JP2016038074A - 旋回式作業機械の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】旋回減速時に、十分な回生効率と高いブレーキ性能を両立させる。【解決手段】旋回減速時にリリーフ弁のリリーフ作動によって旋回ブレーキ作用を行わせる一方、回生モータ２１によって油のエネルギーを回転エネルギーに変換して回生する旋回式作業機械の制御装置において、リリーフ弁として、コントローラ２８からの指令信号によってリリーフ流量／リリーフ圧の特性が変わる可変リリーフ弁２６,２７を用い、旋回減速時に、そのときのリリーフ流量Ｑｒに対して旋回ブレーキ作用を行うのに十分なリリーフ圧が得られるように可変リリーフ弁２６,２７のリリーフ流量／リリーフ圧の特性を変えるように構成した。【選択図】図１

Description

本発明は油圧ショベル等の旋回式作業機械において、旋回減速時にエネルギー回生作用を行う制御装置に関するものである。

油圧ショベルを例にとって背景技術を説明する。

油圧ショベルは、図４に示すようにクローラ式の下部走行体１上に上部旋回体２が地面に対して垂直な軸Ｘまわりに旋回自在に搭載され、この上部旋回体２に作業アタッチメント３が装着されて構成される。

作業アタッチメント３は、起伏自在なブーム４と、このブーム４の先端に取付けられたアーム５と、このアーム５の先端に取付けられたバケット６、それにこれらを作動させるブーム、アーム、バケット各シリンダ（油圧シリンダ）７,８,９によって構成される。

また、下部走行体１及び上部旋回体２は、それぞれ図示しない走行用油圧モータ、旋回用油圧モータによって走行、旋回駆動される。

この油圧ショベルにおいて、旋回減速時に上部旋回体２の慣性によるエネルギーが働く。

この旋回減速時のエネルギーを有効利用する手段として、特許文献１に示されているように、エンジンに回生モータを接続し、油圧アクチュエータから排出される油でこの回生モータを回転させてエンジンをアシストする技術が公知となっている。

この公知技術を図５によって説明する。

同図において、１０はエンジン１１によって駆動される油圧源としての油圧ポンプ、１２はこの油圧ポンプ１０からの圧油により回転して図４に示す上部旋回体２を旋回駆動する旋回モータで、この旋回モータ１２と油圧ポンプ１０及びタンクＴとの間に、図示しないリモコン弁からのパイロット圧によって切換わり作動する油圧パイロット式の切換弁であるコントロールバルブ１３が設けられ、このコントロールバルブ１３によって旋回モータ１２に対する圧油の給排（旋回モータ１２の回転／停止、回転方向、回転速度）が制御される。

すなわち、リモコン弁が操作されないときはコントロールバルブ１３が図示の中立位置イにセットされ、リモコン弁操作時にコントロールバルブ１３が中立位置イから図左側の位置（たとえば左旋回位置）ロまたは右側の位置（同、右旋回位置）ハにリモン弁操作量に応じたストロークで作動する。

コントロールバルブ１３の中立位置イでは、コントロールバルブ１３と旋回モータ１２とを結ぶモータ両側管路（図左側を左旋回管路、右側を右旋回管路という）１４,１５がポンプ１０に対してブロックされるため、旋回モータ１２は回転しない。

この状態から、リモコン弁が左旋回側に操作されてコントロールバルブ１３が左旋回位置ロに切換えられると、ポンプ１０から左旋回管路１４に圧油が供給されて旋回モータ１２が左回転し、上部旋回体２が左旋回する。

これに対し、リモコン弁が右旋回側に操作されてコントロールバルブ１３が右旋回位置ハに切換えられると、ポンプ油が右旋回管路１５に供給されて旋回モータ１２が右回転し、上部旋回体２が右旋回する。

