专利名称：作业机械的控制装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及油压作业机械的油压控制回路。
背景技术：
在作业机械的油压回路中，当对油压缸等执行装置作用了大的负荷时，油压回路中的压力便升高，为了保护该回路中的油压装置，便设置溢流阀。一旦回路压力超过溢流压，工作油便经溢流阀释放至油箱。由此，压力便不会过大，可防止油压装置的损坏。
然而，由泵提供的工作油很多都在尚未供给执行装置的情况下经溢流阀直接释放至油箱。因此，作为溢流阀损失，存在着大量泵动力被浪费、从而导致能量效率下降的问题。
于是，便可在此溢流阀工作时进行旨在减少油压泵输出流量的截止控制。
具体地说有如下作法，即作为减少溢流流量及溢流损失的装置，在溢流阀的下流侧设置节流阀，当该节流阀的上流侧压力增大时，使泵流量减少的方法(如特开平10-246204号公报)；当溢流阀的温度升高时，使泵流量减少的方法(如特开2002-038536号公报)。
然而，前者的问题在于由于在溢流阀的下流设置节流阀，便会因该节流阀产生压力损失，系统能量效率不能得以充分改善。而且，当快速操作操作杆时，因溢流流量急速增大、泵流量急速减少，会产生压力的急剧变动，并随之产生振动。
后者的问题在于由于从溢流流量产生到溢流阀的温度升高存在时滞，所以从溢流流量产生时刻到泵流量被截止控制之时存在时滞，因而不能获得充分降低溢流损失的效果。又，溢流流量变为0之后，因尚有余热检测，泵流量仍被截止控制，不能立即获得必要的驱动力。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种不产生响应延迟、压力损失并能适当地降低溢流损失、有效节省油压泵的动力消耗的作业机械的控制装置。
本发明的作业机械的控制装置具有下列基本结构。
也就是说，作业机械的控制装置的结构为设有提供工作油的可变容量油压泵；控制可变容量油压泵输出量的控制器；控制可变容量油压泵输出的工作油的控制阀；根据来自控制阀的工作油进行致动的油压致动装置；用于操作油压致动装置的操作装置，以及当工作油的压力超过了预定溢流压时开启的溢流阀。进而，此控制器在具有油压式驱动装置的动态仿真模块的同时，可对应操作装置的操作量，由动态仿真模块推定流经溢流阀的加压油流量，并以溢流流量推定值临近0的形式控制可变容量油压泵的泵流量。
此动态仿真模块最好呈具有包括溢流阀的压力控制阀；油压泵；油压致动装置；控制阀的各单元的结构。
又，此动态仿真模块最好呈具有控制阀或压力控制阀的非线性特性的结构。
通过应用本发明，一旦操作操作装置，控制器就利用动态仿真模块实时地模拟油压式驱动装置的动态特性。此模拟的结果，先推定流经溢流阀的加压油流量再以此溢流流量推定值接近0为止的形式控制可变容量泵的泵流量。由此便能适当地降低溢流损失、有效地节省油压泵的动力。
又，由于采用操作量检测方式，所以不会产生采用溢流阀温度检测的现有技术所存在的时滞。由此便能解决因从溢流流量产生时刻到泵流量截止控制发挥作用之时的时滞而不能获得充分降低溢流损失的效果的问题，以及溢流流量变为0之后泵流量仍继续被截止控制而不能获得充分的驱动力的现存技术问题。
又，因不像现有技术的截止控制那样在溢流阀下流侧设置节流阀，所以不会产生剩余压力损失、并能进一步提高能量效率。
图1是示出本发明实施例中油压控制装置结构的油压回路图；图2是示出图1所示的控制器内部结构的框图；图3所示为本实施例中仿真模块的说明图；
图4是示出液压与泵流量之关系的图表；图5A～5C所示为本发明控制动作的说明图；图6A～6D是示出作为比较例的无控制情况下的图表；图7A～7D是对应图6A～6D的、用于说明本发明的溢流流量减少效果的对应图；图8是示出本发明第二实施例的油压回路图。
具体实施例方式
以下根据附图所示的实施例就本发明中作业机械的控制装置进行说明。
