JP3758568B2 - 電動油圧回路及びそれを備えた建設機械 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、油圧アクチュエータ用の油圧ポンプを電動機で駆動する構成の電動油圧回路及びそれを備えた建設機械に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、油圧ショベルやクレーン等の建設機械において、電動機で油圧ポンプを駆動し、この油圧ポンプから吐出される圧油によって油圧シリンダ、油圧モータ等の油圧アクチュエータを駆動させる電動駆動式の油圧回路（以下、電動油圧回路と呼ぶ）を搭載したものが知られている。
【０００３】
この種の電動油圧回路では、操作レバー（あるいは操作ペダル等の操作手段）を操作すると、その操作角が電気信号に変換され、この電気信号の大きさに応じてコントローラが電動機の回転速度を制御し、制御された回転速度に比例して油圧ポンプから圧油が吐出されるようになっている。
【０００４】
ところで、建設機械としての油圧ショベルは、上部旋回体に備えられた掘削アタッチメントを操作することにより、掘削作業以外に地面の均しを行なったり、土砂のばらまきを行なうことがある。
【０００５】
この土砂ばらまき作業は、例えば溝内に設置した配管上に土砂を被せるような場合などに実施されるものであり、バケットに土砂を蓄えておきアームを伸ばしつつバケットを短い周期で前後方向に素早く振らすという操作が行なわれる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このような操作が行なわれる建設機械に上記電動油圧回路を搭載すると、コントロールバルブのスプールについては操作レバーの素早い往復操作に追従して切り換わることができるが、電動機については操作レバーの中立位置で一旦回転が停止するため、操作レバーがさらに中立位置から反対側に操作された場合に応答性の遅い電動機では回転速度が追従できず、所望の回転数に達しない中途半端な回転数で留まってしまう。それにより、バケットが前後方向に素早く振れなくなり、土砂のばらまき作業ができなくなるという不都合が発生する。
【０００７】
本発明は以上のような電動油圧回路を搭載した従来の油圧ショベルにおける課題を考慮してなされたものであり、操作レバーの操作量が小さい範囲、特に操作レバーを往復切り換え操作する際の操作レバー中立位置近傍で生じる電動機の応答遅れを解消することのできる電動油圧回路およびそれを備えた建設機械を提供するものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の電動油圧回路は、電動機で駆動する油圧ポンプと、この油圧ポンプから吐出される圧油の方向と流量を切り換える切換弁と、この切換弁によって制御された圧油が供給される油圧アクチュエータと、切換弁に切換え指令を与えるとともに電動機に回転数を指令する操作手段と、この操作手段からの指令に基づいて電動機の回転数を制御する制御手段と、操作手段の操作速度を検出する操作速度検出手段とを備え、上記制御手段は、操作速度検出手段によって検出された操作速度に応じ、操作手段の操作量がゼロに戻される場合に電動機の回転数を設定回転数に制御する第一の制御、および操作量がゼロに戻される場合に操作量に基づいて電動機回転数を制御する第二の制御のいずれか一方に切り換えるように構成されていることを要旨とする。
【０００９】
本発明に従えば、操作手段をゼロに戻す場合の操作速度が速い場合に第一の制御に切り換え、操作速度が遅い場合に第二の制御に切り換えるようにすると、操作手段としての例えば操作レバーを戻し、中立位置を超えてさらに反対側に操作しても中立位置で電動機の回転が停止しないため、電動機の応答遅れを解消することができる。また、遅い操作速度で操作レバーが中立位置に戻された場合には、操作レバーの操作量に追従して電動機の回転数が制御されるため、従来の操作と同様に電動機を停止させることができる。
【００１０】
上記電動油圧回路において制御手段は、操作速度検出手段によって検出された操作速度が電動機の応答速度を超える場合に、第一の制御に切り換えるように構成することが好ましい。
【００１１】
また、上記制御手段は、操作速度検出手段によって検出された操作速度に応じて設定回転数に基づく制御期間を決定するように構成することができる。設定回転数で電動機を制御する期間を、操作速度に応じて決定するようにすれば、例えば電動機の応答速度を超えて速く操作されたときにのみ電動機を設定回転数で運転することができるようになる。
【００１２】
本発明において設定回転数とは、少なくとも操作手段の操作量に対する油圧ポンプの吐出流量が負荷にかかわらず安定して得られる回転数以上であって、具体的には最高回転速度の略３０％に相当する回転数である。
【００１３】
本発明の建設機械は、下部走行体と、その下部走行体に搭載される上部旋回体と、その上部旋回体に装備されるフロントアタッチメントとを有し、このフロントアタッチメントに上記油圧アクチュエータとしてバケットを駆動させるバケットシリンダが設けられ、このバケットシリンダ駆動用としての上記構成を有する電動油圧回路が上部旋回体に設けられていることを要旨とする。
【００１４】
本発明に従えば、バケットを短い周期で前後に振らして土砂のばらまき作業を行なう場合に、操作手段としての例えば操作レバーを中立位置を経由して往復操作してもその中立位置で電動機が停止しないため、電動機の応答遅れが解消されバケットを操作レバー通りに操作することができるようになる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面に示した実施の形態に基づいて本発明を詳細に説明する。