一方、両旋回管路１４,１５間には、ブレーキ弁としてのリリーフ弁１６,１７が相対向して設けられるとともに、これと並列にアンチキャビテーション用（キャビテーション防止用＝油吸い込み用）のチェック弁１８,１９が対向配置で設けられている。

両リリーフ弁１６,１７の出口側と、両チェック弁１８,１９の入口側とは連通路２０によって接続されるとともに、この連通路２０がタンクＴに接続されている。

ここまでの構成において、たとえばコントロールバルブ１３が左旋回位置ロから中立位置イに復帰すると、旋回モータ１２及び両旋回管路１４,１５がポンプ１０及びタンクＴから切り離され、旋回モータ１２への圧油の供給及び旋回モータ１２からタンクＴへの油の戻りが停止する。

ここで、旋回モータ１２は上部旋回体２の慣性によって左旋回を続けようとするため、流出側である右旋回管路（メータアウト側管路）１５に圧力が立ち、これが一定値に達すると図右側のリリーフ弁１７が開いて右旋回管路１５の油が、同リリーフ弁１７−連通路２０−図左側のチェック弁１８を通って左旋回管路（メータイン側管路）１４に入り、旋回モータ１２に流入する。

このとき、左旋回管路１４が負圧傾向になると、連通路２０からチェック弁１８経由で左旋回管路１４にタンク油が吸い上げられてキャビテーションが防止される。

こうして、旋回モータ１２が慣性回転しながらリリーフ作用によるブレーキ力を受けるため、緩やかに停止する。右旋回からの停止時もこれと同じである。

一方、エンジン１１に可変容量型の回生モータ（油圧モータ）２１が接続され、この回生モータ２１の入口側管路２２が、回生切換弁２３を介して、モータ両側管路１４,１５に分岐接続された左旋回側及び右旋回側両回生ライン２４,２５に、出口側がタンクＴにそれぞれ接続されている。

回生切換弁２３は、図示しないコントローラからの指令によって中立、左旋回側回生、右旋回側回生の各位置ａ,ｂ,ｃ間で切換わり制御され、左旋回減速時には左旋回側回生位置ｂ、右旋回減速時には右旋回側回生位置ｃに切換わる。

これにより、たとえば左旋回減速時に、旋回モータ１２から排出される油が、メータアウト側管路（右旋回管路）１５、左旋回側回生ライン２４、回生切換弁２３の左旋回側回生位置ｂ経由で回生モータ２１に導入されて同モータ２１が回転する。

すなわち、旋回モータ１２から排出される油で回生モータ２１を駆動することにより、油のエネルギーを回転エネルギーに変換して回生（この場合はエンジンアシスト力として回生）するように構成されている。

特開２００３−１２０６１６号公報

図２中の実線Ａは、リリーフ弁１６,１７の一般的なオーバーライド特性、すなわち、回生作用を行わない場合のリリーフ流量Ｑｒとリリーフ圧Ｐｒの関係(以下、『非回生時特性』という)を示す。

この非回生時特性のもとでは、旋回減速時に、図示のようにリリーフ流量Ｑｒの増加に応じてリリーフ圧Ｐｒが上昇する。

図２中、Ｐｒ１は旋回減速時に十分なブレーキ力が発揮されるリリーフ圧(以下、『ブレーキ時リリーフ圧』という)、Ｑｒ１は非回生時にこのブレーキリリーフ圧Ｐｒ１が発生するリリーフ流量(以下、『非回生時リリーフ流量』という)である。

ところが、回生機能付きの旋回回路によると、旋回モータ１２の吐出流量Ｑｓから回生モータ２１の吸入流量Ｑｋを引いた値がリリーフ流量Ｑｒとなる。

すなわち、回生機能が無い場合と比較して、回生モータ流量Ｑｋ分、リリーフ流量Ｑｒがたとえば図２中の非回生時リリーフ流量Ｑｒ１よりも少ない流量 (以下、『回生時リリーフ流量』という) Ｑｒ２まで減少する。

