JP2011002085A

JP2011002085A - 建設機械の油圧制御装置

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Publication number: JP2011002085A
Application number: JP2009147939A
Authority: JP
Inventors: Kengo Kumeuchi; 健吾粂内
Original assignee: Takeuchi Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Takeuchi Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2009-06-22
Filing date: 2009-06-22
Publication date: 2011-01-06

Abstract

【課題】コスト及び機器の占有スペースを抑え簡便な構成を維持しつつ、使用する電力量を抑えバッテリの長寿命化を実現可能な建設機械の油圧制御装置を提供する。
【解決手段】走行モータ７Ｌ，７Ｒ、ブームシリンダ１５ａ、アームシリンダ１６ａ、バケットシリンダ１７ａ、スイングシリンダ１８ａを備え、これらの油圧アクチュエータにより駆動される建設機械において、油圧アクチュエータを作動させるための作動油を吐出する可変容量型の油圧ポンプＰ１，Ｐ２と、油圧ポンプＰ１，Ｐ２の最大容量を変更する容量シリンダ３７と、油圧ポンプＰ１，Ｐ２を駆動する電動モータＭと、電動モータＭを駆動させる電力を供給するバッテリ６０と、バッテリ６０のバッテリ残量を検出し、バッテリ残量の減少に合わせて、容量シリンダ３７を作動させ油圧ポンプＰ１，Ｐ２の最大容量を減少させる制御を行うコントローラ５０とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、油圧を用いてアクチュエータを作動させるように構成される建設機械に関し、さらには、電動モータにより駆動される建設機械の油圧制御装置に関する。

電動モータで油圧ポンプを稼動させ油圧ポンプから供給された作動油を用いて油圧アクチュエータを作動させる構成を有する電動式の建設機械として、例えば、パワーショベル車がある。油圧アクチュエータとしては、油圧モータや油圧シリンダ等があり、これらの油圧アクチュエータを作動させることにより、走行装置、旋回装置、ブーム、アーム、バケット等のシリンダを作動させて走行、掘削等各種作業を行う。パワーショベル車は、走行、掘削の作業の他に、車両の旋回や土砂を移動させるような作業も行うことができる。

上記パワーショベル車のような建設機械においては通常、油圧アクチュエータはその操作装置（例えば、操作レバー）の操作量に応じた速度で作動させることができるようになっている。すなわち油圧アクチュエータの作動速度を可変にできるようになっているが、これは油圧アクチュエータへ油圧の供給制御を行う制御弁とパイロット圧駆動式とし、供給するパイロット圧の大きさを調整することで作動油の通過流量を連続的に変化させることにより可能になっている。上記制御弁としては、例えば、プロポーショナルソレノイドバルブとし供給する電流を変化させることにより制御弁への作動油の通過流量を連続的に変化させる方式のものや、メカレバータイプのものもある。

上述したような建設機械においては、電動モータ等の電動機が使用する電力量の削減、及びバッテリの長寿命化が課題となっている。そこで、この課題を解決するため、複数の電動機及び複数のインバータと、バッテリと、バッテリの残電力量（以下、バッテリ残量と称する）が所定値以下にまで減少した際に上記複数の電動機のうちいずれかの電動機に出力電力量を減らすように信号を出力することにより合計使用電力を抑える制御を行う電力制御手段とを備え、電力制御手段がバッテリ残量を検出し当該バッテリ残量の減少に伴い、使用電力量を減少させる建設機械が周知となっている（例えば、特許文献１を参照）。このような建設機械では、上記信号の出力に伴い、油圧アクチュエータの作動速度も減少するため、使用電力量を減少させると共に作業者にバッテリ残量の減少を認識させることができるようになっている。

特開２００８−６３９０２号公報

しかしながら、上述したような建設機械においては、使用する電力量の削減はできるものの、インバータが複数台必要となり、コストが高くなるという問題がある。また、機器の数が増えるため機器を設置するための新しいスペースを確保する必要となる等、機器の占有スペースが増え、構造が複雑化するという課題があった。更に、例えば図７（ａ）に示すように、急激に負荷が上昇した時には、ポンプ圧が上昇しバッテリから大電流が流れることがあり、このときバッテリの電圧が急降下することがある。このときに、当該電圧が短時間でも設定値に達した場合、バッテリの残量があるにも拘わらず電圧降下エラーが出力され、建設機械が停止するという課題もあった。