【００１６】
図１は、本発明に係る電動油圧回路の一実施形態を示したものである。
【００１７】
同図において、１は油圧アクチュエータとしての油圧シリンダであり、ヘッド側油室１ａとロッド側油室１ｂとを有し、この両油室１ａ，１ｂに対して圧油を給排することによって伸縮動作が行なわれるようになっている。
【００１８】
この油圧シリンダ１に圧油を供給する油圧ポンプとして定容量形の油圧ポンプ２が備えられており、油圧ポンプ２と油圧シリンダ１との間に切換弁としてのコントロールバルブ３が接続されている。
【００１９】
コントロールバルブ３は、バルブスプールの移動によって中立位置ａからシリンダ伸長位置ｂ、或いは中立位置ａからシリンダ縮小位置ｃへ切り換えられるようになっており、伸長側ソレノイド３ａおよび縮小側ソレノイド３ｂはそれぞれ制御手段としてのコントローラ４に接続されている。なお、中立位置ａには余剰の圧油をタンクＴに戻すためのブリードオフ回路３ｃが接続されている。
【００２０】
上記油圧ポンプ２は電動機５によって駆動され、この電動機５はインバータ６によって速度制御され、このインバータ６は上記コントローラ４によって制御されるようになっている。
【００２１】
このコントローラ４には操作手段としての操作レバー７が接続されており、この操作レバー７は、レバー７ａそのものと、レバー７ａの操作角を電気信号に変換する変換器７ｂとから構成されている。
【００２２】
このレバー７ａを中立位置からｄ方向に倒すと、操作角信号Ｓ1がコントローラ４のコントロールバルブ切換部４ａに与えられる。このコントロールバルブ切換部４ａはコントロールバルブ３の伸長側ソレノイド３ａに対し操作角に相当する切換信号Ｓ3を与え、コントロールバルブ３のバルブスプールを中立位置ａからｂ位置に切り換え、それにより油圧ポンプ２からの圧油が油圧シリンダ１のヘッド側油室１ａに供給されてロッド１ｃが伸長する。
【００２３】
これとは逆に、レバー７ａを中立位置からｅ方向に倒すと、操作角信号Ｓ2がコントロールバルブ切換部４ａに与えられ、コントロールバルブ３の縮小側ソレノイド３ｂに対して切換信号Ｓ4が与えられ、バルブスプールが中立位置ａからｃ位置に切り換えられ、油圧ポンプ２からの圧油が油圧シリンダ１のロッド側油室１ｂに供給されてロッド１ｃが縮小する。
【００２４】
そして中立位置を境としてレバー７ａをｄ方向側とｅ方向側とに往復させると、油圧シリンダ１のロッド１ｃが進退動作する。
【００２５】
上記コントローラ４の機能については後述するが、概略説明すると、レバー操作によって出力された操作角信号Ｓ1またはＳ2は、コントロールバルブ切換部４ａに与えられ、さらに操作速度検出手段としての操作速度演算部４ｂに与えられる。
【００２６】
この操作速度演算部４ｂはレバー７ａが操作されるとその操作速度を演算し、演算された操作速度を比較部４ｃに与えて電動機応答速度と比較し、その結果を制御手段としての回転速度制御部４ｄに与える。
【００２７】
この回転速度制御部４ｄは、比較結果に応じ回転速度特性記憶部４ｅに記憶されている電動機回転速度特性を選択し、その回転速度特性に従ってインバータ６に回転数信号Ｓ5を与え、それにより、インバータ６によって回転制御される電動機５の回転数が低速回転域（例えば100rpm）から高速回転域（例えば3000rpm）まで制御する。なお、図中８は逆止弁を示している。
【００２８】
図２は上記電動油圧回路が適用される油圧ショベルを示したものである。
【００２９】
同図において、１０は下部走行体、１１はこの下部走行体１０上に旋回自在に搭載された上部旋回体、１２はその上部旋回体１１の前部に装備された掘削アタッチメント（フロントアタッチメント）である。
【００３０】
この掘削アタッチメント１２はブーム１２ａと、このブーム１２ａを起伏させるブームシリンダ１２ｂと、ブーム１２ａの先端部に接続されるアーム１２ｃと、このアーム１２ｃを揺動させるアームシリンダ１２ｄと、アーム１２ｃの先端部に接続されるバケット１２ｅと、そのバケット１２ｅを押し、引き動作させるバケットシリンダ１２ｆとから構成されている。
【００３１】
なお、下部走行体１０は左右のクローラフレーム１０ａ（手前側のみ図示）にクローラ１０ｂが装着されており、このクローラ１０ｂは走行モータ１０ｃで駆動するようになっている。
【００３２】
図１に示した油圧回路は、この油圧ショベルにおける特定の、またはすべての油圧アクチュエータについて適用することができるが、特に、急な切換操作が行なわれるバケット駆動回路に適用することが好ましい。
【００３３】
以下、図１に示した電動油圧回路をそのバケット駆動回路に適用した場合について説明する。なお、以下の説明では油圧シリンダ１をバケットシリンダ１２と呼び、シリンダ伸長側をバケット引き側、シリンダ縮小側をバケット押し側として説明する。
【００３４】
上述したようにレバー７ａを操作することによってコントローラ４からバルブスプールの変位と電動機回転数が指令されるが、レバー７ａを急操作すると応答性の良いバルブスプールは追従するものの、応答性の悪い電動機５についてはその回転数がレバー操作に追従することができず、結果としてバルブスプールの変位も影響されてずれることになる。
【００３５】
具体的には、バケット１２ｅを振らして土砂のばらまき作業を行なう場合、中立位置を経由してレバー７ａの押し（ｅ方向）と引き（ｄ方向）を何度もすばやく切り換えることによりバケット１２ｅを振動させて土砂をまいていくが、従来の電動機回転数特性（図３の特性Ｎ参照）のようにレバー操作角が小さくなるのに比例して電動機回転速度も減じていくと、レバー７ａを＋側（バケット引き側）から−側（バケット押し側）に切り換えるときに一旦、電動機５が停止するため、−側に移行したときに電動機５の回転がすばやく立ち上がらず、バケットが緩慢に動作する。そうするとバケット１２ｅを小刻みに振動させることができなくなり、土砂を広範囲にばらまくという作業が行なえない。
