JP5525481B2

JP5525481B2 - 油圧作業機の油圧システム

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Publication number: JP5525481B2
Application number: JP2011105364A
Authority: JP
Inventors: 武史樋口
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 2011-05-10
Filing date: 2011-05-10
Publication date: 2014-06-18
Anticipated expiration: 2031-05-10
Also published as: JP2012237339A

Description

本発明は、油圧ショベル等の油圧作業機に備えられ、油圧回路における余剰エネルギーを動力として回生する機能を有する油圧作業機の油圧システムに関する。

油圧作業機の油圧システムの効率を向上するために動力回生技術が用いられている。このような油圧作業機の油圧システムについて、特許文献１に開示されている油圧ショベルの例を用いて説明する。

特許文献１においては、電動機にて駆動される２つの油圧ポンプモータを、複動式油圧シリンダの２つのポートにそれぞれ接続する構成をとっている。複動式油圧シリンダは片側ロッド式であり、伸び側と縮み側のピストン受圧面積が異なるため、２つの油圧ポンプモータの容量はピストン受圧面積に応じた比率となっている。また、油圧シリンダの速度および方向の制御は、操作レバーの操作量に基づき、コントローラが油圧ポンプモータを駆動する電動機の回転速度と回転方向を制御することで行う。さらに、油圧シリンダのボトム側と油圧ポンプモータを接続する油路の間には、コントローラによって制御されるスプール式の流量制御弁を通過する油路が並列に設けられている。そして、操作レバーの操作量が所定値よりも小さい微操作領域の場合、油圧シリンダから排出される作動油がこの流量制御弁を通過するように制御され、操作レバーの操作量が上記所定値を超える場合、油圧シリンダから排出される作動油が流量制御弁を通過せずに、直接油圧ポンプモータに流入するように制御される。このように構成することで、微操作領域では流量制御弁によって油圧シリンダの良好な速度制御性を確保し、微操作領域を超える場合には、直接油圧ポンプモータに接続することで良好な動力回生効率を確保するようにしている。

特開２００２−３４９５０５号公報

上述した特許文献１に示される従来技術では、微操作領域を超える場合、油圧ポンプモータの回転数制御のみで油圧シリンダの速度を制御するため、良好な回生効率を確保できるものの、レバー操作に対する応答性を確保するのが難しいといった課題がある。

本発明は、上述した従来技術における実状からなされたもので、その目的は、アクチュエータの速度制御に対する応答性悪化の影響を最小限に抑え、スプール式流量制御弁に準ずる良好な操作性を確保できる油圧作業機の油圧システムを提供することにある。

この目的を達成するために、本発明は、回転動力生成手段と、この回転動力生成手段から油圧ポンプに回転動力を投入して油圧動力を生成し、その油圧動力によってアクチュエータを動作させる油圧作業機の油圧システムにおいて、上記アクチュエータからの作動油排出油路を、レバー操作によって制御される流量制御弁のスプールに接続する油路である流量制御油路と、上記作動油排出油路からの排出作動油の油圧動力を再利用可能なエネルギーに変換する可変容量モータに接続する油路である動力回生油路に分岐させ、上記流量制御油路に設けた第１圧力検出手段と上記動力回生油路に設けた第２圧力検出手段と、上記第１圧力検出手段の圧力が上記第２圧力検出手段の圧力よりも大きいときに上記可変容量モータの容量を小さくし、上記第１圧力検出手段の圧力が上記第２圧力検出手段の圧力よりも小さいときに上記可変容量モータの容量を大きくし、上記第１圧力検出手段と上記第２圧力検出手段の圧力が同じときに上記可変容量モータの容量を固定するモータ容量制御手段と、上記動力回生油路から分岐させた動力回生迂回油路と、上記動力回生油路の流量が所定流量以上のときに上記動力回生油路の流量の一部を動力回生迂回油路へ導くように制御する回生制限制御手段とを設けたことを特徴としている。

このように構成した本発明では、第１圧力検出手段の圧力と第２圧力検出手段の圧力が同じ圧力になるように制御される。第１圧力検出手段の圧力と第２圧力検出手段の圧力が同じ圧力に制御されることは、流量制御油路と動力回生油路の分岐部から、第１圧力検出手段の圧力検出部と第２圧力検出手段の圧力検出部の間に発生するそれぞれの油路区間の圧力損失が同一であることと同じことである。ここで、２つの油路区間の管路抵抗をオリフィス絞りと考え、オリフィスを流れる油量がオリフィスの開口面積と圧力損失の平方根の積に比例する一般的な関係式を適用すると、２つの油路区間の圧力損失が同一である場合、２つの油路を流れる流量は常に一定の比率になると言うことができる。つまり、第１圧力検出手段の圧力と第２圧力検出手段の圧力が同じ圧力になるように制御されることは、流量制御油路と動力回生油路の流量が固定比率に制御されることを意味する。このように、流量制御油路と動力再生油路の流量を固定比率にすることにより、アクチュエータが動作しているときには流量制御油路に必ず流量が発生している。したがって、レバー操作によって流量制御弁を調整して流量制御油路の流量変化を変化させた場合、その流量の変化が必ずアクチュエータの速度に影響するので、スプール式流量制御弁の応答性の良さが反映される。さらに、流量制御油路と動力回生油路の流量比が常に一定であるため、レバー操作による流量制御油路の流量変化量に対してアクチュエータの速度変化量が常に一定となり、良好な操作性を得ることができる。また、動力回生油路の流量が所定流量以上になった場合、一部の流量を動力回生迂回油路に分岐させるため、可変容量モータに許容流量以上の流量を流すことがなく、上記の制御を安定して実施することができる。また、動力回生油路の最大流量を大きく設定することができるため、一部の流量を動力回生迂回油路に分岐させたとしても、可変容量モータへの平均流入流量が大きくなり、大きな回生効率を得ることができる。

また本発明は、上記発明において、上記動力回生油路の流量が上記可変容量モータの許容流量を超えたときに、この許容流量を超えた流量を、上記可変容量モータに導くことなく上記動力回生迂回油路を介してタンクに導くことを特徴としている。

