JP3870684B2

JP3870684B2 - ショベル

Info

Publication number: JP3870684B2
Application number: JP2000299499A
Authority: JP
Inventors: 英昭吉松
Original assignee: Kobelco Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Kobelco Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 2000-09-29
Filing date: 2000-09-29
Publication date: 2007-01-24
Anticipated expiration: 2020-09-29
Also published as: JP2002105985A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電動機を駆動源として走行、旋回、掘削（ブーム、アーム、バケット）の各動作を行う掘削機械としてのショベルに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、油圧ショベルと称される一般的なショベルは、下部走行体（通常はクローラ）に上部旋回体を搭載し、この上部旋回体に、ブームとアームとバケットを備えた作業（掘削）アタッチメントを取付けて構成し、上部旋回体に設置されたエンジンを動力源として油圧ポンプを回転させ、その吐出油を油圧アクチュエータ（油圧モータまたは油圧シリンダ）に供給してブーム、アーム、バケット、走行、旋回の各動作を行わせるように構成している。
【０００３】
しかし、この従来の油圧ショベルは、エンジンでポンプを駆動し、このポンプからの圧油をコントロールバルブ経由で油圧アクチュエータに供給する構成をとっているため、油圧制御のための損失が大きくなり、エンジンにかかる負担が大きくて燃費が悪く、排ガス、騒音の問題を抱えている。
【０００４】
そこで、最近、エンジンで発電機を駆動して電動機を回転させ、この電動機で油圧ポンプを回転させる所謂ハイブリッド方式のショベルが提案されている（たとえば特願２０００−１５１４２３号参照）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記公知技術によると、次のような問題があった。
【０００６】
▲１▼ 掘削時には、多くの場合、アーム及びバケットによって掘削しながらブームを上げまたは下げる複合動作が行われる。このとき、相対的に、主たる掘削動作を行うアーム及びバケット両シリンダは高圧となるが、アタッチメントの昇降を行うブームシリンダは、アタッチメントの自重の影響が大きいためアーム、バケット両シリンダほど高圧にならない。
【０００７】
この場合、公知技術では、ブームシリンダとバケットシリンダが同一のポンプによって駆動されるため、バケットシリンダの圧力まで上がったポンプ吐出油をコントロールバルブで降圧してブームシリンダに供給しなければならず、ここに圧力（エネルギー）損失が生じる。
【０００８】
▲２▼ ブーム、アーム、バケット各シリンダのすべてについてコントロールバルブの開度制御（開回路制御）によって作動速度を制御する構成をとっているため、これらに作用するアタッチメント自重による大きな重力を制動する際に動力として回生できない。とくに、作業アタッチメント全体の重量が作用するブームには、大きな重力が作用するが、ブーム下降時に動力回生できず、この点でもエネルギーの無駄となる。
【０００９】
なお、アタッチメント用各シリンダについてコントロールバルブを廃し、電動機の回転方向と回転速度によって作動方向と作動速度を制御する構成をとることが考えられる。しかし、こうするとシリンダ伸縮切換時の応答性が悪くなるため、とくにアーム、バケット両シリンダの小刻みな伸縮切換を要する作業（泥落とし作業や土砂のばらまき作業）ができなくなる。
【００１０】
