JP5004834B2 - 作業機械 - Google Patents

Description

本発明は、電動機を主動力源として作動する建設機械，産業機械等の作業機械に関するものであり、特に作業機械に設けた蓄電装置からも、また外部電源からも電力供給を可能とした作業機械に関するものである。

建設機械等の作業機械は、エンジンを動力源として用いるのが一般的である。しかしながら、近年においては、作業機械の活用範囲が広がる傾向にあり、例えば作業機械としての油圧ショベルにおいては、土砂の掘削等、土木作業に用いられてきたが、産業廃棄物の処理にも用いられ、野外といった開放空間だけでなく、例えば倉庫やトンネル等といった閉鎖空間の内部で作業をするためにも使用される。閉鎖空間では、エンジンの排出ガスが充満することになり、また激しい騒音の発生といったことからも、作業環境が劣悪になる。そして、開放された空間であっても、都市部での土木工事等のように、排出ガスに関する大幅な規制が求められ、また騒音の低減に関する要求も厳格になる傾向にある。

以上のことから、蓄電装置を動力源として用いた電動式作業機械が実用化されつつある。この電動式作業機械では、搭載されている蓄電装置の電力が消費されたときには、給電乃至充電が行われる。作業現場で充電を行う際には、固定式または可搬式となった外部電源から引き出された電力ケーブルを蓄電装置のコネクタに接続し、この電力ケーブルを介して蓄電装置に電力が供給される。

特許文献１に、このような電動式建設機械の一例が示されている。この公知の機械では、蓄電装置、即ちバッテリで油圧ポンプを駆動し、この油圧ポンプからの圧油を各アクチュエータに供給することによって、これらのアクチュエータを作動させ、もって作業手段を駆動し、また下部走行体による走行及び下部走行体上に設置した上部旋回体の旋回も可能にしている。しかも、バッテリ残量が所定のレベル以下になると、一部または全部のアクチュエータの作動を制限する構成としている。例えば、走行用アクチュエータだけが作動可能であり、作業手段用のアクチュエータについては作動が停止されるように制御される。

ここで、バッテリは下部走行体に設置することも不可能ではないが、油圧ポンプは上部旋回体側に設けられ、また油圧アクチュエータも走行用モータを除き、他の油圧アクチュエータ等は上部旋回体側に配置されていることから、バッテリも上部旋回体側に配置するのが一般的である。しかも、バッテリは重量物であることから、例えば特許文献２に示されているように、バッテリをカウンタウエイトの代わりに用いることもでき、さらに下部走行体より上部旋回体の方がバッテリの設置スペースを確保するのが容易である等のことから、上部旋回体にバッテリを設置する方が望ましい。
特開平１１−１０７３２０号公報 特開平０７−３０９４８２号公報

ところで、バッテリ残量が少なくなると、バッテリを外部電源に接続して、電力の供給を受けることになる。外部電源が定置式となっている場合には、作業機械を所定の場所まで走行させて、電力ケーブルを接続することにより電力の供給が行われる。一方、外部電源が可搬式となっている場合には、作業機械を所定の位置に置かれた外部電源に接近させても、また外部電源を作業機械に近接させるように移動させても良い。いずれにしろ、作業機械に電力ケーブルが接続されている間であっても、例えば交通の妨げとならないように退避する必要があることから、作業機械の位置や姿勢を変える等、作業機械の駆動を全く禁止するのは望ましくはない。

前述した従来技術では、バッテリ残量が所定のレベル以下だと、アクチュエータの作動が制限されるが、電力の供給によりバッテリ残量が設定レベル以上になると、この制限が解除されて、作業機械が制限なく自由に動けるようになる。従って、オペレータは、作業機械に電力ケーブルが接続されているにも拘らず、作業を行ってしまうことがある。従って、作業機械を走行させると、その方向によっては、電力ケーブルに大きな引っ張り力が作用してコネクタから離脱し、バッテリとの接続が遮断される可能性がある。また、作業機械の下部走行体により電力ケーブルを踏み付けて、この電力ケーブルを損傷させるおそれもあり、この場合には漏電等の事態を生じる可能性がある。また、電力ケーブルの接続位置は、バッテリを設置した上部旋回体である。従って、電力ケーブルが接続された状態で、上部旋回体の旋回動作を行うと、電力ケーブルに対する引っ張り力の作用及びそれに基づくコネクタからの離脱の可能性はさらに大きくなる。