このように構成した本発明にあっては、モータ容量制御手段は、流量制御油路と動力回生油路の流量比を一定に保つ制御のみを行い、回生制限制御手段は、可変容量モータの許容流量を超えた流量を動力回生迂回油路を介してタンクに流す制御のみを行うため、両方の制御が互いに干渉しない。もし可変容量モータの許容流量を超えた流量を流量制御油路に戻す構成とした場合は、流量制御油路と動力回生油路の流量比や流量制御弁のスプール開口面積の制御がさらに必要となる。したがって、このような構成に比べて本発明はシンプルなシステム構成とすることができる。

また本発明は、上記発明において、上記可変容量モータの容量を調整する電子制御レギュレータと、上記動力回生迂回油路に設けた電磁比例弁から成る回生制限弁と、上記電子制御レギュレータの指令容量が所定の値よりも大きいときに、上記動力回生迂回油路を開くように上記回生制限弁を制御するコントローラとを備え、上記モータ容量制御手段は、上記コントローラと上記電子制御レギュレータとを含み、上記回生制限制御手段は、上記コントローラと上記回生制限弁とを含むことを特徴としている。

このように構成した本発明は、電子制御レギュレータの指令容量からコントローラにて動力回生油路の流量を推定することで、動力回生油路の流量を検出する流量計等の別の手段を別途設けることなくシンプルな構成とすることができる。

また本発明は、上記発明において、上記第１圧力検出手段が上記流量制御油路から分岐する第１圧力検出油路から成り、上記第２圧力検出手段が上記動力回生油路から分岐する第２圧力検出油路から成り、上記モータ容量制御手段が、上記可変容量モータの容量を調整するモータ容量制御シリンダと、このモータ容量制御シリンダの圧油の給排を切り換えるモータ容量制御スプールとを含み、上記モータ容量制御スプール両端に設けた同じ面積をもつ受圧部に、上記第１圧力検出油路と上記第２圧力検出油路を対抗させて接続し、上記回生制限制御手段は、上記動力回生迂回油路に設けた油圧パイロット流量制御弁から成る回生制限弁と、上記モータ容量制御シリンダが所定ストロークよりもモータ容量を大きくする側に位置するときに、上記動力回生油路の流量の一部を上記動力回生迂回油路に導くように回生制限弁の指令パイロット圧を制御する回生制限弁パイロット圧制御手段とを含むことを特徴としている。

このように構成した本発明は、モータ容量制御シリンダのストロークから機械的に動力回生油路の流量を推定することで、動力回生油路の流量を検出する流量計等の別の手段を別途設けることなくシンプルな構成とすることができる。

また本発明は、上記発明において、上記回生制限弁パイロット圧制御手段は、パイロットポンプと、上記モータ容量制御シリンダのスプール弁部と、このスプール弁部を介して上記回生制限弁に上記パイロットポンプのパイロット圧を導く回生制限弁制御油路とを含み、この回生制限弁パイロット圧制御手段は、上記第１圧力検出油路が検出する圧力より上記第２圧力検出油路が検出する圧力の方が高いときに、上記モータ容量制御シリンダの上記スプール弁部と上記パイロットポンプを接続させ、上記モータ容量制御シリンダの上記スプール弁部が、所定ストロークよりもモータ容量を大きくする側に位置するときに、上記回生制限弁制御油路と上記回生制限弁を接続させることを特徴としている。

このように構成した本発明は、モータ容量制御シリンダのストロークから、機械的に、すなわち油圧回路にて、回生制限弁の指令パイロット圧を制御することで、電子制御を用いないシステム構成が可能となり、電波ノイズの多い環境において、電子制御を使用する場合と比較してより安定な制御を実現することができる。

本発明にあっては、第１圧力検出手段の圧力と第２圧力検出手段の圧力を同じ圧力に制御し、流量制御油路と動力回生油路の流量を固定比率にすることにより、アクチュエータが動作しているときには流量制御油路に必ず流量が発生している。したがって、レバー操作によって流量制御弁を調整して流量制御油路の流量変化を変化させた場合、その流量の変化が必ずアクチュエータの速度に影響するので、スプール式流量制御弁の応答性の良さが反映される。さらに、流量制御油路と動力回生油路の流量比が常に一定であるため、レバー操作による流量制御油路の流量変化量に対してアクチュエータの速度変化量が常に一定となり、良好な操作性を得ることができる。また、動力回生油路の流量が所定流量以上になった場合、一部の流量を動力回生迂回油路に分岐させるため、可変容量モータに許容流量以上の流量を流すことがなく、上記の制御を安定して実施することができる。すなわち本発明は、アクチュエータの速度制御に対する応答性悪化の影響を最小限に抑え、スプール式流量制御弁に準ずる良好な操作性を確保でき、従来よりも精度の高い作業性を得ることができる。また本発明は、動力回生油路の最大流量を大きく設定することができるため、一部の流量を動力回生迂回油路に分岐させたとしても、可変容量モータへの平均流入流量が大きくなり、大きな回生効率を得ることができる。

本発明に係る油圧システムが備えられる油圧作業機の一例として挙げた油圧ショベルを示す側面図である。図１に示す油圧ショベルに備えられる本発明に係る油圧システムの第１実施形態を示す電気・油圧回路図である。第１実施形態に備えられるコントローラにおける処理手順を示すフローチャートである。図２の要部拡大図である。本発明の第２実施形態を示す油圧回路図である。第２実施形態の動作を示す図である。第１実施形態における時間に対する、作動油排出油路と動力回生油路の流量変化の一例を示す図である。

以下、本発明に係る油圧作業機の油圧システムの実施の形態を図に基づいて説明する。

図１は本発明に係る油圧システムが備えられる油圧作業機の一例として挙げた油圧ショベルを示す側面図である。

この図１に示すように、油圧ショベルは、走行体１と、この走行体１上に配置される旋回体２と、この旋回体２に回動可能に取り付けられる作業装置３とを備えている。作業装置３は、旋回体２に上下方向の回動可能に接続されるブーム４と、このブーム４の先端に上下方向の回動可能に接続されるアーム５と、このアーム５の先端に上下方向の回動可能に接続されるバケット６とを含んでいる。また、この作業装置３は、ブーム４を作動させるブームシリンダ４ａと、アーム５を作動させるアームシリンダ５ａと、バケット６を作動させるバケットシリンダ６ａとを含んでいる。旋回体２上には運転室７を設けてあり、運転室７の後方には油圧ポンプ等が収容される機械室８を設けてある。