そこで本発明は、エネルギー損失を抑え、しかも必要な応答性を確保することができるショベルを提供するものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、下部走行体上に上部旋回体が縦軸まわりに旋回自在に搭載され、この上部旋回体に、ブームと、このブームの先端に取付けられたアームと、このアームの先端に取付けられたバケットを備えた作業アタッチメントが起伏自在に取付けられたショベルにおいて、上記ブーム、アーム、バケットを個別に駆動するブームシリンダ、アームシリンダ、バケットシリンダと、上記ブームシリンダの油圧源としての第１ポンプと、上記アームシリンダ及びバケットシリンダの油圧源としての第２ポンプと、この第２ポンプと上記アームシリンダ及びバケットシリンダとの間に設けられたコントロールバルブと、上記第１ポンプを駆動する第１電動機と、上記第２ポンプを駆動する第２電動機とを具備し、上記ブームシリンダは、上記第１電動機の回転方向と回転速度によって作動方向と作動速度が制御され、上記アームシリンダ及びバケットシリンダは、上記第２電動機の回転速度と上記コントロールバルブによって作動速度が制御されるとともに、コントロールバルブによって作動方向が制御されるように構成されたものである。
【００１２】
請求項２の発明は、請求項１の構成において、第２ポンプとして、アームシリンダを駆動するアーム用ポンプとバケットシリンダを駆動するバケット用ポンプが別々に設けられたものである。
【００１３】
請求項３の発明は、請求項２の構成において、第２電動機として、アーム用ポンプを駆動するアーム用電動機と、バケット用ポンプを駆動するバケット用電動機が設けられたものである。
【００１４】
請求項４の発明は、請求項２または３の構成において、下部走行体として、油圧モータを駆動源とする左右のクローラを備え、この左右両クローラを個別に駆動する走行モータのうち一方の走行モータがアーム用ポンプに、他方の走行モータがバケット用ポンプに、それぞれ回転方向を制御するコントロールバルブを介して接続されたものである。
【００１５】
請求項５の発明は、請求項１乃至４のいずれかの構成において、上部旋回体の駆動源として電動機が用いられ、この電動機の回転力が減速機により減速されて旋回機構に伝えられるように構成されたものである。
【００１６】
請求項６の発明は、請求項１乃至５のいずれかの構成において、各電動機の電源としてバッテリが用いられたものである。
【００１７】
請求項７の発明は、請求項１乃至５のいずれかの構成において、各電動機の電源として、原動機によって駆動される発電機と、この発電機からの余剰電力及び電動機からの回生電力を蓄えるバッテリが用いられたものである。
【００１８】
上記構成によると、
（Ａ）掘削時に相対的に低圧側となるブームシリンダと、高圧側となるアームシリンダ及びバケットシリンダを別々のポンプ（前者は第１ポンプ、後者は第２ポンプ）で駆動するため、これらの複合操作時に、高圧のポンプ吐出油を降圧してブームシリンダに供給するといった圧力損失がなくなる。
【００１９】
とくに、請求項２の構成によると、アームシリンダとバケットシリンダをも別ポンプで駆動するため、両者の流量制御をそれぞれ独立して行い得ることでより省エネルギーとなる。
【００２０】
（Ｂ）アタッチメント自重による大きな重力が作用するブームシリンダは、コントロールバルブ無しでポンプに直結しているため、ブーム下げ時のアタッチメントの位置エネルギーをポンプ、電動機を通じて動力として回生することができる。
【００２１】
（Ｃ）アームシリンダ及びバケットシリンダについては、コントロールバルブで作動方向を制御するため、泥落としやばらまき作業といった小刻みな動きを要する作業時に高い応答性を確保することができる。
【００２２】
また、請求項３の構成によると、アーム用ポンプとバケット用ポンプを別々の電動機で駆動するため、アームシリンダとバケットシリンダの流量制御を行う場合に、それぞれの電動機の回転速度制御でそれぞれのポンプの吐出量を制御できるため、アームシリンダとバケットシリンダの速度が異なっても損失が少なくなる。
【００２３】
請求項４の構成によると、左右の走行モータをアーム用、バケット用ポンプによって駆動できるため、走行専用のポンプ及び電動機を装備する必要がなく、さらに省エネルギーとなる。
【００２４】
