(57)【要約】【課題】ブリードオフ制御の良好な旋回性能を維持しながら、省エネルギーを実現する。【解決手段】可変容量型の油圧ポンプ２０と旋回モータ２１との間にコントロールバルブ２２を設け、ブリードオフ制御によって旋回モータ２１を制御する構成において、旋回開始時のブリードオフ流量を最小値とするとともに、旋回加速段階で旋回加速圧力が時間とともに漸減する特性が得られるように、実際のモータ流入流量の増加分から、旋回体の慣性質量と加速力から求められる流量分を差し引いてポンプ流量を増加させるように構成した。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
可変容量型の油圧ポンプと、この油圧ポンプからの吐出油により駆動されて旋回体を旋回させる旋回モータと、操作手段により操作されて上記旋回モータをブリードオフ制御するコントロールバルブと、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を具備し、このポンプ制御手段は、旋回開始時にポンプ吐出流量を所定の最小値とし、かつ、旋回加速圧力が時間の経過とともに漸減する方向にポンプ吐出流量を制御するように構成され、上記コントロールバルブは、ブリードオフ開口面積が、上記ポンプ吐出流量の所定の最小値で所定の加速圧力が得られる大きさに設定されたことを特徴とする旋回油圧回路。
【請求項２】
ポンプ制御手段は、ポンプ容量を制御するポンプレギュレータと、このポンプレギュレータに流量指令を出すコントローラと、旋回モータの流入流量を検出するモータ流量検出手段と、旋回体の慣性質量を求めるためのデータを検出する慣性質量データ検出手段とを具備し、上記コントローラは、旋回加速によって旋回モータに流入する油の増加分から、旋回体の加速力に基づいて求められる流量を差し引いた流量だけポンプ流量を増加させるように構成されたことを特徴とする請求項１記載の旋回油圧回路。
【請求項３】
コントロールバルブが、メータイン及びメータアウト通路を備えたバルブ本体と、このバルブ本体に対し独立して設けられたブリードオフ弁とによって構成されたことを特徴とする請求項１または２記載の旋回油圧回路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は油圧ショベル等の旋回式作業機械において、ブリードオフ制御によって旋回モータを制御する旋回油圧回路に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
油圧ショベルを例にとって説明する。
【０００３】
油圧ショベルは、図３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が縦軸まわりに旋回自在に搭載され、この上部旋回体２に、ブーム３とアーム４とバケット５、それにこれらを駆動する油圧シリンダ６，７，８から成る作業アタッチメント９を装着して構成される。
【０００４】
この油圧ショベルの上部旋回体２を旋回させるための旋回制御方式として、コントロールバルブのブリードオフ通路によって加速圧力を制御するブリードオフ制御が公知である（たとえば特許文献１参照）。
【０００５】
このブリードオフ式旋回油圧回路を図４に示す。
【０００６】
同図において、１０は油圧源としての可変容量型の油圧ポンプ、１１はこの油圧ポンプ１０からの吐出油により駆動されて上部旋回体２を旋回させる旋回モータで、これらの間に、図示しない操作手段（たとえばリモコン弁）によって操作されるコントロールバルブ１２が設けられ、このコントロールバルブ１２によって旋回モータ１１の回転方向と速度が制御される。
【０００７】
ここでは、説明を分かり易くするためにコントロールバルブ１２を模式的に示している。
【０００８】
コントロールバルブ１２は、メータイン、メータアウト、ブリードオフ各通路（開口）１３，１４，１５を有し、これら各通路１３，１４，１５の開口面積がコントロールバルブ１２のストロークに応じて図５に示すように変化する。
【０００９】
