(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
機械用に使用され、且つエネルギー回収装置を有する油圧システムにおいて、
加圧流体を運ぶ供給導管と；
流体をタンクに運ぶ戻り導管と；
前記機械上のコンポーネントを動作させるために平行に機械的に接続され、各々が第１チャンバーと第２チャンバーを有する第１及び第２シリンダと；
前記第１シリンダの第１チャンバーと前記第２シリンダの第１チャンバー間と流体で連通し、且つその間の流量を制御するシリンダ分離制御バルブであり、ノードが前記第１シリンダの前記第１チャンバーとシリンダ分離制御バルブ間に形成されているシリンダ分離制御バルブと；
第１ワークポートと第２ワークポートを有する制御バルブアセンブリであり、前記第１ワークポートが前記ノードに接続され、前記第２ワークポートが前記第１及び第２油圧シリンダの前記第２チャンバーに接続され、前記制御バルブアセンブリの動作が前記第１及び第２ワークポートの各々を前記供給導管と前記戻り導管に選択的に接続する制御バルブアセンブリと；
アキュムレータと；
前記アキュムレータ及び前記第２シリンダの前記第１チャンバーに直接接続される双方向バルブである回収制御バルブと；
を具備することを特徴とする油圧システム。
【請求項２】
前記回収制御バルブが更に前記アキュムレータから前記第２シリンダの前記第１チャンバーに流れる流量を制御することを特徴とする請求項１記載の油圧システム。
【請求項３】
前記アキュムレータから前記供給導管に流れる流量を制御するため前記アキュムレータと流体で連通する注入再利用制御バルブを更に具備することを特徴とする請求項１記載の油圧システム。
【請求項４】
前記シリンダ分離制御バルブが前記第１シリンダの前記第１チャンバーと前記第２シリンダの前記第１チャンバー間に直接接続されていることを特徴とする請求項１記載の油圧システム。
【請求項５】
前記第１及び第２ワークポート間の流量を制御するワークポートシャント制御バルブを更に具備することを特徴とする請求項１記載の油圧システム。
【請求項６】
前記ワークポートシャント制御バルブが前記第１及び第２ワークポート間に直接接続されていることを特徴とする請求項５記載の油圧システム。
【請求項７】
前記油圧システムが前記供給導管に接続された流出部を有し且つ流入部を有する第１ポンプを含み、更に前記アキュムレータから前記ポンプの前記流入部に流れる流量を制御するポンプ戻り制御バルブを具備することを特徴とする請求項１記載の油圧システム。
【請求項８】
前記油圧システムが前記供給導管に接続された第１流出部を有する第１ポンプと第２流出部を有する第２ポンプを含み、更に第２流出部から前記第１及び第２シリンダの一方の前記第１チャンバーに流れる流量を流体で連通し且つ流量を制御する供給制御バルブを具備していることを特徴とする請求項１記載の油圧システム。
【請求項９】
前記第１シリンダの前記第１チャンバー内の圧力を計測するために動作可能に接続された第１センサーと、前記第２シリンダの前記第１チャンバー内の圧力を計測するために動作可能に接続された第２センサーと、及び前記アキュムレータ内の圧力を計測するために動作可能に接続された第３センサーとを更に具備することを特徴とする請求項１記載の油圧システム。
【請求項１０】
前記第１及び第２シリンダの前記第２チャンバー内の圧力を計測するために動作可能に接続された第４センサーを更に具備することを特徴とする請求項９記載の油圧システム。
【請求項１１】
前記第１ポンプと前記アキュムレータ間の流量と流体で連通し且つ制御するアキュムレータ注入再利用制御バルブを更に具備することを特徴とする請求項１記載の油圧システム。
【請求項１２】
前記制御バルブアセンブリが前記第１ワークポートを前記供給導管に接続する第１制御バルブと、前記第２ワークポートを前記供給導管に接続する第２制御バルブと、前記第１ワークポートをタンクに接続された前記戻り導管に接続する第３制御バルブと、前記第２ワークポートを前記戻り導管に接続する第４制御バルブを具備することを特徴とする請求項１記載の油圧システム。
【請求項１３】
前記第１、第２、第３及び第４制御バルブが電気油圧比例バルブであることを特徴とする請求項１２記載の油圧システム。
【請求項１４】
コンポーネントを動作させるため平行に機械的に接続され、各々が第１ワークポートと第２ワークポートを有する第１シリンダアセンブリと第２シリンダアセンブリと、前記第１及び第２ワークポートの各々を供給導管と戻り導管に選択的に接続する制御バルブアセンブリとを有し、前記第１ワークポートが前記第１シリンダアセンブリの前記第１チャンバーに接続され且つ前記第２シリンダの前記第１チャンバーから分離され、前記第２ワークポートが前記第１及び第２油圧アセンブリの前記２チャンバーに接続された油圧システムにおいて、
前記第１シリンダアセンブリの前記第１チャンバーと前記第２シリンダアセンブリの前記第１チャンバー間の流量と流体で連通し且つ流体を制御するシリンダ分離制御バルブと；
ワークポート間の流量を制御するため前記第１及び第２ワークポートと流体で連通するワークポートシャント制御バルブと；
アキュムレータと；
前記第２シリンダの前記第１チャンバーから前記アキュムレータへの流量が前記供給導管または前記戻り導管に入ることなく、前記第２シリンダの前記第１チャンバーから前記アキュムレータへの前記流量を制御する双方向バルブである回収制御バルブと；
を具備することを特徴とするエネルギー回収装置。
【請求項１５】
前記回収制御バルブが更に前記アキュムレータから前記第２シリンダの前記第１チャンバーへの流量を制御することを特徴とする請求項１４記載のエネルギー回収装置。
【請求項１６】
前記アキュムレータから前記供給導管への流量を制御するため前記アキュムレータと流体で連通する注入再利用制御バルブを更に具備することを特徴とする請求項１４記載のエネルギー回収装置。
【請求項１７】
前記シリンダ分離制御バルブが閉鎖され、流体が前記第１シリンダアセンブリの前記第１及び第２チャンバー間を制御バルブアセンブリを通じて送られ、他の流体が前記第２シリンダアセンブリの前記第１チャンバーから前記アキュムレータへ送られるエネルギー回収モードで、前記エネルギー回収装置を動作させるシステム制御装置を更に具備することを特徴とする請求項１４記載のエネルギー回収装置。
【請求項１８】
前記シリンダ分離制御バルブ、前記回収制御バルブ、及び、前記ワークポートシャント制御バルブが開口されて、流体が前記第１シリンダアセンブリの前記第１及び第２チャンバー間をワークポートシャント制御バルブを通じて送られると共に、前記第２シリンダアセンブリの前記第１チャンバーから前記アキュムレータへ送られるエネルギー回収モードで、前記エネルギー回収装置を動作させるシステム制御装置を更に具備することを特徴とする請求項１４記載のエネルギー回収装置。
【請求項１９】
流体が前記シリンダ分離制御バルブと前記回収制御バルブを介して前記アキュムレータに転送される前記第１エネルギー回収モードと、前記シリンダ分離制御バルブ、前記回収制御バルブ、及び、前記ワークポートシャント制御バルブが開口されて、流体が前記第１シリンダアセンブリの前記第１及び第２チャンバー間をワークポートシャント制御バルブを通じて送られると共に、前記第２シリンダアセンブリの前記第１チャンバーから前記アキュムレータへ送られる第２エネルギー回収モードで、前記エネルギー回収装置を動作させるシステム制御装置を更に具備することを特徴とする請求項１４記載のエネルギー回収装置。
【請求項２０】
前記シリンダ分離制御バルブが閉鎖し、その間、流体が前記回収制御バルブを介して前記アキュムレータから前記第２シリンダアセンブリの前記第１シリンダに転送され他の流体が前記供給導管から前記第１シリンダアセンブリの前記第１チャンバーへ転送されるエネルギー再利用モードで、前記油圧システムを動作させるシステム制御装置を更に具備することを特徴とする請求項１４記載のエネルギー回収装置。
