JP7455285B2

JP7455285B2 - 建設機械

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Publication number: JP7455285B2
Application number: JP2023545660A
Authority: JP
Inventors: 亮平福地; 翔太石田
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 2021-08-31
Filing date: 2022-08-31
Publication date: 2024-03-25
Anticipated expiration: 2042-08-31
Also published as: WO2023033080A1; US20240150995A1; JPWO2023033080A1; KR20230144070A; EP4290085A1; CN116964337A

Description

本発明は、油圧ショベル等の建設機械に関する。

油圧ショベル等の建設機械では、掘削作業の他、土羽打ち作業や整地作業等といった様々な作業が行われる。ブームシリンダの駆動に必要な圧油の流量や圧力は、作業によって異なる。例えばブーム上げ操作時には、複数の油圧ポンプの吐出油を合流させる等してブームシリンダへのメータイン流量を増加させる。それに対し、バケットが宙に浮いた状態でブーム下げ操作が行わる場合、ブームシリンダへのメータイン流量を制限してエネルギーロスを抑制する。更には、バケットが接地した状態でブーム下げ操作が行われる場合、ブームシリンダへのメータイン流量を増加させてジャッキアップ動作を可能とする。

このようなブームシリンダへのメータイン流量の制御は、例えばブームシリンダのボトム圧に応じてブームシリンダへの圧油の供給流量を電磁弁で制御することにより行われる（特許文献１）。

特開２０１０－２７５８１８号公報

バケットが宙に浮いた状態で行われるブーム下げ動作、あるいはバケットの底面を地面に押し付けブームを下げて行われるジャッキアップ動作については、ブームシリンダのボトム圧が急変することがないので特許文献１に開示された技術によりメータイン流量を適正に制御することができる。

しかし、例えばブームを繰り返し上げ下げする土羽打ち作業時には、ブームシリンダのボトム圧の激しい変動により、メータイン流量の制御がオペレータの意図に反して働いてしまう場合がある。バケットが宙に浮いた状態でのブーム下げ時には、ブームシリンダのボトム圧は高くブームシリンダのロッド圧は低くなって、メータイン流量が少なくなるように制御される。一方、バケットが地面に押し付けられるジャッキアップ時には、ブームシリンダのボトム圧は低くブームシリンダのロッド圧は高くなって、メータイン流量が多くなるように制御される。しかし、ブームを短時間で繰り返し上げ下げ操作する土羽打ち作業時には、ブームシリンダのボトム圧の変動に起因し、ブーム上げ操作からブーム下げ操作への切換え後にも、ジャッキアップに対応したメータイン流量が選択され、メータイン流量が多い状態が継続する可能性がある。結果として、要求されるブームの動作速度と一致しない状態となって、操作性に影響が及び得る。

本発明の目的は、ブームの動作速度を要求される速度に一致させ、操作性を向上させることができる建設機械を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、車体と、前記車体に連結したフロント作業機と、前記フロント作業機を上下に駆動するブームシリンダと、原動機と、前記原動機によって駆動される第１油圧ポンプと、前記原動機によって駆動される第２油圧ポンプと、前記第１油圧ポンプから前記ブームシリンダに流れる圧油を制御する第１方向制御弁と、前記第２油圧ポンプから前記ブームシリンダに流れる圧油を制御する第２方向制御弁と、前記第１方向制御弁及び前記第２方向制御弁を駆動するパイロット油を吐出するパイロットポンプと、前記パイロット油を元圧として、前記第１方向制御弁及び前記第２方向制御弁をブーム下げ方向に駆動するブーム下げパイロット圧を出力するブーム下げ減圧弁と、前記パイロット油を元圧として、前記第１方向制御弁及び前記第２方向制御弁をブーム上げ方向に駆動するブーム上げパイロット圧を出力するブーム上げ減圧弁と、前記ブーム下げ減圧弁及び前記ブーム上げ減圧弁を操作するブーム操作レバーとを備えた建設機械において、前記ブームシリンダのボトム圧を測定するボトム圧センサと、前記ブーム操作レバーの操作量を測定する操作量センサと、前記ブーム下げ減圧弁と前記第２方向制御弁の受圧室とを繋ぐパイロット油路に設けられ、前記第２方向制御弁に対するブーム下げパイロット圧を減圧する電磁弁と、前記ボトム圧センサで測定される前記ボトム圧及び前記操作量センサで測定される前記操作量に基づき前記電磁弁を制御するコントローラとを備え、前記コントローラは、前記ボトム圧センサで測定されたボトム圧に基づき、前記ブーム下げ減圧弁と前記第２方向制御弁の受圧室との連通面積が前記ボトム圧の増加に伴って減少するように第１開度指令値を演算し、前記操作量センサで測定されたブーム下げ操作量に基づき、前記連通面積が前記ブーム下げ操作量の増加に伴って増加するように第２開度指令値を演算し、ブーム上げ操作後の経過時間に基づき、前記経過時間が設定時間未満である場合は前記連通面積を最小とする最小開度指令値を、前記経過時間が前記設定時間以上である場合は前記第１開度指令値及び前記第２開度指令値の最小選択値を、前記電磁弁の開度指令値に決定し、決定した開度指令値に応じた指令信号を前記電磁弁に出力する建設機械を提供する。

本発明によれば、ブームの動作速度を要求される速度に一致させることができ、操作性を向上させることができる。

本発明の一実施形態に係る建設機械を表す側面図本発明の一実施形態に係る建設機械に搭載された油圧システムの要部を表す回路図本発明の一実施形態に係る建設機械に搭載されたコントローラによる電磁弁の制御手順を表すフローチャート図３のフローを実行するためのコントローラの機能ブロックの一例を表す図