図２は図１に示す油圧ショベルに備えられる本発明に係る油圧システムの第１実施形態を示す電気・油圧回路図である。

この図２に示す回転動力生成手段１１は、電動機、エンジン等の電気や化石燃料のエネルギーを回転動力に変換する装置であり、回転動力生成手段１１の出力軸が油圧ポンプ１２、パイロットポンプ１３の入力軸と機械的に接続され、回転動力生成手段１１によって油圧ポンプ１２、パイロットポンプ１３が駆動される。なお、回転動力生成手段１１は出力軸の回転速度をほぼ一定に保持する制御を行っている。

油圧ポンプ１２は後述するアクチュエータ１４を駆動する油圧動力を生成する装置で、１回転当たりに吐出する作動油の流量を調整できるようになっているため、入力軸の回転数が一定でも、作動油の吐出流量を変化させることが可能である。油圧ポンプ１２の容量は、後述するレバー１５の操作量（後述するパイロット弁１６で発生するパイロット圧）や、油圧ポンプ１２の吐出圧、回転動力生成手段１１の負荷余裕率などから、図示しないレギュレータによって制御される。

パイロットポンプ１３は後述する油圧機器の制御に用いられるパイロット圧を生成する装置であり、１回転当たりに吐出する作動油の流量が固定となっている。パイロットポンプ１３が吐出した作動油は、パイロットリリーフ弁１７を介して作動油タンク１８に戻るようになっており、パイロット回路の圧力はパイロットリリーフ弁１７の設定圧に保持されている。

アクチュエータ１４は例えば前述したブームシリンダ４ａ、すなわち複動片ロッド式の油圧シリンダであり、動力源の油圧ポンプ１２とは流量制御弁１９を介して接続されている。流量制御弁１９は３位置４ポートの油圧パイロット切り換え弁で、パイロット弁１６にて調整されたパイロット圧によって動作する。レバー１５によってパイロット弁１６をＡ側に操作した時は、本図における流量制御弁１９の右側が高圧となり、流量制御弁１９のスプールが左側に移動する。すると、油圧ポンプ１２とアクチュエータ１４のＡポートが接続し、アクチュエータ１４は収縮動作を行い、アクチュエータ１４のＢポートから排出された作動油から排出された作動油は作動油排出油路２０を通り、流量制御油路２１と動力回生油路２２に分岐し、流量制御油路２１の作動油は流量制御弁１９を通過して作動油タンク１８に戻り、動力回生油路２２の作動油は可変容量モータ２３を通過して作動油タンク１８に戻る。なお、アクチュエータ１４が収縮動作をしているとき（パイロット弁１６がＡ側に操作されている時）は、動力回生油路２２に設けられた切換弁２４が開位置になっており、アクチュエータ１４のＢポートから排出された作動油の一部が可変容量モータ２３を通過することができるようになっている。

反対に、パイロット弁１６をＢ側に操作した時は、同図２における流量制御弁１９の左側が高圧となり、流量制御弁１９のスプールが右側に移動する。すると、油圧ポンプ１２とアクチュエータ１４のＢポートが接続し、アクチュエータ１４は伸長動作を行い、アクチュエータ１４のＡポートから排出された作動油は流量制御弁１９を通過して作動油タンク１８に戻る。なお、アクチュエータ１４が伸長動作をしているとき（パイロット弁１６がＢ側に操作されている時）は、動力回生油路２２に設けられた切換弁２４が閉位置になっており、油圧ポンプ１２から供給される作動油が可変容量モータ２３に流入すること無く、全量がアクチュエータ１４に供給される。

可変容量モータ２３はその出力軸が油圧ポンプ１２（回転動力生成手段１１とパイロットポンプ１３も同様）に機械的に接続されている。可変容量モータ２３は１回転当たりの作動油吸入流量を変化させることができるため、出力軸の回転数が一定でも、吸入流量を変化させることができる。なお、可変容量モータ２３と油圧ポンプ１２は機械的に接続されているため、可変容量モータ２３も常に回転している。したがって、可変容量モータ２３の入力ポートに圧油が流入している場合にはモータ作用を行い油圧ポンプ１２の駆動トルクを発生し、回転動力生成手段１１をアシストするが、十分な作動油の流入が無い場合には、メイクアップ油路２９から作動油を吸い上げてポンプ作用をするので、逆にトルクを吸収（ロス）することになる。この第１実施形態では、この場合のロスを最低限に抑えるため、可変容量モータ２３が最小容量ゼロ（モータが回転しても作動油の吸い込み、吐き出しを行わない）の可変容量モータから成っている。

また、この第１実施形態は、流量制御油路２１に設けた第１圧力検出手段、例えば圧力計２７と、動力回生油路２に設けた第２圧力検出手段、例えば圧力計２８と、アクチュエータを収縮させる動作を行う場合（パイロット弁１６がＡ側に操作された時）に昇圧されるパイロットラインへの圧力検出手段、例えば圧力計１００とを備えている。

また、この第１実施形態は、圧力計２７の圧力が圧力計２８の圧力よりも大きいときに可変容量モータ２３の容量を小さくし、圧力計２７の圧力が圧力計２８の圧力よりも小さいときに可変容量モータ２３の容量を大きくし、圧力計２７と圧力計２８の圧力が同じときに可変容量モータ２３の容量を固定するモータ容量制御手段を備えている。

さらに、この第１実施形態は、動力回生油路２２から分岐させ、作動油タンク１８に連通させた動力回生迂回油路３０を備えている。この動力回生迂回油路３０は、動力回生油路２２とメイクアップ回路２９との接続点と切換弁２４との間に位置する動力回生油路２２部分から分岐させてある。また、この第１実施形態は、動力回生油路２２の流量が所定流量以上のときに、動力回生油路２２の流量の一部を動力回生迂回油路３０へ導くように制御する回生制限制御手段を設けてある。

また、この第１実施形態は、可変容量モータ２３の容量を調整する電子制御レギュレータ２６と、動力回生迂回油路３０に設けた電磁比例弁から成る回生制限弁３１とを備えている。また、圧力計２７，２８，１００から出力される電気信号を圧力値に変換し、それらの圧力値を基にして電子制御レギュレータ２６と、回生制限弁３１を制御するコントローラ２５を備えている。

この第１実施形態では、前述したモータ容量制御手段が、コントローラ２５と電子制御レギュレータ２６を含んでおり、前述した回生制限制御手段が、コントローラ２５と回生制限弁３１を含んでいる。

