JP7460604B2 - ショベル - Google Patents

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Description

本開示は、ショベルに関する。
従来、油圧シリンダの戻り側油室から流出する作動油を供給側油室に流入させる再生や、油圧シリンダの戻り側油室から流出する作動油を別の油圧シリンダの供給側油室に供給する回生を行うことができるショベルが知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２０１５－１７２３９３号公報
しかしながら、上述のショベルでは、油圧シリンダへの作動油の流れを制御する流量制御弁とは別に再生や回生を行うためのバルブを設けていた。
そこで、流量制御弁によって再生や回生を行うことができるショベルを提供することが望ましい。
本発明の実施形態に係るショベルは、複数の油圧シリンダのロッド側とボトム側のそれぞれにパイロット圧に応じて流量を制御する流量制御弁を備えと、前記流量制御弁と、前記複数の油圧シリンダから流出する作動油を利用して油圧モータとして機能し且つ油圧ポンプとして機能する油圧ポンプ・モータとを繋ぐ第１油路と、前記流量制御弁と作動油タンクとを繋ぐ第２油路と、を備え、前記流量制御弁の各々は、前記第１油路と前記第２油路との連通・遮断を切り替える。
上述の手段により、流量制御弁によって再生や回生を行うことができるショベルが提供される。
一実施形態のハイブリッド式ショベルの側面図 一実施形態のハイブリッド式ショベルの動作状態の推移を示す図 一実施形態のハイブリッド式ショベルの駆動系の構成例を示す図 一実施形態のハイブリッド式ショベルの蓄電系の構成例を示す図 コントロールバルブの構成例を示す図 第１駆動モードにおけるコントロールバルブの状態を示す図 第２駆動モードにおけるコントロールバルブの状態を示す図 第３駆動モードにおけるコントロールバルブの状態を示す図 第４駆動モードにおけるコントロールバルブの状態を示す図 第５駆動モードにおけるコントロールバルブの状態を示す図 第６駆動モードにおけるコントロールバルブの状態を示す図 第７駆動モードにおけるコントロールバルブの状態を示す図
以下、添付の図面を参照しながら、本開示の限定的でない例示の実施形態について説明する。添付の全図面中、同一又は対応する部材又は部品については、同一又は対応する参照符号を付し、重複する説明を省略する。
図１を参照し、ハイブリッド式ショベルの構成例について説明する。図１は、一実施形態のハイブリッド式ショベルを示す側面図である。
ハイブリッド式ショベルの下部走行体１には、旋回機構２を介して上部旋回体３が搭載されている。上部旋回体３には、ブーム４が取り付けられている。ブーム４の先端にはアーム５が取り付けられ、アーム５の先端にはバケット６が取り付けられている。ブーム４、アーム５、及びバケット６は、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、及びバケットシリンダ９によりそれぞれ油圧駆動される作業要素である。上部旋回体３には、キャビン１０が設けられ、且つエンジン等の動力源が搭載される。
次に、図２を参照し、一実施形態のハイブリッド式ショベルの動作の一例である掘削・積込み動作について説明する。図２は、一実施形態のハイブリッド式ショベルの動作状態の推移を示す図である。
まず、状態ＣＤ１で示されるように、操作者は、上部旋回体３を旋回させ、バケット６が掘削位置の上方に位置し、アーム５が開き、且つ、バケット６が開いた状態で、ブーム４を下降させ、バケット６の先端が掘削対象から所望の高さとなるようにバケット６を下降させる。通常、上部旋回体３を旋回させる際、及びブーム４を下降させる際、操作者は、目視でバケット６の位置を確認する。また、上部旋回体３の旋回、及びブーム４の下降は同時に行われることが一般的である。以上の動作をブーム下げ旋回動作と称し、この動作区間をブーム下げ旋回動作区間と称する。
操作者は、バケット６の先端が所望の高さに到達したと判断した場合、状態ＣＤ２で示されるように、アーム５が地面に対して略垂直になるまでアーム５を閉じる。これにより、所定の深さの土が掘削され、アーム５が地表面に対して略垂直になるまでバケット６でかき寄せられる。次に、操作者は、状態ＣＤ３で示されるように、アーム５及びバケット６を更に閉じ、状態ＣＤ４で示されるように、バケット６がアーム５に対して略垂直になるまでバケット６を閉じる。すなわち、バケット６の上縁が略水平となるまでバケット６を閉じ、かき集めた土をバケット６内に収容する。以上の動作を掘削動作と称し、この動作区間を掘削動作区間と称する。
次に、操作者は、バケット６がアーム５に対して略垂直になるまで閉じたと判断した場合、状態ＣＤ５で示されるように、バケット６を閉じた状態でバケット６の底部が地面から所望の高さとなるまでブーム４を上げる。この動作をブーム上げ動作と称し、この動作区間をブーム上げ動作区間と称する。この動作に続いて、あるいは同時に、操作者は、上部旋回体３を旋回させ、矢印ＡＲ１で示されるようにバケット６を排土位置まで旋回移動する。ブーム上げ動作を含むこの動作をブーム上げ旋回動作と称し、この動作区間をブーム上げ旋回動作区間と称する。
