JP2015090192A - 流体圧回路および作業機械 - Google Patents

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重夫 梶田
岸田　耕治
Koji Kishida
耕治 岸田
裕也 金縄
Hironari Kanenawa
裕也 金縄
彰吾 多田
Shogo Tada
彰吾 多田
嘉彦 畑
Yoshihiko Hata
嘉彦 畑
的場　信明
Nobuaki Matoba
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Abstract

【課題】作動流体をアキュムレータを蓄圧させているときもポンプ流量を節約できる流体圧回路を提供する。
【解決手段】メインポンプ12，13から加圧供給された作動油により同一動作を同時作動する２つのブームシリンダ7c1，7c2と、作動油により蓄圧されるアキュムレータ61と、一方のブームシリンダ7c1から押し出した作動油をアキュムレータ61に蓄圧させる蓄圧回路Ａと、他方のブームシリンダ7c2から押し出した作動油をブームシリンダ7c1，7c2に再生する再生回路Ｂとを具備した流体圧回路である。
【選択図】図１

Description

本発明は、アキュムレータを備えた流体圧回路およびその流体圧回路を搭載した作業機械に関する。
作業機械において、ブーム下げ時にブーム用油圧シリンダから吐出される圧油をアキュムレータに蓄圧するとともに、旋回の加減速時に旋回用油圧モータからリリーフされる圧油も上記アキュムレータに蓄圧するようにしている（例えば、特許文献１参照）。
特開２０１０−８４８８８号公報
ブーム用油圧シリンダから吐出される圧油をアキュムレータに蓄圧している間は、ブーム用油圧シリンダから吐出される圧油をブーム用油圧シリンダに再生することはできないため、必要なポンプ流量を確保できず、ブーム用油圧シリンダの作動速度が遅くなる場合がある。
本発明は、このような点に鑑みなされたもので、作動流体をアキュムレータに蓄圧させているときも必要なポンプ流量を確保できる流体圧回路および作業機械を提供することを目的とする。
請求項１に記載された発明は、ポンプから加圧供給された作動流体により同一動作を同時作動する複数の流体圧シリンダと、作動流体により蓄圧されるアキュムレータと、複数の流体圧シリンダのうち一の流体圧シリンダから押し出された作動流体をアキュムレータに蓄圧させる蓄圧回路と、複数の流体圧シリンダのうち一の流体圧シリンダとは異なる他の流体圧シリンダから押し出された作動流体を他の流体圧シリンダに再生する再生回路とを具備した流体圧回路である。
請求項２に記載された発明は、請求項１記載の流体圧回路における蓄圧回路および再生回路とポンプから加圧供給された作動流体を複数の流体圧シリンダに導く回路とを切り替える複数の回路機能を、単一ブロック内に組み込んだ複合弁を具備した流体圧回路である。
請求項３に記載された発明は、機体と、機体に搭載された作業装置と、作業装置を上下動する複数の流体圧シリンダに対して設けられた請求項１または２記載の流体圧回路とを具備した作業機械である。
請求項１記載の発明によれば、蓄圧回路と再生回路とを切離して、一の流体圧シリンダから押し出された作動流体をアキュムレータに蓄圧すると同時に、他の流体圧シリンダから押し出された作動流体を他の流体圧シリンダに再生するので、アキュムレータに蓄圧しているときも再生流量分のポンプ流量を節約でき、必要なポンプ流量を容易に確保できるとともにポンプを小型化できる。また、複数の流体圧シリンダの全てではなく、より少ない流体圧シリンダに荷重を集中させることで、その流体圧シリンダから発生する圧力を高めて、アキュムレータの蓄圧エネルギを増すことができ、アキュムレータを小型化できる。
請求項２記載の発明によれば、蓄圧回路および再生回路とポンプから加圧供給された作動流体を複数の流体圧シリンダに導く回路とを切り替える複数の回路機能を、単一ブロックに形成された複合弁により、レイアウトが容易になるとともに、コスト低減を図れる。
