JP5357073B2

JP5357073B2 - 建設機械のポンプ制御装置

Info

Publication number: JP5357073B2
Application number: JP2010015750A
Authority: JP
Inventors: 孝夫南條; 三郎妹尾; 允紀廣澤
Original assignee: Kobelco Construction Machinery Co Ltd; Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobelco Construction Machinery Co Ltd; Kobe Steel Ltd
Priority date: 2010-01-27
Filing date: 2010-01-27
Publication date: 2013-12-04
Anticipated expiration: 2030-01-27
Also published as: JP2011153572A

Description

本発明は油圧ショベル等の建設機械において油圧ポンプの吸収トルクを制御するポンプ制御装置に関するものである。

従来、油圧ポンプの吸収トルクを一定に固定し、ポンプ出力が上記固定された吸収トルクを超えないようにポンプ流量を制御する所謂馬力一定制御に代えて、油圧ポンプの吸収トルクを吐出圧(ポンプ圧)に応じて制御する技術が公知である。(特許文献１参照)。

この技術では、ポンプ圧が高ければ負荷が大きくて高い吸収トルクが要求されているとの認識に立ち、高圧側で吸収トルクを上げる(ポンプ流量を増加させる)ことによって作業効率を向上させることとしている。

特開２００２−１３８９６５号公報

しかし、油圧ショベル等の建設機械における実際の油圧回路において、ポンプ圧は、コントロールバルブのメータイン及びメータアウト開口や管路等の絞りによる圧損を含んだ値として検出されるため、このポンプ圧に基づいて油圧ポンプの吸収トルクを決定することは必ずしも最適な馬力設定とはならない。

油圧ショベルを例にとって具体的に説明する。

油圧ショベルは、図１０に示すように、クローラ式の下部走行体１上に上部旋回体２が旋回自在に搭載され、この上部旋回体２に作業アタッチメント３が装着されて構成される。

作業アタッチメント３は、起伏自在なブーム４と、このブーム４の先端に取付けられたアーム５と、このアーム５の先端に取付けられたバケット６と、これらを作動させるブーム、アーム、バケット各シリンダ(油圧シリンダ)７〜９とによって構成され、この各シリンダ７〜９に、図示しない旋回モータ及び走行モータを加えた油圧アクチュエータが一乃至複数の油圧ポンプによって駆動される。

このうち、ブーム、アーム、バケットの各シリンダ７〜９について、伸び側は負荷を動かす側であるため大きな力を必要とするのに対し、縮み側は負荷が後押しするため大きな力を必要としない。

ブーム、アーム両シリンダ７，８でいうと、伸び側(ブーム上げ、アーム引き)ではアタッチメント重量やバケット土砂重量を持ち上げるために大きな力が必要となるのに対し、縮み側(ブーム下げ、アーム押し)は重力によって仕事をされる側となるため少ない力ですむ。

典型的な動作が、掘削、ダンプ後の掘削姿勢に復帰させるためのアーム押し／ブーム下げ操作である。

この操作では、実際にブーム、アーム両シリンダ７，８を動かすのに必要な馬力は小さくてよいにもかかわらず、この区別をせずに大流量を流すと、メータアウト側の圧損が高くなってポンプ圧が上がる。

しかも、この場合、両シリンダ７，８のメータアウト側の圧損は両シリンダ７，８を動かす力に対抗する力として作用し、元々、損失が多い。

従って、ポンプ圧のみに基づいて油圧ポンプの吸収トルクを決定する上記公知技術では、元々損失の多いアーム押し／ブーム下げ操作時に馬力を上げてしまい、さらに損失を増加させる方向に制御が働く。このため、エネルギー効率を向上させる点の効果は低く、燃費の点で不利となる。

そこで本発明は、油圧シリンダの縮み側と伸び側とで油圧ポンプの吸収トルク(ポンプ流量)に差を付け、損失を低減させて省エネルギーを実現することができる建設機械のポンプ制御装置を提供するものである。