なお、バケット６の底部が所望の高さとなるまでブーム４を上げるのは、例えば、ダンプカーの荷台に排土する際にはバケット６を荷台の高さより高く持ち上げないとバケット６が荷台にぶつかるためである。
次に、操作者は、ブーム上げ旋回動作が完了したと判断した場合、状態ＣＤ６で示されるように、ブーム４を下げながら或いはブーム４を停止させながらアーム５及びバケット６を開いて、バケット６内の土を排出する。この動作をダンプ動作と称し、この動作区間をダンプ動作区間と称する。
次に、操作者は、ダンプ動作が完了したと判断した場合、状態ＣＤ７で示されるように、矢印ＡＲ２の方向に上部旋回体３を旋回させ、バケット６を掘削位置の真上に移動させる。このとき、旋回と同時にブーム４を下げてバケット６を掘削対象から所望の高さまで下降させる。この動作は状態ＣＤ１にて説明したブーム下げ旋回動作の一部である。その後、操作者は、状態ＣＤ１で示されるようにバケット６を所望の高さまで下降させ、再び掘削動作以降の動作を行うようにする。
操作者は、上述の「ブーム下げ旋回動作」、「掘削動作」、「ブーム上げ旋回動作」、及び「ダンプ動作」を一サイクルとしてこのサイクルを繰り返しながら掘削・積込みを進めていく。
次に、図３を参照し、一実施形態のハイブリッド式ショベルの駆動系の構成例について説明する。図３は、一実施形態のハイブリッド式ショベルの駆動系の構成例を示す図である。図３では、機械的動力系を二重線、高圧油圧ラインを実線（太線）、パイロットラインを破線、電気駆動・制御系を実線（細線）でそれぞれ示す。
機械式駆動部としてのエンジン１１、及びアシスト駆動部としての電動発電機１２は、変速機１３の２つの入力軸にそれぞれ接続されている。変速機１３の出力軸には、油圧ポンプとしてメインポンプ１４及びパイロットポンプ１５が接続されている。メインポンプ１４には、高圧油圧ライン１６を介してコントロールバルブ１７が接続されている。
レギュレータ１４Ａは、メインポンプ１４の吐出量を制御するための装置であり、例えば、メインポンプ１４の吐出圧、コントローラ３０からの制御信号等に応じてメインポンプ１４の斜板傾転角を調節することによって、メインポンプ１４の吐出量を制御する。
コントロールバルブ１７は、ハイブリッド式ショベルにおける油圧系の制御を行う制御装置である。下部走行体１用の油圧モータ１Ａ（右用）及び１Ｂ（左用）、ブームシリンダ７、アームシリンダ８並びにバケットシリンダ９は、高圧油圧ラインを介してコントロールバルブ１７に接続される。なお、以下では、下部走行体１用の油圧モータ１Ａ（右用）及び１Ｂ（左用）、ブームシリンダ７、アームシリンダ８並びにバケットシリンダ９を総称して油圧アクチュエータとする。
電動発電機１２には、インバータ１８Ａを介して、蓄電器としてのキャパシタを含む蓄電系１２０が接続される。蓄電系１２０には、インバータ２０を介して電動作業要素としての旋回用電動機２１が接続されている。旋回用電動機２１の回転軸２１Ａには、レゾルバ２２、メカニカルブレーキ２３、及び旋回変速機２４が接続される。また、パイロットポンプ１５には、パイロットライン２５を介して操作装置２６が接続される。旋回用電動機２１、インバータ２０、レゾルバ２２、メカニカルブレーキ２３、及び旋回変速機２４で第一の負荷駆動系が構成される。
操作装置２６は、レバー２６Ａ、レバー２６Ｂ、ペダル２６Ｃを含む。レバー２６Ａ、レバー２６Ｂ、及びペダル２６Ｃは、油圧ライン２７及び２８を介して、コントロールバルブ１７及び圧力センサ２９にそれぞれ接続される。圧力センサ２９は、油圧アクチュエータのそれぞれの作動状態を検出する作動状態検出部として機能し、電気系の駆動制御を行うコントローラ３０に接続されている。
また、一実施形態では、ブーム回生電力を得るためのブーム回生用の電動発電機３００がインバータ１８Ｃを介して蓄電系１２０に接続されている。電動発電機３００は、ブームシリンダ７から流出する作動油により駆動される油圧ポンプ・モータ３１０によって発電機として駆動される。電動発電機３００は、ブーム４が自重で下降するときにブームシリンダ７から流出する作動油の圧力を利用して、ブーム４の位置エネルギー（ブームシリンダ７から流出する作動油の油圧エネルギー）を電気エネルギーに変換する。なお、図３において、説明の便宜上、油圧ポンプ・モータ３１０と電動発電機３００は離れた位置に示されているが、実際には、電動発電機３００の回転軸は油圧ポンプ・モータ３１０の回転軸に機械的に連結されている。すなわち、油圧ポンプ・モータ３１０は、ブーム４が下降するときにブームシリンダ７から流出する作動油によって回転するように構成されており、ブーム４が自重で下降するときの作動油の油圧エネルギーを回転力に変換するために設けられている。また、電動発電機３００は、蓄電系１２０に蓄電された電気エネルギーを油圧ポンプ・モータ３１０の回転軸の運動エネルギーに変換する。これにより、油圧ポンプ・モータ３１０は、作動油をブーム４等のアクチュエータへ吐出することができる。
