混合动力作业机械技术领域
本发明涉及一种利用来自致动器的再生流量的混合动力作
业机械。
背景技术
JP2009-236190A公开了利用致动器的再生流量的混合动
力作业机械。在该混合动力作业机械中，在作为致动器的动臂
缸(boom cylinder)和再生用的油压马达之间设有开闭阀。在控
制致动器的操作阀返回到中立位置的情况下，开闭阀保持关闭
位置。
在使有高负载作用的高速运转中的动臂缸紧急停止的情况
下，在将操作阀切换为中立位置的同时将开闭阀切换为关闭位
置，防止动臂缸的失控，避免电动发电机的吸收能力以上的高
转矩从油压马达输入到电动发电机。由此，防止如下情况：电
动发电机的吸收能力以上的高转矩作用于电动发电机，电动发
电机发生故障或失控。
发明内容
然而，在上述以往的混合动力作业机械中，在为了紧急停
止致动器而将操作阀急剧地返回到中立位置的情况下，电动发
电机的吸收能力以上的高转矩有可能作用于电动发电机。这是
因为：开闭阀的响应性存在极限，难以瞬时地关闭开闭阀来紧
急停止致动器。
为了提高电动发电机的吸收能力，还考虑使电动发电机大
型化，但是成本随着大型化而相应增大。
本发明的目的在于，在混合动力作业机械中，在紧急停止
了有高负载作用的高速运转中的致动器的情况下，能够可靠地
停止致动器，避免吸收能力以上的高转矩作用于电动发电机。
根据本发明的一种方式，提供一种混合动力作业机械，其
具备：主泵；发动机，其驱动上述主泵；可变容量的辅助泵，
其经由合流通路连接在上述主泵的排出侧；倾角控制器，其控
制上述辅助泵的偏转角；比例电磁节流阀，其设置在上述合流
通路上；致动器；操作阀，其控制从上述主泵向上述致动器的
压力流体的供给；可变容量的油压马达，其利用来自上述致动
器的返回油进行旋转；电动发电机，其连接在上述辅助泵以及
上述油压马达；电池，其连接在上述电动发电机；以及控制器，
其连接在上述倾角控制器以及上述比例电磁节流阀，判断上述
操作阀是否处于中立位置，检测利用来自上述致动器的返回油
进行旋转的上述油压马达的输入动力，在上述操作阀处于中立
位置、且上述油压马达的输入动力超过第一阈值的情况下，缩
小上述比例电磁节流阀的开度。
根据上述方式，在油压马达的输入动力超过了第一阈值的
情况下，通过辅助泵来吸收油压马达的输入动力，因此能够防
止对电动发电机输入吸收能力以上的动力。
因而，即使不提高开闭阀的响应性或者不使电动发电机大
型化为所需程度以上，在紧急停止有高负载作用的高速运转中
的致动器的情况下，也不会使吸收能力以上的高转矩作用于电
动发电机，能够可靠地停止致动器。
以下，参照附图来详细地说明本发明的实施方式以及本发
明的优点。
附图说明
图1是本发明的实施方式所涉及的挖掘机(power shovel)的
回路图。
图2是表示第一控制流程的流程图。
图3是表示第二控制流程的流程图。
具体实施方式
图1是本发明的实施方式所涉及的挖掘机的回路图。挖掘机
具备可变容量的第一、第二主泵MP1、MP2。第一主泵MP1与
第一回路系统相连接。第二主泵MP2与第二回路系统相连接。
在第一回路系统中，从上游侧按顺序连接有：控制回转马
达RM的操作阀1、控制斗杆缸(arm cylinder)的臂1档用的操作阀
2、控制动臂缸B C的动臂2档用的操作阀3、控制预备用配件的
操作阀4以及控制左行走用马达的操作阀5。
各操作阀1~5分别通过中立流路6及并行通路7与第一主泵
MP1相连接。
在中立流路6上的、操作阀5的下游侧设置有先导压力(pilot
pres sure)生成机构8。如果流过先导压力生成机构8的流量多，
则该先导压力生成机构8生成高的先导压力，如果流量少则生成
低的先导压力。
在操作阀1~5全部处于中立位置或者中立位置附近的情况
下，中立流路6将从第一主泵MP1排出的流体的全部或者一部分
