JP5793477B2

JP5793477B2 - 作業機械

Info

Publication number: JP5793477B2
Application number: JP2012179524A
Authority: JP
Inventors: 英敏佐竹; 勇輔梶田; 石川　広二; 広二石川; 信吾澤田
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 2012-08-13
Filing date: 2012-08-13
Publication date: 2015-10-14
Anticipated expiration: 2032-08-13
Also published as: JP2014037691A

Description

本発明は、ブームの下げ動作に応じて発電する電動機を備えた油圧ショベル等の作業機械に関する。

この種の従来技術として、特許文献１に示されるものがある。この従来技術は油圧ショベルであって、作業装置に含まれるブームにブーム駆動モータを取り付けるとともに、このブーム駆動モータの出力軸に取り付けたピニオンと、このピニオンと噛みあい、ブームの上下方向の回動に伴うブーム駆動モータの回動軌跡に沿うように旋回体上に形成されたラックギヤとを備えた構成にしてある。この従来技術は、ブーム上げ動作時にはブーム駆動モータに電力が供給され、このブーム駆動モータの駆動力を介してブーム上げが行われる。ブーム下げ動作時には、ブームの自重降下によってブーム駆動モータが回され、このブーム駆動モータが電気を発生する電動機として機能するようになっている。

特開２００６−１５２７４０号公報

上述した従来技術は、ブームの駆動に際し、ブーム上げ動作をブームに取り付けたブーム駆動モータによって行うことから、消費電力が大きくなり、経済性が悪化する懸念がある。また、車体を形成する旋回体上に、ブームに取り付けたブーム駆動モータの回動軌跡に相応する大きなラックギヤを設置しなければならず、旋回体上のブーム駆動モータ、すなわち電動機の駆動に関係する部材のための占有領域が著しく大きくなり、実用性の点で問題がある。

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、ブーム駆動に要する消費電力を少なく抑えることができ、また、ブーム下げ動作に伴う電動機の駆動に関係する部材の車体上の占有領域を小さくすることができる建設機械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、車体と、この車体に取り付けられ上下方向に回動可能なブーム、及びこのブームを駆動するブームシリンダを含む作業装置と、上記ブームの下げ動作に応じて発電する電動機とを有する作業機械において、一端が上記ブームに接続され、他端が上記車体に接続され、上記ブームの下げ動作に応じて上記電動機を発電させる電気式直動アクチュエータと、上記ブームの上げ動作を上記ブームシリンダで行なわせ、上記ブームの下げ速度を上記電気式直動アクチュエータによって決めるように、これらのブームシリンダと電気式直動アクチュエータを制御するブーム駆動制御装置とを備え、上記ブーム駆動制御装置は、上記ブームシリンダを作動させる圧油を供給する油圧ポンプと、タンクと、上記油圧ポンプから上記ブームシリンダに供給される圧油の流れを制御する方向制御弁と、この方向制御弁を切り換え操作する操作装置と、上記ブームの上げ動作を行わせるように上記操作装置が操作されたときに切り換えられて、上記ブームシリンダのボトム室と上記方向制御弁とを接続し、上記ボトム室と上記タンクとの間を遮断する第１切換位置、及び上記ブームの下げ動作を行わせるように上記操作装置が操作されたときに切り換えられて、上記ブームシリンダの上記ボトム室と上記タンクとを接続し、上記ブームシリンダの上記ボトム室と上記方向制御弁との間を遮断する第２切換位置を有する切換弁を含むとともに、上記電気式直動アクチュエータに所定の推力を生じさせるように上記電動機を制御するパワーコントロールユニットと、このパワーコントロールユニットの制御により、上記電動機で発電した電気を蓄える蓄電装置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、ブーム上げ動作時には、ブーム駆動制御装置の制御により、ブーム上げ動作をブームシリンダの油圧力によって行うことができる。これにより、仮に電気式直動アクチュエータの駆動力を併せて活用した場合でも、ブーム駆動に要する消費電力を少なく抑えることができる。