電動発電機３００で発電された電力は、回生電力としてインバータ１８Ｃを経て蓄電系１２０に供給される。電動発電機３００とインバータ１８Ｃとで第二の負荷駆動系が構成される。
次に、図４を参照し、一実施形態のハイブリッド式ショベルの蓄電系１２０の構成例について説明する。図４は、一実施形態のハイブリッド式ショベルの蓄電系１２０の構成例を示す図である。
蓄電系１２０は、キャパシタ１９、昇降圧コンバータ１００、及びＤＣバス１１０を含む。キャパシタ１９には、キャパシタ電圧値を検出するためのキャパシタ電圧検出部１１２と、キャパシタ電流値を検出するためのキャパシタ電流検出部１１３が設けられている。キャパシタ電圧検出部１１２とキャパシタ電流検出部１１３によって検出されるキャパシタ電圧値とキャパシタ電流値は、コントローラ３０に供給される。
昇降圧コンバータ１００は、電動発電機１２、旋回用電動機２１、及び電動発電機３００の運転状態に応じて、ＤＣバス電圧値が一定の範囲内に収まるように昇圧動作と降圧動作を切り替える制御を行う。ＤＣバス１１０は、インバータ１８Ａ、１８Ｃ及び２０、並びに昇降圧コンバータ１００の間に配設されており、キャパシタ１９、電動発電機１２、旋回用電動機２１、及び電動発電機３００の間で電力の授受を行う。
再び、図３を参照してコントローラ３０の詳細について説明する。コントローラ３０は、ハイブリッド式ショベルの駆動制御を行う主制御部としての制御装置である。コントローラ３０は、ＣＰＵ(Central Processing Unit)及び内部メモリを含む演算処理装置で構成され、ＣＰＵが内部メモリに格納された駆動制御用のプログラムを実行することにより動作する装置である。
コントローラ３０は、圧力センサ２９から供給される信号を旋回速度指令に変換し、旋回用電動機２１の駆動制御を行う。この場合、圧力センサ２９から供給される信号は、旋回機構２を旋回させるために操作装置２６（旋回操作レバー）を操作した場合の操作量を表す信号に相当する。
また、コントローラ３０は、電動発電機１２の運転制御（電動（アシスト）運転又は発電運転の切り替え）を行うと共に、昇降圧制御部としての昇降圧コンバータ１００を駆動制御することによるキャパシタ１９の充放電制御を行う。具体的には、コントローラ３０は、キャパシタ１９の充電状態、電動発電機１２の運転状態（電動（アシスト）運転又は発電運転）、旋回用電動機２１の運転状態（力行運転又は回生運転）、及び、電動発電機３００の運転状態（力行運転又は回生運転）に基づいて、昇降圧コンバータ１００の昇圧動作と降圧動作の切り替え制御を行い、これによりキャパシタ１９の充放電制御を行う。
この昇降圧コンバータ１００の昇圧動作と降圧動作の切り替え制御は、ＤＣバス電圧検出部１１１によって検出されるＤＣバス電圧値、キャパシタ電圧検出部１１２によって検出されるキャパシタ電圧値、及びキャパシタ電流検出部１１３によって検出されるキャパシタ電流値に基づいて行われる。
以上のような構成において、アシストモータである電動発電機１２が発電した電力は、インバータ１８Ａを介して蓄電系１２０のＤＣバス１１０に供給され、昇降圧コンバータ１００を介してキャパシタ１９に供給される。また、旋回用電動機２１が回生運転して生成した回生電力は、インバータ２０を介して蓄電系１２０のＤＣバス１１０に供給され、昇降圧コンバータ１００を介してキャパシタ１９に供給される。また、ブーム回生用の電動発電機３００が発電した電力は、インバータ１８Ｃを介して蓄電系１２０のＤＣバス１１０に供給され、昇降圧コンバータ１００を介してキャパシタ１９に供給される。なお、電動発電機１２又は電動発電機３００が発電した電力は、インバータ２０を介して旋回用電動機２１に直接的に供給されてもよく、旋回用電動機２１又は電動発電機３００が発電した電力は、インバータ１８Ａを介して電動発電機１２に直接的に供給されてもよく、電動発電機１２又は旋回用電動機２１が発電した電力は、インバータ１８Ｃを介して電動発電機３００に直接的に供給されてもよい。
キャパシタ１９は、昇降圧コンバータ１００を介してＤＣバス１１０との間で電力の授受が行えるように、充放電可能な蓄電器であればよい。なお、図４には、蓄電器としてキャパシタ１９を示すが、キャパシタ１９の代わりに、リチウムイオン電池等の充放電可能な二次電池、リチウムイオンキャパシタ、又は、電力の授受が可能なその他の形態の電源を蓄電器として用いてもよい。
次に、図５を参照し、一実施形態のハイブリッド式ショベルのコントロールバルブ１７の構成例について説明する。図５は、コントロールバルブ１７の構成例を示す図である。
図５に示されるように、コントロールバルブ１７は、ロッド側流量制御弁１７５Ｒ、１７６Ｒ、ボトム側流量制御弁１７５Ｂ、１７６Ｂを含む。ロッド側流量制御弁１７５Ｒ、１７６Ｒ及びボトム側流量制御弁１７５Ｂ、１７６Ｂは、油圧ポンプ・モータ３１０と繋がる第１油路Ｃ１を介して互いに接続されている。油圧ポンプ・モータ３１０は、ブームシリンダ７から流出する作動油を利用して油圧モータとして機能し、且つ油圧ポンプとして機能する。また、ロッド側流量制御弁１７５Ｒ、１７６Ｒ及びボトム側流量制御弁１７５Ｂ、１７６Ｂは、作動油タンクと繋がる第２油路Ｃ２を介して互いに接続されている。ロッド側流量制御弁１７５Ｒ、１７６Ｒ及びボトム側流量制御弁１７５Ｂ、１７６Ｂのそれぞれは、例えばスプール弁であり、油圧ライン２７を介してパイロットポートに供給される作動油の圧力（パイロット圧）に応じて弁位置を切り替えることにより、第１油路Ｃ１と第２油路Ｃ２との連通・遮断を切り替える。
