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JP4151597B2 - 油圧制御回路および建設機械 - Google Patents

油圧制御回路および建設機械 Download PDF

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Description

本発明は、油圧駆動式のアクチュエータを制御する油圧制御回路およびその油圧制御回路を備えた建設機械に関するものである。
油圧ショベルには油圧アクチュエータとして上部旋回体を旋回させる旋回モータ、その上部旋回体に装備されているフロントアタッチメントを操作するための複数の油圧シリンダ等が備えられており、これらの油圧アクチュエータを単独または複合操作することにより土木作業が行われる。
旋回停止操作では旋回モータ用コントロールバルブを中立位置に戻して油圧ポンプから旋回モータに供給する圧油をカットするが、上部旋回体の慣性が大きいことによって油圧モータが一定時間回転し続けるためキャビテーションが発生する。
また、エンジン回転数をローアイドルに設定した状態で、空中でアームシリンダを伸長させアーム引き操作を行なうとアームの自重が作用することによってアーム引き動作が加速されアームシリンダのへッド側に供給される圧油が不足する。このような場合にもキャビテーションが発生する。
従来、油圧ショベルに備えられる油圧制御回路は、図５に示すように、通常、中立状態でコントロールバルブ５０〜５３のＰポートに流入した油がすべてタンク５４にバイパスされるオープンセンタタイプで構成されており、各アクチュエータ５０ａ〜５３ａからの戻り油をタンク５４に導く戻り油路５５に背圧回路５６が設けられている。また、ロッド側の戻り油とヘッド側の戻り油は共通の戻り油路を通じてタンクに戻されている。
戻り油路５５と例えば旋回モータ５３ａに圧油を供給するアクチュエータ配管とはチェック弁５７を備えた連通路５８で接続されており、背圧回路５６の背圧チェック弁５６ａによって発生した背圧は、その連通路５８を通じて圧油供給不足（低圧側）のアクチュエータ配管に供給され、それにより、キャビテーションが防止されるようになっている。
なお、図中、５９および６０はエンジン６１によって駆動する第一および第二油圧ポンプ、６２はオイルクーラである。
しかしながら、上記したキャビテーション防止回路は、戻り油路５５に常に背圧が立っているため、必要のないときにまで発生する背圧が、油圧ポンプの仕事を増加させるとともに発熱量を増加させ、結果としてエネルギーロスを招いていた。
そこで、キャビテーションを防止しつつエネルギーロスを低減させる手段として以下に示すものが提案されている。
(ａ) 走行および旋回の操作パイロットバルブのパイロット圧を、シャトル弁を介して検出し、この圧力を背圧保証弁に導くことにより、走行および旋回操作時には背圧弁に背圧を発生させてキャビテーションを防止し、それ以外の操作では背圧を発生させずエネルギーロスを減らすというもの（例えば、特許文献１参照）。
(ｂ) 油圧モータの駆動側の圧力または油圧ポンプ圧力をパイロット圧として取り出し、このパイロット圧により背圧を低圧または高圧に切り替える可変絞り弁を背圧回路に設
けたもの（例えば、特許文献２参照）。
(ｃ) 背圧チェック弁と並列に設けられたバイパス通路にバイパス弁を設け、油圧アクチュエータの停止時にのみバイパス弁を閉じて背圧チェック弁を発生させるもの（例えば、特許文献３参照）。
特開平７−１８０１９０号公報 特開平９−３１７８７９号公報 特開２００２−８９５０５号公報
しかしながら、上記した(ａ)および(ｂ)のキャビテーション防止回路では、旋回モータや走行モータのキャビテーションを防止するための背圧を切り替えることにより、キャビテーションの防止とエネルギーロスの低減を両立させるように構成されているが、例えばフロントアタッチメントを操作する油圧シリンダについては考慮されておらず油圧制御回路全体でエネルギーロスを低減することができない。