本発明は上記のような課題に鑑みてなされたものであり、コスト及び機器の占有スペースを抑え簡便な構成を維持しつつ、使用する電力量を抑えバッテリの長寿命化を実現可能な建設機械の油圧制御装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る建設機械の油圧制御装置は、油圧作動式の油圧アクチュエータ（例えば、実施形態における走行モータ７Ｌ，７Ｒ、ブームシリンダ１５ａ、アームシリンダ１６ａ、バケットシリンダ１７ａ、スイングシリンダ１８ａ）を備え、油圧アクチュエータにより駆動される建設機械において、油圧アクチュエータを作動させるための作動油を吐出する可変容量型の油圧ポンプと、油圧ポンプの最大容量を変更する容量変更手段（例えば、実施形態における容量シリンダ３７）と、油圧ポンプを駆動する電動モータと、電動モータに電動モータを駆動させるための電力を供給するバッテリと、バッテリのバッテリ残量を検出し、バッテリ残量の減少に合わせて、容量変更手段を作動させ油圧ポンプの最大容量を減少させる制御を行うコントローラとを備えたことを特徴とする。

また、コントローラによる油圧ポンプの最大容量を減少させる制御の実施有無を切り替え可能な切替スイッチ（例えば、実施形態における省エネモード切替スイッチ１９ａ）が設けられることが好ましい。

以上、本発明に係る建設機械の油圧制御装置においては、油圧ポンプを可変容量型として、コントローラが、バッテリ残量を検出し検出したバッテリ残量の減少に応じて、容量変更手段に油圧ポンプの最大容量を減少させる制御を行うことにより、コスト及び機器の占有スペースを抑えつつ簡便な構成を維持しながら、使用する電力量を削減しバッテリの長寿命化を図ることができる。更に、油圧ポンプを可変容量型としたことにより、急激に負荷が上昇した時にも、自己圧がフィードバックされて油圧ポンプの吸収トルクが上昇しなくなるため、図７（ｂ）に示すように、バッテリから大量の電流が流れなくなる。従って、上述した電圧の急降下、電圧降下エラーの出力、及び建設機械の停止を防止することもできる。

また、コントローラに上記油圧ポンプの最大容量を減少させるか、または減少させないかを選択することが可能な切替スイッチを設けることにより、作業を素早く行う必要がある場合等に、コントローラに上記最大容量を減少させないようにすることもできる。

本発明に係る油圧制御装置を適用させた建設機械の一例として示すパワーショベル車の側面図である。本発明に係る油圧制御装置を示す油圧回路である。上記油圧制御装置における油圧ポンプの最大容量を減少させる前後における油圧ポンプのＰ−Ｑ特性を示したグラフである。上記油圧制御装置において、油圧とバッテリが出力する電流、また、油圧と電動モータの回転数、のそれぞれの関係を示す図であり、（ａ）は、通常モードまたは省エネモードにおける油圧と電流との関係を示すグラフ、（ｂ）は、油圧と電動モータの回転数との関係を示すグラフである。上記油圧制御装置における、油圧ポンプの容量（吐出容量）とバッテリ残量との関係を示すグラフである。（ａ）は、上記油圧制御装置において、コントローラ及び容量シリンダ周辺の構成の変形例を示す図である。（ｂ）は、前記変形例において容量シリンダに弾性部材がない場合における吐出容量と吐出圧力との関係、（ｃ）は、前記変形例におい容量シリンダに弾性部材がある場合における吐出容量と吐出圧力との関係を示すグラフである。ポンプ圧の変化による電圧、電流の変化、及びそれらと時間との関係について示したグラフである。（ａ）は、固定容量型の油圧ポンプ、（ｂ）は、可変容量型の油圧ポンプを用いた場合のグラフである。