ロッド側流量制御弁１７５Ｒは、ブームシリンダロッド側油路Ｃ３を介して、ブームシリンダ７のロッド側油室と接続されており、ブームシリンダ７のロッド側への作動油の流れを制御する。ロッド側流量制御弁１７５Ｒは、ブームシリンダロッド側油路Ｃ３の接続先を、第１油路Ｃ１と第２油路Ｃ２との間で切り替える。
ボトム側流量制御弁１７５Ｂは、ブームシリンダボトム側油路Ｃ４を介して、ブームシリンダ７のボトム側油室と接続されており、ブームシリンダ７のボトム側への作動油の流れを制御する。ボトム側流量制御弁１７５Ｂは、ブームシリンダボトム側油路Ｃ４の接続先を、第１油路Ｃ１と第２油路Ｃ２との間で切り替える。
ロッド側流量制御弁１７６Ｒは、アームシリンダロッド側油路Ｃ５を介して、アームシリンダ８のロッド側油室と接続されており、アームシリンダ８のロッド側への作動油の流れを制御する。ロッド側流量制御弁１７６Ｒは、アームシリンダロッド側油路Ｃ５の接続先を、第１油路Ｃ１と第２油路Ｃ２との間で切り替える。
ボトム側流量制御弁１７６Ｂは、アームシリンダボトム側油路Ｃ６を介して、アームシリンダ８のボトム側油室と接続されており、アームシリンダ８のボトム側への作動油の流れを制御する。ボトム側流量制御弁１７６Ｂは、アームシリンダボトム側油路Ｃ６の接続先を、第１油路Ｃ１と第２油路Ｃ２との間で切り替える。
次に、図６を参照し、第１駆動モードにおけるコントロールバルブ１７の状態について説明する。図６は、第１駆動モードにおけるコントロールバルブ１７の状態を示す図である。なお、図６において、黒矢印及び白矢印は作動油の流れが生じていることを表し、矢印の太さが太いほど流量が大きいことを表す。また、黒矢印はブームシリンダ７から流出する作動油及び油圧ポンプ・モータ３１０が吐出する作動油の流れを表し、白矢印はアームシリンダ８から流出する作動油の流れを表す。
第１駆動モードは、ブーム４が自重によるブーム下げ動作を低速で行い、アーム５が力行によるアーム上げ動作を高速で行うモードである。ハイブリッド式ショベルは、例えばブーム下げ旋回動作の際（図２に示される状態ＣＤ６～ＣＤ７）に第１駆動モードとなる。第１駆動モードでは、ブームシリンダ７のボトム側油室の圧力（以下「ボトム圧力」という。）がロッド側油室の圧力（以下「ロッド圧力」という。）よりも大きくなり、アームシリンダ８のロッド圧力がボトム圧力よりも大きくなる。しかしながら、高速で稼動させる必要があるアーム５に対してブーム４の下げ動作が低速であるため、ブームシリンダ７から吐出する作動油だけではアームシリンダ８に要求される作動油の量を満たすことができない。このため、不足する流量（要求流量と吐出流量との差）を補うべく、コントローラ３０は、電動発電機３００及び油圧ポンプ・モータ３１０の回転を開始させて、油圧ポンプ・モータ３１０を油圧ポンプとして機能させる。
第１駆動モードにおいて、ロッド側流量制御弁１７５Ｒは、ブームシリンダロッド側油路Ｃ３と第２油路Ｃ２とを連通させ、ボトム側流量制御弁１７５Ｂは、ブームシリンダボトム側油路Ｃ４と第１油路Ｃ１とを連通させる。また、ロッド側流量制御弁１７６Ｒは、アームシリンダロッド側油路Ｃ５と第１油路Ｃ１とを連通させ、ボトム側流量制御弁１７６Ｂは、アームシリンダボトム側油路Ｃ６と第２油路Ｃ２とを連通させる。また、コントローラ３０は、電動発電機３００及び油圧ポンプ・モータ３１０の回転を開始させて、油圧ポンプ・モータ３１０を油圧ポンプとして機能させる。
その結果、ブーム４が自重で下降するときにブームシリンダ７から流出する作動油と油圧ポンプ・モータ３１０が吐出する作動油とは、第１油路Ｃ１において合流し、アームシリンダロッド側油路Ｃ５に至り、アームシリンダ８のロッド側油室に流入し、アーム５を開くために用いられる。なお、油圧ポンプ・モータ３１０が吐出する作動油は、ブーム４が自重で下降するときにブームシリンダ７から流出する作動油のみでは不足している場合に、不足分を補うために用いられる。
また、アームシリンダ８のボトム側油室から流出する作動油は、一部又は全部が第２油路Ｃ２を通じてブームシリンダロッド側油路Ｃ３に至り、ブームシリンダ７のロッド側油室に流入し、ブーム４を下降させるために用いられる。なお、該作動油の残りは、第２油路Ｃ２を通じて作動油タンクへ排出される。
このように、ハイブリッド式ショベルは、第１駆動モードにおいて、ブーム下げ時にブームシリンダ７のボトム側油室から流出する作動油を用いて、アームシリンダ８を駆動させる。すなわち、ブーム４の位置エネルギーを、アーム５を駆動させるための油圧エネルギーとして有効に利用できる。