油圧モータのようにアクチュエータの流入流量と流出流量が同じであるアクチュエータでは流出流量が油圧ポンプからの流入流量を超えることはないが、油圧シリンダではヘッド側とロス側の油室の断面積差によってシリンダ伸ばし方向に操作した場合にキャビテーションを起こしやすい。ところが、逆に油圧シリンダを縮め方向に操作する場合には流出側流量が大きく、これによるアクチュエータ管路の圧損により背圧が発生するため、キャビテーションは発生しにくい。従来のキャビテーション防止回路ではシリンダ縮め方向においても戻り油は背圧回路を流れるためエネルギーロスも大きい。このような油圧シリンダで発生するエネルギーロスを低減させる必要がある。
なお、上記(ｃ)のキャビテーション防止回路では、バイパス弁を閉じるのにネガコン圧を利用しており、すべてのアクチュエータ（油圧モータ、油圧シリンダ）が停止した場合にのみネガコン圧によってバイパス弁を閉じ背圧チェック弁により背圧を発生させる。一方、停止時以外はバイパス弁を開いて背圧チェック弁をバイパスさせることでエネルギーロスを防止している。この構成では油圧シリンダが個別に操作されるような場合にはエネルギーロスを低減させることができない。
本発明は以上のような従来のキャビテーション防止回路における課題を考慮してなされたものであり、油圧モータや油圧シリンダを含む油圧制御回路についてキャビテーションの防止を図りつつ、油圧シリンダで発生するエネルギーロスを効果的に低減させることができる油圧制御回路および建設機械を提供するものである。
本発明は、油圧ポンプからの圧油の方向および流量を制御するコントロールバルブと、このコントロールバルブによって制御された圧油が供給される油圧アクチュエータと、上記油圧アクチュエータからの戻り油をタンクに導く戻り通路とを具備した油圧制御回路において、
上記油圧アクチュエータとして油圧モータと複数の油圧シリンダとを有し、
上記戻り通路は、上記コントロールバルブから導出された圧油を背圧チェック弁を介さずにタンクに導くことが可能な第一戻り通路と、上記背圧チェック弁及びこの背圧チェック弁により生じた背圧を上記油圧アクチュエータの低圧側に補給してキャビテーションを防止する補給通路を備えた第二戻り通路とを有し、
上記各油圧シリンダ及び油圧モータのそれぞれについて上記コントロールバルブが設けられ、
これらコントロールバルブのうち、上記油圧シリンダについて設けられた少なくとも１つのコントロールバルブは、上記油圧シリンダのロッド側に圧油を供給するとともに上記油圧シリンダのヘッド側の戻り油を上記第一戻り通路を通じて戻すための縮小位置と、上記油圧シリンダのヘッド側に圧油を供給するとともに上記油圧シリンダのロッド側の戻り油を上記第二戻り通路を通じて戻すための伸張位置との間で切換可能に構成されていることを特徴とする油圧制御回路である。
本発明に従えば、油圧シリンダの縮小動作時に油圧シリンダのヘッド側からの戻り油は、背圧チェック弁を備えた第二戻り通路を流れず、タンクに連通する第一戻り油路を通じてタンクに戻るため、エネルギーロスの発生が低減される。
また、本発明では、上記コントロールバルブの切換位置が油圧シリンダを縮小動作させる位置にあるときに、油圧シリンダのヘッド側の戻り油を第一戻り通路に接続するようになっている。
また、第二戻り通路の圧力が低下したときに第一戻り通路で発生した背圧を第二戻り通路に補給する補助補給手段を備えることができる。
上記補助補給手段として、第一戻り油路に設けられ開位置と閉位置との間で切り換わる切換弁と、この切換弁の上流側と背圧チェック弁の上流側とを連通する連通路と、切換弁を制御する切換弁制御手段とを有し、この切換弁制御手段を、第二戻り通路の圧力が低下した場合に切換弁を閉じて第一戻り通路に背圧を発生させ、その第一戻り通路で発生した背圧を連通路を通じて第二戻り通路に補給するように構成すれば、キャビテーションを起こしそうになったアクチュエータに対して供給する圧油の必要流量が大きくなった場合に、第一戻り通路の背圧を第二戻り通路にまわし、必要とされる流量を確保することができるようになる。
