JP4096901B2 - 作業機械の油圧制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は油圧ショベル等の作業機械の油圧制御装置に関するものである。
たとえば油圧ショベルにおいて、ポンプから吐出された油の一部(余剰分)をタンクに戻すブリードオフ制御が行なわれる。
このブリードオフ制御は、一般的にはアクチュエータごとに設けられたコントロールバルブにブリードオフ通路(センターバイパス通路)を設け、このブリードオフ通路の開口面積を、操作手段の操作量に応じて変化させることによって行なわれる。
ところが、このブリードオフ通路を設ける分、コントロールバルブがスプール軸方向に長くなるため、コスト面及び実機への組み込みの面で不利となる。
そこで従来、各コントロールバルブのブリードオフ通路を無くする一方、複数のコントロールバルブ(アクチュエータ)に共通の統一ブリードオフ弁を設ける技術が提案されている。
また、この統一ブリードオフ方式において、統一ブリードオフ弁として油圧パイロット弁を用い、コントローラによって制御される電磁比例弁の二次圧でこの統一ブリードオフ弁を制御する電子制御方式が公知となっている(たとえば特許文献１参照)。
この電子制御方式によると、操作量に応じたパイロット圧を直接、統一ブリードオフ弁に送る油圧制御方式と比較して、制御の自由度が高い等の利点を有する。
特開平１１−３０３８０９号公報
しかし、この電子制御方式をとる公知の技術によると、電磁比例弁そのものの故障や、コントローラから電磁比例弁に制御信号を送る信号系の断線といった制御系の異常(フェール)が発生すると、ブリードオフ弁がアンロード位置(最大開口位置)となってポンプ吐出油の全量がアンロードされ、機械の動きが一切止まってしまう事態が発生していた。
このため、作業機械においては、現場での作業が全くできなくなり、機械が立ち往生してしまうことから、統一ブリードオフ弁の電子制御方式は現実には採用が困難となっていた。
そこで本発明は、統一ブリードオフ弁の電子制御方式をとりながら、制御系のフェール時にも作業を継続することができる作業機械の油圧制御装置を提供するものである。
請求項１の発明は、複数の油圧アクチュエータと、この油圧アクチュエータの油圧源としての油圧ポンプと、操作手段の操作に基づいて上記各アクチュエータの作動を制御する複数のコントロールバルブと、上記油圧ポンプから吐出された油の余剰分をアンロード通路によってタンクに戻す統一ブリードオフ弁と、上記操作手段の操作に基づいてこの統一ブリードオフ弁を制御する制御手段とを具備し、上記統一ブリードオフ弁に、同弁の作動停止状態でアンロード通路を閉じる位置が設けられる一方、上記各コントロールバルブに、同バルブの中立状態で開く個別ブリードオフ通路としてのセンターバイパス通路が設けられ、このセンターバイパス通路がコントロールバルブの作動位置に向けてのストローク初期に閉じるようにコントロールバルブの開口特性が設定されるとともに、上記制御手段により、このコントロールバルブのセンターバイパス通路が閉じる直前に統一ブリードオフ弁のアンロード通路が開くように構成されたものである。
請求項２の発明は、請求項１の構成において、コントロールバルブを中立復帰させるリターンスプリングは、センターバイパス通路が閉じるまでのストローク初期でバネ力が小さく、センターバイパス通路が閉じた後のバネ力が大きくなる二段バネとして構成されたものである。
請求項３の発明は、請求項１または２の構成において、油圧ポンプとして、ポンプレギュレータによって吐出量が制御される可変容量型の油圧ポンプが用いられ、制御手段は、操作手段の非操作状態でポンプ吐出量がスタンバイ流量となるように上記ポンプレギュレータを制御するように構成されたものである。
