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CN107002715B - 挖土机 - Google Patents

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CN107002715B
CN107002715B CN201580064809.3A CN201580064809A CN107002715B CN 107002715 B CN107002715 B CN 107002715B CN 201580064809 A CN201580064809 A CN 201580064809A CN 107002715 B CN107002715 B CN 107002715B
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control
hydraulic
hydraulic cylinder
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Abstract

本发明提供一种即使在施加于作用点的反作用力较大的作业中也能够抑制作业性下降的施工机械。液压缸驱动工作组件。液压回路向液压缸供给工作油。压力传感器测定供给至液压缸的工作油的液压。输入装置由操作人员来操作。控制装置包括对液压缸进行推力控制的推力控制部。推力控制部根据输入装置的操作量计算推力要求值，并根据压力传感器的测定值求出在液压缸产生的推力测定值。此外，推力控制部根据推力要求值与推力测定值的推力差量向推力差量变小的方向控制液压回路。

Description

挖土机
技术领域
本发明涉及一种通过液压缸驱动工作组件的施工机械。
背景技术
以下对现有的一般挖土机的动臂、斗杆及铲斗的驱动控制方法进行说明。
若存在驱动铲斗的操纵杆输入，则铲斗用液压缸的阀的开口面积扩大。通过阀的开口面积扩大，工作油流入至液压缸，液压缸便动作。通过该液压缸的动作，铲斗被驱动。存在驱动斗杆及动臂的操纵杆输入时的控制也同上。若操纵杆输入较大，则阀的开口面积变大，流入至液压缸的工作油的流量增加。作为其结果，液压缸的速度和推力发生变化。
下述专利文献1中公开有通过液压马达及与液压马达协同工作的电动机驱动动臂等结构体的作业机械。液压马达通过从液压泵借助控制阀供给的工作油被驱动。
专利文献1中公开的作业机械中，对基于决定结构体的动作量的遥控阀的操作量的速度指令进行基于液压马达的实际转速的速度反馈控制和基于液压马达的吸入端口与排出端口的工作液压力差的差压反馈控制。通过进行该反馈控制，以吐出液压马达的实际转速中所需量的工作油的方式进行控制阀的开度控制。其结果，能够控制因工作油从安全阀溢出而引起的能量损失。
以往技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2012-127154号公报
发明内容
发明要解决的技术课题
液压泵的吐出流量与液压缸的动作速度相对应。若增加液压泵的吐出流量，则液压缸的动作速度变快。当进行不对铲斗等施加反作用力的动作例如定位动作时，优选液压缸的动作速度根据操作杆的操作量变化。
但是，在挖掘、平整地面等作业中，从地面向铲斗(作用点)施加很大的反作用力。当存在可使安全阀打开那么大的反作用力时，即使增加液压泵的吐出流量，液压缸的动作速度也不会变快。因此，得不到与操作杆的操作量相应的液压缸的动作速度。在这种情况下，优选液压缸所产生的推力根据操纵杆的操作量变化。
在现有方法中，根据操作杆的操作量来改变液压缸的控制阀的开度，因此未必能够获得与操作量相应的动作速度和推力。因此导致作业性下降。为了获得所希望的动作速度和推力，需要操作者对此很熟练。
本发明的目的在于，提供一种根据操作者的操作进行适当的控制，从而能够抑制作业性下降的施工机械。
用于解决技术课题的手段