請求項１の発明は、エンジンによって駆動される可変容量型の油圧ポンプと、この油圧ポンプから吐出される油量であるポンプ流量を調整するポンプレギュレータと、油圧ポンプからの圧油によって駆動される油圧シリンダと、操作手段により操作されて上記油圧シリンダの作動を制御するコントロールバルブと、上記ポンプレギュレータを通して上記油圧ポンプの吐出流量を制御するポンプ制御手段と、戻り配管の圧力を検出する戻り配管圧力検出手段とを具備し、上記ポンプ制御手段は、上記戻り配管圧力検出手段によって検出される戻り配管圧力に応じて必要吸収トルクを、戻り配管圧力の高圧側で低くなるように設定し、油圧ポンプの実際の吸収トルクがこの必要吸収トルク以下となるように上記ポンプレギュレータに流量を指令する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、上記ポンプ制御手段は、予め設定された戻り配管圧力と必要吸収トルクの関係に基づき、戻り配管圧力の高圧側で必要吸収トルクを下げるように構成されたものである。

請求項３の発明は、請求項１の構成において、上記ポンプ制御手段は、上記戻り配管圧力検出手段によって検出される戻り配管圧力から、戻り配管を流れる戻り流量を推定し、この推定した戻り流量に応じて、推定戻り流量が多い側で必要吸収トルクを下げるように構成されたものである。

請求項４の発明は、請求項１の構成において、上記ポンプ制御手段は、上記戻り配管圧力検出手段によって検出される戻り配管圧力から、戻り配管を流れる戻り流量を推定し、この推定される戻り流量とポンプ流量の比に応じて、この流量比が高い側で必要吸収トルクを下げるように構成されたものである。

請求項５の発明は、請求項１〜４のいずれかの構成において、油圧シリンダを含む複数の油圧アクチュエータを有するとともに、上記油圧ポンプの吐出圧であるポンプ圧を検出するポンプ圧検出手段を備え、上記ポンプ制御手段は、
(ｉ) 上記戻り配管圧力検出手段によって検出される戻り配管圧力に基づいて求められた必要吸収トルクと、上記ポンプ圧検出手段によって検出されるポンプ圧とから馬力制御による馬力制限流量を求め、
(ｉｉ) 上記油圧アクチュエータごとの上記操作手段の操作量からポジコン流量を求め、
(ｉｉｉ) 上記馬力制限流量とポジコン流量の低位選択を行い、
(ｉｖ) 低位選択された流量を上記ポンプレギュレータに指令する
ように構成されたものである。

油圧回路において、アクチュエータからタンクへの戻り油を通す戻り配管は、戻り流量が増加するに連れて圧力が高くなるため、この戻り配管圧力を検出することによって戻り流量の大小、つまり、シリンダ伸び側と縮み側の別、縮み側動作量等を間接的に検出することができる。

また、複合操作時には、各シリンダの伸び側と縮み側の別やその操作量の大きさの組み合わせが多数存在するが、戻り配管の圧力を検出することにより、総合的に伸び側、縮み側の操作の状況を判断することができる。

これに対し、操作手段の操作やその操作量の大きさを検出することによっても、伸び側、縮み側の操作の状況を判定できるが、実際のアクチュエータの動作速度は書くアクチュエータの外部負荷によって変化し、操作量の大きさとは必ずしも一致しない場合がある。

そこで本発明では、戻り配管の圧力を検出し、この戻り配管圧力に基づいて油圧ポンプの必要吸収トルクを求め、油圧ポンプの実際の吸収トルクがこの必要吸収トルク以下となるようにポンプ流量を制御する構成とした。

この構成により、元々損失が多くかつ大流量を必要としない場合が多い縮み側操作時にポンプ流量を抑えてエネルギー効率を向上させ、燃費を改善することができる。

しかも、戻り配管圧力をベースとすることで、複合操作時の各アクチュエータの操作状況をより正確に判断し、吸収トルク(ポンプ流量)の適切な制御を行うことができる。

この場合、請求項２の発明のように戻り配管圧力と必要吸収トルクの関係を予め定めておき、直接、戻り配管圧力に応じて必要吸収トルクを求めるようにしてもよいし、請求項３の発明のように、戻り配管圧力から戻り流量を推定し、この推定した戻り流量から必要吸収トルクを求めるようにしてもよい。