本発明は以上の点に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、作業機械に給電している間は、この作業機械に設けられている駆動手段を禁止乃至制限するに当って、これを適正かつ有効に制御できるようにすることにある。

前述した目的を達成するために、本発明は、下部走行体に旋回手段を介して上部旋回体を設け、この上部旋回体に作業手段が装着され、これら下部走行体の走行手段，旋回手段及び作業手段のうち、旋回手段を含む複数の駆動手段を電動式駆動手段となし、この電動式駆動手段に電力を供給する蓄電装置と、外部電源からの電力ケーブルが接続されるコネクタとを前記作業機に設けて、前記外部電源から電力を前記蓄電装置に供給している間にも、前記駆動手段を作動できるようにした作業機械において、前記電力ケーブルが前記コネクタに接続されていることを検出する検出手段と、前記検出手段により前記電力ケーブルが前記コネクタに接続されていることを検出したときには、前記電動式駆動手段のうちの少なくとも１つの駆動手段の動作を禁止乃至制限する制御手段と、を備え、前記検出手段により前記電力ケーブルが前記コネクタに接続されていることを検出したときには、前記制限手段によって、前記下部走行体の走行は可能とするが、走行速度は低速または微速となるように制限することを特徴とするものである。

電力ケーブルがコネクタに接続されている間は、たとえ給電中であろうと、また給電開始前や給電終了後であろうと、作業機械により実質的な作業を行うのは好ましくはない。ただし、様々な理由から、制限された範囲ではあるが、駆動手段のうちのある種のものは駆動できるようにすることが望ましい。ここで、電力ケーブルは上部旋回体に接続されるので、この上部旋回体を旋回動作させると、電力ケーブルが離脱するおそれが高い。また、作業機械として、例えば土砂の掘削を行う油圧ショベルにおいては、掘削作業を行う際には、必然的に旋回動作が行われる。従って、電力ケーブルがコネクタに接続されたときには、少なくとも旋回駆動を禁止するように設定する。これによって、作業を行うことができないようになし、かつ電力ケーブルのコネクタからの離脱を防止できる。

駆動手段としては、上部旋回体の旋回駆動手段以外にも、下部走行体による走行駆動手段及び作業手段を構成する各部の駆動手段がある。これらのうち、電力ケーブルがコネクタに接続されているときに、必ずしも全ての駆動が問題となる訳ではない。一方、作業現場においては、他の機械や車両が通行することから、禁止される駆動は最小限に抑制することが望ましい。作業手段については、その駆動を可能にしても、電力ケーブルと接触する可能性は殆どない。しかも、作業手段の姿勢状態によっては、他の機械や車両等の通行の障害になる場合がある。従って、作業手段の姿勢を変える等のために、制御手段においては、作業手段の動作を制限しないようにする。

走行駆動については、これを許しても良いが、走行方向によっては電力ケーブルを踏み付ける可能性があり、また電力ケーブルがコネクタから離脱するおそれもあるために、走行駆動については禁止乃至制限するのが望ましい。ただし、他の車両等の通行を妨害するおそれがある等の理由から、走行駆動を完全には禁止しない。従って、走行については、走行不能とすることもでき、より好ましくは走行速度が低速または微速となるように制限する。その上で、他の車両の通行を可能にする等の理由から、作業機械を移動させて緊急避難できるようにする。このために、スイッチ操作により走行可能な状態に戻せるようにすることができる。そして、最高速度の走行の制限に関しては、一定のものとしても良いが、２乃至複数段若しくは連続的に可変なものとすることも可能である。また、前述した走行手段以外についても、動作制限の対象とすることも可能であり、複数の手段の動作制限を行う場合には、スイッチ操作により一括して解除することもでき、また各手段に独立の解除スイッチを設けるようにしても良い。さらに、一部の手段については、制限と制限解除という２つの状態に切り換え可能とし、他の手段については段階的または連続的に制限を変化させるように設定することもできる。