【００３６】
そこで、本実施形態ではコントローラ４の回転速度特性記憶部４ｄに、図３に示す回転速度特性Ｍおよびブリードオフ特性Ｂを記憶している。
【００３７】
同図において横軸はレバー操作角（レバー操作量）を示し、中立位置“０”を境としてバケット引き側の操作範囲上限を＋１００％で示し、バケット押し側の操作範囲上限を−１００％で示している。また、縦軸は電動機回転速度とブリードオフ開口面積をそれぞれパーセントで示しており、回転速度上限としての100％は本実施形態ではおよそ3000rpmに相当する。
【００３８】
＋側の操作範囲において、回転速度特性Ｍ１は、レバー操作角度Ｌ１で回転速Ｎ１まで立ち上がり、レバー操作角Ｌ２までは定速回転となり、レバー操作角Ｌ２からはレバー操作角に比例して回転速度を増加するように設定されている。この回転速度特性Ｍ１は−側の操作範囲についても左右対称に設定されている（図中、回転速度特性Ｍ２参照）。
【００３９】
上記回転速度Ｎ１は中速域を若干下回る速度、具体的には1000rpmに設定されている。なお、本実施形態ではＮ１をフラットに設定しているが、漸次増加するように勾配を持っていてもよい。
【００４０】
一方、ブリードオフ特性Ｂ１は、レバー操作角が＋Ｌ１を下回る範囲では開口面積100％に開かれ、レバー操作角が増加するにつれて減じられ、レバー操作角が＋Ｌ２近辺で０％に閉じられる。従って−側のレバー操作範囲におけるブリードオフ特性Ｂ２も含むと、図中−Ｌ２〜＋Ｌ２の範囲Ｌがブリードオフ領域となる。
【００４１】
従来はレバー７ａを中立位置を経由して前後に切り換えると、その中立位置で電動機５の回転を一旦停止させていたため、−側に移行してレバー７ａの操作角を深くしても電動機５の回転速度が追従できずポンプ流量が不足していた。
【００４２】
これに対し、本発明のコントローラ４は、例えば＋側の操作範囲において回転速度特性Ｍ１に従って電動機５を回転制御するが、＋Ｌ１〜＋Ｌ２の範囲では回転数を中速域に近いＮ１に設定しており、さらに、中立位置を境としてレバー７ａを＋側から−側に急操作した場合には、レバー７ａが中立位置に戻されても回転速度をＮ１に保持する（図中、設定回転数としての設定回転速度Ｐ１参照）ようにしているため、−側に移行してレバー７ａを深く操作した場合に、電動機５の回転数は予め途中まで加速された状態とされているため、電動機５の応答遅れを少なくすることができる。
【００４３】
−側から＋側に操作する場合も同様に回転速度をＮ１に保持する（図中、設定回転数としての設定回転速度Ｐ２参照）。
【００４４】
上記設定回転速度Ｐ１，Ｐ２で電動機５を運転すると、レバー７ａが中立位置を跨がって操作されても電動機の応答遅れを解消することができる。
【００４５】
また、レバー７ａが中立位置を跨がって操作されるとき、コントロールバルブ３のバルブスプールはレバー７ａの操作に追従して中立位置ａに戻っているため、余剰の圧油はブリードオフ回路３ｃを通じてタンクＴに戻されることになる。
【００４６】
なお、レバー操作量が＋Ｌ１〜＋Ｌ２（または−Ｌ１〜−Ｌ２）の範囲では電動機回転速度とブリードオフ開口面積の関係が必ずしも比例していないが、圧力上昇あるいは圧力降下の勾配が若干急になる程度であり、実用上何ら問題はない。
【００４７】
また、本実施形態のコントローラ４は、レバー７ａの戻り速度に基づいて上記設定回転速度Ｐ１またはＰ２で運転する期間を制御するようにもなっている。
【００４８】
まず、電動機５の応答速度は、予め測定しておくことができる。すなわち、電動機の回転速度変化量をΔＮｄ、操作レバー７から指令が与えられて回転速度が指令された回転速度に到達するのに要した時間をΔｓｄとするとき、電動機の応答速度ＳはΔＮｄ／Δｓｄで求められる。
【００４９】
一方、操作速度演算部４ｂはレバー７ａが操作されたときにその操作速度を演算する。レバー７ａを戻り操作したときの指令回転速度の変化量をΔＮｄ´、戻し操作に要した時間をΔｓｄ´とするとき、レバー戻り速度Ｓ´をΔＮｄ´／Δｓｄ´から求める。
【００５０】
比較部４ｃは上記電動機の応答速度Ｓと操作速度Ｓ´とを比較し、その結果を回転速度制御部４ｄに与える。この回転速度制御部４ｄはレバー戻り速度Ｓ´が電動機応答速度Ｓよりも遅い場合は、第二の制御として回転速度特性記憶部４ｅに記憶されている電動機回転数特性Ｍに従って電動機５の回転数を制御する。この場合、レバー７ａを中立位置まで戻すと、レバー操作量が＋Ｌ２→＋Ｌ１の範囲については回転速度Ｎ１に保持され、レバー操作量が＋Ｌ１→ゼロの範囲についてはポイントｍ１からゼロに立ち下げられる。
【００５１】
一方、レバー戻り速度Ｓ´が電動機応答速度Ｓよりも速い場合は、第一の制御として回転速度特性記憶部４ｅに記憶されている、電動機回転数特性Ｍに設定回転数Ｐ１（またはＰ２）を付加した特性に従って電動機５の回転数を制御する。詳しくは、レバー操作量が＋Ｌ１を上回る範囲については第二の制御と同様に電動機回転速度特性Ｍに従って電動機５を制御するが、レバー操作量が＋Ｌ１を下回ると電動機回転数Ｎ１を一定期間保持するようにした設定回転数Ｐ１に従って電動機５を制御する。そしてこの設定回転数Ｐ１の保持期間をレバー戻り速度に比例させる。
【００５２】
具体的には、レバー操作を＋Ｌ３→＋Ｌ１まで戻し、それによって電動機回転数がＮ２変化したとする。そして＋Ｌ３→＋Ｌ１までに要したレバー操作時間がΔｓｄ´であると、Ｎ２／Δｓｄ´＞ΔＮｄ／Δｓｄである場合には設定回転数Ｐ１に保持する。この設定回転数Ｐ１の保持期間は、以下の式によって決定する。