以下に図面を用いて本発明の実施形態を説明する。

－建設機械－
図１は本発明の一実施形態に係る建設機械を表す側面図である。同図では、建設機械として油圧ショベル１を例示しているが、ホイールローダ、クレーン等、土木作業、建設作業、解体作業等の各種作業に用いられる他種の建設機械に本発明は適用可能である。油圧ショベル１はクローラ式であるが、ホイール式の建設機械にも本発明は適用可能である。

油圧ショベル１は、車体４と、車体４に取り付けられたフロント作業機１０とを含んで構成されている。車体４は、走行体２と、走行体２上に旋回可能に設けた旋回体３とを含んで構成されている。走行体２は、左右のクローラを走行用油圧モータで駆動することにより走行する。旋回体３は、オペレータが搭乗する運転室７を有しており、車体４に設けられた旋回用油圧モータにより走行体２に対して旋回駆動される。運転室７の内部には、上記の走行用油圧モータや旋回用油圧モータの他、後述するブームシリンダ１５、アームシリンダ１６及びバケットシリンダ１７等、油圧ショベル１に搭載した各油圧アクチュエータを操作するための各操作装置が設けられている。

フロント作業機１０は、多関節型の作業腕１１に作業に応じたアタッチメントであるバケット１４を装着した作業機であり、旋回体３に連結されている。作業腕１１は、旋回体３の前部に上下に回動可能に連結されたブーム１２と、ブーム１２の先端に前後に回動可能に連結されたアーム１３とを含んでいる。ブーム１２はブームシリンダ１５により、アーム１３はアームシリンダ１６により、バケット１４はバケットシリンダ１７により、それぞれ駆動される。図１ではバケット１４をアタッチメントとして作業腕１１に装着した構成を例示しているが、バケット１４はグラップル等の他のアタッチメントと交換可能である。

－油圧システム－
図２は図１に示した建設機械に搭載された油圧システムの要部を表す回路図である。図２ではブームシリンダ１５の駆動回路を抜き出して表している。同図に示した油圧システムは、原動機５１、第１油圧ポンプ５２、第２油圧ポンプ５３、第１方向制御弁５４、第２方向制御弁５５、パイロットポンプ５６、操作レバー装置５７、電磁弁５８、コントローラ６０を備えている。

・油圧ポンプ
第１油圧ポンプ５２及び第２油圧ポンプ５３は、油圧ショベル１に搭載された油圧アクチュエータを駆動する作動油を吐出する可変容量型のポンプであり、原動機５１により駆動される。本実施形態における原動機５１は内燃機関等の燃焼エネルギーを動力に変換するエンジンであるが、電動機を原動機５１に用いる場合もある。図２では第１油圧ポンプ５２及び第２油圧ポンプ５３を各１個のみ図示しているが、第１油圧ポンプ５２及び第２油圧ポンプ５３の少なくとも一方を複数にする場合もある。作動油タンク５９から吸入されて第１油圧ポンプ５２から吐出された圧油は、第１方向制御弁５４を経由してブームシリンダ１５に供給される。作動油タンク５９から吸入されて第２油圧ポンプ５３から吐出された圧油は、第２方向制御弁５５を経由してブームシリンダ１５に供給される。ブームシリンダ１５からの戻り油は、第１方向制御弁５４及び第２方向制御弁５５を介して作動油タンク５９に戻る。

・パイロットポンプ
パイロットポンプ５６は、第１方向制御弁５４及び第２方向制御弁５５等の油圧駆動式の制御弁を駆動するパイロット油を吐出する固定容量型ポンプである。第１油圧ポンプ５２及び第２油圧ポンプ５３と同じく、パイロットポンプ５６は原動機５１により駆動される。原動機５１とは別の動力源でパイロットポンプ５６を駆動する構成とすることもできる。パイロットポンプ５６の吐出油路５６ｍは、分岐して操作レバー装置５７のブーム下げ減圧弁５７ｄやブーム上げ減圧弁５７ｕ等に接続している。吐出管路５７ａを介してパイロットポンプ５６の吐出圧がブーム下げ減圧弁５７ｄやブーム上げ減圧弁５７ｕ等にパイロット圧の元圧として入力される。

・第１方向制御弁
第１方向制御弁５４は、第１油圧ポンプ５２からブームシリンダ１５に供給される圧油の流れ（方向及び流量）を制御する油圧駆動式の方向切換弁であり、受圧室に入力されるパイロット圧により駆動される。第１方向制御弁５４は、ブーム下げ位置５４ｄ、ブーム上げ位置５４ｕ、中立位置５４ｎを有する比例式の３位置切換弁である。パイロット圧が作用していない状態では、第１方向制御弁５４のスプールは、ばね力により中立位置５４ｎに位置する。

第１方向制御弁５４が中立位置５４ｎである場合、第１油圧ポンプ５２がブームシリンダ１５をバイパスして作動油タンク５９に接続し、ブームシリンダ１５のロッド側油室及びボトム側油室は閉止される。これによりブームシリンダ１５は伸縮することなく保持される。

第１方向制御弁５４がブーム下げ位置５４ｄである場合、第１油圧ポンプ５２がブームシリンダ１５をバイパスして作動油タンク５９に接続し、ブームシリンダ１５のボトム側油室がロッド側油室及び作動油タンク５９に接続される。これによりフロント作業機１０の重量でボトム側油室から押し退けられた圧油の一部がロッド側油室に供給され、ブームシリンダ１５が収縮する。

第１方向制御弁５４がブーム上げ位置５４ｕである場合、第１油圧ポンプ５２がブームシリンダ１５のボトム側油室に接続し、ブームシリンダ１５のロッド側油室が作動油タンク５９に接続する。これにより第１油圧ポンプ５２から吐出される圧油によりブームシリンダ１５が伸長する。