請求項５の構成によると、旋回系について油圧設備が一切不要となるため、エネルギーの伝達効率が良くなるとともに、旋回減速時の慣性力を動力として回生することができる。
【００２５】
請求項６の構成によると、バッテリを電動機の電源とするため、エンジンが不要となり、燃費、騒音の問題がなくなる。また、請求項１〜５の構成によって上記のようにショベル全体として省エネルギーとなるため、バッテリの持ちが良くなる（一回の充電で連続使用できる時間長くなる）。
【００２６】
これに対し、請求項７の構成によると、電源として、原動機（従来通りエンジンでもよいし、ガスタービン等の他の原動機でもよい）で駆動される発電機とバッテリを併備しているため、基本的に充電の必要がなく、長期連続使用が可能となる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
図４にこの実施形態にかかるショベル全体を示している。
【００２８】
同図において、１はクローラ式の下部走行体で、この下部走行体１上に上部旋回体２が縦軸まわりに旋回自在に搭載され、この上部旋回体２の前部に、ブーム３と、このブーム３の先端に設けられたアーム４と、このアーム４の先端に設けられたバケット５を備え、かつ、ブーム起伏用のブームシリンダ６、アーム作動用のアームシリンダ７、バケット作動用のバケットシリンダ８が設けられた作業アタッチメント９が装着されている。
【００２９】
上部旋回体２には、動力源としてのエンジン１０と、このエンジン１０によって駆動される発電機１１と、バッテリ１２と、ブーム用、アーム・右走行用、バケット・左走行用の各電動機１３，１４，１５、それに旋回用の電動機１６と、この旋回用電動機１６を除く各電動機１３，１４，１５によって駆動されるブーム用、アーム・右走行用、バケット・左走行用の各ポンプ１７，１８，１９が設置されている。
【００３０】
一方、旋回用電動機１６の回転力は、減速機２０により減速されて図示しない旋回機構（旋回歯車）に直接、旋回力として伝えられる。
【００３１】
また、下部走行体１には、走行駆動源としての右走行用及び左走行用両油圧モータ（走行モータ）２１，２２が設けられている。
【００３２】
図１はこのショベルの駆動系及び制御系の構成を示している。
【００３３】
同図に示すように、エンジン１０の出力は発電機１１に伝えられ、この発電機１１で作られた電力が、発電機用制御器２３及び電動機制御用の制御器２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄを介して各電動機１３，１４，１５，１６に加えられてこれらが回転し、これによって各ポンプ１７，１８，１９，２０が駆動される。
【００３４】
また、発電機１１で作られた電力のうち、作業時に必要な動力との関係で余った分はバッテリ１２に蓄えられ、必要に応じてこのバッテリ１２の蓄電力が電動機電源として用いられる。
【００３５】
このようにバッテリ１２の蓄電力で動力を補充する構成をとることにより、エンジンで油圧ポンプを駆動する純油圧式をとる場合と比較して、エンジンを小形化できるとともに、エンジン負荷を平滑化し、騒音及び排ガスを削減することができる。
【００３６】
一方、操作装置として、ブーム、右走行、アーム、バケット、左走行、旋回各レバー２５，２６，２７，２８，２９，３０が設けられ、この各レバー２５〜３０の操作により、図示しない信号変換器（たとえばポテンショメータ）からレバー操作量及び操作方向に応じた操作信号ａ１，ａ２，ａ３，ａ４，ａ５，ａ６がコントローラ３１に向けて出力される。
【００３７】
このコントローラ３１は、上記操作信号に基づき、右走行モータ用、アームシリンダ用、バケットシリンダ用、左走行用各コントロールバルブ３２，３３，３４，３５にバルブ作動信号ｂ１，ｂ２，ｂ３，ｂ４を出力するとともに、各電動機１３〜１６（制御器２４…）に回転数指令信号ｃ１，ｃ２，ｃ３，ｃ４を出力する。
【００３８】
これにより、コントロールバルブ３２〜３５がレバー操作方向に応じた方向に、レバー操作量に応じたストロークで切換作動すると同時に、電動機１３〜１６がレバー操作量に応じた回転数で回転する。
【００３９】