【００５３】
レバー操作を＋Ｌ３→＋Ｌ１→−Ｌ１に連続操作したとき、具体的にはバケット１２ｅを引き側から中立位置を超えて押し側に操作したとき、＋Ｌ３→＋Ｌ１までレバー７ａが戻された時間がΔｓｄ´であると、＋Ｌ１→ゼロおよびゼロ→−Ｌ１すなわち２Ｌ１に要するレバー操作の時間はその比で求められるから
Δｓｄ´×２Ｌ１／（Ｌ３−Ｌ１）で求められる。
【００５４】
少なくともこの期間について設定回転数Ｐ１で電動機５を制御すれば、理論上、電動機５の応答遅れを解消することができる。ただし、実際の制御ではこれに余裕αを加え、
（１＋α）×Δｓｈ×２Ｌ１／（Ｌ３−Ｌ１）
で求められる期間について設定回転数Ｐ１で電動機５を制御する。
【００５５】
このようにコントローラ４は、電動機５の応答速度を超えて操作レバー７が戻し操作された場合に、レバー中立位置で電動機回転数をゼロに落とさずＮ１に保持するとともにその保持期間をレバー７ａの操作速度に応じて決めるように構成されている。
【００５６】
なお、上記実施形態では、レバー７ａの操作速度を検出する目的で横軸上に＋Ｌ３の計測点を設定したが、この計測点は＋Ｌ２で代用することもできる。この場合、コントローラ４の制御がより簡単になる。
【００５７】
また、上記実施形態ではレバー７ａを＋側から−側に操作する、具体的には伸ばしていたバケットシリンダ１２ｆを縮小させる場合を例にとり説明したが、レバー７ａを−側から＋側に操作する、具体的には縮小させていたバケットシリンダ１２ｆを伸長させる場合であっても上記と同様の制御、すなわち、レバー７ａが急操作され中立位置を横切る操作が行なわれた場合には、ポイントｍ２から電動機回転速度Ｎ１を一定期間保持する制御を行なうことになる。
【００５８】
本発明は、上記実施形態に示した建設機械に限らず、油圧アクチュエータ駆動用の油圧ポンプを電動機で駆動する任意の構成の建設機械に適用することができる。
【００５９】
【発明の効果】
以上説明したことから明らかなように、請求項１の本発明によれば、油圧ポンプを電動機で駆動し、その電動機の回転数を、操作手段からの指令に基づいて制御手段が制御する構成の電動油圧回路において、上記制御手段が、操作速度検出手段によって検出された操作速度に応じ、操作手段の操作量がゼロに戻される場合に電動機の回転数を設定回転数に制御する第一の制御、および操作量がゼロに戻される場合に操作量に基づいて電動機回転数を制御する第二の制御のいずれかに一方に切り換えるように構成したため、操作手段をゼロに戻す場合の操作速度が速い場合に第一の制御に切り換え、操作速度が遅い場合に第二の制御に切り換えるようにすると、操作手段としての例えば操作レバーを戻し、中立位置を超えてさらに反対側に操作しても中立位置で電動機の回転が停止しないため、電動機の応答遅れを解消することができる。また、遅い操作速度で操作レバーが中立位置に戻された場合には、操作レバーの操作量に追従して電動機の回転数が制御されるため、従来の操作と同様に電動機を停止させることができる。
【００６０】
請求項２の本発明によれば、上記制御手段を、操作速度検出手段によって検出された操作速度が電動機の応答速度を超える場合に第一の制御に切り換えるように構成したため、電動機の応答遅れを確実に解消することができる。
【００６１】
請求項３の本発明によれば、上記制御手段が、操作速度検出手段によって検出された操作速度に応じて設定回転数に基づく制御期間を決定するように構成されているため、電動機の応答速度を超えて操作手段が速く操作されたときにのみ電動機を設定回転数で運転することができるようになる。
【００６２】
請求項４の本発明によれば、下部走行体と、その下部走行体に搭載される上部旋回体と、その上部旋回体に装備されるフロントアタッチメントとを有する建設機械において、このフロントアタッチメントに上記油圧アクチュエータとしてバケットを駆動させるバケットシリンダを設け、このバケットシリンダ駆動用としての上記構成を有する電動油圧回路を設けたため、バケットを短い周期で前後に振らして土砂のばらまき作業を行なう場合に、操作手段としての例えば操作レバーを中立位置を経由して往復操作してもその中立位置で電動機が停止せず、電動機の応答遅れが解消され、バケットを操作レバー通りに操作することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る電動油圧回路図である。
【図２】本発明の電動油圧回路が適用される建設機械の外観図である。
【図３】図１に示すコントローラによって制御される電動機の回転数特性図である。
【符号の説明】
１ 油圧シリンダ
２ 油圧ポンプ
３ コントロールバルブ
４ コントローラ
４ａ コントロールバルブ切換部
４ｂ 操作速度演算部
４ｃ 比較部
４ｄ 回転速度制御部
４ｅ 回転速度特性記憶部
５ 電動機
６ インバータ
７ 操作レバー
７ａ レバー
１０ 下部走行体
１１ 上部旋回体
１２ 掘削アタッチメント
【発明の属する技術分野】
本発明は、油圧アクチュエータ用の油圧ポンプを電動機で駆動する構成の電動油圧回路及びそれを備えた建設機械に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、油圧ショベルやクレーン等の建設機械において、電動機で油圧ポンプを駆動し、この油圧ポンプから吐出される圧油によって油圧シリンダ、油圧モータ等の油圧アクチュエータを駆動させる電動駆動式の油圧回路（以下、電動油圧回路と呼ぶ）を搭載したものが知られている。
【０００３】
この種の電動油圧回路では、操作レバー（あるいは操作ペダル等の操作手段）を操作すると、その操作角が電気信号に変換され、この電気信号の大きさに応じてコントローラが電動機の回転速度を制御し、制御された回転速度に比例して油圧ポンプから圧油が吐出されるようになっている。