また、上記補助補給手段として、第一戻り通路に設けられ第二戻り油路の圧力をパイロット圧として開閉動作するチェック弁と、このチェック弁の上流側と背圧チェック弁の上流側とを連通する連通路とを有し、チェック弁が、第二戻り通路の圧力が低下した場合に閉じて第一戻り通路に背圧を発生させ、その第一戻り通路で発生した背圧を連通路を通じて第二戻り通路に補給するように構成すれば、キャビテーションを起こしそうになったアクチュエータに対して供給する圧油の必要流量が大きくなった場合に、簡単な回路構成でその必要とされる流量を確保することができる。
本発明は、上記構成を有する油圧制御回路を備えた建設機械であって、油圧アクチュエータとしてフロントアタッチメントに備えられるバケットシリンダ、アームシリンダ、ブームシリンダ、および上部旋回体を旋回させる旋回モータを有し、油圧シリンダおよび旋回モータが複合操作された場合に、旋回モータからの戻り油および油圧シリンダのロッド側の戻り油については第二戻り通路を通じてタンクに戻すことにより背圧を立て、油圧シリンダのヘッド側の戻り油については第一戻り通路を通じ背圧を立てない状態でタンクに戻すように構成されている建設機械である。
この建設機械によれば、フロントアタッチメントの各油圧シリンダが複合操作されても伸張側に操作される油圧シリンダについては背圧を立ててキャビテーションを防止し、縮小側に操作される油圧シリンダについては背圧を立てることなくエネルギーロスを低減することができる。
本発明の油圧制御回路によれば、油圧モータや油圧シリンダを含む油圧制御回路についてキャビテーションの防止を図りつつ、油圧シリンダで発生するエネルギーロスを効果的に低減させることができる。
本発明の建設機械によれば、複数の油圧アクチュエータが複合操作されても油圧アクチュエータ毎にキャビテーションを防止しつつ、エネルギーロスを低減することができる。
以下、図面に示した実施の形態に基づいて本発明を詳細に説明する。
図１は、本発明に係る油圧制御回路を建設機械に適用した場合の一実施形態を示したものである。
同図において、１，２は可変容量型の第一油圧ポンプおよび第二油圧ポンプ、３は両ポンプ１，２を駆動するエンジンである。
第一油圧ポンプ１から吐出される圧油は、第一センターバイパスライン４上に配列されている、バケットシリンダ５を駆動するバケット用コントロールバルブ６とブームシリンダ７を駆動するブーム用コントロールバルブ８にそれぞれ供給される。
第二油圧ポンプ２から吐出される圧油は、第二センターバイパスライン９上に配列されている、旋回モータ１０を駆動する旋回用コントロールバルブ１１とアームシリンダ１２を駆動するアーム用コントロールバルブ１３にそれぞれ供給される。
なお、上記バケットシリンダ５，ブームシリンダ７及びアームシリンダ１２は油圧ショベルのフロントアタッチメントを構成している図示しないバケット、アーム及ブームをそれぞれ駆動し、旋回モータ１０は図示しない上部旋回体を旋回させるようになっている。
第一センターバイパスライン４におけるブーム用コントロールバルブ８の下流側と第二センターバイパスライン５におけるアーム用コントロールバルブ１３の下流側は合流点Ｐ１で合流し、タンク１４に通じる第二戻り油路（第二戻り通路）１５と接続されている。第一戻り油路については後述する。
上記第二戻り油路１５には背圧回路１６が設けられている。背圧回路１６には第二戻り油路１５に背圧を発生させるための背圧チェック弁１６ａと、アクチュエータを作動させて温度上昇した戻り液を冷却するためのオイルクーラ１６ｂと、このオイルクーラ１６ｂを保護するためのバイパスチェック弁１６ｃが設けられている。
背圧チェック弁１６ａはスプリングによって設定された力で付勢された逆止弁からなり、この背圧チェック弁１６ａの上流側に、そのスプリングにより設定された圧力、すなわち背圧を生じさせるようになっている。
