンダヘッド圧、Ａｒ：アームシリンダロッド側断面積、Ｐｒ：アームシリンダロッド圧である。
【００５１】
そして、コントローラ２７は、油圧ショベルの作業形態が掘削作業となっているか否かを、アームシリンダ４の駆動回路中のシリンダ前後圧の測定値に基づいて判定する（作業状態検出手段としての機能である）。
【００５２】
この変形例１によれば、圧力センサ８０，８１により、上記ポンプ圧よりも高い精度での差圧検出が可能となるので、精度良くアームシリンダ４の負荷を求めることができるようになり、掘削作業時の判定の判定精度が高まって、より効果的にエネルギー効率を低減することができる。
【００５３】
（変形例２）
図１１は変形例２に係る油圧ショベルの油圧回路の一部を示す図、図１２はその制御例を示す図である。なお、ここでは、アームシリンダ４側の油圧回路は上記実施形態１，２と同様であるので、その回路の要素を省略している。さらに、バケットシリンダ３側の油圧回路においても上記実施形態１，２と共通する要素には同一番号を付してその重複説明を省略する。
【００５４】
図１１において、８５はバケットシリンダ３を伸び方向に操作する場合のパイロットライン８６に設置された電磁切換弁（メータアウト制御手段、電磁弁に相当する。）であり、コントローラ２７はこの電磁切換弁８５の開度を制御することにより、コントロール弁（メータアウト制御手段に相当する。）５の開度を制御する（メータアウト制御手段、パイロット制御手段としての機能である）。
【００５５】
すなわち、コントローラ２７による電磁切換弁８５の制御動作では、図１２に示すように、空中作業時にはレバー操作量に対してコントロール弁５のストロークが０〜ｓｔ１となるようにパイロット圧を制御するとともに、掘削作業時にはコントロール弁５のストロークが０〜ｓｔ２となるようにパイロット圧を制御する。
【００５６】
そして、同図において、空中作業時のメータイン３０、メータアウト３２の開口面積▲１▼，▲２▼はそれぞれ最大でＡ２、Ａ１となるのに対し、掘削作業時にはメータイン３０、メータアウト３２の開口面積▲１▼，▲２▼はともに最大でＡ３となり、両開口面積▲１▼，▲２▼が拡大される。このことから、掘削作業時にはメータイン３０、メータアウト３２の絞り抵抗が低減され、エネルギー効率の高い運転が可能となる。ただし、同図中の▲３▼はブリードオフ２８の開口面積の変化を示す。
【００５７】
この変形例２によれば、掘削作業時のように、負荷がシリンダ制動方向に作用する場合でも、コントロール弁５の開度を大きくすることで、その絞り抵抗を低減してポンプ動力を低減させることができる。
【００５８】
なお、電磁切換弁８５を設けた場合には、例えば掘削判定の継続時間が設定時間以上となったときに、コントロール弁５内のメータアウト３２の絞り面積を開くなどの制御を行うことが可能となり、軽い掘削を行う場合などに、掘削判定が頻繁に行われてその制御がハンチングするなどの問題が解消される。
【００５９】
（変形例３）
上記実施形態１，２では、バケットシリンダ３の駆動回路中のコントロール弁５のバイパス絞り弁３４，６０の開度調整について説明したが、アームシリンダ４の駆動回路中のコントロール弁６についても、これと全く同様の構成とすることができる。
【００６０】
この変形例３では、アームシリンダ４側においても、空中作業時のバケット掘削操作では、上記図２に示したように、負荷がシリンダ駆動方向と同一方向に作用する。この場合に、メータアウト３３又はメータイン３１の開口面積が絞られた状態とすれば、シリンダ排出側に高い背圧が発生し、これがバケットシリンダ３に対する制動力として作用する。したがって、シリンダ速度が増速しなくなるため、油圧ポンプ２の供給流量が不足しキャビテーションを起こす問題は解消される。
【００６１】
また、その掘削作業時においても、上記図３に示したように、負荷の方向はバケットシリンダ３の駆動方向と逆、すなわち制動方向となる。この場合に、掘削作業時に排出側合成開口面積を大きくすれば、シリンダ排出側の絞り抵抗がきわめて小さくなり、エネルギー効率が低下する問題は解消される。
【００６２】
なお、上記実施形態１，２では、バイパス絞り弁３４，６０を設けているが、その代わりに、コントローラ２７でコントロール弁（メータアウト制御手段に相当する。）５のメータアウト３２，メータイン３０を直接絞るように制御してもよい（メータアウト制御手段としての機能である）。コントロール弁６についてもこれと同様の構成をとることができる。さらに、上記実施形態１，２では、アウト油圧ショベルの作業形態としての空中作業と掘削作業とについて説明しているが、他の作業があってもよく、その他の作業の場合には上記空中作業と同様に扱えば足りる。
【００６３】
【発明の効果】
本発明によれば、掘削作業時のように、負荷が油圧シリンダを制動する方向に作用する場合でも、メータアウトの開度を大きくすることで、メータアウトの絞り抵抗を低減させることができるので、ポンプ動力を低減させて、エネルギー効率を向上させることができる。その結果、作業形態のいかんにかかわらず、常にエネルギー効率のよい油圧回路が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１に係る油圧ショベルの油圧回路を示す図である。
