液压机构以及包括该液压机构的施工设备 【技术领域】
本发明，涉及一种具有可变容积泵(variable delivery pump)和驱动该可变容积泵且转速可控的电动机的液压机构以及包括该液压机构的施工设备。
背景技术
在像液压挖掘机那样的施工设备中，将可变容积液压泵同轴地直接连结在所搭载的柴油发动机上并不改变发动机转速而靠改变泵容积(每旋转一次的喷出量)使需要的流量得以增减的液压机构已为众所周知。
在此，对具有发动机和由发动机驱动的可变容积泵的液压机构进行说明。假设在该液压机构中，发动机的额定转速为2400rpm，泵的容积可变范围为0～54cc/rev，泵的允许压力为25MPa，且使泵成为恒定马力的机构被设定为20kW，则如图7所示，通过让发动机转速保持额定的2400rpm，并使泵的容积从54cc/rev开始减少，从而泵的喷出量(流量)就会从130L/min开始逐渐减少。液压油缸、液压马达等执行机构的速度变化直接关系到泵的流量变化，所以泵的流量就随着执行机构的运转随时发生变化。
例如，在专利文献1中，公开了一种包括发动机、由发动机驱动的可变容积泵以及泵输出控制器的施工设备的控制装置。并且，该泵输出控制器进行控制使作用在可变容积泵上的负荷压力与容积的乘积基本为一定。
专利文献1：日本公开特许公报特开平11-293710号公报
-发明所要解决的技术问题-
在现有的液压机构中，若为了改变执行机构的速度而欲使泵的流量变化时，因为发动机的转速无法瞬时变化，所以有必要不改变泵的转速而靠改变泵的容积来使泵的流量变化。
一般在液压挖掘机等施工设备中使用的可变容积泵是斜盘式活塞液压泵。如图10所示，在斜盘式活塞液压泵中，若不改变转速而使泵的容积减半来实现流量减半的话，泵的效率就会下降10％左右，因此就出现了小流量时效率差的问题。与此相比，如图8所示，在不改变泵的容积而使转速减半即从2400rpm减至1200rpm来实现泵流量减半时，泵的效率只不过下降了大约2％而已。还有，如图9所示，从电动机的特性来看，在不改变轴扭矩而使转速减半即从2400rpm减至1200rpm来实现泵流量减半的时候，电动机的效率只不过下降了大约2％而已。
【发明内容】
本发明是鉴于所述技术问题而研究开发出来的，其目的在于：通过适当选择泵的转速和容积的组合，来使泵的效率提高。
-用以解决技术问题的技术方案-
针对下述串联式混合挖掘机提出了一种控制方式，该控制方式能够改善液压泵为小流量时的效率。在该串联式混合挖掘机中，除了发动机外，还具有发电机和转速可控的电动机，发动机的动力全部用于驱动发电机，用该发电机产生的电力驱动电动机使直接连结在电动机上的液压泵转动。
一般来说，在可变容积型液压泵中，泵容积越大则效率越高(图10)。因而，基于下述方针对可变容积泵38的运转区域进行划分。该方针是使泵的容积保持尽可能大的容积，并且优先改变转速能瞬时变化的电动机37的转速来使流量产生变化。
具体来说，第一方面的发明以下述液压机构50为对象。该液压机构50包括可变容积泵38和驱动该可变容积泵38的转速可控的电动机37。
所述液压机构50包括流量调节器51。该流量调节器51在第一区域A、第二区域B和第三区域C之间切换。在该第一区域A，使所述可变容积泵38的容积保持最大，控制所述电动机37的转速来对流量进行调节；在该第二区域B，使所述电动机37地转速保持能够让液压泵的效率维持某一水平(比所述第一区域A的转速低)的最低转速，改变所述可变容积泵38的容积来对流量进行调节；在该第三区域C，在可变容积泵38的喷出压力比所述第一区域A的喷出压力大的范围内，一边使泵的容积保持从该喷出压力和所述电动机37的最大轴扭矩推导出的可变容积泵38的最大允许容积，一边使所述电动机37的转速在比所述最低转速大的范围内变化，由此来对流量进行调节。