また、ブームの下げ動作時には、ブーム駆動制御装置により電気式直動アクチュエータが駆動してブームの下げ速度が制御され、このブームの下げ動作を安定して行うことができる。また、このときブームの下げ動作に応じて電気式直動アクチュエータが駆動され、この電気式直動アクチュエータの駆動によって電動機を発電させることができる。このようにして電動機を発電させる電気式直動アクチュエータは、ブームに沿って配置することができる。したがって、仮に電動機を車体上に配置した場合でもブーム下げ動作に伴う電動機の駆動に関係する部材の車体上の占有領域を小さくすることができる。

また本発明は、ブームの上げ動作に際して操作装置を操作すると、方向制御弁が切り換えられ、油圧ポンプの圧油が方向制御弁、及び切換弁の第１切換位置を介してブームシリンダのボトム室に供給され、ブームシリンダが伸長して所望のブーム上げ動作が行われる。

また、ブーム下げ動作に際し操作装置を操作すると、切換弁が第２切換位置に切り換えられ、ブームシリンダのボトム室と方向制御弁の間が遮断され、ブームシリンダのボトム室がタンクに接続される。これによりブームシリンダのボトム室の油がタンクに戻され、ブームシリンダが収縮可能な状態となる。このとき、例えば蓄電装置で蓄えられた電力がパワーコントロールユニットの制御によって電動機に供給されて、この電動機が駆動される。この電動機の駆動によって電気式直動アクチュエータにブームの自重降下に抵抗する推力が生じる。この電気式直動アクチュエータの推力により、ブームの下げ速度が決定される。したがって、電動機を介してパワーコントロールユニットが電気式直動アクチュエータの推力を制御することにより、ブームの下げ動作を安定して行わせることができる。

また本発明は、上記発明において、上記ブームの下げ動作時の上記操作装置の操作量を検出する操作量検出手段を備え、上記パワーコントロールユニットは、上記ブームの下げ動作時の上記操作装置の操作量と、上記ブームの下げ速度を決める上記電動式直動アクチュエータの推力との関係が予め設定される設定部を有するものから成り、上記パワーコントロールユニットは、上記ブームの下げ動作時に、上記設定部で設定された関係に基づいて上記操作量検出手段で検出された上記操作装置の操作量に応じた上記電気式直動アクチュエータの推力を生じさせるように上記電動機を制御することを特徴としている。

このように構成した本発明は、操作装置の操作量に応じた電気式直動アクチュエータの推力を生じさせ、ブームの下げ速度を操作装置の操作量に応じて制御することができる。

また本発明は、上記発明において、上記電動機を、上記電気式直動アクチュエータの内部に配置したことを特徴としている。

このように構成した本発明は、電動機も車体上に配置しないで済むので、電動機の駆動に関係する部材の車体上の占有領域をさらに小さくすることができる。

本発明は、一端がブームに接続され、他端が車体に接続され、ブームの下げ動作に応じて電動機を発電させる電気式直動アクチュエータと、ブームの上げ動作をブームシリンダで行なわせ、ブームの下げ速度を電気式直動アクチュエータによって決めるように、これらのブームシリンダと電気式直動アクチュエータを制御するブーム駆動制御装置とを備えた構成にしてある。この構成により、ブーム上げ動作時には、ブームシリンダの油圧力を活用させて、ブーム駆動に要する消費電力を少なく抑えることができ、従来に比べて高い経済性を確保することができる。また、電動機で発電させる電気式直動アクチュエータをブームに沿って配置でき、ブーム下げ動作に伴う電動機の駆動に関係する部材の車体上の占有領域を小さくすることができ、従来に比べて高い実用性を確保することができる。

本発明の作業機械の一実施形態を構成する油圧ショベルを示す側面図である。図１の要部拡大図である。本実施形態に備えられる電気式直動アクチュエータの要部構成を示す図である。本実施形態に備えられるブーム駆動制御装置の要部構成を示す電気・油圧回路図である。本実施形態に備えられるパワーコントロールユニットの設定部で予め設定される操作量と推力の関係を示す図である。