【０００４】
ところで、建設機械としての油圧ショベルは、上部旋回体に備えられた掘削アタッチメントを操作することにより、掘削作業以外に地面の均しを行なったり、土砂のばらまきを行なうことがある。
【０００５】
この土砂ばらまき作業は、例えば溝内に設置した配管上に土砂を被せるような場合などに実施されるものであり、バケットに土砂を蓄えておきアームを伸ばしつつバケットを短い周期で前後方向に素早く振らすという操作が行なわれる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このような操作が行なわれる建設機械に上記電動油圧回路を搭載すると、コントロールバルブのスプールについては操作レバーの素早い往復操作に追従して切り換わることができるが、電動機については操作レバーの中立位置で一旦回転が停止するため、操作レバーがさらに中立位置から反対側に操作された場合に応答性の遅い電動機では回転速度が追従できず、所望の回転数に達しない中途半端な回転数で留まってしまう。それにより、バケットが前後方向に素早く振れなくなり、土砂のばらまき作業ができなくなるという不都合が発生する。
【０００７】
本発明は以上のような電動油圧回路を搭載した従来の油圧ショベルにおける課題を考慮してなされたものであり、操作レバーの操作量が小さい範囲、特に操作レバーを往復切り換え操作する際の操作レバー中立位置近傍で生じる電動機の応答遅れを解消することのできる電動油圧回路およびそれを備えた建設機械を提供するものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の電動油圧回路は、電動機で駆動する油圧ポンプと、この油圧ポンプから吐出される圧油の方向と流量を切り換える切換弁と、この切換弁によって制御された圧油が供給される油圧アクチュエータと、切換弁に切換え指令を与えるとともに電動機に回転数を指令する操作手段と、この操作手段からの指令に基づいて電動機の回転数を制御する制御手段と、操作手段の操作速度を検出する操作速度検出手段とを備え、上記制御手段は、操作速度検出手段によって検出された操作速度に応じ、操作手段の操作量がゼロに戻される場合に電動機の回転数を設定回転数に制御する第一の制御、および操作量がゼロに戻される場合に操作量に基づいて電動機回転数を制御する第二の制御のいずれか一方に切り換えるように構成されていることを要旨とする。
【０００９】
本発明に従えば、操作手段をゼロに戻す場合の操作速度が速い場合に第一の制御に切り換え、操作速度が遅い場合に第二の制御に切り換えるようにすると、操作手段としての例えば操作レバーを戻し、中立位置を超えてさらに反対側に操作しても中立位置で電動機の回転が停止しないため、電動機の応答遅れを解消することができる。また、遅い操作速度で操作レバーが中立位置に戻された場合には、操作レバーの操作量に追従して電動機の回転数が制御されるため、従来の操作と同様に電動機を停止させることができる。
【００１０】
上記電動油圧回路において制御手段は、操作速度検出手段によって検出された操作速度が電動機の応答速度を超える場合に、第一の制御に切り換えるように構成することが好ましい。
【００１１】
また、上記制御手段は、操作速度検出手段によって検出された操作速度に応じて設定回転数に基づく制御期間を決定するように構成することができる。設定回転数で電動機を制御する期間を、操作速度に応じて決定するようにすれば、例えば電動機の応答速度を超えて速く操作されたときにのみ電動機を設定回転数で運転することができるようになる。
【００１２】
本発明において設定回転数とは、少なくとも操作手段の操作量に対する油圧ポンプの吐出流量が負荷にかかわらず安定して得られる回転数以上であって、具体的には最高回転速度の略３０％に相当する回転数である。
【００１３】
本発明の建設機械は、下部走行体と、その下部走行体に搭載される上部旋回体と、その上部旋回体に装備されるフロントアタッチメントとを有し、このフロントアタッチメントに上記油圧アクチュエータとしてバケットを駆動させるバケットシリンダが設けられ、このバケットシリンダ駆動用としての上記構成を有する電動油圧回路が上部旋回体に設けられていることを要旨とする。
【００１４】
本発明に従えば、バケットを短い周期で前後に振らして土砂のばらまき作業を行なう場合に、操作手段としての例えば操作レバーを中立位置を経由して往復操作してもその中立位置で電動機が停止しないため、電動機の応答遅れが解消されバケットを操作レバー通りに操作することができるようになる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面に示した実施の形態に基づいて本発明を詳細に説明する。
【００１６】
図１は、本発明に係る電動油圧回路の一実施形態を示したものである。
【００１７】
同図において、１は油圧アクチュエータとしての油圧シリンダであり、ヘッド側油室１ａとロッド側油室１ｂとを有し、この両油室１ａ，１ｂに対して圧油を給排することによって伸縮動作が行なわれるようになっている。
【００１８】
この油圧シリンダ１に圧油を供給する油圧ポンプとして定容量形の油圧ポンプ２が備えられており、油圧ポンプ２と油圧シリンダ１との間に切換弁としてのコントロールバルブ３が接続されている。
【００１９】
コントロールバルブ３は、バルブスプールの移動によって中立位置ａからシリンダ伸長位置ｂ、或いは中立位置ａからシリンダ縮小位置ｃへ切り換えられるようになっており、伸長側ソレノイド３ａおよび縮小側ソレノイド３ｂはそれぞれ制御手段としてのコントローラ４に接続されている。なお、中立位置ａには余剰の圧油をタンクＴに戻すためのブリードオフ回路３ｃが接続されている。