以下、本発明の好ましい実施形態について、図１を参照しながら説明する。本発明に係る建設機械の一例としてクローラ型パワーショベル車１（以下、パワーショベル車１と称する）について説明する。パワーショベル車１は、電力を利用して作動する電気駆動式の建設機械であり、左右一対のクローラ走行機構を有した走行装置２と、走行装置２の上部に設けられた旋回機構３と、旋回機構３の上部に水平旋回可能に設けられた運転キャビン４と、運転キャビン４の前部に水平旋回可能に取り付けられたパワーショベル機構５と、運転キャビン４の後部に上下に揺動自在に設けられたブレード６（排土板）等により構成されている。

走行装置２は、駆動輪２ａ、従動輪２ｂ、及びこれらの駆動輪２ａ、従動輪２ｂに巻き掛けられた履帯２ｃからなるクローラ機構を走行フレーム２ｄの左右に設けて構成されている。右側に設けられた駆動輪２ａは右走行モータ７Ｒにより駆動され、左側に設けられた駆動輪２ａは左走行モータ７Ｌにより駆動されるように構成されている。また、上記走行フレーム２ｄの中央上部に旋回機構３が設けられており、旋回機構３は、後述する操作装置１９の旋回操作レバーを傾動操作することにより、旋回モータ（不図示）により運転キャビン４を旋回駆動することが可能になっている。

運転キャビン４の下部には、車体フレーム９が設けられ、車体フレーム９の上部且つ運転キャビン４の後部には後述する油圧制御装置１０が搭載されたカバー部材１３等が配設されている。運転キャビン４には、図１に示すように、作業者が搭乗するためのオペレータシート１１と、パワーショベル車１の各種作動を操作するための操作装置１９とが設けられており、作業者は、オペレータシート１１に搭乗して操作装置１９を操作することにより、パワーショベル車１の作動を操作することができるようになっている。

パワーショベル機構５は、車体フレーム９の前方に突出して形成された本体枢結部１４に対して水平旋回若しくは揺動自在に枢結されたブーム１５と、ブーム１５の先端に同一垂直面内で上下に揺動可能に枢結されたアーム１６と、アーム１６の先端に同一垂直面内で上下に揺動可能に枢結されたバケット１７とから構成されている。車体フレーム９の前方にはスイング側枢結部１８及びスイングシリンダ１８ａが設けられ、スイング側枢結部１８をスイングシリンダ１８ａの伸縮作動により揺動させることが可能になっている。また、ブーム１５を上下に揺動させるブームシリンダ１５ａがスイング側枢結部１８とブーム１５とを繋いで配設され、アーム１６を上下に揺動させるアームシリンダ１６ａがブーム１５とアーム１６とを繋いで配設され、バケット１７を上下に揺動させるバケットシリンダ１７ａ及びリンク１７ｂがアーム１６とバケット１７とを繋いで配設される。なお、ブレード６は、ブレードシリンダ６ａの伸縮作動により揺動させることができるようになっている。

ところで、上述した各アクチュエータ（左右の走行モータ７Ｌ，７Ｒ、ブームシリンダ１５ａ、アームシリンダ１６ａ、バケットシリンダ１７ａ、スイングシリンダ１８ａ、ブレードシリンダ６ａ）は作動油の供給（油圧）により作動するようになっており、油圧制御装置１０（図２参照）が作業者の操作装置１９の操作に応じて各油圧アクチュエータへ供給される作動油の量及び方向を制御することにより、パワーショベル車１の走行、掘削等の作業ができるようになっている。

油圧制御装置１０は、図２に示すように、第１及び第２コントロールバルブ群２０，３０と、第１及び第２油圧ポンプＰ１，Ｐ２と、電動モータＭと、インバータ３６と、容量シリンダ３７と、第１及び第２圧力センサ３８，３９と、作動油タンク４０と、コントローラ５０と、バッテリ６０等を備えて構成されている。第１コントロールバルブ群２０は、左走行モータ７Ｌ、ブームシリンダ１５ａ、バケットシリンダ１７ａにそれぞれ供給する作動油の油量等の制御を行う左走行制御弁２１と、ブーム制御弁２２と、バケット制御弁２３とを備えて構成されている。第２コントロールバルブ群３０は、右走行モータ７Ｒ、アームシリンダ１６ａ、スイングシリンダ１８ａにそれぞれ供給する作動油の油量等の制御を行う右走行制御弁３１と、アーム制御弁３２と、スイング制御弁３３とを備えて構成されている。なお、ブーム制御弁２２、アーム制御弁３２、及びバケット制御弁２３は、スプールが内蔵されており、パイロット弁（不図示）から供給されるパイロット圧により当該スプールを移動させることができる。このスプールの移動によりブームシリンダ１５ａ、アームシリンダ１６ａ、及びバケットシリンダ１７ａへの作動油の供給量等を制御することが可能になっている。