請求項３記載の発明によれば、作業機械の作業装置を下降させる際にアキュムレータが蓄圧作用しているときも再生流量分のポンプ流量を節約でき、必要なポンプ流量を容易に確保できるとともにポンプを小型化でき、また、複数の流体圧シリンダの全てではなく、より少ない流体圧シリンダに作業装置の荷重を集中させることで、その流体圧シリンダから発生する圧力を高めて、アキュムレータの蓄圧エネルギを増すことができ、アキュムレータを小型化できる。
本発明に係る流体圧回路の一実施の形態を示す回路図である。 同上回路の切替状態を示す回路図である。 同上回路の他の切替状態を示す回路図である。 本発明に係る作業機械の一実施の形態を示す斜視図である。
以下、本発明を、図１乃至図４に示された一実施の形態に基いて詳細に説明する。
図４に示されるように、作業機械としての油圧ショベルHEは、機体１が下部走行体２とその上に旋回モータ3mにより旋回可能に設けられた上部旋回体３とにより形成され、この上部旋回体３上にエンジンおよびポンプなどが搭載された機械室４と、オペレータを保護するキャブ５と、作業装置６とが搭載されている。
この作業装置６は、２本並列された流体圧シリンダとしてのブームシリンダ7c1，7c2により上下方向に回動されるブーム７の基端が上部旋回体３に軸支され、ブーム７の先端にスティックシリンダ8cにより前後方向に回動されるスティック８が軸支され、このスティック８の先端にバケットシリンダ9cにより回動されるバケット９が軸支されている。２本のブームシリンダ7c1，7c2は、共通のブーム７に対して並設され、同一動作を同時作動する。
図１は、作業装置６が有する位置エネルギをブームシリンダ7c1を介してアキュムレータに蓄えるとともに上部旋回体３が有する運動エネルギを旋回モータ3mを介してアキュムレータに蓄えてエンジンパワーのアシストに利用するエンジンパワーアシストシステムを示す。
次に、このシステムの回路構成を説明する。
機械室４内の搭載エンジン11により駆動されるポンプとしてのメインポンプ12，13のメインポンプシャフト14にアシストポンプモータ15を直結またはギヤを介して連結し、メインポンプ12，13およびアシストポンプモータ15は、ポンプ/モータ容量（ピストンストローク）を角度により可変調整することが可能な斜板を備え、その斜板角（傾転角）はレギュレータ16，17，18により制御するとともに斜板角センサ16φ，17φ，18φにより検出し、レギュレータ16，17，18は、電磁弁により制御する。例えば、メインポンプ12，13のレギュレータ16，17は、ネガティブフローコントロール通路19ncで導かれたネガティブフローコントロール圧（いわゆるネガコン圧）によって自動的に制御可能であるとともに、ネガティブフローコントロール弁19の電磁式切替弁19a，19bによってネガコン圧以外の信号でも制御可能である。
メインポンプ12，13は、タンク21から吸い上げた作動流体としての作動油を通路22，23に吐出し、それらのポンプ吐出圧は圧力センサ24，25により検出する。メインポンプ12，13に接続した方向制御および流量制御用のパイロット式制御弁のうち、ブームシリンダ7c1，7c2を制御するメインのブーム用制御弁26から引き出した一方の出力通路27およびサブのブーム用制御弁28から引き出した出力通路29を、通路30によって複合弁としてのブームエネルギ・リカバリ弁31に接続する。
このブームエネルギ・リカバリ弁31は、図１に示される蓄圧回路Ａおよび再生回路Ｂと、図２に示されるブーム上げ操作時にメインポンプ12，13から加圧供給された作動油を２つのブームシリンダ7c1，7c2のヘッド側に導く回路とを切り替える複数の回路機能を、単一ブロック内に組み込んだ複合弁である。