・第２方向制御弁
第２方向制御弁５５は、第２油圧ポンプ５３からブームシリンダ１５に供給される圧油の流れ（方向及び流量）を制御する油圧駆動式の方向切換弁であり、受圧室に入力されるパイロット圧により駆動される。第２方向制御弁５５は、ブーム下げ位置５５ｄ、ブーム上げ位置５５ｕ、中立位置５５ｎを有する比例式の３位置切換弁である。パイロット圧が作用していない状態では、第２方向制御弁５５のスプールは、ばね力により中立位置５５ｎに位置する。

第２方向制御弁５５が中立位置５５ｎである場合、第２油圧ポンプ５３がブームシリンダ１５をバイパスして作動油タンク５９に接続し、ブームシリンダ１５のロッド側油室及びボトム側油室は閉止される。これによりブームシリンダ１５は伸縮することなく保持される。

第２方向制御弁５５がブーム下げ位置５５ｄである場合、第２油圧ポンプ５３がブームシリンダ１５のロッド側油室に接続し、ブームシリンダ１５のボトム側油室が作動油タンク５９に接続する。これにより第２油圧ポンプ５３から吐出される圧油によりブームシリンダ１５が収縮する。

第２方向制御弁５５がブーム上げ位置５５ｕである場合、第２油圧ポンプ５３がブームシリンダ１５のボトム側油室に接続し、ブームシリンダ１５のロッド側油室が作動油タンク５９に接続する。これにより第２油圧ポンプ５３から吐出される圧油によりブームシリンダ１５が伸長する。

・ブーム下げ減圧弁
第１方向制御弁５４及び第２方向制御弁５５のブーム下げ側の受圧室は、各々パイロット油路５６ａ，５６ｂを介してブーム下げ減圧弁５７ｄに接続し、更にブーム下げ減圧弁５７ｄを介してパイロットポンプ５６に接続している。ブーム下げ減圧弁５７ｄは、ブーム操作レバー５７ｌにより操作される。ブーム操作レバー５７ｌがブーム下げ方向（図２では左方向）に操作されると、ブーム操作レバー５７ｌの操作量に応じてブーム下げ減圧弁５７ｄが作動する。これによりパイロットポンプ５６の吐出油路５６ｍとパイロット油路５６ａ，５６ｂとが接続されると共に、パイロットポンプ５６からのパイロット油の圧力を元圧として、ブーム操作レバー５７ｌのブーム下げ操作量に応じたブーム下げパイロット圧が出力される。このパイロット圧が第１方向制御弁５４及び第２方向制御弁５５のブーム下げ側の受圧室に作用すると、第１方向制御弁５４及び第２方向制御弁５５が中立位置５４ｎ，５５ｎからブーム下げ方向に駆動され、ブーム下げ位置５４ｄ，５５ｄに切り換わる。

・ブーム上げ減圧弁
第１方向制御弁５４及び第２方向制御弁５５のブーム上げ側の受圧室は、各々パイロット油路５６ｃ，５６ｄを介してブーム上げ減圧弁５７ｕに接続し、更にブーム上げ減圧弁５７ｕを介してパイロットポンプ５６に接続している。ブーム上げ減圧弁５７ｕも、ブーム下げ減圧弁５７ｄと同じくブーム操作レバー５７ｌにより操作される。ブーム操作レバー５７ｌがブーム上げ方向（図２では右方向）に操作されると、ブーム操作レバー５７ｌの操作量に応じてブーム上げ減圧弁５７ｕが作動する。これによりパイロットポンプ５６の吐出油路５６ｍとパイロット油路５６ｃ，５６ｄとが接続され、パイロットポンプ５６からのパイロット油の圧力を元圧として、ブーム操作レバー５７ｌのブーム上げ操作量に応じたブーム上げパイロット圧が出力される。このパイロット圧が第１方向制御弁５４及び第２方向制御弁５５のブーム上げ側の受圧室に作用すると、第１方向制御弁５４及び第２方向制御弁５５が中立位置５４ｎ，５５ｎからブーム上げ方向に駆動され、ブーム上げ位置５４ｕ，５５ｕに切り換わる。

・電磁弁
上記電磁弁５８は、ブーム下げ減圧弁５７ｄが出力するブーム下げパイロット圧を減圧し、第２方向制御弁５５のブーム下げ側の受圧室に対する補正ブーム下げパイロット圧（補正されたブーム下げパイロット圧）を出力する比例電磁減圧弁である。この電磁弁５８は、ブーム下げ減圧弁５７ｄと第２方向制御弁５５のブーム下げ側の受圧室とを繋ぐパイロット油路５６ｂに設けられている。電磁弁５８は、開通位置５８ａ及び遮断位置５８ｂを有している。本実施形態において、電磁弁５８のスプールは、ソレノイドが消磁された状態でばね力により遮断位置５８ｂ側に押し付けられ、ソレノイドが励磁されるとばね力に抗して開通位置５８ａ側に移動する。但し、消磁状態でスプールが開通位置５８ａに押し付けられ、励磁されると遮断位置５８ｂ側にスプールが移動する構成としても良い。