次に、図７を参照し、第２駆動モードにおけるコントロールバルブ１７の状態について説明する。図７は、第２駆動モードにおけるコントロールバルブ１７の状態を示す図である。なお、図７において、黒矢印及び白矢印は作動油の流れが生じていることを表し、矢印の太さが太いほど流量が大きいことを表す。また、黒矢印はブームシリンダ７から流出する作動油の流れを表し、白矢印はアームシリンダ８から流出する作動油の流れを表す。
第２駆動モードは、ブーム４が自重によるブーム下げ動作を高速で行い、アーム５が力行によるアーム上げ動作を低速で行うモードである。ハイブリッド式ショベルは、例えばブーム下げ旋回動作の際（図２に示される状態ＣＤ６～ＣＤ７）に第２駆動モードとなる。第２駆動モードでは、ブームシリンダ７のボトム圧力がロッド圧力よりも大きくなり、アームシリンダ８のロッド圧力がボトム圧力よりも大きくなる。この場合、低速で稼動するアーム５に対し、ブーム４の下げ動作が高速であるため、ブームシリンダ７から吐出する作動油の流量はアームシリンダ８に要求される作動油の量を十分に満たすことができる。このため、余分な流量（要求流量と吐出流量との差）を有効に回生運転へ利用すべく、インバータ１８Ｃに対して所定の制御信号を出力し、電動発電機３００を回生運転させる。
第２駆動モードにおいて、ロッド側流量制御弁１７５Ｒは、ブームシリンダロッド側油路Ｃ３と第１油路Ｃ１とを連通させ、ボトム側流量制御弁１７５Ｂは、ブームシリンダボトム側油路Ｃ４と第１油路Ｃ１とを連通させる。また、ロッド側流量制御弁１７６Ｒは、アームシリンダロッド側油路Ｃ５と第１油路Ｃ１とを連通させ、ボトム側流量制御弁１７６Ｂは、アームシリンダボトム側油路Ｃ６と第２油路Ｃ２とを連通させる。また、コントローラ３０は、インバータ１８Ｃに対して所定の制御信号を出力し、電動発電機３００を回生運転させる。
その結果、ブーム４が自重で下降するときにブームシリンダ７から流出する作動油は、一部が第１油路Ｃ１を通じてブームシリンダロッド側油路Ｃ３に至り、ブームシリンダ７のロッド側油室に流入し、ブーム４を下降させるために用いられる。また、該作動油は、一部が第１油路Ｃ１を通じてアームシリンダロッド側油路Ｃ５に至り、アームシリンダ８のロッド側油室に流入し、アーム５を開くために用いられる。さらに、該作動油は、残りが第１油路Ｃ１を通じて油圧ポンプ・モータ３１０に供給され、油圧ポンプ・モータ３１０が油圧モータとして機能する。
また、アームシリンダ８のボトム側油室から流出する作動油は、第２油路Ｃ２を通じて作動油タンクへ排出される。
このように、ハイブリッド式ショベルは、第２駆動モードにおいて、ブーム下げ時にブームシリンダ７のボトム側油室から流出する作動油を用いて、ブームシリンダ７及びアームシリンダ８を駆動させ、且つ、油圧ポンプ・モータ３１０を回転させる。すなわち、ブーム４の位置エネルギーを、ブーム４及びアーム５を駆動させるための油圧エネルギーとして有効に利用でき、且つ、油圧ポンプ・モータ３１０を回転させるための運動エネルギーとして有効に利用できる。
次に、図８を参照し、第３駆動モードにおけるコントロールバルブ１７の状態について説明する。図８は、第３駆動モードにおけるコントロールバルブ１７の状態を示す図である。なお、図８において、黒矢印は作動油の流れが生じていることを表し、矢印の太さが太いほど流量が大きいことを表す。また、黒矢印はブームシリンダ７から流出する作動油の流れを表す。
第３駆動モードは、ブーム４が自重によるブーム下げ動作を行い、アーム５が自重によるアーム下げ動作を行うモードである。ハイブリッド式ショベルは、例えばブーム下げ旋回動作の際（図２に示される状態ＣＤ７～ＣＤ１）に第３駆動モードとなる。第３駆動モードでは、ブームシリンダ７のボトム圧力がロッド圧力よりも小さくなり、アームシリンダ８のロッド圧力がボトム圧力よりも大きくなる。
第３駆動モードにおいて、ロッド側流量制御弁１７５Ｒは、ブームシリンダロッド側油路Ｃ３と第１油路Ｃ１とを連通させ、ボトム側流量制御弁１７５Ｂは、ブームシリンダボトム側油路Ｃ４と第１油路Ｃ１とを連通させる。また、ロッド側流量制御弁１７６Ｒは、アームシリンダロッド側油路Ｃ５と第１油路Ｃ１とを連通させ、ボトム側流量制御弁１７６Ｂは、アームシリンダボトム側油路Ｃ６と第１油路Ｃ１とを連通させる。また、コントローラ３０は、インバータ１８Ｃに対して所定の制御信号を出力し、電動発電機３００を回生運転させる。
その結果、ブーム４が自重で下降するときにブームシリンダ７から流出する作動油は、一部が第１油路Ｃ１を通じてブームシリンダロッド側油路Ｃ３に至り、ブームシリンダ７のロッド側油室に流入し、ブーム４を下降させるために用いられる。また、該作動油は、一部が第１油路Ｃ１を通じてアームシリンダボトム側油路Ｃ６に至り、アームシリンダ８のボトム側油室に流入し、アーム５を閉じるために用いられる。さらに、該作動油は、残りが第１油路Ｃ１を通じて油圧ポンプ・モータ３１０に供給され、油圧ポンプ・モータ３１０が油圧モータとして機能する。
また、アームシリンダ８のロッド側油室から流出する作動油は、第１油路Ｃ１を通じてアームシリンダボトム側油路Ｃ６に至り、アームシリンダ８のボトム側油室に流入し、アーム５を閉じるために用いられる。
