作業機械の油圧制御回路
【課題】簡単な構造で操作性に優れかつエネルギ効率のよい作業機械の油圧回路を提供すること。
【解決手段】この油圧制御回路は、可変容量式ポンプ７と、このポンプ７からブームコントロールバルブ５を介して供給される作動油により作動するブームシリンダ１の排出側と、この排出側の流量を変化させる流量調整弁１０との間の油路から分岐してポンプ吐出側に連通する回生回路２３と、ブームシリンダ１の排出側の圧力を検出する圧力センサ１５と、ポンプ７の吐出圧を検出する圧力センサ１６と、ブームシリンダ１の排出側の圧力がポンプ吐出圧よりも高い場合に、この排出側の作動油を回生回路２３を通してポンプ吐出側に戻して回生を行うように流量制御弁９，１０を制御するとともに、この回生を行う場合に、回生を行わないときに設定される目標ポンプ吐出流量から回生流量を減じるようにポンプ７を制御するコントローラ８とを備えている。
【解決手段】この油圧制御回路は、可変容量式ポンプ７と、このポンプ７からブームコントロールバルブ５を介して供給される作動油により作動するブームシリンダ１の排出側と、この排出側の流量を変化させる流量調整弁１０との間の油路から分岐してポンプ吐出側に連通する回生回路２３と、ブームシリンダ１の排出側の圧力を検出する圧力センサ１５と、ポンプ７の吐出圧を検出する圧力センサ１６と、ブームシリンダ１の排出側の圧力がポンプ吐出圧よりも高い場合に、この排出側の作動油を回生回路２３を通してポンプ吐出側に戻して回生を行うように流量制御弁９，１０を制御するとともに、この回生を行う場合に、回生を行わないときに設定される目標ポンプ吐出流量から回生流量を減じるようにポンプ７を制御するコントローラ８とを備えている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、油圧ショベル等の作業機械の油圧制御回路に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、油圧式の作業機械では、位置エネルギや慣性エネルギは回生されずに絞りにより熱エネルギに変換されて捨てられており、エネルギ効率が悪いという問題があった。
【０００３】
これに対し、例えば特許文献１の技術では、エンジンの出力軸に可変容量モータを結合し、アクチュエータの油圧エネルギをこのモータにより回生している。また、特許文献２の技術では、ブームシリンダでブーム下げ動作を行った場合に、戻り油を拡大再生弁を通してブームシリンダと共通のポンプを使用する他のアクチュエータの制御系に連通させ、他のアクチュエータを増速させているものの、この技術は必ずしもエネルギ効率の向上を図るものではない。さらに、特許文献３の技術では、アクチュエータから排出される作動油を回生し、回生流量に応じて油圧ポンプの吐出流量を減少させることで省エネを図ることが行われている。
【特許文献１】特開２００３−１２０６１６号公報
【特許文献２】特開２００３−１２０６０４号公報
【特許文献３】特開２００４−８４９０７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記特許文献１の技術では、エンジンの出力軸に可変容量モータを新たに結合させる必要があり、構造が複雑になるとともに、可変容量モータの設置スペースが必要となりレイアウトが難しくなるといった問題があった。
【０００５】
また、他のアクチュエータを増速させたくない場合もあるが、上記特許文献２の技術では、そのような場合には戻り油の流量が過大となる結果、当該他のアクチュエータの速度が変化し、操作性が悪化するといった問題があった。
【０００６】
なお、上記特許文献２の技術を、旋回モータに適用したとすると、上記問題に加えてさらなる問題があった。すなわち、通常旋回モータの出入口ポートにはリリーフ弁が設置されているため、回生操作において旋回操作レバーを急に戻して急制動をかけた場合、旋回モータからの作動油のリターン圧がリリーフ圧まで上昇し、上記リリーフ弁が作動することがある。このような場合、減速時の慣性エネルギはリリーフ弁の圧力損失として消費されてしまうため、回生できる慣性エネルギが減少してしまうといった問題があった。
【０００７】
さらに、上記特許文献３の技術では、単一のアクチュエータについて回生を行うようにしているため、例えば、このアクチュエータが減速している状況下では、このアクチュエータに対して要求される作動油の供給量が少量であるため、回生に利用できる流量が少量となる結果、減速時の回生による省エネ効果がほとんど得られなかった。
【０００８】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、簡単な構造で操作性に優れかつエネルギ効率のよい作業機械の油圧制御回路を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、可変容量式ポンプと、このポンプから供給される作動油により作動する複数のアクチュエータと、上記アクチュエータの排出側の流量を変化させる流量可変手段と、コントローラとを備えた作業機械の油圧制御回路において、上記アクチュエータの排出側と上記流量可変手段との間の油路から分岐してポンプ吐出側に連通する回生回路を設け、上記コントローラは、上記アクチュエータの排出側の圧力がポンプ吐出圧よりも高い場合に、この排出側の作動油を上記回生回路を通してポンプ吐出側に戻して回生を行うように上記流量可変手段を制御する第１制御手段と、この回生を行う場合に、回生を行わないときに上記複数のアクチュエータへの供給流量の和として設定される目標ポンプ吐出流量から上記回生回路を通してポンプ吐出側に戻される作動油の流量を減じるように上記ポンプを制御する第２制御手段とを備えたことを特徴とするものである。
【００１０】
請求項２記載の発明のように、上記コントローラは、上記目標ポンプ吐出流量から上記回生回路を通してポンプ吐出側に戻される作動油の流量を減じた流量が、最小ポンプ吐出流量以下の場合に、上記第１制御手段により、上記アクチュエータの排出側の作動油を、上記目標ポンプ吐出流量から最小ポンプ吐出流量を減じた流量だけ上記回生回路を通してポンプ吐出側に戻すように上記流量可変手段を制御し、上記第２制御手段により、最小ポンプ吐出流量となるように上記ポンプを制御することとしてもよい。
【００１１】
請求項３記載の発明のように、上記アクチュエータの排出側の圧力を検出する第１検出手段と、上記ポンプ吐出圧を検出する第２検出手段とを備え、上記コントローラは、両検出値に基づいて上記回生回路を通してポンプ吐出側に戻される作動油の流量を推定する推定手段を備えたこととしてもよい。
【００１２】
請求項４記載の発明のように、作業機械は、上記アクチュエータとしてブーム下げ用油圧シリンダを備えた建設機械であることとしてもよい。
【００１３】
請求項５記載の発明のように、作業機械は、上記アクチュエータとして旋回用油圧モータを備えた建設機械であって、この旋回用油圧モータの出入口ポートにそれぞれリリーフ弁を備えるとともに、最大リターン流量が上記リリーフ弁に流れた場合のリリーフ圧より低い設定圧力を設け、上記コントローラは、上記設定圧力よりもリターン側圧力が高くなった場合に、この設定圧力とリリーフ圧との偏差に対して上記流量可変手段をフィードバック制御する第３制御手段を備えたこととしてもよい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、アクチュエータの排出側の圧力がポンプ吐出圧よりも高い場合に、この排出側の作動油を回生回路を通してポンプ吐出側に戻して回生が行われるように流量可変手段が制御されるとともに、この回生が行われる場合に、回生が行われないときに設定される目標ポンプ吐出量から回生流量が減じられるようにポンプが制御されるので、簡単な構造により、アクチュエータの排出側の作動油を回生し、回生された流量だけポンプ吐出量を減少させることで、ポンプの仕事量を低減させてエネルギ効率を向上させることができる。