このように構成した第１実施形態における動作について、図３に基づいて説明する。

（ａ）図の主フローは油圧ショベルの起動から停止までの流れを示し、この中で、Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３は、コントローラ２５における原理を示している。まず、油圧ショベルが起動されると、コントローラ２５は、可変容量モータ２３の容量指令値ｑをｑｍｉｎ（本実施形態の場合はゼロ）に、回生制限弁３１の開口面積指令値Ａをゼロにセットし、電子制御レギュレータ２６と回生制限弁３１に対応する電気信号を出力する（Ｓ１）。引き続き、処理Ａにてその時点での可変容量モータ２３の容量指令値ｑ、および、回生制限弁３１の開口面積指令値Ａを決定する（Ｓ２）。その後、Ｓ２にて決定されたｑ及びＡに対応する電気信号を、電子制御レギュレータ２６と回生制限弁３１に出力する（Ｓ３）。そして、油圧ショベルが停止状態にあればフローを終了し、停止状態でなければ（引き続き運転状態にあれば）、Ｓ２に戻り、フローを繰り返す。

次に（ｂ）図により、処理Ａにおける可変容量モータ２３の容量指令値ｑ、回生制限弁３１の開口面積指令値Ａの決定プロセスについて説明する。まず初めに、圧力計２７、２８、１００から出力される電気信号を基に、それぞれの圧力値Ｐ１，Ｐ２，Ｐｐを取得する。そして、Ｐｐ＜δの場合、可変容量モータ２３に容量を最小にするルーチン（処理Ｂ）を行う。δは圧力Ｐｐのフルレンジに対して数％程度に設定されており、圧力Ｐｐ自体の微少な変動や圧力計の電気的なノイズによって、パイロット弁１６がＡ側に操作されていない場合、すなわち、アクチュエータ１４が縮小動作をしていないときに可変容量モータ２３に不要な制御指令を出さないようにするための閾値である。この時、動力回生油路２２に設けられた切換弁２４は、ばね力によって油路を遮断する位置にあり、動力回生油路２２に流量は発生しない。そして、圧力計２７，２８の検出部２７ａ，２８ａは連通しているため、このときの両検出部２７ａ，２８ａの圧力、すなわち圧力計２７で検出される圧力Ｐ１と圧力計２８で検出される圧力Ｐ２は、ほぼ等しくＰ１＝Ｐ２である（高さ方向の差による圧力差は微小で無視できる）。

パイロット弁１６がＡ側に操作され、圧力Ｐｐが昇圧しδ≦Ｐｐになると、処理Ａでは可変容量モータ２３の目標容量演算が行われる。処理Ａは基本的にＰ２をＰ１にほぼ等しくするように、可変容量モータ２３の容量指令値ｑを決定する。具体的には、Ｐ２＜Ｐ１−εの場合、動力回生油路２２の流量を減らす方向に可変容量モータ２３の容量指令値ｑと回生制限弁３１の開口面積指令値Ａを調整し（処理Ｄ）、Ｐ１−ε≦Ｐ２≦Ｐ１＋εの場合、現在のｑおよびＡを保持し、Ｐ１＋ε＜Ｐ２の場合、動力回生油路２２の流量を増やす方向にｑとＡを調整する（処理Ｃ）。なお、εは制御を安定させるための不感帯でありＰ２最大圧力の数％程度としているが、これは使用する圧力計の測定誤差に対して誤動作を十分防止できる範囲を想定して決定している。

同図３の（ｃ）図に示す処理Ｂにおいては、可変容量モータ２３の容量指令値ｑを最小容量ｑｍｉｎ、回生制限弁３１の開口面積目標値Ａをゼロに設定し、処理を終了する。

同図３の（ｄ）に示す処理Ｃにおいては、可変容量モータ２３の容量指令値ｑをΔｑだけ増加させる。このとき、ｑが最大容量ｑｍａｘを超えない場合には処理を終了する。一方、ｑが最大容量ｑｍａｘを超えた場合にはｑ＝ｑｍａｘとし、さらに、回生制限弁３１の開口面積指令値ＡをΔＡだけ増加させる。このとき、Ａが最大開口面積Ａｍａｘを超えた場合には、Ａ＝Ａｍａｘとして処理を終了する。

同図３の（ｅ）図に示す処理Ｄにおいては、開口面積指令値Ａがゼロの場合、可変容量モータ２３の容量指令値ｑをΔｑだけ減少させる。このとき、ｑが最小容量ｑｍｉｎを下回らない場合には処理を終了し、ｑが最小容量ｑｍｉｎを下回った場合にはｑ＝ｑｍｉｎとして処理を終了する。一方、開口面積指令値Ａがゼロより大きい場合、ＡをΔＡだけ減少させる。このとき、Ａがゼロ以上の場合には処理を終了し、Ａがゼロを下回った場合にはＡ＝０として処理を終了する。

このように、この第１実施形態は、処理Ｃ、Ｄにおける処理によって、可変容量モータ２３が最大容量以下のときには可変容量モータ２３の容量にて動力回生油路２２の流量を調整し、可変容量モータ２３が最大容量に達しているときには、回生制限弁３１によって動力回生迂回油路３０の流量を調整することで、動力回生油路２２の流量を調整するシステムとなっている。

ここで、Ｐ１とＰ２をほぼ等しくなるように制御することと、流量制御油路２１と動力回生油路２２の流量の関係を説明する。油路に流量が発生すると、管路抵抗によって下流側の圧力が降下する。流量制御油路２１と動力回生油路２２の分岐部３２と圧力計２７の検出部２７ａの間の管路抵抗を仮想的に等価絞り４４、分岐部３２と圧力計２８の検出部２８ａの間の管路抵抗を仮想的に等価絞り４５とし、それぞれの等価開口面積（オリフィス断面積）をＡｏ１、Ａｏ２する。また、分岐部３２の圧力をＰＡ、流量制御油路２１の流量、動力回生油路２２の流量をそれぞれＱ１、Ｑ２とする。なお、等価絞りは、油圧回路上に圧損を付与する目的で意図して設けられているものである必要は無く、ホースや継ぎ手等の圧損などを本実施形態の機能を説明するために、油圧回路上に明示的に示したものである。オリフィス絞りにおける圧力損失の一般的な式に当てはめると、
Ｑ１＝Ｃ・Ａｏ１√｛２（Ｐａ−Ｐ１）／ρ｝
Ｑ２＝Ｃ・Ａｏ２√｛２（Ｐａ−Ｐ２）／ρ｝
Ｃ：流量係数，ρ：作動密度
と表わすことができ、Ｑ１，Ｑ２の関係は、
Ｑ２＝Ｑ１・（Ａｏ２／Ａｏ１）√（Ｐａ−Ｐ２）／（Ｐａ−Ｐ１）
となる。ここで、Ｐ１とＰ２が同じ圧力である場合、
√｛（Ｐａ−Ｐ２）／（Ｐａ−Ｐ１）｝＝１
であるから、
Ｑ２＝Ｑ１・Ａｏ２／Ａｏ１
となり、Ｑ１、Ｑ２の流量比が、等価絞り４４、等価絞り４５の等価開口面積比で決まることが分かる。ここで、等価絞り４４、等価絞り４５は管路抵抗であり、これらの等価開口面積は固定的な数値となるので、Ｑ１、Ｑ２の流量比は固定比率に制御されることになる。