【請求項２１】
前記油圧システムが前記供給導管に接続された流入部を有し且つ流入部を有するポンプを含み、さらに前記アキュムレータから前記ポンプの流入部への流量を制御するポンプ戻り制御バルブを具備することを特徴とする請求項１４記載のエネルギー回収装置。
【請求項２２】
流体が前記ポンプ戻り制御バルブを介して前記アキュムレータから前記ポンプの流入部へ転送され、且つ流体が前記供給導管から前記第１及び第２シリンダアセンブリに転送されるモードで、前記油圧システムを動作させるシステム制御装置を更に具備することを特徴とする請求項２１記載のエネルギー回収装置。
【請求項２３】
前記チャンバー分離制御バルブが開口され、流体が前記第１及び第２油圧シリンダの前記第１チャンバーから前記第１及び第２油圧シリンダの前記第２チャンバーに転送され、且つ前記回収制御バルブが前記アキュムレータと前記戻り導管の一方に過剰流体を転送するために開口されるクロスチャンバー回収モードで、前記エネルギー回収システムを動作させるシステム制御装置を更に具備することを特徴とする請求項１４記載のエネルギー回収装置。
【請求項２４】
機械用であり且つエネルギー回収装置を有する油圧システムにおいて、
加圧流体を送る供給導管と；
流体をタンクに送る戻り導管と；
前記機械のコンポーネントを動作させ、且つ第１及び第２チャンバーを有する油圧シリンダと；
第１ワークポートと第２ワークポートを有する制御バルブアセンブリであり、前記第１ワークポートは前記油圧シリンダの前記第１チャンバーと流体で連通し、前記第２ワークポートは前記油圧シリンダの前記第２チャンバーと流体で連通し、前記制御バルブアセンブリの動作で前記第１及び第２ワークポートの各々を前記供給導管と前記戻り導管に選択的に接続するバルブアセンブリと；
ワークポート間の流量を制御するため前記第１ワークポートと前記第２ワークポートとの間を直接接続するワークポートシャント制御バルブと；
アキュムレータと；
前記油圧シリンダの前記第１チャンバーから前記アキュムレータへの流量が前記供給導管または前記戻り導管に入ることなく、前記油圧シリンダの前記第１チャンバーから前記アキュムレータへの前記流量を制御する双方向バルブである回収制御バルブと；
を具備することを特徴とする油圧システム。
【請求項２５】
前記回収制御バルブが前記アキュムレータから前記油圧シリンダの前記第１チャンバーへの流量を更に制御することを特徴とする請求項２４記載の油圧システム。
【請求項２６】
第１チャンバーと第２チャンバーを有する第２油圧シリンダと、前記第１シリンダの前記第１チャンバーと前記第２シリンダの前記第１チャンバー間に接続されたシリンダ分離制御バルブを更に具備することを特徴とする請求項２４記載の油圧システム。
【請求項２７】
前記油圧システムは前記供給導管に接続された流出部及び流入部を有する第１ポンプを含み、更に前記アキュムレータから前記ポンプの前記流入部への流量を制御するポンプ戻り制御バルブを具備することを特徴とする請求項２４記載の油圧システム。
【請求項２８】
前記油圧システムは前記供給導管に接続された第１流出部を有する第１ポンプと第２流出部を有する第２ポンプを含み、更に前記第２流出部から前記油圧シリンダの前記第１チャンバーへの流量と流体で連通し、且つ流体を制御する供給制御バルブを具備することを特徴とする請求項２４記載の油圧システム。
【請求項２９】
前記油圧シリンダの前記第１チャンバー内の圧力を計測するために動作可能に接続された第１センサーと、前記アキュムレータ内の圧力を計測するために動作可能に接続された第２センサーを更に具備することを特徴とする請求項２４記載の油圧システム。
【請求項３０】
前記油圧シリンダの前記第２チャンバー内の圧力を計測するために動作可能に接続された第３センサーを更に具備することを特徴とする請求項２９記載の油圧システム。
【請求項３１】
前記供給導管と前記アキュムレータ間の流体と連通し且つ流体を制御する注入再利用制御バルブを更に具備することを特徴とする請求項２４記載の油圧システム。
【請求項３２】
前記制御バルブが前記第１ワークポートを前記供給導管に接続する第１制御バルブと、前記第２ワークポートを前記供給導管に接続する第２制御バルブと、前記第１ワークポートをタンクに接続された前記戻り導管に接続する第３制御バルブと、前記第２ワークポートを前記戻り導管に接続する第４制御バルブを具備することを特徴とする請求項２４記載の油圧システム。
【請求項３３】
前記第１、第２、第３及び第４制御バルブが電気油圧比例バルブであることを特徴とする請求項３２記載の油圧システム。
【請求項３４】
前記第１シリンダの前記第１チャンバーと前記第２シリンダの前記第１チャンバー間の流量と流体で連通し且つ流量を制御するシリンダ分離制御バルブを更に制御し、前記シリンダ分離制御バルブの動作で前記第２シリンダの前記第１チャンバーを前記第１ワークポートに選択的に接続したり、分離したりすることを特徴とする請求項２４記載の油圧システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は２００６年１１月１４日に出願された米国仮特許出願第６０／８６５，７１０号及び２００７年４月２３日に出願された米国仮特許出願第６０／９１３，４５７号の利益を請求する。
連邦政府委託研究開発に関する申立て
該当なし
【０００２】
本発明は機械上のコンポーネントを動かす油圧アクチュエータに対する流量を制御する油圧システムに関し、特に、油圧アクチュエータからのエネルギーを回収し且つその後油圧アクチュエータを駆動するために回収エネルギーを利用することに関する。
【背景技術】
【０００３】
建設農業機材は異なる機械素子を動作させるために油圧システムを採用している。例えば、掘削機は一端でトラクタに枢軸的に結合され且つ他端で土壌や他の材料をすくい取るためのバケットを有する普通の建設機械である。シリンダアセンブリはブームを昇降させるために使用され、シリンダ内に２つのチャンバーを形成するピストンを有するシリンダを含んでいる。ピストンに接続されたロッドは典型的にはブームに取付けられ、シリンダは掘削機の本体に取付けられる。ブームはロッドをシリンダ内から伸ばし且つ内に後退させることにより昇降させる。
【０００４】
他の機械類は機械素子を動かすために異なる型の油圧アクチュエータを使用している。ここで使用される用語「油圧アクチュエータ」は一般的にシリンダピストン構成、例えば、作動液を機械動作に変換する回転モータのような装置を総称的に示す。
【０００５】
シリンダアセンブリの駆動伸張及び後退中に、ポンプからの加圧流体は通常バルブアセンブリにより一方のシリンダチャンバーに加えられ、他方のシリンダチャンバーから排出される全ての流体はバルブアセンブリを通じてシステムタンクに導く戻り導管に流入する。ある条件下で、機械に作用する外部負荷又は他の力はポンプからの充分な流体圧力無しでのシリンダアセンブリの伸張又は後退を可能にする。これはしばしば超過（オーバーラン）負荷と称される。例えば、掘削機において、バケットが重量材料で満たされると、ブームは重力のみで下降する。この外力は流体をバルブアセンブリを通じてブームの油圧シリンダの一方のチャンバーからタンクに排出する。同時に、流量はバルブアセンブリを通じてポンプから伸張している他方のシリンダチャンバーに引き出されるが、到来する流体はピストンを駆動しないので、このブームの動きを生ずるための充分な圧力に維持する必要がない。この状況で、流体は比較的高い圧力でシリンダから排出され、圧力がバルブアセンブリを通じて計量されると正常に失われるエネルギーを含んでいる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