また、背圧チェック弁１６ａ上流側の点Ｐ２は、補給通路１７ａを介してモータ駆動回路１８の圧油供給路１８ａに接続されており、旋回モータ１０の停止時に圧油給排路１８ｂ，１８ｃのいずれか一方が低圧（負圧ぎみ）になった場合にはこの圧油供給路１８ａから一対のチェック弁１８ｄ，１８ｅのいずれか一方を通じて油圧モータ１０に圧油が補給されるようになっている。
バケット用コントロールバルブ６は、中立位置ａと、バケット引き操作を行った場合に切り換わる伸長位置ｂと、バケット押し操作を行った場合に切り換わる縮小位置ｃとを有し、縮小位置ｃにはヘッド側油室５ａから排出される圧油を、排出路６ａとは別に設けられた専用戻り油路１９に導くための切換通路６ｂが新たに設けられている。なお、６ｃは供給路を示している。
ブーム用コントロールバルブ８は、中立位置ｄと、ブーム上げ操作を行った場合に切り換わる伸長位置ｅと、ブーム下げ操作を行った場合に切り換わる縮小位置ｆとを有し、縮小位置ｆにはヘッド側油室７ａから排出される圧油を、排出路８ａとは別に設けられた専用戻り油路２０に導く切換通路８ｂが新たに設けられている。なお、８ｃは供給路を示している。
アーム用コントロールバルブ１３は、中立位置ｇと、アーム引き操作を行った場合に切り換わる伸長位置ｈと、アーム押し操作を行った場合に切り換わる縮小位置ｉとを有し、縮小位置ｉにはヘッド側油室１２ａから排出される圧油を、排出路１３ａとは別に設けられた専用戻り油路２１に導く切換通路１３ｂが新たに設けられている。なお、１３ｃは供給路を示している。
旋回用コントロールバルブ１１は従来の構成と同じものであり、切換位置として中立位置ｊと、右旋回位置ｋと、左旋回位置ｌを有している。
上記した専用の戻り油路１９、２０および２１は、それぞれ第一戻り油路（第一戻り通路）２２に合流され、この第一戻り油路２２は、背圧回路１６における背圧チェック弁１６ａの下流側位置Ｐ３に接続されている。
次に、上記油圧制御回路の動作について図２を参照しながら説明する。
なお、図中、黒塗矢印はシリンダヘッド側戻り油の方向を示し、白抜矢印は油圧モータの戻り油＋シリンダロッド側戻り油の方向を示している。また、同図では４つのアクチュエータを同時に操作した場合の圧油の流れを示しており、ブームシリンダ７、アームシリンダ１２はヘッド側が戻り油となるように、バケットシリンダ５はロッド側が戻り油になるように操作されているものとする。
油圧モータ１０の駆動とシリンダ伸ばし操作を行った場合、これらの油圧アクチュエータからの戻り油は従来と同様に第二戻り油路１５に導かれる。なお、シリンダ伸ばし操作はバケットシリンダ５を例に取って説明する。
旋回用コントロールバルブ１１を例えば左旋回位置ｌに切り換えると、第二油圧ポンプ２からの圧油が給排路１８ｂを通じて旋回モータ１０に供給され、給排路１８ｃから排出される圧油は油路１５ａから第二戻り油路１５に流れ、背圧回路１６に導入される。
背圧回路１６の背圧チェック弁１６ａによって背圧が立つと、第二戻り油路１５の圧油は補給通路１７ａを通じてキャビテーションを起こしそうになった旋回モータ１０へ供給される。
また、バケット引き操作を行うと、バケット用コントロールバルブ６は伸長位置ｂに切り換えられ、第一油圧ポンプ１からの圧油がヘッド側油室５ａに供給される。このとき、ロッド側油室５ｂから排出される圧油は油路１５ｂから第二戻り油路１５に流れ、背圧回路１６に導入される。この場合も第二戻り油路１５に背圧が立ち、ヘッド側油室５ａが負圧ぎみになると補給通路１７ｂを通じてバケットシリンダ５に圧油が供給されることによってキャビテーションの発生が防止される。
ブーム下げ操作を行うと、第一油圧ポンプ１からの圧油が縮小位置ｆを通じてブームシリンダ７のロッド側油室７ｂに供給され、ヘッド側油室７ａから排出される圧油は専用の戻り油路２０から第一戻り油路２２に流れる。この場合の戻り油は背圧チェック弁１６ａを介さずにタンク１４に戻されるため、背圧チェック弁１６ａ分の圧力が発生せず、エネルギーロスが低減できる。