本発明によると、統一ブリードオフ弁のフェール時に、同弁を閉じてアクチュエータへの油の供給を確保するとともに、各コントロールバルブのセンターバイパス通路によってブリードオフ作用(アンロード作用)も確保することができる。
しかも、このコントロールバルブの個別ブリードオフ通路であるセンターバイパス通路は、同バルブのストローク初期に閉じる必要最小限の開口面積であるため、スプール長を短縮してバルブをコンパクトにするという、統一ブリードオフ弁を設けることの本来の目的は十分達成することができる。
すなわち、統一ブリードオフ弁の電子制御方式をとりながら、制御系のフェール時にも作業を継続することができる。
この場合、コントロールバルブのセンターバイパス通路が閉じる直前に統一ブリードオフ弁のアンロード通路が開くため、同弁本来のブリードオフ制御がブランク無しで確実に行なわれる。
また、請求項２の発明によると、二段バネ構成のリターンスプリングにより、コントロールバルブのセンターバイパス通路が全開から全閉まで瞬時に変化するため、統一ブリードオフ弁によるブリードオフ制御が開始されるまでの時間的なロスが無い。
請求項３の発明によると、操作手段が操作されない状態でポンプ吐出量が最小となるため、コントロールバルブのセンターバイパス通路の開口面積をさらに小さくし、コントロールバルブのコンパクト化に寄与することができる。
以下の実施形態では、三つの油圧アクチュエータ１,２,３について統一ブリードオフ弁でブリードオフ制御する場合を例にとっている。
図１に示すように、各アクチュエータ１,２,３は、それぞれ操作手段としてのリモコン弁４,５,６によって操作される油圧パイロット式のコントロールバルブ７,８,９を介して可変容量型の油圧ポンプ１０に接続されている。
コントロールバルブ７〜９は、油圧ポンプ１０及びタンクＴに対して互いにパラレルに接続され、このコントロールバルブ７〜９によって各アクチュエータ１〜３の作動が個別に制御される。
また、各コントロールバルブ７〜９には、中立位置で開く個別ブリードオフ通路としてのセンターバイパス通路１１…が設けられ、このセンターバイパス通路１１…が、各コントロールバルブ７〜９をタンデムに接続するセンターバイパスライン１２を介してタンクＴに接続されている。
すなわち、センターバイパス通路１１…によってアクチュエータごとの個別ブリードオフ作用が確保されるように構成されている。
各コントロールバルブ７〜９を中立復帰させるリターンスプリング１３…は、図２の実線Ａで示すように、センターバイパス通路１１が閉じるまでのストローク初期(ストローク０からＳ１までの間)でバネ力(正確にはスプールストロークに対するバネ力の変化率)が小さく、センターバイパス通路１１が閉じた後(ストロークＳ１から最大ストロークＳmaxまで)のバネ力が大きくなる二段バネとして構成されている。
図２中の二点鎖線Ｂは、通常のリターンスプリングのバネ特性を示し、スプールストロークの最小(０)から最大(Ｓmax)までバネ力が一直線状に変化する。
一方、油圧ポンプ１０の吐出側管路とタンクＴとの間に統一ブリードオフ管路１４が設けられ、この統一ブリードオフ管路１４に、各アクチュエータ１〜３について一括してブリードオフ制御を行なうための油圧パイロット式の統一ブリードオフ弁１５が設けられている。
この統一ブリードオフ弁１５は、開口面積が最大となるアンロード位置イと、開口面積が０となるブロック位置ロとを有し、この両位置イ,ロ間でブリードオフ制御を行なう。
また、この統一ブリードオフ弁１５においては、非作動(中立)位置としてのフェールセーフ位置ハが設けられ、このフェールセーフ位置ハでアンロード通路が全閉(開口面積０)となるように構成されている。
この統一ブリードオフ弁１５のパイロットライン１６には、コントローラ１７によって制御される電磁比例弁１８が設けられ、この電磁比例弁１８の二次圧が統一ブリードオフ弁１５のパイロットポートにパイロット圧として供給される。