根据本发明的一观点，提供一种施工机械，其具有：工作组件；液压缸，驱动所述工作组件；液压回路，向所述液压缸供给工作油；压力传感器，测定供给至所述液压缸的工作油的液压；输入装置，由操作人员来操作；及控制装置，包括对所述液压缸进行推力控制的推力控制部，所述推力控制部进行如下工作：根据所述输入装置的操作量计算推力要求值；根据所述压力传感器的测定值求出在所述液压缸产生的推力测定值；根据所述推力要求值与所述推力测定值的推力差量向所述推力差量变小的方向控制所述液压回路。
发明效果
根据推力要求值与推力测定值的推力差量控制液压回路，从而液压缸的推力接近推力要求值。因此，即使在施加于作用点的反作用力很大的作业中，也能够抑制作业性下降。
附图说明
图1为基于实施例的施工机械的侧视图。
图2为基于实施例的施工机械的液压回路及液压控制系统的概要图。
图3为控制装置、液压回路及液压缸的框图。
图4为动臂缸的概要图。
图5为基于其他实施例的施工机械的控制装置、液压回路及液压缸的框图。
图6为基于又一实施例的施工机械的控制装置、液压回路及液压缸的框图。
图7为动臂缸的概要图。
图8为基于又一实施例的施工机械的控制装置、液压回路及液压缸的框图。
图9为动臂、斗杆、铲斗的姿势及姿势传感器的示意图。
图10A～图10C为与基于又一实施例的施工机械的控制模式切换处理相关的功能及所参考的数据的框图。
图11为说明挖掘作业中的铲斗的移动范围的概要图。
具体实施方式
参考图1～图4对基于实施例的施工机械进行说明。
图1表示基于实施例的施工机械的侧视图。在下部行走体10经由回转机构11能够回转地搭载上部回转体12。在上部回转体12连结有动臂13、斗杆15及铲斗17等工作组件。工作组件通过动臂缸14、斗杆缸16及铲斗缸18等液压缸被液压驱动。由动臂13、斗杆15及铲斗17构成挖掘用的附加装置。另外，除了挖掘用的附加装置之外，还能够连结粉碎用的附加装置、磁力起重用的附加装置等。
接着，参考图2对基于本实施例的施工机械的液压回路及液压控制系统进行说明。图2表示基于实施例的施工机械的液压回路及液压控制系统的概要图。液压回路向包括动臂缸14、斗杆缸16及铲斗缸18的液压缸供给工作油。此外，该液压回路还向液压马达19、20及21供给工作油。液压马达19、20分别驱动下部行走体10(图1)的2条链轨(履带)。液压马达21使上部回转体12(图1)回转。
液压回路包括液压泵26及控制阀25。液压泵26通过引擎35被驱动。作为引擎35例如使用柴油引擎等内燃机。液压泵26向控制阀25供给高压的工作油。控制阀25中包括方向切换阀、流量调整阀等。每个致动器分别配备方向切换阀及流量调整阀。
动臂缸14的底部室及杆室分别经由液压管路141及液压管路142连接于控制阀25。斗杆缸16的底部室及杆室分别经由液压管路161及液压管路162连接于控制阀25。铲斗缸18的底部室及杆室分别经由液压管路181及液压管路182连接于控制阀25。
压力传感器271、272测定分别供给至动臂缸14的底部室及杆室的工作油或从底部室及杆室排出的工作油的压力。压力传感器273、274测定分别供给至斗杆缸16的底部室及杆室的工作油或从底部室及杆室排出的工作油的压力。压力传感器275、276测定分别供给至铲斗缸18的底部室及杆室的工作油或从底部室及杆室排出的工作油的压力。压力传感器271～276的测定结果输入至控制装置30。
输入装置31包括由操作人员操作的操作杆311。输入装置31生成与操作杆311的操作量OA相应的先导压或电信号。与操作量OA相应的先导压或电信号输入至控制装置30。
控制装置30根据从输入装置31输入的操作量OA生成用于驱动包括动臂缸14、斗杆缸16及铲斗缸18的液压缸的指令值CV。与指令值CV相应的先导压或电信号提供给控制阀25。也可以是向一部分控制阀25提供先导压并向其他控制阀25提供电信号的结构。例如，可以是作为方向切换阀使用液压式阀，作为流量调整阀使用电磁式阀。此外，控制装置30根据操作量OA生成用于驱动液压马达19～21的指令值CV。控制阀25根据指令值CV而被控制，由此液压缸及液压马达19～21动作。
接着，参考图3及图4对本实施例的施工机械中进行的液压控制方法进行说明。
