JP2011117316A - 建設機械の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電動モータを動力源とする建設機械において、低温での作動時における電動モータの破損を防止しうる建設機械の制御装置を提供する。
【解決手段】電動モータ２６の温度を温度センサ３３により検出する。電動モータの検出温度が基準温度より低い際に、操作レバー２２の操作量に対する電磁比例弁３１，３２のソレノイド３１ａ，３２ａへの出力電流を制限する。これにより、電動モータ２６の温度が低い際には、電動モータ２６の負荷が軽減され、低温での電動モータ２６の破損が防止される。
【選択図】図３

Description

本発明は、動力源として電動モータを用いた油圧ショベル等の建設機械において、低温による電動モータの破損を防止するための制御装置に関する。

油圧ショベル等の建設機械において、上部旋回体に搭載する動力源として、エンジンを用いたものと、例えば特許文献１に記載のように電動モータを用いたものとがある。

特開２００３−１０５８０４号公報

建設機械の動力源としてエンジンを用いたものは、冬季等のためにエンジンが低温であると、フロント操作等で高負荷運転した際にエンジンが破損する虞がある。このため、低温時にはスロットルレバー等の回転速度指令手段にてエンジンの回転数を低速度に設定して始動させ、暖機運転を行なっている。

一方、動力源としてエンジンの代わりに電動モータを用いた建設機械の場合、電動モータの電源として固定周波数の電源を用いたものにおいては、電動モータを始動すると、電動モータは直ちに定格回転数で回転する。このように定格周波数で駆動される電動モータを低温時に始動すると、フロント操作等により高負荷運転になり易く、電動モータが破損する虞がある。特に低温時には電動モータの軸の靭性が低下するため、低温時に電動モータを高負荷にて定格回転数で駆動すると、軸に作用する捻り力により軸が破損する虞がある。

本発明は、上記問題点に鑑み、電動モータを動力源とする建設機械において、低温での作動時における電動モータの破損を防止しうる建設機械の制御装置を提供することを目的とする。

請求項１の建設機械の制御装置は、
油圧ポンプを駆動する電動モータと、前記油圧ポンプから吐出される作動油により作動する油圧アクチュエータと、前記油圧アクチュエータに供給する作動油の方向、流量を制御するコントロール弁と、前記コントロール弁の操作信号を電気信号として発生させる操作レバーと、前記電気信号により切換制御されて前記コントロール弁の操作油圧を発生させる電磁比例弁とを備えた建設機械の制御装置において、
前記電動モータの温度を検出する温度センサと、
前記温度センサの検出温度が予め設定された基準温度より低い際に前記操作レバーの操作量に対する前記電磁比例弁のソレノイドへの出力電流を制限して前記コントロール弁における作動油流量を制限する操作信号制限手段とを備えたことを特徴とする。

請求項２の建設機械の制御装置は、請求項１に記載の建設機械の制御装置において、
前記操作信号制限手段は、前記電動モータの検出温度が低い程、前記操作レバーの操作量に対する前記電磁比例弁のソレノイドへの出力電流の上限電流値を低く設定することを特徴とする。

請求項３の建設機械の制御装置は、請求項１または２に記載の建設機械の制御装置において、
前記操作レバーの操作量に対する前記電磁比例弁のソレノイドへの出力電流を制限した状態を長く設定する制限時間設定手段をさらに備えたことを特徴とする。

請求項４の建設機械の制御装置は、請求項１から３までのいずれか1項に記載の建設機械の制御装置において、
前記電磁比例弁のソレノイドへの出力電流を制限した状態であることを報知する警報手段をさらに備えたことを特徴とする。

請求項１の発明によれば、電動モータの検出温度が低い場合には、操作レバーの操作量に対するコントロール弁操作用電磁比例弁のソレノイドへの電流が低く制限されるため、電動モータの温度が低いときにはコントロール弁を流れる作動油流量が低く抑えられる。その結果、電動モータが低温の際には、電動モータの負荷が低下する。このため、低温時における高負荷による電動モータの破損を防ぐことができる。

請求項２の発明によれば、電動モータの温度が低い程、操作レバーの操作量に対する電磁比例弁のソレノイドへの電流に上限電流値を低く設定したので、電動モータの破損を防止する上において、温度状況に対応したより良好な制御が行なわれる。

請求項３の発明によれば、電動モータの温度が低い程、操作レバーの操作量に対する前記電磁比例弁のソレノイドへの電流を低く制限する時間を長く設定したので、電動モータの破損を防止する上において、温度状況に対応したさらに良好な制御が行なわれる。