機械の効率と経済的な動作を最適化するため、バルブアセンブリ内の流体を放出する代わりに、排出流体のエネルギーを回収することが望ましい。ある従来の油圧システムではアキュムレータに排出流体を送り、流体は後で機械駆動に使用するために圧力下で蓄積される。しかしながら、有効エネルギー回収及び再利用に対する課題は蓄積された作動液がアクチュエータを駆動するための適切な圧力と体積でなければならないことである。排出流体の圧力と体積とアキュムレータのこれらのパラメータ間の関係は瞬時に変化し且つ流体が蓄積可能かどうかを決定する。例えば、もしシリンダアセンブリに作用する外力がアキュムレータ内の圧力レベル以上の排出流体を加圧するのに不十分であると、流体は蓄積できない。
【０００７】
別の時点で、アキュムレータ内の流体を利用したい場合、アキュムレータの圧力と体積及び流体アクチュエータを駆動するために要求される流量間の瞬時の関係がアキュムレータ流体を使用できるかどうかを決定する。例えば、もし油圧アクチュエータの負荷がアキュムレータより高い圧力を要求すると、回収流体を採用できない。もし油圧アクチュエータがアキュムレータに蓄積されるより大きな流体容量を要求するほど動く必要があれば、有効動作の達成が困難になる。他の制限要因は油圧アクチュエータがアキュムレータからの流体を消費するにつれて、アキュムレータ圧力が減少し、アクチュエータを駆動するための残量流体の能力を減ずる。
【０００８】
したがって、油圧システム内のエネルギーを回収し且つ再利用するための有効技術提供するニーズが存在する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
油圧システムは機械のコンポーネントを動作させるため機械的に平行に接続された第１及び第２油圧シリンダを有し、各シリンダは第１及び第２チャンバーを有する。例えば、４個の電気油圧比例バルブのホイートストンブリッジ構成のような制御バルブアセンブリは第１ワークポートと第２ワークポートを有する。第１ワークポートは第１シリンダの第１チャンバーに接続され、第２シリンダの第１チャンバーから分離している。第２作用ポートは第１及び第２油圧シリンダの第２チャンバーに接続される。制御バルブアセンブリは第１及び第２ワークポートの各々を供給導管と戻り導管に選択的に接続するように動作する。
【００１０】
油圧システムのエネルギー回収装置は第１シリンダの第１チャンバーと第２シリンダの第１チャンバー間の流量を制御するシリンダ分離制御バルブを具備している。アキュムレータは第２シリンダの第１チャンバーに出入りする流量を制御する回収制御バルブに接続される。これにより外部負荷により第１チャンバーから強制的に排出される流体が圧力下で蓄積されるアキュムレータに転送されるのを可能にする。その後、蓄積流体は油圧シリンダの一方又は両方を駆動するために利用される。
【００１１】
他の態様において、本発明は供給導管に接続された第１ポンプを提供する。供給バルブは第２ポンプから第２シリンダの第１チャンバーに流れる流体を制御する。供給バルブを閉じ、シリンダ分離制御バルブを開くことにより、第１及び第２油圧シリンダは制御バルブアセンブリにより協調して制御される。代案として、シリンダ分離制御バルブを閉じることにより、第１油圧シリンダは制御バルブアセンブリにより制御され、同時に、第２油圧シリンダは供給バルブを開くことにより制御される。
【００１２】
油圧システムの好ましい実施例において、ワークポートシャント制御バルブは第１及び第２ワークポートに接続され、その間に流体が直接流れるのを可能にする。
【００１３】
本発明の他の態様において、機械のコンポーネントを動作させるため油圧シリンダを有するエネルギー回収装置が提供される。このエネルギー回収装置は第１チャンバーと第２チャンバーを有する。第１ワークポートと第２ワークポートを有する制御バルブアセンブリは第１及び第２チャンバーに接続され、第１ワークポートは油圧シリンダの第１チャンバーと流体で連通し、第２ワークポートは油圧シリンダの第２チャンバーと流体で連通し、制御バルブアセンブリの動作で第１及び第２ワークポートの各々を供給導管と戻り導管に選択的に接続する。ワークポートシャント制御バルブは第１ワークポート及び第２ワークポートと流体で連通し、その間に流れる流体を制御する。本システムはアキュムレータとシリンダの第１チャンバーからアキュムレータへの流量を制御する回収制御バルブを含んでいる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明は掘削機での使用に関連して記載されているが、他の型の油圧動作型装置にも実施可能である。
【００１５】
まず図１を参照すると、掘削機１０はクローラー（無限軌道車）上に支持された運転席１１と上下運動のため運転席に取付けられたブームアセンブリ１２から構成される。ブームアセンブリ１２はブーム１３、アーム１４、及び各々に枢軸的に取付けられたバケット１５に細分される。運転席１１に結合されたブーム１３は運転席とブーム間に平行に機械的に接続された一対の油圧シリンダアセンブリ１６及び１７により駆動されると上下に枢動できる。典型的な掘削機において、これらのアセンブリ１６及び１７のシリンダは運転席１１に取付けられ、ピストンロッドがブーム１３に取付けられると、ブームに作用する重力がピストンロッドをシリンダ内に後退させる傾向になる。それでも、シリンダアセンブリの接続は重力がピストンロッドをシリンダから伸長させるようになっており、記載されるべき多くのエネルギー回収技術をこの構成にも使用できる。ブーム１３の遠端部で支持されたアーム１４は前方及び後方に旋回でき、バケット１５はアームの先端に枢軸的に結合される。他の対のシリンダアセンブリ１８及び１９は独立してアーム１４及びバケット１５を動作する。バケット１５は他のワークヘッドと交換できる。
【００１６】
図２を参照すると、掘削機１０上のシリンダアセンブリ１６、１７、１８及び１９は第１ポンプ２２とタンク２３からなる作動液源２１を有する第１油圧システム２０の一部である。第１ポンプ２２はタンク２３から流体を引き出し、逆止バルブを通して流体を掘削機上の全ての油圧機能部に加圧流体を供給する供給導管２５に強制的に圧送する。ブーム１３の昇降のための機能部のような油圧機能部を駆動するために使用された後、流体はバネ負荷タンクチェックバルブ２４により流体が加圧される戻り導管２６を介してタンク２３に還流する。油圧システム１０は掘削機１０上のいくつかの油圧機能部を駆動するが、本発明のエネルギー回収再利用技術の説明を簡単にするためブーム機能部３０に着目する。
【００１７】
ブーム機能部３０は各々がシリンダとロッド付のピストンを有するブームシリンダアセンブリ１６及び１７に出入りする流量を制御することによりブーム１３を昇降させる。第１ブームシリンダアセンブリ１６はシリンダ内部をロッドチャンバー３３とピストンの反対側のヘッドチャンバー３４に分割する滑動的に受けられる第１ピストン２７を有する第１ブームシリンダ３１を有する。第２ブームシリンダアセンブリ１７はシリンダ内部を他のロッドチャンバー３６とピストンの反対側のヘッドチャンバー３８に分割する滑動的に受けられる第２ピストン２９を有する第２ブームシリンダ３２を有する。ロッド及びヘッドチャンバーの体積は付随のピストンがシリンダ内で滑動するにつれて変化する。図１の例示の掘削機１０において、各ブームシリンダ３１又は３２は運転席１１に取付けられ、各ピストン２７又は２９はそれぞれピストンロッド３５又は３７によりブーム１３に取付けられる。
【００１８】