图3表示控制装置30、液压回路40及液压缸的框图。图3中，作为液压缸示出动臂缸14。液压回路40包括液压泵26及控制阀25(图2)。液压回路40经由液压管路141连接于动臂缸14的底部室，并经由另一液压管路142连接于动臂缸14的杆室。对于斗杆缸16及铲斗缸18(图1、图2)，也进行与动臂缸14相同的控制。
控制装置30包括推力控制部301。推力控制部301包括推力要求值生成部3011、推力计算部3012及PI控制部3013。从输入装置31向推力要求值生成部3011输入操作量OA。推力要求值生成部3011根据所输入的操作量OA生成推力要求值TR。作为一例，推力要求值TR与操作量OA成比例。
用压力传感器271、272测定的压力测定值P1、P2被输入至推力计算部3012。其中一个压力传感器271测定动臂缸14的底部室内的工作油的压力。另一个压力传感器272测定动臂缸14的杆室内的工作油的压力。
推力计算部3012根据动臂缸14的底部室内及杆室内的工作油的压力测定值P1、P2计算出动臂缸14的推力，并将计算结果作为推力测定值TM而进行输出。
参考图4对推力测定值TM的计算方法进行说明。将动臂缸14的底部室143的截面积表示为A1，将杆室144的截面积表示为A2。利用底部室143内的工作油的压力测定值P1、杆室144内的工作油的压力测定值P2，能够以以下计算式求出推力测定值TM。
TM＝(P1×A1)-(P2×A2)
图3所示的PI控制部3013根据推力要求值TR与推力测定值TM的差量(推力差量)向液压回路40赋予指令值CV，使该差量变小。指令值CV例如与液压回路40的流量调整阀的开口面积相对应。
液压回路40被反馈控制成使推力要求值TR与推力测定值TM的推力差量变小，因此动臂缸14的推力接近与由操作人员进行的操作量OA相应的推力要求值TR。由于能够产生操作人员所要求的推力，因此能够提高调解在工作组件的作用点产生的力的作业例如挖掘作业等的作业性。
接着，参考图5对基于另一实施例的施工机械进行说明。以下，对与图1～图4所示的实施例的不同点进行说明，对于相通的结构则省略说明。
图5中示出控制装置30、液压回路40及液压缸的框图。图3所示的实施例中，表示操作量OA的先导压或电信号输入至控制装置30。图5所示的实施例中，表示操作量OA的先导压输入至控制装置30。
液压回路40的一部分控制阀通过表示指令值CV的先导压被驱动。另一部分控制阀通过表示操作量OA的先导压被驱动。作为一例，方向切换阀通过表示操作量OA的先导压被驱动，流量调整阀通过表示指令值CV的先导压被驱动。
图5所示的实施例中，同样液压回路40被控制成推力要求值TR与推力测定值TM的推力差量变小。因此，与图1～图4所示的实施例同样，能够使动臂缸14的推力接近与由操作人员进行的操作量OA相应的推力要求值TR。
接着，参考图6对又一实施例进行说明。以下，对与图1～图4所示的实施例的不同点进行说明，对相通的结构则省略说明。
图6中示出基于本实施例的施工机械的控制装置30、液压回路40及液压缸的框图。图5中作为液压缸示出动臂缸14。对于斗杆缸16及铲斗缸18(图1、图2)也进行与动臂缸14相同的控制。
本实施例中，控制装置30代替图3所示的实施例的推力控制部301包括速度控制部302。在液压管路141插入有流量传感器281。流量传感器281测定供给至动臂缸14的底部室或从底部室排出的工作油的流量。流量测定值Q1输入至控制装置30。
速度控制部302包括速度要求值生成部3021、速度计算部3022及PI控制部3023。输入装置31中生成的操作量OA输入至速度要求值生成部3021。速度要求值生成部3021根据操作量OA生成动作速度要求值VR。作为一例，动作速度要求值VR与操作量OA成比例。
用流量传感器281测定的流量测定值Q1输入至速度计算部3022。速度计算部3022根据流量测定值Q1计算动臂缸14的动作速度。计算出的动作速度作为动作速度测定值VM而输出。