請求項４の発明によれば、操作レバーの操作量に対する前記電磁比例弁のソレノイドへの電流を低く制限した状態であることを報知する警報手段をさらに備えたので、例えばブームやアーム等の操作対象装置が低速で作動した際に警報手段によってオペレータはその低速の理由を知ることができ、オペレータの操作上の信頼性を高めることができる。

本発明を適用する建設機械の一例である油圧ショベルを示す側面図である。 図１の油圧ショベルにおける運転室内の操作装置の配置を示す平面図である。 図１の油圧ショベルの制御回路の一例を示す油圧電気回路図である。 本発明の操作レバー、コントローラおよび電磁比例弁等の入出力関係の一実施の形態を示すブロックである。 この実施の形態の制御装置の一例を示す機能ブロック図である。 この実施の形態の制御装置における電動モータの温度と電磁比例弁のソレノイドへの上限電流値との関係の一例を示すグラフである。 この実施の形態の制御装置における電動モータの温度と電磁比例弁のソレノイドへの電流を制限する時間との関係の一例を示すグラフである。 この実施の形態の制御装置における処理の流れの一例を示すフローチャートである。 この実施の形態の制御装置において電磁比例弁のソレノイドへの電流を制限しない状態での操作態様の一例を示すタイムチャートである。 この実施の形態の制御装置において電磁比例弁のソレノイドへの電流を制限した状態での操作態様の一例を示すタイムチャートである。 本発明の制御装置の他の実施の形態を示す機能ブロック図である。

図１は本発明を適用する建設機械の一例である油圧ショベルを示す側面図である。１は下部走行体であり、この下部走行体１は、トラックフレームを構成する左右のサイドフレーム２の後部に油圧モータでなる走行モータ（図示せず）により駆動される駆動輪３を取付け、サイドフレーム２の前部に従動輪４を取付け、これらの駆動輪３、従動輪４に履帯５を掛け回して構成される。

６は下部走行体１上に旋回装置７を介して設置された上部旋回体である。旋回装置７は油圧モータでなる旋回モータ（図示せず）を有する。上部旋回体６には運転室９やパワーユニット１０等が搭載される。

１１は上部旋回体に取付けられた作業装置である。この作業装置１１は、上部旋回体６に油圧シリンダでなるブームシリンダ１２により起伏可能に取付けられたブーム１３と、このブーム１３の先端に油圧シリンダでなるアームシリンダ１４により上下方向に回動可能に取付けられたアーム１５と、このアーム１５の先端に油圧シリンダでなるバケットシリンダ１６により回動可能に取付けられたローダバケット１７とを備える。

図２は運転室９に設置する操作装置の配置を示す平面図である。図２において、２０はオペレータの座席、２１，２２はそれぞれ座席２０の左側、右側に設置された操作レバー、２３，２４は運転室９内の前方に設置され、それぞれ下部走行体１の左側走行モータ、右側走行モータを操作する操作レバーである。座席２０の左側の操作レバー２１は、前後方向の操作によりアーム１５をアームシリンダ１４によって上下に回動させ、左右方向の操作により旋回装置７の旋回モータによって上部旋回体６を左右に旋回させるものである。座席２０の右側の操作レバー２２は、前後方向の操作によりブーム１３をブームシリンダ１２によって俯仰させ、左右方向の操作によりローダバケット１７をバケットシリンダ１６によって掘削、放土の動作を行なわせるものである。なお、これらの操作レバー２１，２２の操作方向と操作対象装置は種々に変更可能である。

図３はこの油圧ショベルの油圧アクチュエータを駆動する電気油圧回路を示す電気油圧回路図である。図１に示したパワーユニット１０は、電動モータ２６により主油圧ポンプ２７およびパイロットポンプ２８を駆動するものである。電動モータ２６は固定周波数の電源により駆動されるものである。１２は油圧アクチュエータの代表例として示すブームシリンダであり、２９はこのブームシリンダ１２のコントロール弁である。なお、この油圧ショベルが鉱石や石炭等の掘削に用いられる場合、電動モータ２６を駆動する電源は、掘削現場の複数箇所に準備されており、電動モータ２６は、この電源に対し、図１に示す電源ケーブル１８を介して接続される。

３０はコントロール弁２９等各種アクチュエータ（下部走行体１の走行モータ、旋回装置７の旋回モータ、ブームシリンダ１２、アームシリンダ１４、バケットシリンダ１６等）用のコントロール弁等を制御するコントローラである。２２は図２に示したブームシリンダ１２用の操作レバーであり、この操作レバー２２は、操作量に対応した電気信号（電圧）を発生させるポテンショメータを用いた電気レバーにより構成される。図２に示した他の操作レバー２１，２３，２４も同様に操作量に対応した電気信号を発生させる電気レバーからなる。