すなわち、コントロールバルブ１２がストローク作動すると、ブリードオフ通路１５が絞られてポンプ圧力が上昇し、メータイン、メータアウト両通路１３，１４により旋回モータ１１に油が供給されて同モータ１１が回転し始める。
【００１０】
ここで、バルブストロークの約３０％〜９０％の区間ではブリードオフ通路１５が開いているため、圧力はリリーフ圧よりも低く、ポンプ吐出流量Ｑは、
Ｑ＝Ｃ・Ａ・√ΔＰ  …▲１▼式
（Ｃ：定数  Ａ：ブリードオフ開口面積）
となる。
【００１１】
そして、加速トルクは圧力によって決定されるので、加速トルクもバルブストロークの約３０％〜９０％の区間では低くなる。
【００１２】
図６は、あるバルブストロークにおける時間と加速圧力の関係を示すもので、上部旋回体２が加速されるにつれて旋回モータ１１に流入する流量が増加する一方で、タンク１６に流れる流量が減少するため、ブリードオフによる圧力は低下して図のようになる。
【００１３】
このように、ブリードオフ制御によると、旋回時に滑らかに加速した後、加速感が徐々に無くなって等速度になるという良好な旋回性能が得られ、操作性が良いものとなる。
【００１４】
【特許文献１】
実公平４−４２５６２号公報
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、従来のブリードオフ制御によると、上記のように良好な旋回性能が得られる反面、旋回加速の初期から大流量を流してポンプ圧力を上昇させ、その大半をタンク１６にブリードオフさせるため、エネルギーロスが大きいという問題があった。
【００１６】
そこで本発明は、ブリードオフ制御特有の良好な旋回性能を維持しながら、省エネルギーを実現することができる旋回油圧回路を提供するものである。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、可変容量型の油圧ポンプと、この油圧ポンプからの吐出油により駆動されて旋回体を旋回させる旋回モータと、操作手段により操作されて上記旋回モータをブリードオフ制御するコントロールバルブと、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を具備し、このポンプ制御手段は、旋回開始時にポンプ吐出流量を所定の最小値とし、かつ、旋回加速圧力が時間の経過とともに漸減する方向にポンプ吐出流量を制御するように構成され、上記コントロールバルブは、ブリードオフ開口面積が、上記ポンプ吐出流量の所定の最小値で所定の加速圧力が得られる大きさに設定されたものである。
【００１８】
請求項２の発明は、請求項１の構成において、ポンプ制御手段は、ポンプ容量を制御するポンプレギュレータと、このポンプレギュレータに流量指令を出すコントローラと、旋回モータの流入流量を検出するモータ流量検出手段と、旋回体の慣性質量を求めるためのデータを検出する慣性質量データ検出手段とを具備し、上記コントローラは、旋回加速によって旋回モータに流入する油の増加分から、旋回体の加速力に基づいて求められる流量を差し引いた流量だけポンプ流量を増加させるように構成されたものである。
【００１９】
請求項３の発明は、請求項１または２の構成において、コントロールバルブが、メータイン及びメータアウト通路を備えたバルブ本体と、このバルブ本体に対し独立して設けられたブリードオフ弁とによって構成されたものである。
【００２０】
上記構成によると、従来のように旋回開始時から大流量を流すのではなく、旋回開始時には少ない流量を流し、加速に伴ってポンプ流量を増加させる。
【００２１】
従って、旋回の立ち上がりでブリードオフ流量が少なくなるため、省エネルギーとなる。
【００２２】
一方、旋回加速時に、単純に旋回モータへの流入流量の増加分だけポンプ流量を増加させると、加速圧力も漸増するため、図６の良好な旋回性能を維持できなくなる。
【００２３】
そこで、加速時間の経過とともに加速圧力が漸減する方向にポンプ流量を制御する（請求項２ではモータ流入流量の増加分から、旋回体の慣性質量と加速力とから求められる流量を差し引いた量だけポンプ流量を増加させる）ため、ブリードオフ制御特有の良好な旋回性能を維持することができる。