ロッドチャンバー３３及び３６は油圧的に直接共に接続される。双方向ＥＨＰシリンダ分離制御バルブ３９はヘッドチャンバー３４及び３８と直接接続し、好ましくは各ヘッドチャンバーに直接接続される。シリンダ分離制御バルブ３９を閉じるとヘッドチャンバーを互いに分離し、シリンダ分離制御バルブを開くと２つのヘッドチャンバー間に直接経路を提供する。ここで「制御バルブ」は手動作又は電気動作されるバルブを意味するものとして定義される。ここで使用される用語「直接接続」は関連するコンポーネントが導管の固有の限度を超えた流量を制限又は制御する、バルブ、オリフィス、又は他の装置のような、介在素子を使用することなく導管により共に接続されることを意味する。ここで使用されるように、油圧コンポーネントが２つの他の素子を「直接接続する」との記載は油圧コンポーネントが制御バルブアセンブリを通じて又は流体が他の油圧機能部に出入りする供給又は戻り導管を通じて流れることなくこれらの２つの他の素子間に流すため流体用の経路を設けることを意味する。制御バルブが油圧システムの２個のコンポーネント又は素子間の「直接経路」を提供するとの記載は経路が他の制御バルブを含まないことを意味する。
【００１９】
制御バルブアセンブリ４０はブームシリンダアセンブリ１６及び１７を供給及び戻り導管２５及び２６に結合し、その間の流量を制御する。制御バルブアセンブリ４０が加圧流体をブームシリンダ３１及び３２内のヘッドチャンバー３４及び３８に供給し、ロッドチャンバー３３及び３６から流体を排出すると、各ピストンロッド３５及び３７はそのシリンダから伸張され、ブーム１３を上昇させる。同様に、加圧作動液を供給導管２５からロッドチャンバー３３及び３６に供給し且つ流体をヘッドチャンバー３４及び３８から排出するとピストンロッド３５及び３７をブームシリンダ３１及び３２に後退させ、ブーム１３を降下させる。一般的に駆動伸張及び駆動後退と称される時に、シリンダ分離制御バルブ３９は開口し、２つのブームシリンダアセンブリ１６及び１７を協働して動作させる。
【００２０】
制御バルブアセンブリ４０はホイートストンブリッジ構成に接続された４つの電気油圧比例（ＥＨＰ）制御バルブ４１、４２、４３及び４４からなる。代案として、ソレノイド動作型スプールバルブが４個のＥＨＰ制御バルブ４１−４４の代わりに使用できる。好ましくは、各ＥＨＰ制御バルブ４１−４４は必要であればキャビテーション防止バルブを内蔵する米国特許第６，７４５，９９２号に記載されたバルブのようなパイロット動作型双方向制御バルブである。第１ＥＨＰ制御バルブ４１は作動液の流量を供給導管２５から第１アクチュエータ導管４７により第１シリンダ３１のヘッドチャンバー３４とシリンダ分離制御バルブ３９間のノード５１に接続された第１ワークポート４６に向ける。第２ブームシリンダ３２のヘッドチャンバー３８がシリンダ分離制御バルブ３９により第１アクチュエータ導管４７及び第１シリンダ３１のヘッドチャンバー３４に接続され、第１ワークポート４６をヘッドチャンバー３８と２つのヘッドチャンバーから互いに分離する。第２ＥＨＰ制御バルブ４２は第１ワークポート４６と戻り導管２６間の流量を管理する。第３ＥＨＰ制御バルブ４３は供給導管２５と第２アクチュエータ導管４９により第２ワークポート４８に接続されたシリンダロッドチャンバー３３と３６間に流れる流体経路を制御する。第４ＥＨＰ  制御バルブ４４はロッドチャンバー３３及び３６と戻り導管２６間に接続される。
【００２１】
シリンダ分離制御バルブ３９と同様に４個のＥＨＰ制御バルブ４１−４４はシステム制御装置５０からの電気信号により独立してソレノイド動作される。シリンダ分離制御バルブ３９と共に第１と第４ＥＨＰ制御バルブ４１と４４を開くことにより、加圧流体がヘッドチャンバー３４と３８に加えられ、流体がロッドチャンバー３３と３６から排出されピストンロッド３５と３７を伸張させブーム１３を上昇させる。同様に、シリンダ分離制御バルブ３９と同様に第２及び第３ＥＨＰ制御バルブ４２及び４３を開くと加圧流体をロッドチャンバー３３と３６に送り、ピストンロッド３５と３７を後退させるため流体をヘッドチャンバー３４と３８から排出し、ブーム１３を下降させる。
【００２２】
システム制御装置５０は人によるオペレータが掘削機上の油圧アクチュエータの所望の動作を指定するいくつかのジョイスティック５２からの制御信号を受信するマイクロコンピュータに基く装置である。システム制御装置５０は供給導管圧力センサー５４と戻り導管圧力センサー５５からの信号を受信する。分離した圧力センサー５６と５７はシリンダヘッドチャンバー３４及び３８のために設けられ、他の圧力センサー５８はブームシリンダアセンブリ１６及び１７のロッドチャンバー３３及び３６内の圧力を計測する。電気配線を簡単にするため、圧力測定が第２アクチュエータ導管４９での圧力損失により影響されることを了解の下で、ロッドチャンバー圧力センサー５８は好ましくは第２ワークポート４８の近傍に配置される。シリンダチャンバーのための圧力センサー５６、５７及び５８はブーム１３に作用する力Ｆの量を示す信号を発生する。システム制御装置５０は供給導管２５内の圧力を制限するため可変容量型第１ポンプ２２を動作させることにより圧力測定値に応答し、掘削機上の異なる油圧アクチュエータの圧力要求を満足させる。
【００２３】
第１油圧システム２０はブーム機能部３０のためのエネルギー回収と再利用を可能にする装置を形成するいくつかの追加バルブと他のコンポーネントを含む。具体的には、アキュムレータ６０がブームシリンダアセンブリ１６及び１７から回収された流体を蓄積するために設けられる。追加の圧力センサー５９はアキュムレータ６０のポート６１に配置され、アキュムレータ内の圧力を示すシステム制御装置５０に対する信号を発生する。アキュムレータ６０は双方向ＥＨＰ回収制御バルブ６２により第２ブームシリンダアセンブリ１７のヘッドチャンバー３８に結合され、第１ブームシリンダアセンブリ１６のヘッドチャンバー３４から分離される。電気油圧アキュムレータ注入再利用制御バルブ６６は供給導管２５とアキュムレータ６０のポート６１間の直接経路を提供する。電気油圧ポンプ戻り制御バルブ６８はアキュムレータ６０のポートを第１ポンプ２２の流入部に直接に接続し、リリーフ制御バルブ７０は第ノード６４を第２シリンダヘッドチャンバー３８でタンク戻り導管２６に直接的に接続する。ノード６４はシリンダ分離制御バルブ３９により第１シリンダ３１のヘッドチャンバー３４から分離される。ＥＨＰワークポートシャント制御バルブ６５は第１及び第２ワークポート４６及び４８間の直接経路を提供し、好ましくは、各ワークポートに直接的に接続される。全てのこれらの追加制御バルブ３９、６２、６５、６６、６８及び７０はシステム制御装置５０からの信号により動作される。
【００２４】
これらのバルブの種々の組合せを選択的に動作させることにより、流体はブームシリンダアセンブリ１６及び１７及び第１ポンプ２２及びタンク２３及びアキュムレータ６０に出入りするように送られる。ブーム１３の重力による降下中に、ブームシリンダアセンブリから排出される流体は圧力下でアキュムレータ内に蓄積でき、その後、第１ポンプからの流体の代わりに使用され、ポンプを駆動するために要求されるエネルギーを蓄積する。種々のバルブの組合せの動作から起因する異なるエネルギー回収モードは後述される。
【００２５】
本発明の回収システムは機械上の油圧機能部が使用されていない場合又は動作中の油圧機能部が比較的少量のポンプ流体のみを要求する場合に第１ポンプ２２から直接流体をアキュムレータ６０に注入できる。そのようなときに、アキュムレータ注入再利用制御バルブ６６は開口し、供給導管２５をアキュムレータ６０のポート６１に直接接続する。圧力センサー５４及び５９は供給導管の圧力がアキュムレータ６０内の既存圧力以上である場合を示し、注入が生じる。
【００２６】
蓄積されたエネルギーを再利用する他のモードではポンプ戻り制御バルブ６８を開き、蓄積された加圧流体をアキュムレータ６０から第１ポンプ２２の流入部に転送する。これは特にポンプの流入部が高圧力流入能力を有する場合に有益である、このエネルギー回収はアキュムレータ圧力がシリンダアセンブリ１６及び１７の負荷圧力以下でシリンダアセンブリを直接駆動するために使用できなくても第１ポンプ２２を駆動しているエンジンのトルクを除去する。この場合、第１ポンプのみがアキュムレータ６０とシリンダアセンブリの負荷圧力間の圧力差を得るためエンジンからのトルクを使用しなければならない。
