建设机械的制作方法

本发明涉及具有通过液压泵来直接驱动液压致动器的液压闭式回路的建设机械。

背景技术：

近年来，在液压挖掘机或轮式装载机等建设机械中，节能化成为重要的研发项目。在建设机械的节能化中液压系统的节能化是有效的。因此，研究了不经由调节阀地连接双向倾斜型的液压泵与液压致动器，通过液压泵直接驱动液压致动器的液压回路(以下，称为“液压闭式回路”。)的应用。在液压闭式回路中，没有调节阀的压损，此外，由于液压泵只排出液压致动器所需的流量，所以没有分流有关的流量损失。因此，在应用了液压闭式回路的液压系统中，与现有的液压系统相比能够实现节能化。

作为公开液压闭式回路的发明例如存在专利文献1。在专利文献1中，公开了如下作业机械的驱动装置：将流体压致动器(以下，单杆式液压缸)与双向倾斜型可变容量泵(以下，开式回路泵)直接连接，并且能够将单向倾斜可变容量泵(以下，闭式回路泵)的工作油供给到单杆式液压缸的底部室(以下，罩室)或杆室。该液压闭式回路具有：冲洗阀门(以下为冲洗阀)，其将连接闭式回路泵与单杆式液压缸的两个油路(以下为罩侧油路和杆侧油路)的低压侧与油箱连通，用于吸收罩侧油路与杆侧油路的流量差。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2005-76781号公报

技术实现要素：

发明要解决的课题

根据专利文献1所记载的作业机械的驱动装置，通过将开式回路泵的工作油供给到单杆式液压缸的杆室(杆辅助动作)，可以使气缸收缩动作增速。

但是，根据开始杆辅助动作的时刻不同，罩侧油路不经由冲洗阀与油箱连通，无法经由冲洗阀使罩侧油路的剩余油返回到油箱。结果是，罩室的压力(背压)过度上升，可能无法使气缸收缩动作稳定增速。

本发明是鉴于上述课题而完成的，其目的在于，提供一种建设机械，其具有通过双向倾斜可变容量泵来直接驱动单杆式液压缸的液压闭式回路，可以使单杆式液压缸的收缩动作稳定增速。

为了达成上述目的，本发明提供一种建设机械，其具有：单杆式的液压缸，其具有罩室和杆室；第一液压泵，其是双向倾斜可变容量泵；罩侧油路，其将所述第一液压泵的一个排出端口与所述罩室连接；杆侧油路，其将所述第一液压泵的另一个排出端口与所述杆室连接；油箱；冲洗阀，其将所述罩侧油路以及所述杆侧油路中的任意一个低压侧的剩余油排出到所述油箱；第二液压泵，其是单向倾斜可变容量泵；杆侧切换阀，其将所述第二液压泵的排出端口与所述杆室连通或阻断；操作杆，其用于指示所述液压缸的动作；罩压检测装置，其检测所述罩室的压力；杆压检测装置，其检测所述杆室的压力；以及控制器，其根据来自所述操作杆、所述罩压检测装置、以及所述杆压检测装置的输入，控制所述第一液压泵、第二液压泵、以及所述杆侧切换阀，其中，所述控制器在经由所述操作杆指示了所述液压缸的收缩动作的情况下，在从所述杆室的压力减去所述罩室的压力而得的差压是被设定为所述冲洗阀的切换设定压以上的第一阈值以下时，关闭所述杆侧切换阀而无法进行从所述第二液压泵向所述杆室供给工作油的杆辅助动作，在所述差压比所述第一阈值大时，打开所述杆侧切换阀而能够进行所述杆辅助动作。

根据这样构成的本发明，在向收缩方向操作了单杆式液压缸时，单杆式液压缸的罩室没有经由冲洗阀与油箱连通时不能进行杆辅助动作，在罩室经由冲洗阀与油箱连通时能够实现杆辅助动作。由此，在开始了杆辅助动作之后罩室的排出流量的一部分经由冲洗阀而返回到油箱，因此抑制罩压的上升。结果是，可以使单杆式液压缸的收缩动作稳定增速。