この回生時リリーフ流量Ｑｒ２で発生するリリーフ圧(回生時リリーフ圧)をＰｒ２とすると、Ｐｒ２＜Ｐｒ１であって、この両リリーフ圧Ｐｒ１,Ｐｒ２の差αだけブレーキ力が低下するため、ブレーキ不足となり、旋回停止に要する時間が長くなるという課題があった。

なお、回生モータ２１の容量を小さくする等の手段により回生流量Ｑｋを少なくしてリリーフ流量Ｑｒを増加させることが考えられるが、こうすると回生効率が悪くなる。

そこで本発明は、旋回減速時に、十分な回生効率と高いブレーキ性能を両立させることができる旋回式作業機械の制御装置を提供するものである。

上記課題を解決する手段として、本発明においては、エンジンと、このエンジンによって駆動される油圧ポンプと、この油圧ポンプからの圧油により駆動されて旋回体を旋回駆動する旋回モータと、この旋回モータの作動を制御するコントロールバルブと、上記旋回モータの両側管路間に設けられた一対のリリーフ弁と、回生モータと、上記旋回モータから排出される油を上記回生モータに導く回生ラインと、この回生ラインを開閉する回生切換弁とを備え、旋回減速時に上記リリーフ弁のリリーフ作動によって旋回ブレーキ作用を行わせる一方、上記回生モータによって油のエネルギーを回転エネルギーに変換して回生するように構成された旋回式作業機械の制御装置において、上記両リリーフ弁を、外部からの指令信号によってリリーフ流量／リリーフ圧の特性が変わる可変リリーフ弁として構成するとともに、この可変リリーフ弁を制御する制御手段を設け、この制御手段は、
(ｉ) 上記旋回モータの吐出流量及び上記回生モータの吸入流量を求め、
(ｉｉ) 上記旋回モータの吐出流量から上記回生モータの吸入流量を引いてリリーフ流量を求め、
(ｉｉｉ) 上記リリーフ流量で、上記旋回ブレーキ作用を行うのに十分なリリーフ圧が得られるように上記可変リリーフ弁に対してリリーフ流量／リリーフ圧の特性を指令する
ように構成したものである。

この構成によれば、旋回減速時に、そのときのリリーフ流量Ｑｒに対して旋回ブレーキ作用を行うのに十分なリリーフ圧が得られるように可変リリーフ弁のリリーフ流量／リリーフ圧の特性を変えるため、十分な回生作用を確保しながら、回生作用を行わない場合と同等の旋回ブレーキ性能を得ることができる。

この場合、上記制御手段は、上記旋回モータの回転速度を検出する旋回モータ速度検出手段と、上記回生モータの回転速度を検出する回生モータ速度検出手段を備え、検出された旋回モータ及び回生モータの各回転速度とそれぞれのモータ容量とに基づいて上記旋回モータの吐出流量及び上記回生モータの吸入流量を演算するように構成するのが望ましい(請求項２)。

このように、安価な速度検出手段によってモータ速度を検出し、このモータ速度から旋回、回生両モータの流量、すなわち、旋回モータ吐出流量と回生モータ吸入流量を演算するため、高価な流量計によって流量を直接検出する場合と比較して、設備コストが安くてすむ。

加えて、旋回モータ速度の変化に基づいて旋回減速時か否かの検出をも行うことができるため、つまり、旋回モータ速度検出手段を旋回減速検出手段として兼用できるため、たとえば旋回モータのメータイン、メータアウト両側圧力を圧力センサで検出して旋回減速時か否かを判断する場合と比較して、設備コストをさらに安くできる。

本発明によると、旋回減速時に、十分な回生効率と高いブレーキ性能を両立させることができる。

本発明の実施形態に係る制御装置の回路構成図である。 リリーフ弁の一般的なオーバーライド特性、及び実施形態による調整後のリリーフ圧特性を示す図である。 実施形態の作用を説明するためのフローチャートである。 本発明の適用対象例である油圧ショベルの概略側面図である。 従来技術を示す回路構成図である。