导向罐T。在这种情况下，通过先导压力生成机构8的流量也变
多，因此生成高的先导压力。
如果操作阀1~5切换为全冲程(full stroke)的状态，则中立流
路6被关闭而流体的流通停止。在这种情况下，流过先导压力生
成机构8的流量几乎消失，先导压力保持为零。
其中，根据操作阀1~5的操作量，泵排出量的一部分导向
致动器而一部分从中立流路6导向罐T，因此先导压力生成机构
8生成与流过中立流路6的流量相应的先导压力。即，先导压力
生成机构8生成与操作阀1~5的操作量相应的先导压力。
先导压力生成机构8上连接有先导流路9。先导流路9与控制
第一主泵MP 1的偏转角的调节器10相连接。调节器10与先导压
力成反比地控制第一主泵MP1的排出量。因而，在使操作阀1~5
处于全冲程而中立流路6的流动变为零的情况下，换句话说在先
导压力生成机构8所产生的先导压力变为零的情况下，第一主泵
MP1的排出量保持为最大。
先导流路9上连接有第一压力传感器11。第一压力传感器11
的压力信号输入到控制器C。
在第二回路系统中，从上游侧按顺序连接有：控制右行走
用马达的操作阀12、控制铲斗缸(bucket cylinder)的操作阀13、
控制动臂缸BC的动臂1档用的操作阀14以及控制斗杆缸的臂2
档用的操作阀15。在操作阀14上设置有检测操作方向以及操作
量的传感器14a。
各操作阀12~15经由中立流路16与第二主泵MP2相连接。操
作阀13和操作阀14经由并行通路17与第二主泵MP2相连接。
在中立流路16上的、操作阀15的下游侧设置有先导压力生
成机构18。先导压力生成机构18与之前说明的先导压力生成机
构8发挥完全相同的功能。
先导压力生成机构18上连接有先导流路19。先导流路19与
控制第二主泵MP2的偏转角的调节器20相连接。调节器20与先
导压力成反比地控制第二主泵MP2的排出量。在使操作阀12~15
处于全冲程而中立流路16的流动变为零的情况下，换句话说在
先导压力生成机构18所产生的先导压力变为零的情况下，第二
主泵MP2的排出量保持为最大。
先导流路19上连接有第二压力传感器21。第二压力传感器
21的压力信号输入到控制器C。
第一、第二主泵MP1、MP2利用一个发动机E的驱动力进行
同轴旋转。
在发动机E中设置有发电机(generator)22。发电机22利用发
动机E的剩余输出进行旋转并发电。发电机22所发电产生的电
力通过电池充电器23充入电池24。
电池充电器23在连接到普通的家庭用的电源25的情况下，
也能够将电力充入电池24。即，电池充电器23也能够连接到其
它独立系统电源。
在与第一回路系统连接的操作阀1的致动器端口上连接有
与回转马达RM连通的通路26、27。在两个通路26、27上分别连
接有制动阀28、29。在将操作阀1保持在中立位置的情况下，致
动器端口被关闭，回转马达RM维持停止状态。
当将操作阀1切换到某一个通路时，从某一方通路例如通路
26供给压力流体来使回转马达RM进行旋转。来自回转马达RM
的返回流体通过通路27返回到罐T。
在正在驱动回转马达RM的情况下，制动阀28或者29发挥溢
流阀(relief valve)的功能，当通路26、27为设定压力以上时制动
阀28、29打开来将高压侧的流体导向低压侧。
如果在回转马达RM进行旋转的状态下将操作阀1返回到中
立位置，则操作阀1的致动器端口被关闭。即使操作阀1的致动
器端口被关闭，回转马达RM也利用惯性能量继续旋转，通过回
转马达RM利用惯性能量进行旋转，回转马达RM起到泵作用。
在这种情况下，由通路26、27、回转马达RM、制动阀28或者29
构成闭合回路，通过制动阀28或者29将惯性能量转换为热能。
另一方面，当将操作阀14从中立位置切换到附图右侧位置
时，来自第二主泵MP2的压力流体经由通路30被供给到动臂缸