電磁弁５８は、開通位置５８ａと遮断位置５８ｂとに切換え可能に設けられた２位置を有した弁である。電磁弁５８が開通位置５８ａに切換えられると、第２方向制御弁５５のブーム下げ側の受圧室は、ブーム下げ減圧弁５７ｄに繋げられる。電磁弁５８が遮断位置５８ｂに切り換えられると、第２方向制御弁５５のブーム下げ側の受圧室は、作動油タンク５９に繋げられる。電磁弁５８のソレノイドへの励磁電流でスプールの位置を調整することで、第２方向制御弁５５の受圧室をブーム下げ減圧弁５７ｄに繋ぐ開口面積と、受圧室を作動油タンク５９に繋ぐ開口面積との割合が変化する。この開口面積の割合によりブーム下げパイロット圧の減圧量が調整でき、第２方向制御弁５５に対する補正ブーム下げパイロット圧が制御できる。第２方向制御弁５５に対するブーム下げパイロット圧の電磁弁５８による減圧量が大きい（補正ブーム下げパイロット圧が小さい）ほど、同じブーム下げ操作量でも第２方向制御弁５５のブーム下げ方向への移動量が減少する。そして、第２油圧ポンプ５３からブームシリンダ１５のロッド側油室に流れる圧油の供給量が減少する。その結果、第２油圧ポンプ５３からブームシリンダ１５のロッド側油室へのメータイン流量が、同じブーム下げ操作量でも減少することとなる。

本実施形態では、電磁弁５８が完全に遮断位置５８ｂに切り換わると、第２方向制御弁５５に対してブーム下げパイロット圧が作用せず、仮にブーム下げ操作がされても第２油圧ポンプ５３からブームシリンダ１５のロッド側油室に対して圧油は供給されなくなる。他方、電磁弁５８が完全に開通位置５８ａに切り換わると、ブーム下げパイロット圧の減圧量が最小になる。これにより、第１方向制御弁５４と同程度にブーム下げ操作量に応じて第２方向制御弁５５が動作し、第２油圧ポンプ５３からブームシリンダ１５のロッド側油室に圧油が供給される。

－センサ－
ブーム操作レバー５７ｌの操作量が、操作量センサＳ３，Ｓ４により測定される。操作量センサＳ３はブーム下げ操作量Ａｄを、操作量センサＳ３はブーム上げ操作量Ａｕをそれぞれ測定する。操作量センサＳ３，Ｓ４は、いずれも圧力センサである。操作量センサＳ３は、ブーム下げ減圧弁５７ｄを第１方向制御弁５４のブーム下げ側の受圧室及び電磁弁５８に接続するパイロット油路５６ａ又は５６ｂ（例えばブーム下げ減圧弁５７ｄの出力ポート又はそのすぐ下流）に設けられている。ブーム下げパイロット圧を操作量センサＳ３で測定することで、ブーム下げ操作量Ａｄが測定される。操作量センサＳ４は、ブーム上げ減圧弁５７ｕを第１方向制御弁５４及び第２方向制御弁５５のブーム上げ側の受圧室に接続するパイロット油路５６ｃ又は５６ｄ（例えばブーム上げ減圧弁５７ｕの出力ポート又はそのすぐ下流）に設けられている。ブーム上げパイロット圧を操作量センサＳ４で測定することで、ブーム上げ操作量Ａｕが測定される。なお、圧力センサに代えてポテンショメータ等を操作量センサＳ３，Ｓ４に用い、ブーム操作レバー５７ｌの角度を測定してブーム下げ操作量Ａｄ及びブーム上げ操作量Ａｕを測定する構成とすることもできる。

ブームシリンダ１５のボトム圧Ｐｂ（ボトム側油室の圧力）が、ボトム圧センサＳ１により測定される。ボトム圧センサＳ１は、ブームシリンダ１５のボトム側油室を第１方向制御弁５４及び第２方向制御弁５５に接続する油路（例えばボトム側油室の入出力ポート又はその付近）に設けた圧力センサである。

なお、本実施形態では必ずしも必要ないが、ブームシリンダ１５のロッド圧Ｐｒ（ロッド側油室の圧力）がロッド圧センサＳ２により測定される。ロッド圧センサＳ２は、ブームシリンダ１５のロッド側油室を第１方向制御弁５４及び第２方向制御弁５５に接続する油路（例えばロッド側油室の入出力ポート又はその付近）に設けた圧力センサである。

以上のボトム圧センサＳ１、ロッド圧センサＳ２及び操作量センサＳ３，Ｓ４の測定値は、コントローラ６０に入力される。

－コントローラ－
ブームシリンダ１５のボトム圧Ｐｂ及びブーム操作レバー５７ｌの操作量に基づき、電磁弁５８の動作がコントローラ６０により制御される。コントローラ６０は、ＣＰＵやメモリ、タイマ等を含んで構成された車載コンピュータであり、メモリに予め記憶されたプログラムをＣＰＵにより実行して各種処理を実行する。本実施形態において、コントローラ６０には、ブーム下げ操作時に、ボトム圧センサＳ１で測定されるボトム圧、操作量センサＳ３で測定されるブーム下げ操作量及びブーム上げ操作後の経過時間に基づいて電磁弁５８を制御する特徴的機能が備わっている。この機能について次に説明する。

図３はコントローラ６０による電磁弁５８の制御手順を表すフローチャートである。コントローラ６０は、通電時（例えばキースイッチオン時）に図３のフローを短いサイクルタイム（例えば０．１ｓ）で繰り返し実行する。

同図のフローを開始すると、コントローラ６０は、まずボトム圧センサＳ１及び操作量センサＳ３，Ｓ４の測定値（出力信号）を入力する（ステップＳ０１）。

続いて、コントローラ６０は、操作量センサＳ３の測定値に基づき、ブーム下げ操作がされているか（ブーム下げ操作量Ａｄ＞０であるか）を判定する（ステップＳ０２）。ブーム下げ操作がされている場合、コントローラ６０は、ステップＳ０２からステップＳ０３に手順を移す。ブーム下げ操作がされていない場合、コントローラ６０は、ステップＳ０２からステップＳ０７に手順を移す。