本発明の実施形態を図１〜図３によって説明する。

実施形態は、油圧ショベルを適用対象としている。

以下の実施形態において、次の各点は図５に示す従来技術と同じである。

(Ａ) エンジン１１によって駆動される油圧源としての油圧ポンプ１０及びタンクＴと旋回モータ１２との間に、図示しないリモコン弁からのパイロット圧によって中立、左旋回、右旋回の各位置イ,ロ,ハ間で切換わり作動する油圧パイロット式の切換弁であるコントロールバルブ１３が設けられ、このコントロールバルブ１３によって旋回モータ１２に対する圧油の給排（旋回モータ１２の回転／停止、回転方向、回転速度）が制御される点。

(Ｂ) 両旋回管路１４,１５間に、ブレーキ弁としてのリリーフ弁２６,２７が相対向して設けられるとともに、これと並列にアンチキャビテーション用（キャビテーション防止用＝油吸い込み用）のチェック弁１８,１９が対向配置で設けられ、両リリーフ弁２６,２７の出口側と、両チェック弁１８,１９の入口側とが連通路２０によって接続されるとともに、この連通路２０がタンクＴに接続される点。

(Ｃ) コントロールバルブ１３がたとえば左旋回位置ロから中立位置イに復帰すると、旋回モータ１２及び両旋回管路１４,１５がポンプ１０及びタンクＴから切り離され、旋回モータ１２への圧油の供給及び旋回モータ１２からタンクＴの油の戻りが停止する点。

(Ｄ) この場合、旋回モータ１２は上部旋回体２の慣性によって左旋回を続けようとするため、流出側である右旋回管路（メータアウト側管路）１５に圧力が立ち、これが一定値に達すると図右側のリリーフ弁２６が開いて右旋回管路１５の油が、同リリーフ弁２６−連通路２０−図左側のチェック弁１８を通って左旋回管路（メータイン側管路）１４に入り、旋回モータ１２に流入する点。

(Ｅ) このとき、左旋回管路１４が負圧傾向になると、連通路２０からチェック弁１８経由で左旋回管路１４にタンク油が吸い上げられてキャビテーションが防止される点。

(Ｆ) エンジン１１に可変容量型の回生モータ（油圧モータ）２１が接続され、この回生モータ２１の入口側管路２２が、回生切換弁２３を介して、モータ両側管路１４,１５に分岐接続された左旋回側及び右旋回側両回生ライン２４,２５に、出口側がタンクＴにそれぞれ接続される点。

(Ｇ) 回生切換弁２３は、コントローラ２８によって中立、左旋回側回生、右旋回側回生の各位置ａ,ｂ,ｃ間で切換わり制御される点。

(Ｈ) この回生切換弁２３が、左旋回減速時には左旋回側回生位置ｂ、右旋回減速時には右旋回側回生位置ｃに切換わることによって、たとえば左旋回減速時に、旋回モータ１２から排出される油が、メータアウト側管路（右旋回管路）１５、左旋回側回生ライン２４、回生切換弁２３の左旋回側回生位置ｂ経由で回生モータ２１に導入されて同モータ２１が回転する点、すなわち、旋回モータ１２から排出される油で回生モータ２１を駆動することにより、油のエネルギーを回転エネルギーに変換して回生（この場合はエンジンアシスト力として回生）するように構成される点。

実施形態においては、リリーフ弁２６,２７として、設定圧力が一定不変の従来の固定リリーフ弁１６,１７に代えて、コントローラ２８からの指令信号(電気信号)によってリリーフ流量／リリーフ圧の特性(バネ設定)が変わる電磁式の可変リリーフ弁が用いられている。

この可変リリーフ弁２６,２７に対してコントローラ２８からの指令がないとき(回生作用を行わないとき)のリリーフ流量／リリーフ圧の特性は、図２中の実線で示す非回生時特性Ａとなる。

