JP2013234683A - 作業機械の旋回装置並びにその作業機械 - Google Patents

Abstract

【課題】油圧ポンプの吐出流量を油圧モータが必要とする最小限の流量に抑えることでエネルギー消費の低減を図るとともに油圧モータへ供給する圧油の圧力を制御することで油圧モータの出力を任意に調整することができる作業機械の旋回装置並びにその作業機械を提供する。
【解決手段】旋回機能を有する作業機械に搭載される旋回装置において、旋回トルクを出力する油圧モータ１２と、前記油圧モータへ圧油を供給し制御装置１６により容量が調整可能な可変容量油圧ポンプ４と、前記可変容量油圧ポンプの容量を調整する制御装置６と、油圧ポンプの圧力を検出し制御装置に入力する圧力検出装置２４を備え、旋回駆動時に制御装置は圧力検出装置から入力された油圧ポンプの圧力が所定の目標圧力となるように油圧ポンプの容量を調整することにより油圧モータへ供給する圧油の制御を行うことで油圧ポンプの吐出流量を油圧モータが必要とする最小限の流量に抑える。
【選択図】図１

Description

本発明は、建設機械或いは農業機械等の作業機械における旋回装置並びにその作業機械に関し、特に旋回動作時の消費エネルギーを最小限とするとともに旋回トルクを積極的に制御する作業機械における旋回装置並びにその作業機械に関する。

建設機械、例えば油圧ショベルは、通常、ブームやアーム、ショベルなどを駆動する油圧シリンダと、旋回台、走行用キャタピラまたは車両を駆動する油圧モータを備えている。これら油圧アクチュエータには、それぞれ、旋回台に搭載された制御弁ユニットの各油圧制御弁を介して油圧ポンプから所要の圧油が供給されるようになっている。

例えば、特許文献１では「油圧モータユニット内のリリーフ弁での余剰流量によるエネルギー浪費を可及的に少なくすることが可能な油圧ショベルを提供するために、旋回モータユニット１０内の油圧モータＨＭおよび一対のリリーフ弁ＲＦとチェック弁ＣＫとが配置されている。旋回モータＨＭの出力軸Ｘに対向して回転速度検出器１１が設けられており、旋回モータの回転速度に対応する電気信号Ｓ１が演算部１４へ与えられる。同演算部にはさらに電気信号Ｓ２が与えられている。この信号は旋回ポンプ４の吐出側圧力Ｐを検出する油／電変換器１７の出力である。前記演算部出力は、電磁比例弁１６への流量指令値Ｑと電磁比例弁１９への指令吸収トルク値Ｔｍの２種類がある。旋回ポンプは、旋回モータ専用に配置されており、旋回モータへ実際に流れる流量とリリーフ弁ＲＦの必要最小流量との和の流量Ｑとなるよう旋回ポンプ制御部５が前記演算部により制御される。」ことが記載されている。

特許文献１では、従来リリーフ弁を介して排出していた油圧ポンプから油圧モータへ供給される流量の余剰分を抑えるために、旋回モータの速度を検出して油圧ポンプへフィードバックすることで必要最小限の流量を供給可能にする油圧ポンプの制御方法が記載されている。

特開２０１１−２０８７９０号公報

ところで、特許文献１では流量の余剰分を制御するために、旋回モータの速度を検出して制御することから、油圧ポンプの制御のもう一つの方法である圧力による制御については言及していない。油圧モータの出力トルクは油圧モータの容量と圧力に比例する。従って、油圧モータが固定容量である場合、圧力によって出力トルクが決定される。すなわち、油圧モータの圧力が、旋回力や旋回時間等の旋回能力に大きな影響を与えることとなる。しかし、特許文献１では、専ら旋回モータの速度を検出する制御方法であって、圧力で制御することを目的としていないことから、出力トルクを積極的に制御することができなかった。

従って、本発明の目的は、前記課題を解決するためになされたもので、油圧ポンプの吐出流量を油圧モータが必要とする最小限の流量に抑えることでエネルギー消費の低減を図るとともに油圧モータへ供給する圧油の圧力を制御することで油圧モータの出力を任意に調整することができる作業機械の旋回装置並びにその作業機械を提供することにある。

