JP2013515883A - ハイブリッドショベルのブーム駆動システム及びその制御方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明は、モータ又は発電機により作動される電動機110、前記電動機110で発生した電気を貯蔵する蓄電装置115、前記電動機110で駆動されてブーム100に作動油を供給する油圧ポンプモータ120、前記油圧ポンプモータ120の吐出ライン121と流入ライン122をブーム100のヘッド106又はロッド107側と選択的に連通又は遮断する閉回路を構成するブーム制御弁125、前記電動機110と別に設けられた駆動源141により駆動され、バケット、走行モータ又はアームに作動油を供給するメインポンプ140、前記メインポンプ140の吐出ラインを前記油圧ポンプモータ120の吐出ライン121に連結させ、前記メインポンプ140及び前記油圧ポンプモータ120のそれぞれから吐き出される作動油を合流可能にさせるためのブーム補助弁144、及び前記電動機110、前記油圧ポンプモータ120、前記ブーム制御弁125を制御する制御部160を含む。このような本発明によれば、電動機を用いながらもショベルの主な用途である掘削作業時におけるエネルギー損失を最小化し、ブームの作動性能を確保し、ブームの回生可能なエネルギーを回収することができる。
【選択図】図1
Description
ここで、第1の制御弁は、ブームの上昇中に選択的に切り替えられ、ブームの下降時に遮断され、また、第2の制御弁は、ブームの上昇時に遮断され、ブームの下降時に選択的に切り替えられる。
即ち、ブームの上昇時において、電動機とブームの油圧ポンプモータを用いてブームを駆動することで、低流量の微細操作を行う時に油圧システムで発生する損失をなくして燃費向上が可能となる。
また、小容量の電動機及びポンプモータを用いながらも既存のショベルと同水準のブーム作業性能を確保することができ、ブームエネルギーの回生が可能であり、瞬時に高い動力及び大流量が必要となる場合は、既存の油圧システムで補充することで既存のショベルと同水準の性能を確保することができる。
また、瞬時に回生エネルギーが多く生じる場合は、容量の超過分はバイパスし、ブームの最大供給流量及びエンジン最大動力に相当する油圧ポンプ及び電動機の容量のみでブーム駆動に必要なほとんどのエネルギーを供給することができ、ブームの回生可能なエネルギーの大部分を回収することができる。
また、ブームを、既存の油圧システムから分離することで、既存の油圧システムにおける損失をなくすことが可能となり、メインコントロール弁の構造の簡略化が可能である。
更に、2つのメインポンプが、アームとバケットをそれぞれ担当しているため、アームとバケットの作業性能が向上できる。
油圧ポンプモータ120には、作動油が吐き出される吐出ライン121と、作動油が流入される流入ライン122とが連結されている。吐出ライン121と流入ライン122は、ブーム制御弁125によりブームシリンダー105のヘッド106又はロッド107側に連結される。即ち、吐出ライン121と流入ライン122との油圧回路の接点は、ブーム制御弁125によって連通又は遮断されるようになる。
なお、油圧ポンプモータ120とブームシリンダー105との間には、閉回路が構成されるが、シリンダー面積差によって、ブームシリンダー105から油圧ポンプモータ120への供給流量は、油圧ポンプモータ120からブームシリンダー105への供給流量に比べて不足している。このとき、流量の不足分は、第1の制御弁151が連結され、タンクから供給される。
一方、ブームジョイスティック161の制御信号が立ち上がり、油圧ポンプモータ120の供給流量を超過又は電動機110の容量を超過する場合、制御部160は、ブーム補助弁144を制御してメインポンプ140の流量をブームシリンダー105に供給する。制御部160は、ブームシリンダー105がブームジョイスティック161の信号を追従できるようにブーム補助弁144の開閉を制御する。ブーム補助弁144は、連通が切れた状態で制御部160により右側に切り替えられ、ブーム補助ライン145は、エンジン141により駆動されるメインポンプ140に連結される。
なお、ブーム100の下降時に、ブーム制御弁125の切り替えによって、ブーム100のヘッド106側は流入ライン122により油圧ポンプモータ120の吸入側に連結され、ブーム100のロッド107側は吐出ライン121により油圧ポンプモータ120の吐出側に連結される。ブーム100の下降速度の制御は、斜板角度制御装置170を通じて斜板角度を制御して油圧ポンプモータ120の回転速度を制御することで行われ、電動機110の発電量制御が共に制御される。
また、第2の制御弁152は、ブーム100の上昇時に遮断状態にあり、ブームの下降時には、連結されて油圧ポンプモータ120からブームシリンダー105に過給される流量をタンクに排出する機能を行う。このような第2の制御弁152は、上述のように、ブームの下降時において、常時開放状態に制御することもできるが、更に下記のように制御することもできる。
即ち、第2の制御弁152は、ブーム100の下降時に閉じ状態にあるが、ブームのヘッド106側に必要な流量に比べて油圧ポンプモータ120を経由して供給される流量の方が多い場合においてのみ開放するように制御することもできる。
また、ブーム補助弁144は、ブームジョイスティック161の制御信号が立ち上がり、油圧ポンプモータ120の供給流量を超過又は電動機110の容量を超過する場合、メインポンプ140の流量がブームシリンダー105側へ供給されるように制御部160により連結されるようになる。