【００１５】
また、本発明によれば、排出側に回生回路が設けられたアクチュエータが減速を行う際の減速エネルギーを回生し、これとは別のアクチュエータの駆動にこの回生された減速エネルギーを使用することで、アクチュエータ減速時についても省エネを図ることができる。
【００１６】
しかし、例えば流量可変手段を全閉してアクチュエータの吐出側の作動油の全量を回生回路に流すと回生流量が多くなり、ポンプ吐出流量を最小にしてもその吐出量が上回ることがある。その場合には、ポンプ吐出流量を回生流量だけ減少させることができなくなるといった不具合がある。これに対し、請求項２記載の発明によれば、回生を行わないときに設定される目標ポンプ吐出流量から回生回路を通してポンプ吐出側に戻される作動油の流量を減じた流量が、最小ポンプ吐出流量以下の場合に、アクチュエータの排出側の作動油を、上記目標ポンプ吐出流量から最小ポンプ吐出流量を減じた流量だけ上記回生回路を通してポンプ吐出側に戻すように流量可変手段が制御され、最小ポンプ吐出流量となるようにポンプが制御されるので、最小ポンプ吐出流量を確保しつつ、アクチュエータの排出側の作動油を回生させることで、ポンプの仕事量を低減させてエネルギ効率を向上させることができる。
【００１７】
請求項３記載の発明によれば、アクチュエータの排出側の圧力検出値と、ポンプ吐出圧検出値とに基づいて回生回路を通してポンプ吐出側に戻される作動油の流量が推定されるので、回生回路への流量計等の設置が不要となり簡単な構成となる。
【００１８】
請求項４記載の発明によれば、ブーム下げ時の位置エネルギを回生し、省エネルギ効果が得られる。
【００１９】
請求項５記載の発明によれば、リリーフ弁を通過する流量が減少し、リリーフ弁の圧力損失により消費される慣性エネルギが減少する結果、回生可能なエネルギが増大し、省エネルギ効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、作業機械として油圧ショベルを例にとって説明する。油圧ショベルにおいては、ブーム、アーム、バケット用アクチュエータとして油圧シリンダを使用し、旋回用アクチュエータとして油圧モータを使用している。このうち、特にブームについては、ブームを持ち上げた際の位置エネルギが大きく、これをブーム下げ動作において、回生可能である。また、旋回については、回転慣性が大きいため、旋回減速時のエネルギ回生を行うことが可能である。以下、それぞれの回生を行う場合の最良の形態について説明する。
【００２１】
（実施形態１）
図１は本発明の実施形態１に係る油圧ショベルの油圧制御回路の全体構成図、図２は図１のコントローラの機能ブロック図である。なお、本実施形態１は、ブーム下げ動作時における回生制御の例を示したものである。
【００２２】
図１において、７は可変容量式ポンプ、１はポンプ７から供給される作動油により駆動されるアクチュエータとしてのブームシリンダ（ブーム下げ用油圧シリンダに相当する。）、２はバケットシリンダである。３はブームシリンダ１の速度をオペレータが操作するためのブーム操作レバー、４はバケットシリンダ２の速度をオペレータが操作するためのバケット操作レバーである。５はブームシリンダ１への供給流量を制御するブームコントロールバルブ、６はバケットシリンダ２への供給流量を制御するバケットコントロールバルブである。８はコントローラ、９，１０は流量調整弁、１１〜１６は圧力センサ、１７はポンプ７のレギュレータ、２４はチェック弁である。
【００２３】
このうち流量調整弁９は、ブームシリンダ１とブームコントロールバルブ５とを連通する配管２２と、ポンプ７の吐出側配管２１とをさらに連通する配管（回生回路に相当する。）２３上に設けられて、開口面積を変化させることで回生流量を調整する。
【００２４】
流量調整弁１０は、流量可変手段に相当し、ブームコントロールバルブ５のメータアウトとタンク２０との間に設置されて、開口面積を変化させることでブームシリンダ１の排出側の圧力を制御するメータアウト制御弁として機能するとともに、上記流量調整弁１０と協働して回生流量を調整する。
【００２５】
圧力センサ１５は、第１検出手段に相当し、配管２２に設けられてブームシリンダ１の排出側の圧力を検出する。圧力センサ１６は、第２検出手段に相当し、配管２１に設けられてポンプ吐出圧を検出する。
【００２６】
そして、ブーム操作レバー３の操作量はリモコン弁１８によりパイロット圧に変換されてブームコントロールバルブ５に伝達されるとともに、圧力センサ１１，１２により検出されたパイロット圧がコントローラ８に入力され、バケット操作レバー４の操作量はリモコン弁１９によりパイロット圧に変換されてバケットコントロールバルブ６に伝達されるとともに、圧力センサ１３，１４により検出されたパイロット圧がコントローラ８に入力されるようになっている。
【００２７】
コントローラ８は、図２に示すように、判定部８１と、第１比較部８２と、推定手段としての推定部８３及び演算部８４と、第１制御手段としての第１制御部８６ａと、第２制御手段としての第２制御部８６ｂとを備えており、各部８１〜８６ｂは、例えば各種プログラムが図示しないＣＰＵに読み込まれて実行されることにより、コントローラ内に構築されるようになっている。
【００２８】
このうち判定部８１は、ブーム操作レバー３により発生するパイロット圧Ｐｉの圧力センサ１１，１２の検出値に基づいてブームシリンダ１の動作方向を判定する。
【００２９】
第１比較部８２は、圧力センサ１５により検出されるブームシリンダ１の排出側の圧力Ｐｒと、圧力センサ１６により検出されるポンプ７の吐出側の圧力Ｐｐとを比較する。
【００３０】
推定部８３は、上記第１比較部８２による比較の結果、圧力Ｐｒが圧力Ｐｐよりも高い場合には、両圧力Ｐｒ，Ｐｐに基づいて回生回路２３を流れる作動油の最大流量（最大回生流量）Ｑｒｖｍａｘを推定する。
【００３１】
演算部８４は、回生を行わない場合のポンプ７の吐出流量指令値（回生を行わないときに設定される目標ポンプ吐出流量）Ｑｐ１から最大回生流量Ｑｒｖｍａｘを減じた流量Ｑｐ２を演算する。
【００３２】
第２比較部８５は、流量Ｑｐ２と最小ポンプ吐出流量Ｑｐｍｉｎとを比較する。
【００３３】
第１制御部８６ａは、流量制御弁９，１０の開度制御を行い、第２制御部８６ｂは、ポンプ７の流量制御を行う。すなわち、上記第２比較部８５による比較の結果、流量Ｑｐ２が最小ポンプ吐出流量Ｑｐｍｉｎよりも大きい場合には、第２制御部８６ｂは、ポンプ吐出流量指令値を流量Ｑｐ２としてレギュレータ１７に指令を発してポンプ７の傾転角を制御し、第１制御手段８６ａは、流量調整弁９を全開、流量調整弁１０を全閉として全量回生を行う。
【００３４】
一方、流量Ｑｐ２が最小ポンプ吐出流量Ｑｐｍｉｎよりも小さい場合には、第２制御部８６ｂは、ポンプ吐出流量指令値を最小ポンプ吐出流量Ｑｐｍｉｎとしてレギュレータ１７に指令を発してポンプ７の傾転角を制御し、第１制御部８６ａは、流量調整弁９の開度をＡｒｖ、流量調整弁１０の開度をＡｍｏとして部分回生を行う。両開度Ａｒｖ，Ａｍｏについては後述する。
【００３５】
図３は本油圧制御回路の動作を示すフローチャートである。以下、本油圧制御回路の動作について説明する。
【００３６】
図３において、ブーム操作レバー３により発生するパイロット圧Ｐｉを圧力センサ１１，１２により検出し、この検出値をコントローラ８に入力すると、判定部８１がブームシリンダ１の動作方向を判定する（ステップＳ１）。ここでは、圧力センサ１２で検出される圧力Ｐｉ１が正圧に上昇した場合、ブームシリンダ１は配管２５側が供給側配管になり、配管２２がリターン側配管となると判定する。
【００３７】