参考图7对动作速度测定值VM的计算方法进行说明。将动臂缸14的底部室143的截面积表示为A1，将杆室144的截面积表示为A2。将流入至底部室143的工作油的流量表示为Q1，将流入至杆室144的工作油的流量表示为Q2。若将动臂缸14所延伸的方向的动作速度定义为正，则动作速度测定值VM能够以以下计算式表示。
VM＝Q1/A1＝-Q2/A2
若获取流入至底部室143的工作油的流量测定值Q1及流入至杆室144的工作油的流量测定值Q2中的一个，则能够计算出动作速度测定值VM。图6所示的实施例中，流量传感器281测定流入至底部室143的工作油的流量，并输出流量测定值Q1。
PI控制部3023(图6)根据动作速度要求值VR与动作速度测定值VM的差量(速度差量)向液压回路40赋予指令值CV，使该差量变小。即，液压回路40被反馈控制成使速度要求值VR与速度测定值VM的速度差量变小。指令值CV与从推力控制部301输出的指令值CV具有同一个维度，例如与液压回路40的流量调整阀的开口面积相对应。由此，流入至动臂缸14的工作油的流量被调整为使动臂缸14的动作速度与指令值CV一致。操作人员通过改变操作量OA，能够以所希望的速度驱动工作组件。
接着，参考图8～图9对又一实施例进行说明。以下，对与图1～图4所示的实施例及图6～图7所示的实施例的不同点进行说明，对相通的结构则省略说明。本实施例中，作为液压缸的控制模式准备有推力控制模式及速度控制模式，控制模式在两者间切换。
图8中示出控制装置30、液压回路40及液压缸的框图。图8中，作为液压缸示出动臂缸14。对于斗杆缸16及铲斗缸18(图1、图2)，也进行与动臂缸14相同的控制。
姿势传感器29检测施工机械的工作组件的姿势。姿势传感器29的检测结果输入至控制装置30。
参考图9对姿势传感器29(图8)进行说明。姿势传感器29包括3个角度传感器291、292、293。角度传感器291测定动臂13的仰角θ1。角度传感器292测定动臂13与斗杆15所成的角度θ2。角度传感器293测定斗杆15与铲斗17所成的角度θ3。通过仰角θ1及角度θ2、θ3能够指定包括动臂13、斗杆15及铲斗17的工作组件的姿势。
也可以代替角度传感器291、292、293配置测定动臂缸14、斗杆缸16、及铲斗缸18(图1、图2)的伸长量的传感器。由各缸体的伸长量能够指定仰角θ1及角度θ2、θ3。
图8所示的控制装置30包括推力控制部301、速度控制部302及控制模式切换部303。控制装置30以推力控制模式与速度控制模式中的任一控制模式控制液压缸。如参考图3所说明的，推力控制部301以推力控制模式控制动臂缸14等液压缸。如参考图6所说明的，速度控制部302以速度控制模式控制动臂缸14等液压缸。控制模式切换部303进行推力控制模式与速度控制模式的切换。
接着，对控制模式切换部303的处理进行说明。控制模式切换部303根据用姿势传感器29检测出的工作组件的姿势及动臂缸14、斗杆缸16、铲斗缸18各自的推力求出施加于工作组件的作用点的反作用力。作用点例如相当于铲斗17(图1)的前端。若检测到施加于工作组件的作用点的反作用力超过判定阈值，则控制模式切换部303将控制模式从速度控制模式切换为推力控制模式。若反作用力小于判定阈值，则将控制模式从推力控制模式恢复为速度控制模式。
接着，参考图9对施加于作用点的反作用力的计算方法进行说明。重力、科氏力及基于动臂缸14、斗杆缸16、铲斗缸18的推力作用于动臂13、斗杆15及铲斗17。此外，来自地面的反作用力FC作用于铲斗17的前端的作用点AP。作用于动臂13、斗杆15及铲斗17的力及动臂13、斗杆15及铲斗17的惯性力矩J1、J2、J3，利用仰角θ1、角度θ2、θ3解运动方程式，从而能够求出反作用力FC。
图8～图9所示的实施例中，当作用于作用点AP的反作用力FC小于判定阈值时，液压缸便被速度控制。即，以与输入装置31(图8)的操作量OA相应的动作速度进行液压缸的伸缩。因此，能够容易进行工作组件的定位操作等。此外，若作用于作用点AP的反作用力FC超过判定阈值，则液压缸便被推力控制。通过进行推力控制，能够实现所需力量的挖掘等的作业性的提高。