前記の課題を解決するために、本発明に係る作業機械の旋回装置は、旋回機能を有する作業機械に搭載される旋回装置において、旋回トルクを出力する油圧モータと、前記油圧モータへ圧油を供給し制御装置により容量が調整可能な可変容量油圧ポンプと、前記可変容量油圧ポンプの容量を調整する制御装置と、油圧ポンプの圧力を検出し制御装置に入力する圧力検出装置を備え、旋回駆動時に制御装置は圧力検出装置から入力された油圧ポンプの圧力が所定の目標圧力となるように油圧ポンプの容量を調整することにより油圧モータへ供給する圧油の制御を行うことで油圧ポンプの吐出流量を油圧モータが必要とする最小限の流量に抑える。

また、旋回駆動時に制御装置は圧力検出装置から入力された油圧ポンプの圧力と所定の目標圧力となるように油圧ポンプの容量を調整するために、油圧ポンプの圧力が前記目標圧力を上回る場合は、油圧ポンプの容量を減少させ、油圧ポンプの圧力が前記目標圧力を下回る場合は、油圧ポンプの容量を増加させることを特徴とする。

さらに、目標圧力は、出力トルクに応じて変更することを特徴とする。

続いて、前記油圧ポンプをエンジンで駆動することを特徴とする。

一方、前記油圧ポンプを電気モータで駆動するとともに、制御装置が電気モータの回転を調整し、旋回駆動時に制御装置は圧力検出装置から入力された油圧ポンプの圧力が所定の目標圧力となるように電気モータの回転を調整することにより油圧モータへ供給する圧油の制御を行うことで油圧ポンプの吐出流量を油圧モータが必要とする最小限の流量に抑える。

また前記の課題を解決するためのさらなる発明として、作業機械は、旋回機能を搭載する作業機械において、旋回トルクを出力する油圧モータと、前記油圧モータへ圧油を供給し制御装置により容量が調整可能な可変容量油圧ポンプと、前記可変容量油圧ポンプの容量を調整する制御装置と、油圧ポンプの圧力を検出し制御装置に入力する圧力検出装置を備え、旋回駆動時に制御装置は圧力検出装置から入力された油圧ポンプの圧力が所定の目標圧力となるように油圧ポンプの容量を調整することにより油圧モータへ供給する圧油の制御を行うことで油圧ポンプの吐出流量を油圧モータが必要とする最小限の流量に抑える。

本発明に係る旋回装置によれば、油圧ポンプは油圧モータの回転速度に応じて目標圧力となるのに必要な最小限の流量のみを吐出するため、非常にエネルギー効率の良い旋回装置を提供することができる。また、その旋回装置を搭載した作業機械は燃料消費量を低減することができる。また、旋回装置で低減したエネルギー分を他のアクチュエータで使用することで作業機械の作業効率を向上させることができる。さらに、目標圧力を制御装置のパラメータとして備え、パラメータを状況に応じて変更することで油圧モータの出力トルクが調整可能であるため、作業機械のオペレータの要求に応じたトルクを出力することが可能になり、作業機械の操作性を向上させることができる。

本発明に係る旋回装置の第１の実施例であって、上部旋回体を回転駆動する専用の旋回ポンプ及び油圧モータを備えた油圧ショベルの油圧回路図である。 本発明に係る旋回装置の第１の実施例であって、制御装置の構成図である。 本発明に係る旋回装置の第１の実施例であって、動作を説明するフローチャートである。 本発明に係る旋回装置の第２の実施例であって、上部旋回体を回転駆動する専用の旋回ポンプ及び油圧モータを備えた油圧ショベルの油圧回路図である。 本発明に係る旋回装置の第２の実施例であって、制御装置の構成図である。 本発明による制御方法を適用した油圧ショベルの旋回運動・加速時の特性を示す。

本発明の実施例について図１〜図６を用いて説明する。

初めに図１〜図３及び図６を用いて本発明に係る第１の実施例について説明する。

図１は、上部旋回体を回転駆動する専用の旋回ポンプ及び油圧モータを備えた油圧ショベルの油圧回路図である。図１において、参照符号２は、ガソリン等の化石燃料を消費して回転駆動力を出力軸Ｙ上に発生するエンジン（原動機）であって、同軸Ｙには可変容量型の旋回ポンプ（油圧ポンプ）４が配置されている。