发明效果

根据本发明，在具有通过双向倾斜可变容量泵来直接驱动单杆式液压缸的液压闭式回路的建设机械中，能够使单杆式液压缸的收缩动作稳定增速。

附图说明

图1是作为本发明的实施方式所涉及的建设机械的一例的液压挖掘机的侧视图。

图2是表示搭载于图1所示的液压挖掘机的驱动装置的待机状态的图。

图3是图2所示的控制器的功能框图。

图4是表示图2所示的控制器的一控制周期中的处理的流程的流程图。

图5是表示没有进行图2所示的驱动装置的杆辅助动作时的状态的图。

图6是表示图3所示的杆辅助可否判定部的运算例的图。

图7是表示进行了图2所示的驱动装置的杆辅助动作时的状态的图。

图8是表示图3所示的杆辅助流量限制部的运算例的图。

具体实施方式

以下，参照附图，对作为本发明的实施方式所涉及的建设机械而列举液压挖掘机为例进行说明。另外，各图中，对相同的部件标注一样的符号，适当省略重复的说明。

图1是本实施方式所涉及的液压挖掘机的侧视图。

如图1所示，液压挖掘机100具有：下部行驶体1c、能够旋转地搭载于该下部行驶体1c上的上部旋转体1b、能够在上下方向转动地安装于该上部旋转体1b的前侧的前装置1a。下部行驶体1c通过未图示的行驶电动机来进行行驶驱动，上部旋转体1b通过未图示的旋转电动机来进行旋转驱动。

前装置1a具有：动臂1，其基端部能够在上下方向转动地安装于上部旋转体1b的前部；斗杆2，其能够在上下、前后方向转动地安装于该动臂1的顶端部；挖斗3，其能够在上下、前后方向转动地安装于该动臂2的顶端部；单杆式液压缸(以下称为“动臂气缸”。)4，其驱动动臂1；单杆式液压缸(以下称为“斗杆气缸”。)5，其驱动斗杆2；以及单杆式液压缸(以下称为“挖斗气缸”)6，其驱动挖斗3。在液压挖掘机100的罩内设置有用于指示液压缸4～7的动作的操作杆30(图2所示)。

实施例1

使用图2～图8对本发明的第一实施例进行说明。

图2是表示搭载于图1所示的液压挖掘机的驱动装置的待机状态的图。另外，在图2中，通过液压缸10来代表图1所示的动臂气缸4、斗杆气缸5、以及挖斗气缸6并示出。

如图2所示，驱动装置200具有：闭式回路泵(第一液压泵)7、开式回路泵(第二液压泵)8、供给泵9、液压缸10、油箱11、罩侧切换阀12a、杆侧切换阀12b、比例阀13、冲洗阀14、操作杆30、以及控制器20。

作为双向倾斜可变容量泵的闭式回路泵7、作为单向倾斜可变容量泵的开式回路泵8、以及作为单向倾斜固定容量泵的供给泵9通过未图示的原动机而被驱动。

闭式回路泵7的一个排出端口经由罩侧油路17a与液压缸10的罩室10a连接，另一个排出端口经由杆侧油路17b与液压缸10的杆室10b连接。闭式回路泵7通过从斗杆气缸5的罩室10a或杆室10b的一方吸入油而向另一方排出，由此，直接驱动液压缸10。即，闭式回路泵7、液压缸10、罩侧油路17a、以及杆侧油路17b构成闭式回路。在罩侧油路17a设置有检测罩室10a的压力(罩压)的罩侧压力传感器(罩压检测装置)18a，在杆侧油路17b设置有检测杆室10b的压力(罩压)的杆侧压力传感器(杆压检测装置)18b。

开式回路泵8的排出端口经由罩侧切换阀12a与罩侧油路17a连接，经由杆侧切换阀12b与杆侧油路17b连接。通过罩侧切换阀12a进行开启闭合动作，而使开式回路泵8的排出端口与罩室10a连通或阻断，通过杆侧切换阀12b进行开启闭合动作，而使开式回路泵8的排出端口与杆室10b连通或阻断。开式回路泵8从油箱11吸入油，经由切换阀12a、12b向斗杆气缸5的罩室10a或杆室10b供给工作油。

比例阀13设置于排出流路19，所述排出流路19从开式回路泵8的排出流路分支而与油箱11连通。比例阀13在不使用开式回路泵8时开口，使开式回路泵8的排出流量返回到油箱11。此外，比例阀13根据操作杆30的操作量使开口面积连续变化，通过对从罩室10a排出到油箱11的流量进行调整，使气缸收缩动作增速。供给泵9从油箱11吸入油，经由止回阀15a、15b对回路补充油。冲洗阀14将罩侧油路17a以及所述杆侧油路17b中的任意一个低压侧的剩余油排出到油箱11。主安全阀16a、16b设定回路的最大压力，供给安全阀16c设定供给泵9的最大压力。