第１及び第２油圧ポンプＰ１，Ｐ２は、パワーショベル車１の走行、掘削（パワーショベル機構５の作動）を行うために設けられ、電動モータＭの出力軸（不図示）と接続されており電動モータＭの駆動に伴い作動油タンク４０から得た作動油をそれぞれ吐出するように構成されている。第１及び第２油圧ポンプＰ１，Ｐ２は、図示省略する斜板を有するいわゆる斜板式ピストンポンプであり、当該斜板の角度を変更することが可能になっている。この角度の変更により、吐出する作動油の量（吐出容量）を変更できるようになっている。

本実施形態における第１及び第２油圧ポンプＰ１，Ｐ２においては、吐出された作動油の油圧（後述する第１及び第２圧力センサ３８，３９の検出値）に基づいて吐出容量を制御（フィードバック制御）していない。このため、第１及び第２油圧ポンプＰ１，Ｐ２の吐出容量は、図３に示すように、電動モータＭの負荷トルクが増大して吐出圧力が変動しても変動しないようになっている。電動モータＭは、後述するバッテリ６０から供給される直流電力を、インバータ３６を介して所定の電圧及び周波数を有する交流電力に変換して供給することにより駆動されるようになっている。

第１及び第２圧力センサ３８，３９は、それぞれ第１及び第２油圧ポンプＰ１，Ｐ２から供給される作動油の油路に接続するように設けられ、第１圧力センサ３８は第１油圧ポンプＰ１から吐出された作動油の油圧を、第２圧力センサ３９は第２油圧ポンプＰ２から吐出された作動油の油圧をそれぞれ検出するようになっている。第１及び第２圧力センサ３８，３９により検出された油圧は、それぞれコントローラ５０に出力されるようになっている。

コントローラ５０は、後述するバッテリ６０から供給される電流の値からそのバッテリ残量を検出することが可能になっており、検出したバッテリ残量に応じて容量シリンダ３７に容量変更信号を出力する。容量シリンダ３７は、伸縮動自在に構成され、上記容量変更信号に応じて伸縮動するようになっている。この伸縮動により第１及び第２油圧ポンプＰ１，Ｐ２の斜板の角度を変えることが可能になっており、容量シリンダ３７が当該斜板の角度を変えることにより第１及び第２油圧ポンプＰ１，Ｐ２の最大容量を変化させることができるようになっている。

バッテリ６０は、インバータ３６とコントローラ５０とに直流電力を供給するために設けられ、その出力電流の最大値は３０Ａである。第１及び第２油圧ポンプＰ１，Ｐ２から吐出される作動油の圧力は当該出力電流に比例して増加するようになっている。バッテリ６０から供給される電流の大きさと第１及び第２油圧ポンプＰ１，Ｐ２から吐出される作動油の圧力（油圧）との関係、また、電動モータＭの回転数と油圧との関係については、図４（ａ）及び（ｂ）に示すように、電動モータＭの負荷トルクが増加すると、電動モータＭの回転数を一定値に維持させるため、油圧及びバッテリ６０から供給される電流も大きくなる。ただし、負荷トルクがある一定値以上になると、電流は３０Ａを上限としてそれより増加しなくなり、電動モータＭの回転数が減少するようになっている。なお、電動モータＭの出力は７ｋＷとなっている。