图1示出了本发明中作为控制装置的油压控制装置的油压回路。
图中1为作为一油压致动装置实例的油压电机；2为向该执行装置1提供工作油的可变容量式油压泵。
3为用于控制向执行装置1提供的工作油的流量及方向的控制阀。当操作作为操作装置的操作杆4时，从遥控阀5导出的液控压力P1(或P2)经过操纵管路6a(或6b)作用于控制阀3的任意一方的液控端口后，控制阀3呈从中立位置a切换到b或c位置状变化。
当控制阀3切换到b位置时，来自油压泵2的加压油经给排路7的一支给排路7a供给油压电机1，回流油则经另一支给排路7b流回油箱8(以下，仅仅称之为油箱)。
当控制阀3切换到c位置时，加压油通过给排路7b供给油压电机1，反向运动，回流油则通过给排路7a流回油箱8。
又，9a、9b为端口溢流阀；10a、10b为对应执行装置消耗流量、在泵流量不足时用于防止配管内产生气蚀的补充用单向阀；各阀门在总体上起闸阀的作用。
11为设于回返线(回流管路)12上的旨在确保用于进行补充的背压的背压闸阀；13为油冷却器；14为用于保持固定回路压的主溢流阀。
这里，将包括端口溢流阀9a、9b及主溢流阀14的各种阀统称为“压力控制阀”。
15a及15b为检测操纵管路6a及6b的液控压力的压力传感器。由此压力传感器15a、15b输出的液控压信号PIa、PIb，分别送至控制器16。
由15a、15b组成的压力传感器有时总称为“压力传感器15”。
控制器16根据从压力传感器15输出的液控压力信号PI，处于通过调节器(未示出)控制油压泵2输出量Qp的状态。
又，在作为油压泵2驱动源的发动机17上，设有检测其转数的转数传感器18。由此转数传感器18输出的转数信号S1送至控制器16。
进而，装于建筑机械19的前置式设备22上的各传感器也连接于控制器16。具体地说，适用于本实施例中油压控制装置的油压挖土机19可旋转自如地装载于下部移动体20上的上部旋转体21。而且，在此上部旋转体2 1的前部设有前置式设备22。
此前置式设备22由靠悬臂缸23a的伸缩进行起伏的悬臂23；靠伸臂缸24a的伸缩在前后方向进行转动的伸臂24；靠铲斗缸25a的伸缩在前后方向进行转动的铲斗25构成。23b为设于悬臂缸23a上的悬臂缸行程传感器；23c为悬臂缸压力传感器；24b为设于伸臂缸24a上的伸臂缸行程传感器；25b为设于铲斗缸25a上的铲斗缸行程传感器。各行程传感器及压力传感器起着检测前置式设备22的姿态及负荷的检测装置的作用。
从各行程传感器23b、24b、25b输出的、表示前置式设备22姿态的信号S2～S4及表示前置式设备22负荷的信号S5也送至控制器16。
此控制器16的内部结构如图2所示。
图中控制器16一旦接收到来自压力传感器15a、15b输出的液控压力信号PIa、PIb，就利用其内部预存的油压驱动方式仿真模块16a，进行由操作杆4施加了操作量后的溢流阀流量的运算。
图3所示为此仿真模块16a的说明。
图中所示的仿真模块16a表示旋转系驱动系统的状况。此系统的主要结构有油压泵30；连接于油压电机31输出轴处的减速器32；连接于减速器32旋转轴处的旋转惯性平衡块33；将由油压泵30输出的加压油的流量、方向进行控制并供给油压电机31的控制阀34；主溢流阀35；端口溢流阀36a、36b；单向阀37a、37b；旁路阀38。
这里，有时将包括端口溢流阀36a、36b及主溢流阀35的各种阀门总称为“压力控制阀”。
又，控制阀34由旁路节流阀(B/O)39；入口节流阀(M/I)40；出口节流阀(M/O)41构成。42代表油箱。
在此仿真模块中，如模型左侧给出的非线形控制阀开口面积特性所示，随着液控压PI增大，旁路节流开口(图中以B/O表示的曲线)收拢。与其相反，入口节流开口(图中以M/I表示的曲线)及出口节流开口(图中以M/O表示的曲线)打开。其结果，送入油压电机31的加压油流量呈增加状变化。