蓄電装置のコネクタに電力ケーブルが接続されている状態では、建設機械の動作のうち必要な動作を禁止し、また動作制限を行う。これによって、電力ケーブル接続中に不用意に作業機械を作動させて、電力ケーブルの作業機械への接続部が外れたり、地上に置かれている電力ケーブルを踏み付けて、この電力ケーブルを損傷させたりする等という事態の発生を確実に防止できる。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態について説明する。まず、図１に作業機械の一例として油圧ショベルを示す。同図においては、油圧ショベルに電力供給を行っている状態が示されている。なお、本発明の作業機械は油圧ショベルに限定されるものではないことはいうまでもない。

図中において、１は油圧ショベルを示し、油圧ショベル１は、左右にクローラ式走行手段２を有する下部走行体３と、下部走行体３に旋回装置４を介して設けた上部旋回体５とから構成され、上部旋回体５にはオペレータが搭乗する運転室６及び各種の機械・器具類を収納した機械室建屋７が設けられている。また、上部旋回体５には、作業手段８が装着されており、この作業手段８は、土砂の掘削等といった作業を行うためのものであり、ブーム９，アーム１０及び交換可能なフロントアタッチメントとしてのバケット１１から構成される。

左右一対からなるクローラ式走行手段２は、スプロケット１２とアイドラ１３との間に巻回して設けた履帯１４を有するものであり、スプロケット１２は後述するように、モータ２０で回転駆動される。また、旋回装置４は、上部旋回体５を旋回させるものであり、やはりモータ２１で駆動される。さらに、作業手段８には、ブームシリンダ２２，アームシリンダ２３及びバケットシリンダ２４が設けられており、これら各シリンダ２２〜２４を駆動することによりこれら各部を動作させて、土砂の掘削等の作業が実行される。

図２に、前述した各駆動手段の動作制御回路の構成を示す。走行用のモータ２０、具体的にはクローラ式走行手段２は左右に設けられており、図２に符号２０Ｒ，２０Ｌで示したように、走行用のモータは２個設けられる。これら走行用モータ２０Ｒ，２０Ｌは電動モータである。また、旋回用のモータ２１も電動モータである。作業手段８の駆動手段であるシリンダ２２〜２４は油圧シリンダであり、これらシリンダ２２〜２４に圧油を供給するために、油圧ポンプ２５が設けられており、この油圧ポンプ２５は電動式のモータ２６で駆動される。従って、モータ２０Ｒ，２０Ｌ及び２１と、シリンダ２２〜２４は油圧ショベル１のアクチュエータである。そして、モータ２０Ｒ，２０Ｌ，２１及び２６には、それぞれインバータ３０〜３３が接続されており、これらインバータ３０〜３３に電力を供給するために、機械室建屋７には蓄電装置３４が設けられており、この蓄電装置３４と各インバータ３０〜３３との間は電気的に接続されている。なお、蓄電装置３４のみを設けているが、この蓄電装置３４と共にエンジンも設置するようにしても良い。また、モータは電動モータではなく、油圧ポンプにより駆動される油圧モータで構成することもできる。

インバータ３０〜３３は制御装置３５からの信号に基づいて制御される。そして、運転室６には左右の走行用、旋回用及びブーム操作用，アーム操作用，バケット操作用の操作レバー２７が設けられており、オペレータは運転室６内でこれら各操作レバー２７を傾動するように操作される。そして、これら各操作レバー２７の操作信号が制御装置３５に取り込まれるようになっており、インバータ３０〜３３の出力制御が行われる。