第１実施形態の構成と動作の概要は上述した通りであるが、アクチュエータ１４に収縮を行わせる場合（回生を行う場合）の一連の動作における過渡的な状態について図４をも用いて補足説明する。

まず、レバー１５が操作されていない状態においては、パイロット弁１６から流量制御弁１９、動力回生油路２２の切換弁２４に作用するパイロット圧はタンク圧（ほぼゼロ）となっている。この状態では、流量制御弁１９はスプール両端にあるバネ力によって中央位置にあり、切換弁２４はバネ力によって油路を閉じる位置にあるため、流量制御油路２１および動力回生油路２２の流量はゼロとなっている。このとき、コントローラ２５ではＰｐ＜δの判定が下され、電子制御レギュレータ２６に対して可変容量モータ２３の目標容量を最小容量とする指令を出し、可変容量モータ２３は容量ゼロとなっている。

次に、レバー１５が操作されていない状態からパイロット弁１６をＡ側に操作すると、操作直後、流量制御弁１９のスプールが左側に移動を始め、油圧ポンプ１２とアクチュエータ１４のＡポートを接続する油路と、作動油タンク１８とアクチュエータ１４のＢポートを接続する油路が開き始める。また、動力回生油路２２の切換弁２４にもパイロット圧が作用してバネを押し、油路が開き始めるとともに、流量制御油路２１には徐々に流量が発生し始める。流量が発生すると圧力損失が発生するため、下流に行くほど圧力が低下し、分岐部３２の圧力Ｐａに対して、流量制御油路２１の圧力Ｐ１は小さくなる。一方、動力回生油路２２にはまだ流量が発生していないため、圧力損失が発生せず、Ｐａ＝Ｐ２である。ここで、Ｐ２≦Ｐ１＋εの範囲にある状態では、可変容量モータ２３はまだ容量ゼロの制御状態にあり、動力回生油路２２に流量は発生しない。さらに、時間が進みＰ１＋ε＜Ｐ２になると、コントローラ２５内の可変容量モータ２３の目標容量の値が増加し始める。そして、さらに時間が進むと、コントローラ２５から電子制御レギュレータ２６への目標容量指令値も適度に大きくなり、可変容量モータ２３の容量に応じた流量が動力回生油路２２に発生する。動力回生油路２２に流量が発生すると、圧力損失によってＰ２はＰａより小さくなる。

この状態が続くと、いずれＰ１−ε≦Ｐ２≦Ｐ１＋εの状態になり、その時点の可変容量モータ２３の容量が保持される。なお、Ｐ１＋ε＜Ｐ２の状態で可変容量モータ２３の容量指令値ｑが最大容量ｑｍａｘを超えた場合には、コントローラ２５内の回生制限弁３１の開口面積指令値Ａが増大し、動力回生油路２２の一部の流量が動力回生迂回油路３０に導かれ、可変容量モータ２３を迂回して作動油タンク１８に導かれる。このため、可変容量モータ２３の吸収流量を超える流量範囲についても、Ｐ１−ε≦Ｐ２≦Ｐ１＋εの状態になるまで動力回生油路２２の流量が増加する。こうして、Ｐ２がＰ１にほぼ等しくするように制御され、上述した様に、流量制御油路２１の流量Ｑ１に対して、動力回生油路の流量Ｑ２が固定比率になるように調整される。

次に、パイロット弁１６がＡ側に操作されており、動力回生油路２２の流量Ｑ２がＱ１に対して固定比率になるように調整されている状態から、レバー１５を戻す場合について説明する。レバー１５を戻し始めると、流量制御弁１９のスプールが右側に移動を始め、油圧ポンプ１２とアクチュエータ１４のＡポートを接続する油路と、作動油タンク１８とアクチュエータ１４のＢポートを接続する油路が閉じ始める。このとき、流量制御油路２１の流量Ｑ１は徐々に減少し始める。流量Ｑ１が減少すると等価絞り４４における圧力損失が小さくなるので、圧力Ｐ１は大きくなる。そして、時間が進んでＰ２＜Ｐ１−εの状態になると、回生制限弁３１が開いている状態においては、コントローラ２５内の回生制限弁３１の開口面積指令値Ａを減少し、開口面積指令値Ａがゼロの場合には、可変容量モータ２３の容量指令値ｑの値が減少し、それに応じて可変容量モータ２３の容量も小さくなり、動力回生油路２２の流量Ｑ２が減少する。流量Ｑ２が減少すると等価絞り４５における圧力損失が小さくなるので、圧力Ｐ２は大きくなる。こうしてＰ２がＰ１に追従するように制御が行われ、Ｑ１とＱ２が固定比率になるように再調整される。

ところで、レバー１５を戻す操作がゆっくりと行われた場合には、流量Ｑ２はＱ１に対して固定比率を保ちながら減少していくが、レバー１５を急に戻した場合には、流量制御油路２１の流量減少に、動力回生油路２２の流量減少の再調整が追いつかない状況が発生する。このような状況でレバー１５が中立（無操作）状態に戻されると、動力回生油路２２の切換弁２４も油路を閉じる位置に移動し、動力回生油路２２の作動油の流れが強制的に遮断される。この瞬間は、可変容量モータ２３はゼロでないある容量を有しているので、メイクアップ油路２９から作動油を吸い上げることで、吸い込みポートへの供給流量が不足することによるキャビテーションを防止し、可変容量モータ２３のポンプ作用による吸収トルク（動力ロス）の増大を抑えると共に、可変容量モータ２３のダメージを最小限に抑える。また、レバー１５が中立位置に戻ることで、パイロット圧Ｐｐがゼロになるので、コントローラ２５ではＰｐ＜δの判定が下され、電子制御レギュレータ２６に対して可変容量モータ２３の目標容量を最小容量とする指令を出し、最終的に可変容量モータ２３の容量はゼロに戻る。このように、急なレバー戻し操作を行った場合には、可変容量モータ２３の容量状態によらずアクチュエータ１４を急停止させることができるので、緊急時にアクチュエータ１４の停止が遅れることによる危険を防止することができる。