【００２７】
さらに図２を参照すると、第１油圧システム２０もクローラーに対して掘削機運転席１１とブームアセンブリ１２を双方向に回転させる旋回機能部８０を含む。可変定量型第２ポンプ８２は第２供給導管８３を介して加圧流体を旋回機能部８０に供給する。制御バルブアセンブリ４０と同様な制御バルブアセンブリ８４は第２ポンプ８２からモーター８６へ且つモーターからタンク２３に流れる作動液流量を制御する。モーター８６は２つのポートを有し、バルブアセンブリ８４は第２ポンプ８２を一方のポートに選択的に接続し、他方のポートをタンクに接続し、流体がモーターを還流する方向と運転席１１がクローラー９の周囲を旋回する方向を決定する。
【００２８】
モーター８６の２つのポートは圧力動作型バルブ９０によりアキュムレータ６０の流出部６１に結合された流出部を有するシャトルバルブ８８の流入部に接続される。圧力動作型バルブ９０はシャトルバルブ８８の流出部の圧力が運転席１１の回転が停止するときに生じる所定レベルを超えると開く。そのとき、加圧流体はバルブアセンブリ８４を介してタンク２３に送る代わりにアキュムレータ６０に送られる。したがって、そうした時期にモータ８６から排出された流体のエネルギーはアキュムレータ６０に蓄積される。
【００２９】
蓄積された流体は前述のようにブーム機能部３０により利用でき又は旋回機能モータ８６を駆動するために利用できる。後者の動作を達成するために、双方向電気油圧供給制御バルブ９２は流体をアキュムレータ６０からバルブアセンブリ８４の流入部に送るために開く。このアキュムレータ流体は第２ポンプ８２からの流体の代わりにまたはその捕捉として使用される。
【００３０】
第１及び第２ブームシリンダアセンブリ１６及び１７を共に結合することにより、これらのシリンダの負荷は生産システムで等分にされるが、制御自由度は失われる。より大きい効率は機械油圧システムの圧力補償損失を最小にするため２つのブームシリンダアセンブリ１６及び１７のヘッドチャンバー３４及び３８を分離することにより達成される。
【００３１】
図３はより大きい自由度を達成する変形第２油圧システム９６を示す。この第２油圧システム９６は図２の第１油圧システム２０と類似し、同一コンポーネントは同一参照番号で指定される。その差は前述のシステム２０の供給制御バルブ９２が第２ポンプからの第２供給導管８３と第２ブームシリンダ３２のヘッドチャンバー３８間の直接経路を提供する双方向電気油圧供給バルブ９８により置換されたことである。好ましくは、供給制御バルブ９８は第２供給導管とヘッドチャンバー３８間に直接接続される。これによりブームが制御バルブアセンブリ４０の制御下で第１ブームシリンダアセンブリ１６を駆動するため第１ポンプ２２からの流体を使用して上昇させ、供給制御バルブ９８が第２ポンプ８２から第２ブームシリンダアセンブリ１７への流体の流入を制御するのを可能にする。
【００３２】
例１
第１ポンプ２２が流体を機械の他の油圧機能部に供給し、これらの機能部の最大要求を満足させるため３００バー圧力で作動していると仮定している。さらに、更に他の油圧機能部が最大流量要求を満足させるために２００バー圧力で作動している第２ポンプ８２に接続されることを仮定する。更に２５０バー圧力がブーム１３の負荷を上昇させるために要求されることを仮定している。
【００３３】
従来のシステムで、第１ポンプ２２は３００バーに留まり、余分の５０バーが圧力補償損失として“消耗”される。この従来のシステムにおいて、第２ポンプ８２の圧力は２５０バーに上昇し、その他の油圧機能部はこれらの機能部で要求されるより大きい圧力のため圧力補償損失を発生する。
【００３４】
図３に示されるシステムにおいて、第１ポンプ２２は３００バーでの動作を継続し、第２ポンプ８２は２００バーでの、したがって、２５０バーの組合せ平均圧力での動作を継続する。これらのポンプの各々は流体をブームシリンダアセンブリ１６及び１７に供給し、第１ポンプは制御バルブアセンブリ４０を介して、第２ポンプは供給制御バルブ９８を介して供給する。結果として、各シリンダアセンブリは異なる圧力量、従って、異なる圧力で動作する。それにもかかわらず、ブーム１３に作用する正味の力は従来システムと同様である。
【００３５】
例２
全てのポンプ出力流量をすでに消費した第１ポンプに接続された他の油圧機能部があることを仮定する。もしブーム１３の上昇が命令されると、第２ポンプ８２は全てのパワーを供給制御バルブ９８と第２シリンダアセンブリ１７を通じてブームに供給し、第１シリンダ３１のヘッドチャンバー３４の流体が第２ＥＨＰ制御バルブ４２内のキャビテーション防止チェックバルブを介して戻り導管２６から排出される。
【００３６】
例１及び例２の機能性は図４に示されるソレノイド動作型スプールバルブを使用する第３油圧システム１００により得られる。油圧システム１００は前述のシステムと同一のコンポーネントは同一参照番号で特定されるブーム機能部１０２を含んでいる。第１及び第２シリンダ３１及び３２のヘッドチャンバー３４及び３８は双方向電気油圧シリンダ分離制御バルブ３９により油圧的に結合されている。電気油圧シャント制御バルブ６５は第１シリンダ３１のロッド及びヘッドチャンバーのポート間に接続される。
【００３７】
第３油圧システム１００は流体をタンク２３から引き出す第１及び第２ポンプ２２及び８２により形成された作動液源２１を有し、ブーム機能部１０２、旋回機能部８０及び図示されていない機械上の他の機能部を動作させる。第１ポンプ２２の出力部はブーム機能部の制御バルブアセンブリを構成する３位置４方向ソレノイド動作型第１スプールバルブ１０４の流入部に接続された第１供給導管２５を供給する。第１スプールバルブ１０４の流出部はタンク２３に導く戻り導管２６に接続される。第１スプールバルブ１０４は２つのワークポートを有する、即ち、一方のワークポート４８は２個の油圧シリンダのロッドチャンバー３３及び３６に直接接続され、他方のワークポート４６は第１油圧シリンダ３１のヘッドチャンバー３４に直接接続される。第１リリーフバルブ１０６は第１ワークポート４６及び戻り導管２６間に接続される。
【００３８】
第２ポンプ８２の流出部は供給制御バルブを形成する３位置４方向ソレノイド動作型第２スプールバルブ１０８に接続される第２供給導管８３を供給する。第２スプールバルブ１０８の流出部は戻り導管２６に接続される。第２スプールバルブ１０８は一方が油圧シリンダのロッドチャンバー３３及び３６に直接接続され、他方のワークポートは第２油圧シリンダ３２のヘッドチャンバー３８に直接接続された一対のワークポートを有する。第２リリーフバルブ１１０はヘッドチャンバー３８と戻り導管２６間に結合される。２個のスプールバルブ１０４及び１０８は図３の第２油圧システム９６で機能する制御バルブ４１−４４及び９８とほぼ同じ方法で流体を２つのポンプ２２及び８２の各々から２つの第１及び第２シリンダ３１及び３２に供給するため独立して動作する。
【００３９】
第３油圧システム１００も双方向電気油圧バルブ１１４により第２シリンダ３２のヘッドチャンバー３８に接続されたアキュムレータ１１２を有する。このアキュムレータ１１２は、図２及び図３の油圧システム内のアキュムレータに関して記載されたものとほぼ同様に、第１及び第２油圧シリンダ３１及び３２に対してエネルギーを蓄積し再利用するために使用できる。
【００４０】
エネルギー回収