由于能够以与操作量OA相应的所希望的速度或推力使液压缸动作，因此即使在由熟练度较低的操作人员进行作业的情况下，也能够抑制作业性下降。
接着，参考图10A～图10C及图11对又一实施例进行说明。以下，对与图8～图9所示的实施例的不同点进行说明，对相通的结构则省略说明。图8～图9所示的实施例中，根据作用于铲斗17的前端的作用点AP(图9)的反作用力FC的大小，进行了推力控制模式与速度控制模式的切换。本实施例中，根据其他物理量进行推力控制模式与速度控制模式的切换。
图10A～图10C中示出与控制模式切换处理相关的功能及所参考的数据的框图。
图10A所示的例子中，对动臂缸推力测定值、斗杆缸推力测定值及铲斗缸推力测定值与这些缸体推力判定阈值进行比较，从而进行控制模式的切换。例如，当其中任一缸体的推力测定值超过判定阈值时，控制模式切换部303将控制模式从速度控制模式切换为推力控制模式。如图4所示，这些缸体的推力测定值TM能够根据底部室内的工作油的压力测定值P1、杆室内的工作油的压力测定值P2、底部室的截面积A1及杆室的截面积A2计算。即，缸体的推力测定值TM能够根据压力传感器271～276的测定值求出。
挖掘作业中，将铲斗17的前端放到挖掘对象物(例如地面)而施加负荷时(挖掘动作中)，缸体推力测定值变大。通过实际进行包括挖掘、吊起、回转、废土等一系列动作的挖掘作业，获得各缸的推力测定值的时间变化，能够确定用于判定挖土机是否处于挖掘动作中的各缸体的推力测定值的判定阈值。
图10B所示的例子中，对液压泵吐出压测定值与吐出压判定阈值进行比较，从而进行控制模式的切换。例如，当液压泵吐出压测定值超过判定阈值时，控制模式切换部303将控制模式从速度控制模式切换为推力控制模式。液压泵吐出压测定值能够通过在液压泵26(图2)的输出侧液压回路配置压力传感器来进行测定。
挖掘作业中，挖土机正进行挖掘动作时，由于产生很大的缸体推力，液压泵吐出压变大。通过实际进行挖掘作业并获取液压泵吐出压的时间变化，能够确定用于判定是否处于对挖掘对象物施加有负荷的状态的吐出压判定阈值。
图10C所示的例子中，通过液压泵吐出压测定值与吐出压判定阈值的比较结果及铲斗位置计算值进行控制模式的切换。根据经验可知，挖掘作业中对挖掘对象物施加有负荷时的铲斗17位置(相对于上部回转体12的相对位置)在某一特定区域内。
参考图11对挖掘作业中铲斗17的位置进行说明。铲斗17的前端的作用点AP所移动的范围能够区分为挖掘动作区域50、深挖动作区域51、前端区域52、高空区域53、邻近区域54等。向前方伸展动臂13、斗杆15时，作用点AP位于前端区域52内。向高空吊起铲斗17时，作用点AP位于高空区域53内。朝向上部回转体12收回铲斗17时，作用点AP位于邻近区域54内。铲斗17的作用点AP位于前端区域52、高空区域53或邻近区域54内时，通常不进行向挖掘对象物施加负荷的动作。
前端区域52与邻近区域54之间，在低于高空区域53的位置定义有挖掘动作区域50。此外，在比与下部行走体10接触的地面更深的位置定义有深挖动作区域51。铲斗17的作用点AP位于挖掘动作区域50或深挖动作区域51内时，存在进行向挖掘对象物施加负荷的动作的可能性。
图10C所示的例子中，作为控制模式的切换条件，不仅利用液压泵吐出压测定值，还利用铲斗位置计算值。例如，计算出的铲斗17的位置在前端区域52、高空区域53或邻近区域54内时，即使液压泵吐出压测定值超过判定阈值，也不将控制模式切换为推力控制模式，而能够进行维持速度控制模式的控制。如此，进行控制模式切换时，通过参考铲斗17的位置，能够进行更准确地反映操作人员的要求的动作。
图8～图9所示的实施例、图10A～图10C所示的实施例中，在控制模式的切换判定中，利用了施加于铲斗17的反作用力、缸体推力、液压泵吐出压、铲斗的位置等，但也能够利用与挖土机的动作相关的其他数据。一般来讲，为挖掘动作中时，将控制模式切换为推力控制模式，在其他情况即铲斗17保持在空中时，只要将控制模式转为速度控制模式即可。