３１，３２はコントロール弁２９を切換制御する電磁比例弁である。これらの電磁比例弁３１，３２は、操作レバー２２の操作量に応じてコントローラ３０においてＰＷＭ制御により発生させた電流がソレノイド３１ａ，３２ａに加わることにより、その電流に応じた開度に内部流路が開くものである。そしてこの開度に応じたパイロット油圧がコントロール弁２９の操作室２９ａ，２９ｂに加わり、コントロール弁２９を切換えられると共に、その開度に応じた流量がブームシリンダ１２に供給される。したがって、電磁比例弁３１，３２のソレノイド３１ａ，３２ａに通電される電流に大小に応じて主油圧ポンプ２７の負荷が変化し、電動モータ２６の負荷が変化する。３３は電動モータ２６の温度を検出する温度センサ、３４は電動モータ２６の回転を検出する回転センサである。

図４に示すように、コントローラ３０の入力側には、前記操作レバー２１〜２４の出力電気信号と、温度センサ３３の検出信号と、回転センサ３４の検出信号が入力される。コントローラ３０の出力側には、ブーム１２用の電磁比例弁３１，３２の外に、旋回用電磁比例弁３６，３７、アーム用電磁比例弁３８，３９、バケット用電磁比例弁４０，４１、左側走行モータの前後進用電磁比例弁４２，４３、右側走行モータの前後進用電磁比例弁４４，４５が配置される。これらの電磁比例弁にはそれぞれ対応するコントロール弁（図示せず）が配置される。４６は後述のように、電動モータ２６の温度が低温である状態で起動する際にその状態をオペレータに知らせるための警報手段として備えた警報ランプである。

図５は本発明の制御装置の一実施の形態を示す機能ブロック図であり、コントローラ３０により実現されるものである。図５において、５０は電動モータ２６の温度に応じて電磁比例弁３１，３２のソレノイド３１ａ，３２ａ（他の電磁比例弁３６〜４５についても同様）への電流の最大値である上限電流値ＩＬを設定する操作信号制限手段である。

図６はこの操作信号制限手段５０により制御されるソレノイド駆動回路５２を介してソレノイド３１ａ，３２ａ等へ加わる電流Ｉの上限電流値ＩＬを示す。図６において、最低温度Ｔ（ＭＩＮ）は例えば−２０℃、最高温度Ｔ（ＭＡＸ）は例えば０℃に設定される。最高温度Ｔ（ＭＡＸ）が電動モータ２６の負荷制限を行なうか否かの基準温度となる。また、最低温度Ｔ（ＭＩＮ）は、その温度以下では上限電流値IＬを一定の低い電流値ＩＬ（ＭＩＮ）にする温度である。なお、これらの温度Ｔ（ＭＡＸ）、Ｔ（ＭＩＮ）は建設機械の使用態様等によって変更可能とすることが好ましい。

制限時間設定手段５１は、温度センサ３３により検出される電動モータ２６の温度ＴがＴ＜Ｔ（ＭＡＸ）である場合にソレノイド３１ａ，３２ａ等への電流Ｉを制限する時間ｔａを設定するものである。図７は検出された電動モータ２６の温度Ｔに対してこの制限時間設定手段５１により設定される制限時間ｔａの関係の一例を示す。図７に示すように、制限時間ｔａは、電動モータ２６の温度Ｔが低いほど長い時間に設定する。電動モータ２６の検出温度Ｔが最低温度Ｔ（ＭＩＮ）以下の場合、制限時間ｔａの最長時間ｔ（ＭＡＸ）とする。この最長時間ｔ（ＭＡＸ）は例えば３０分とする。

図８はこの実施の形態の制御装置の処理の流れを示すフローチャートである。まずステップ１において、油圧ショベルの運転室に備えられたキースイッチがオンとなることにより、電動モータ２６が起動されると、温度センサ３３は電動モータ２６の温度Ｔを検出する。また、ステップ２において、コントローラ３０は、回転センサ３４が電動モータ２６の回転を検出したか否かを参照し、回転中であれば、操作信号制限手段５０は、電動モータの温度Ｔからソレノイド３１ａ,３２ａへの上限電流値ＩＬを算出する（ステップ３）。ここで、電動モータ２６の温度Ｔが設定温度の最高温度Ｔ（ＭＡＸ）以上であれば、上限電流値ＩＬは制限無し(図６においてＩＬ（ＭＡＸ）)である。一方、電動モータ２６の温度Ｔが設定温度の最高温度Ｔ（ＭＡＸ）より低い場合には、温度が低い程、上限電流値ＩＬを低く設定する。