ついで、配管２２がリターン側配管となると判定された場合において（ステップＳ１でＹｅｓ）、第１比較部８２は、圧力センサ１５で検出したリターン圧検出値Ｐｒと、圧力センサ１６で検出したポンプ圧検出値Ｐｐとを比較する（ステップＳ２）。そして、リターン圧検出値Ｐｒがポンプ圧検出値Ｐｐよりも高い場合には（ステップＳ２でＹｅｓ）、後述する回生制御を行う。一方、配管２２がリターン側配管とならないと判定された場合（ステップＳ１でＮｏ）、及び、リターン圧検出値Ｐｒがポンプ圧検出値Ｐｐよりも低い場合においては（ステップＳ２でＮｏ）、回生制御を行うことなく、ステップＳ１に戻る（ステップＳ３）。
【００３８】
前記回生制御においては、まず推定部８３が、流量制御弁９の最大開口面積Ａｒｖｍａｘより、次式を用いて最大回生流量Ｑｒｖｍａｘを演算する（ステップＳ４）。
【００３９】
Ｑｒｖｍａｘ＝Ｃｖ・Ａｒｖｍａｘ・√（２ｇ（Ｐｒ−Ｐｐ）／γ）・・・（１）
ここで、Ｃｖは流量係数、ｇは重力加速度、γは作動油の密度である。
【００４０】
さらに、演算部８４は、回生を行わない場合の可変容量ポンプ吐出流量指令値Ｑｐ１に対して、最大回生流量Ｑｒｖｍａｘを減じた流量Ｑｐ２（＝Ｑｐ１−Ｑｒｖｍａｘ）を求める（ステップＳ５）。
【００４１】
第２比較部８５は、流量Ｑｐ２と最小ポンプ吐出流量Ｑｐｍｉｎとを大小比較する（ステップＳ６）。
【００４２】
そして、第２比較部８５の比較結果、流量Ｑｐ２が最小ポンプ吐出流量Ｑｐｍｉｎを超えている場合には（ステップＳ６でＹｅｓ）、第１制御部８６ａと第２制御部８６ｂとで、リターン流量の全量回生を行う（ステップＳ７）。この場合、第２制御部８６ｂが、流量Ｑｐ２を新たなポンプ吐出流量指令値としてレギュレータ１７に指令を発することによりポンプ７の傾転角を制御するとともに、第１制御部８６ａが、流量制御弁１０を全閉とし、流量制御弁９を全開となるように制御する。しかる後にステップＳ１に戻る。
【００４３】
しかし、上記のようにブームシリンダ１の排出流量の全量を回生回路２３に流すと回生流量が多くなり、ポンプ吐出流量を最小にしてもその吐出量が上回ることがある。その場合には、ポンプ吐出流量を回生流量だけ減少させることができなくなるといった不具合がある。そこで、第２比較部８５の比較結果、流量Ｑｐ２が最小ポンプ吐出流量Ｑｐｍｉｎ以下となっている場合には（ステップＳ６でＮｏ）、第１制御部８６ａと第２制御部８６ｂとで、リターン流量の部分回生を行う（ステップＳ８）。この場合、第２制御部８６ｂが、ポンプ吐出流量指令値をＱｍｉｎとしてレギュレータ１７に指令を発してポンプ７の傾転角を制御するとともに、回生流量目標値Ｑｒｖ＝Ｑｐ１−Ｑｍｉｎを演算する。ついで、第１制御部８６ａが、流量制御弁９の開口面積制御目標値Ａｒｖを次式のように計算する。
【００４４】
Ａｒｖ＝Ｑｒｖ／（Ｃｖ√（２ｇ（Ｐｒ−Ｐｐ）／γ））・・・（２）
さらに、第１制御部８６ａが、流量制御弁１０の開口面積制御目標値Ａｍｏを、次のように求める。まず、パイロット圧検出値よりブームシリンダ１の目標速度Ｖａ１を求める。ブームシリンダ１の排出流量Ｑｒはシリンダヘッド側断面積ＡｈとＶａ１より、Ｑｒ＝Ａｈ・Ｖａ１とすることで求まる。
【００４５】
この結果、流量制御弁１０の流量は次式により求められる。
【００４６】
Ｑｍｏ＝Ｑｒ−Ｑｒｖ・・・（３）
Ａｍｏ＝Ｑｍｏ／（Ｃｖ√（２ｇ・Ｐｒ／γ））・・・（４）
そして、第１制御部８６ａが、流量制御弁９を上記開口面積目標値Ａｒｖとなるように制御するとともに、流量制御弁１０を上記開口面積目標値Ａｍｏとなるように制御する。しかる後にステップＳ１に戻る。
【００４７】
以上のようにして、ブームシリンダ１の排出側流量をポンプ７の吐出側に回生させることにより、回生流量分だけポンプ流量をカットすることができる。このため、ポンプ７を駆動する動力を削減し、省エネルギを図ることができる。
【００４８】
また、回生流量に応じてポンプ流量を減少させているので、負荷の大小等により回生流量が変動した場合でも、これによってバケットシリンダ２の速度が影響されないため、操作性を向上させることができる。
【００４９】
さらに、排出側に配管２３が設けられたブームシリンダ１が減速を行う際の減速エネルギーを回生し、これとは別のバケットシリンダ２の駆動にこの回生された減速エネルギーを使用することで、ブームシリンダ１の減速時についても省エネを図ることができる。
【００５０】
（実施形態２）
図４は本発明の実施形態２に係る油圧ショベルの油圧制御回路の全体構成図、図５は図４のコントローラの機能ブロック図である。なお、本実施形態２は、旋回減速時における回生制御の例を示すものである。
【００５１】
図４において、３７は可変容量式ポンプ、３０はこのポンプ３７から供給される作動油により駆動されるアクチュエータとしての旋回モータ（旋回用油圧モータに相当する。）、３１はアームシリンダ、３２ａ，３２ｂはリリーフ弁である。３３は旋回モータ３０の旋回動作をオペレータが操作するための旋回操作レバー、３４はアームシリンダ３１の速度をオペレータが操作するためのアーム操作レバーである。３５は旋回モータ３０への供給流量を制御する旋回コントロールバルブ、３６はアームシリンダ３１への供給流量を制御するアームコントロールバルブである。３８はコントローラ、３９，４０は流量調整弁、４１〜４６は圧力センサ、４７はポンプ３７のレギュレータ、５４はチェック弁である。
【００５２】
このうち流量調整弁３９は、旋回コントロールバルブ３５のメータアウトとタンク５０とを連通する配管５２と、ポンプ３７の吐出側配管５１とをさらに連通する配管（回生回路に相当する。）５３上に設けられて、開口面積を変化させることで回生流量を制御する。
【００５３】
流量調整弁４０は、流量可変手段に相当し、配管５２に設置されて、開口面積を変化させることで旋回モータ３０の排出側の圧力を制御するメータアウト制御弁として機能するとともに、上記流量調整弁３９と協働して回生流量を制御する。
【００５４】
圧力センサ４５は、第１検出手段に相当し、配管５２に設けられて旋回モータ３０の排出側の圧力を検出する。圧力センサ４６は、第２検出手段に相当し、配管５１に設けられてポンプ吐出圧を検出する。
【００５５】
そして、旋回操作レバー３３の操作量はリモコン弁４８によりパイロット圧に変換されて旋回コントロールバルブ３５に伝達されるとともに、圧力センサ４１，４２により検出されたパイロット圧がコントローラ３８に入力され、アーム操作レバー３４の操作量はリモコン弁４９によりパイロット圧に変換されてアームコントロールバルブ３６に伝達されるとともに、圧力センサ４３，４４により検出されたパイロット圧がコントローラ３８に入力されるようになっている。
【００５６】
すなわち、本実施形態２では、上記実施形態１と同様の動作を行うことにより、旋回モータ３０の戻り油をポンプ吐出側に回生し、旋回モータ３０と同一ポンプで駆動する例えばアームシリンダ３１を駆動するためのポンプ流量を回生流量分だけカットすることができるので、ポンプ動力が減少し、省エネルギを図ることができる。
【００５７】
ところが、上記実施形態１と異なり、例えば上記の油圧ショベルにおける回生操作の場合において、旋回操作レバー３３を急に戻して急制動をかけた場合、旋回モータ３０からの作動油のリターン圧がリリーフ圧まで上昇し、リリーフ弁３２ａが作動することがある。このような場合、減速時の慣性エネルギはリリーフ弁３２ａの圧力損失として消費されてしまうため、回生できる慣性エネルギが減少してしまうといった問題がある。
【００５８】
そこで、本実施形態２では、コントローラ３８は、上記実施形態１と同様の判定部８１と、第１比較部８２と、推定手段としての推定部８３及び演算部８４と、第２比較部８５と、第１制御手段としての第１制御部８６ａと、第２制御手段としての第２制御部８６ｂとに加え、さらに、第３比較部８７と、第４比較部８８と、第３制御手段としての第３制御部８９とを備えており、各部８１〜８９は、例えば各種プログラムが図示しないＣＰＵに読み込まれて実行されることにより、コントローラ内に構築されるようになっている。
【００５９】