また、請求項４の発明のように、戻り配管圧力から推定した戻り流量とポンプ流量の比に応じて必要吸収トルクを求めてもよい。

この構成によると、容量(シリンダ断面積)が異なる複数の油圧シリンダの複合操作時に、伸び側、縮み側の動作状況をより正確に判定し、実情に即したトルク制御を行う点で有利となる。

請求項５の発明によると、戻り配管圧力に基づいて求められた必要吸収トルクと、検出されたポンプ圧とから馬力制御(ＰＱ演算)による馬力制限流量を求め、この馬力制限流量と、操作量に応じてポンプ流量を変えるポジコン制御によるポジコン流量との低位選択を行い、低位選択された流量をポンプレギュレータに指令する構成としたから、オペレータの意思を制御に反映させることができる。

本発明の第１実施形態に係る油圧回路図である。同実施形態の制御系のブロック構成図である。油圧ショベルの実作業時における馬力一定制御によるポンプ出力及びアクチュエータ出力の特性を示す図である。同、戻り配管圧力の変化状況を示す図である。同、戻り流量の変化状況を示す図である。本発明の第１実施形態によるポンプ吸収トルクの変化状況を示す図である。同、図３相当図である。本発明の第２実施形態を示す一部の制御ブロック図である。本発明の第３実施形態を示す一部の制御ブロック図である。本発明の適用対象となる油圧ショベルの概略側面図である。

本発明の実施形態を図１〜図９によって説明する。

実施形態では油圧ショベルを適用対象としている。

第１実施形態(図１〜図７参照)
図１に油圧回路を示す。

ここでは、第１及び第２の二つの可変容量型の油圧ポンプ１１，１２を備え、第１油圧ポンプ１１によってブーム、バケット両シリンダ７，９、第２油圧ポンプ１２によってアームシリンダ８と旋回モータ１０をそれぞれ駆動する場合を例にとっている。なお、走行モータは除外している。

各油圧アクチュエータ７〜１０は、それぞれ油圧パイロット式のコントロールバルブ１３〜１６によって作動制御され、各コントロールバルブ１３〜１６は、図示しない操作手段としてのリモコン弁によって操作される。

１７は各アクチュエータ７〜１０からコントロールバルブ経由でタンクＴに戻る油を通す戻り配管で、この戻り配管１７にはブーストチェック弁１８、オイルクーラ１９、バイパスチェック弁２０が設けられている。

２１，２２は両油圧ポンプ１１，１２の傾転を変えて吐出流量(ポンプ流量)を調整するポンプレギュレータで、ポンプ制御手段としてのコントローラ２３によって制御される。

一方、検出手段として、両油圧ポンプ１１，１２の吐出圧(ポンプ圧)を検出するポンプ圧センサ(ポンプ圧検出手段)２４，２５と、戻り配管１７の圧力を検出する戻り配管圧力センサ(戻り配管圧力検出手段)２６が設けられ、これら各センサ２４〜２６からの信号がコントローラ２３に入力される。

コントローラ２３は、入力されたポンプ圧、戻り配管圧力、それにリモコン弁からの操作信号(ブーム上げ、ブーム下げ、アーム引き、アーム押し、バケット掘削、バケット排土の各操作量)に基づいて必要なポンプ流量を求め、これをポンプレギュレータ２１，２２に指令する。

このコントローラ２３の構成とその制御内容を図２によって詳しく説明する。

コントローラ２３は、戻り配管圧力を入力される必要吸収トルク演算部２７と、第１及び第２両油圧ポンプ１１，１２のポンプ圧を入力される馬力制限流量演算部２８と、各操作手段の操作量を入力されるポジコン流量演算部２９と、二つの低位選択部３０，３１とを備えている。