根据所述结构，在第一区域A中，一边使可变容积泵38的容积保持效率最高的最大容积，一边改变转速控制自如的电动机37的转速，由此来对流量进行调节。在第二区域B中，一边使泵38的转速保持最低转速，一边改变可变容积泵38的容积，由此来对流量进行调节。第三区域C以可变容积泵38的喷出压力比第一区域A的喷出压力大的范围作为对象，使可变容积泵38的容积保持从此时的喷出压力和电动机37的最大轴扭矩推导出的最大允许容积，并使转速随之变化，由此来对流量进行调节。该最大允许容积与喷出压力成反比地变化。还有，将此时电动机37的转速设定在比第二区域B的最低转速大的范围内。
这样一来，通过使可变容积泵38的容积保持尽可能大的容积，并且优先改变转速容易变化的电动机37的转速，由此来对流量进行调节，从而能够确实地防止可变容积泵38的效率下降。
第二方面的发明是在第一方面的发明的基础上的发明，其特征在于：所述电动机37的转速控制是通过逆变器控制进行的。
根据所述结构，因为通过逆变器控制很容易地就能够改变电动机37的转速，所以在使可变容积泵38保持效率较高的容积的同时，能够很容易地对可变容积泵38的流量进行调节。
第三方面的发明涉及一种施工设备，该施工设备包括第二方面的发明所述的液压机构50、发动机31和由所述发动机31驱动的发电机32。所述发电机32的电力经由逆变器(inverter)34供向所述电动机37。
根据所述结构，发动机与此时挖掘机的工作负荷及发动机31的转速无关，总是以一定的输出扭矩和转速进行连续运转来驱动发电机，并且经由逆变器控制很容易地就能够改变所获得的电力并将该电力传送给电动机37。因此，一边使可变容积泵38保持效率较高的容积，一边很容易地就能够对可变容积泵38的流量进行调节。由此，不使施工设备中的执行机构的作业能力下降，就能够实现可变容积泵38的高效运转。
第四方面的发明是在第三方面的发明的基础上的发明，其特征在于：施工设备为液压挖掘机1。
根据所述结构，与以起重机汽车为代表的其它施工设备相比，在液压挖掘机1中安装了多个执行机构，并且执行机构的运转速度频繁地变化。具体来说，使各种油缸频繁进行伸缩动作，并且转速频繁地从高速变为低速。在这种液压挖掘机1中，因为可变容积泵38能够高效地运转，所以作业效率得到提高。
-发明的效果-
如上所述，根据所述第一方面的发明，将可变容积泵38的转速和容积的分布划分为第一区域至第三区域，并且优先改变转速容易变化的电动机37的转速，以确保可变容积泵38的容积保持高效率的容积，从而来对流量进行调节。由此，能够使可变容积泵38的效率最大限度地提高。
根据所述第二方面的发明，利用逆变器控制对电动机37的转速进行控制，由此很容易地就能够边使可变容积泵38保持高效率的容积边对流量进行调节。
根据所述第三方面的发明，与此时挖掘机的工作负荷及发动机31的转速无关，由施工设备中的发动机31驱动的发电机32产生的电力是被逆变器34改变后供给电动机37的。因而，能够一边使可变容积泵38保持高效率的容积，一边对流量进行调节，所以能够使施工设备的作业效率显著提高。
根据所述第四方面的发明，施工设备是安装有多个执行机构且执行机构的运转速度频繁变化的液压挖掘机1。由于能够使可变容积泵38高效地运转，所以作业效率得以显著提高。
【附图说明】
图1是一幅曲线图，表示的是本发明的实施方式所涉及的效率图(efficiency map)。
图2是本发明的实施方式所涉及的包括液压机构的液压挖掘机的立体图。
图3是表示液压挖掘机的液压系统的略图。
图4表示的是在图1的效率图中泵容积的变化情况。
图5表示的是在图1的效率图中泵转速的变化情况。
图6是表示利用流量调节器所进行的控制的流程图。
图7是一幅曲线图，表示的是现有流量控制的效率图。
图8是使泵的容积一定而使转速变化时的斜盘式可变活塞泵的效率分布图。
图9是不改变电动机的轴扭矩而使转速变化时的电动机的效率分布图。
图10是不改变转速而使泵的容积变化时的斜盘式可变活塞泵的效率分布图。
-符号说明-
1 液压挖掘机(施工设备)
31 发动机
32 发电机
34 逆变器
37 电动机
38 可变容积泵
50 液压机构
51 流量调节器
【具体实施方式】
下面，参照附图对本发明的实施方式进行说明。
-液压挖掘机的结构-