ここで、アーム・右走行用ポンプ１８及びバケット左走行用ポンプ１９（第２ポンプ）を駆動するアーム・右走行用電動機１４及びバケット・左走行用両電動機１５（第２電動機）は、レバー操作方向に関係なく常に一定方向に回転する。これに対し、ブーム用ポンプ１７（第１ポンプ）を駆動するブーム用電動機１３（第１電動機）は、レバー操作方向に応じて回転方向が変化するように構成されている。
【００４０】
一方、ブーム用ポンプ１７には、図２にも示すように、油の吐出方向が電動機１３の回転方向によって変化する双方向吐出ポンプが用いられ、このポンプ１７の回転方向（油吐出方向）と回転数（油吐出量）によってブームシリンダ６の伸縮作動方向と作動速度が変化するように、ブーム用ポンプ１７の片側ポートがブームシリンダ６のヘッド側管路３７に、他方のポートが同ロッド側管路３８にそれぞれ接続されてブームシリンダ回路が構成されている。
【００４１】
また、図２中、３６はブーム用ポンプ１７にタンデムに接続された副ブーム用ポンプで、この副ブーム用ポンプ３６の片側ポートはブームシリンダ６のヘッド側管路３７に、他方のポートはタンクＴにそれぞれ接続されている。
【００４２】
ブームシリンダ６のヘッド側及びロッド側両油室６ａ，６ｂはピストンロッドの分の断面積差がある（ロッド側油室６ｂの方がヘッド側油室６ａよりも小さい）ため、シリンダ６の伸縮に対してヘッド側とロッド側で流量差が生じる。
【００４３】
この場合、このブームシリンダ回路においては、シリンダ伸長時に副ブーム用ポンプ３６からの圧油がブーム用ポンプ１７からの圧油に合流してヘッド側油室６ａに供給されることにより上記流量差が解消される。
【００４４】
３９，４０は両側管路３７，３８に設けたパイロットチェック弁等の停止保持弁である（パイロット回路については記載を省略する）。
【００４５】
一方、他のポンプ１８，１９には、吐出方向が一定の一方向吐出ポンプが用いられ、同ポンプ１８，１９で駆動される各アクチュエータ（右走行モータ２１、アームシリンダ７、バケットシリンダ８、左走行モータ２２）については、電動機１４，１５の回転数とコントロールバルブ３２，３３，３４，３５の開度によって作動速度が変化し、コントロールバルブ３２〜３５の切換方向によって作動方向が変化するように回路が構成されている。
【００４６】
このブームシリンダ回路以外のアクチュエータ回路の具体例を図３に示している。
【００４７】
この回路においては、基本的には、図１に示すようにアーム・右走行用ポンプ１８からの油によって図右側の右走行モータ２１とアームシリンダ７が駆動され、バケット・左走行用ポンプ１９からの油によって図左側の左走行モータ２２とバケットシリンダ８が駆動される。
【００４８】
図右側のアーム系、及び図左側のバケット系においては、それぞれ走行用コントロールバルブ３２，３５とアーム用、バケット用コントロールバルブ３３，３４がタンデムに接続され、かつ、それぞれのバイパス通路を貫いてバイパスライン４１，４２が設けられるとともに、このバイパスライン４１，４２における走行用コントロールバルブ３２，３５の下流側に油供給ライン４３，４４が接続されている。
【００４９】
なお、両ポンプ１８，１９と両走行用コントロールバルブ３２，３５との間に走行直進弁４５が設けられ、たとえば走行しながらアームを押し・引きする等の複合操作が行われたときに、この走行直進弁４５が図示の通常位置イから直進位置ロに切換わる。これにより、バケット・左走行用ポンプ１９からの油が油供給ライン４３，４４を介してアーム、バケット両シリンダ７，８に向かって流れる一方で、アーム・右走行用ポンプ１８からの油が両走行用コントロールバルブ３２，３５を介して両走行モータ２１，２２にパラレルに流れるため、走行直進性が保たれる。
【００５０】
一方、上部旋回体２の旋回動作については、旋回用電動機１６の回転方向によって旋回方向が制御され、同電動機１６の回転数によって旋回速度が制御される。このため、旋回系について油圧設備が一切不要となり、エネルギーの伝達効率が良くなるとともに、旋回減速時の慣性力を制御器２４、発電機用制御器２３経由でバッテリ１２に電力として回収することができる。
【００５１】
このショベルにおいては、上記のように、