必要吸収トルク演算部２７は、予め設定・記憶された戻り配管圧力／必要吸収トルクのマップから必要吸収トルクを求め、これを馬力制限流量演算部２８に送る。

馬力制限流量演算部２９は、予め設定・記憶されたポンプ圧／吸収トルクのマップから、馬力制御によって制限されるべきポンプ流量(制限ポンプ流量)を求め、これを低位選択部３０，３１に送る。

ポジコン流量演算部２９は、予め設定・記憶された操作量／ポンプ流量のマップから、操作量に応じたポンプ流量(ポジコン流量)を求め、これを低位選択部３０，３１に送る。

低位選択部３０，３１は、送られた制限ポンプ流量とポジコン流量のうち低い方を選択し、選択されたポンプ流量を両油圧ポンプ１１，１２に対する指令流量としてポンプレギュレータ２１，２２に送る。

これにより、両油圧ポンプ１１，１２が指令された流量を吐出する。

このように、戻り配管圧力を検出し、この戻り配管圧力に基づいて油圧ポンプ１１，１２の必要吸収トルクを求め、基本的に、油圧ポンプ１１，１２の実際の吸収トルクがこの必要吸収トルク以下となるようにポンプ流量を制御するため、元々損失が多くかつ大流量を必要としない場合が多い縮み側操作時にポンプ流量を抑えてエネルギー効率を向上させ、燃費を改善することができる。

この場合、戻り配管圧力を縮み側動作量として検出し、戻り配管圧力が高いときは縮み側操作が多い(戻り流量が多く、損失も大きくなるのでエネルギー効率が悪い)と判断してポンプ吸収トルを低下させる制御を行うため、複合操作時の各アクチュエータ７〜１０の操作状況をより正確に判断し、吸収トルク(ポンプ流量)の適切な制御を行うことができる。

また、検出された戻り配管圧力に基づいて求められた必要吸収トルクと、検出されたポンプ圧とから馬力制御による馬力制限流量を求め、この馬力制限流量と、ポジコン制御によるポジコン流量との低位選択を行い、低位選択された流量をポンプレギュレータ２１，２２に指令する構成としたから、オペレータの意思を制御に反映させることができる。

油圧ポンプ１１，１２の吸収トルクを一定とした場合との比較においてこの実施形態による効果を図３〜図７によって説明する。

図３〜図６は、トルク一定制御で掘削作業を行う場合における動力(ポンプ出力、アクチュエータ出力)の変化状況を示す。

図３に示すように、操作域の前半は掘削のためのアーム引き／ブーム上げ／バケット掘削(各シリンダ伸び側)操作、後半はダンプのためのアーム押し／ブーム下げ／バケット排土(各シリンダ縮み側)操作が行われる。

図示のように前半では、ポンプ出力に対するアクチュエータ出力の比が高く、システムの損失が少ないが、後半に入ると、アクチュエータ出力は小さいにもかかわらずポンプ出力が大きく、油圧システムの損失が大きくなる。

このとき、戻り配管圧力と戻り配管流量は、図４，５に示すように操作域の後半で大きくなる。つまり、アーム押し／ブーム下げ／バケット排土はいずれもシリンダ７〜９の縮み側動作であり、シリンダ断面積比によりポンプ流量に対して戻り流量が多くなり、損失が増大する。

これに対し、実施形態によると、図６に示すように損失の大きい後半に吸収トルクが下がる制御が行われる。

これにより、図７に示すように操作域後半(アーム押し／ブーム下げ／バケット排土のダンプ操作域)で、ポンプ吸収トルクを、馬力一定制御の場合(破線で示す)よりも低減することができる。このため、省エネルギーとなり、燃費を改善することができる。

他の実施形態
第１実施形態では、図２に示すように必要吸収トルク演算部２７において、検出された戻り配管圧力から直接、必要吸収トルクを求める構成をとったが、第２実施形態として、図８に示すように必要吸収トルク演算部２７において、まず戻り配管圧力から、流路の圧損を考慮した関数を用いて戻り流量を推定し、予め設定・記憶した戻り流量／吸収トルクのマップに基づき、戻り流量の推定値から必要吸収トルクを演算するようにしてもよい。