ブーム下げ操作がされている場合、コントローラ６０は、ボトム圧センサＳ１で測定されたブームシリンダ１５のボトム圧Ｐｂに基づいて電磁弁５８の第１開度指令値Ｖ１を演算する（ステップＳ０３）。第１開度指令値Ｖ１は、ブーム下げ減圧弁５７ｄと第２方向制御弁５５の受圧室との連通面積（開通位置５８ａの油路の開口面積）がボトム圧Ｐｂの増加に伴って減少するように設定された制御テーブルに基づいて演算される。

次に、コントローラ６０は、操作量センサＳ３で測定されたブーム下げ操作量Ａｄに基づいて電磁弁５８の第２開度指令値Ｖ２を演算する（ステップＳ０４）。ステップＳ０３，Ｓ０４の順序は逆であっても同時であっても良い。第２開度指令値Ｖ２は、ブーム下げ減圧弁５７ｄと第２方向制御弁５５の受圧室との連通面積（開通位置５８ａの油路の開口面積）がブーム下げ操作量Ａｄの増加に伴って増加するように設定された制御テーブルに基づいて演算される。

続いて、コントローラ６０は、操作量センサＳ４の測定値に基づき、直近のブーム上げ操作後の経過時間Ｔを演算し、経過時間Ｔが予め設定された設定時間Ｔｓ以上であるかを判定する（ステップＳ０５）。経過時間Ｔは、例えば直近に入力されたブーム上げ操作量Ａｕ（＞０）が０になった時刻から現在時刻までの時間である。なお、経過時間Ｔの始期は、ブーム上げ操作量が所定のパイロット圧に達した時刻としても良い。経過時間Ｔが設定時間Ｔｓ以上である場合、コントローラ６０は、ステップＳ０５からステップＳ０６に手順を移す。経過時間Ｔが設定時間Ｔｓ未満である場合、コントローラ６０は、ステップＳ０５からステップＳ０７に手順を移す。

ブーム上げ操作後の経過時間Ｔが設定時間Ｔｓ以上である場合、コントローラ６０は、第１開度指令値Ｖ１及び第２開度指令値Ｖ２の最小選択値（小さい方の値）を最終的な開度指令値Ｖとして決定する（ステップＳ０６）。

ブーム上げ操作後の経過時間Ｔが設定時間Ｔｓ未満である場合、コントローラ６０は、最小開度指令値Ｖminを最終的な開度指令値Ｖとして決定する（ステップＳ０７）。ステップＳ０２においてブーム下げ操作がされていないと判定された場合も同様である。最小開度指令値Ｖminは、ブーム下げ減圧弁５７ｄと第２方向制御弁５５の受圧室との連通面積（開通位置５８ａの油路の開口面積）を最小とする値である。連通面積（開通位置５８ａの油路の開口面積）の最小値は例えば０であり、この場合、第２方向制御弁５５のブーム下げ側の受圧室とブーム下げ減圧弁５７ｄとの間は遮断され、同受圧室は作動油タンク５９とのみ接続される。

ステップＳ０６又はＳ０７で開度指令値Ｖを決定したら、コントローラ６０は、決定した開度指令値Ｖに応じた指令信号（電流又は電圧）を生成し、生成した指令信号を電磁弁５８に出力（ソレノイドに印加）してステップＳ０１に手順を戻す（ステップＳ０８）。

以上のように電磁弁５８を制御することで、ブーム下げ操作時の第２方向制御弁５５の動作が、条件によって制限される。第２方向制御弁５５の動作が制限されると、同じブーム下げ操作量Ａｄでも第２油圧ポンプ５３からブームシリンダ１５のボトム側油室へのメータイン流量が減少する。

図４は図３のフローを実行するためのコントローラ６０の機能ブロックの一例を表す図である。図４に示す例において、コントローラ６０には、第１開度指令値演算６１、第２開度指令値演算６２、ブーム上げ操作後経過時間演算６３、第３開度指令値演算６４、開度指令値決定６５の処理を実行する機能が備わっている。

第１開度指令値演算６１は、メモリに記憶された制御線（制御テーブル）に従い、ボトム圧センサＳ１で測定されたボトム圧Ｐｂに基づき、第１開度指令値Ｖ１を演算する処理である。第１開度指令値演算６１のブロックに表示した通り、制御線は、横軸にＰｂ、縦軸にＶ１をとるＰｂ－Ｖ１座標系において、Ｐｂの増加に伴ってＶ１が減少するように規定されている。第１開度指令値Ｖ１は、ブーム下げ減圧弁５７ｄと第２方向制御弁５５のブーム下げ側の受圧室との連通面積を指令する値に相当し、Ｖ１が大きいほど連通面積が増加する。第１開度指令値演算６１のブロックに表示した制御線の下で演算されるＶ１は、ボトム圧Ｐｂの増加に伴って減少する。

このとき、本実施形態において、第１開度指令値演算６１で参照する制御線には、第１制御線Ｌ１と第２制御線Ｌ２が含まれている。第１制御線Ｌ１はボトム圧Ｐｂの上昇時に参照される制御線であり、第２制御線Ｌ２はボトム圧Ｐｂの下降時に参照される制御線である。第１開度指令値演算６１のブロックに示したＰ１－Ｐ４は、Ｐｂについての設定値である（Ｐ１＜Ｐ２＜Ｐ３＜Ｐ４）。