すなわち、コントローラ１７と電磁比例弁１８とによって制御手段が構成され、この制御手段によって統一ブリードオフ弁１５が制御される。
油圧ポンプ１０の吐出量(傾転)を制御するポンプレギュレータ１９は、電磁比例式のレギュレータ制御弁２０によって制御され、このレギュレータ制御弁２０はリモコン弁４〜６の操作に基づくコントローラ１７からの信号によって制御される。
すなわち、リモコン弁４〜６の操作量が大きいほどポンプ吐出量が増加するポジコン方式によって油圧ポンプ１０が制御される。
この場合、リモコン弁４〜６のうち二つ以上が同時に操作される複合操作時に、最大操作量のリモコン弁の操作信号に基づいてポンプ制御するように構成してもよいし、特定のリモコン弁の操作信号に基づいてポンプ制御するように構成してもよい。
２１は電磁比例弁１８,２０の共通の油圧源となる補助油圧ポンプ、２２はリリーフ弁である。
この構成において、正常時には、リモコン弁４〜６が操作されると、その操作信号に基づいてコントローラ１７からレギュレータ制御弁２０及び電磁比例弁１８に信号が出力され、ポジコン方式により、操作量に応じてポンプ吐出量が変化するとともに、統一ブリードオフ弁１５がアンロード位置イとブロック位置ロとの間で作動してブリードオフ流量が変化する。
一方、たとえばコントローラ１７と電磁比例弁１８を結ぶ制御系の断線等の異常(フェール)が発生し、電磁比例弁１８が制御不能になると、統一ブリードオフ弁１５が、公知技術ではアンロード位置イに停止してポンプ吐出量の殆どすべてがタンクＴに戻されるのに対し、この装置ではフェールセーフ位置ハで停止する。
この状態では、統一ブリードオフ弁１５のアンロード通路が全閉となるため、フェール時にもアクチュエータ回路に対する油の供給が確保される。
この場合、各アクチュエータ１〜３についてのブリードオフ作用は、各コントロールバルブ７〜９のセンターバイパス通路１１…によって行なわれる。
すなわち、統一ブリードオフ弁１５のフェール時に、同弁１５が閉じてアクチュエータ１〜３への油の供給が確保されるとともに、各コントロールバルブ７〜９によってブリードオフ作用(アンロード作用)も確保される。
ただし、各コントロールバルブ７〜９に必要かつ十分なブリードオフ機能を確保するとなると、スプールの軸方向長さが大きくなってコントロールバルブ７〜９が大型化するため、同バルブ７〜９のコンパクト化という、統一ブリードオフ弁１５を設けたこと本来の目的が達成できなくなる。
そこで、この装置においては、センターバイパス通路１１…を含むコントロールバルブ７〜９の開口特性、及び制御手段（コントローラ１７と電磁比例弁１８）によって制御される統一ブリードオフ弁１４の開口特性が、リモコン弁４〜６の操作量との関係において図３に示すように設定されている。
すなわち、コントロールバルブ７〜９が中立位置にあるとき(リモコン弁４〜６の操作量が０のとき)は、センターバイパス通路１１が全開となり、この状態からリモコン弁４〜６が操作されてコントロールバルブ７〜９のスプールがストローク作動し始めると、すぐにセンターバイパス通路１１が閉じる。
そして、このセンターバイパス通路１１が閉じる直前に、統一ブリードオフ弁１４がフェールセーフ位置ハからアンロード位置イに切換わってアンロード通路が最大開口面積まで開き、ブロック位置ロまでの間で統一ブリードオフ制御が行なわれる。
このように、個別ブリードオフ作用を行なうコントロールバルブ７〜９のセンターバイパス通路１１は、同バルブ７〜９のストローク初期に閉じる必要最小限の開口面積に設定されているため、コントロールバルブ７〜９のスプール長を短縮して同バルブ７〜９をコンパクトにするという、統一ブリードオフ弁１５を設けることの本来の目的は十分達成することができる。