蓄電装置３４に電力供給するために、整流器３６が設けられており、この整流器３６には外部電源３７からの電力ケーブル３８に設けたプラグ３９が着脱可能とするコネクタ４０が設けられている。そして、整流器３６は電源切換器４１に電気的に接続されており、この電源切換器４１は、蓄電装置３４を各インバータ３０〜３３と接続した駆動電力供給モードと、外部電源３７から充電される充電モードとの間に切り換えを行えるようになっている。また、電源切換器４１が充電モードに切り換わったときにも、蓄電装置３４と各インバータ３０〜３３との間を導通させた状態に保持される。

さらに、コネクタ４２には、検出手段としてのスイッチ４２が設けられており、このスイッチ４２は電力ケーブル３８のプラグ３８がコネクタ４０に接続されると、このプラグ３８に設けたピン３８ａによりスイッチ４２がＯＮするようになっている。そして、この信号は制御装置３５に取り込まれ、この検出信号に基づいて、電源切換器４１による蓄電装置３４から各インバータ３０〜３３への電力供給時における出力レベルが制限されるようになっている。なお、スイッチ４２は単にＯＮ，ＯＦＦ制御するだけでなく、出力レベルを出力レベルが最大になるまで段階的に若しくは無段階的に変化させるものであっても良い。

以上のように構成される油圧ショベル１の各駆動手段の動作制御回路において、油圧ショベル１には蓄電装置３４が設置されている。この蓄電装置３４からの電力で下部走行体３による走行駆動、及び旋回装置４による上部旋回体５の旋回駆動がなされ、さらに作業手段８を構成するブームシリンダ２２，アームシリンダ２３及びバケットシリンダ２４が作動して、ブーム９，アーム１０及びバケット１１が駆動されて、土砂の掘削等の作業が行われる。走行用モータ２０Ｒ，２０Ｌは下部走行体３側に設けられているが、作業手段８のアクチュエータとしてのブームシリンダ２２，アームシリンダ２３及びバケットシリンダ２４及び旋回用モータ２１は上部旋回体５側に設けられており、この蓄電装置３４及びその駆動制御回路は、上部旋回体５に設置されている。

作業が継続して行われると、電力が消費されて、蓄電装置３４における蓄電残量が減少することから、蓄電量がゼロになる前に充電しなければならない。ここで、蓄電装置３４の蓄電残量はバッテリチェッカを内蔵させる等により検出できる。従って、この検出信号に基づいて、充電が必要な程度にまで蓄電残量が低下すると、警報等によりオペレータに報知することができる。オペレータはこの警報に基づいて、外部電源３７に蓄電装置３４の充電作業を行う。

ここで、外部電源３７が定置式のものである場合には、油圧ショベル１を外部電源３７が設置されている場所にまで走行させる。また、外部電源３７が可搬式のものである場合には、油圧ショベル１が位置している場所に外部電源３７を移動させることもできる。いずれにしろ、外部電源３７に接続されている電力ケーブル３８の先端に設けたプラグ３９を整流器３６のコネクタ４０に接続することによって、蓄電装置３４における充電作業が開始される。蓄電装置３４及びこの蓄電装置３４に電力供給するために設けられる整流器３６等の機器は上部旋回体５の機械室建屋７内に設けられており、図１に示したように、外部電源３７からの電力ケーブル３８のプラグ３９は上部旋回体５に設置した整流器３６のコネクタ４０に接続されることになる。

充電作業を行っている間でも、蓄電装置３４からインバータ３０〜３３に電力の供給を行うことができ、従って各モータ２０Ｒ，２０Ｌ，２１及び２６を駆動することは可能である。従って、油圧ショベル１を駆動することはできるが、充電作業中を含めて電力ケーブル３８のプラグ３９を整流器３６のコネクタ４０に接続されている間は、油圧ショベル１による作業を行うのは好ましくないので、作業を行うことができないように動作制限する。ただし、油圧ショベル１が全く動かない状態にしてしまうと、不都合が生じる。即ち、外部電源３７が設置されるのは、他の油圧ショベルを含む各種の建設機械が活動し、またダンプトラック等の車両も通行する作業現場である場合が多いので、それらの通行の妨げにならないように、ある種の動作を行わせる必要がある。