（イ）ブームシリンダ６については、ブーム用電動機１３（ブーム用ポンプ１７）の回転方向によって伸縮作動方向、同電動機１３（同ポンプ１７）の回転数によって作動速度をそれぞれ制御し、
（ロ）右走行モータ２１、アームシリンダ７，バケットシリンダ８、左走行モータ２２については、それぞれのコントロールバルブ３２，３３，３４，３５の作動方向によって作動方向、同バルブ３２〜３５の開度と電動機１４，１５，１６の回転数によって作動速度をそれぞれ制御する構成としている。
【００５２】
こうすれば、
▲１▼ 掘削時に相対的に低圧側となるブームシリンダ６と、高圧側となるバケットシリンダ８、あるいはアームシリンダ７を別々のポンプ１７，１８，１９で駆動するため、これらの複合操作時に、高圧のポンプ吐出油を降圧してブームシリンダ６に供給するといった圧力損失がなくなり、省エネルギーとなる。
【００５３】
しかも、アームシリンダ７とバケットシリンダ８をも別ポンプ１８，１９で駆動するため、これらの間の圧力干渉もなくなることで、より省エネルギーとなる。
【００５４】
▲２▼ アタッチメント自重による大きな重力が作用するブームシリンダ６は、他のアクチュエータと異なり、コントロールバルブ無しでポンプ１７に直結しているため、ブーム下げ時のアタッチメントの位置エネルギーをポンプ１７、電機１３、制御器２４，発電機用制御器２３を通じてバッテリ１２に回生電力として回収することができる。
【００５５】
▲３▼ アームシリンダ７及びバケットシリンダ８については、コントロールバルブ３３，３４で作動方向を制御するため、泥落としやばらまき作業といった小刻みな動きを要する作業時に高い応答性を確保することができる。
【００５６】
▲４▼ アーム・右走行用ポンプ１８とバケット・左走行用ポンプ１９を別々の電動機１４，１５で駆動するため、アームシリンダ７とバケットシリンダ８を完全に独立して操作することができる。このため、複合操作時の操作性が良くなるとともに、速度制御を独立して行い得ることでエネルギーロスがなくなる。
【００５７】
他の実施形態
（１）バケットシリンダ用コントロールバルブ３４の下流にアーム合流用コントロールバルブをタンデム回路で接続し、バケットシリンダ８を使用していないときにアームシリンダ７の流量を増やして速度を増加させ得るようにしてもよい。なお、タンデム回路であるため、バケットシリンダ用コントロールバルブ３４を切換えると、アーム合流用コントロールバルブには油が流れず、バケットシリンダ８とアームシリンダ７はほぼ独立して使用可能となる。
【００５８】
また、バケットシリンダ用コントロールバルブ３４とパラレル回路でアーム合流用コントロールバルブを接続し、バケットシリンダ用コントロールバルブ３４の操作信号でアーム合流用コントロールバルブの切換信号を低下させることにより、上記同様の作用を行わせることができる。
【００５９】
（２）アームシリンダ７とバケットシリンダ８を一つのポンプで駆動する構成としてもよい。
【００６０】
（３）旋回駆動手段として、電動機でポンプを駆動して旋回用油圧モータを回転させる構成をとってもよい。
【００６１】
（４）上記実施形態では、電源としてエンジン１０で駆動される発電機１１とバッテリ１２を用いる構成をとったが、バッテリのみを電源としてもよい。こうすれば、エンジン１０が不要となることでエンジン騒音、燃費の問題がなくなる。また、上記のようにショベル全体として省エネルギー構成をとっているため、バッテリの持ちが良く、一回の充電で連続使用できる時間が長くなる。
【００６２】
（５）各操作レバーは、電気信号を出力する代わりに、油圧リモコン弁としてリモコン圧力をセンサで検出し電気信号に変換することも可能であるし、電気出力の操作レバーと油圧リモコン弁を併用することも可能である。
【００６３】
【発明の効果】
上記のように本発明によるときは、掘削時に相対的に低圧側となるブームシリンダと、高圧側となるアームシリンダ及びバケットシリンダを別々のポンプで駆動する構成としたから、これらの複合操作時に、高圧のポンプ吐出油を降圧してブームシリンダに供給するといった圧力損失がなくなり、省エネルギーとなる。
【００６４】
とくに、請求項２の発明によるとアームシリンダとバケットシリンダをも別ポンプで駆動するため、これらの間の圧力干渉もなくなることで、より省エネルギーとなる。