ブーム機能部はいくつかのモードで動作し、あるモードではエネルギーは超過負荷から回収される。超過負荷状態はブームアセンブリ１２の負荷と重さがピストンロッド３５及び３７をブームシリンダ３１及び３２に後退させる傾向にある力に影響を及ぼす場合に例示の掘削機１０に生じ、ロッドチャンバー３３及び３６に圧力をかけることなく流体をヘッドチャンバー３４及び３８から強制的に排出する。その時点で、排出流体をタンク２３に送る代わりに、流体は流体を圧力下で蓄積するアキュムレータ６０内に向けられる。本発明のエネルギー回収再使用技術は掘削機ブーム１３を降下させるように異なるエネルギー回収モードのいくつかで油圧回路を動作させる工程を含む。特有なエネルギー回収モードの選択はブームシリンダ３１及び３２のヘッド及びロッドチャンバー内の圧力とアキュムレータ６０内の既存圧力に基いている。圧力関係は後述するように各特有なエネルギー回収モードのために記載された適切な方向に流体が流れるようにしなければならない。アキュムレータ圧力は圧力センサー５９により示され、ヘッドチャンバー３４及び３８内の圧力はセンサー５６及び５７によりそれぞれ計測され、ロッドチャンバー３３及び３６内の圧力はセンサー５８により計測される。
【００４１】
エネルギー回収モードのいくつかは図３の第２油圧システム９６の簡略概略図である図５−図９に示される。これらの記載において、主流体経路は幅広実線で示され、特定の動作条件に依存して生じる部分的又は選択流路は太破線で示される。細い実線は流体が図示されたモードで流れない経路を示す。変換を示すこの流れは後述される図１０−図１５に示されるエネルギー再利用モードのために利用される。
【００４２】
ブームアセンブリ１２の初期位置は比較的高く、比較的大きい位置エネルギー量を有すると仮定する。結果として、ブームは図５のデュアルシリンダエネルギー回収モードで示されるアキュムレータ６０を注入するためヘッドチャンバー３４及び３８に充分な圧力を発生させる各シリンダアセンブリ１６及び１７に作用する力に影響を及ばす。ここで、アキュムレータの圧力は以下の不等式で与えられるしきい値以下である。
【数１】
0005626712.tif 000002
ここで、Ｐ５９はセンサー５９から出力されたアキュムレータの圧力であり、Ｐ５６はセンサー５６から出力された第１シリンダアセンブリ１６のヘッドチャンバー３４の圧力であり、Ｐ５７はセンサー５７の圧力から第２シリンダアセンブリ１７のヘッドチャンバー３８の圧力であり、Ｐ５８はセンサー５８から出力されたブームシリンダアセンブリ１６及び１７のロッドチャンバー３３及び３６内の圧力である（図３を参照）。Ｒはヘッドチャンバー３４及び３８とロッドチャンバー３３及び３６の面積比率である。シリンダ比率は下記方程式で与えられる。
【数２】
0005626712.tif 000003
ここで、ｒＡはヘッドチャンバー３４及び３８の半径であり、ｒＲＯＤはピストンロッド３５及び３７の半径であり、Ｒは油圧回路のために選択された選択シリンダアセンブリ１６及び１７の定数である。項（Ｐ５６＋Ｐ５７）／２Ｐ５８／Ｒはデュアルシリンダエネルギー回収モード差分圧力と称される。さらに、上記不等式は摩擦及び他の要因による損失を含めるように変換できる。
【００４３】
デュアルシリンダエネルギー回収モード１２１において、ヘッドチャンバー３４及び３８から排出される流体は開口シリンダ分離制御バルブ３９により混合され、開口回収制御バルブ６２を流れてアキュムレータ６０に注入する。回収制御バルブ６２はブームの速度を比例制御するために調節される。ブームの降下につれて伸長するロッドチャンバー３３及び３６を満たすために要求される流体は制御バルブアセンブリ４０と通じて引き出される。具体的には、機械の他の機能部からの流体は戻り導管２６からキャビテーション防止チェックバルブを介して第４ＥＨＰ制御バルブ４４に引き出される。重力がブームを降下中に、戻り導管２６から引き出される流体は高圧である必要はない。もしこのキャビテーション防止流量が不十分であると、第３ＥＨＰ制御バルブ４３は流体を第１ポンプ２２からロッドチャンバー３３及び３６に供給するために開口できる。ブーム１３の降下により２つのシリンダアセンブリ１６及び１７に作用する力がアキュムレータ６０を注入し続けるために２つのヘッドチャンバーに充分な圧力を発生しない位置に到達する。アキュムレータの圧力が以下の不等式により与えられるしきい値以下であると、図６に示されるスプリットシリンダエネルギー回収モード１２２へのエネルギー回収変化はアキュムレータを注入するための一方のシリンダヘッドチャンバー内の圧力を増強する。
【数３】
0005626712.tif 000004
この不等式の右辺はスプリットシリンダエネルギー回収モード差分圧力と称される。上記不等式は摩擦と他の要因による損失を含むように変更可能であることに留意すべきである。回収制御バルブ６２が開口しアキュムレータ３０を注入し続けると、第２ＥＨＰ制御バルブ４２はシリンダ分離制御バルブ３９が閉鎖するにつれて徐々に開く。この動作により、加圧流体は第２ＥＨＰ制御バルブ４２と第４ＥＨＰ制御バルブ４４内のキャビテーション防止バルブを介して第１ブームアセンブリ３１のヘッドチャンバー３４から両ブームアセンブリのロッドチャンバー３３及び３６に送られる。シリンダ分離制御バルブ３９を閉じることにより、２つのブームシリンダ３１及び３２が互いに分離し、２つのヘッドチャンバー３４及び３８を初期均等圧力状態からこれらのチャンバーが異なる圧力を有し異なる力を及ぼす状態に移行する。スプリットシリンダエネルギー回収モード１２２において、ブームからの力は第２シリンダアセンブリ１７のみにより支持され、第２シリンダ３２のヘッドチャンバー３８の圧力はブームの力が図５に示されるデュアルシリンダエネルギー回収モード１２１でのシリンダアセンブリ１６及び１７により支持された場合に較べてアキュムレータを注入するためのより高い圧力を有する。
【００４４】
第２シリンダ３２のヘッドチャンバー３８はアキュムレータ６０の注入を続行するために充分に高い圧力を発生する。ヘッドチャンバー３８からの流体は回収制御バルブ６２を介してアキュムレータ６０に向けられる。このスプリットシリンダエネルギー回収モード１２２中に、回収制御バルブ６２と第２ＥＨＰ制御バルブ４２はブーム１３が降下を続行する速度を制御するために調節される。  
【００４５】
スプリットシリンダエネルギー回収モード１２２において、もしヘッドチャンバー流体量がロッドチャンバー３３及び３６を満たすために不十分であると、第３ＥＨＰ制御バルブ４３は開口し、第１ポンプ２２から補完流体を供給することができる。補完流体はシリンダアセンブリ１６及び１７を駆動するために使用されず伸張するロッドチャンバーを満たすためのみに使用されるような特有の圧力である必要はない。他方では、第１シリンダ３１のヘッドチャンバー３４が、大直径のピストンロッドで生ずるように、ロッドチャンバー３３及び３６を満たすために必要とされるより多くの流体を含む場合、過剰流体は第２ＥＨＰ制御バルブ４２を選択的に開くことにより戻り導管２６に送ることが可能である。
【００４６】
各ヘッドチャンバー３４及び３８からの流量はスプリットシリンダエネルギー回収モード１２２で別々に制御されるので、ブーム１３の各側面の力はねじり作用を不均一に発生させる可能性がある。この状態を回避するため、図７に示される疑似スプリットシリンダエネルギー回収モード１２３が採用できる。このモードはアキュムレータの圧力が以下の方程式により与えられるしきい値以下になるとデュアルシリンダエネルギー回収モード（図５）から直接選択できる。
【数４】
0005626712.tif 000005
この不等式の右辺は疑似スプリットシリンダエネルギー回収差分圧力と称される。上記不等式は摩擦及び他の要因による損失を含むように変更できることに留意すべきである。
【００４７】
このモードにおいて、シリンダ分離制御バルブ３９は２つのヘッドチャンバー３４及び３８間の圧力を連通させるために開かれたままである。ＥＨＰワークポートシャント制御バルブ６５は第１ブームシリンダ３１のヘッドチャンバー３４からロッドチャンバー３３及び３６へ加圧流体を送るために開口する。  
【００４８】