此仿真模块16a的控制方程式如下所示。
JL(2π/qN2)ω·a=Pmi-Pmo···(1)]]>P·mi=K/Vmi(Qmi-Qa-Qr1+Qc1)···(2)]]>P·mo=K/Vmo(Qa-Qmo-Qr2+Qc2)···(3)]]>P·p=K/Vp(Qp-Qbo-Qmi-Qrp)···(4)]]>Abo＝fbo(S)，Ami＝fml(S)，Abo＝fbo(S) …(5)Qbo＝CvAbo+(2Pp/γ)…(6)Qmi＝CvAmi(2(Pp-Pmi)/γ) …(7)Qmo＝CvAmo(2Pmo/γ)…(8)Qa＝qNωa/2π …(9)这里，JL负荷的惯性力矩；P压力；Q流量；K油体积弹性率；V配管内容积；A面积；L长度；CV流量系数；γ油比重量；λ管摩擦系数；D配管径；S操作杆量；N减速比；q油压电机容量；ω旋转速度。又，下标bo旁路；mi入口；mo出口；p泵；a油压电机；c单向阀；r端口溢流阀；rp主溢流阀；pi配管部；1上流侧；2下流侧。
上述式中，作为油压源的油压泵30的各单元，将油压泵流量Qp赋值到式(4)。
作为执行装置的特性，将油压电机容量q赋值到式(1)。
又，作为控制阀34的特性，将构成该控制阀34的旁路节流阀39、入口节流阀40、出口节流阀41的各开口面积Abo、Ami、Amo与操作杆操作量S之关系送至式(5)。
又，当发动机转数变化时，油压泵流量随之变化。因此，将由装于发动机17上的转数传感器18输出的转数信号S1收入控制器16，并对应收入的发动机转数变更仿真模块16a的油压泵输出流量。
又，上部旋转体21的旋转转动惯性力矩对应前置式设备22的姿态及负荷进行变化。因此，可加以控制。也就是说，首先，将由悬臂缸行程传感器23b、伸臂缸行程传感器24b、铲斗缸行程传感器25b及悬臂缸压力传感器23c输出的各信号S2～S5进行检测。接着，将这些信号输入控制器16。然后，根据这些信号计算出前置式设备22的姿态及负荷，并将仿真模块16a的惯性力矩JL进行变更。由此，就能将接近实际工作状态的油压式驱动装置的动态特性进行摸拟。
本实施例的仿真模块中，令这些控制方程式联立，通过应用例如Newmark-β法等数值积分法，进行时间表响应运算。
下面，就控制器16的控制动作进行说明。
控制器16利用仿真模块16a从泵压测量值PI推导溢流流量Qr。
接着，油压泵流量控制部16b用上述流量推定值通过下式求出泵流量。
Qp＝Qpc-Qcut＝Qpc-G×Qr…(10)这里，Qpc为进行本控制时的泵流量，对应液控压PI送至图4所示的特性C1。
本实施例的控制如式(10)所示，通过上述Qpc减去溢流流量推定值Qr乘以增益G后的截止流量Qcut来确定泵流量Qp。
在执行装置加速时，由于执行装置的惯性等造成的相对泵流量Qp的响应延迟，执行装置消耗流量Qa变得小于泵流量Qp，形成剩余流量Qex＝Qp-Qa。在操作杆为中档区域(half lever)时，此剩余流量经旁路节流阀39释放到油箱42。另一方面，在进行操作杆高档(full lever)加速时，由于旁路节流阀39关闭，该剩余流量Qex便通过主溢流阀35释放到油箱42(参见图3)。
这里，将剩余流量在不进行本实施例的控制时和进行其控制时加以比较。不进行本控制时的剩余流量Qex1如下式(11)所示。
Qex1＝Qpc-Qa(11)与其相对，进行本实施例控制时的剩余流量Qex2如下式(12)所示。
Qex2＝Qpc-Qcut-Qa(12)从而，当进行本实施例的控制时，经图1所示的溢流阀14释放到油箱26的剩余流量与不控制时相比，减少了Qex1-Qex2＝Qcut。通过剩余流量的这一减少，能够减少溢流阀14上的压力损失，并能提高油压回路的能量效率。