また、アーム押し操作を行うと、第一油圧ポンプ１からの圧油がアーム用コントロールバルブ１３の縮小位置ｉを通じてアームシリンダ１２のロッド側油室１２ｂに供給され、ヘッド側油室１２ａから排出される圧油は専用の戻り油路２１から第一戻り油路２２に流
れる。この場合も上記したブームシリンダ７の動作と同様に、背圧チェック弁１６ａを介さずに戻り油がタンク１４に戻されるため、背圧チェック弁１６ａ分の圧力が発生せず、エネルギーロスが低減できる。
なお、第二戻り油路１５を通る戻り油に背圧を発生させる必要がない場合もあるが、この第二戻り油路１５を通る戻り油は油圧ポンプが供給する圧油の流量と同じかそれ以下であるため、この第二戻り油路１５に背圧を発生させることによるエネルギーロスは比較的小さい。
これに対し、第一戻り油路２２を流れる圧油の流量はシリンダヘッド側からの戻り油であってポンプの供給流量よりも戻り油の流量の方が多くなるため、同じ背圧でもエネルギーロスはその流量比と背圧チェック弁のオーバーライド特性による背圧増加分とで大きくなることから、背圧チェック弁１６ａを通らないことによるエネルギーロス低減効果は大きい。
詳しくは、油圧モータ１０のようにアクチュエータに対する流入流量と流出流量が同じであるアクチュエータでは流出流量が油圧ポンプからの流入流量を超えることはないが、シリンダについてはヘッド側断面積に対しロッド側断面積が小さいため、シリンダを縮小操作した場合には油圧ポンプからロッド側に供給される流入流量よりもヘッド側から流出する流出流量の方が多くなる。
本実施形態ではこのエネルギーロスに大きく影響するシリンダのヘッド側から排出される圧油に対してエネルギーロスを抑制するように構成されている。
また、シリンダ縮小操作時についてはそもそもキャビテーションを起こしにくいため、第一戻り油路２２に背圧チェック弁１６ａを設けなくとも操作に支障を来すことはない。
図３は背圧回路１６の変形例を示したものである。
同図において、第二戻り油路１５にはその圧力を検出する圧力センサ２３が設けられ、第一戻り油路２２には、連通位置ｍと遮断位置ｎを有する流量制御弁２４が介設されている。
圧力センサ２３によって検出された圧力は切換弁制御手段としてのコントローラ２５に与えられ、コントローラ２５は検出された圧力に応じて流量制御弁２４を切り換えるようになっている。また、流量制御弁２４の上流側と第二戻り油路１５とはチェック弁２６を介して連通路２７で接続されている。
この構成によれば、第二戻り油路１５の圧力を検出し、検出された圧力が所定値以下になると、コントローラ２５は流量制御弁２４を遮断位置ｎに切り換え、第一戻り油路２２を流れる圧油を第二戻り油路１５側に補給することができる。
それにより、複合操作が行われて第二戻り油路１５から例えば補給通路１７ａを通じてキャビテーションを起こしそうになったアクチュエータに対して供給する圧油の必要流量が大きくなった場合には第一戻り油路２２に背圧を立てることにより、その第一戻り油路２２の圧油を第二戻り油路１５にまわし、必要とされる流量を確保することができるようになる。
図４は背圧回路１６のさらに別に変形例を示したものである。
なお、図３と同じ構成要素については同一符号を付してその説明を省略する。
図４に示す背圧回路１６では、上記した流量制御弁２４の代わりに第一戻り油路２２に可変圧力チェック弁２８を設け、この可変圧力チェック弁２８を第二戻り油路１５の圧力で開閉動作するように構成している。
この構成によれば、第二戻り油路１５の圧力が低下すると可変圧力チェック弁２８を閉じて第一戻り油路２２に背圧を立て、第一戻り油路２２の圧油を第二戻り油路１５に合流させることができる。したがってセンサ、コントローラを必要とせずに必要なときに第一戻り油路２２と第二戻り油路１５とを合流させることができる。
本発明の油圧制御回路である。 図１の油圧制御回路の動作を説明する説明図である。 図１の背圧回路の変形例を示す要部回路図である。 図１の背圧回路の別の変形例を示す要部回路図である。 従来のキャビテーション防止回路図である。