このように、ハイブリッド式ショベルは、第３駆動モードにおいて、ブーム下げ及びアーム下げ時にブームシリンダ７のボトム側油室から流出する作動油及びアームシリンダ８のロッド側油室から流出する作動油を用いて、ブームシリンダ７及びアームシリンダ８を駆動させ、且つ、油圧ポンプ・モータ３１０を回転させる。すなわち、ブーム４及びアーム５の位置エネルギーを、ブーム４及びアーム５を駆動させるための油圧エネルギーとして有効に利用でき、且つ、油圧ポンプ・モータ３１０を回転させるための運動エネルギーとして有効に利用できる。
次に、図９を参照し、第４駆動モードにおけるコントロールバルブ１７の状態について説明する。図９は、第４駆動モードにおけるコントロールバルブ１７の状態を示す図である。なお、図９において、黒矢印及び白矢印は作動油の流れが生じていることを表し、矢印の太さが太いほど流量が大きいことを表す。また、黒矢印はブームシリンダ７から流出する作動油の流れを表し、白矢印はアームシリンダ８から流出する作動油の流れを表す。
第４駆動モードは、ブーム４が自重によるブーム下げ動作を行い、アーム５が力行によるアーム下げ動作を行うモードである。ハイブリッド式ショベルは、例えばブーム下げ旋回動作から掘削動作に移行する際（図２に示される状態ＣＤ１）に第４駆動モードとなる。第４駆動モードでは、ブームシリンダ７のボトム圧力がロッド圧力よりも大きくなり、アームシリンダ８のロッド圧力がボトム圧力よりも小さくなる。
第４駆動モードにおいて、ロッド側流量制御弁１７５Ｒは、ブームシリンダロッド側油路Ｃ３と第１油路Ｃ１とを連通させ、ボトム側流量制御弁１７５Ｂは、ブームシリンダボトム側油路Ｃ４と第１油路Ｃ１とを連通させる。また、ロッド側流量制御弁１７６Ｒは、アームシリンダロッド側油路Ｃ５と第２油路Ｃ２とを連通させ、ボトム側流量制御弁１７６Ｂは、アームシリンダボトム側油路Ｃ６と第１油路Ｃ１とを連通させる。また、コントローラ３０は、電動発電機３００及び油圧ポンプ・モータ３１０の回転を開始させて、油圧ポンプ・モータ３１０を油圧ポンプとして機能させる。
その結果、ブーム４が自重で下降するときにブームシリンダ７から流出する作動油と油圧ポンプ・モータ３１０が吐出する作動油とは、第１油路Ｃ１において合流し、一部が第１油路Ｃ１を通じてブームシリンダロッド側油路Ｃ３に至り、ブームシリンダ７のロッド側油室に流入し、ブーム４を下降させるために用いられる。また、該作動油は、残りが第１油路Ｃ１を通じてアームシリンダボトム側油路Ｃ６に至り、アームシリンダ８のボトム側油室に流入し、アーム５を閉じるために用いられる。なお、油圧ポンプ・モータ３１０が吐出する作動油は、ブーム４が自重で下降するときにブームシリンダ７から流出する作動油のみでは不足している場合に、不足分を補うために用いられる。
また、アームシリンダ８のロッド側油室から流出する作動油は、第２油路Ｃ２を通じて作動油タンクへ排出される。
このように、ハイブリッド式ショベルは、第４駆動モードにおいて、ブーム下げ時にブームシリンダ７のボトム側油室から流出する作動油を用いて、ブームシリンダ７及びアームシリンダ８を駆動させる。すなわち、ブーム４の位置エネルギーを、ブーム４及びアーム５を駆動させるための油圧エネルギーとして有効に利用できる。
次に、図１０を参照し、第５駆動モードにおけるコントロールバルブ１７の状態について説明する。図１０は、第５駆動モードにおけるコントロールバルブ１７の状態を示す図である。なお、図１０において、黒矢印及び白矢印は作動油の流れが生じていることを表し、矢印の太さが太いほど流量が大きいことを表す。また、黒矢印は油圧ポンプ・モータ３１０が吐出する作動油の流れを表し、白矢印はブームシリンダ７及びアームシリンダ８から流出する作動油の流れを表す。
第５駆動モードは、ブーム４が力行によるブーム上げ動作を行い、アーム５が力行によるアーム下げ動作を行うモードである。ハイブリッド式ショベルは、例えば掘削動作の初期（図２に示される状態ＣＤ１～ＣＤ２）において第５駆動モードとなる。第５駆動モードでは、ブームシリンダ７のボトム圧力がロッド圧力よりも小さくなり、アームシリンダ８のロッド圧力がボトム圧力よりも小さくなる。
第５駆動モードにおいて、ロッド側流量制御弁１７５Ｒは、ブームシリンダロッド側油路Ｃ３と第２油路Ｃ２とを連通させ、ボトム側流量制御弁１７５Ｂは、ブームシリンダボトム側油路Ｃ４と第１油路Ｃ１とを連通させる。また、ロッド側流量制御弁１７６Ｒは、アームシリンダロッド側油路Ｃ５と第２油路Ｃ２とを連通させ、ボトム側流量制御弁１７６Ｂは、アームシリンダボトム側油路Ｃ６と第１油路Ｃ１とを連通させる。また、コントローラ３０は、電動発電機３００及び油圧ポンプ・モータ３１０の回転を開始させて、油圧ポンプ・モータ３１０を油圧ポンプとして機能させる。
その結果、油圧ポンプ・モータ３１０が吐出する作動油は、一部が第１油路Ｃ１を通じてブームシリンダボトム側油路Ｃ４に至り、ブームシリンダ７のボトム側油室に流入し、ブーム４を上昇させるために用いられる。また、該作動油は、残りが第１油路Ｃ１を通じてアームシリンダボトム側油路Ｃ６に至り、アームシリンダ８のボトム側油室に流入し、アーム５を閉じるために用いられる。