第１制御線Ｌ１は、Ｐｂ＜Ｐ２の領域でＶ１＝Ｖmax（最大開度指令値）となり、Ｐ２≦Ｐｂ≦Ｐ４の領域でＰｂの増加に伴ってＶmaxからＶminまでＶ１が単調に減少し、Ｐｂ＞Ｐ４の領域でＶ１＝Ｖmin（最小開度指令値）となるように規定されている。他方の第２制御線Ｌ２は、Ｐｂ＞Ｐ３の領域でＶ１＝Ｖminとなり、Ｐ１≦Ｐｂ≦Ｐ３の領域でＰｂの減少に伴ってＶminからＶmaxまでＶ１が単調に増加し、Ｐｂ＜Ｐ１の領域でＶ１＝Ｖmaxとなるように規定されている。このように、ＰＢ－Ｖ１座標系において、第１制御線Ｌ１に対し、第２制御線Ｌ２はＰｂの減少方向（－Ｐｂ方向）に所定値ΔＰｂ（＝Ｐ２－Ｐ１＝Ｐ４－Ｐ３）だけオフセットしている。

制御線の下でコントローラ６０によりＰｂの増減に伴って演算されるＶ１の値について詳しく説明する。ＰｂがＰ２以下の値（つまりＶ１がＶmaxをとる値）から上昇する場合、コントローラ６０は、第１制御線Ｌ１に沿ってＶ１を減少させる（第１制御線Ｌ１上でＰｂに対応するＶ１を演算する）。反対にＰｂがＰ３以上の値（つまりＶ１がＶminをとる値）から下降する場合、コントローラ６０は、第２制御線Ｌ２に沿ってＶ１を増加させる（第２制御線Ｌ２上でＰｂに対応するＶ１を演算する）。従って、例えばＰｂがＰ１からＰ４まで上昇した後、Ｐ１まで減少する場合、単純にＰｂの上昇に伴って第１制御線Ｌ１に沿ってＶ１がＶmaxからＶminまで減少した後、Ｐｂの下降に伴って第２制御線Ｌ２に沿ってＶ１がＶminからＶmaxまで増加する。

それに対し、Ｐｂの値がＰ２以下の値からＰ４まで上昇する前にＰｘ（Ｐ２＜Ｐｘ＜Ｐ４）まで上昇したところで）で下降に転じる場合、Ｖ１はＰｂがΔＰ下降する間だけ第１制御線Ｌ１上のＰｘに対するＶｘで維持される。そして、ＰｂがＰｙ（＝Ｐｘ－ΔＰｂ）から下降する際、Ｖ１は第２制御線Ｌ２に沿って増加する。

Ｐｂの値がＰ３以上の値からＰ１まで下降する前に下降に転じる場合も同様であり、Ｖ１は第２制御線Ｌ２上の値から第１制御線Ｌ１上の値まで値を維持し、その後は第１制御線Ｌ１に沿ってＰｂの上昇に伴って減少する。

第２開度指令値演算６２は、メモリに記憶された制御線（制御テーブル）に従い、操作量センサＳ３で測定されたブーム下げ操作量Ａｄに基づき、第２開度指令値Ｖ２を演算する処理である。第２開度指令値演算６２のブロックに表示した通り、制御線は、横軸にＡｄ、縦軸にＶ２をとるＡｄ－Ｖ２座標系において、Ａｄの増加に伴ってＶ２が増加するように規定されている。第２開度指令値Ｖ２も、ブーム下げ減圧弁５７ｄと第２方向制御弁５５のブーム下げ側の受圧室との連通面積を指令する値に相当し、Ｖ２が大きいほど連通面積が増加する。第２開度指令値演算６２のブロックに表示した制御線の下で演算されるＶ２は、Ａｄの増加に伴って増加する。

第２開度指令値演算６２のブロックに示したＡ１，Ａ２は、Ａｄについての設定値である（０＜Ａ１＜Ａ２）。第２開度指令値演算６２で参照する制御線は、Ａｄ＜Ａ１の領域でＶ２＝Ｖminとなり、Ａ１≦Ａｄ≦Ａ２の領域でＡｄの増加に伴ってＶminからＶmaxまでＶ２が単調に増加し、Ａｄ＞Ａ２の領域でＶ２＝Ｖmaxとなるように規定されている。第１開度指令値演算６１で参照する制御線と異なり、第２開度指令値演算６２で参照する制御線は単一であり、Ａｄに対して常に制御線上の値がＶ２として演算される。

ブーム上げ操作後経過時間演算６３は、操作量センサＳ４で測定されるブーム上げ操作量Ａｕとタイマの計測時刻に基づき、直近のブーム上げ操作の停止から現在までの経過時間Ｔを演算する処理である。経過時間Ｔの始期は、直近のブーム上げ操作量Ａｕ（＞０）が０になった時刻である。ブーム上げ操作量Ａｕが０になった時刻は、例えばメモリに記憶されているブーム上げ操作量Ａｕのログデータから特定でき、この特定した時刻と現在時刻との差分をとってブーム上げ操作後の経過時間Ｔが演算される。

第３開度指令値演算６４は、ブーム上げ操作後の経過時間Ｔに基づき、電磁弁５８の第３開度指令値第３を演算する処理である。第３開度指令値演算６４の処理では、経過時間Ｔが設定時間Ｔｓ未満である場合、ブーム下げ減圧弁５７ｄと第２方向制御弁５５のブーム下げ側の受圧室との連通面積が最小値となるように、電磁弁５８の第３開度指令値第３が演算される（Ｖ３＝Ｖmin）。また、経過時間Ｔが設定時間Ｔｓ以上である場合、ブーム下げ減圧弁５７ｄと第２方向制御弁５５のブーム下げ側の受圧室との連通面積が最大値となるように、電磁弁５８の第３開度指令値第３が演算される（Ｖ３＝Ｖmax）。