操作装置１９は、パワーショベル車１の走行を操作する走行操作レバーと、ブーム、アーム、バケット等の操作を行うためのブーム操作レバー、アーム操作レバー、バケット操作レバー等により構成されている。また、操作装置１９には、省エネモード切替スイッチ１９ａが設けられており、この省エネモード切替スイッチ１９ａはオン／オフ操作することが可能になっており、オン操作すると省エネモード、オフ操作すると通常モードにそれぞれ切り替えることができるようになっている。省エネモード切替スイッチ１９ａをオン操作して省エネモードにした場合は、コントローラ５０が、バッテリ６０のバッテリ残量の減少に応じて第１及び第２油圧ポンプＰ１，Ｐ２の最大容量を減少させる制御を行う。すなわち、図３の矢印及び破線に示すように第１及び第２油圧ポンプＰ１，Ｐ２の最大容量を下げる場合、吐出圧力が低下しても、吐出容量が当該最大容量を超過することはないため、バッテリ６０の出力電力量を抑えることが可能になる。このように、省エネモードでは、最大容量を減少させることで電力量を抑えバッテリ６０をより長期間使用できるようになっている。これに対し、通常モードでは、コントローラ５０に第１及び第２油圧ポンプＰ１，Ｐ２の最大容量を減少させないようになっており、各油圧アクチュエータを素早く作動させることができる。

以上のように構成された油圧制御装置１０において、上記のように省エネモードを設け、コントローラ５０がバッテリ残量の減少に応じて第１及び第２油圧ポンプＰ１，Ｐ２の最大容量を減らしていくように制御することで、バッテリ６０の消費電力を抑え、稼動時間を長期化できるようになっている。また、省エネモードにして第１及び第２油圧ポンプＰ１，Ｐ２の容量を減らすと作業速度が低下するが、油圧（パワー）を落とさないことは可能であり、また速度低下により作業者にバッテリ残量が減少していることを認識させることができる。具体的には、図５に示すように、バッテリ残量が１００％の時点で第１及び第２油圧ポンプＰ１，Ｐ２の最大容量を４．５ｃｃ／ｒｅｖとした状態において、第１及び第２油圧ポンプＰ１，Ｐ２を稼動させるとバッテリ残量が１００％から徐々に低下する。そして、コントローラ５０はバッテリ残量が５０％にまで減少したことを検出すると、容量シリンダ３７に容量変更信号を出力し、容量シリンダ３７が第１及び第２油圧ポンプＰ１，Ｐ２の斜板の角度を変えてその最大容量を小さくする。この時、各油圧アクチュエータの速度が低下するため、作業者はバッテリ残量が少なくなっていることを認識することができる。そして、バッテリ残量が０％となると最大容量は３．０ｃｃ／ｒｅｖにまで減少するようになっている。

以上、上述した実施形態における油圧制御装置１０は、バッテリ残量の減少に合わせて第１及び第２油圧ポンプＰ１，Ｐ２の最大容量を減少させることが可能になっているため、バッテリ６０の稼動時間を延長させることができる。また、バッテリ残量の減少に合わせて第１及び第２油圧ポンプＰ１，Ｐ２の最大容量を減少させる省エネモードにおいては、図５（ａ）に示すように、最大容量を変化させない通常モードと比較してバッテリ６０から出力される電流を小さくすることができる。

そして、上述した実施形態においては、第１及び第２圧力センサ３８，３９が、それぞれ第１及び第２油圧ポンプＰ１，Ｐ２から吐出された作動油の油圧を検出し、当該検出値をコントローラ５０に出力し、コントローラ５０が容量シリンダ３７に容量変更信号を出力して第１及び第２油圧ポンプＰ２の容量を変化させる例について説明したが、コントローラ及び容量シリンダの構成はこれに限定されることはない。

例えば、図２に示したような構成の油圧制御装置１０では、コントローラ５０と容量シリンダ３７の間に比例バルブのような電気信号を油圧信号に変更する信号変更手段（図示せず）を設ける必要がある。そこで、このような構成を変更して図６（ａ）に示すように、第１及び第２油圧ポンプＰ１，Ｐ２から吐出された作動油の油路と連通するＯＮ−ＯＦＦバルブ１４５を、前記油路と容量シリンダ１３７の間に設けてもよい。このような構成にすれば、第１及び第２圧力センサ３８，３９を省略できるとともに、ＯＮ−ＯＦＦバルブ１４５及びコントローラ１５０は、上記比例バルブ及びコントローラ５０よりも安価なものを利用できるため、油圧制御装置全体のコストを低廉にすることができる。