控制器20根据操作杆30的操作量或压力传感器18a、18b的压力信息等，对闭式回路泵7的排出方向、闭式回路泵7以及开式回路泵8的排出流量指令、切换阀12a、12b的开闭指令、以及比例阀13的开口指令进行运算、输出。

如图2所示，在待机状态下切换阀12a处于闭位置，保持罩室10a的压力。此外，比例阀13处于开位置，开式回路泵8的待机流量漏至油箱11而防止压力上升。

接下来，对斗杆动作进行说明。

在液压缸10的伸长动作中，闭式回路泵7从杆侧油路17b吸入油，排出到罩侧油路17a。此外，将切换阀12a设为开位置，将比例阀13设为闭位置。并且，对开式回路泵8形成补充由于闭式回路泵7的排出流量与气缸的受压面积差而产生的罩室10a的不足量的油的流量指令。由此，可以实现气缸伸长动作的增速，并且可以取得回路的流量收支。

液压缸10的收缩动作中，闭式回路泵7从罩侧油路17a吸入油，排出给杆侧油路17b。此外，将切换阀12a设为开位置，根据操作杆30的操作量来开启比例阀13，将从罩室10a排出的剩余流量从比例阀13排出。由此，可以实现气缸收缩动作的增速，并且可以取得回路的流量收支。

图3是控制器20的功能框图，图4是表示控制器的一控制周期中的处理的流程的流程图。

如图3所示，控制器20具有：阀门泵指令生成部21、杆辅助可否判定部22、比例阀开口限制部23、杆辅助流量限制部24、以及阀门泵指令校正部25。控制器20由作为未图示的运算装置的cpu、作为存储装置的rom、ram、和其他周边回路构成，通过由cpu执行存储于rom的程序，实现各部的功能。

在图4的处理f1中，阀门泵指令生成部21生成与操作杆30的操作量和压力传感器18a、18b的压力信息对应的阀门指令以及泵指令。在接下来的处理f2中，判定气缸动作方向是否是收缩方向。在是收缩方向时，向处理f3前进，不是那样时结束流程。在处理f3中，杆辅助可否判定部22判定是否开始开式回路泵8与杆室10b连接而使倾卸动作增速的杆辅助动作。该判定中使用了气缸的压力信息。如果从杆室10b的压力减去罩室10a的压力而得的差压比预定的阈值(第一阈值)α大，则判定为可以将开式回路泵8与杆室10b连接向处理f4前进，不是那样时，向处理f7前进。这里，阈值α设定为比冲洗阀14的切换设定压β大的值。

在进行杆辅助动作时的处理f4中，生成用于将开式回路泵8与杆室10b连接的指令。在接着的处理f5中，杆辅助流量限制部24为了将开式回路泵8与杆室10b连接来抑制增大的杆压的上升，而进行用于抑制冲洗阀14的通过流量的运算。具体来说，判定从泵流量指令运算出的冲洗阀14的通过预定流量值是否比预先设定的能够通过流量值更大。在更大时向处理f6前进，限制开式回路泵8的流量指令。阀门泵指令校正部25根据被杆辅助流量限制部24限制的流量指令，对阀门泵指令生成部21生成的开式回路泵8的排出流量指令进行校正。在通过预定流量值是能够通过流量值以下时结束流程。

在处理f3中判定为从杆室10b的压力减去罩室10a的压力而得的差压是阈值α以下时，不进行杆辅助动作，向处理f7前进。在处理f7中，比例阀开口限制部23判定杆室10b的压力是否比预先设定的阈值小。在低于阈值时，向处理f8前进，限制比例阀13的开口指令。阀门泵指令校正部25根据由比例阀开口限制部23限制的开口指令，对阀门泵指令生成部21生成的比例阀13的开口指令进行校正。在差压比阈值α大时结束流程。

根据这些限制后的指令，阀门泵指令校正部25校正、输出对阀门和泵的指令。

以从在空中抱入斗杆2的状态起进行倾卸的动作为例对本实施例所涉及的液压挖掘机100的动作进行说明。

在处理f1中，根据杆操作量以及气缸负载压而生成泵和阀门的指令。如上所述，对于闭式回路泵7根据操作杆30的操作量生成对杆侧油路17b的排出流量指令，对切换阀12a生成开指令，对切换阀12b生成闭指令，对比例阀13生成与针对闭式回路泵7的指令相对应的开口指令。