開度指令値決定６５は、第１開度指令値Ｖ１、第２開度指令値Ｖ２及び第３開度指令値Ｖ３の最小選択値を開度指令値Ｖとして決定し、決定した開度指令値Ｖに基づいて電磁弁５８に対する指令信号を生成し電磁弁５８に出力する処理である。第３開度指令値Ｖ３は、ブーム上げ操作後の経過時間Ｔが設定時間Ｔｓ未満であれば最小開度指令値Ｖminであるため、Ｔ＜Ｔｓであれば必然的にＶ＝Ｖminとなる。また、ブーム上げ操作後の経過時間Ｔが設定時間Ｔｓ以上であればＶ３＝Ｖmaxであるため、Ｔ≧Ｔｓであれば必然的にＶ１，Ｖ２の最小選択値がＶとなる。

以上に例示した処理により電磁弁５８を制御することで、図３で先に説明したようにブーム下げ操作時におけるブームシリンダ１５のボトム側油室へのメータイン流量の制限量が好適に制御される。

本実施形態においては、ブーム下げ操作量Ａｄが小さい場合やボトム圧Ｐｂが高い場合、第２方向制御弁５５の動作が制限されて（動作制限が強まって）ブームシリンダ１５のロッド側油室へのメータイン流量が減少する。ブーム下げ操作量Ａｄが小さい場合やボトム圧Ｐｂが高い場合は、バケット１４が宙に浮いた状態でブーム下げ動作が行われていることが推定され、このような場面でブーム下げ用の不必要なメータイン流量を抑えることで、エネルギーロスを抑制することができる。

また、ブーム下げ操作量Ａｄが大きくかつボトム圧Ｐｂが低い場合、第２方向制御弁５５の動作制限が解除されて（動作制限が弱まって）ブームシリンダ１５のロッド側油室へのメータイン流量が増加する。ブーム下げ操作量Ａｄが大きくボトム圧Ｐｂが低い場合、ジャッキアップ動作等のようにバケット１４が地面に強く押し込まれている状況が推定され、このような高負荷作業の場面でブーム下げ用のメータイン流量を確保することができる。

更に、直近のブーム上げ操作後の経過時間Ｔが設定時間Ｔｓに到達するまでの間、第２方向制御弁５５の動作が禁止されて（動作制限が最大になり）、ブーム下げ操作がされてもブームシリンダ１５のロッド側油室へのメータイン流量が直ちに増加することがない。例えば土羽打ち作業のようにブーム上げ操作とブーム下げ操作が短周期で交互に繰り返される場合、例えばブーム上げからブーム下げに動作が切り返される際にブームシリンダ１５のボトム圧Ｐｂが大きく変動する場合がある。このような場合に電磁弁５８の制御条件が偶発的に満たされると、望まない場面で電磁弁５８が作動し操作性が悪くなる可能性があるが、ブーム上げ操作から設定時間Ｔｓが経過するまで電磁弁５８が作動しないので操作性の悪化を抑制できる。

－効果－
（１）上記の通り、本実施形態によれば、バケット１４が宙に浮いた状態で行われるような低負荷のブーム下げ動作が推定される場面では、ブーム下げ用のメータイン流量を抑えることで、エネルギーロスを抑制することができる。また、ジャッキアップ動作等のようにバケット１４を地面に強く押し付ける高負荷のブーム下げ動作が推定される場面では、ブーム下げ用のメータイン流量を増加させて所要の出力を確保することができる。更に、土羽打ち作業等のようにブーム上げ操作とブーム下げ操作が繰り返されるような場合に望まない形で電磁弁５８が作動し得る場面では、ブーム上げ操作から設定時間Ｔｓが経過するまで電磁弁５８の作動を抑止することで、ブーム下げ時においてメータイン流量が多く発生するのを抑えられ、操作性の悪化を抑制することができる。

以上のように、本実施形態によれば、ブームの動作速度を要求される速度に一致させ、エネルギーロスの低減と操作性の向上を両立することができる。

（２）例えばブーム下げ動作中にバケット１４が宙に浮いた状態からジャッキアップ動作に移行する場合や、急操作でブームシリンダ１５を急速に収縮させる場合等、フロント作業機１０の操作中にはボトム圧Ｐｂが増減する瞬間がある。こうした瞬間的なボトム圧Ｐｂの増減に応じて第１開度指令値Ｖ１を増減させると、電磁弁５８が過敏に作動して操作性に影響が及ぶ可能性がある。

それに対し、本実施形態では、第１制御線Ｌ１及び第２制御線Ｌ２を用意し、Ｐｂの上昇時には第１制御線Ｌ１の下で第１開度指令値Ｖ１が演算され、Ｐｂの下降時には第２制御線Ｌ２の下で第１開度指令値Ｖ１が演算される。第１制御線Ｌ１と第２制御線Ｌ２はＰｂ－Ｖ１座標系でＰｂ軸方向にΔＰｂだけオフセットしているため、Ｐｂの値が増加から減少（又は減少から増加）に転じる際にはＰｂの変化が一定量（ΔＰｂ）を超えるまで第１開度指令値Ｖ１は変化しない。従って、上記のようにボトム圧Ｐｂが増減する場面で電磁弁５８が過敏に動作することを抑制することができる。

－変形例－
以上に本発明の一実施形態を説明したが、本発明の実施形態は以上の形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で様々に変更可能である。以下に幾つか変形例を例示する。

例えば、第１開度指令値Ｖ１がブームシリンダ１５のボトム圧Ｐｂのみに基づいて演算される例を説明した。この点に関し、コントローラ６０が、ロッド圧センサＳ２で測定されたロッド圧Ｐｒとボトム圧Ｐｂとの差分を演算し、この差分に基づき第１開度指令値Ｖ１を演算する構成にすることもできる。