【図２】本実施形態１の油圧回路を搭載した油圧ショベルの空中作業時の状態を示す側面図である。
【図３】本実施形態１の油圧回路を搭載した油圧ショベルの掘削作業時の状態を示す側面図である。
【図４】空中作業時でのレバー操作量とコントロール弁の開口面積との関係を示す図であって、（ａ）はメータアウト（メータイン）の開口面積の変化を示す図、（ｂ）はバイパス弁の開口面積の変化を示す図、（ｃ）は排出側（供給側）の合成開口面積の変化を示す図である。
【図５】掘削作業時でのレバー操作量とコントロール弁の開口面積との関係を示す図であって、（ａ）はメータアウト（メータイン）の開口面積の変化を示す図、（ｂ）はバイパス弁の開口面積の変化を示す図、（ｃ）は排出側（供給側）の合成開口面積の変化を示す図である。
【図６】掘削作業時でのレバー操作量とコントロール弁の開口面積との関係を示す図であって、（ａ）はメータアウト（メータイン）の開口面積の変化を示す図、（ｂ）はバイパス弁の開口面積の変化を示す図、（ｃ）は排出側（供給側）の合成開口面積の変化を示す図である。
【図７】掘削作業の判定方法を一例を示す図であって、（ａ）はレバー操作量の変化を示す図、（ｂ）はポンプ圧の変化を示す図、（ｃ）はバイパス弁の開度の変化を示す図である。
【図８】掘削作業の判定方法を他の例を示す図であって、（ａ）はレバー操作量の変化を示す図、（ｂ）はポンプ圧の変化を示す図、（ｃ）はバイパス弁の開度の変化を示す図である。
【図９】本発明の実施形態２に係る油圧ショベルの油圧回路を示す図である。
【図１０】変形例１に係る油圧ショベルの油圧回路の一部を示す図である。
【図１１】変形例２に係る油圧ショベルの油圧回路の一部を示す図である。
【図１２】変形例２における制御例を示す図である。
【符号の説明】
１，２ 油圧ポンプ
３ バケットシリンダ（油圧シリンダに相当する。）
４ アームシリンダ（油圧シリンダに相当する。）
５，６ コントロール弁
１８ 圧力センサ（作業状態検出手段に相当する。）
２７ コントローラ（メータアウト制御手段、作業状態検出手段、バイパス制御部、パイロット制御部としての機能を有する。）
２８，２９ ブリードオフ
３０，３１ メータイン
３２，３３ メータアウト
３４ バイパス絞り弁（メータアウト制御手段、バイパス弁に相当する。）
６０ バイパス絞り弁（メータイン制御手段、バイパス弁に相当する。）
８０，８１ 圧力センサ（作業状態検出手段に相当する。）
８５ 電磁切換弁（メータアウト制御手段、電磁弁に相当する。）
８６ パイロットライン
Claims (7)
- 掘削装置の駆動源としての油圧シリンダのメータアウト流量を制御するメータアウト制御手段を設け、このメータアウト制御手段は、上記油圧シリンダの負荷がシリンダ減速方向に働く掘削作業時に、負荷がシリンダ増速方向に働く作業時と比較してメータアウト開口を増大させるように構成されたことを特徴とする油圧ショベルの油圧回路。
- メータアウト制御手段は、油圧シリンダに対する油の給排を制御するコントロール弁のメータアウト通路と並列に設けられたバイパス弁と、このバイパス弁の開度を制御するバイパス制御部とによって構成されたことを特徴とする請求項１又は２記載の油圧ショベルの油圧回路。
- 操作手段の操作に応じてコントロール弁の作動を制御するコントローラがバイパス制御部を兼ねることを特徴とする請求項２記載の油圧ショベルの油圧回路。
- コントロール弁としてパイロット式コントロール弁を設けるとともに、そのパイロットラインに電磁弁を設け、コントローラは掘削作業時に上記コントロール弁のメータアウト開口を増大させるように上記電磁弁の開度を制御するパイロット制御部を備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の油圧ショベルの油圧回路。
- 作業状態が掘削作業か否かを検出する作業状態検出手段を有し、バイパス制御部は、この作業状態検出手段によって掘削作業時であることが検出されたときにメータアウト開口を増大させるように構成されたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の油圧ショベルの油圧回路。
- 作業状態検出手段は、油圧シリンダの駆動回路中のポンプ吐出圧又は同油圧シリンダの前後圧の測定値に基づいて、作業状態が掘削作業か否かを検出することを特徴とする請求項５記載の油圧ショベルの油圧回路。
- 油圧シリンダのメータイン流量を制御するメータイン制御手段をさらに設け、このメータイン制御手段は、上記油圧シリンダの負荷がシリンダ減速方向に働く掘削作業時に、負荷がシリンダ増速方向に働く作業時と比較してメータイン開口を増大させるように構成されたことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の油圧ショベルの油圧回路。
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