旋回ポンプ４の出力には、油／電変換器２４が設けられ、配線２２を経由して圧力信号Ｐが制御装置１６に伝達される。前記旋回ポンプ４には、流量を制御する旋回ポンプ制御部６が設けられる。

参照符号６は、旋回ポンプ制御部であって、圧油信号ラインを介して流量制御用電磁比例弁２８から油圧制御信号が与えられるようになっている。

参照符号８は、旋回用の切換制御弁であってパイロット弁１４からの操作圧信号ＳＧ１、ＳＧ２が与えられる。同パイロット弁１４には圧油源が図示せぬギアポンプから供給されている。なお、前記旋回用の切換制御弁８は本発明における第１の切換制御弁を構成している。

参照符号１０は旋回モータユニットであって、同ユニットには正逆回転可能な旋回用の旋回モータ１２および一対のリリーフ弁３０，３１とチェック弁３２、３３とが配置されている。旋回モータ１２の出力軸Ｘには図略の減速機と、図略のピニオンを介して、図略の上部旋回台が回転可能に結合されている。

前記パイロット弁１４には、角度センサ２０が設けられ、パイロット弁１４の操作レバーの傾斜角度を測定する。角度センサは、例えばロータリーエンコーダで形成される。測定された角度情報は、ライン１８を経由して信号Ａｎｇとして制御装置１６に入力される。

制御装置１６は、パイロット弁１４からの角度信号Ａｎｇと、油／電変換器２４からの圧力信号Ｐが入力され、流量制御用電磁比例弁２８を駆動するための出力信号Ｑを有する。より詳細には、制御装置１６は、信号Ａｎｇと信号Ｐをアナログ信号からデジタル信号に変換するＡＤコンバータ４０と、目標圧力や計測されたデータを格納するメモリであるＲＡＭ４２と、プログラムに従って信号Ａｎｇと信号Ｐとから流量制御用電磁比例弁２８を駆動するための信号Ｑを算出する中央演算素子（ＣＰＵ）４４と、ＣＰＵ４４を動作させるためのプログラムを格納するＲＯＭ４６と、算出されたデジタル値である信号Ｑを流量制御用電磁比例弁２８のためにアナログ信号に変換するＤＡコンバータ４８を備える。

続いて、前記の構成を有する本発明に係る作業機械である油圧ショベルの動作について以下に説明する。

図３に示すように、まず目標圧力がＰｔとして定められて、図略されたインターフェースから制御装置１６へ入力されてＣＰＵ４４によりＲＡＭ４２内に格納される（Ｓ２）。

旋回ポンプ４は、エンジン２により駆動される。油圧ショベルのオペレータがパイロット弁１４の操作レバーを操作せず、なんら入力がなされていない場合、すなわち制御装置１６が角度センサ２０の回転角度Ａｎｇを検出する（Ｓ４）。

回転角度が０度であれば、プログラムによって、中央演算素子（ＣＰＵ）４４が旋回ポンプ４の容量がゼロ近傍となるようにポンプ制御部６に対する信号を出力する（Ｓ６）。

さらに、油圧ショベルのオペレータがパイロット弁１４の操作レバーを操作すると操作レバーの操作方向に応じて切換弁８が切り替わる。旋回ポンプ４と旋回モータ１２を連結する油路が開通する。角度センサ２０の回転角度Ａｎｇが０度でなければ、制御装置１６の中央演算素子（ＣＰＵ）４４は、油／電変換器２４が検出する圧力Ｐを測定する（Ｓ８）。ＣＰＵ４４は、測定された圧力ＰをＲＡＭ４２内に格納する。