また、ブーム下げ減圧弁５７ｄ及びブーム上げ減圧弁５７ｕに機械的に連動するブーム操作レバー５７ｌを備えた操作レバー装置５７を説明したが、操作レバー装置５７に電気レバー装置を採用することもできる。この場合、ブーム下げ減圧弁５７ｄ及びブーム上げ減圧弁５７ｕを電磁駆動式にして、電気レバー装置の操作信号に応じてコントローラ６０から出力される指令信号によりブーム下げ減圧弁５７ｄ及びブーム上げ減圧弁５７ｕが動作する構成となる。操作レバー装置５７に電気レバー装置を採用した場合でも、ブーム操作レバー５７ｌの操作量はポテンショメータ等で検出可能であり、本発明を適用することができる。

また、第１油圧ポンプ５２及び第２油圧ポンプ５３が各１つの構成を例に挙げて説明したが、第１油圧ポンプ５２及び第２油圧ポンプ５３の少なくとも一方を複数にした構成とすることもできる。

１…油圧ショベル（建設機械）、４…車体、１０…フロント作業機、１５…ブームシリンダ、５１…原動機、５２…第１油圧ポンプ、５３…第２油圧ポンプ、５４…第１方向制御弁、５５…第２方向制御弁、５６…パイロットポンプ、５６ｂ…パイロット油路、５７ｄ…ブーム下げ減圧弁、５７ｌ…ブーム操作レバー、５７ｕ…ブーム上げ減圧弁、５８…電磁弁、６０…コントローラ、Ａｄ…ブーム下げ操作量（操作量）、Ａｕ…ブーム上げ操作量（操作量）、Ｌ１…第１制御線、Ｌ２…第２制御線、Ｐｂ…ボトム圧、Ｐｒ…ロッド圧、Ｓ１…ボトム圧センサ、Ｓ２…ロッド圧センサ、Ｓ３，Ｓ４…操作量センサ、Ｔ…経過時間、Ｔｓ…設定時間、Ｖ…開度指令値、Ｖ１…第１開度指令値、Ｖ２…第２開度指令値、Ｖ３…第３開度指令値、Ｖmax…最大開度指令値、Ｖmin…最小開度指令値

Claims

車体と、前記車体に連結したフロント作業機と、前記フロント作業機を上下に駆動するブームシリンダと、原動機と、前記原動機によって駆動される第１油圧ポンプと、前記原動機によって駆動される第２油圧ポンプと、前記第１油圧ポンプから前記ブームシリンダに流れる圧油を制御する第１方向制御弁と、前記第２油圧ポンプから前記ブームシリンダに流れる圧油を制御する第２方向制御弁と、前記第１方向制御弁及び前記第２方向制御弁を駆動するパイロット油を吐出するパイロットポンプと、前記パイロット油を元圧として、前記第１方向制御弁及び前記第２方向制御弁をブーム下げ方向に駆動するブーム下げパイロット圧を出力するブーム下げ減圧弁と、前記パイロット油を元圧として、前記第１方向制御弁及び前記第２方向制御弁をブーム上げ方向に駆動するブーム上げパイロット圧を出力するブーム上げ減圧弁と、前記ブーム下げ減圧弁及び前記ブーム上げ減圧弁を操作するブーム操作レバーとを備えた建設機械において、
前記ブームシリンダのボトム圧を測定するボトム圧センサと、
前記ブーム操作レバーの操作量を測定する操作量センサと、
前記ブーム下げ減圧弁と前記第２方向制御弁の受圧室とを繋ぐパイロット油路に設けられ、前記第２方向制御弁に対するブーム下げパイロット圧を減圧する電磁弁と、
前記ボトム圧センサで測定される前記ボトム圧及び前記操作量センサで測定される前記操作量に基づき前記電磁弁を制御するコントローラとを備え、
前記コントローラは、
前記ボトム圧センサで測定されたボトム圧に基づき、前記ブーム下げ減圧弁と前記第２方向制御弁の受圧室との連通面積が前記ボトム圧の増加に伴って減少するように第１開度指令値を演算し、
前記操作量センサで測定されたブーム下げ操作量に基づき、前記連通面積が前記ブーム下げ操作量の増加に伴って増加するように第２開度指令値を演算し、
ブーム上げ操作後の経過時間に基づき、前記経過時間が設定時間未満である場合は前記連通面積を最小とする最小開度指令値を、前記経過時間が前記設定時間以上である場合は前記第１開度指令値及び前記第２開度指令値の最小選択値を、前記電磁弁の開度指令値に決定し、
決定した開度指令値に応じた指令信号を前記電磁弁に出力する
ことを特徴とする建設機械。
請求項１に記載の建設機械おいて、
前記コントローラは、
横軸に前記ボトム圧、縦軸に前記第１開度指令値をとる座標系において、前記ボトム圧の増加に伴って前記第１開度指令値が減少するように規定され、前記横軸の方向にオフセットした第１制御線及び第２制御線を記憶しており、
前記ボトム圧の上昇時には前記第１制御線を参照して前記第１開度指令値を演算し、前記ボトム圧の下降時には前記第２制御線を参照して前記第１開度指令値を演算する
ことを特徴とする建設機械。
請求項１に記載の建設機械おいて、
前記ブームシリンダのロッド圧を測定するロッド圧センサと、
前記コントローラは、前記ボトム圧センサで測定されたボトム圧と前記ロッド圧センサで測定されたロッド圧との差分を演算し、前記差分に基づき第１開度指令値を演算することを特徴とする建設機械。