プラグ３９がコネクタ４０に接続されると、検出手段を構成するスイッチ４２がＯＮの状態になり、この信号、つまりケーブル接続中検出信号が制御装置３５に取り込まれるので、蓄電装置３４に電力が供給されていることが検出される。また、この制御装置３５には、各操作レバー２７の操作信号が取り込まれるようになっており、インバータ３０〜３３による出力制御が行われ、下部走行体３の走行駆動、旋回装置４による上部旋回体５の旋回駆動、作業手段８の駆動がなされる。そこで、制御装置３５においては、ケーブル接続中検出信号が入力されていないときには、当然、前述した可動各部の駆動には制限を加えない。しかしながら、ケーブル接続中検出信号が制御装置３５に入力されると、可動各部のうちの一部の駆動を禁止し、また他の一部の駆動に対して制限を加える。

まず、油圧ショベル１における土砂の掘削作業を禁止する。ここで、土砂の掘削作業はブーム９，アーム１０及びバケット１１からなる作業手段８を駆動することにより行われるが、掘削した土砂は、ダンプトラックに積載する等、場所を移す必要がある。従って、走行も行うこともあるが、旋回動作は必須のものとなる。上部旋回体５の旋回を可能とした場合には、この上部旋回体５に接続されている電力ケーブル３８に必ず引っ張り力が作用することになり、コネクタ４０から離脱することになる。従って、ケーブル接続中は旋回動作を行わせないようにする。即ち、制御装置３５にケーブル接続中検出信号が入力されている間は、旋回操作用の操作レバー２７を操作しても、そのアクチュエータであるモータ２１に電源が供給されることはなく、従って旋回動作が行われない。

作業手段８の姿勢が不安定な状態となっていることがあり、油圧ショベル１全体若しくは作業手段８が作業現場に往来する他の車両等と接触するおそれがある場合も、緊急回避動作として、油圧ショベル１を動かす必要がある。下部走行体３による走行と、作業手段８の動作を許容すれば、緊急回避動作を実行することができるものであり、上部旋回体５の旋回動作はこの緊急回避動作に必須のものではない。従って、ケーブル接続中検出信号が出力されていても、操作レバー２７の操作によりモータ２０Ｒ ，２０Ｌ及び油圧ポンプ２５を駆動するモータ２６に電源が供給され、下部走行体３のクローラ式走行手段２による走行駆動と、作業手段８の駆動は可能とする。

ただし、下部走行体３による走行は、その方向によっては履帯１４で電力ケーブル３８を踏み付けて損傷させる可能性があり、また走行する距離によっては電力ケーブル３８がコネクタ４０から離脱するおそれもある。従って、下部走行体３による走行には制限を設ける。この制限は一応駆動を禁止しておき、特別の操作を行うことによって、制限を解除するようにしても良いが、緊急回避動作という性質上、油圧ショベル１全体を僅かに移動させれば良いのであり、動き量も少なくて良いことから、走行は低速乃至微速であっても、さほど大きな支障を来たすものではない。従って、下部走行体３による走行は、速度を低下させるようにした上で、つまり速度制限を行った上でその駆動を可能とする。

そして、オペレータがケーブル接続中であることを自覚しておれば、走行方向及び走行距離を限定するように操作することになる。従って、運転室６内に切換スイッチ２８を設けて、この切換スイッチ２８をＯＮの状態となるように操作したときには、前述した速度制限を解除して、通常の速度で走行できるようにする。これにより迅速な緊急回避動作が可能となる。しかも、切換スイッチ２８を操作したということは、オペレータがケーブル接続中であることを認識しているのであるから、慎重な走行駆動を行うようになり、電力ケーブル３８を離脱させたり、履帯１４で踏み付けたりすることはない。