BC的活塞侧室31。来自杆侧室32的返回流体经由通路33返回到
罐T，动臂缸BC伸长。
当将操作阀14切换到附图左方向时，来自第二主泵MP2的
压力流体经由通路33被供给到动臂缸BC的杆侧室32。来自活塞
侧室31的返回流体经由通路30返回到罐T，动臂缸BC收缩。操
作阀3与操作阀14连动地进行切换。
在连接动臂缸BC的活塞侧室31与操作阀14的通路30中，设
有通过控制器C来控制开度的比例电磁阀34。比例电磁阀34在
正常状态下保持全开位置。
接着，说明辅助第一主泵MP1、MP2的输出的可变容量的
辅助泵AP。
辅助泵AP利用由电动发电机MG的驱动力进行旋转。通过
电动发电机MG的驱动力，可变容量的油压马达AM也进行同轴
旋转。电动发电机MG上连接有逆变器I。逆变器I与控制器C相
连接，能够通过控制器C来控制电动发电机MG的转速等。
辅助泵AP和油压马达AM的偏转角是由倾角控制器35、36
来进行控制的。根据控制器C的输出信号来控制倾角控制器35、
36。
辅助泵AP上连接有排出通路37。排出通路37分支为与第一
主泵MP 1的排出侧合流的第一合流通路38以及与第二主泵MP2
的排出侧合流的第二合流通路39。在第一、第二合流通路38、
39上分别设置有根据控制器C的输出信号来控制开度的第一、
第二比例电磁节流阀40、41。
油压马达AM上连接有连接用通路42。连接用通路42经由
合流通路43和单向阀(check valve)44、45连接到与回转马达RM
连接的通路26、27。在合流通路43中设有通过控制器C进行开
闭控制的电磁开闭阀46。在电磁开闭阀46与单向阀44、45之间
设置有压力传感器47，该压力传感器47检测回转马达RM的回转
时的压力或者制动时的压力。压力传感器47的压力信号输入到
控制器C。
在合流通路43的、相对于从回转马达RM向连接用通路42
的流动位于电磁开闭阀46的下游侧的位置处设置有安全阀48。
例如在电磁开闭阀46等中发生了故障的情况下，安全阀48维持
通路26、27的压力来防止回转马达RM失控。
在动臂缸BC与比例电磁阀34之间设置有与连接用通路42
连通的通路49。在通路49中设有通过控制器C进行控制的电磁
开闭阀50。
接着，说明本实施方式的作用。
当在回转马达RM正在回转的过程中将操作阀1切换到中立
位置时，在通路26、27间构成闭合回路，制动阀28或者29维持
闭合回路的制动压力，将惯性能量转换为热能。
压力传感器47检测回转压力或者制动压力。压力信号输入
到控制器C。控制器C在检测出不影响回转马达RM的回转或者
制动动作的范围内的、比制动阀28、29的设定压力低的压力的
情况下，切换电磁开闭阀46。如果切换了电磁开闭阀46，则被
导向回转马达RM的压力流体流过合流通路43，经由安全阀48
和连接用通路42被供给到油压马达AM。
如下面所说明的那样，控制器C根据来自压力传感器47的
压力信号来控制油压马达AM的偏转角。
如果通路26或者27的压力没有保持在回转动作或者制动动
作所需的压力，则无法使回转马达RM进行回转、或者施以制动。
因此，为了将通路26或者27的压力保持为回转压力或者制
动压力，控制器C控制油压马达AM的偏转角，控制回转马达RM
的负载。具体地说，控制器C控制油压马达AM的偏转角使得由
压力传感器47检测出的压力与回转马达RM的回转压力或者制
动压力大致相等。
如果油压马达AM获得旋转力，则该旋转力作用于进行同
轴旋转的电动发电机MG。油压马达AM的旋转力作为针对电动
发电机MG的辅助力而起作用。因而，能够使电动发电机MG的
消耗电力减少与油压马达AM的旋转力相当的量。
也能够以油压马达AM的旋转力来对辅助泵AP的旋转力进
行辅助。
接着，说明切换操作阀14以及与其连动的操作阀3来控制动
臂缸BC的情况。