以下、本油圧制御回路の動作を説明する。図６は図４の油圧制御回路におけるリリーフ弁の特性図、図７は油圧制御回路の動作を示すフローチャート、図８はリターン圧フィードバック制御を示すブロック図である。
【００６０】
図６に示すように、最大リターン流量Ｑｒｆｍａｘが全量リリーフ弁３２ａ（又は３２ｂ）を通過する場合のリリーフ圧Ｐｒｆｍａｘより低くなるよう設定された目標圧力Ｐｒｆを設けている。
【００６１】
そして、図７に示すように、第３比較部８７でリターン圧Ｐｒと目標圧力Ｐｒｆとの比較を行う（ステップＳ３１）。その比較結果、リターン圧Ｐｒが目標圧力Ｐｒｆよりも高い場合には（ステップＳ３１でＹｅｓ）、第４比較部８８により次式で示されるリターン流量Ｑｒｔと、上記パイロット圧の検出値より計算される目標リターン流量Ｑｒとの比較を行う（ステップＳ３２）。
【００６２】
Ｑｒｔ＝Ｃｖ・Ａｒｖ・√（２ｇ（Ｐｒ−Ｐｐ）／γ）＋Ｃｖ・Ａｍｏ・√（２ｇＰｒ／γ）・・・（５）
そして、リターン流量Ｑｒｔが目標リターン流量Ｑｒよりも大きい場合には（ステップＳ３２でＹｅｓ）、第３制御部８９でリターン圧フィードバック制御を行う（ステップＳ３３）。すなわち、図８に示すように、上記リターン圧Ｐｒと目標圧力Ｐｒｆとの偏差に対して、ゲイン、流量調整弁４０の開口面積の増分ΔＡｍｏ、及び、油圧回路からなる各要素を乗算して新たなリターン圧Ｐｒとする。
【００６３】
なお、流量制御弁３９の制御については、上記実施形態１と同様に流量Ｑｐ２を演算し、この流量Ｑｐ２が最小ポンプ吐出流量Ｑｐｍｉｎより大きい場合は全開、流量Ｑｐ２が最小ポンプ吐出流量Ｑｐｍｉｎより小さい場合は、開口面積は上記（２）式により求めたＡｒｖとなるように制御を行う。しかる後にステップＳ３１に戻る。
【００６４】
また、リターン流量Ｑｒｔが目標リターン流量Ｑｒよりも小さい場合（ステップＳ３２でＮｏ）、及び、急減速操作の結果、旋回モータ３０の旋回速度が減速することで、リターン流量Ｑｒｔが減少し、目標リターン流量Ｑｒ以下となった場合には（ステップＳ３２でＮｏ）、上記リターン圧フィードバック制御を解除して（ステップＳ３４）、ステップＳ３１に戻る。
【００６５】
このとき、リリーフ弁３２ａ（又は３２ｂ）のリリーフ流量とリリーフ圧との関係は図６のような関係となっているため、本リターン圧フィードバック制御により、リターン圧を、Ｐｒｆを目標値として制御することにより、リリーフ弁３２ａ（又は３２ｂ）を通過する流量がＱｒｆｍａｘからＱｒｆに減少し、リリーフ弁３２ａ（又は３２ｂ）の圧力損失により消費される慣性エネルギが減少する。この結果、回生可能なエネルギが増大し、省エネルギ効果が得られる。
【００６６】
なお、上記実施形態１では、ブームシリンダ１とポンプ７を共通とするアクチュエータとしてバケットシリンダ２を例示したが、アームシリンダであってもよい。また、上記実施形態２では旋回モータ３０とポンプ３７を共通するアクチュエータとしてアームシリンダ３１を例示したが、バケットシリンダであってもよい。
【００６７】
また、上記実施形態１では、回生回路２３内の回生流量をブームシリンダ１の排出側の圧力検出値とポンプ吐出圧検出値とに基づいて推定しているが、回生回路２３に流量計を設けて直接測定することとしてもよい。上記実施形態２についても同様である。
【００６８】
さらに、上記実施形態１，２では、油圧ショベルの油圧制御回路を例示したが、その他の作業機械の油圧制御回路であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】本発明の実施形態１における油圧ショベルの油圧制御回路の全体構成図である。
【図２】図１のコントローラの機能ブロック図である。
【図３】図１の油圧制御回路の動作を示すフローチャートである。
【図４】本発明の実施形態２における油圧ショベルの油圧制御回路の全体構成図である。
【図５】図４のコントローラの機能ブロック図である。
【図６】図４の油圧制御回路におけるリリーフ弁の特性図である。
【図７】図４の油圧制御回路の動作を示すフローチャートである。
【図８】リターン圧フィードバック制御のブロック図である。
【符号の説明】
【００７０】
１ ブームシリンダ（アクチュエータ、ブーム下げ用油圧シリンダに相当する。）
２ バケットシリンダ
３ ブーム操作レバー
４ バケット操作レバー
５ ブームコントロールバルブ
６ バケットコントロールバルブ
７ ポンプ
８ コントローラ
９ 流量調整弁
１０ 流量調整弁（流量可変手段に相当する。）
１５ 圧力センサ（第１検出手段に相当する。）
１６ 圧力センサ（第２検出手段に相当する。）
１７ レギュレータ
２３ 回生回路
３０ 旋回モータ（アクチュエータ、旋回用油圧モータに相当する。）
３１ アームシリンダ
３２ａ，３２ｂ リリーフ弁
３３ 旋回操作レバー
３４ アーム操作レバー
３５ 旋回コントロールバルブ
３６ アームコントロールバルブ
３７ ポンプ
３８ コントローラ
３９ 流量調整弁
４０ 流量調整弁（流量可変手段に相当する。）
４５ 圧力センサ（第１検出手段に相当する。）
４６ 圧力センサ（第２検出手段に相当する。）
４７ レギュレータ
５３ 回生回路
８１ 判定部
８２ 第１比較部
８３ 推定部（推定手段に相当する。）
８４ 演算部（推定手段に相当する。）
８５ 第２比較部
８６ａ 第１制御部（第１制御手段に相当する。）
８６ｂ 第２制御部（第２制御手段に相当する。）
８７ 第３比較部
８８ 第４比較部
８９ 第３制御部（第３制御手段に相当する。）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、油圧ショベル等の作業機械の油圧制御回路に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、油圧式の作業機械では、位置エネルギや慣性エネルギは回生されずに絞りにより熱エネルギに変換されて捨てられており、エネルギ効率が悪いという問題があった。
【０００３】
これに対し、例えば特許文献１の技術では、エンジンの出力軸に可変容量モータを結合し、アクチュエータの油圧エネルギをこのモータにより回生している。また、特許文献２の技術では、ブームシリンダでブーム下げ動作を行った場合に、戻り油を拡大再生弁を通してブームシリンダと共通のポンプを使用する他のアクチュエータの制御系に連通させ、他のアクチュエータを増速させているものの、この技術は必ずしもエネルギ効率の向上を図るものではない。さらに、特許文献３の技術では、アクチュエータから排出される作動油を回生し、回生流量に応じて油圧ポンプの吐出流量を減少させることで省エネを図ることが行われている。
【特許文献１】特開２００３−１２０６１６号公報
【特許文献２】特開２００３−１２０６０４号公報
【特許文献３】特開２００４−８４９０７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記特許文献１の技術では、エンジンの出力軸に可変容量モータを新たに結合させる必要があり、構造が複雑になるとともに、可変容量モータの設置スペースが必要となりレイアウトが難しくなるといった問題があった。
【０００５】
また、他のアクチュエータを増速させたくない場合もあるが、上記特許文献２の技術では、そのような場合には戻り油の流量が過大となる結果、当該他のアクチュエータの速度が変化し、操作性が悪化するといった問題があった。
【０００６】
なお、上記特許文献２の技術を、旋回モータに適用したとすると、上記問題に加えてさらなる問題があった。すなわち、通常旋回モータの出入口ポートにはリリーフ弁が設置されているため、回生操作において旋回操作レバーを急に戻して急制動をかけた場合、旋回モータからの作動油のリターン圧がリリーフ圧まで上昇し、上記リリーフ弁が作動することがある。このような場合、減速時の慣性エネルギはリリーフ弁の圧力損失として消費されてしまうため、回生できる慣性エネルギが減少してしまうといった問題があった。