在处理f2中，判定气缸操作方向是否是收缩方向。斗杆倾卸动作是气缸收缩方向从而向处理f3前进。在接着的处理f3中，判定从杆室10b的压力减去罩室10a的压力而得的差压是否比正的阈值α大。由于在抱入斗杆2的姿势下罩室10a的压力比杆室10b的压力足够大，因此，不满足处理f3的判定基准，而向处理f7前进。在处理f7中，判定罩室10a的压力是否比预定的阈值(第二阈值)δ小。在本实施例中若不满足该判定基准则结束流程。在第二实施例中对判定为罩压比阈值δ小而进行处理f8时的动作进行说明。

图5示出在处理f3中判定为从杆压减去罩压而得的差压是阈值α以下时(即，不进行杆辅助动作时)的驱动装置200的状态。在将闭式回路泵7的排出流量设为qcp，将比例阀13的排出流量设为qbv时，从罩室10a流出的流量为qcp+qbv，因此，在将罩室10a与杆室10b的受压面积分别设为ac、ar时，流向杆室10b的流量为：

[数学式1]

ar/ac×(qcp+qbv)···(1)。

这里，闭式回路泵7从罩室10a吸入qcp的流量的同时向杆室10b排出同流量的油，因此，通过冲洗阀14的流量为：

[数学式2]

ar/ac×(qcp+qbv)-qcp＝(ar-ac)/ac×qcp+ar/ac×qbv···(2)。

这里，为了便于说明，设ar＝1、ac＝2，于是，数学式(2)表示为：

[数学式3]

-1/2×qcp+1/2×qbv···(3)。

可知比例阀13与闭式回路泵7的流量抵消而成为冲洗阀14的通过流量。因此，冲洗阀14的压力损失小，杆压处于难以上升的趋势。例如设qcp＝100、qbv＝100，于是，数学式(2)的值为0，油不流经冲洗阀14。

继续斗杆倾卸动作，自重在气缸缩小方向发挥作用，在从杆压减去罩压而得的差压比阈值α大时，处理f3的判定的结果是向处理f4前进。

在处理f4中，生成将开式回路泵8与杆室10b连接的指令。即，生成关闭切换阀12a，开启12b，关闭比例阀13的指令。由此，向杆室10b发送开式回路泵8的排出流量，从而能够使斗杆倾卸动作增速。

这里，使用图5和图6对在处理f3中设置了阈值α的理由进行说明。图6是表示杆辅助可否判定部22的运算例的图。

在图5中，将开式回路泵8与杆室10b连接的状态，即关闭比例阀13之前的闭式回路泵7的排出流量设为qcp。此时，如果在杆室10b的压力与罩室10a的压力相等的时刻t1关闭比例阀13时，由于qbv＝0，因此来自罩室10a的排出流量为qcp。另一方面，由于杆室10b与罩室10a的压力相等，因此冲洗阀14处于中立位置。因此，无法将来自罩室10a的排出流量qcp从冲洗阀14排出到油箱11，导致罩压上升。由此，返回位移以使冲洗阀14在杆侧油路17b开口，使得气缸动作不稳定。

因此，如图6所示，在从杆压减去罩压而得的差压与阈值α一致的时刻t2关闭比例阀13。这里，阈值α设定成比冲洗阀14的切换设定压β大的值，在时刻t2充分地位移以使冲洗阀14在罩侧油路17a开口，因此，可以通过冲洗阀14将来自罩室10a的流量qcp排出，可以抑制罩压的过度上升。

这样，在将开式回路泵8与杆室10b连接时向图7的回路状态转移。将闭式回路泵7的排出流量设为qcp，将开式回路泵8的排出流量设为qop，于是，流入到杆室10b的流量为qcp+qop，因此，从罩室10a排出的流量为：

[数学式4]

ac/ar×(qcp+qop)···(4)。

闭式回路泵7向杆室10b排出qcp的流量的同时从罩室10a吸入相同流量，因此，通过冲洗阀14的流量为：

[数学式5]

ac/ar×(qcp+qop)-qcp＝(ac-ar)/ar×qcp+ac/ar×qop···(5)。

为了简单，设ar＝1，ac＝2，于是，数学式(5)表示为：

[数学式6]

qcp+2×qop···(6)。

可知冲洗阀14的通过流量是开式回路泵8的2倍的流量与闭式回路泵7的流量相加而得的流量。但是，在冲洗阀14的通过流量增大时冲洗阀14的压力损失变大，罩压上升。在罩压上升时，用于使冲洗阀14向罩开口侧位移的液压减少，因此，冲洗阀14的罩侧开口面积减少。由此，压力损失增幅，冲洗阀14的位移反转，使气缸动作不稳定。