ここで、前記ブームシリンダー105の所要流量が前記油圧ポンプモータ120の最大流量より小さい場合は、前記ブーム補助弁144を遮断するステップ(f)が行われる。また、ブーム100の駆動動力が前記電動機110の最大供給可能な動力より大きい場合は、前記ブーム補助弁144を開放してメインポンプ140を連結することで、作動油の不足分を供給するステップ(g)を含む。
また、ブーム100の単独動作時、初期の微細操作区間において必要な流量は、電動機110及び油圧ポンプモータ120から供給され、一般にブーム100の最大供給流量と同じ水準を越える超過分は、メインポンプ140を備えた既存の油圧システムを用いて供給することができる。
また、瞬時に高い動力及び大流量が必要となる場合は、既存の油圧システムで補充することで、既存のショベルと同水準の性能を確保することができる。更に、瞬時に回生エネルギーが多く生じる場合は、容量の超過分はバイパスし、ブーム100の最大供給流量及びエンジン141の最大動力に相当する油圧ポンプ及び電動機110の容量のみでブーム駆動に必要なほとんどのエネルギーを供給することができ、ブーム100の回生可能なエネルギーの大部分を回収することができる。
105 ブームシリンダー
106 ヘッド
107 ロッド
110 電動機
115 蓄電装置
116 電気貯蔵装置
120 油圧ポンプモータ
121 吐出ライン
122 流入ライン
125 ブーム制御弁
126 順方向連結部位
127 交差連結部位
128 遮断部位
129 チェック弁
140 メインポンプ
141 エンジン
144 ブーム補助弁
145 ブーム補助ライン
151 第1の制御弁
152 第2の制御弁
160 制御部
170 斜板角度制御装置
Claims (6)
- ハイブリッドショベルのブーム駆動システムであって、
モータ又は発電機により作動される電動機;
前記電動機で発生した電気を貯蔵する蓄電装置;
前記電動機で駆動されてブームに作動油を供給する油圧ポンプモータ;
前記油圧ポンプモータの吐出ラインと流入ラインをブームのヘッド又はロッド側と選択的に連通又は遮断する閉回路を構成するブーム制御弁;
前記電動機と別に設けられた駆動源により駆動され、バケット、走行モータ又はアームに作動油を供給するメインポンプ;
前記メインポンプの吐出ラインを前記油圧ポンプモータの吐出ラインに連結させ、前記メインポンプ及び前記油圧ポンプモータのそれぞれから吐出される作動油を合流可能にさせるためのブーム補助弁;並びに、
前記電動機、前記油圧ポンプモータ、及び前記ブーム制御弁を制御する制御部、
を含むことを特徴とするハイブリッドショベルのブーム駆動システム。 - 前記油圧ポンプモータと前記ブーム制御弁を連結する流入ラインと作動油のタンクとを連結する第1の制御弁、及び
前記油圧ポンプモータと前記ブーム制御弁を連結する吐出ラインと作動油のタンクとを連結する第2の制御弁を更に含み、
前記制御部が、前記第1の制御弁及び第2の制御弁を制御する請求項1に記載のハイブリッドショベルのブーム駆動システム。 - 前記第1の制御弁が、ブームの上昇中に選択的に切り替えられ、ブームの下降時に遮断され、
前記第2の制御弁が、ブームの上昇時に遮断され、ブームの下降時に選択的に切り替えられる請求項2に記載のハイブリッドショベルのブーム駆動システム。 - 前記ブーム補助弁が、ブームジョイスティックの制御信号が立ち上がり、前記油圧ポンプモータの供給流量又は前記電動機の容量を超過する流量が必要となる場合、前記メインポンプの流量がブームシリンダー側へ供給されるように切り替えられる請求項2に記載のハイブリッドショベルのブーム駆動システム。
- 前記第1の制御弁が、ブームの下降時に、ブームシリンダーから前記油圧ポンプモータ側への流入流量が、前記油圧ポンプモータの許容流量を超過又は前記電動機の発電容量を超過する場合、連通されて、ブームシリンダーから前記油圧ポンプモータへの流入流量をタンクにドレインさせる請求項2に記載のハイブリッドショベルのブーム駆動システム。
- ハイブリッドショベルのブーム駆動システムの制御方法であって、
ブームジョイスティックの操作量を検出するステップ;
前記ブームジョイスティックの操作によるブームの上昇又は下降を判断するステップ;
前記ブームが上昇であれば、第1の制御弁を開放するステップ;
前記ブームが上昇であれば、前記ブームジョイスティックの操作量に応じたブームの駆動動力と、前記電動機の最大供給可能な動力とを比較し、ブームの駆動動力が前記電動機の最大供給可能な動力より小さい場合は、ブームシリンダーの所要流量と前記油圧ポンプモータの最大流量とを比較するステップ;
前記ブームシリンダーの所要流量が前記油圧ポンプモータの最大流量より小さい場合は、前記ブーム補助弁を遮断するステップ;
前記ブームの駆動動力が前記電動機の最大供給可能な動力より大きい場合は、前記ブーム補助弁を連結するステップ;
前記ブームが下降であれば、第2の制御弁を開放し、ブームの回生動力と前記電動機の最大回生可能な動力とを比較し、ブームの回生動力が前記電動機の最大回生可能な動力より小さい場合は、ブームシリンダーの回生流量と前記油圧ポンプモータの許容流量とを比較するステップ;
前記ブームシリンダーの回生流量が前記油圧ポンプモータの許容流量より小さい場合は、前記第1の制御弁を遮断するステップ;
前記ブームシリンダーの回生流量が前記油圧ポンプモータの許容流量より大きい場合は、前記第1の制御弁を連結するステップ;及び
前記ブームの回生動力が前記電動機の最大回生可能な動力より大きい場合は、前記第1の制御弁を連結するステップ、
を含むことを特徴とするハイブリッドショベルのブーム駆動システムの制御方法。
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