このブームエネルギ・リカバリ弁31に一方のブームシリンダ7c1のヘッド側端を通路32により接続し、他方のブームシリンダ7c2のヘッド側端を通路33により接続する。メインのブーム用制御弁26から引き出した他方の出力通路34は、一方のブームシリンダ7c1のロッド側端に接続し、このロッド側端にはブームシリンダロッド側の圧力を検出する圧力センサ35を設置する。２本併設されたブームシリンダ7c1，7c2のロッド側端の間はバイパス通路36により連通可能であり、このバイパス通路36中に設けられた電磁式分離弁37により、ブームシリンダ7c1のロッド側からブームシリンダ7c2のロッド側への連通を遮断することも可能である。ブームシリンダ7c2のロッド側は通路38によりブームエネルギ・リカバリ弁31に接続する。
メインのブーム用制御弁26から引き出した一方の出力通路27は、電磁式切替弁39および逆止弁40を介して他方の出力通路34に連通可能とする。また、アシストポンプモータ15の吐出側には、その吐出圧を検出するための圧力センサ41を設け、その吐出通路42に電磁式切替弁43を設け、さらに逆止弁44を経た通路45を前記出力通路34に接続する。
アシストポンプモータ15の吐出通路42は３本の通路46，47，48に分岐し、通路46は、電磁式アンロード弁49に接続し、この電磁式アンロード弁49は、タンク通路50，51からスプリング付き逆止弁52を経て、さらにオイルクーラ53またはスプリング付き逆止弁54を経てタンク21に接続する。通路47は、リリーフ弁55を介してタンク通路50に接続する。
通路48は、電磁式切替弁57、逆止弁58および通路59を経て複数の第１のアキュムレータ61を設けたアキュムレータ通路62に接続し、このアキュムレータ通路62には、第１のアキュムレータ61に蓄圧された圧力を検出する圧力センサ63を接続する。アキュムレータ通路62は、電磁式再生弁64および逆止弁65を経た通路66に接続し、この通路66は、タンク21から逆止弁67を経てアシストポンプモータ15の吸込口に接続された吸込側通路68に接続し、この吸込側通路68にアシストポンプモータ吸込側の圧力を検出する圧力センサ69を設置する。
アシストポンプモータ15は、第１のアキュムレータ61での蓄圧が進んでそのアキュムレータ圧が所定値まで上昇したときに、電磁式再生弁64を連通位置に切り替えることで、第１のアキュムレータ61から作動油を吸い込み、この第１のアキュムレータ61での圧力上昇を防止すると同時に、吸い込んだ作動油をブームシリンダ7c1のロッド側に加圧供給する機能を備えている。
ブームエネルギ・リカバリ弁31は、パイロット操作式のメイン切替弁71を備え、このメイン切替弁71は、電磁式切替弁72によりパイロット圧の給排を制御することで、通路73と、通路74と、通路75と、通路76との関係を切り替える。
通路73は、一方のドリフト低減弁77の一方のポートに接続し、このドリフト低減弁77の他方のポートには内部の通路78を介して、一方のブームシリンダ7c1のヘッド側端から引き出された外部の通路32を接続する。ドリフト低減弁77は、パイロット弁79によりスプリング室内のパイロット圧を制御することで、ポート間の開閉および開度を制御する。通路73には、通路30から分岐された通路81を逆止弁82を介し接続する。
通路74は、通路30に接続し、さらに、他方のドリフト低減弁83の一方のポートに接続し、このドリフト低減弁83の他方のポートには内部の通路84を介して、他方のブームシリンダ7c2のヘッド側端から引き出された外部の通路33を接続する。ドリフト低減弁83は、パイロット弁85によりスプリング室内のパイロット圧を制御することで、ポート間の開閉および開度を制御する。
パイロット弁79，85は、ドリフト低減弁77，83のスプリング室を、通路78，84に連通するか、またはタンク21への通路86に連通する。
通路75は、逆止弁87と、スプリング付き逆止弁88と、可変絞り弁89への通路に分岐され、逆止弁87を経た通路は、外部の通路38と、内部の通路90とに接続する。通路90と前記通路78との間には、リリーフ弁91および逆止弁92を設け、また、通路90と前記通路84との間には、リリーフ弁93および逆止弁94を設ける。さらに、通路78と通路84との間には圧力センサ95および調整弁96を設け、通路84と通路90との間には圧力センサ97および調整弁98を設ける。スプリング付き逆止弁88および可変絞り弁89は、通路99を介して前記タンク通路50に接続する。