そして、操作信号制限手段５０は、温度センサ３３により検出される電動モータ２６の温度Ｔから上限電流値ＩＬの制限無しとするか否かを判定する（ステップ４）。電動モータ２６の温度Ｔが設定温度の最高温度Ｔ（ＭＡＸ）以上(Ｔ≧Ｔ（ＭＡＸ）)であれば、上限電流値ＩＬは制限無し(図６においてＩＬ（ＭＡＸ）)とする。すなわち、操作レバー２１〜２４の操作量に対するソレノイドへの電流Ｉを制限しない態様で操作を行なう（ステップ５）。

このＴ≧Ｔ（ＭＡＸ）である場合の操作態様を図９に示す。図９は操作レバー２２のブーム上げ、下げの最大操作量に対し、電磁比例弁３１，３２のソレノイド３１ａ，３２ａへの電流Ｉが最大値まで達していることを示す。なお、図９において、3段目に表示するブーム操作レバー入力信号とは、操作レバー２２の操作によりコントローラ３０に加えられる直流電圧の変化を示しており、例えば中央値が３Ｖ、最大が４．５Ｖ、最小が０．５Ｖである。コントローラ３０は、ブーム操作レバー２２のコントローラ３０への電圧が４．５Ｖまたは０．５Ｖであれば電磁弁出力信号(ソレノイド３１ａ，３２ａへの電流)はＩＬ（ＭＡＸ）となり、３Ｖであれば、電磁弁出力信号(ソレノイド３１ａ，３２ａへの電流)はゼロとなる。

一方、Ｔ＜Ｔ（ＭＡＸ）であって、上限電流値ＩＬが制限有りの場合には、ソレノイド３１ａ，３２ａへの電流が上限電流値ＩＬ（ＩＬ＜ＩＬ（ＭＡＸ））を超えないように制御を行なうと共に、警報手段である警報ランプ４６を点灯させ、オペレータに出力制限中であることを知らせる（ステップ６）。この出力制限有りの状態での操作態様を図１０に示す。図１０から分かるように、操作レバー２２を最大操作量に操作しても、出力制限有りの状態でのソレノイド３１ａ，３２ａへの出力電流は、上限電流値ＩＬ（ＭＡＸ）より小さい値に制限される。このため、操作レバー２２を最大に操作しても、電磁比例弁３１，３２の流路は開口面積が最高開口度より小さく制限される。このため、操作レバー２２を最大操作量に操作しても、コントロール弁２９における作動油流量が低く抑えられるので、主油圧ポンプ２７の吐出流量が制限され、電動モータ２６の負荷が低減される。

前記出力制限有り（ＩＬ＜ＩＬ（ＭＡＸ））の状態での制御開始と同時に、制限時間設定手段５１は、図７に示した相関関係を持って、電動モータ２６の温度Ｔに対応する制限時間ｔａを算出する（ステップ７）。そして、この出力制限の状態で運転を継続する（ステップ８、９）。このような運転状態が制限時間ｔａを経過すると、警報ランプ４６を消灯する（ステップ１０）。そして出力制限無しの制御態様に移行する（ステップ５）。

この実施の形態によれば、電動モータ２６の温度Ｔを検出し、検出温度が予め設定された温度Ｔ（ＭＡＸ）より低い場合には、操作レバー２１〜２４の操作量に対する出力電気信号、すなわちコントロール弁を制御する電磁比例弁３１，３２，３６〜４５のソレノイドへの電流が低い値に制限されるようにしたので、電動モータ２６の温度Ｔが低い場合には、コントロール弁を流れる作動油流量が抑制される。その結果、主油圧ポンプ２７の吐出流量が制限され、電動モータ２６の温度Ｔが低い場合には、電動モータ２６の負荷が低下する。このため、低温時における高負荷による電動モータ２６の破損を防ぐことができる。

また、この実施の形態においては、電動モータ２６の温度Ｔが低い程、操作レバー２１〜２４の操作量に対する電磁比例弁３１，３２，３６〜４５のソレノイドへの上限電流値ＩＬを低く設定したので、電動モータの破損を防止する上において、温度状況に対応したより良好な制御が行なわれる。

また、この実施の形態においては、電動モータ２６の温度Ｔが低い程、操作レバー２１〜２４の操作量に対する電磁比例弁３１，３２，３６〜４５のソレノイドへの上限電流値ＩＬを低くする制限時間ｔａを長く設定したので、電動モータ２６の破損を防止する上において、温度状況に対応したさらに良好な制御が行なわれる。