【００２０】
上記油圧ポンプ２は電動機５によって駆動され、この電動機５はインバータ６によって速度制御され、このインバータ６は上記コントローラ４によって制御されるようになっている。
【００２１】
このコントローラ４には操作手段としての操作レバー７が接続されており、この操作レバー７は、レバー７ａそのものと、レバー７ａの操作角を電気信号に変換する変換器７ｂとから構成されている。
【００２２】
このレバー７ａを中立位置からｄ方向に倒すと、操作角信号Ｓ1がコントローラ４のコントロールバルブ切換部４ａに与えられる。このコントロールバルブ切換部４ａはコントロールバルブ３の伸長側ソレノイド３ａに対し操作角に相当する切換信号Ｓ3を与え、コントロールバルブ３のバルブスプールを中立位置ａからｂ位置に切り換え、それにより油圧ポンプ２からの圧油が油圧シリンダ１のヘッド側油室１ａに供給されてロッド１ｃが伸長する。
【００２３】
これとは逆に、レバー７ａを中立位置からｅ方向に倒すと、操作角信号Ｓ2がコントロールバルブ切換部４ａに与えられ、コントロールバルブ３の縮小側ソレノイド３ｂに対して切換信号Ｓ4が与えられ、バルブスプールが中立位置ａからｃ位置に切り換えられ、油圧ポンプ２からの圧油が油圧シリンダ１のロッド側油室１ｂに供給されてロッド１ｃが縮小する。
【００２４】
そして中立位置を境としてレバー７ａをｄ方向側とｅ方向側とに往復させると、油圧シリンダ１のロッド１ｃが進退動作する。
【００２５】
上記コントローラ４の機能については後述するが、概略説明すると、レバー操作によって出力された操作角信号Ｓ1またはＳ2は、コントロールバルブ切換部４ａに与えられ、さらに操作速度検出手段としての操作速度演算部４ｂに与えられる。
【００２６】
この操作速度演算部４ｂはレバー７ａが操作されるとその操作速度を演算し、演算された操作速度を比較部４ｃに与えて電動機応答速度と比較し、その結果を制御手段としての回転速度制御部４ｄに与える。
【００２７】
この回転速度制御部４ｄは、比較結果に応じ回転速度特性記憶部４ｅに記憶されている電動機回転速度特性を選択し、その回転速度特性に従ってインバータ６に回転数信号Ｓ5を与え、それにより、インバータ６によって回転制御される電動機５の回転数が低速回転域（例えば100rpm）から高速回転域（例えば3000rpm）まで制御する。なお、図中８は逆止弁を示している。
【００２８】
図２は上記電動油圧回路が適用される油圧ショベルを示したものである。
【００２９】
同図において、１０は下部走行体、１１はこの下部走行体１０上に旋回自在に搭載された上部旋回体、１２はその上部旋回体１１の前部に装備された掘削アタッチメント（フロントアタッチメント）である。
【００３０】
この掘削アタッチメント１２はブーム１２ａと、このブーム１２ａを起伏させるブームシリンダ１２ｂと、ブーム１２ａの先端部に接続されるアーム１２ｃと、このアーム１２ｃを揺動させるアームシリンダ１２ｄと、アーム１２ｃの先端部に接続されるバケット１２ｅと、そのバケット１２ｅを押し、引き動作させるバケットシリンダ１２ｆとから構成されている。
【００３１】
なお、下部走行体１０は左右のクローラフレーム１０ａ（手前側のみ図示）にクローラ１０ｂが装着されており、このクローラ１０ｂは走行モータ１０ｃで駆動するようになっている。
【００３２】
図１に示した油圧回路は、この油圧ショベルにおける特定の、またはすべての油圧アクチュエータについて適用することができるが、特に、急な切換操作が行なわれるバケット駆動回路に適用することが好ましい。
【００３３】
以下、図１に示した電動油圧回路をそのバケット駆動回路に適用した場合について説明する。なお、以下の説明では油圧シリンダ１をバケットシリンダ１２と呼び、シリンダ伸長側をバケット引き側、シリンダ縮小側をバケット押し側として説明する。
【００３４】
上述したようにレバー７ａを操作することによってコントローラ４からバルブスプールの変位と電動機回転数が指令されるが、レバー７ａを急操作すると応答性の良いバルブスプールは追従するものの、応答性の悪い電動機５についてはその回転数がレバー操作に追従することができず、結果としてバルブスプールの変位も影響されてずれることになる。
【００３５】
具体的には、バケット１２ｅを振らして土砂のばらまき作業を行なう場合、中立位置を経由してレバー７ａの押し（ｅ方向）と引き（ｄ方向）を何度もすばやく切り換えることによりバケット１２ｅを振動させて土砂をまいていくが、従来の電動機回転数特性（図３の特性Ｎ参照）のようにレバー操作角が小さくなるのに比例して電動機回転速度も減じていくと、レバー７ａを＋側（バケット引き側）から−側（バケット押し側）に切り換えるときに一旦、電動機５が停止するため、−側に移行したときに電動機５の回転がすばやく立ち上がらず、バケットが緩慢に動作する。そうするとバケット１２ｅを小刻みに振動させることができなくなり、土砂を広範囲にばらまくという作業が行なえない。
【００３６】
そこで、本実施形態ではコントローラ４の回転速度特性記憶部４ｄに、図３に示す回転速度特性Ｍおよびブリードオフ特性Ｂを記憶している。
【００３７】
同図において横軸はレバー操作角（レバー操作量）を示し、中立位置“０”を境としてバケット引き側の操作範囲上限を＋１００％で示し、バケット押し側の操作範囲上限を−１００％で示している。また、縦軸は電動機回転速度とブリードオフ開口面積をそれぞれパーセントで示しており、回転速度上限としての100％は本実施形態ではおよそ3000rpmに相当する。
【００３８】