【００２４】
また、請求項３の構成によると、最大ポンプ流量が流れるメータイン、メータアウト両通路と、常に少量のポンプ流量を通すブリードオフ通路とを別々のバルブ（コントロールポンプ本体とブリードオフ弁）に分けているため、これらをそれぞれに求められる開口面積に最適な大きさとして、コントロールバルブ全体をコンパクトにすることができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態を図１，２によって説明する。
【００２６】
以下の実施形態では、図３に示す油圧ショベルの上部旋回体２を旋回させるための旋回油圧回路を適用対象として例にとっている。
【００２７】
第１実施形態（図１参照）
図１において、基本的な回路構成は図４に示す従来のブリードオフ式旋回油圧回路と同じである。
【００２８】
すなわち、可変容量型の油圧ポンプ２０と旋回モータ２１との間に、メータイン、メータアウト、ブリードオフ各通路２３，２４，２５を備えたコントロールバルブ２２が設けられ、このコントロールバルブ２２がリモコン弁２６によって操作される。２７はリリーフ弁である。
【００２９】
２８はポンプレギュレータで、このポンプレギュレータ２８がコントローラ２９からの流量指令に応じて油圧ポンプ２０の容量を制御する。
【００３０】
コントローラ２９には、モータ回転数センサ３０によって検出される旋回モータ２１の回転数（モータ流入流量に対応）と、慣性質量データ検出手段３１によって検出される上部旋回体２の慣性質量を求めるためのデータとが入力される。
【００３１】
慣性質量データ検出手段３１は、図３に示す作業アタッチメント９の姿勢（ブーム３、アーム４、バケット５の角度）を検出する姿勢センサと、バケット負荷を検出するためにブーム起伏用シリンダ６の保持圧（ヘッド側圧力）を検出する負荷センサとから成り、コントローラ２９においてこれら各センサで検出されたデータに基づいて上部旋回体２の慣性質量が求められる。
【００３２】
すなわち、慣性質量をＩ、旋回モータ２１の加速トルクをＴとすると、
Ｔ＝Ｉ・ω  …▲２▼式    （ω：角加速度）
となり、角加速度ωから角速度を計算してモータ流量に換算し、これを後述するようにポンプ制御に用いる。
【００３３】
この旋回油圧回路においては、旋回開始時に、ポンプ流量を所定の最小値（たとえば最大流量の１／１０）とすることを特徴とする。
【００３４】
ここで、前記▲１▼式の関係から、ポンプ流量を最小値に減らしても同じ旋回加速圧力を得るには、ブリードオフ開口面積を流量と同じ比率Ｋで減少させればよい。このブリードオフ開口面積を減少させた場合のブリードオフ開口特性を図５中に破線イで示す。
【００３５】
こうすれば、旋回開始時に大流量を流しその大半をブリードオフでタンク１６に戻す従来回路と比較して、ブリードオフ流量が最小ですむため、エネルギーロスが最小限に少なくなる。
【００３６】
ただし、旋回加速段階で単純に旋回モータ２１に流入した流量だけポンプ流量を増加させると、常に加速圧力が作用するため、図６の特性を得ることができない。
【００３７】
そこで、時間の経過とともに加速圧力が漸減するようにポンプ流量を制御する。
【００３８】
具体的には、まず、▲２▼式から加速トルクＴと上部旋回体２の慣性質量Ｉを用いて角加速度ωを求め、ここから角速度を計算して流量に換算した後、この流量に前記ポンプ流量減少比率Ｋを掛けて減らすべきモータ流量を求める。
【００３９】
そして、このモータ流量を、モータ回転数センサ３０によって検出される実際のモータ流入流量から差し引いて、増加モータ流量を求め、ポンプレギュレータ２８の作用によりこの増加モータ流量だけポンプ流量を増加させる。
【００４０】
上記の関係をまとめると、
ポンプ流量をＱ／Ｋ、ブリードオフ開口面積をＡ／Ｋとすれば良好な旋回加速圧力が得られる。また、慣性質量とトルクから計算するＴ１時のモータ流量をＱ１、実際のモータ流量をＱ２とすると、Ｔ１時のポンプ流量を、
Ｑ／Ｋ＋Ｑ２−Ｑ１／Ｋ