以下、本発明に係る作業機械の実施の形態を図に基づいて説明する。

図１は本発明の作業機械の一実施形態を構成する油圧ショベルを示す側面図、図２は図１の要部拡大図、図３は本実施形態に備えられる電気式直動アクチュエータの要部構成を示す図である。

本実施形態に係る油圧ショベルは、図１に示すように、走行体１と、この走行体１上に配置される旋回体２とを備えている。これらの走行体１と旋回体２によって車体が構成されている。また、旋回体２に取り付けられ、土砂の掘削作業等を行う作業装置３を備えている。この作業装置３は、旋回体２に上下方向の回動可能に取り付けられるブーム４と、このブーム４の先端に上下方向の回動可能に取り付けられるアーム５と、このアーム５の先端に回動可能に取り付けられるバケット６とを含んでいる。また、この作業装置３は、ブーム４を駆動するブームシリンダ７と、アーム５を駆動するアームシリンダ８と、バケット６を駆動するバケットシリンダ９も含んでいる。

旋回体２の旋回フレーム２ａの前側位置には運転室１０が配置され、後側位置には重量バランスを確保するカウンタウエイト１１が配置されている。また、運転室１０とカウンタウエイト１１との間には、エンジンとともに、このエンジンによって駆動される後述の油圧ポンプ３０、パイロットポンプ３４等が収容される機械室１２が配置されている。

本実施形態に係る油圧ショベルは、ブーム４の下げ動作に応じて発電する電動機２７を有するとともに、一端がブーム４に接続され、他端が旋回体２に接続され、ブーム４の下げ動作に応じて電動機２７を発電させる電気式直動アクチュエータ２０を備えている。さらに、本実施形態は、ブーム４の上げ動作をブームシリンダ７で行わせ、ブーム４の下げ速度を電気式直動アクチュエータ２０によって決めるように、これらのブームシリンダ７と電気式直動アクチュエータ２０を制御する後述のブーム駆動制御装置を備えている。

電気式直動アクチュエータ２０は、ブームシリンダ７に並設されるようにブーム４の側面に沿って配置されており、図２に示すように、上端がブーム４に固定されたブラケット２１に相対的に回動可能に連結され、下端が旋回体２の旋回フレーム２ａに固定されたブラケット２２に相対的に回動可能に連結されている。また、ブームシリンダ７も同様に、上端がブーム４に固定されたブラケット２１に相対的に回動可能に連結され、下端が旋回体２の旋回フレーム２ａに固定されたブラケット２２に相対的に回動に連結されている。すなわち、ブームシリンダ７と、電気式直動アクチュエータ２０と、ブラケット２１と、ブラケット２２とによって平行四辺形リンク機構が形成されている。

上述した電気式直動アクチュエータ２０は、図３に示すように、大きな剛性を有する筒体２３と、この筒体２３に取り付けられ、内側にねじ部を有するナット部２４と、筒体２３に対して出入可能であって、外表面にナット部２４のねじ部に螺合するねじ部が形成されたねじ棒部２５とを含んでいる。ねじ棒部２５の上端の接続部２６が、上述したブラケット２１に相対的に回動可能に連結されるようになっている。この電気式直動アクチュエータ２０のストロークは、ブームシリンダ７のストローク以上となるように設定されている。

ブーム４の下げ動作に応じて発電する電動機２７は、例えば図３に示すように、電気式直動アクチュエータ２０の筒体２３内に配置してある。この電動機２７は、ねじ棒部２５の下端に連結されており、ねじ棒部２５の回転によって回されて電気を発生する。また、ねじ棒部２５の軸方向に対してはねじ棒部２５と一体的に移動するように形成され、外側のケース部分は、ねじ棒部２５が回転しても筒体２３によって回転が阻止されるように保持されている。