【００６５】
また、アタッチメント自重による大きな重力が作用するブームシリンダは、コントロールバルブ無しでポンプに直結しているため、ブーム下げ時のアタッチメントの位置エネルギーをポンプ、電動機を通じて動力として回生することができる。
【００６６】
一方、アームシリンダ及びバケットシリンダについては、コントロールバルブで作動方向を制御するため、泥落としやばらまき作業といった小刻みな動きを要する作業時に高い応答性を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態にかかるショベル各部の駆動系及び制御系の構成を示す図である。
【図２】同ショベルにおけるブームシリンダの油圧回路図である。
【図３】同ショベルにおけるアーム、バケット両シリンダ及び走行モータの油圧回路図である。
【図４】同ショベルの全体概略側面図である。
【符号の説明】
１下部走行体
２上部旋回体
３ブーム
４アーム
５バケット
６ブームシリンダ
７アームシリンダ
８バケットシリンダ
９作業アタッチメント
２１右走行モータ
２２左走行モータ
１０エンジン
１１発電機
１２バッテリ
１３ブーム用電動機（第１電動機）
１７ブーム用ポンプ（第１ポンプ）
１４アーム・右走行用電動機（第２電動機）
１８アーム・右走行用ポンプ（第２ポンプ）
３２右走行用コントロールバルブ
３３アームシリンダ用コントロールバルブ
１５バケット・左走行用電動機（第２電動機）
１９バケット・左走行用ポンプ（第２ポンプ）
３４バケットシリンダ用コントロールバルブ
３５左走行用コントロールバルブ
１６旋回用電動機
２０減速機

Claims

下部走行体上に上部旋回体が縦軸まわりに旋回自在に搭載され、この上部旋回体に、ブームと、このブームの先端に取付けられたアームと、このアームの先端に取付けられたバケットを備えた作業アタッチメントが起伏自在に取付けられたショベルにおいて、上記ブーム、アーム、バケットを個別に駆動するブームシリンダ、アームシリンダ、バケットシリンダと、上記ブームシリンダの油圧源としての第１ポンプと、上記アームシリンダ及びバケットシリンダの油圧源としての第２ポンプと、この第２ポンプと上記アームシリンダ及びバケットシリンダとの間に設けられたコントロールバルブと、上記第１ポンプを駆動する第１電動機と、上記第２ポンプを駆動する第２電動機とを具備し、上記ブームシリンダは、上記第１電動機の回転方向と回転速度によって作動方向と作動速度が制御され、上記アームシリンダ及びバケットシリンダは、上記第２電動機の回転速度と上記コントロールバルブによって作動速度が制御されるとともに、コントロールバルブによって作動方向が制御されるように構成されたことを特徴とするショベル。
第２ポンプとして、アームシリンダを駆動するアーム用ポンプとバケットシリンダを駆動するバケット用ポンプが別々に設けられたことを特徴とする請求項１記載のショベル。
第２電動機として、アーム用ポンプを駆動するアーム用電動機と、バケット用ポンプを駆動するバケット用電動機が設けられたことを特徴とする請求項２記載のショベル。
下部走行体として、油圧モータを駆動源とする左右のクローラを備え、この左右両クローラを個別に駆動する走行モータのうち一方の走行モータがアーム用ポンプに、他方の走行モータがバケット用ポンプに、それぞれ回転方向を制御するコントロールバルブを介して接続されたことを特徴とする請求項２または３記載のショベル。
上部旋回体の駆動源として電動機が用いられ、この電動機の回転力が減速機により減速されて旋回機構に伝えられるように構成されたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のショベル。
各電動機の電源としてバッテリが用いられたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のショベル。
各電動機の電源として、原動機によって駆動される発電機と、この発電機からの余剰電力及び電動機からの回生電力を蓄えるバッテリが用いられたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のショベル。