また、操作レバー２１〜２４の操作量に対する出力電気信号を低く抑制した状態であることを報知する警報ランプ４６等の警報手段を備えたので、オペレータが操作レバー２１〜２４を操作した際に操作対象装置（ブーム１２、アーム１５、バケット１７等）が低速で作動した際に、その理由をオペレータが知ることができ、オペレータの操作上の信頼性を高めることができる。

図１１は本発明の制御装置の他の実施の形態を示す機能ブロック図である。この実施の形態においては、図７に示した電動モータ２６の温度センサ３３による検出温度Ｔと予め設定された基準温度Ｔ（ＭＡＸ）とを比較し、Ｔ＜Ｔ（ＭＡＸ）である間は電磁比例弁３１，３２，３６〜４５のソレノイドへの電流の最大値を抑制した前記負荷軽減状態での運転を継続し、警報ランプ４６による警報を発し、Ｔ≧Ｔ（ＭＡＸ）になると通常の負荷制限の無い状態での運転を行なうと共に、警報発生を停止するようにしたものである。このような制御を行なえば、電動モータ２６の温度に対応したより好適な時間制御が行なえる。

なお、図５、図１１に示した実施の形態においては、制限時間ｔａ内の動作においては、最初に検出した電動モータ２６の温度によって上限電流値ＩＬを固定した値に設定したが、この上限電流値値ＩＬは電動モータ２６の検出温度Ｔの上昇に伴って増大させるようにしてもよい。

また、上記実施の形態においては、建設機械がローダバケットを用いた油圧ショベルである場合について示したが、本発明はバックホウバケットを用いた油圧ショベルや油圧ショベル以外の他の建設機械にも適用できる。また、出力制限状態での運転状態を報知する警報手段としてはランプ以外に音響装置や画面を用いた表示装置等を用いることも可能である。

また、電磁比例弁３１，３２とコントロール弁２９との間に油圧操作のパイロット弁を介在させた２段構成のパイロット弁構成にしてもよい。このような２段構成にすれば、コントロール弁と油圧操作のパイロット弁との間の距離を短くすることを可能となり、油圧パイロット回路の長さを短くし、油圧パイロット回路でのパイロット油の流れによる応答遅れの問題を解決することができる。

１：下部走行体、２：サイドフレーム、３：駆動輪、４：従動輪、５：履帯、６：上部旋回体、７：旋回装置、９：運転室、１０：パワーユニット、１１：作業装置、１２：ブームシリンダ、１３：ブーム、１４：アームシリンダ、１５：アーム、１６：バケットシリンダ、１７：ローダバケット、１８：電源ケーブル、２１〜２４：操作レバー、２６：電動モータ、２７：主油圧ポンプ、２８：パイロットポンプ、２９：コントロール弁、３０：コントローラ、３１，３２，３６〜４５：電磁比例弁、３１ａ，３２ａ：ソレノイド、３３：温度センサ、３４：回転センサ、４６：警報ランプ

Claims (4)

1. 油圧ポンプを駆動する電動モータと、前記油圧ポンプから吐出される作動油により作動する油圧アクチュエータと、前記油圧アクチュエータに供給する作動油の方向、流量を制御するコントロール弁と、前記コントロール弁の操作信号を電気信号として発生させる操作レバーと、前記電気信号により切換制御されて前記コントロール弁の操作油圧を発生させる電磁比例弁とを備えた建設機械の制御装置において、
   前記電動モータの温度を検出する温度センサと、
   前記温度センサの検出温度が予め設定された基準温度より低い際に前記操作レバーの操作量に対する前記電磁比例弁のソレノイドへの出力電流を制限して前記コントロール弁における作動油流量を制限する操作信号制限手段とを備えたことを特徴とする建設機械の制御装置。
2. 請求項１に記載の建設機械の制御装置において、
   前記操作信号制限手段は、前記電動モータの検出温度が低い程、前記操作レバーの操作量に対する前記電磁比例弁のソレノイドへの出力電流の上限電流値を低く設定することを特徴とする建設機械の制御装置。
3. 請求項１または２に記載の建設機械の制御装置において、
   前記操作レバーの操作量に対する前記電磁比例弁のソレノイドへの出力電流を制限した状態を長く設定する制限時間設定手段をさらに備えたことを特徴とする建設機械の制御装置。
4. 請求項１から３までのいずれか1項に記載の建設機械の制御装置において、
   前記電磁比例弁のソレノイドへの出力電流を制限した状態であることを報知する警報手段をさらに備えたことを特徴とする建設機械の制御装置。

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