通路76は、逆止弁104を経た通路105を介して通路59に接続し、通路105の圧力は、圧力センサ106により検出する。通路105から分岐した通路は、リリーフ弁107、通路108および前記通路99を経て前記タンク通路50に接続する。通路108は、逆止弁109を介して通路105に連通し、通路105は、電磁式切替弁110を介して通路108に接続する。
図１に示されるように、蓄圧回路Ａは、一方のブームシリンダ7c1のヘッド側端より引き出された通路32から、ブームエネルギ・リカバリ弁31内の通路78、ドリフト低減弁77、通路73、メイン切替弁71、逆止弁104および通路105を経て第１のアキュムレータ61に至る回路であり、ブームシリンダ7c1のヘッド側から押し出された油を第１のアキュムレータ61に蓄圧させる機能を有する。
図１に示されるように、再生回路Ｂは、他方のブームシリンダ7c2のヘッド側端より引き出された通路33から、ブームエネルギ・リカバリ弁31内の通路84、ドリフト低減弁83、通路74、メイン切替弁71、通路75、逆止弁87および通路38を経て他方のブームシリンダ7c2のロッド側端に至る回路であり、ブームシリンダ7c2のヘッド側から押し出された油をブームシリンダ7c2のロッド側に再生する機能を有する。
前記旋回モータ3mの旋回方向および速度を制御する旋回用制御弁111と旋回モータ3mとを接続するモータ駆動回路Ｃの通路112，113間に、相互に逆向きのリリーフ弁114，115および逆止弁117，118を設け、これらのリリーフ弁114，115間および逆止弁117，118間に、モータ駆動回路Ｃから排出された油をタンク21に戻すタンク通路機能と、モータ駆動回路Ｃに作動油を補充することが可能なメイクアップ機能とを有するメイクアップ通路116を接続し、スプリング付き逆止弁52のスプリング付勢圧を超えない圧力で、このメイクアップ通路116から逆止弁117，118を経て通路112，113のバキューム発生のおそれのある側に作動油を補充する。
さらに、モータ駆動回路Ｃの通路112，113を逆止弁119，120を経て旋回エネルギ回収用の通路121に連通し、この通路121を、出口側の背圧によって入口側の元圧が変化しにくいシーケンス弁122を経て通路123に接続し、通路124を経て第２のアキュムレータ125に接続し、この第２のアキュムレータ125に係る圧力を圧力センサ126により検出する。通路123は、電磁式切替弁127および逆止弁128を経た通路129により前記第１のアキュムレータ61のアキュムレータ通路62に接続する。通路129は、リリーフ弁130を経て、前記タンク通路50に接続し、第２のアキュムレータ125は、リリーフ弁131を経て、前記タンク通路51に接続する。
そして、旋回モータ3mを旋回加速および旋回停止する際にリリーフ弁114，115を経てリリーフされる駆動エネルギおよび制動エネルギを、リリーフ弁114，115が働く前に圧力に変換して第２のアキュムレータ125に蓄圧することで、リリーフされる旋回エネルギを回収し、アシストモードでは、電磁切替弁127および電磁式再生弁64を連通位置に切り替えて、第２のアキュムレータ125から放圧された圧油を、第１のアキュムレータ61側のアキュムレータ通路62、電磁式再生弁64を通して、アシストポンプモータ15に加圧供給し、アシストポンプモータ15を油圧モータとして駆動し、メインポンプ12，13の油圧出力をアシストし、エンジン負荷を低減させる。
また、旋回停止エネルギを第２のアキュムレータ125に供給する際に旋回モータ3mの上流側にバキュームが発生するおそれがあるため、旋回操作の開始時点から電磁式アンロード弁49を開き、旋回用操作レバーの操作量および操作速度に応じてアシストポンプモータ15の斜板角を制御し、旋回用レバー操作量および操作速度に応じた流量をアシストポンプモータ15から電磁式アンロード弁49、タンク通路50，51およびメイクアップ通路116を経て、モータ駆動回路Ｃ内のバキューム発生傾向にある通路に補充する。