图2表示的是本发明的实施方式所涉及的包括液压机构的液压挖掘机1，该液压挖掘机1是一种施工设备。该液压挖掘机1包括在左右行走马达(running motor)2、2的控制下能够行走的下部行走体4。行走马达2、2是液压马达。推土铲5经由铲刀油缸6连结在下部行走体4的前侧且能够上下运动。
上部旋转体10安装在该下部行走体4之上且能够进行旋转。上部旋转体10在由液压马达构成的旋转马达11的控制下进行旋转，并且在上部旋转体10和旋转马达11之间经由旋转接头12传递电及液压。
转臂19作为配件设置在上部旋转体10上且能够上下运动。转臂19通过使转臂油缸20伸缩而能够上下运动。在顶端具有铲斗21的臂部22以能够偏移(offset)且摇动的方式连接在该转臂19上。也就是说，臂部22在转臂偏移油缸23的作用下能够沿水平方向自由偏移，并且该臂部22在臂部油缸24的作用下能够沿上下方向自由摇动。铲斗21构成为通过使铲斗油缸25伸缩而能够沿上下方向自由摇动。
图3表示的是液压挖掘机1的液压系统30。液压挖掘机1包括由柴油发动机(也可以是汽油发动机)等构成的发动机31以及由该发动机31驱动的发电机32。该发电机32直接连结在发动机31的输出轴上。为此，发电机32本身的转速会跟随发动机31的转速而变化，所以发电机32的转速是无法瞬时改变的。在发电机32上连接有转换器33，在该转换器33中，发电机32产生的交流电被整流成直流电。在转换器33上连接有例如逆变器34、电容器35和蓄电池36。经转换器33整流好的直流电被送到逆变器34，多余的直流电则存储在电容器35及蓄电池36中。
在所述逆变器34中，直流电经逆变器控制后被供给电动机37。因为电动机37并不是直接连结在发动机31上，所以能够自如地对电动机37的转速进行控制而无需考虑发动机31的转速。
可变容积泵38直接连结在所述电动机37上，并将油供给各种执行机构。这一部分与现有的液压挖掘机无异。
具有流量调节器51的控制器52按照图6所示的流程图对液压机构50进行控制。事先将已划分成第一至第三区域A、B、C的效率图输入流量调节器51。也就是说，如图1所示，第一区域A是这样一个区域，即：一边使可变容积泵38的容积保持最大，一边控制电动机37的转速，由此来调节流量。第二区域B是这样一个区域，即：一边使电动机37的转速保持能够让某一水平的效率得以维持的最低转速，一边改变可变容积泵38的容积来对流量进行调节。第三区域C是这样一个区域，即：在可变容积泵38的喷出压力比第一区域A的喷出压力大的范围内，一边使可变容积泵38保持从该喷出压力和电动机37的最大轴扭矩推导出的最大允许容积，一边使电动机37的转速在比第二区域B的最低转速大的范围内变化，由此来对流量进行调节。在所述第一至第三区域A、B、C之间适当地切换，便能够实现最佳控制。
-工作情况-
下面，参照图1、图4及图5，对本实施方式所涉及的液压机构50的具体工作示例进行说明。
该液压机构50被用于5吨级液压挖掘机1中，假设在该液压机构50中，发动机31的额定转速为2400rpm，电动机37的转速可变范围为0～2400rpm，可变容积泵38的容积可变范围为0～54cc/rev，可变容积泵38的允许压力为25MPa，且使泵成为恒定马力的机构被设定为20kW。用最大容积54cc/rev乘以最大转速2400rpm所得到的最大流量为130L/min。
可变容积泵38能够实际应用的可发挥某一水平效率的范围是这样设定的，即：将实用容积可变范围设定为20～54cc/rev，将实用转速范围设定为500～2400rpm。
在第一区域A，将可变容积泵38的容积设定成最大容积54cc/rev(一定)，将压力设定在0～9MPa的范围内，并且将转速设定在500～2400rpm的范围内。让容积保持效率最高的容积54cc/rev，选择转速和喷出压力，由此来决定流量。具体来说，如图5所示，流量与转速成正比。
在第二区域B，将可变容积泵38的转速设定成最低转速500rpm(一定)，将容积设定在0～54cc/rev的范围内，并且将压力设定在0～25MPa的范围内。如图4所示，保持转速为500rpm不变，使容积变化，从而流量就与容积成正比。