【０００７】
さらに、上記特許文献３の技術では、単一のアクチュエータについて回生を行うようにしているため、例えば、このアクチュエータが減速している状況下では、このアクチュエータに対して要求される作動油の供給量が少量であるため、回生に利用できる流量が少量となる結果、減速時の回生による省エネ効果がほとんど得られなかった。
【０００８】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、簡単な構造で操作性に優れかつエネルギ効率のよい作業機械の油圧制御回路を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、可変容量式ポンプと、このポンプから供給される作動油により作動する複数のアクチュエータと、上記アクチュエータの排出側の流量を変化させる流量可変手段と、コントローラとを備えた作業機械の油圧制御回路において、上記アクチュエータの排出側と上記流量可変手段との間の油路から分岐してポンプ吐出側に連通する回生回路を設け、上記コントローラは、上記アクチュエータの排出側の圧力がポンプ吐出圧よりも高い場合に、この排出側の作動油を上記回生回路を通してポンプ吐出側に戻して回生を行うように上記流量可変手段を制御する第１制御手段と、この回生を行う場合に、回生を行わないときに上記複数のアクチュエータへの供給流量の和として設定される目標ポンプ吐出流量から上記回生回路を通してポンプ吐出側に戻される作動油の流量を減じるように上記ポンプを制御する第２制御手段とを備えたことを特徴とするものである。
【００１０】
請求項２記載の発明のように、上記コントローラは、上記目標ポンプ吐出流量から上記回生回路を通してポンプ吐出側に戻される作動油の流量を減じた流量が、最小ポンプ吐出流量以下の場合に、上記第１制御手段により、上記アクチュエータの排出側の作動油を、上記目標ポンプ吐出流量から最小ポンプ吐出流量を減じた流量だけ上記回生回路を通してポンプ吐出側に戻すように上記流量可変手段を制御し、上記第２制御手段により、最小ポンプ吐出流量となるように上記ポンプを制御することとしてもよい。
【００１１】
請求項３記載の発明のように、上記アクチュエータの排出側の圧力を検出する第１検出手段と、上記ポンプ吐出圧を検出する第２検出手段とを備え、上記コントローラは、両検出値に基づいて上記回生回路を通してポンプ吐出側に戻される作動油の流量を推定する推定手段を備えたこととしてもよい。
【００１２】
請求項４記載の発明のように、作業機械は、上記アクチュエータとしてブーム下げ用油圧シリンダを備えた建設機械であることとしてもよい。
【００１３】
請求項５記載の発明のように、作業機械は、上記アクチュエータとして旋回用油圧モータを備えた建設機械であって、この旋回用油圧モータの出入口ポートにそれぞれリリーフ弁を備えるとともに、最大リターン流量が上記リリーフ弁に流れた場合のリリーフ圧より低い設定圧力を設け、上記コントローラは、上記設定圧力よりもリターン側圧力が高くなった場合に、この設定圧力とリリーフ圧との偏差に対して上記流量可変手段をフィードバック制御する第３制御手段を備えたこととしてもよい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、アクチュエータの排出側の圧力がポンプ吐出圧よりも高い場合に、この排出側の作動油を回生回路を通してポンプ吐出側に戻して回生が行われるように流量可変手段が制御されるとともに、この回生が行われる場合に、回生が行われないときに設定される目標ポンプ吐出量から回生流量が減じられるようにポンプが制御されるので、簡単な構造により、アクチュエータの排出側の作動油を回生し、回生された流量だけポンプ吐出量を減少させることで、ポンプの仕事量を低減させてエネルギ効率を向上させることができる。
【００１５】
また、本発明によれば、排出側に回生回路が設けられたアクチュエータが減速を行う際の減速エネルギーを回生し、これとは別のアクチュエータの駆動にこの回生された減速エネルギーを使用することで、アクチュエータ減速時についても省エネを図ることができる。
【００１６】
しかし、例えば流量可変手段を全閉してアクチュエータの吐出側の作動油の全量を回生回路に流すと回生流量が多くなり、ポンプ吐出流量を最小にしてもその吐出量が上回ることがある。その場合には、ポンプ吐出流量を回生流量だけ減少させることができなくなるといった不具合がある。これに対し、請求項２記載の発明によれば、回生を行わないときに設定される目標ポンプ吐出流量から回生回路を通してポンプ吐出側に戻される作動油の流量を減じた流量が、最小ポンプ吐出流量以下の場合に、アクチュエータの排出側の作動油を、上記目標ポンプ吐出流量から最小ポンプ吐出流量を減じた流量だけ上記回生回路を通してポンプ吐出側に戻すように流量可変手段が制御され、最小ポンプ吐出流量となるようにポンプが制御されるので、最小ポンプ吐出流量を確保しつつ、アクチュエータの排出側の作動油を回生させることで、ポンプの仕事量を低減させてエネルギ効率を向上させることができる。
【００１７】
請求項３記載の発明によれば、アクチュエータの排出側の圧力検出値と、ポンプ吐出圧検出値とに基づいて回生回路を通してポンプ吐出側に戻される作動油の流量が推定されるので、回生回路への流量計等の設置が不要となり簡単な構成となる。
【００１８】
請求項４記載の発明によれば、ブーム下げ時の位置エネルギを回生し、省エネルギ効果が得られる。
【００１９】
請求項５記載の発明によれば、リリーフ弁を通過する流量が減少し、リリーフ弁の圧力損失により消費される慣性エネルギが減少する結果、回生可能なエネルギが増大し、省エネルギ効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、作業機械として油圧ショベルを例にとって説明する。油圧ショベルにおいては、ブーム、アーム、バケット用アクチュエータとして油圧シリンダを使用し、旋回用アクチュエータとして油圧モータを使用している。このうち、特にブームについては、ブームを持ち上げた際の位置エネルギが大きく、これをブーム下げ動作において、回生可能である。また、旋回については、回転慣性が大きいため、旋回減速時のエネルギ回生を行うことが可能である。以下、それぞれの回生を行う場合の最良の形態について説明する。
【００２１】
（実施形態１）
図１は本発明の実施形態１に係る油圧ショベルの油圧制御回路の全体構成図、図２は図１のコントローラの機能ブロック図である。なお、本実施形態１は、ブーム下げ動作時における回生制御の例を示したものである。
【００２２】
図１において、７は可変容量式ポンプ、１はポンプ７から供給される作動油により駆動されるアクチュエータとしてのブームシリンダ（ブーム下げ用油圧シリンダに相当する。）、２はバケットシリンダである。３はブームシリンダ１の速度をオペレータが操作するためのブーム操作レバー、４はバケットシリンダ２の速度をオペレータが操作するためのバケット操作レバーである。５はブームシリンダ１への供給流量を制御するブームコントロールバルブ、６はバケットシリンダ２への供給流量を制御するバケットコントロールバルブである。８はコントローラ、９，１０は流量調整弁、１１〜１６は圧力センサ、１７はポンプ７のレギュレータ、２４はチェック弁である。
【００２３】
このうち流量調整弁９は、ブームシリンダ１とブームコントロールバルブ５とを連通する配管２２と、ポンプ７の吐出側配管２１とをさらに連通する配管（回生回路に相当する。）２３上に設けられて、開口面積を変化させることで回生流量を調整する。
【００２４】
流量調整弁１０は、流量可変手段に相当し、ブームコントロールバルブ５のメータアウトとタンク２０との間に設置されて、開口面積を変化させることでブームシリンダ１の排出側の圧力を制御するメータアウト制御弁として機能するとともに、上記流量調整弁１０と協働して回生流量を調整する。