以上のような回路構成において、各々の斜板角センサ16φ，17φ，18φ、圧力センサ24，25，35，41，63，69，95，97，106，126は、検出した斜板角信号および圧力信号を車載コントローラ（図示せず）に入力し、また、電磁式切替弁39，43，57，72，110，127、電磁式アンロード弁49および電磁式再生弁64は、車載コントローラ（図示せず）から出力された駆動信号によりオン・オフ動作または駆動信号に応じた比例動作で切り替わる。また、ブーム用制御弁26，28、旋回用制御弁111および図示しない他の油圧アクチュエータ用制御弁（走行モータ用、スティックシリンダ用、バケットシリンダ用など）は、キャブ５内のオペレータによりレバー操作またはペダル操作される手動操作弁いわゆるリモコン弁によって、パイロット操作され、ドリフト低減弁77，83のパイロット弁79，85も連動してパイロット操作される。
以下に、上記車載コントローラによって制御される内容を機能的に説明する。
（エンジンパワーアシスト機能）
以上のように構成された流体圧回路において、エンジンパワーアシスト機能を説明する。
図１は、ブーム７を下降させるブーム下げ操作時の回路状態を示し、作業装置６の荷重などにより一方のブームシリンダ7c1のヘッド側から通路32，78に押し出された作動油は、ブームエネルギ・リカバリ弁31のドリフト低減弁77を経てメイン切替弁71で通路73から通路76へと方向制御し、さらに通路105，59を経て第１のアキュムレータ61に蓄圧させる。
同時に、他方のブームシリンダ7c2のヘッド側から通路33，84に押し出された作動油は、ブームエネルギ・リカバリ弁31のドリフト低減弁83を経てメイン切替弁71で通路74から通路75へと方向制御し、さらに逆止弁87および通路38を経て他方のブームシリンダ7c2のロッド側に再生させるとともに、一方のブームシリンダ7c1と他方のブームシリンダ7c2のロッド側圧力バランスによっては、電磁式分離弁37内の逆止弁を経て一方のブームシリンダ7c1のロッド側にも再生させる。
このように、ブームエネルギ・リカバリ弁31は、メイン切替弁71とドリフト低減弁77，83により、ブーム下げ時の第１のアキュムレータ61への蓄圧と、ブームシリンダ7c1，7c2のロッド側への再生とを同時に行なう。
図２は、ブーム７を上昇させるブーム上げ操作時の回路状態を示し、このブーム上げ操作時のブームエネルギ・リカバリ弁31は、第１のアキュムレータ61への蓄圧と、ブームシリンダ7c1，7c2のロッド側への再生とを停止し、メインポンプ12，13からブーム用制御弁26，28を経て通路30に供給された作動油を、切替制御されたメイン切替弁71により通路74から通路73へと方向制御し、通路73，30からドリフト低減弁77，83を経て、両方のブームシリンダ7c1，7c2のヘッド側に導く。
このとき、メインポンプシャフト14に直結またはギヤを介して連結したポンプ機能とモータ機能とを有するアシストポンプモータ15を、図２に示されるように油圧モータとして機能させるために、電磁式アンロード弁49および電磁式再生弁64を連通位置に切り替えて、第１のアキュムレータ61に蓄圧されたエネルギでアシストポンプモータ15を回転させ、メインポンプ12，13の油圧出力をアシストしてエンジン負荷を低減する。
このように、エンジンパワーアシスト機能は、一方のブームシリンダ7c1のヘッド側から第１のアキュムレータ61に蓄圧されたエネルギによってアシストポンプモータ15を油圧モータとして回転させることで、このアシストポンプモータ15によりメインポンプシャフト14を介して連結された搭載エンジン11の負荷を低減させる。
図３は、エンジン負荷が小さい場合の回路状態を示し、電磁式切替弁57を連通位置に切り替えることで、アシストポンプモータ15を油圧ポンプとして機能させ、タンク21から汲み上げた作動油を第１のアキュムレータ61に供給して、このアキュムレータ61に作動油を蓄圧させる。