図４は本実施形態に備えられるブーム駆動制御装置の要部構成を示す電気・油圧回路図である。

本実施形態に備えられる上述のブーム駆動制御装置は、例えば図４に示すように、ブームシリンダ７を作動させる圧油を供給する油圧ポンプ３０と、タンク３１と、油圧ポンプ３０からブームシリンダ７に供給される圧油の流れを制御する方向制御弁３２と、この方向制御弁３２を切り換え操作する操作装置３３とを含んでいる。

上述した方向制御弁３２と、ブームシリンダ７のボトム室７ａとは第１主管路３５で接続され、方向制御弁３２とブームシリンダ７のロッド室７ｂとは第２主管路３６で接続されている。また、操作装置３３は、パイロット圧を発生するパイロットポンプ３４に接続されている。この操作装置３３によってブーム４の下げ動作が行われたときには、パイロット管路４０を介してパイロット圧が方向制御弁３２の一方の制御室に供給されて、この方向制御弁が一方向に切り換えられる。操作装置３３によってブーム４の上げ動作が行われたときには、パイロット管路４２を介してパイロット圧が方向制御弁３２の他方の制御室に供給されて、この方向制御弁３２が他方向に切り換えられるようになっている。

上述のパイロット管路４０には、操作装置３３がブーム４の下げ側に操作されたことを検出するとともに、その操作量を検出する圧力センサ４１が設けられている。また、パイロット管路４２には、操作装置３３がブーム４の上げ側に操作されたことを検出するとともに、その操作量を検出する圧力センサ４３が設けられている。上述したパイロット管路４０と、圧力センサ４１とによって、ブーム４の下げ動作時の操作装置３３の操作量を検出する操作量検出手段が構成されている。

また、ブーム駆動制御装置は、同図４に示すように、第１主管路３５に設けられ、例えば電磁弁から成る切換弁３７を含んでいる。この切換弁３７は、ブーム４の上げ動作を行わせるように操作装置３３が操作されたときに切り換えられて、ブームシリンダ７のボトム室７ａと方向制御弁３２とを接続し、ボトム室３７ａとタンク３１との間を遮断する第１切換位置３７ａと、ブーム４の下げ動作を行わせるように操作装置３３が操作されたときに切り換えられて、ブームシリンダ７のボトム室７ａとタンク３１とを接続し、ブームシリンダ７のボトム室７ａと方向制御弁３２との間を遮断する第２切換位置３７ｂとを有している。

また、このブーム駆動制御装置は、同図４に示すように、圧力センサ４１から出力される信号に応じて、切換弁３７を第２切換位置３７ｂに切り換える制御信号を出力するとともに、圧力センサ４１から出力される信号の値（操作量）に応じて電気式直動アクチュエータ２０に所定の推力を生じさせるように電動機２７を制御するパワーコントロールユニット４４と、このパワーコントロールユニット４４の制御により、電動機２７で発生した電気を蓄える蓄電装置４５を含んでいる。

上述したパワーコントロールユニット４４は例えば、ブーム４の下げ動作時の操作装置３３の操作量と、ブーム４の下げ速度を決める電気式直動アクチュエータ２０の推力との関係が予め設定される設定部を有するものから成り、パワーコントロールユニット４４は、ブーム４の下げ動作時に、上述の設定部で設定された関係に基づいて圧力セン４１で検出された操作装置３３の操作量に応じた電気式直動アクチュエータ２０の推力を生じさせるように電動機２７を制御する。

図５は本実施形態に備えられるパワーコントロールユニットの設定部で予め設定される操作量と推力の関係を示す図である。

この図５の横軸はブーム４の下げ動作における操作装置３３の操作量を示し、縦軸は推力を示している。同図５中、Ａは、ブームシリンダ７の推力Ｃと電気式直動アクチュエータ２０の推力Ｂを合計した目標推力である。ブームシリンダ７の推力は、ブームシリンダ７のボトム室７ａとタンク３１とを連絡する管路等に生じる圧損による推力である。同図５中、Ｄは、ブーム４が空中に停止保持されているときの保持力を示している。この保持力Ｄと目標推力Ａとの差によって、ブーム４の下げ速度が決まる。本実施形態では、例えばブームシリンダ６の推力Ｃを経験的に、あるいは実験的に求め、通常実施されているブーム４の下げ速度に相応する目標推力Ａからブームシリンダ７の推力を引いた値を、電動機２７の制御によって得られる電気式直動アクチュエータ２０の推力Ｂとするように、パワーコントロールユニット４４の設定部で予め設定してある。