前記のように、このときのリリーフ流量(非回生時リリーフ流量)Ｑｒ１でブレーキ時リリーフ圧Ｐｒ１が発生し、このブレーキ時リリーフ圧Ｐｒ１によって十分な旋回ブレーキ力が発揮される。

一方、旋回減速時に回生作用が働くと、リリーフ流量Ｑｒが非回生時リリーフ流量Ｑｒ１から回生時流量Ｑｒ２まで減少してリリーフ圧ＰｒがＱｒ２に対応するＰｒ２に低下するため、非回生時特性Ａのままでは十分なブレーキ力が得られない。

そこで、旋回減速時に、コントローラ２８からリリーフ弁２６,２７に、回生時リリーフ流量Ｑｒ２でブレーキ時リリーフ圧Ｐｒ２が発生するようにバネ設定を変えるための指令信号、具体的には非回生時特性Ａを上方にシフトさせた、図２破線で示す回生時特性Ｂに変化させる信号が送られるように構成されている。

また、検出手段として、旋回モータ１２の回転速度を検出するジャイロセンサ等の旋回モータ速度センサ２９と、回生モータ２１の回転速度を検出する回生モータ速度センサ３０が設けられ、検出された両モータ速度がコントローラ２８に入力される。

すなわち、コントローラ２８と両センサ２９,３０によって、特許請求の範囲でいう「制御手段」が構成されている。

さらに、回生モータ２１の傾転を制御する回生モータ用レギュレータ３１が設けられ、同レギュレータ３１がコントローラ２８によって制御される。

制御手段の制御の内容を図３のフローチャートによって詳述する。

制御開始後、ステップＳ１において、旋回モータ速度センサ２９からの速度信号から旋回モータ速度が演算され、ステップＳ２で、この旋回モータ速度の変化から旋回減速状態か否かが判断される。

ここでＮＯ(旋回減速時でない)の場合は、ステップＳ３で回生切換弁２３に対してオフ指令が出されるとともに、ステップＳ４で回生モータ用レギュレータ３１に対して回生モータ２１の傾転を最小とする指令が出される。

これにより、回生切換弁２３が中立位置ａにセットされて回生モータ２１への油の導入が阻止されるとともに、回生モータ２１が最小傾転にセットされてその連れ回り抵抗が最小となる。

さらに、続くステップＳ５で、両リリーフ弁２６,２７に対しその特性を図３実線の非回生時特性Ａとする指令が出されて、ステップＳ１に戻る。

これに対し、ステップＳ２でＹＥＳ(旋回減速時である)となると、ステップＳ６に移行し、回生切換弁２３にオン指令(左旋回側回生位置ｂまたは右旋回側回生位置ｃへの切換指令)、ステップＳ７で回生モータ用レギュレータ３１に対して傾転増加指令がそれぞれ出される。

これにより、回生切換弁２３が回生位置ｂまたはｃに切換わるとともに、回生モータ２１の傾転が増加し、回生モータ２１による回生作用が開始される。

次いで、ステップＳ８では、旋回モータ１２の傾転(既知)と回転速度から同モータ１２の吐出流量Ｑｓが、またステップＳ９では回生モータ２１の傾転(指令値)と回転速度から同モータ２１の吸入流量Ｑｋがそれぞれ演算される。

また、ステップＳ１０で、リリーフ弁２６,２７のリリーフ流量Ｑｒ(回生時リリーフ流量Ｑｒ２)が、
Ｑｒ２＝Ｑｓ−Ｑｋ
によって演算される。

そして、ステップＳ１１において、可変リリーフ弁２６,２７のリリーフ流量／リリーフ圧の特性として図３破線の回生時特性Ｂを指令し、ステップＳ１に戻る。

この制御により、旋回減速時に、回生作用を行いながら、ブレーキ時リリーフ圧Ｐｒ１を発生させて十分なブレーキ力を働かせることができる。すなわち、十分な回生効率と高いブレーキ性能を両立させることができる。