このエンジンパワーアシスト機能の効果を説明する。
片側のブームシリンダ7c1のヘッド側油を第１のアキュムレータ61への蓄圧に回すことで、すなわち作業装置６の荷重を２本のブームシリンダ7c1，7c2に分散させるのではなく、１本のブームシリンダ7c1に集中させることで、エネルギ密度を増すことができ、ブームシリンダ7c1から発生する圧力を高めて、第１のアキュムレータ61への蓄圧エネルギを増すことができ、言い換えれば、第１のアキュムレータ61やアシストポンプモータ15などのコンポーネントを小型化でき、コストを抑えられ、レイアウトが容易になる。
ブームシリンダ7c1，7c2と他の油圧アクチュエータ（旋回モータ3m、スティックシリンダ8c、バケットシリンダ9cなど）との連動操作時に、片側のブームシリンダ7c2のヘッド側から押し出された作動油をブームシリンダ7c1，7c2のロッド側に再生するので、その再生分の油量をメインポンプ12，13から他の油圧アクチュエータに回すことができ、連動操作時の速度低下を防止でき、連動操作性を向上させることができる。
蓄圧回路Ａと再生回路Ｂとを切離して、油圧ショベルHEの作業装置６を下降させる際に、一方のブームシリンダ7c1のヘッド側から押し出された作動油を第１のアキュムレータ61に蓄圧すると同時に、他方のブームシリンダ7c2のヘッド側から押し出された作動油をブームシリンダ7c1，7c2のロッド側に再生するので、第１のアキュムレータ61を蓄圧作用させているときも再生流量分のメインポンプ流量を節約でき、他の油圧アクチュエータで必要とするメインポンプ流量を含む必要なポンプ流量を容易に確保できるとともにメインポンプ12，13を小型化できる。
さらに、複数の回路機能を単一ブロックに集約させたブームエネルギ・リカバリ弁31により、レイアウトが容易となり、組立工数の低減によるコスト低減が可能となる。
また、アシストポンプモータ15がエンジン負荷に応じてポンプとモータの両機能を使い分けることで、エンジン負荷を平滑化でき、同時に、余力のある搭載エンジン11からエネルギを第１のアキュムレータ61へ蓄えておいて必要なときにエンジン負荷をアシストできるので、搭載エンジン11の排気ガス低減に伴う排ガス後処理装置を小型化でき、また、一方のブームシリンダ7c1に荷重を集中させることで、第１のアキュムレータ61の蓄圧エネルギを増すことができ、小型のアキュムレータで大きなアシストができるため、コストを抑え、機体レイアウトをコンパクトにまとめることができる。
本発明は、流体圧回路または作業機械を製造、販売などする事業者にとって産業上の利用可能性がある。
Ａ 蓄圧回路
Ｂ 再生回路
HE 作業機械としての油圧ショベル
１ 機体
６ 作業装置
7c1，7c2 流体圧シリンダとしてのブームシリンダ
12，13 ポンプとしてのメインポンプ
31 複合弁としてのブームエネルギ・リカバリ弁
61 アキュムレータ

Claims (3)

  1. ポンプから加圧供給された作動流体により同一動作を同時作動する複数の流体圧シリンダと、
    作動流体により蓄圧されるアキュムレータと、
    複数の流体圧シリンダのうち一の流体圧シリンダから押し出された作動流体をアキュムレータに蓄圧させる蓄圧回路と、
    複数の流体圧シリンダのうち一の流体圧シリンダとは異なる他の流体圧シリンダから押し出された作動流体を他の流体圧シリンダに再生する再生回路と
    を具備したことを特徴とする流体圧回路。
  2. 蓄圧回路および再生回路とポンプから加圧供給された作動流体を複数の流体圧シリンダに導く回路とを切り替える複数の回路機能を、単一ブロック内に組み込んだ複合弁
    を具備したことを特徴とする請求項１記載の流体圧回路。
  3. 機体と、
    機体に搭載された作業装置と、
    作業装置を上下動する複数の流体圧シリンダに対して設けられた請求項１または２記載の流体圧回路と
    を具備したことを特徴とする作業機械。
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