因此，进行杆辅助流量限制部24所涉及的运算。在处理f5中判定冲洗阀14的通过预定流量是否比能够通过流量大。通过数学式(5)来表示通过预定流量。能够通过流量相对于从杆压减去罩压而得的差压被预先设定为可以流经冲洗阀14的流量。

使用图8的示例对该关系进行说明。图8的横轴表示从杆压减去罩压而得的差压，纵轴表示冲洗阀14的通过流量。实线91表示冲洗阀14的能够通过流量，一点划线92表示冲洗阀14的通过预定流量。在差压比冲洗阀14的切换设定压β小时，冲洗阀14没有在罩侧油路17a开口，因此，能够通过流量91为零。在差压超过冲洗阀14的切换设定压β时，冲洗阀14在罩侧油路17a开口，能够通过流量91根据差压而增加。通过预定流量92根据差压而增加，在差压比γ小时则超过能够通过流量91，差压比γ大时则低于能够通过流量91。因此，由于在差压比γ大时(图6所示的时刻t3以后)通过预定流量92比能够通过流量91小，因此，在处理f5中结束流程。此时，数学式(5)所表示的通过预定流量经由冲洗阀14而排出到油箱11。在差压比γ小时(图6所示的时刻t3以前)通过预定流量92比能够通过流量91大，因此，向处理f6前进，限制开式回路泵8的排出流量。由此，通过预定流量被抑制为能够通过流量以下，因此，不使假想以上的过大流量流经冲洗阀14，可以使冲洗阀14的位移以及罩压稳定。

另外，能够通过流量设计成使用冲洗阀14的驱动压力-位移特性、位移-开口特性、某个开口时的流量-压损特性、罩压的允许上限值等参数，取得气缸增速与稳定的动作的平衡。

根据如上所述地构成的本实施例所涉及的液压挖掘机100，在向收缩方向操作液压缸10时，液压缸10的罩室10a没有经由冲洗阀14与油箱11连通时不能进行杆辅助动作，在罩室10a经由冲洗阀14与油箱11连通时能够进行杆辅助动作。由此，在开始了杆辅助动作之后罩室10a的排出流量的一部分经由冲洗阀14而返回到油箱11，抑制罩压的上升，因此，能够使液压缸10的收缩动作稳定增速。

此外，当在气缸收缩动作中将开式回路泵8与罩室10a连接时，限制开式回路泵8的排出流量以使罩侧油路的剩余流量(通过预定流量)被抑制为冲洗阀14的能够通过流量以下，因此，可以进一步抑制罩压的上升。

实施例2

在本发明的第二实施例中，对在图4的处理f7中判定为液压缸10的罩压比阈值小的情况进行说明。在没有进行杆辅助动作的状态(图5所示)下，气缸速度通过罩室10a的排出流量(闭式回路泵7的吸入流量以及比例阀13的排出流量的合计流量)进行控制。

此时，若为了气缸增速使比例阀13的流量qbv过大，则罩压过低，在闭式回路泵7的吸入侧产生气泡而产生泵损伤等问题。

为了防止这些问题，比例阀开口限制部23(图4所示)在罩压低于预定阈值δ时限制比例阀13的开口。作为阈值例如列举了充气安全阀16c的设定压力。由此，抑制比例阀13的开口以使罩压不低于阈值，因此，可以防止上述的气泡的产生。

以上，对本发明的实施方式进行了详细叙述，但是本发明并非限定于上述的实施方式，包含各种变形例。例如，在上述实施方式中，以液压挖掘机为例进行了说明，但是本发明也能够应用于液压挖掘机以外的建设机械。此外，上述实施方式是为了容易理解地对本发明进行说明而进行了详细说明，未必限定于具有所说明的全部结构。

附图标记说明

1a前装置；1b上部旋转体；1c下部行驶体；1动臂；2斗杆；3挖斗；4动臂气缸(液压缸)；5斗杆气缸(液压缸)；6挖斗气缸(液压缸)；7闭式回路泵；8开式回路泵；9供给泵；10液压缸；10a罩室；10b杆室；11油箱；12切换阀；13比例阀；14冲洗阀；15止回阀；16a、16b主安全阀；16c充气安全阀；17a罩室侧油路；17b杆侧油路；18a罩侧压力传感器(罩压检测装置)；18b杆侧压力传感器(杆压检测装置)；19排出油路；20控制器；21阀门泵指令生成部；22杆辅助可否判定部；23比例阀开口限制部；24杆辅助流量限制部；25阀门泵指令校正部；30操作杆；91冲洗阀能够通过流量；92冲洗阀通过预定流量；100液压挖掘机；200驱动装置。