当为了使动臂缸BC进行动作而切换操作阀14以及与其连
动的操作阀3时，利用传感器14a检测操作阀14的操作方向和操
作量。操作信号输入到控制器C。
根据传感器14a的操作信号，控制器C判断操作员是要使动
臂缸BC上升还是下降。如果用于使动臂缸B C上升的信号输入
到控制器C，则控制器C将比例电磁阀34保持为正常状态。换句
话说，将比例电磁阀34保持在全开位置。在这种情况下，为了
确保从辅助泵AP排出规定的排出量，控制器C使电磁开闭阀50
保持在图示的关闭位置，并控制电动发电机MG的转速、辅助
泵AP的偏转角。
当用于使动臂缸BC下降的信号从传感器14a输入到控制器
C时，控制器C根据操作阀14的操作量来运算操作员所要求的动
臂缸BC的下降速度，关闭比例电磁阀34，将电磁开闭阀50切换
到打开位置。
如果关闭比例电磁阀34并将电磁开闭阀50切换到打开位
置，则动臂缸BC的返回流体的全量被供给到油压马达AM。但
是，如果油压马达AM所消耗的流量小于维持操作员所要求的
下降速度所需的流量，则动臂缸BC无法维持操作员所要求的下
降速度。在这种情况下，控制器C根据操作阀14的操作量、油
压马达AM的偏转角、电动发电机MG的转速等来控制比例电磁
阀34的开度使得由油压马达AM消耗的流量以上的流量返回到
罐T，以维持操作员所要求的动臂缸BC的下降速度。
当向油压马达AM供给流体时，油压马达AM进行旋转。油
压马达AM的旋转力作用于进行同轴旋转的电动发电机MG。油
压马达AM的旋转力作为针对电动发电机MG的辅助力而起作
用。因而，能够使消耗电力减少与油压马达AM的旋转力相当
的量。
在将油压马达AM用作驱动源并将电动发电机MG用作发
电机的情况下，将辅助泵AP的偏转角设为零来形成几乎无负载
状态，并使油压马达AM维持使电动发电机MG旋转所需的输
出。由此，利用油压马达AM的输出，能够使电动发电机MG发
挥发电功能。
在第一、第二比例电磁节流阀40、41的下游侧设置有单向
阀51、52。单向阀51、52仅允许从辅助泵AP向第一、第二主泵
MP1、MP2侧流通。
控制器C始终监视油压马达AM的输入动力(入口侧的动力)
的大小。计算动力的大小的方法例如考虑以下三种。
(1)利用电动发电机的发电动力即电流×电压来进行计算的
方法。
(2)根据油压马达AM的偏转角和电动发电机MG的转速计
算流量，将该流量乘以油压马达AM的入口压力来进行计算的
方法。
(3)将油压马达AM的动态特性进行数学模型化来估计油压
马达AM的偏转角，根据偏转角并基于电动发电机MG的转速来
计算流量，将流量乘以油压马达AM的入口压力来进行计算的
方法。
也可以使用除了以上三种计算方法以外的任意计算方法。
不管采用哪种方法，控制器C都监视油压马达AM的输入动力。
控制器C监视油压马达AM的输入动力，根据来自设置于操
作阀1~5、12~15的传感器的信号，检查这些全部的操作阀1~5、
12~15是否保持中立位置。
例如在停止动臂缸B C的情况下，操作员使操作阀3、14返
回到中立位置。在这种情况下，控制器C根据来自传感器的信
号来关闭电磁开闭阀50。
在紧急停止动臂缸B C的情况下，在使操作阀3、14返回到
中立位置的同时必须瞬时关闭电磁开闭阀50，但是电磁开闭阀
50的响应性存在极限，在电磁开闭阀50关闭时产生响应延迟。
如果动臂缸BC进行高负载动作，则当在电磁开闭阀50中产
生响应延迟时，此时的大动力输入到油压马达AM。控制器C对
此时的输入动力进行运算，判断该运算结果是否超过预先设定
的第一阈值ε1。然后，控制器C根据判断结果来执行与图2所示
的流程图相应的控制。
即，当开始混合动力控制(步骤S 1)时，控制器C判断所有的
操作阀1~5、12~15是否保持中立位置(步骤S2)。如果操作阀1~5、
12~15中的某一个操作阀处于中立位置以外的切换位置，则控