典型的な掘削機において、ブームシリンダアセンブリ１６及び１７は大直径ピストンロッド３５及び３７を有するので、ピストンの移動につれて、各ロッドチャンバー３３及び３６の容積は例えば各ヘッドチャンバーの容積の変化量の半分に変化する。つまり、疑似スプリットシリンダエネルギーモード１２３において、第１シリンダヘッドチャンバー３４から排出する流量は拡張するロッドチャンバー３３及び３６を満たすために充分である。従って、流体は開口したシリンダ分離制御バルブ３９に流れないが、もし１つ又は２つの体積関係が存在しなければ、ロッドチャンバー３３及び３６を満たすために必要な追加の流体は第２シリンダヘッドチャンバー３８からシリンダ分離制御バルブを介して流れる。それにもかかわらず、第２シリンダ３２のヘッドチャンバー３８の流体の（全部でない）ほとんどがアキュムレータ６０に流れる。
【００４９】
スプリットシリンダエネルギー回収モード１２２又は１２３の動作がアキュムレータを注入するため第２シリンダ３２のヘッドチャンバー３８から得られる充分な圧力がすでにない時点に達するが、以下の方程式で与えられるようにゼロ以上になると、
【数５】
0005626712.tif 000006
ブーム動作は図８に示されるクロスチャンバーエネルギー回収モード１２４に変化する。この不等式の左辺はクロスチャンバーエネルギー回収モード差分圧力と称される。上記不等式を摩擦及び他の要因による損失を含むように変更できることを留意すべきである。クロスチャンバーエネルギー回収モード１２４において、回収制御バルブ６２は典型的にはアキュムレータ６０内の比較的高い圧力を保存するために閉じられる。それにもかかわらず、第２ブームシリンダ３２のヘッドチャンバー３８内に充分な残留圧力があり、圧力センサー５７及び５９（図３）により示されるようにアキュムレータを注入し続け、回収制御バルブ６２はこのモードで部分的に開く。どちらの場合でも、シリンダ分離制御バルブ３９はワークポートシャント制御バルブ６５と共に開くので、両ヘッドチャンバー３４及び３８からのいくらかの流体が送られ、伸張するロッドチャンバー３３及び３６を満たす。ヘッドチャンバーから排出する流体の総量はロッドチャンバーを満たすのに必要以上であるので、第２ＥＨＰ制御バルブ４２が開き、過剰流体を戻り導管２６に且つタンク２３に送る。
【００５０】
エネルギー回収モード１２１、１２２、１２３及び１２４が上記の手順に従う必要がないことを留意すべきである。エネルギー回収モード１２１、１２２、１２３及び１２４の１つは各モードが所定の時点で提供する回収効率利益に基いて選択されるべきである。従って、どのエネルギー回収モードも他のエネルギー回収モードに何れかに変移し、適切な選択はここに提供された方程式に基いてシステム制御装置５０により実施される。
【００５１】
クロスチャンバーエネルギー回収モード１２４において、アキュムレータは最高蓄積能力に到達する。更に、シリンダ分離制御バルブ３９が開くにつれて、２つのヘッドチャンバー３４及び３８内の圧力が再び均等化し始める。好ましい実施例ではワークポートシャント制御バルブ６５を内蔵しているが、このバルブはスプリットシリンダエネルギー回収モード１２３が使用されないとコスト削減対策として除去される。その場合、ワークポートシャント制御バルブが開く時点で、制御バルブアセンブリ４０は第２及び第４ＥＨＰ制御バルブ４２及び４４を開くことにより動作し、分離バルブ３９の開口と共に２つのワークポート４６及び４８間のバルブ対の一方を介して流体を運ぶ。
【００５２】
最終的に、ブーム１３は重力自身による力が不十分で掘削機の有効動作のために十分に速くブーム降下を継続できない低位置に達する。ポンプからの圧力はブームを更に降下させるために必要である。この時点で、動作は図９に示される駆動エネルギーモード１２５に変移する。第３ＥＨＰ制御バルブ４３が開き、第１ポンプ２２から両ブームシリンダ３１及び３２のロッドチャンバー３３及び３６へ加圧流体を加える。この加圧流体はピストンをピストンロッドを更に後退させるために前進させ、ブーム１３を下方向に駆動する。この時点でヘッドチャンバー３４及び３８から排出する流体は開口したシリンダ分離制御バルブ３９と第２ＥＨＰ制御バルブ４２により戻り導管２６内に搬送される。第２及び第３ＥＨＰ制御バルブ４２及び４３はブームの速度を制御するために調節される。
【００５３】
掘削機１０のブーム１３とアーム１４の位置はブームがシリンダアセンブリ１６及び１７に従って回収可能なエネルギー量に作用する力の量に影響を与える。力の量はセンサー５６、５７及び５８により計測されたシリンダチャンバー圧力に相当する。従って、アキュムレータ圧力センサー５９と共にこれらのセンサーからの信号はシステム制御装置５０がエネルギー回収モードの何れかが実施可能であるか且つどのエネルギー回収モードが最も多くのエネルギーを回収できるかを決定するのを可能にする。
【００５４】
エネルギー再利用
ピストンロッドをブームシリンダ３１から伸長させ且つブーム１３を下方向に作用する負荷力Ｆに抗して上昇させる時点になると、流体は第１ポンプ２２からの加圧流体を使用する代わりに又はを追加してアキュムレータ６０から再利用できる。図１０に示される第１エネルギー再利用モード１３１において、アキュムレータ６０に蓄積された流体は開口回収制御バルブ６２及びシリンダ分離制御バルブ３９を介してシリンダヘッドチャンバー３４及び３８に供給される。ロッドチャンバー３３及び３６から排出される流体は開口した第４ＥＨＰ制御バルブ４４を介して戻り導管２６に流入する。
【００５５】
アキュムレータ６０はしばしばシリンダアセンブリ１６及び１７を駆動するために十分な圧力レベルに注入されないことを理解すべきである。さらに、アキュムレータに蓄積された流量もヘッドチャンバー３４及び３８を満たすために充分でない。このような例において、回収制御バルブ６２が開じられ、同時に、シリンダ分離制御バルブ３９も閉じられた図１１に記載された第２エネルギー再利用モード１３２が実施される。これによりアキュムレータ６０からの流体を第２シリンダ３２のヘッドチャンバー３８のみに向ける。回収制御バルブ６２は典型的にはアキュムレータからの流量の計測損失を解消するために完全に開口している。第１シリンダ３１のヘッドチャンバー３４は第１ＥＨＰ制御バルブ４１を介して第１ポンプ２２からの加圧流体を受ける。このようにして、第１シリンダ３１はポンプ流体により駆動され、第２シリンダ３２はアキュムレータからの流体により駆動される。第１ＥＨＰ制御バルブ４１と回収制御バルブ６２はブーム上昇速度を制御するために調節される。調整中に、２つのロッドチャンバー３３及び３６から排出する流体は開口した第４ＥＨＰ制御バルブ４４を介して戻り導管２６に還流される。
【００５６】
第２ポンプ８２は第２供給バルブ９９により第１ブームシリンダ３１のためのヘッドチャンバー３４のポートに接続され、どちらの場合でも、第２ポンプからの加圧流体はヘッドチャンバーに供給され、第１ポンプ２２からの流体を増大させることができる。この動作を達成するため、第２供給バルブ９９は第１ブームシリンダ３１のためのヘッドチャンバー３４に対する流量を計測し、同時に、第１ＥＨＰ制御バルブ４１が流量を計測するために使用される。
【００５７】
最終的に、アキュムレータ６０からの流体は激減され、もはや第２シリンダ３２を駆動するために使用できない。その時点で、油圧システム動作は図１２に示される第３エネルギー再利用モード１３３に入り、第２ポンプ８２からの流体がアキュムレータ６０からの流体に対する補填の代わりに又はとして使用される。この動作は流体を第２ポンプ８２から第２シリンダ３２のヘッドチャンバー３８に向けるために供給制御バルブ９８を開くことにより達成される。第１シリンダ３１のヘッドチャンバー３４は制御バルブアセンブリ４０を介して第１ポンプ２２からの流体を受けるのを継続し、ロッドチャンバー３３及び３６から排出される流体も制御バルブアセンブリを介して戻り導管２６に供給される。第３エネルギー再利用モード１３３において、第１ＥＨＰ制御バルブ４１と供給制御バルブ９８はブーム１３の上昇速度を制御するために調節される。