进而，本实施例的控制如式(10)所示，截止流量Qcut可由溢流流量推定值Qr乘以比例增益G求得。因此，截止流量Qcut变为对应溢流流量Qr进行增减。通过此作用，当溢流流量Qr大时截止流量Qcut也大，所以能够提高能量效率的改善量。
另一方面，当溢流流量Qr小时截止流量Qcut也变小。因此能够只减少超过需要的泵流量，解决现有控制技术采用的将泵流量一概抑制、执行装置响应低的问题。
又，式(10)中采用了截止流量Qcut相对溢流流量Qr乘以增益G的方法即比例计算，也可以加上现有控制方法的积分计算或微分计算。通过此方法，能够减少平稳偏差或改善响应性能。
下面，参照图5A～5C就本实施例的控制动作进行说明。
如图5A的特性C2所示，当操作杆4(参考图1)从中档位置急速操作到高档时，相对泵流量Qp，因执行装置的惯性等存在响应延迟。因此，执行装置消耗流量Qa变得小于泵流量Qp，工作油充入泵侧配管内。其结果如图5B的特性C3所示，泵压升高，超过溢流压Pr，溢流阀14启动(打开)。
此时，一旦加大增益G，截止流量Qcut便如式(10)所示变大。因此，如图5C的特性C4所示，泵流量Qp急速减少。与其相对，通过限制泵流量Qp的时间变化量，如特性5C所示，能够解决泵流量Qp急速减少的问题。进而，随着时间变化，执行装置增速、执行装置流量增加使溢流流量减少。因此，截止流量Qcut随着时间变化而变小，泵流量平稳地增加。特性C6为用于对比而示出的现有技术的泵流量特性。
图6A～6D及图7A～7D为用来说明本实施例的控制效果的图表。
首先，图6A～6D所示为用作对比的、未加控制时的动作图。如图6A的特性C7所示，当将操作杆4从中档急速操作到高档时，如图6B～C8所示，由于泵压升高、超过溢流压Pr，溢流阀启动，尽管泵流量仍在供给中(参见图6C的特性C9)，其多余的部分经溢流阀14释放到油箱26。因此(参见图6D的特性C10)，溢流阀14的压力损失大，能量效率低。
与其相对，本实施例虽进行截止控制，但当加大式(10)的增益G时，溢流流量产生后泵流量急速减少，泵压下降到溢流压以下。此时，由于截止流量为“0”，泵流量便急速增加。于是再次因泵压超过溢流压而产生溢流流量，泵流量被截止而急速减少。这样，便存在泵流量、溢流流量在短时间内返复地急速变动而形成振动状态的问题。
于是，本实施例在上述溢流流量发生后，如图7C的特性C11所示，以泵流量平稳增加进行控制。所以，如图7D的特性C12所示，与没有图6D控制的溢流流量相比溢流流量有效地减少。因此能够降低溢流损失、提高能量效率。
本实施例中，控制器16能够以可变容量泵的泵流量不发生急变的形式将每单位时间的泵流量变化量限制在一定值以下。具体地说，或是限制泵流量指令值的时间变化量，或是形成对泵流量指令值加以一次延迟、移动平均、延迟限制等过渡响应。由此，即使急速地操作操作杆导致溢流流量急速增大，仍能抑制泵流量急速减少，因此能够防止振动。
图8所示为本发明的油压控制装置的实施例2的图。
与图1相同结构单元附以相同的符号，故其说明从略。
图8中，流经油箱26的回流配管12上设有背压单向阀11及冷却器13。作为执行装置，当除油压电机1外还设有油压缸(无图示)时，在将其缸用于收缩方向时，通过缸的头部侧与杆部侧的面积差，流经回流配管12而返回的工作油即回流侧流量增加。因此，存在背压单向阀11及冷却器13的压力损失增加、回流配管12内的压力升高的情况。
以挖掘作业为例进行说明的话，即如将前置式设备的伸臂在伸出方向上操作，据此，伸臂缸在收缩方向动作的情况。
此时，将回流配管12的压力通过压力传感器44进行测量，将测得的压力信号S6送至控制器16。控制器16上，使压力信号S6起着作为溢流阀35的背压侧配管43的压力(参见图3)的作用，以此进行溢流流量Qr的推定。也就是说，控制器16构成使得可根据由其压力传感器44检测到的背压进行仿真模块内油压泵2的泵压校正并根据校正后的泵压和溢流阀35的流量特性进行溢流流量推定。