＋側の操作範囲において、回転速度特性Ｍ１は、レバー操作角度Ｌ１で回転速Ｎ１まで立ち上がり、レバー操作角Ｌ２までは定速回転となり、レバー操作角Ｌ２からはレバー操作角に比例して回転速度を増加するように設定されている。この回転速度特性Ｍ１は−側の操作範囲についても左右対称に設定されている（図中、回転速度特性Ｍ２参照）。
【００３９】
上記回転速度Ｎ１は中速域を若干下回る速度、具体的には1000rpmに設定されている。なお、本実施形態ではＮ１をフラットに設定しているが、漸次増加するように勾配を持っていてもよい。
【００４０】
一方、ブリードオフ特性Ｂ１は、レバー操作角が＋Ｌ１を下回る範囲では開口面積100％に開かれ、レバー操作角が増加するにつれて減じられ、レバー操作角が＋Ｌ２近辺で０％に閉じられる。従って−側のレバー操作範囲におけるブリードオフ特性Ｂ２も含むと、図中−Ｌ２〜＋Ｌ２の範囲Ｌがブリードオフ領域となる。
【００４１】
従来はレバー７ａを中立位置を経由して前後に切り換えると、その中立位置で電動機５の回転を一旦停止させていたため、−側に移行してレバー７ａの操作角を深くしても電動機５の回転速度が追従できずポンプ流量が不足していた。
【００４２】
これに対し、本発明のコントローラ４は、例えば＋側の操作範囲において回転速度特性Ｍ１に従って電動機５を回転制御するが、＋Ｌ１〜＋Ｌ２の範囲では回転数を中速域に近いＮ１に設定しており、さらに、中立位置を境としてレバー７ａを＋側から−側に急操作した場合には、レバー７ａが中立位置に戻されても回転速度をＮ１に保持する（図中、設定回転数としての設定回転速度Ｐ１参照）ようにしているため、−側に移行してレバー７ａを深く操作した場合に、電動機５の回転数は予め途中まで加速された状態とされているため、電動機５の応答遅れを少なくすることができる。
【００４３】
−側から＋側に操作する場合も同様に回転速度をＮ１に保持する（図中、設定回転数としての設定回転速度Ｐ２参照）。
【００４４】
上記設定回転速度Ｐ１，Ｐ２で電動機５を運転すると、レバー７ａが中立位置を跨がって操作されても電動機の応答遅れを解消することができる。
【００４５】
また、レバー７ａが中立位置を跨がって操作されるとき、コントロールバルブ３のバルブスプールはレバー７ａの操作に追従して中立位置ａに戻っているため、余剰の圧油はブリードオフ回路３ｃを通じてタンクＴに戻されることになる。
【００４６】
なお、レバー操作量が＋Ｌ１〜＋Ｌ２（または−Ｌ１〜−Ｌ２）の範囲では電動機回転速度とブリードオフ開口面積の関係が必ずしも比例していないが、圧力上昇あるいは圧力降下の勾配が若干急になる程度であり、実用上何ら問題はない。
【００４７】
また、本実施形態のコントローラ４は、レバー７ａの戻り速度に基づいて上記設定回転速度Ｐ１またはＰ２で運転する期間を制御するようにもなっている。
【００４８】
まず、電動機５の応答速度は、予め測定しておくことができる。すなわち、電動機の回転速度変化量をΔＮｄ、操作レバー７から指令が与えられて回転速度が指令された回転速度に到達するのに要した時間をΔｓｄとするとき、電動機の応答速度ＳはΔＮｄ／Δｓｄで求められる。
【００４９】
一方、操作速度演算部４ｂはレバー７ａが操作されたときにその操作速度を演算する。レバー７ａを戻り操作したときの指令回転速度の変化量をΔＮｄ´、戻し操作に要した時間をΔｓｄ´とするとき、レバー戻り速度Ｓ´をΔＮｄ´／Δｓｄ´から求める。
【００５０】
比較部４ｃは上記電動機の応答速度Ｓと操作速度Ｓ´とを比較し、その結果を回転速度制御部４ｄに与える。この回転速度制御部４ｄはレバー戻り速度Ｓ´が電動機応答速度Ｓよりも遅い場合は、第二の制御として回転速度特性記憶部４ｅに記憶されている電動機回転数特性Ｍに従って電動機５の回転数を制御する。この場合、レバー７ａを中立位置まで戻すと、レバー操作量が＋Ｌ２→＋Ｌ１の範囲については回転速度Ｎ１に保持され、レバー操作量が＋Ｌ１→ゼロの範囲についてはポイントｍ１からゼロに立ち下げられる。
【００５１】
一方、レバー戻り速度Ｓ´が電動機応答速度Ｓよりも速い場合は、第一の制御として回転速度特性記憶部４ｅに記憶されている、電動機回転数特性Ｍに設定回転数Ｐ１（またはＰ２）を付加した特性に従って電動機５の回転数を制御する。詳しくは、レバー操作量が＋Ｌ１を上回る範囲については第二の制御と同様に電動機回転速度特性Ｍに従って電動機５を制御するが、レバー操作量が＋Ｌ１を下回ると電動機回転数Ｎ１を一定期間保持するようにした設定回転数Ｐ１に従って電動機５を制御する。そしてこの設定回転数Ｐ１の保持期間をレバー戻り速度に比例させる。
【００５２】
具体的には、レバー操作を＋Ｌ３→＋Ｌ１まで戻し、それによって電動機回転数がＮ２変化したとする。そして＋Ｌ３→＋Ｌ１までに要したレバー操作時間がΔｓｄ´であると、Ｎ２／Δｓｄ´＞ΔＮｄ／Δｓｄである場合には設定回転数Ｐ１に保持する。この設定回転数Ｐ１の保持期間は、以下の式によって決定する。
【００５３】
レバー操作を＋Ｌ３→＋Ｌ１→−Ｌ１に連続操作したとき、具体的にはバケット１２ｅを引き側から中立位置を超えて押し側に操作したとき、＋Ｌ３→＋Ｌ１までレバー７ａが戻された時間がΔｓｄ´であると、＋Ｌ１→ゼロおよびゼロ→−Ｌ１すなわち２Ｌ１に要するレバー操作の時間はその比で求められるから
Δｓｄ´×２Ｌ１／（Ｌ３−Ｌ１）で求められる。
【００５４】
少なくともこの期間について設定回転数Ｐ１で電動機５を制御すれば、理論上、電動機５の応答遅れを解消することができる。ただし、実際の制御ではこれに余裕αを加え、
（１＋α）×Δｓｈ×２Ｌ１／（Ｌ３−Ｌ１）
で求められる期間について設定回転数Ｐ１で電動機５を制御する。
【００５５】
このようにコントローラ４は、電動機５の応答速度を超えて操作レバー７が戻し操作された場合に、レバー中立位置で電動機回転数をゼロに落とさずＮ１に保持するとともにその保持期間をレバー７ａの操作速度に応じて決めるように構成されている。