ＣＰＵ４４は、圧油判定を行う（Ｓ１０）。

ＣＰＵ４４は、圧油の圧力Ｐが、Ｐ＞Ｐｔであれば、ポンプ制御部６に対する信号をポンプ容量を削減するように設定する（Ｓ１２）。

一方、圧油の圧力Ｐが、Ｐ＝Ｐｔであれば、ポンプ制御部６に対する信号をポンプ容量変更はないように設定する（Ｓ１４）。

さらに、圧油の圧力Ｐが、Ｐ＜Ｐｔであれば、ポンプ制御部６に対する信号をポンプ容量を増大するように設定する（Ｓ１６）。

以上、Ｐの値が目的値となるまで繰り返す。

これにより、旋回モータ１２は旋回ポンプ４から圧油を供給され旋回トルクを出力する。旋回トルクにより作業機械である油圧ショベルは旋回動作を行う。旋回ポンプ４の吐出流量は旋回モータ１２の回転にほぼ比例し、目標圧力Ｐｔを維持しつつ旋回モータ１２が回転に必要とする最小限の流量のみを吐出する。

このとき、旋回モータ１２のリリーフ弁３０，３１は目標圧力Ｐｔより高い圧力で作動するように設定されているため作動しない。

図６に実施例１における起動時間に対する旋回ポンプ４のポンプ圧力（ＭＰａ）、同ポンプのポンプ吐出流量（Ｌ／ｍｉｎ）および旋回モータ回転速度（ｒｐｍ）のグラフが示される。

先ず、旋回ポンプ４のポンプ圧力（ＭＰａ）は、０．５ｓｅｃ以降に略一定となることが示されている。これに対し、同ポンプのポンプ吐出流量（Ｌ／ｍｉｎ）時間に略比例して増加していることがわかる。

旋回速度が上昇し、旋回ポンプ４が最大容積となると、旋回速度は定常速度となり、旋回ポンプ４の吐出圧力は旋回の慣性力に応じた圧力となる。

一方、旋回ポンプ４の出力がエンジン２の最大出力を超える恐れがある場合は、制御装置１６により旋回ポンプ４の出力制御が行われる。旋回ポンプ４の出力は旋回ポンプ４の吐出流量と圧力の積であるため、旋回速度の上昇により吐出流量が増大し、旋回ポンプ４の出力がエンジン２の最大出力近傍となると、制御装置１６は目標圧力Ｐｔを低減し、旋回ポンプ４の吐出流量を確保しつつ、旋回ポンプ４の出力がエンジン２の最大出力を超えないように制御される。

パイロット弁１４の操作レバーの入力が解除され、旋回減速状態となると、切換弁８は中立位置に戻り、旋回ポンプ４と旋回モータ１２の油路は遮断される。旋回ポンプ４の容量は零近傍に制御される。旋回モータ１２は旋回の慣性力により回されるが、閉回路となっているためリリーフ弁３０，３１が作動し、制動力となり旋回の減速が行われる。

旋回モータは定量ポンプであることからその目標圧力を、必要な出力トルクに合わせて設定する。出力トルクは、目標圧力に比例する。

続いて、図４〜図６を用いて実施例２について説明する。実施例１と比較して異なる点を中心にして説明する。

図４は、電気モータ５２で駆動する専用の旋回ポンプ及び旋回用油圧モータを備えた油圧ショベルの油圧回路図である。図４において、参照符号５２は、電池等を電源として接続して回転駆動力を出力軸Ｙ上に発生する電気モータであって、同軸Ｙには固定容量型の旋回ポンプ５４が配置されている。

本発明に係る制御装置６６は、パイロット弁６４からの角度信号Ａｎｇと、油／電変換器７４からの圧力信号Ｐが入力されている点で実施例１と類似するが、電気モータ５２に直接連結される点で実施例１と異なる。

また、制御装置６６は、ＡＤコンバータ９０と、ＲＡＭ９２と、中央演算素子（ＣＰＵ）９４と、ＲＯＭ９６とがある点は、実施例１と同様の構成である。しかし、実施例２の制御装置６６ではＤＡコンバータの代わりにＰＷＭ電源回路９８が設けられている。

ここで、実施例２の動作について、実施例１と異なる点について説明する。実施例１と異なる点は、固定容量ポンプの吐出流量を電気モータの回転速度で制御することにある。

図３のフローチャートにおいて、Ｓ４までは同一のフローとなる。その後、圧力信号Ｐと目標圧力Ｐｔから、ＲＯＭに搭載されるＰＩＤ処理プログラムによりＰＩＤ処理される。ＰＩＤ処理された結果がデューティー比信号λで出力される。出力されたデューティー比信号λが、ＰＷＭ電源回路９８に入力されて電気モータ回転制御部に対する信号を電気モータ回転を制御する信号として出力される。