とすれば、時間に対する加速性能が図６の性能と同等となる。
【００４１】
この制御により、ブリードオフ制御特有の良好な旋回性能を生かしながら、無駄なブリードオフ流量を減らして省エネルギーを実現することができる。
【００４２】
なお、上記モータ流量Ｑ１について、上記のように上部旋回体２の慣性質量Ｉと加速力から求めるのが望ましいが、慣性質量Ｉの変動が少ない場合等には、加速力のみに基づいて簡易的にモータ流量Ｑ１を計算してもよい。
【００４３】
第２実施形態（図２参照）
本発明においては、ブリードオフ流量が最少となる一方で、メータイン、メータアウトは最大ポンプ流量が流れるため、第１実施形態の構成では、コントロールバルブ２２に開口面積の大きいものが必要となる。
【００４４】
そこで、第２実施形態においては、メータイン及びメータアウト両通路３３，３４を備えたコントロールバルブ本体３５と、同本体３５に対し独立して作動するブリードオフ弁３７（３６はブリードオフ通路）を設け、これらによってコントロールバルブ３２を構成している。
【００４５】
こうすれば、バルブ本体３５とブリードオフ弁３７のスプールをそれぞれに必要な開口面積に最適な大きさにできるため、コントロールバルブ３２全体としてコンパクトにすることができる。また、ブリードオフ用スプールを小さくできるため、フローフォースの影響を小さくすることができる。
【００４６】
この第２実施形態においても、ブリードオフ弁３７のブリードオフ通路３６を小開口面積に設定してブリードオフ流量を最小限に少なくする点、及び加速圧力が漸減する方向にポンプ流量を制御する点は第１実施形態の場合と同じである。
【００４７】
ところで、上記実施形態では、図６に示す従来のブリードオフ制御による旋回性能と同等の性能が得られるようにポンプ流量を制御することとしたが、図６の旋回性能とは若干異なるがこれに近い性能が得られるように、旋回加速圧力が時間とともに漸減する方向にポンプ流量を制御する構成をとってもよく、その一例として、前記のように旋回の加速圧力のみに基づいてモータ流量を計算する方式をとることができる。
【００４８】
また、本発明は油圧ショベルに限らず、上部旋回体を備えた旋回式の作業機械に広く適用することができる。
【００４９】
【発明の効果】
上記のように本発明によると、ブリードオフ制御特有の良好な旋回性能を維持しながら、ブリードオフ流量を少なくして省エネルギーを実現することができる。
【００５０】
また、請求項３の発明によると、最大ポンプ流量が流れるメータイン、メータアウト両通路と、常に少量のポンプ流量を通すブリードオフ通路とを別々のバルブ（ブリードオフ弁とコントロールバルブ本体）に分けているため、これらをそれぞれに求められる開口面積に最適な大きさとして、コントロールバルブ全体をコンパクトにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態を示す回路図である。
【図２】本発明の第２実施形態を示す回路図である。
【図３】本発明の適用対象例である油圧ショベルの概略側面図である。
【図４】従来のブリードオフ制御による旋回油圧回路を模式的に示す図である。
【図５】従来回路及び本発明の実施形態によるコントロールバルブの開口特性を示す図である。
【図６】従来回路及び本発明の実施形態による加速圧力の特性図である。
【符号の説明】
２０  圧油ポンプ
２１  旋回モータ
２２  コントロールバルブ
２３  メータイン通路
２４  メータアウト通路
２５  ブリードオフ通路
２８  ポンプ制御手段を構成するポンプレギュレータ
２９  同コントローラ
３０  同モータ回転数センサ
３１  同慣性質量データ検出手段
３２  コントロールバルブ
３３  メータイン通路
３４  メータアウト通路
３５  コントロールバルブ本体
３６  ブリードオフ通路
３７  ブリードオフ弁
【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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