また、上記図６（ａ）に示す構成における容量シリンダ１３７は、ばね等の弾性部材を取付可能となっており、第１及び第２油圧ポンプＰ１，Ｐ２の吐出容量と圧力の関係は、上記弾性部材がない場合は図６（ｂ）のように、上記弾性部材がある場合は図６（ｃ）のようになる。すなわち、弾性部材がない場合は、第１及び第２油圧ポンプＰ１，Ｐ２の自己圧に基づいて容量の変更を行う構成となるため、省エネモードにおける吐出容量（図６（ｂ）の破線参照）は、吐出圧力が０の場合は通常モードのときの吐出容量（図６（ｂ）の実線参照）と同じであるが、圧力が０から増大するにつれ吐出容量が低下していき、ある程度低下した後は圧力を増大させても一定となる。これに対して、弾性部材がある場合は、省エネモードにおける吐出容量（図６（ｃ）の破線参照）は、吐出圧力を０からある程度増大させても通常モードのときの吐出容量（図６（ｃ）の実線参照）と同じであるが、圧力が所定値以上となると徐々に低下するようになる。なお、前記所定値は、容量シリンダ１３７の弾性部材として異なる弾性力の弾性部材を用いることにより変えることができる。

このように、図６（ａ）に示すような構成にすれば、コストの低廉ができるとともに、容量シリンダ１３７への弾性部材の着脱、及び前記弾性部材の弾性力を変えることにより、ポンプの吐出容量と吐出圧力の関係を、例えば、図６（ｂ）又は（ｃ）に示すように変えることができる。さらに、吐出容量を吐出圧力の増加に応じて階段状に低下させ、吐出圧力を２段階に変化させるいわゆる２段制御をすることも可能となる。

また、本発明は上記の実施形態に限定して解釈されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜改良可能である。例えば、本実施形態では油圧ポンプを２個設けた例について説明したが油圧ポンプの数は２個に限定されず、１個または３個以上設けても本発明を適用できる。そして、電動モータＭの出力（７．０ｋＷ）、第１及び第２油圧ポンプＰ１，Ｐ２の最大容量（４．５ｃｃ／ｒｅｖ及び３．０ｃｃ／ｒｅｖ）、バッテリ６０の最大出力電流（３０Ａ）はこれらの値に限定されることなく、任意に変更可能である。

さらに、上述の実施形態では、建設機械の一例としてクローラ型のパワーショベル車１を用いた例について説明したが、これに限定されることはなく、例えば、ショベルローダ、油圧クレーン等他の建設機械に本発明を適用させてもよい。

Ｐ１，Ｐ２第１及び第２油圧ポンプ（油圧ポンプ）
Ｍ電動モータ
１パワーショベル車（建設機械）
１０油圧制御装置
１９ａ省エネモード切替スイッチ（切替スイッチ）
３７容量シリンダ（容量変更手段）
５０コントローラ
６０バッテリ

Claims

油圧作動式の油圧アクチュエータを備え、前記油圧アクチュエータにより駆動される建設機械において、
前記油圧アクチュエータを作動させるための作動油を吐出する可変容量型の油圧ポンプと、
前記油圧ポンプの最大容量を変更する容量変更手段と、
前記油圧ポンプを駆動する電動モータと、
前記電動モータに前記電動モータを駆動させるための電力を供給するバッテリと、
前記バッテリのバッテリ残量を検出し、前記バッテリ残量の減少に合わせて、前記容量変更手段を作動させ前記油圧ポンプの最大容量を減少させる制御を行うコントローラとを備えたことを特徴とする建設機械の油圧制御装置。
前記コントローラによる前記油圧ポンプの最大容量を減少させる制御の実施有無を切り替え可能な切替スイッチが設けられることを特徴とする請求項１に記載の建設機械の油圧制御装置。