前述した第１実施形態においては、アクチュエータ１４が動作する際には常に流量制御弁１９に流量が発生しているため、レバー操作量の変化に対して発生する流量制御弁１９での流量調整作用がアクチュエータ１４の作動速度に必ず反映される。当然、流量制御弁１９と比較して応答性に劣る可変容量モータ２３による流量制御が含まれるため、本実施形態のレバー操作に対する応答性は、アクチュエータ１４に給排される作動油の全流量が流量制御弁１９に流れる従来の一般的な油圧作業機の油圧システムと比較すれば劣る。しかしながら、可変容量モータ２３の流量制御の応答性に合わせて、応答性の悪さが問題無いレベルに収まるように、流量制御油路２１と動力回生油路２２の流量比率を設定することで、実用性を確保することができる。さらにこの第１実施形態は、流量制御油路２１と動力回生油路２２の流量比が常に一定であるため、レバー操作による流量制御油路２１の流量変化量に対してアクチュエータ１４の速度変化量が常に一定となり、良好な操作性を得ることができる。また、動力回生油路２２の流量が所定流量以上になった場合、一部の流量を動力回生迂回油路３０に分岐させるため、可変容量モータ２３に許容流量以上の流量を流すことがなく、上記の制御を安定して実施することができる。すなわちこの第１実施形態は、アクチュエータ１４の速度制御に対する応答性悪化の影響を最小限に抑え、スプール式流量制御弁に準ずる良好な操作性を確保でき、精度の高い作業性を得ることができる。

また、この第１実施形態によれば、動力回生油路２２の最大流量を大きく設定することができるため、一部の流量を動力回生迂回油路３０に分岐させたとしても、可変容量モータ２３への平均流入流量が大きくなり、大きな回生効率を得ることができる。この点について、図７を用いて説明する。図７は、時間に対する、作動油排出油路２０と動力回生油路２２の流量変化の一例を示したものである。同図７中、Ｃ０は作動油排出油路２０の流量、Ｃ１は動力回生油路２２の最大流量を可変容量モータ２３の許容流量Ｑｍの範囲内に抑えた設定における動力回生油路２２の流量、Ｃ２は動力回生油路２２の最大流量を可変容量モータ２３の許容流量Ｑｍを超える値に設定した場合の動力回生油路２２の流量を示す。Ｃ１，Ｃ２は、いずれもＣ０に対して固定比率の流量で推移するが、区間Ｓに示す通り、Ｑｍを超える流量は動力回生迂回油路３０に分岐するため、Ｃ２’の部分は可変容量モータ２３には流入しない。したがって、動力回生油路２２の最大流量を可変容量モータ２３の許容流量Ｑｍを超える値に設定した場合（Ｃ２）は、動力回生油路２２に流入するすべての動力を回生することはできない。しかし、Ｃ１よりＣ２の方が平均流量を大きくとることができるため、Ｃ２の方がより大きな動力を回生できることが分かる。なお、動力回生油路２２の最大流量、すなわち、流量制御油路２１と動力回生油路２２の流量比率の変更は、流量制御油路２１と動力回生油路２２の分岐部３２から、圧力計２７の検出部２７ａと圧力計２８の検出部２８ａの間に発生するそれぞれの油路区間の圧力損失を、意図的に調整することで可能である。また、電子制御レギュレータ２６の指令容量からコントローラ２５にて動力回生油路２２の流量を推定することで、動力回生油路２２の流量を検出する流量計等の別の手段を別途設けることなくシンプルな構成とすることができる。

なお、この第１実施形態にあっては前述したように、動力回生油路２２の流量が可変容量モータ２３の許容流量を超えたときに、この許容流量を超えた流量を、可変容量モータ２３に導くことなく動力回生迂回油路３０を介してタンク１８に導く構成にしてある。このように構成した第１実施形態にあっては、モータ容量制御手段は、流量制御油路２１と動力回生油路２２の流量比を一定に保つ制御のみを行い、回生制限制御手段は、可変容量モータ２３の許容流量を超えた流量を動力回生迂回油路３０を介してタンク１８に流す制御のみを行うため、両方の制御が互いに干渉しない。もし可変容量モータ２３の許容流量を超えた流量を流量制御油路２１に戻す構成とした場合は、流量制御油路２１と動力回生油路２２の流量比や流量制御弁１９のスプール開口面積の制御がさらに必要となる。したがって、このような構成に比べてこの第１実施形態は、シンプルなシステム構成とすることができる。

次に、本発明の第２実施形態について図５，６に基づいて説明する。なお、第１実施形態と共通する部分は省略し、差異のある部分のみ説明する。

この第２実施形態は、流量制御油路２１に設けた第１圧力検出手段が、流量制御油路２１から分岐する第１圧力検出油路５０から成り、動力回生油路２２に設けた第２圧力検出手段が、動力回生油路２２から分岐する第２圧力検出油路５１から成っている。

また、可変容量モータ２３の容量を制御するモータ容量制御手段が、可変容量モータ２３の容量を調整するモータ容量制御シリンダ５２と、このモータ容量制御シリンダ５２の圧油の給排を切り換えるモータ容量制御スプール５３とを含んでいる。このモータ容量制御スプール５３の両端に設けた同じ面積をもつ受圧部に、第１圧力検出油路５０と第２圧力検出油路５１を対抗させて接続させてある。