【００２５】
圧力センサ１５は、第１検出手段に相当し、配管２２に設けられてブームシリンダ１の排出側の圧力を検出する。圧力センサ１６は、第２検出手段に相当し、配管２１に設けられてポンプ吐出圧を検出する。
【００２６】
そして、ブーム操作レバー３の操作量はリモコン弁１８によりパイロット圧に変換されてブームコントロールバルブ５に伝達されるとともに、圧力センサ１１，１２により検出されたパイロット圧がコントローラ８に入力され、バケット操作レバー４の操作量はリモコン弁１９によりパイロット圧に変換されてバケットコントロールバルブ６に伝達されるとともに、圧力センサ１３，１４により検出されたパイロット圧がコントローラ８に入力されるようになっている。
【００２７】
コントローラ８は、図２に示すように、判定部８１と、第１比較部８２と、推定手段としての推定部８３及び演算部８４と、第１制御手段としての第１制御部８６ａと、第２制御手段としての第２制御部８６ｂとを備えており、各部８１〜８６ｂは、例えば各種プログラムが図示しないＣＰＵに読み込まれて実行されることにより、コントローラ内に構築されるようになっている。
【００２８】
このうち判定部８１は、ブーム操作レバー３により発生するパイロット圧Ｐｉの圧力センサ１１，１２の検出値に基づいてブームシリンダ１の動作方向を判定する。
【００２９】
第１比較部８２は、圧力センサ１５により検出されるブームシリンダ１の排出側の圧力Ｐｒと、圧力センサ１６により検出されるポンプ７の吐出側の圧力Ｐｐとを比較する。
【００３０】
推定部８３は、上記第１比較部８２による比較の結果、圧力Ｐｒが圧力Ｐｐよりも高い場合には、両圧力Ｐｒ，Ｐｐに基づいて回生回路２３を流れる作動油の最大流量（最大回生流量）Ｑｒｖｍａｘを推定する。
【００３１】
演算部８４は、回生を行わない場合のポンプ７の吐出流量指令値（回生を行わないときに設定される目標ポンプ吐出流量）Ｑｐ１から最大回生流量Ｑｒｖｍａｘを減じた流量Ｑｐ２を演算する。
【００３２】
第２比較部８５は、流量Ｑｐ２と最小ポンプ吐出流量Ｑｐｍｉｎとを比較する。
【００３３】
第１制御部８６ａは、流量制御弁９，１０の開度制御を行い、第２制御部８６ｂは、ポンプ７の流量制御を行う。すなわち、上記第２比較部８５による比較の結果、流量Ｑｐ２が最小ポンプ吐出流量Ｑｐｍｉｎよりも大きい場合には、第２制御部８６ｂは、ポンプ吐出流量指令値を流量Ｑｐ２としてレギュレータ１７に指令を発してポンプ７の傾転角を制御し、第１制御手段８６ａは、流量調整弁９を全開、流量調整弁１０を全閉として全量回生を行う。
【００３４】
一方、流量Ｑｐ２が最小ポンプ吐出流量Ｑｐｍｉｎよりも小さい場合には、第２制御部８６ｂは、ポンプ吐出流量指令値を最小ポンプ吐出流量Ｑｐｍｉｎとしてレギュレータ１７に指令を発してポンプ７の傾転角を制御し、第１制御部８６ａは、流量調整弁９の開度をＡｒｖ、流量調整弁１０の開度をＡｍｏとして部分回生を行う。両開度Ａｒｖ，Ａｍｏについては後述する。
【００３５】
図３は本油圧制御回路の動作を示すフローチャートである。以下、本油圧制御回路の動作について説明する。
【００３６】
図３において、ブーム操作レバー３により発生するパイロット圧Ｐｉを圧力センサ１１，１２により検出し、この検出値をコントローラ８に入力すると、判定部８１がブームシリンダ１の動作方向を判定する（ステップＳ１）。ここでは、圧力センサ１２で検出される圧力Ｐｉ１が正圧に上昇した場合、ブームシリンダ１は配管２５側が供給側配管になり、配管２２がリターン側配管となると判定する。
【００３７】
ついで、配管２２がリターン側配管となると判定された場合において（ステップＳ１でＹｅｓ）、第１比較部８２は、圧力センサ１５で検出したリターン圧検出値Ｐｒと、圧力センサ１６で検出したポンプ圧検出値Ｐｐとを比較する（ステップＳ２）。そして、リターン圧検出値Ｐｒがポンプ圧検出値Ｐｐよりも高い場合には（ステップＳ２でＹｅｓ）、後述する回生制御を行う。一方、配管２２がリターン側配管とならないと判定された場合（ステップＳ１でＮｏ）、及び、リターン圧検出値Ｐｒがポンプ圧検出値Ｐｐよりも低い場合においては（ステップＳ２でＮｏ）、回生制御を行うことなく、ステップＳ１に戻る（ステップＳ３）。
【００３８】
前記回生制御においては、まず推定部８３が、流量制御弁９の最大開口面積Ａｒｖｍａｘより、次式を用いて最大回生流量Ｑｒｖｍａｘを演算する（ステップＳ４）。
【００３９】
Ｑｒｖｍａｘ＝Ｃｖ・Ａｒｖｍａｘ・√（２ｇ（Ｐｒ−Ｐｐ）／γ）・・・（１）
ここで、Ｃｖは流量係数、ｇは重力加速度、γは作動油の密度である。
【００４０】
さらに、演算部８４は、回生を行わない場合の可変容量ポンプ吐出流量指令値Ｑｐ１に対して、最大回生流量Ｑｒｖｍａｘを減じた流量Ｑｐ２（＝Ｑｐ１−Ｑｒｖｍａｘ）を求める（ステップＳ５）。
【００４１】
第２比較部８５は、流量Ｑｐ２と最小ポンプ吐出流量Ｑｐｍｉｎとを大小比較する（ステップＳ６）。
【００４２】
そして、第２比較部８５の比較結果、流量Ｑｐ２が最小ポンプ吐出流量Ｑｐｍｉｎを超えている場合には（ステップＳ６でＹｅｓ）、第１制御部８６ａと第２制御部８６ｂとで、リターン流量の全量回生を行う（ステップＳ７）。この場合、第２制御部８６ｂが、流量Ｑｐ２を新たなポンプ吐出流量指令値としてレギュレータ１７に指令を発することによりポンプ７の傾転角を制御するとともに、第１制御部８６ａが、流量制御弁１０を全閉とし、流量制御弁９を全開となるように制御する。しかる後にステップＳ１に戻る。
【００４３】
しかし、上記のようにブームシリンダ１の排出流量の全量を回生回路２３に流すと回生流量が多くなり、ポンプ吐出流量を最小にしてもその吐出量が上回ることがある。その場合には、ポンプ吐出流量を回生流量だけ減少させることができなくなるといった不具合がある。そこで、第２比較部８５の比較結果、流量Ｑｐ２が最小ポンプ吐出流量Ｑｐｍｉｎ以下となっている場合には（ステップＳ６でＮｏ）、第１制御部８６ａと第２制御部８６ｂとで、リターン流量の部分回生を行う（ステップＳ８）。この場合、第２制御部８６ｂが、ポンプ吐出流量指令値をＱｍｉｎとしてレギュレータ１７に指令を発してポンプ７の傾転角を制御するとともに、回生流量目標値Ｑｒｖ＝Ｑｐ１−Ｑｍｉｎを演算する。ついで、第１制御部８６ａが、流量制御弁９の開口面積制御目標値Ａｒｖを次式のように計算する。
【００４４】
Ａｒｖ＝Ｑｒｖ／（Ｃｖ√（２ｇ（Ｐｒ−Ｐｐ）／γ））・・・（２）
さらに、第１制御部８６ａが、流量制御弁１０の開口面積制御目標値Ａｍｏを、次のように求める。まず、パイロット圧検出値よりブームシリンダ１の目標速度Ｖａ１を求める。ブームシリンダ１の排出流量Ｑｒはシリンダヘッド側断面積ＡｈとＶａ１より、Ｑｒ＝Ａｈ・Ｖａ１とすることで求まる。
【００４５】
この結果、流量制御弁１０の流量は次式により求められる。
【００４６】
Ｑｍｏ＝Ｑｒ−Ｑｒｖ・・・（３）
Ａｍｏ＝Ｑｍｏ／（Ｃｖ√（２ｇ・Ｐｒ／γ））・・・（４）
そして、第１制御部８６ａが、流量制御弁９を上記開口面積目標値Ａｒｖとなるように制御するとともに、流量制御弁１０を上記開口面積目標値Ａｍｏとなるように制御する。しかる後にステップＳ１に戻る。
【００４７】
以上のようにして、ブームシリンダ１の排出側流量をポンプ７の吐出側に回生させることにより、回生流量分だけポンプ流量をカットすることができる。このため、ポンプ７を駆動する動力を削減し、省エネルギを図ることができる。
【００４８】
また、回生流量に応じてポンプ流量を減少させているので、負荷の大小等により回生流量が変動した場合でも、これによってバケットシリンダ２の速度が影響されないため、操作性を向上させることができる。
【００４９】
さらに、排出側に配管２３が設けられたブームシリンダ１が減速を行う際の減速エネルギーを回生し、これとは別のバケットシリンダ２の駆動にこの回生された減速エネルギーを使用することで、ブームシリンダ１の減速時についても省エネを図ることができる。