また、ブームシリンダ７のロッド側油室及びアームシリンダ８のロッド側油室から流出する作動油は、第２油路Ｃ２を通じて作動油タンクへ排出される。
このように、ハイブリッド式ショベルは、第５駆動モードにおいて、ブーム下げ時にブームシリンダ７のボトム側油室から流出する作動油を用いることができない場合、油圧ポンプ・モータ３１０が吐出する作動油を用いてブームシリンダ７及びアームシリンダ８を駆動させる。
次に、図１１を参照し、第６駆動モードにおけるコントロールバルブ１７の状態について説明する。図１１は、第６駆動モードにおけるコントロールバルブ１７の状態を示す図である。なお、図１１において、黒矢印及び白矢印は作動油の流れが生じていることを表し、矢印の太さが太いほど流量が大きいことを表す。また、黒矢印はブームシリンダ７から流出する作動油及び油圧ポンプ・モータ３１０が吐出する作動油の流れを表し、白矢印はアームシリンダ８から流出する作動油の流れを表す。
第６駆動モードは、ブーム４が反力によるブーム上げ動作を行い、アーム５が力行によるアーム下げ動作を行うモードである。ハイブリッド式ショベルは、例えば掘削動作の中期（図２に示される状態ＣＤ２）において第６駆動モードとなる。第６駆動モードでは、ブームシリンダ７のボトム圧力がロッド圧力よりも大きくなり、アームシリンダ８のロッド圧力がボトム圧力よりも小さくなる。
第６駆動モードにおいて、ロッド側流量制御弁１７５Ｒは、ブームシリンダロッド側油路Ｃ３と第１油路Ｃ１とを連通させ、ボトム側流量制御弁１７５Ｂは、ブームシリンダボトム側油路Ｃ４と第２油路Ｃ２とを連通させる。また、ロッド側流量制御弁１７６Ｒは、アームシリンダロッド側油路Ｃ５と第２油路Ｃ２とを連通させ、ボトム側流量制御弁１７６Ｂは、アームシリンダボトム側油路Ｃ６と第１油路Ｃ１とを連通させる。また、コントローラ３０は、電動発電機３００及び油圧ポンプ・モータ３１０の回転を開始させて、油圧ポンプ・モータ３１０を油圧ポンプとして機能させる。
その結果、ブーム４が反力で上昇するときにブームシリンダ７から流出する作動油と油圧ポンプ・モータ３１０が吐出する作動油とは、第１油路Ｃ１において合流し、一部が第１油路Ｃ１を通じてアームシリンダボトム側油路Ｃ６に至り、アームシリンダ８のボトム側油室に流入し、アーム５を閉じるために用いられる。なお、油圧ポンプ・モータ３１０が吐出する作動油は、ブーム４が反力で上昇するときにブームシリンダ７から流出する作動油のみでは不足している場合に、不足分を補うために用いられる。
また、アームシリンダ８のロッド側油室から流出する作動油は、一部又は全部が第２油路Ｃ２を通じてブームシリンダボトム側油路Ｃ４に至り、ブームシリンダ７のボトム側油室に流入し、ブーム４を上昇させるために用いられる。なお、該作動油の残りは、第２油路Ｃ２を通じて作動油タンクへ排出される。
このように、ハイブリッド式ショベルは、第６駆動モードにおいて、ブーム上げ時にブームシリンダ７のロッド側油室から流出する作動油を用いて、アームシリンダ８を駆動させる。すなわち、ブーム４の反力エネルギーを、アーム５を駆動させるための油圧エネルギーとして有効に利用できる。また、アーム下げ時にアームシリンダ８のロッド側油室から流出する作動油を用いて、ブームシリンダ７を駆動させる。すなわち、アーム５の位置エネルギーを、ブーム４を駆動させるための油圧エネルギーとして有効に利用できる。
次に、図１２を参照し、第７駆動モードにおけるコントロールバルブ１７の状態について説明する。図１２は、第７駆動モードにおけるコントロールバルブ１７の状態を示す図である。なお、図１２において、黒矢印及び白矢印は作動油の流れが生じていることを表し、矢印の太さが太いほど流量が大きいことを表す。また、黒矢印はブームシリンダ７から流出する作動油及び油圧ポンプ・モータ３１０が吐出する作動油の流れを表し、白矢印はアームシリンダ８から流出する作動油の流れを表す。
第７駆動モードは、ブーム４が自重によるブーム下げ動作を行い、アーム５が力行によるアーム下げ動作を行うモードである。ハイブリッド式ショベルは、例えば掘削動作の周期（図２に示される状態ＣＤ２～ＣＤ３）において第７駆動モードとなる。第７駆動モードでは、ブームシリンダ７のボトム圧力がロッド圧力よりも大きくなり、アームシリンダ８のロッド圧力がボトム圧力よりも小さくなる。
第７駆動モードにおいて、ロッド側流量制御弁１７５Ｒは、ブームシリンダロッド側油路Ｃ３と第１油路Ｃ１とを連通させ、ボトム側流量制御弁１７５Ｂは、ブームシリンダボトム側油路Ｃ４と第１油路Ｃ１とを連通させる。また、ロッド側流量制御弁１７６Ｒは、アームシリンダロッド側油路Ｃ５と第２油路Ｃ２とを連通させ、ボトム側流量制御弁１７６Ｂは、アームシリンダボトム側油路Ｃ６と第１油路Ｃ１とを連通させる。また、コントローラ３０は、電動発電機３００及び油圧ポンプ・モータ３１０の回転を開始させて、油圧ポンプ・モータ３１０を油圧ポンプとして機能させる。