また、第１圧力検出油路５０に切換弁５４を設けてあり、モータ容量制御スプール５３とモータ容量制御シリンダ５２を接続する油路に切換弁５５を設けてある。

また、この第２実施形態は、動力回生油路２２の流量が所定流量以上のときに動力回生油路２２の流量の一部を動力回生迂回油路３０に導くように制御する回生制限制御手段が、回生制限弁１０１を含むとともに、モータ容量制御シリンダ５２が所定ストロークよりもモータ容量を大きくする側に位置するときに、動力回生油路２２の流量の一部を動力回生迂回油路３０に導くように回生制限弁１０１の指令パイロット圧を制御する回生制限弁パイロット圧制御手段を含んでいる。

この回生制限弁パイロット圧制御手段は、パイロットポンプ１３と、モータ容量制御シリンダ５２のスプール弁部５２ａと、このスプール弁部５２ａを介して回生制限弁１０１にパイロットポンプ１３のパイロット圧を導く回生制限弁制御油路５６とを含んでいる。この回生制限弁パイロット圧制御手段は、第１圧力検出油路５０が検出する圧力より第２圧力検出油路５１が検出する圧力の方が高いときに、モータ容量制御シリンダ５２のスプール弁部５２ａとパイロットポンプ１３を接続させ、モータ容量制御シリンダ５２のスプール弁部５２ａが、所定ストロークよりもモータ容量を大きくする側に位置するときに、回生制限弁制御油路５６と回生制限弁１０１を接続させるものである。

モータ容量制御シリンダ５２のスプール弁部５２ａは、図６の（ａ）図に示すように、５ポート（Ａ〜Ｅ）を有し、一端側がハウジングから突出して可変容量モータ２３の容量を調整する機構となっている。スプール弁部５２ａが右方向に移動するとモータ容量が大きくなり、スプール弁部５２ａが左方向に移動するとモータ容量が小さくなる。レバー１５が操作されていないときには、スプール弁部５２ａの右側端部に設けられた圧縮バネによってスプール弁部５２ａは左側に位置し、モータ容量は最小となっている。また、この第２実施形態の可変容量モータ２３は、入り口ポートに流量が発生したときに、容量を大きくする方向（モータ容量制御シリンダ５２の圧縮バネを圧縮してスプール弁部５２ａを右側にストロークさせる方向）に自動的に変化しようとする特性を持たせてある。そのため、モータ容量制御シリンダ５２は、Ｂポートにパイロット圧を作用させることで、可変容量モータ２３の容量自動調整作用に逆らって、容量を小さくする方向（モータ容量制御シリンダ５２の圧縮バネの反発力と同じ向き）に推力を発生する構成となっている。そして、スプール弁部５２ａが右に移動しモータ容量が最大容量付近になると、それまで作動油タンク１８に接続しているＥポートの開口面積が徐々に減少し、新たにＡポートの開口面積が徐々に増加することで、回生制限弁１０１に接続されるＣポートの圧力が徐々に昇圧され、それに伴い、回生制限弁１０１が徐々に開くようになる。

モータ容量制御シリンダ５２のＡ、Ｂポートには、モータ容量制御スプール５３が接続されており、モータ容量制御スプール５３にはパイロットポンプ１３が接続されている。また、モータ容量制御スプール５３の両端には、第１圧力検出油路５０、第２圧力検出油路５１が接続され、両圧力検出油路５０，５１の圧力差に応じて、モータ容量制御スプール５３が移動するようになっている。第１圧力検出油路５０の圧力Ｐ１が高いとき、スプール５３は右側に移動し、モータ容量制御シリンダ５２のＢポートにパイロットポンプ１３が接続され、モータ容量が減少する。第２圧力検出油路５１の圧力Ｐ２が高いとき、スプール５３は左側に移動し、モータ容量制御シリンダ５２のＢポートがタンクに接続され、モータ容量制御シリンダ５２の推力が無くなり、可変容量モータ２３の容量自動調整作用によってモータ容量が増加する。なお、この第２実施形態ではＰ１とＰ２が同圧の時にスプールが中央位置になるようにモータ容量制御スプール５３の両端のバネがセットされている。また、レバー１５が操作されていない時（中立時）には、切換弁５４が第１圧力検出油路５０と第２圧力検出油路５１を接続する位置にあり、Ｐ１とＰ２が同圧になるため、モータ容量制御スプール５３は中央位置になる。

レバー１５を操作して、アクチュエータ１４を縮小する動作をさせるとき、図６の（ｂ）図に示すように、流量制御弁１９のスプールは左側に移動すると共に、図５に示す切換弁５５が閉位置、切換弁２４が開位置、切換弁５４が第１圧力検出油路５０とスプール油路を連通させる位置に切り換わる。すると、アクチュエータ１４から排出された作動油は、作動油排出油路２０、流量制御油路２１を通って流量制御弁１９のスプールから作動油タンク１８へと戻り、等価絞り４４にて圧力損失が発生する。レバー操作開始直後は、動力回生油路２２にも作動油が流れようとするが、可変容量モータ２３がゼロ容量位置にあり流量が発生していないため、等価絞り４５において圧力損失は発生していない。

したがって、モータ容量制御スプール５３は左側に移動し、図６の（ｃ）図に示すように、モータ容量制御シリンダ５２のＢポートが作動油タンク１８と連通する。同時に、動力回生油路２２に発生した圧力で、可変容量モータ２３の容量が自動的に大きくなり始め、動力回生油路２２に流量が発生する。動力回生油路２２に流量が発生すると、等価絞り４５において圧力損失が発生し、第２圧力検出油路５１で検出される圧力Ｐ２が下がり始め、図６の（ｄ）図の状態となる。そして、動力回生油路２２の流量が増加し、Ｐ２が第１圧力検出油路５０の圧力Ｐ１に対して所定の圧力以下になると、モータ容量制御スプール５３が右側に移動し、図６の（ｅ）図に示すように、モータ容量制御シリンダ５２のＢポートにパイロット圧が作用してモータ容量を小さくする。

また、可変容量モータ２３が最大容量付近になると、上述した通りＡポートと回生制限弁１０１のパイロットポートに接続するＣポートが連通するが、このとき図６の（ｃ）図に示すように、依然としてＰ１よりＰ２が大きい状態にあると、モータ容量制御スプール５３が左側にあるため、モータ容量制御シリンダ５２のＡ、Ｃポートを介して回生制限弁１０１のパイロットポートにパイロット圧が作用し、回生制限弁１０１を開くことになる。回生制限弁１０１が開くと、動力回生油路２２の一部の流量が動力回生迂回油路３０に導かれ、可変容量モータ２３を迂回して作動油タンク１８に流入する。すなわち、可変容量モータ２３の容量を超えた流量を動力回生油路２２に流すことが可能になる。