符号の説明
１ 第一油圧ポンプ
２ 第二油圧ポンプ
３ エンジン
４ 第一センターバイパスライン
５ バケットシリンダ
６ バケット用コントロールバルブ
７ ブームシリンダ
８ ブーム用コントロールバルブ
９ 第二センターバイパスライン
１０ 旋回モータ
１１ 旋回用コントロールバルブ
１２ アームシリンダ
１３ アーム用コントロールバルブ
１４ タンク
１５ 第二戻り油路
１６ 背圧回路
１６ａ 背圧チェック弁
１７ 補給通路
１８ モータ駆動回路
１９，２０，２１ 専用の戻り油路
２２ 第一戻り油路

Claims (5)

  1. 油圧ポンプからの圧油の方向および流量を制御するコントロールバルブと、このコントロールバルブによって制御された圧油が供給される油圧アクチュエータと、上記油圧アクチュエータからの戻り油をタンクに導く戻り通路とを具備した油圧制御回路において、
    上記油圧アクチュエータとして油圧モータと複数の油圧シリンダとを有し、
    上記戻り通路は、上記コントロールバルブから導出された圧油を背圧チェック弁を介さずにタンクに導くことが可能な第一戻り通路と、上記背圧チェック弁及びこの背圧チェック弁により生じた背圧を上記油圧アクチュエータの低圧側に補給してキャビテーションを防止する補給通路を備えた第二戻り通路とを有し、
    上記各油圧シリンダ及び油圧モータのそれぞれについて上記コントロールバルブが設けられ、
    これらコントロールバルブのうち、上記油圧シリンダについて設けられた少なくとも１つのコントロールバルブは、上記油圧シリンダのロッド側に圧油を供給するとともに上記油圧シリンダのヘッド側の戻り油を上記第一戻り通路を通じて戻すための縮小位置と、上記油圧シリンダのヘッド側に圧油を供給するとともに上記油圧シリンダのロッド側の戻り油を上記第二戻り通路を通じて戻すための伸張位置との間で切換可能に構成されていることを特徴とする油圧制御回路。
  2. 上記第二戻り通路の圧力が低下したときに上記第一戻り通路で発生した背圧を上記第二戻り通路に補給する補助補給手段が備えられている請求項１記載の油圧制御回路。
  3. 上記補助補給手段として、上記第一戻り通路に設けられ開位置と閉位置との間で切り換わる切換弁と、この切換弁の上流側と上記背圧チェック弁の上流側とを連通する連通路と、上記切換弁を制御する切換弁制御手段とを有し、この切換弁制御手段は、上記第二戻り通路の圧力が低下した場合に上記切換弁を閉じて上記第一戻り通路に背圧を発生させ、その第一戻り通路で発生した背圧を上記連通路を通じて上記第二戻り通路に補給するように構成されている請求項２記載の油圧制御回路。
  4. 上記補助補給手段として、上記第一戻り通路に設けられ上記第二戻り通路の圧力をパイロット圧として開閉動作するチェック弁と、このチェック弁の上流側と背圧チェック弁の上流側とを連通する連通路とを有し、上記チェック弁は第二戻り通路の圧力が低下した場合に閉じて上記第一戻り通路に背圧を発生させ、その第一戻り通路で発生した背圧を上記連通路を通じて上記第二戻り通路に補給するように構成されている請求項２記載の油圧制御回路。
  5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の油圧制御回路を備えた建設機械であって、上記油圧アクチュエータとしてフロントアタッチメントに備えられるバケットシリンダ、アームシリンダ、ブームシリンダ、および上部旋回体を旋回させる旋回モータを有し、上記油圧シリンダおよび上記旋回モータが複合操作された場合に、上記旋回モータからの戻り油および上記油圧シリンダのロッド側の戻り油については上記第二戻り通路を通じて上記タンクに戻すことにより背圧を立て、上記油圧シリンダのヘッド側の戻り油については上記第一戻り通路を通じ背圧を立てない状態で上記タンクに戻すように構成されていることを特徴とする建設機械。
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