本発明の旋回モータの回転数は図６に記載してあるように直線的に増大する。

以上本発明の好適な実施例について図面により説明したが、当業者であれば、上記の図面および説明に基づいて種々の変形をすることが可能であることはもちろんである。

２ エンジン
４ 旋回ポンプ（油圧ポンプ）
６ 旋回ポンプ制御部
８ 切換制御弁
１０ 旋回モータユニット
１２ 旋回モータ
１４ パイロット弁
１６ 制御装置
１８ ライン
２０ 角度センサ
２２ 配線
２４ 油／電変換器
２８ 流量制御用電磁比例弁
３０，３１ リリーフ弁
３２，３３ チェック弁
４０ ＡＤコンバータ
４２ ＲＡＭ
４４ 中央演算素子（ＣＰＵ）
４６ ＲＯＭ
４８ ＤＡコンバータ
５２ 電気モータ
５４ 旋回ポンプ
６４ パイロット弁
６６ 制御装置
７４ 油／電変換器
９０ ＡＤコンバータ
９２ ＲＡＭ
９４ 中央演算素子（ＣＰＵ）
９６ ＲＯＭ
９８ ＰＷＭ電源回路
Ａｎｇ 信号
ＳＧ１，ＳＧ２ 操作圧信号
Ｐ 圧力信号
Ｑ 信号

Claims (6)

1. 旋回機能を有する作業機械に搭載される旋回装置において、旋回トルクを出力する油圧モータと、前記油圧モータへ圧油を供給し制御装置により容量が調整可能な可変容量油圧ポンプと、前記可変容量油圧ポンプの容量を調整する制御装置と、油圧ポンプの圧力を検出し制御装置に入力する圧力検出装置を備え、旋回駆動時に制御装置は圧力検出装置から入力された油圧ポンプの圧力が所定の目標圧力となるように油圧ポンプの容量を調整することにより油圧モータへ供給する圧油の制御を行うことで油圧ポンプの吐出流量を油圧モータが必要とする最小限の流量に抑える作業機械の旋回装置。
2. 旋回駆動時に制御装置は圧力検出装置から入力された油圧ポンプの圧力と所定の目標圧力となるように油圧ポンプの容量を調整するために、油圧ポンプの圧力が前記目標圧力を上回る場合は、油圧ポンプの容量を減少させ、油圧ポンプの圧力が前記目標圧力を下回る場合は、油圧ポンプの容量を増加させることを特徴とする請求項１記載の作業機械の旋回装置。
3. 目標圧力は、出力トルクに応じて変更することを特徴とする請求項１記載の作業機械の旋回装置。
4. 前記油圧ポンプをエンジンで駆動することを特徴とする請求項１記載の作業機械の旋回装置。
5. 前記油圧ポンプを電気モータで駆動するとともに、制御装置が電気モータの回転を調整し、旋回駆動時に制御装置は圧力検出装置から入力された油圧ポンプの圧力が所定の目標圧力となるように電気モータの回転を調整することにより油圧モータへ供給する圧油の制御を行うことで油圧ポンプの吐出流量を油圧モータが必要とする最小限の流量に抑える請求項１記載の作業機械の旋回装置。
6. 旋回機能を搭載する作業機械おいて、旋回トルクを出力する油圧モータと、前記油圧モータへ圧油を供給し制御装置により容量が調整可能な可変容量油圧ポンプと、前記可変容量油圧ポンプの容量を調整する制御装置と、油圧ポンプの圧力を検出し制御装置に入力する圧力検出装置を備え、旋回駆動時に制御装置は圧力検出装置から入力された油圧ポンプの圧力が所定の目標圧力となるように油圧ポンプの容量を調整することにより油圧モータへ供給する圧油の制御を行うことで油圧ポンプの吐出流量を油圧モータが必要とする最小限の流量に抑える作業機械。

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