【００５０】
（実施形態２）
図４は本発明の実施形態２に係る油圧ショベルの油圧制御回路の全体構成図、図５は図４のコントローラの機能ブロック図である。なお、本実施形態２は、旋回減速時における回生制御の例を示すものである。
【００５１】
図４において、３７は可変容量式ポンプ、３０はこのポンプ３７から供給される作動油により駆動されるアクチュエータとしての旋回モータ（旋回用油圧モータに相当する。）、３１はアームシリンダ、３２ａ，３２ｂはリリーフ弁である。３３は旋回モータ３０の旋回動作をオペレータが操作するための旋回操作レバー、３４はアームシリンダ３１の速度をオペレータが操作するためのアーム操作レバーである。３５は旋回モータ３０への供給流量を制御する旋回コントロールバルブ、３６はアームシリンダ３１への供給流量を制御するアームコントロールバルブである。３８はコントローラ、３９，４０は流量調整弁、４１〜４６は圧力センサ、４７はポンプ３７のレギュレータ、５４はチェック弁である。
【００５２】
このうち流量調整弁３９は、旋回コントロールバルブ３５のメータアウトとタンク５０とを連通する配管５２と、ポンプ３７の吐出側配管５１とをさらに連通する配管（回生回路に相当する。）５３上に設けられて、開口面積を変化させることで回生流量を制御する。
【００５３】
流量調整弁４０は、流量可変手段に相当し、配管５２に設置されて、開口面積を変化させることで旋回モータ３０の排出側の圧力を制御するメータアウト制御弁として機能するとともに、上記流量調整弁３９と協働して回生流量を制御する。
【００５４】
圧力センサ４５は、第１検出手段に相当し、配管５２に設けられて旋回モータ３０の排出側の圧力を検出する。圧力センサ４６は、第２検出手段に相当し、配管５１に設けられてポンプ吐出圧を検出する。
【００５５】
そして、旋回操作レバー３３の操作量はリモコン弁４８によりパイロット圧に変換されて旋回コントロールバルブ３５に伝達されるとともに、圧力センサ４１，４２により検出されたパイロット圧がコントローラ３８に入力され、アーム操作レバー３４の操作量はリモコン弁４９によりパイロット圧に変換されてアームコントロールバルブ３６に伝達されるとともに、圧力センサ４３，４４により検出されたパイロット圧がコントローラ３８に入力されるようになっている。
【００５６】
すなわち、本実施形態２では、上記実施形態１と同様の動作を行うことにより、旋回モータ３０の戻り油をポンプ吐出側に回生し、旋回モータ３０と同一ポンプで駆動する例えばアームシリンダ３１を駆動するためのポンプ流量を回生流量分だけカットすることができるので、ポンプ動力が減少し、省エネルギを図ることができる。
【００５７】
ところが、上記実施形態１と異なり、例えば上記の油圧ショベルにおける回生操作の場合において、旋回操作レバー３３を急に戻して急制動をかけた場合、旋回モータ３０からの作動油のリターン圧がリリーフ圧まで上昇し、リリーフ弁３２ａが作動することがある。このような場合、減速時の慣性エネルギはリリーフ弁３２ａの圧力損失として消費されてしまうため、回生できる慣性エネルギが減少してしまうといった問題がある。
【００５８】
そこで、本実施形態２では、コントローラ３８は、上記実施形態１と同様の判定部８１と、第１比較部８２と、推定手段としての推定部８３及び演算部８４と、第２比較部８５と、第１制御手段としての第１制御部８６ａと、第２制御手段としての第２制御部８６ｂとに加え、さらに、第３比較部８７と、第４比較部８８と、第３制御手段としての第３制御部８９とを備えており、各部８１〜８９は、例えば各種プログラムが図示しないＣＰＵに読み込まれて実行されることにより、コントローラ内に構築されるようになっている。
【００５９】
以下、本油圧制御回路の動作を説明する。図６は図４の油圧制御回路におけるリリーフ弁の特性図、図７は油圧制御回路の動作を示すフローチャート、図８はリターン圧フィードバック制御を示すブロック図である。
【００６０】
図６に示すように、最大リターン流量Ｑｒｆｍａｘが全量リリーフ弁３２ａ（又は３２ｂ）を通過する場合のリリーフ圧Ｐｒｆｍａｘより低くなるよう設定された目標圧力Ｐｒｆを設けている。
【００６１】
そして、図７に示すように、第３比較部８７でリターン圧Ｐｒと目標圧力Ｐｒｆとの比較を行う（ステップＳ３１）。その比較結果、リターン圧Ｐｒが目標圧力Ｐｒｆよりも高い場合には（ステップＳ３１でＹｅｓ）、第４比較部８８により次式で示されるリターン流量Ｑｒｔと、上記パイロット圧の検出値より計算される目標リターン流量Ｑｒとの比較を行う（ステップＳ３２）。
【００６２】
Ｑｒｔ＝Ｃｖ・Ａｒｖ・√（２ｇ（Ｐｒ−Ｐｐ）／γ）＋Ｃｖ・Ａｍｏ・√（２ｇＰｒ／γ）・・・（５）
そして、リターン流量Ｑｒｔが目標リターン流量Ｑｒよりも大きい場合には（ステップＳ３２でＹｅｓ）、第３制御部８９でリターン圧フィードバック制御を行う（ステップＳ３３）。すなわち、図８に示すように、上記リターン圧Ｐｒと目標圧力Ｐｒｆとの偏差に対して、ゲイン、流量調整弁４０の開口面積の増分ΔＡｍｏ、及び、油圧回路からなる各要素を乗算して新たなリターン圧Ｐｒとする。
【００６３】
なお、流量制御弁３９の制御については、上記実施形態１と同様に流量Ｑｐ２を演算し、この流量Ｑｐ２が最小ポンプ吐出流量Ｑｐｍｉｎより大きい場合は全開、流量Ｑｐ２が最小ポンプ吐出流量Ｑｐｍｉｎより小さい場合は、開口面積は上記（２）式により求めたＡｒｖとなるように制御を行う。しかる後にステップＳ３１に戻る。
【００６４】
また、リターン流量Ｑｒｔが目標リターン流量Ｑｒよりも小さい場合（ステップＳ３２でＮｏ）、及び、急減速操作の結果、旋回モータ３０の旋回速度が減速することで、リターン流量Ｑｒｔが減少し、目標リターン流量Ｑｒ以下となった場合には（ステップＳ３２でＮｏ）、上記リターン圧フィードバック制御を解除して（ステップＳ３４）、ステップＳ３１に戻る。
【００６５】
このとき、リリーフ弁３２ａ（又は３２ｂ）のリリーフ流量とリリーフ圧との関係は図６のような関係となっているため、本リターン圧フィードバック制御により、リターン圧を、Ｐｒｆを目標値として制御することにより、リリーフ弁３２ａ（又は３２ｂ）を通過する流量がＱｒｆｍａｘからＱｒｆに減少し、リリーフ弁３２ａ（又は３２ｂ）の圧力損失により消費される慣性エネルギが減少する。この結果、回生可能なエネルギが増大し、省エネルギ効果が得られる。
【００６６】
なお、上記実施形態１では、ブームシリンダ１とポンプ７を共通とするアクチュエータとしてバケットシリンダ２を例示したが、アームシリンダであってもよい。また、上記実施形態２では旋回モータ３０とポンプ３７を共通するアクチュエータとしてアームシリンダ３１を例示したが、バケットシリンダであってもよい。
【００６７】
また、上記実施形態１では、回生回路２３内の回生流量をブームシリンダ１の排出側の圧力検出値とポンプ吐出圧検出値とに基づいて推定しているが、回生回路２３に流量計を設けて直接測定することとしてもよい。上記実施形態２についても同様である。
【００６８】
さらに、上記実施形態１，２では、油圧ショベルの油圧制御回路を例示したが、その他の作業機械の油圧制御回路であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】本発明の実施形態１における油圧ショベルの油圧制御回路の全体構成図である。
【図２】図１のコントローラの機能ブロック図である。
【図３】図１の油圧制御回路の動作を示すフローチャートである。
【図４】本発明の実施形態２における油圧ショベルの油圧制御回路の全体構成図である。
【図５】図４のコントローラの機能ブロック図である。
【図６】図４の油圧制御回路におけるリリーフ弁の特性図である。
【図７】図４の油圧制御回路の動作を示すフローチャートである。
【図８】リターン圧フィードバック制御のブロック図である。
【符号の説明】