此结构中，即使回流流量增加、回流配管12内的压力升高后，考虑到该影响，推定溢流流量Qr。因此，能使溢流流量推定的精度加以提高，并能有效地降低溢流压力损失、提高能量效率。
本发明的油压致动装置在上述实施例中以旋转系油压电机为例进行了说明。当然不仅限于此，还可以是作为卷扬系驱动源的卷扬电机及作为走行系驱动源的走行电机的任意一种或二者之组合的结构。
尽管参考优选实施例并结合附图描述了本发明，但需要注意的是，在不偏离随后权利要求书所限定的范围内，本发明在这里还可以进行修改和等效替换。
权利要求
1.一种作业机械的控制装置，该装置包括供给工作油的可变容量油压泵；控制所述可变容量油压泵输出量的控制器，此控制器具有油压式驱动装置的动态仿真模块；控制所述可变容量油压泵输出的工作油的控制阀；根据来自所述控制阀的工作油而进行工作的油压致动装置；用于操作所述油压致动装置的操作装置；以及当所述工作油的压力为预定的溢流压以上时进行工作的溢流阀，其特征在于，所述控制器对应所述操作装置的操作量，由所述动态仿真模块推定流经所述溢流阀的加压油流量，以溢流流量推定值临近“0”的形式控制所述可变容量油压泵的泵流量。
2.根据权利要求1所述的作业机械的控制装置，其特征在于，所述动态仿真模块是在模块内具有包括所述溢流阀的压力控制阀、所述油压泵、所述油压致动装置、所述控制阀的各单元的装置。
3.根据权利要求2所述的作业机械的控制装置，其特征在于，所述动态仿真模块是具有所述控制阀或所述压力控制阀的非线性特性的装置。
4.根据权利要求2所述的作业机械的控制装置，其特征在于，还具有检测所述作业机械的发动机转数的转数传感器。
5.根据权利要求4所述的作业机械的控制装置，其特征在于，所述控制器是对应所述转数传感器检测的发动机转数进行所述仿真模块中所述油压泵的输出流量变更的装置。
6.根据权利要求4所述的作业机械的控制装置，其特征在于，还具有设于所述作业机械上的前置式设备；以及检测所述前置式设备姿态及负荷的检测装置。
7.根据权利要求6所述的作业机械的控制装置，其特征在于，所述控制器是根据由所述检测装置检测的前置式设备姿态及负荷变更所述仿真模块中油压致动装置的惯性力矩的装置。
8.根据权利要求1所述的作业机械的控制装置，其特征在于，所述控制器以所述可变容量油压泵的泵流量不发生急变的形式将每单位时间的泵流量变化量限制在一定值以下。
9.根据权利要求2所述的作业机械的控制装置，其特征在于，还具有设于流经油箱的回流管路上的压力传感器。
10.根据权利要求9所述的作业机械的控制装置，其特征在于，所述控制器是根据所述压力传感器检测的背压进行所述仿真模块内的所述油压泵的泵压校正并根据校正后的泵压和所述溢流阀的流量特性推定溢流流量的装置。
11.根据权利要求1所述的作业机械的控制装置，其特征在于，所述油压致动装置是作为旋转系驱动源的旋转电机、作为卷扬系驱动源的卷扬电机及作为走行系驱动源的走行电机中的一种。
全文摘要
本发明涉及一种作业机械的控制装置，设有提供工作油的可变容量油压泵；控制此可变容量油压泵输出量的控制器；控制可变容量油压泵输出的工作油的控制阀；根据来自此控制阀的工作油进行致动的油压致动装置；用于操作此油压致动装置的操作杆；当工作油的压力超过了溢流压时开启的溢流阀，进而，此控制器设有油压式驱动装置的动态仿真模块，对应操作杆的操作量，由动态仿真模块推定流经溢流阀的加压油流量，以溢流流量推定值临近“0”的形式控制可变容量泵的泵流量，因此，能够既不发生响应延迟也不发生压力损失，准确地削减溢流损失，节约动力。
文档编号F15B11/16GK1573126SQ20041006316
公开日2005年2月2日 申请日期2004年5月22日 优先权日2003年5月22日
发明者今西悦二郎, 菅野直纪, 南条孝夫 申请人:神钢建设机械株式会社