このように構成した本実施形態は、ブーム４の上げ動作に際して操作装置３３を操作すると、その操作が圧力センサ４３で検出され、この圧力センサ４３の検出信号に応じてパワーコントロールユニット４４は、切換弁３７を第１切換位置３７ａに保持する制御信号を出力する。このとき例えば、パワーコントロールユニット４４から電動機２７には、この電動機２７を駆動する信号は出力されない。

上述した操作装置３３の操作に伴って方向制御弁３２が切り換えられ、油圧ポンプ３０から吐出される圧油が切換弁２７の第１切換位置３７ａを介してブームシリンダ７のボトム室７ａに供給される。したがって、ブームシリンダ７が伸長して所望のブーム４の上げ動作が行われる。

なお、上記では、ブーム４の上げ動作時にパワーコントロールユニット４４から電動機２７に駆動信号を出力させないようにしたが、パワーコントロールユニット４４は、蓄電装置４５に蓄えられた電力を電動機２７に供給するように制御して電気式直動アクチュエータ２０のねじ棒部２５を回転させながら伸長させて、ブームシリンダ７による油圧力を支援するようにしてもよい。

また、ブーム４の下げ動作に際して、操作装置３３を操作すると、圧力センサ４１で検出される信号に基づいてパワーコントロールユニット４４から切換弁３７を第２切換位置３７ｂに切り換える信号が出力される。これにより、ブームシリンダ７のボトム室７ａと方向制御弁３２の間が遮断され、ブームシリンダ７のボトム室７ａがタンク３１に接続される。これにより、ブームシリンダ７が収縮可能な状態となる。

このとき圧力ンサ４１で検出される信号（操作量）に応じた電気式直動アクチュエータ２０の推力が図５に示すパワーコントロールユニット４４の設定部の設定に基づいて求められる。求められた推力に相応する駆動信号、例えば蓄電装置４５で蓄えられた電力により生成された駆動信号がパワーコントロールユニット４４から電動機２７に供給されて、この電動機２７が駆動される。この電動機２７の駆動によって電気式直動アクチュエータ２０にブーム４の自重降下に抵抗する推力が生じる。この電気式直動アクチュエータ２０の推力により、上述のようにブーム４の下げ速度が決定される。したがって、電動機２７を介してパワーコントロールユニット４４が電気式直動アクチュエータ２０の推力を制御することにより、ブーム４の下げ動作を安定して行わせることができる。

また、上述のようにブーム４の下げ動作時に電気式直動アクチュエータ２０に自重降下に抵抗する推力を生じさせるものの、その推力よりも大きいブーム４の降下力によって電気式直動アクチュエータ２０のねじ棒部２４がその軸心回りに回転しながら収縮する。このねじ棒部２４の回転により電動機２７は、パワーコントロールユニット４４から出力される駆動信号による回転方向とは逆の回転方向に回され、電気を発生する。この電気は、バワーコントロールユニット４４の制御により蓄電装置４５に蓄えられる。このようにして蓄電装置４５に蓄えられた電力は、上述のようにブーム４の上げ動作の支援に活用させることもでき、またブーム４以外の駆動、例えば旋回体２の駆動等に活用することもできる。

このように構成した本実施形態によれば、ブーム駆動に際して、ブーム４の上げ動作を主にブームシリンダ７の油圧力によって行うことができるので、このブーム駆動に要する消費電力を少なく抑えることができ、高い経済性を確保することができる。また、電動機２７を発電させる電気式直動アクチュエータ２７は、ブーム４の延設方向に沿って配置することができる。したがって、ブーム４の下げ動作に伴う電動機２７の駆動に関係する部材の旋回体２上の占有領域を小さくすることができ、高い実用性を確保することができる。