在第三区域C，将可变容积泵38的容积设定在20～54cc/rev的范围内，将压力设定在9～25MPa的范围内，并且将转速设定在500～2400rpm的范围内。由喷出压力和电动机37的最大轴扭矩决定可变容积泵38的最大允许容积，对应于该最大允许容积值来调节转速，由此就会获得所需要的流量。如图4所示，最大允许容积从54cc/rev开始与喷出压力成反比地变化。
对工作流程进行具体说明。
如图6所示，首先，在步骤10中，操作人员操作控制杆使液压挖掘机1的执行机构运转。
在步骤11中，控制器52发出指令，使泵的运转状态在现有状态的基础上产生如下变化，即：提高或者降低泵的压力，并且提高或者降低泵的流量。
接着，在步骤12中，参照存储在流量调节器51中的效率图，确认现在所处的位置。
然后，在步骤13中，从效率图中推导出用来使泵的运转状态朝执行机构所要求的方向移动一个单位的电动机37的转速、轴扭矩以及泵容积的目标值。
接着，在步骤14中，利用控制器52使泵的容积朝着目标值变化。同时，在步骤15中，利用控制器52使电动机37的转速及轴扭矩朝着目标值变化。
随后，在步骤16中，执行机构按照控制器52的指令工作。
然后，在步骤17中，控制器52或者操作人员判断该执行机构是否按照操作人员所期望的那样工作。
如果是按照所期望的那样工作的话，在步骤18中，控制就会结束，可变容积泵38及电动机37就以该状态继续工作。如果不是按照所期望的那样工作的话，则返回到步骤11或步骤10并重复所述步骤。
如上所述，随时参照效率图，在第一区域A，一边使可变容积泵38的容积保持效率最高的最大容积，一边对转速控制自如的电动机37的转速加以改变，由此来对流量进行调节。在第二区域B，一边使电动机37的转速保持能够作为泵38的转速使用且比第一区域A的转速低的最低转速，一边改变可变容积泵38的容积，由此来对流量进行调节。在第三区域C，一边使可变容积泵38的容积保持由喷出压力和电动机的最大轴扭矩决定的最大允许容积，一边使电动机37的转速在比最低转速大的范围内变化，由此来对流量进行调节。这样一来，通过尽可能地使可变容积泵38的容积保持所允许的最大容积值，同时优先改变转速容易变化的电动机37的转速，由此来对流量加以调节。因而能够确实地防止可变容积泵38的效率下降。
还有，与此时挖掘机的工作负荷及发动机31的转速无关，由直接连结在发动机31上的发电机32产生的电力很容易地就能够经逆变器控制而改变并传送给电动机37。因此，一边使可变容积泵38的容积保持高效率的容积，一边改变电动机的转速就能够很容易地对可变容积泵38的流量进行调节。由此，不使液压挖掘机1的执行机构的作业能力下降，就能够实现可变容积泵38的高效运转。
-实施方式的效果-
因此，根据本实施方式，将可变容积泵38的转速和容积的分布划分为第一区域至第三区域A、B、C，并且优先改变转速容易变化的电动机37的转速，以确保可变容积泵38的容积保持高效率的容积，从而来对流量进行调节。因此，能够使可变容积泵38的效率最大限度地提高。
与此时挖掘机的工作负荷及发动机31的转速无关，由发动机31驱动的发电机32所产生的电力是经由逆变器34供向电动机37的。因而，能够一边使可变容积泵38的容积保持高效率的容积，一边对流量进行调节，所以能够使液压挖掘机1的作业效率显著提高。
在安装有多个执行机构且执行机构的运转速度频繁变化的液压挖掘机1中，作业效率得到显著提高。
(其它实施方式)
在本发明中，还可以使所述实施方式为下述结构。
也就是说，虽然在所述实施方式中，作为行走马达2、2和旋转马达11都使用了液压马达，但是也可以使用电动马达。当使用电动马达时，只要能由逆变器34供电即可。
除了混合挖掘机以外，所述实施方式所涉及的挖掘机也可以是不具有发动机的有线电动液压挖掘机或蓄电池式电动液压挖掘机。
在所述实施方式中，作为施工设备的示例列举了液压挖掘机1，但只要是像起重机、土木工程机械等具有液压式执行机构的设备即可，并没有特别对该施工设备加以限定。
此外，以上的实施方式是本质上优选的示例，但并没有意图对本发明、它的应用对象以及用途范围加以限制。
-产业实用性-
综上所述，本发明对于液压挖掘机所代表的用于施工设备等的液压机构特别有用。