制器C输出进行普通的混合动力控制所需的指令信号(步骤S 3)。
在所有的操作阀1~5、12~15保持中立位置的情况下，运算
油压马达AM的输入动力PL(步骤S4)，判断输入动力PL是否大
于第一阈值ε1(步骤S 5)。
如果输入动力PL小于第一阈值ε1，则判断为不处于紧急停
止动臂缸BC的状况，控制器C返回到步骤S3。
但是，如果输入动力PL大于第一阈值ε1，则判断为紧急停
止了进行高负载动作的动臂缸BC，转移到步骤S6。
在步骤S6中，控制器C控制辅助泵AP的偏转角控制器35来
增大辅助泵AP的偏转角，增大每一转的排量。并且，控制器C
减少第一、第二比例电磁节流阀40、41的开度。因而，从辅助
泵AP增大每一转的排出量，其通过第一、第二比例电磁节流阀
40、41，因此压力损失增大，压力损失量作为针对油压马达AM
的制动力而发挥功能。
通过步骤S2判断是否所有的操作阀1~5、12~15处于中立位
置是基于如下理由。例如，在某一个操作阀保持为中立位置以
外的切换位置的情况下，使连接于该操作阀的致动器进行动作，
或者该致动器的负载作用于辅助泵AP。因而，在紧急停止动臂
缸BC的情况下，也能够由作用于辅助泵AP的负载来吸收油压
马达AM的输入动力。因此，只有在所有的操作阀1~5、操作阀
12~15都处于中立位置的情况下，执行步骤S6所示的控制。
因而，例如在起重机(crane)的情况下，用于进行伸缩控制
的操作阀只要有一个即可，因此只要判断该操作阀是否处于中
立位置即可。
在上述实施方式中，同时执行辅助泵AP的偏转角的控制和
第一、第二比例电磁节流阀40、41的开度的控制，但是也可以
一边将辅助泵AP的偏转角保持为某种程度，一边控制第一、第
二比例电磁节流阀40、41的开度。
在图2所示的步骤S5中，即使油压马达AM的输入动力PL小
于第一阈值ε1，在经过时间t1后输入动力PL仍没有变得充分小
的情况下，也能够判断为动臂缸BC处于异常的状态。
在这种情况下，只要执行基于图3所示的流程图的控制，就
能够可靠地停止动臂缸BC。
在图3所示的控制方式中，步骤S1~S6与图2的情况相同。
在步骤S5中，即使油压马达AM的输入动力PL小于第一阈
值ε1，控制器C通过步骤S 7来判断在预先设定的时间t 1后输入动
力PL是否变得小于第二阈值ε2。第一阈值、第二阈值是ε1>ε2
的关系。
如果在步骤S 7中输入动力PL变得小于第二阈值ε2，则控制
器C判断为充分吸收了输入动力PL，返回到步骤S3，执行普通
的混合动力控制。
但是，如果在步骤S7中输入动力PL大于第二阈值ε2，则控
制器C判断为没有充分吸收来自动臂缸BC的输入动力PL而处
于异常的状态，转移到步骤S8。
在步骤S8中，控制器C控制倾角控制器35来使辅助泵AP的
偏转角变为最大，使每一转的排量变为最大。同时关闭第一、
第二比例电磁节流阀40、41。
由此，动臂缸BC可靠地停止，解除异常的状态。
在上述实施方式中，以动臂缸BC的再生动力控制为例进行
了说明，但是控制回转马达RM的再生动力的情况也与动臂缸
BC的情况相同。
即，在紧急停止了回转马达RM的情况下，使操作阀1返回
到中立位置，并且关闭电磁开闭阀46。此时的电磁开闭阀46的
响应性存在极限，因此油压马达AM的输入动力变为超过电动
发电机MG的吸收能力的大小。
在这种情况下，控制器C也进行基于图2、3所示的流程图
的控制。
以上，说明了本发明的实施方式，但是上述实施方式只不
过是本发明的应用例的一部分，而不是将本发明的技术范围具
体地限定为上述实施方式的意思。
本申请要求基于2010年5月20日向日本专利局申请的特愿
2010-116604号的优先权，将该申请的所有内容通过参照编入本
说明书。
产业上的可利用性
本发明能够利用于混合动力挖掘机等混合动力作业机械。