【００７０】
１ ブームシリンダ（アクチュエータ、ブーム下げ用油圧シリンダに相当する。）
２ バケットシリンダ
３ ブーム操作レバー
４ バケット操作レバー
５ ブームコントロールバルブ
６ バケットコントロールバルブ
７ ポンプ
８ コントローラ
９ 流量調整弁
１０ 流量調整弁（流量可変手段に相当する。）
１５ 圧力センサ（第１検出手段に相当する。）
１６ 圧力センサ（第２検出手段に相当する。）
１７ レギュレータ
２３ 回生回路
３０ 旋回モータ（アクチュエータ、旋回用油圧モータに相当する。）
３１ アームシリンダ
３２ａ，３２ｂ リリーフ弁
３３ 旋回操作レバー
３４ アーム操作レバー
３５ 旋回コントロールバルブ
３６ アームコントロールバルブ
３７ ポンプ
３８ コントローラ
３９ 流量調整弁
４０ 流量調整弁（流量可変手段に相当する。）
４５ 圧力センサ（第１検出手段に相当する。）
４６ 圧力センサ（第２検出手段に相当する。）
４７ レギュレータ
５３ 回生回路
８１ 判定部
８２ 第１比較部
８３ 推定部（推定手段に相当する。）
８４ 演算部（推定手段に相当する。）
８５ 第２比較部
８６ａ 第１制御部（第１制御手段に相当する。）
８６ｂ 第２制御部（第２制御手段に相当する。）
８７ 第３比較部
８８ 第４比較部
８９ 第３制御部（第３制御手段に相当する。）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
可変容量式ポンプと、このポンプから供給される作動油により作動する複数のアクチュエータと、上記アクチュエータの排出側の流量を変化させる流量可変手段と、コントローラとを備えた作業機械の油圧制御回路において、
上記アクチュエータの排出側と上記流量可変手段との間の油路から分岐してポンプ吐出側に連通する回生回路を設け、
上記コントローラは、上記アクチュエータの排出側の圧力がポンプ吐出圧よりも高い場合に、この排出側の作動油を上記回生回路を通してポンプ吐出側に戻して回生を行うように上記流量可変手段を制御する第１制御手段と、この回生を行う場合に、回生を行わないときに上記複数のアクチュエータへの供給流量の和として設定される目標ポンプ吐出流量から上記回生回路を通してポンプ吐出側に戻される作動油の流量を減じるように上記ポンプを制御する第２制御手段とを備えたことを特徴とする作業機械の油圧制御回路。
【請求項２】
上記コントローラは、上記目標ポンプ吐出流量から上記回生回路を通してポンプ吐出側に戻される作動油の流量を減じた流量が、最小ポンプ吐出流量以下の場合に、上記第１制御手段により、上記アクチュエータの排出側の作動油を、上記目標ポンプ吐出流量から最小ポンプ吐出流量を減じた流量だけ上記回生回路を通してポンプ吐出側に戻すように上記流量可変手段を制御し、上記第２制御手段により、最小ポンプ吐出流量となるように上記ポンプを制御することを特徴とする請求項１記載の作業機械の油圧制御回路。
【請求項３】
上記アクチュエータの排出側の圧力を検出する第１検出手段と、上記ポンプ吐出圧を検出する第２検出手段とを備え、上記コントローラは、両検出値に基づいて上記回生回路を通してポンプ吐出側に戻される作動油の流量を推定する推定手段を備えたことを特徴とする請求項１又は２記載の作業機械の油圧制御回路。
【請求項４】
作業機械は、上記アクチュエータとしてブーム下げ用油圧シリンダを備えた建設機械であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の作業機械の油圧制御回路。
【請求項５】
作業機械は、上記アクチュエータとして旋回用油圧モータを備えた建設機械であって、この旋回用油圧モータの出入口ポートにそれぞれリリーフ弁を備えるとともに、最大リターン流量が上記リリーフ弁に流れた場合のリリーフ圧より低い設定圧力を設け、上記コントローラは、上記設定圧力よりもリターン側圧力が高くなった場合に、この設定圧力とリリーフ圧との偏差に対して上記流量可変手段をフィードバック制御する第３制御手段を備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の作業機械の油圧制御回路。
【請求項１】
可変容量式ポンプと、このポンプから供給される作動油により作動する複数のアクチュエータと、上記アクチュエータの排出側の流量を変化させる流量可変手段と、コントローラとを備えた作業機械の油圧制御回路において、
上記アクチュエータの排出側と上記流量可変手段との間の油路から分岐してポンプ吐出側に連通する回生回路を設け、
上記コントローラは、上記アクチュエータの排出側の圧力がポンプ吐出圧よりも高い場合に、この排出側の作動油を上記回生回路を通してポンプ吐出側に戻して回生を行うように上記流量可変手段を制御する第１制御手段と、この回生を行う場合に、回生を行わないときに上記複数のアクチュエータへの供給流量の和として設定される目標ポンプ吐出流量から上記回生回路を通してポンプ吐出側に戻される作動油の流量を減じるように上記ポンプを制御する第２制御手段とを備えたことを特徴とする作業機械の油圧制御回路。
【請求項２】
上記コントローラは、上記目標ポンプ吐出流量から上記回生回路を通してポンプ吐出側に戻される作動油の流量を減じた流量が、最小ポンプ吐出流量以下の場合に、上記第１制御手段により、上記アクチュエータの排出側の作動油を、上記目標ポンプ吐出流量から最小ポンプ吐出流量を減じた流量だけ上記回生回路を通してポンプ吐出側に戻すように上記流量可変手段を制御し、上記第２制御手段により、最小ポンプ吐出流量となるように上記ポンプを制御することを特徴とする請求項１記載の作業機械の油圧制御回路。
【請求項３】
上記アクチュエータの排出側の圧力を検出する第１検出手段と、上記ポンプ吐出圧を検出する第２検出手段とを備え、上記コントローラは、両検出値に基づいて上記回生回路を通してポンプ吐出側に戻される作動油の流量を推定する推定手段を備えたことを特徴とする請求項１又は２記載の作業機械の油圧制御回路。
【請求項４】
作業機械は、上記アクチュエータとしてブーム下げ用油圧シリンダを備えた建設機械であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の作業機械の油圧制御回路。
【請求項５】
作業機械は、上記アクチュエータとして旋回用油圧モータを備えた建設機械であって、この旋回用油圧モータの出入口ポートにそれぞれリリーフ弁を備えるとともに、最大リターン流量が上記リリーフ弁に流れた場合のリリーフ圧より低い設定圧力を設け、上記コントローラは、上記設定圧力よりもリターン側圧力が高くなった場合に、この設定圧力とリリーフ圧との偏差に対して上記流量可変手段をフィードバック制御する第３制御手段を備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の作業機械の油圧制御回路。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００８−２５７０６（Ｐ２００８−２５７０６Ａ）
【公開日】平成２０年２月７日（２００８．２．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１９８４０６（Ｐ２００６−１９８４０６）
【出願日】平成１８年７月２０日（２００６．７．２０）
【出願人】（０００２４６２７３）コベルコ建機株式会社 (644)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年２月７日（２００８．２．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年７月２０日（２００６．７．２０）
【出願人】（０００２４６２７３）コベルコ建機株式会社 (644)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]