JP4890147B2

JP4890147B2 - 油圧アクチュエータ回路の負荷保持装置

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Publication number: JP4890147B2
Application number: JP2006213526A
Authority: JP
Inventors: 修栄有賀; 広二石川
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 2006-08-04
Filing date: 2006-08-04
Publication date: 2012-03-07
Anticipated expiration: 2026-08-04
Also published as: JP2008039042A

Description

本発明は油圧アクチュエータ回路の負荷保持装置に係わり、特に、油圧ショベルや油圧ショベルを母体として構成される解体機、深穴掘削機等の作業機械に用いられる油圧アクチュエータ回路において、負荷が作用する状況で負荷側管路のバースト（破断）や油漏れ等が生じた場合に負荷の落下を防止する負荷保持装置に関する。

例えば油圧ショベルのブームの油圧アクチュエータ回路には、油圧アクチュエータ（ブームシリンダ）に負荷が作用する状況でアクチュエータの負荷側（ブームシリンダのボトム側）に接続された負荷側管路のバーストや油漏れ等が生じた場合に作業フロント（負荷）の落下を防止する負荷保持装置が設けられている。この負荷保持装置は、ブームシリンダのボトム側（負荷側）と負荷側管路との間に保持弁を設置し、この保持弁をブーム上げの操作パイロット圧で開閉する構成となっている。

このような負荷保持装置において、特許文献１には、油圧アクチュエータの動作時に保持弁の開口を制御する保持弁制御手段を、負荷側管路の圧力が一定値以上となる正常時には、保持弁開口を、そのときのコントロールバルブのメータアウト開口よりも十分大きな値に設定し、負荷側管路の圧力が一定値以下に低下する異常時（負荷側管路のバースト時）に、保持弁開口を、アクチュエータ速度が保持弁が無い場合よりも低くなる値に設定するように構成したものが提案されている。また、その具体的構成として、負荷側管路の圧力を保持弁の操作部に導いて、異常時（負荷側管路のバースト時）に操作パイロット圧に対するストローク特性をシフトさせるか、その傾きを変えることで、所定のレバー操作量における保持弁開口を小さくする構成や、負荷側管路の圧力をブーム上げの操作パイロット圧を調整する切換弁に導き、異常時（負荷側管路のバースト時）にレバー操作量に対する操作パイロット圧の上昇割合を減らす（傾きを小さくする）ことで、所定のレバー操作量における保持弁開口を小さくする構成が示されている。

特開２００４−６０８２１号公報

欧州では、負荷保持弁の性能として、ＩＳＯ８６４３により、ブームシリンダの負荷側管路に保持弁を設けた場合に、実車定格吊り上げ能力の１／２のテスト負荷をかけ、その負荷の作動速度を２００ｍｍ／ｓｅｃに設定しておいて、ブームシリンダの負荷側管路をバーストさせたときのシリンダ速度（負荷の落下速度）がその作動速度の２倍（４００ｍｍ／ｓｅｃ）未満であることが義務づけられている。

従来の一般的な負荷保持弁では、コントロールバルブのメータアウト開口と保持弁開口との合成開口が所望のメータアウト流量特性（操作性）を満足させ、かつ負荷側管路のバースト時の負荷の落下速度がＩＳＯ８６４３の要求を満足させるようにそれぞれの開口面積を設定する必要がある。この場合、保持弁開口の設定は、所望のメータアウト流量特性とＩＳＯ８６４３の要求の両方を満足するよう調整しなければならない。しかし、保持弁開口が変わると合成開口としてのメータアウト流量特性も変わるため、保持弁開口を変えた場合は、保持弁開口を変えない場合と同じメータアウト流量特性を得るためにコントロールバルブのメータアウト開口の設定を修正する必要が生じる。結果として、試行錯誤によりコントロールバルブのメータアウト開口と保持弁開口を設定しなければならず、コントロールバルブのメータアウト開口と保持弁開口の設定に多大の労力を要するという問題がある。

特許文献１記載の負荷保持装置では、正常時には保持弁開口をコントロールバルブのメータアウト開口よりも十分大きな値とし、負荷側管路のバースト時に、所定のレバー操作量における保持弁開口を小さすることで、アクチュエータ速度が保持弁がない場合よりも小さくなるよう構成することで、正常時のメータアウト流量特性を確保しながら、保持弁開口の設定を簡単に行うことができるようにしている。

しかしながら、特許文献１記載の負荷保持装置では次のような問題がある。

上記特許文献１記載の負荷保持装置は、異常時（負荷側管路のバースト時）に負荷側管路内がほぼ大気圧になる（所定値以下に低下する）ことを利用し、その圧力変化により保持弁の操作特性を変える（シフトさせるか傾きを変える）か、操作パイロット圧を絞り調整することで、所定のレバー操作量における保持弁開口が小さくなるようにしている。所定のレバー操作量とは、正常時における負荷の作動速度を２００ｍｍ／ｓｅｃとする大きさである。したがって、操作レバーがその所定のレバー操作量付近にある状態で、負荷側管路がバーストしたときは、パイロット圧が適切に低下して保持弁開口は目的とする小さな開口に制御され、負荷の落下速度を所望の値に維持することができるが、例えば操作レバーをフル近くまで操作した場合など、操作レバーを所定のレバー操作量よりも大きく操作したときは、負荷側管路バースト時のパイロット圧は所望の値まで低下せず、そのため保持弁開口はそれに応じて増加し、負荷の落下速度が増加するという問題がある。

また、負荷側管路の高圧を保持弁の操作側に作用させることが必須の構成となっているため、保持弁の操作側の構造及び強度を高圧仕様とする必要があり、これによって製造コストが増加するという問題もある。