その結果、ブーム４が自重で下降するときにブームシリンダ７から流出する作動油と油圧ポンプ・モータ３１０が吐出する作動油とは、第１油路Ｃ１において合流し、一部が第１油路Ｃ１を通じてブームシリンダロッド側油路Ｃ３に至り、ブームシリンダ７のロッド側油室に流入し、ブーム４を下降させるために用いられる。また、該作動油は、残りがアームシリンダボトム側油路Ｃ６に至り、アームシリンダ８のボトム側油室に流入し、アーム５を閉じるために用いられる。なお、油圧ポンプ・モータ３１０が吐出する作動油は、ブーム４が自重で下降するときにブームシリンダ７から流出する作動油のみでは不足している場合に、不足分を補うために用いられる。
また、アームシリンダ８のロッド側油室から流出する作動油は、第２油路Ｃ２を通じて作動油タンクへ排出される。
このように、ハイブリッド式ショベルは、第７駆動モードにおいて、ブーム下げ時にブームシリンダ７のロッド側油室から流出する作動油を用いて、ブームシリンダ７及びアームシリンダ８を駆動させる。すなわち、ブーム４の位置エネルギーを、ブーム４及びアーム５を駆動させるための油圧エネルギーとして有効に利用できる。
以上に説明したように、一実施形態のハイブリッド式ショベルは、複数の油圧シリンダのロッド側とボトム側のそれぞれにパイロット圧に応じて流量を制御する流量制御弁を備える。これにより、油圧シリンダへの作動油の流れを制御する流量制御弁とは別に再生や回生を行うためのバルブを設けることなく、流量制御弁によって再生や回生を行うことができる。
今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。上記の実施形態は、添付の請求の範囲及びその趣旨を逸脱することなく、様々な形態で省略、置換、変更されてもよい。
本国際出願は、２０１９年３月２８日に出願した日本国特許出願第２０１９－０６５０１９号に基づく優先権を主張するものであり、当該出願の全内容を本国際出願に援用する。
１ 下部走行体
１Ａ 油圧モータ
２ 旋回機構
３ 上部旋回体
４ ブーム
５ アーム
６ バケット
７ ブームシリンダ
８ アームシリンダ
９ バケットシリンダ
１０ キャビン
１１ エンジン
１２ 電動発電機
１３ 変速機
１４ メインポンプ
１４Ａ レギュレータ
１５ パイロットポンプ
１６ 高圧油圧ライン
１７ コントロールバルブ
１８Ａ インバータ
１８Ｃ インバータ
１９ キャパシタ
２０ インバータ
２１ 旋回用電動機
２１Ａ 回転軸
２２ レゾルバ
２３ メカニカルブレーキ
２４ 旋回変速機
２５ パイロットライン
２６ 操作装置
２６Ａ レバー
２６Ｂ レバー
２６Ｃ ペダル
２７ 油圧ライン
２８ 油圧ライン
２９ 圧力センサ
３０ コントローラ
１００ 昇降圧コンバータ
１１０ ＤＣバス
１１１ ＤＣバス電圧検出部
１１２ キャパシタ電圧検出部
１１３ キャパシタ電流検出部
１２０ 蓄電系
１７５Ｂ ボトム側流量制御弁
１７５Ｒ ロッド側流量制御弁
１７６Ｂ ボトム側流量制御弁
１７６Ｒ ロッド側流量制御弁
３００ 電動発電機
３１０ 油圧ポンプ・モータ
Ｃ１ 第１油路
Ｃ２ 第２油路
Ｃ３ ブームシリンダロッド側油路
Ｃ４ ブームシリンダボトム側油路
Ｃ５ アームシリンダロッド側油路
Ｃ６ アームシリンダボトム側油路

Claims (6)

  1. 複数の油圧シリンダのロッド側とボトム側のそれぞれにパイロット圧に応じて流量を制御する流量制御弁と、
    前記流量制御弁と、前記複数の油圧シリンダから流出する作動油を利用して油圧モータとして機能し且つ油圧ポンプとして機能する油圧ポンプ・モータとを繋ぐ第１油路と、
    前記流量制御弁と作動油タンクとを繋ぐ第２油路と、
    を備え、
    前記流量制御弁の各々は、前記第１油路と前記第２油路との連通・遮断を切り替える、
    ショベル。
  2. 前記油圧ポンプ・モータは、発電機に機械的に接続されている、
    請求項１に記載のショベル。
  3. 前記複数の油圧シリンダに含まれる第１油圧シリンダと、
    前記第１油圧シリンダのロッド側への作動油の流れを制御するロッド側流量制御弁と、
    前記第１油圧シリンダのボトム側への作動油の流れを制御するボトム側流量制御弁と、
    を備え、
    前記ボトム側流量制御弁は、前記第１油圧シリンダが自重で下降する際に、前記第１油圧シリンダから前記第１油路へ流出する作動油の流量を調整する、
    請求項１に記載のショベル。
  4. 前記第１油圧シリンダが自重で下降する際に、前記第１油圧シリンダから前記第１油路へ流出する作動油を前記油圧ポンプ・モータに供給する、
    請求項３に記載のショベル。
  5. 前記第１油圧シリンダが自重で下降する際に、前記第１油圧シリンダから前記第１油路へ流出する作動油を別の油圧シリンダへ供給する、
    請求項３に記載のショベル。
  6. 前記第１油圧シリンダが自重で下降する際に、前記第１油圧シリンダから前記第１油路へ流出する作動油を前記第１油圧シリンダのロッド側へ供給する、
    請求項３に記載のショベル。
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