【００５６】
なお、上記実施形態では、レバー７ａの操作速度を検出する目的で横軸上に＋Ｌ３の計測点を設定したが、この計測点は＋Ｌ２で代用することもできる。この場合、コントローラ４の制御がより簡単になる。
【００５７】
また、上記実施形態ではレバー７ａを＋側から−側に操作する、具体的には伸ばしていたバケットシリンダ１２ｆを縮小させる場合を例にとり説明したが、レバー７ａを−側から＋側に操作する、具体的には縮小させていたバケットシリンダ１２ｆを伸長させる場合であっても上記と同様の制御、すなわち、レバー７ａが急操作され中立位置を横切る操作が行なわれた場合には、ポイントｍ２から電動機回転速度Ｎ１を一定期間保持する制御を行なうことになる。
【００５８】
本発明は、上記実施形態に示した建設機械に限らず、油圧アクチュエータ駆動用の油圧ポンプを電動機で駆動する任意の構成の建設機械に適用することができる。
【００５９】
【発明の効果】
以上説明したことから明らかなように、請求項１の本発明によれば、油圧ポンプを電動機で駆動し、その電動機の回転数を、操作手段からの指令に基づいて制御手段が制御する構成の電動油圧回路において、上記制御手段が、操作速度検出手段によって検出された操作速度に応じ、操作手段の操作量がゼロに戻される場合に電動機の回転数を設定回転数に制御する第一の制御、および操作量がゼロに戻される場合に操作量に基づいて電動機回転数を制御する第二の制御のいずれかに一方に切り換えるように構成したため、操作手段をゼロに戻す場合の操作速度が速い場合に第一の制御に切り換え、操作速度が遅い場合に第二の制御に切り換えるようにすると、操作手段としての例えば操作レバーを戻し、中立位置を超えてさらに反対側に操作しても中立位置で電動機の回転が停止しないため、電動機の応答遅れを解消することができる。また、遅い操作速度で操作レバーが中立位置に戻された場合には、操作レバーの操作量に追従して電動機の回転数が制御されるため、従来の操作と同様に電動機を停止させることができる。
【００６０】
請求項２の本発明によれば、上記制御手段を、操作速度検出手段によって検出された操作速度が電動機の応答速度を超える場合に第一の制御に切り換えるように構成したため、電動機の応答遅れを確実に解消することができる。
【００６１】
請求項３の本発明によれば、上記制御手段が、操作速度検出手段によって検出された操作速度に応じて設定回転数に基づく制御期間を決定するように構成されているため、電動機の応答速度を超えて操作手段が速く操作されたときにのみ電動機を設定回転数で運転することができるようになる。
【００６２】
請求項４の本発明によれば、下部走行体と、その下部走行体に搭載される上部旋回体と、その上部旋回体に装備されるフロントアタッチメントとを有する建設機械において、このフロントアタッチメントに上記油圧アクチュエータとしてバケットを駆動させるバケットシリンダを設け、このバケットシリンダ駆動用としての上記構成を有する電動油圧回路を設けたため、バケットを短い周期で前後に振らして土砂のばらまき作業を行なう場合に、操作手段としての例えば操作レバーを中立位置を経由して往復操作してもその中立位置で電動機が停止せず、電動機の応答遅れが解消され、バケットを操作レバー通りに操作することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る電動油圧回路図である。
【図２】本発明の電動油圧回路が適用される建設機械の外観図である。
【図３】図１に示すコントローラによって制御される電動機の回転数特性図である。
【符号の説明】
１ 油圧シリンダ
２ 油圧ポンプ
３ コントロールバルブ
４ コントローラ
４ａ コントロールバルブ切換部
４ｂ 操作速度演算部
４ｃ 比較部
４ｄ 回転速度制御部
４ｅ 回転速度特性記憶部
５ 電動機
６ インバータ
７ 操作レバー
７ａ レバー
１０ 下部走行体
１１ 上部旋回体
１２ 掘削アタッチメント
Claims (4)
- 電動機で駆動する油圧ポンプと、この油圧ポンプから吐出される圧油の方向と流量を切り換える切換弁と、この切換弁によって制御された圧油が供給される油圧アクチュエータと、上記切換弁に切換え指令を与えるとともに上記電動機に回転数を指令する操作手段と、この操作手段からの指令に基づいて上記電動機の回転数を制御する制御手段と、上記操作手段の操作速度を検出する操作速度検出手段とを備え、
上記制御手段は、上記操作速度検出手段によって検出された操作速度に応じ、上記操作手段の操作量がゼロに戻される場合に上記電動機の回転数を設定回転数に制御する第一の制御、および操作量がゼロに戻される場合に操作量に基づいて上記電動機回転数を制御する第二の制御のいずれか一方に切り換えるように構成されていることを特徴とする電動油圧回路。 - 上記制御手段は、上記操作速度検出手段によって検出された操作速度が上記電動機の応答速度を超える場合に、上記第一の制御に切り換える請求項１記載の電動油圧回路。
- 上記制御手段は、上記操作速度検出手段によって検出された操作速度に応じて上記設定回転数に基づく制御期間を決定するように構成されている請求項１または２記載の電動油圧回路。
- 下部走行体と、その下部走行体に搭載される上部旋回体と、その上部旋回体に装備されるフロントアタッチメントとを有し、このフロントアタッチメントに上記油圧アクチュエータとしてバケットを駆動させるバケットシリンダが設けられ、このバケットシリンダ駆動用としての請求項１〜３のいずれかに記載の電動油圧回路が上部旋回体に設けられていることを特徴とする電動油圧回路を備えた建設機械。
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