また、パワーコントロールユニット４４の設定部に図５に示す操作装置３３の操作量と推力との関係を予め設定し、ブーム４の下げ動作時に操作装置３３の操作量に応じた電気式直動アクチュエータ２０の推力を発生させるようにしてあることから、ブーム４の下げ速度を操作装置３３の操作量に応じて制御することができる。

また、電動機２７を電気式直動アクチュエータ２０の内部に配置したことから、電動機２７も旋回体２上に配置しないで済み、電動機２７の駆動に関係する部材のための旋回体２上の占有領域をさらに小さくすることができる。

１走行体（車体）
２旋回体（車体）
３作業装置
４ブーム
７ブームシリンダ
２０電気式直動アクチュエータ
２１ブラケット
２２ブラケット
２３筒体
２４ナット部
２５ねじ棒部
２７電動機
３０油圧ポンプ
３１タンク
３２方向制御弁
３３操作装置
３５第１主管路
３６第２主管路
３７切換弁
３７ａ第１切換位置
３７ｂ第２切換位置
４０パイロット管路（操作量検出手段）
４１第１圧力センサ（操作量検出手段）
４４パワーコントロールユニット
４５蓄電装置
Ａ目標推力
Ｂ電気式直動アクチュエータの推力
Ｃブームシリンダの推力
Ｄ空中停止時の保持力

Claims

車体と、この車体に取り付けられ上下方向に回動可能なブーム、及びこのブームを駆動するブームシリンダを含む作業装置と、上記ブームの下げ動作に応じて発電する電動機とを有する作業機械において、
一端が上記ブームに接続され、他端が上記車体に接続され、上記ブームの下げ動作に応じて上記電動機を発電させる電気式直動アクチュエータと、
上記ブームの上げ動作を上記ブームシリンダで行なわせ、上記ブームの下げ速度を上記電気式直動アクチュエータによって決めるように、これらのブームシリンダと電気式直動アクチュエータを制御するブーム駆動制御装置とを備え、
上記ブーム駆動制御装置は、
上記ブームシリンダを作動させる圧油を供給する油圧ポンプと、タンクと、上記油圧ポンプから上記ブームシリンダに供給される圧油の流れを制御する方向制御弁と、この方向制御弁を切り換え操作する操作装置と、
上記ブームの上げ動作を行わせるように上記操作装置が操作されたときに切り換えられて、上記ブームシリンダのボトム室と上記方向制御弁とを接続し、上記ボトム室と上記タンクとの間を遮断する第１切換位置、及び上記ブームの下げ動作を行わせるように上記操作装置が操作されたときに切り換えられて、上記ブームシリンダの上記ボトム室と上記タンクとを接続し、上記ブームシリンダの上記ボトム室と上記方向制御弁との間を遮断する第２切換位置を有する切換弁を含むとともに、
上記電気式直動アクチュエータに所定の推力を生じさせるように上記電動機を制御するパワーコントロールユニットと、
このパワーコントロールユニットの制御により、上記電動機で発電した電気を蓄える蓄電装置とを含むことを特徴とする作業機械。
請求項１に記載の作業機械において、
上記ブームの下げ動作時の上記操作装置の操作量を検出する操作量検出手段を備え、
上記パワーコントロールユニットは、上記ブームの下げ動作時の上記操作装置の操作量と、上記ブームの下げ速度を決める上記電動式直動アクチュエータの推力との関係が予め設定される設定部を有するものから成り、
上記パワーコントロールユニットは、上記ブームの下げ動作時に、上記設定部で設定された関係に基づいて上記操作量検出手段で検出された上記操作装置の操作量に応じた上記電気式直動アクチュエータの推力を生じさせるように上記電動機を制御することを特徴とする作業機械。
請求項１または２に記載の作業機械において、
上記電動機を、上記電気式直動アクチュエータの内部に配置したことを特徴とする作業機械。