この場合、安価な速度センサ２９,３０によって旋回、回生両モータ１２,２１の速度を検出し、このモータ速度から両モータ１２,２１の流量、すなわち、旋回モータ吐出流量Ｑｓと回生モータ吸入流量Ｑｋを演算するため、高価な流量計によって流量を直接検出する場合と比較して、設備コストが安くてすむ。

加えて、旋回モータ速度の変化に基づいて旋回減速時か否かの検出をも行うことができるため、つまり、旋回モータ速度センサ２９を旋回減速検出手段として兼用できるため、たとえば旋回モータ１２のメータイン、メータアウト両側圧力を圧力センサで検出して旋回減速時か否かを判断する場合と比較して、設備コストをさらに安くできる。

他の実施形態
(１) 上記実施形態では電磁式の可変リリーフ弁２６,２７を用い、コントローラ２８からの電気信号によって直接制御する構成をとったが、油圧パイロット式の可変リリーフ弁を用い、油圧パイロット弁を介して同リリーフ弁２６,２７を制御する構成をとってもよい。

(２) 上記実施形態では、回生モータ２１として可変容量型の油圧モータを用いたが、固定容量型の油圧モータを用いてもよい。

(３) 本発明は油圧ショベルに限らず、解体機や破砕機等を含めて油圧旋回式の作業機械に広く適用することができる。

１ 下部走行体
２ 上部旋回体
１０ 油圧ポンプ
１１ エンジン
１２ 旋回モータ
１３ コントロールバルブ
１４,１５ モータ両側管路
２１ 回生モータ
２２ 入口側管路
２３ 回生切換弁
２４,２５ 回生ライン
２６,２７ 可変リリーフ弁
２８ 制御手段を構成するコントローラ
２９ 同、旋回モータ速度センサ
３０ 同、回生モータ速度センサ

Claims (2)

1. エンジンと、このエンジンによって駆動される油圧ポンプと、この油圧ポンプからの圧油により駆動されて旋回体を旋回駆動する旋回モータと、この旋回モータの作動を制御するコントロールバルブと、上記旋回モータの両側管路間に設けられた一対のリリーフ弁と、回生モータと、上記旋回モータから排出される油を上記回生モータに導く回生ラインと、この回生ラインを開閉する回生切換弁とを備え、旋回減速時に上記リリーフ弁のリリーフ作動によって旋回ブレーキ作用を行わせる一方、上記回生モータによって油のエネルギーを回転エネルギーに変換して回生するように構成された旋回式作業機械の制御装置において、上記両リリーフ弁を、外部からの指令信号によってリリーフ流量／リリーフ圧の特性が変わる可変リリーフ弁として構成するとともに、この可変リリーフ弁を制御する制御手段を設け、この制御手段は、
   (ｉ) 上記旋回モータの吐出流量及び上記回生モータの吸入流量を求め、
   (ｉｉ) 上記旋回モータの吐出流量から上記回生モータの吸入流量を引いてリリーフ流量を求め、
   (ｉｉｉ) 上記リリーフ流量で、上記旋回ブレーキ作用を行うのに十分なリリーフ圧が得られるように上記可変リリーフ弁に対してリリーフ流量／リリーフ圧の特性を指令する
   ように構成したことを特徴とする旋回式作業機械の制御装置。
2. 上記制御手段は、上記旋回モータの回転速度を検出する旋回モータ速度検出手段と、上記回生モータの回転速度を検出する回生モータ速度検出手段を備え、検出された旋回モータ及び回生モータの各回転速度とそれぞれのモータ容量とに基づいて上記旋回モータの吐出流量及び上記回生モータの吸入流量を演算するように構成したことを特徴とする請求項１記載の旋回式作業機械の制御装置。

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