このようにして、Ｐ２がＰ１と同圧になるように、可変容量モータ２３の容量が自動的に調整される。なお、第１実施形態で説明した通り、Ｐ２がＰ１と同圧になるように制御することは、Ｑ１、Ｑ２の流量比を固定比率に制御することと同じである。したがって、この第２実施形態にあっても、第１実施形態におけるのと同様にアクチュエータ１４の速度制御に対する応答性悪化の影響を最小限に抑え、スプール式流量制御弁に準ずる良好な操作性を確保でき、精度の高い作業性を得ることができる。

また、この第２実施形態によれば、モータ容量制御シリンダ５２のストロークから動力回生油路２２の流量を推定することで、動力回生油路２２の流量を検出する流量計等の別の手段を別途設けることなくシンプルな構成とすることができる。さらに、この第２実施形態によれば、モータ容量制御シリンダ５２のストロークから、機械的に、すなわち油圧回路にて、回生制限弁３１の指令パイロット圧を制御することで、電子制御を用いないシステム構成が可能となり、電波ノイズの多い環境において、電子制御を使用する場合と比較してより安定な制御を実現することができる。

１走行体
２旋回体
３作業装置
４ブーム
４ａブームシリンダ
１１回転動力生成手段
１２油圧ポンプ
１３パイロットポンプ
１４アクチュエータ
１５レバー
１６パイロット弁
１８作動油タンク
１９流量制御弁
２０作動油排出油路
２１流量制御油路
２２動力回生油路
２３可変容量モータ
２４切換弁
２５コントローラ
２６電子制御レギュレータ
２７圧力計（第１圧力検出手段）
２８圧力計（第２圧力検出手段）
３０動力回生迂回油路
３１回生制限弁
３２分岐部
４４等価絞り
４５等価絞り
５０第１圧力検出油路（第１圧力検出手段）
５１第２圧力検出油路（第２圧力検出手段）
５２モータ容量制御シリンダ
５２ａスプール弁部
５３モータ容量制御スプール
５４切換弁
５５切換弁
５６回生制限弁制御油路
１００圧力計
１０１回生制限弁

Claims

回転動力生成手段と、この回転動力生成手段から油圧ポンプに回転動力を投入して油圧動力を生成し、その油圧動力によってアクチュエータを動作させる油圧作業機の油圧システムにおいて、
上記アクチュエータからの作動油排出油路を、レバー操作によって制御される流量制御弁のスプールに接続する油路である流量制御油路と、上記作動油排出油路からの排出作動油の油圧動力を再利用可能なエネルギーに変換する可変容量モータに接続する油路である動力回生油路に分岐させ、
上記流量制御油路に設けた第１圧力検出手段と上記動力回生油路に設けた第２圧力検出手段と、
上記第１圧力検出手段の圧力が上記第２圧力検出手段の圧力よりも大きいときに上記可変容量モータの容量を小さくし、上記第１圧力検出手段の圧力が上記第２圧力検出手段の圧力よりも小さいときに上記可変容量モータの容量を大きくし、上記第１圧力検出手段と上記第２圧力検出手段の圧力が同じときに上記可変容量モータの容量を固定するモータ容量制御手段と、
上記動力回生油路から分岐させた動力回生迂回油路と、
上記動力回生油路の流量が所定流量以上のときに上記動力回生油路の流量の一部を動力回生迂回油路へ導くように制御する回生制限制御手段とを設けたことを特徴とする油圧作業機の油圧システム。
請求項１に記載の油圧作業機の油圧システムにおいて、
上記動力回生油路の流量が上記可変容量モータの許容流量を超えたときに、この許容流量を超えた流量を、上記可変容量モータに導くことなく上記動力回生迂回油路を介してタンクに導くことを特徴とする油圧作業機の油圧システム。
請求項１または２に記載の油圧作業機の油圧システムにおいて、
上記可変容量モータの容量を調整する電子制御レギュレータと、上記動力回生迂回油路に設けた電磁比例弁から成る回生制限弁と、上記電子制御レギュレータの指令容量が所定の値よりも大きいときに、上記動力回生迂回油路を開くように上記回生制限弁を制御するコントローラとを備え、
上記モータ容量制御手段は、上記コントローラと上記電子制御レギュレータとを含み、
上記回生制限制御手段は、上記コントローラと上記回生制限弁とを含むことを特徴とする油圧作業機の油圧システム。
請求項１または２に記載の油圧作業機の油圧システムにおいて、
上記第１圧力検出手段が上記流量制御油路から分岐する第１圧力検出油路から成り、上記第２圧力検出手段が上記動力回生油路から分岐する第２圧力検出油路から成り、
上記モータ容量制御手段が、上記可変容量モータの容量を調整するモータ容量制御シリンダと、このモータ容量制御シリンダの圧油の給排を切り換えるモータ容量制御スプールとを含み、
上記モータ容量制御スプール両端に設けた同じ面積をもつ受圧部に、上記第１圧力検出油路と上記第２圧力検出油路を対抗させて接続し、
上記回生制限制御手段は、上記動力回生迂回油路に設けた油圧パイロット流量制御弁から成る回生制限弁と、上記モータ容量制御シリンダが所定ストロークよりもモータ容量を大きくする側に位置するときに、上記動力回生油路の流量の一部を上記動力回生迂回油路に導くように回生制限弁の指令パイロット圧を制御する回生制限弁パイロット圧制御手段とを含むことを特徴とする油圧作業機の油圧システム。
請求項４に記載の油圧作業機の油圧システムにおいて、
上記回生制限弁パイロット圧制御手段は、パイロットポンプと、上記モータ容量制御シリンダのスプール弁部と、このスプール弁部を介して上記回生制限弁に上記パイロットポンプのパイロット圧を導く回生制限弁制御油路とを含み、この回生制限弁パイロット圧制御手段は、上記第１圧力検出油路が検出する圧力より上記第２圧力検出油路が検出する圧力の方が高いときに、上記モータ容量制御シリンダの上記スプール弁部と上記パイロットポンプを接続させ、上記モータ容量制御シリンダの上記スプール弁部が、所定ストロークよりもモータ容量を大きくする側に位置するときに、上記回生制限弁制御油路と上記回生制限弁を接続させることを特徴とする油圧作業機の油圧システム。