图8～图9、图10A～图10C所示的实施例中，能够根据挖土机的动作状况以最佳的控制模式使挖土机动作。
以上，按照实施例对本发明进行了说明，但本发明并不限定于这些实施例。例如，本领域技术人员显然会理解能够进行各种变更、改进、组合等。
符号说明
10-下部行走体，11-回转机构，12-上部回转体，13-动臂，14-动臂缸，15-斗杆，16-斗杆缸，17-铲斗，18-铲斗缸，19、20、21-液压马达，25-控制阀，26-液压泵，29-姿势传感器，30-控制装置，31-输入装置，35-引擎，40-液压回路，50-挖掘动作区域，51-深挖动作区域，52-前端区域，53-高空区域，54-邻近区域，141、142、161、162、181、182-液压管路，143-底部室，144-杆室，271、272、273、274、275、276-压力传感器，281-流量传感器，291、292、293-角度传感器，301-推力控制部，302-速度控制部，303-控制模式切换部，311-操作杆，3011-推力要求值生成部，3012-推力计算部，3013-PI控制部，3021-速度要求值生成部，3022-速度计算部，3023-PI控制部，AP-作用点，CV-指令值，FC-反作用力，J1-动臂的惯性力矩，J2-斗杆的惯性力矩，J3-铲斗的惯性力矩，OA-操作量，P1-底部室内的工作油的压力，P2-杆室内的工作油的压力，Q1-工作油的流量测定值，TM-推力测定值，TR-推力要求值，VM-动作速度测定值，VR-动作速度要求值。

Claims (10)

1.一种挖土机，其具有：
下部行走体；
上部回转体，能够回转地搭载于所述下部行走体；
挖掘用附加装置，搭载于所述上部回转体；
液压缸，驱动所述挖掘用附加装置；
液压回路，向所述液压缸供给工作油；
所述挖掘用附加装置的操作杆，由操作人员来操作；及
控制装置，具有如下功能，在第1控制模式以及第2控制模式的至少一个控制模式下控制所述液压回路，其中，所述第1控制模式为使所述挖掘用附加装置产生与所述操作杆的操作量相对应的力的模式，所述第2控制模式为以与所述操作杆的操作量相对应的速度驱动所述挖掘用附加装置的模式。
2.根据权利要求1所述的挖土机，其中，
所述控制装置还具有将所述控制模式在所述第1控制模式和所述第2控制模式之间切换的功能。
3.根据权利要求1或2所述的挖土机，其中，
所述挖掘用附加装置包括动臂、斗杆及铲斗，
所述控制装置在所述铲斗保持在空中时，以所述第2控制模式控制所述液压回路。
4.根据权利要求1或2所述的挖土机，其中，
所述控制装置在挖掘动作中以所述第1控制模式控制所述液压回路。
5.根据权利要求1或2所述的挖土机，其中，
还包括检测所述挖掘用附加装置的姿势的姿势传感器，
所述控制装置具有基于由所述姿势传感器检测出的所述挖掘用附加装置的姿势确定所述控制模式的功能。
6.根据权利要求1或2所述的挖土机，其中，
所述控制装置具有基于供给到所述液压缸的所述工作油的压力确定所述控制模式的功能。
7.根据权利要求1或2所述的挖土机，其中，
所述液压回路包括吐出所述工作油的液压泵，
所述控制装置具有基于所述液压泵的吐出压力的测定值确定所述控制模式的功能。
8.根据权利要求7所述的挖土机，其中，
所述控制装置还具有基于所述挖掘用附加装置的前端的位置确定所述控制模式的功能。
9.根据权利要求1或2所述的挖土机，其中，
还具有压力传感器，测定供给到所述液压缸的所述工作油的压力，
在所述控制模式为所述第1控制模式时，所述控制装置控制所述液压回路，以使得基于所述压力传感器的测定值求出的所述液压缸产生的推力接近基于所述操作杆的操作量的推力要求值。
10.根据权利要求1或2所述的挖土机，其中，
还具有流量传感器，测定流入到所述液压缸的所述工作油的流量，
在所述控制模式为所述第2控制模式时，所述控制装置控制所述液压回路，以使得基于所述流量传感器的测定值求出的所述液压缸的动作速度接近基于所述操作杆的输入量的动作速度要求值。
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