また、コントロールバルブ７〜９のセンターバイパス通路１１が閉じる直前に統一ブリードオフ弁１５のアンロード通路が開くため、同弁本来のブリードオフ制御がブランク無しで確実に行なわれる。
さらに、この実施形態においては次の作用効果が得られる。
(ｉ) 前記のように、各コントロールバルブ７〜９のリターンスプリング１３…が二段バネとして構成されているため(図２参照)、リモコン弁４〜６が操作されると、コントロールバルブ７〜９のセンターバイパス通路１１が全開から全閉まで瞬時に変化する。このため、統一ブリードオフ弁１５によるブリードオフ制御が開始されるまでの時間的なロスが無い。
(ｉｉ) 図３に示すように、リモコン弁４〜６が操作されない状態(コントロールバルブ７〜９の中立状態)で、ポンプ吐出量がスタンバイ流量(最小流量)Ｑsとなるように、コントローラ１７によってポンプレギュレータ１９が制御される。
このため、コントロールバルブ７〜９のセンターバイパス通路１１の開口面積をさらに小さくして、コントロールバルブ７〜９のさらなるコンパクト化が可能となる。
なお、本発明は、上記のようにリモコン弁４〜７の操作量に応じてポンプ吐出量が変化するポジコン方式をとる場合に好適であるが、ポジコン方式をとらない場合(たとえば常にポンプ吐出量が最大となる制御方式をとる場合)にも適用することができる。
本発明の実施形態を示す回路構成図である。 同実施形態におけるコントロールバルブのリターンスプリングのバネ特性を示す図である。 同実施形態におけるコントロールバルブ及び統一ブリードオフ弁の開口特性とポンプ吐出量特性を示す図である。
符号の説明
１〜３ 油圧アクチュエータ
４〜６ 操作手段としてのリモコン弁
７〜９ コントロールバルブ
１０ 油圧ポンプ
１１ コントロールバルブのセンターバイパス通路
１３ コントロールバルブのリターンスプリング
１５ 統一ブリードオフ弁
１７ 制御手段を構成するコントローラ
１８ 同、電磁比例弁
１９ ポンプレギュレータ

Claims (3)

  1. 複数の油圧アクチュエータと、この油圧アクチュエータの油圧源としての油圧ポンプと、操作手段の操作に基づいて上記各アクチュエータの作動を制御する複数のコントロールバルブと、上記油圧ポンプから吐出された油の余剰分をアンロード通路によってタンクに戻す統一ブリードオフ弁と、上記操作手段の操作に基づいてこの統一ブリードオフ弁を制御する制御手段とを具備し、上記統一ブリードオフ弁に、同弁の作動停止状態でアンロード通路を閉じる位置が設けられる一方、上記各コントロールバルブに、同バルブの中立状態で開く個別ブリードオフ通路としてのセンターバイパス通路が設けられ、このセンターバイパス通路がコントロールバルブの作動位置に向けてのストローク初期に閉じるようにコントロールバルブの開口特性が設定されるとともに、上記制御手段により、このコントロールバルブのセンターバイパス通路が閉じる直前に統一ブリードオフ弁のアンロード通路が開くように構成されたことを特徴とする作業機械の油圧制御装置。
  2. 請求項１記載の作業機械の油圧制御装置において、コントロールバルブを中立復帰させるリターンスプリングは、センターバイパス通路が閉じるまでのストローク初期でバネ力が小さく、センターバイパス通路が閉じた後のバネ力が大きくなる二段バネとして構成されたことを特徴とする作業機械の油圧制御装置。
  3. 請求項１または２記載の作業機械の油圧制御装置において、油圧ポンプとして、ポンプレギュレータによって吐出量が制御される可変容量型の油圧ポンプが用いられ、制御手段は、操作手段の非操作状態でポンプ吐出量がスタンバイ流量となるように上記ポンプレギュレータを制御するように構成されたことを特徴とする作業機械の油圧制御装置。
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