また、第３実施形態として、図９に示すように、戻り配管圧力から戻り流量を推定した後、この戻り流量の推定値と、流量センサ等によって検出されたポンプ流量の比(流量比)から必要吸収トルクを決定するようにしてもよい。

こうすれば、容量(シリンダ断面積)が異なる複数の油圧シリンダの複合操作時に、伸び側、縮み側の動作状況をより正確に判定し、実情に即したトルク制御を行う点で有利となる。

なお、本発明は油圧ショベルに限らず、油圧ショベルを母体として構成される他の建設機械であって、シリンダ縮み側動作時に伸び側動作時よりも必要流量か少ない建設機械にも適用することができる。

７ブームシリンダ
８アームシリンダ
１０旋回モータ
１１，１２油圧ポンプ
１３コントロールバルブ
１７戻り配管
Ｔタンク
２１ポンプレギュレータ
２３コントローラ(ポンプ制御手段)
２４，２５ポンプ圧センサ
２６戻り配管圧力センサ
２７コントローラの必要吸収トルク演算部
２８同、馬力制限流量演算部
２９同、ポジコン流量演算部
３０同、低位選択部

Claims

エンジンによって駆動される可変容量型の油圧ポンプと、この油圧ポンプから吐出される油量であるポンプ流量を調整するポンプレギュレータと、油圧ポンプからの圧油によって駆動される油圧シリンダと、操作手段により操作されて上記油圧シリンダの作動を制御するコントロールバルブと、上記ポンプレギュレータを通して上記油圧ポンプの吐出流量を制御するポンプ制御手段と、戻り配管の圧力を検出する戻り配管圧力検出手段とを具備し、上記ポンプ制御手段は、上記戻り配管圧力検出手段によって検出される戻り配管圧力に応じて必要吸収トルクを、戻り配管圧力の高圧側で低くなるように設定し、油圧ポンプの実際の吸収トルクがこの必要吸収トルク以下となるように上記ポンプレギュレータに流量を指令するように構成されたことを特徴とする建設機械のポンプ制御装置。
上記ポンプ制御手段は、予め設定された戻り配管圧力と必要吸収トルクの関係に基づき、戻り配管圧力の高圧側で必要吸収トルクを下げるように構成されたことを特徴とする請求項１記載の建設機械のポンプ制御装置。
上記ポンプ制御手段は、上記戻り配管圧力検出手段によって検出される戻り配管圧力から、戻り配管を流れる戻り流量を推定し、この推定した戻り流量に応じて、推定戻り流量が多い側で必要吸収トルクを下げるように構成されたことを特徴とする請求項１記載の建設機械のポンプ制御装置。
上記ポンプ制御手段は、上記戻り配管圧力検出手段によって検出される戻り配管圧力から、戻り配管を流れる戻り流量を推定し、この推定される戻り流量とポンプ流量の比に応じて、この流量比が高い側で必要吸収トルクを下げるように構成されたことを特徴とする請求項１記載の建設機械のポンプ制御装置。
油圧シリンダを含む複数の油圧アクチュエータを有するとともに、上記油圧ポンプの吐出圧であるポンプ圧を検出するポンプ圧検出手段を備え、上記ポンプ制御手段は、
(ｉ) 上記戻り配管圧力検出手段によって検出される戻り配管圧力に基づいて求められた必要吸収トルクと、上記ポンプ圧検出手段によって検出されるポンプ圧とから馬力制御による馬力制限流量を求め、
(ｉｉ) 上記油圧アクチュエータごとの上記操作手段の操作量からポジコン流量を求め、
(ｉｉｉ) 上記馬力制限流量とポジコン流量の低位選択を行い、
(ｉｖ) 低位選択された流量を上記ポンプレギュレータに指令する
ように構成されたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の建設機械のポンプ制御装置。