上部旋回体５に設けた作業手段８は、これを動作させたとしても、電力ケーブル３８と接触するおそれは殆どない。図１から明らかなように、作業手段８は上部旋回体５から大きく突出している。図１の姿勢状態では、作業手段８は上方に向けて折り畳んだ状態となっているが、油圧ショベル１が停止する際に、必ずしもこの姿勢状態とする訳ではなく、様々な姿勢とする可能性がある。従って、緊急回避動作を行うに当って、作業手段８のブーム９，アーム１０，バケット１１を動かして、他の車両等と接触しないように姿勢を変更する必要がある。また、緊急回避動作を行うために、下部走行体３による走行駆動を行ったときに、他の物体との衝突を避け、また姿勢のバランスを取るために、この作業手段８の駆動には制限を設けない。そして、既に説明したように、旋回を禁止しておけば、作業手段８を動作させたとしても、土砂の掘削等といった作業を行うことはできない。従って、ケーブル接続中に作業を実行してしまうという事態が生じることはない。

従って、制御装置３５においては、図３に示したフローチャートに基づいた制御がなされる。即ち、スタータキーが入ると、常時外部電源３７の電力ケーブル３８に設けたプラグ３９がコネクタ４０に接続されたか否かの判断がなされ（ステップ１）、プラグ３９が接続されていない場合には、駆動各部は制限なく、通常動作がなされる（ステップ２）。これに対して、プラグ３９が接続されていることが検出されると、つまりケーブル接続中検出信号が出力されると、切換スイッチ２８がＯＮされているか否かが判定される（ステップ３）。この判定の結果、切換スイッチ２８がＯＮの状態になっていない場合には、旋回動作が禁止され、また走行動作は速度制限を受ける（ステップ４）。一方、切換スイッチ２８がＯＮされていることが検出されると、旋回動作だけが禁止されて、走行動作は制限のない可動状態となる（ステップ５）。なお、ステップ４では旋回と走行とを禁止し、ステップ５では旋回は禁止で、走行は速度を制限するように設定することもできる。

作業機械の一例として油圧ショベルを示すものであり、油圧ショベルに電力供給を行っている状態の外観図である。 油圧ショベルの駆動装置の構成を示すブロック図である。 制御装置の制御手順を示すフローチャート図である。

符号の説明

１ 油圧ショベル
２ クローラ式走行手段
８ 作業手段
２０Ｒ，２０Ｌ，２１，２６ 電動モータ
２７ 操作レバー
２８ 切換スイッチ
３０〜３３ インバータ
３４ 蓄電装置
３５ 制御装置
３６ 整流器
３７ 外部電源
３８ 電力ケーブル
３９ プラグ
４０ コネクタ
４１ 電源切換部
４２ スイッチ

Claims (4)

1. 下部走行体に旋回手段を介して上部旋回体を設け、この上部旋回体に作業手段が装着され、これら下部走行体の走行手段，旋回手段及び作業手段のうち、旋回手段を含む複数の駆動手段を電動式駆動手段となし、この電動式駆動手段に電力を供給する蓄電装置と、外部電源からの電力ケーブルが接続されるコネクタとを前記作業機に設けて、前記外部電源から電力を前記蓄電装置に供給している間にも、前記駆動手段を作動できるようにした作業機械において、
   前記電力ケーブルが前記コネクタに接続されていることを検出する検出手段と、
   前記検出手段により前記電力ケーブルが前記コネクタに接続されていることを検出したときには、前記電動式駆動手段のうちの少なくとも１つの駆動手段の動作を禁止乃至制限する制御手段と、を備え、
   前記検出手段により前記電力ケーブルが前記コネクタに接続されていることを検出したときには、前記制限手段によって、前記下部走行体の走行は可能とするが、走行速度は低速または微速となるように制限することを特徴とする作業機械。
2. 前記制限手段による前記走行手段の制限は、その制限が行われた後にスイッチにより解除可能な構成としたことを特徴とする請求項１記載の作業機械。
3. 前記制御手段は、前記検出手段により前記電力ケーブルが前記コネクタに接続されていることを検出したときに、前記旋回手段の駆動を禁止するものであることを特徴とする請求項１記載の作業機械。
4. 前記制御手段により前記外部電源からの電力供給時にも、前記作業手段の駆動が可能なものとすることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れかに記載の作業機械。

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