【００５８】
図１３は第１及び第２ポンプ２２及び８２の出力部がシリンダ分離制御バルブ３９により結合され且つヘッドチャンバー３４及び３８に流入される第４エネルギー再利用モード１３４を示している。第４エネルギー再利用モード１３４において、第１ポンプ２２からの流体は第１ＥＨＰ制御バルブ４１によりヘッドチャンバー３４及び３８に送られ、同時に、供給制御バルブ９８は流体を第２ポンプ８２からこれらの同チャンバーに送る。いくらかの流体は内部圧力レベルに依存してアキュムレータ６０から流れる。ロッドチャンバー３３及び３６から排出する流体は開口する第４ＥＨＰ制御バルブ４４を介して戻り導管２６に流れ込む。
【００５９】
図１４は第１ポンプのみからの流体が油圧シリンダアセンブリ１６及び１７のヘッドチャンバー３４及び３８を駆動する第５エネルギー再利用モード１３５を示している。第２ポンプ８２はこのモードにおいてブーム機能部３０に供給しない。第１ＥＨＰ制御バルブ４１は第１ポンプ２２からヘッドチャンバー３４及び３８への流量及びブーム上昇速度を制御する。第４ＥＨＰ制御バルブ４４はロッドチャンバー３３及び３６から戻り導管２６への流量を制御する。
【００６０】
第１−第５エネルギー再利用モード１３１−１３５において、ブーム１３に作用する力はブームを下降させる傾向にある。掘削機１０の他の動作状態において、外力はブーム１３を上昇させる傾向にある。例えば、図１を参照して、ブームアセンブリ１２が掘削機運転席１１から最遠到達点にいっぱいに伸ばされ、アームシリンダアセンブリ１８が地面を掘るためにバケットを運転席方向に引き込むために駆動されていると仮定する。この掘削動作に対する抵抗は、加圧流体をポンプ２２又は２８からブームシリンダアセンブリ１６及び１７に加えることなく、ブームを上昇させる上方向力を作用させる。
【００６１】
この上方向力をブーム１３に作用中に、ブームシリンダアセンブリ１６及び１７のための油圧システムの一部は図１５のように構成できる。この第６再利用モード１３６において、ブーム１３に作用する力は流体をロッドチャンバー３３及び３６から制御バルブアセンブリ４０の第２ワークポート４８へ強制的に送るシリンダ３１及び３２からのピストンロッドを更に伸張させる。第４ＥＨＰ制御バルブ４４はブームを所望の速度に制御する程度に開き、排出流体を戻り導管２６に送り込む。しかしながら、伸張するヘッドチャンバー３４及び３８は第２ＥＨＰ制御バルブ４２内のキャビテーション防止バルブを開口させる第１ワークポート４６で低圧力を発生させ、加圧流体を戻りノードから第１ワークポート４６に送る。この流体は現在開口しているシリンダ分離制御バルブ３９を介して第１ワークポート４６からヘッドチャンバー３４及び３８に流し続ける。ヘッドチャンバー３４及び３８の合成容量は２つのロッドチャンバー３３及び３６より大きいので、ヘッドチャンバーを満たすために追加の流体が要求される。この追加流体は戻り導管２６から制御バルブアセンブリ４０に引き込まれ、又はもし不十分な圧力が圧力センサー５５に示されるようにその導管内に存在しなければ、第１ＥＨＰ制御バルブ４１が開口して第１ポンプ２２から流体を供給する。第１ポンプからの流体はシリンダを駆動していないので特定の圧力で送る必要なく、単に、伸張するチャンバーを満たすのみである。
【００６２】
油圧システムはシリンダ分離制御バルブ３９を含むように叙述されたが、上述のようにアキュムレータ内のエネルギーの回収及び再利用に関する本発明の利点はこのバルブを用いなくても達成することもできる。ここで、第１シリンダアセンブリ１６のヘッドチャンバー３４と第２シリンダアセンブリ１７のヘッドチャンバー３８はシリンダ分離制御バルブ３９に結合されずに流体で連通するように共に結合される。回収動作中において、過大圧力がアキュムレータに加えられる場合に、このように構成された回路は図５、図７、図８及び図９に関連して上述されたように動作し、上述のように図５、図７、図８及び図９のモードを介して動作する。再利用中において、図２を参照すると、流体はポート６１を介してアキュムレータ６０から供給導管２５に対して開く注入再利用制御バルブ６６に流れる。第１ポンプ２２はこの再利用モードにおいて追加の流体を供給導管２５に与える。２つのシリンダ１６及び１７が示されているが、シリンダ分離バルブ３９が除去される場合、単一のシリンダが使用できる。１つ又は２つのシリンダが使用されるかどうかに関係なく、単一の圧力センサー５６又は５７が使用できる。
【００６３】
上記説明は主として本発明の好ましい実施例に向けられた。本発明の範囲内で種々の変形例が注目されるが、当業者が本発明の実施例の開示から明らかである追加の変形例を実現するであろうことが予期される。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】図１は本発明による油圧システムを内蔵する掘削機を示す斜視図である。
【図２】図２は掘削機のブームを昇降させるアクチュエータを動作させるための油圧システムの部分を示す概略図である。
【図３】図３はブーム用の油圧システムの代案部を示す概略図である。
【図４】図４はブーム用の油圧システムの他の代案部を示す概略図である。
【図５】図５は異なるエネルギー回収モードにおける図３の油圧システムの代案部を示す簡略概略図である。
【図６】図６は異なるエネルギー回収モードにおける図３の油圧システムの代案部を示す簡略概略図である。
【図７】図７は異なるエネルギー回収モードにおける図３の油圧システムの代案部を示す簡略概略図である。
【図８】図８は異なるエネルギー回収モードにおける図３の油圧システムの代案部を示す簡略概略図である。
【図９】図９は異なるエネルギー回収モードにおける図３の油圧システムの代案部を示す簡略概略図である。
【図１０】図１０は種々の回収エネルギー再利用モードにおける図３の油圧システムの代案部の簡略概略図である。
【図１１】図１１は種々の回収エネルギー再利用モードにおける図３の油圧システムの代案部の簡略概略図である。
【図１２】図１２は種々の回収エネルギー再利用モードにおける図３の油圧システムの代案部の簡略概略図である。
【図１３】図１３は種々の回収エネルギー再利用モードにおける図３の油圧システムの代案部の簡略概略図である。
【図１４】図１４は種々の回収エネルギー再利用モードにおける図３の油圧システムの代案部の簡略概略図である。
【図１５】図１５は種々の回収エネルギー再利用モードにおける図３の油圧システムの代案部の簡略概略図である。
【符号の説明】
【００６５】
１０    掘削機
１１    運転席
１２    ブームアセンブリ
１３    ブーム
１４    アーム
１５    バケット
１６、１７、１８、１９    油圧シリンダアセンブリ
２０    油圧システム
２１    作動液源
２２    ポンプ
２３    タンク
２５    供給導管
２６    戻り導管
２９    ピストン
３０    機能部
３１、３２    ブームシリンダ
３３、３６    ロッドチャンバー
３４、３８    ヘッドチャンバー
３５、３７    ピストンロッド
３９    ＥＨＰシリンダ分離制御バルブ
４０    制御バルブアセンブリ
４１、４２、４３、４４    電気油圧比例（ＥＨＰ）制御バルブ
４６    ワークポート
４９    アクチュエータ導管
５０    システム制御装置
５２    ジョイスティック
５４、５５、５６、５７、５８、５９    圧力センサー
６０    アキュムレータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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