更に、保持弁内への油路の追加、アシストシリンダの追加など高価な追加機能が必要となり、製造コストの増加につながるとともに、保持弁も大型になるので、負荷保持装置の占有スペースも増加する。

本発明の第１の目的は、操作レバーの操作量に係わらず、負荷側管路のバースト時に確実に保持弁の開口面積を小さくし、負荷の落下速度を安全な速度に制御することができる油圧アクチュエータ回路の負荷保持装置を提供することである。

本発明の第２の目的は、保持弁の操作側の構成を低圧仕様とすることができ、かつ構成も比較的簡単であり、安価でコンパクトな油圧アクチュエータ回路の負荷保持装置を提供することである。

（１）上記目的を達成するために、本発明は、油圧ポンプ及びパイロットポンプと、前記油圧ポンプから吐出された油圧により駆動される油圧アクチュエータと、前記油圧ポンプから前記油圧アクチュエータに供給される圧油および前記油圧アクチュエータから排出される圧油を制御するコントロールバルブと、前記パイロットポンプが吐出した圧油からパイロット圧を生成し、前記コントロールバルブを切換え操作するパイロット操作手段と、前記コントロールバルブと前記油圧アクチュエータとを接続する１対の油圧管路とを有し、前記１対の油圧管路の一方は前記油圧アクチュエータの負荷側に接続される負荷側管路である油圧アクチュエータ回路の負荷保持装置において、前記油圧アクチュエータの負荷側と前記負荷側管路との間に設けられた保持弁であって、前記油圧パイロット操作手段からのパイロット圧が導かれる受圧部を有し、この受圧部に導かれるパイロット圧が大きくなったときに開口面積が大きくなるように変化するとともに、前記パイロット圧力が所定の第１パイロット圧力で前記開口面積が最大開口面積よりも小さい第１開口面積となり、前記パイロット圧力が前記第１パイロット圧力より大きい第２パイロット圧力で前記開口面積が最大となるように設定される保持弁と、前記保持弁の受圧部に接続され、前記油圧パイロット操作手段を前記油圧アクチュエータの圧油を前記負荷側管路に排出するように前記コントロールバルブを切り換え操作するときのパイロット圧を前記受圧部に導くパイロット管路と、前記パイロット管路と前記負荷側管路との間に設けられ、前記負荷側管路の圧力が所定値以下になると前記パイロット管路の圧力が前記第１パイロット圧力以上にならないように制御する圧力制御弁とを備えるものとする。

このようにパイロット管路と負荷側管路との間に、負荷側管路の圧力が所定値以下になるとパイロット管路の圧力が所定の第１パイロット圧力以上にならないように制御する圧力制御弁を設けた本発明においては、負荷側管路がバーストしていない正常時には圧力制御弁は作動しないので、油圧パイロット操作手段の出力圧はそのままコントロールバルブと保持弁に入力され、油圧パイロット操作手段の操作通りに油圧アクチュエータの速度制御を行うことができる。

一方、負荷側管路のバースト時には、負荷側管路の圧力がほぼ大気圧（所定値以下）まで下がるので、圧力制御弁が作動し、パイロット管路の圧力は所定の第１パイロット圧力以上にならないように制御される。これにより保持弁の開口面積はその設定値に対応する小さな値に制限され、保持弁の開口面積は確実に小さくなり、負荷の落下速度を安全な速度に制御して作業の安全性を確保することができる。

さらに、前記保持弁は、前記パイロット圧力が前記第１パイロット圧力より大きい第２パイロット圧力で前記開口面積が最大となるように設定されることにより、パイロット圧が第２パイロット圧力になるとコントロールバルブと保持弁により得られるメータアウト流量特性に対してコントロールバルブのメータアウトの開口面積が支配的となり、保持弁の開口面積がほとんど影響しなくなるので、所望のメータアウト流量特性（操作性）を満足させ、かつ負荷側管路のバースト時の負荷の落下速度を所望の値に制御するための開口面積の設定及びチューニングが簡単に行えるようになる。

（２）また、上記第２の目的を達成するため、本発明は、上記（１）において、前記圧力制御弁と前記負荷側管路との間に設けられ、前記負荷側管路から前記圧力制御弁への圧力の伝達を阻止するチェック弁を更に備えるものとする。

これにより圧力制御弁に負荷側管路の高圧が作用しないので、圧力制御弁を含む保持弁の操作側の構成を安価な低圧仕様とすることができ、かつ構成も比較的簡単となり、安価でコンパクトな負荷保持装置とすることができる。

請求項１に係る本発明によれば、操作レバーの操作量に係わらず、負荷側管路のバースト時に確実に保持弁開口を小さくし、負荷の落下速度を安全な速度に制限して作業の安全性を確保することができる。
更に、所望のメータアウト流量特性（操作性）を満足させ、かつ負荷側管路のバースト時の負荷の落下速度を所望の値に制御するための開口面積の設定を簡単に行うことができる。

請求項２に係る本発明によれば、保持弁の操作側の構成を低圧仕様とすることができ、かつ構成も比較的簡単であり、負荷保持装置を安価でコンパクトにすることができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。

図１は本発明の第１の実施の形態に係わる負荷保持装置を備えた油圧アクチュエータ回路のうち、ブームシリンダに係わる部分のみを抽出して示す油圧回路図である。

図１において、この油圧アクチュエータ回路は、図示しない原動機によって駆動される可変容量型の油圧ポンプ２と、この油圧ポンプ２から吐出された油圧により駆動される油圧アクチュエータ（ブームシリンダ）１と、油圧ポンプ２からブームシリンダ１に供給される圧油の流れを制御するコントロールバルブ４と、コントロールバルブ４とブームシリンダ１のボトム側及びロッド側をそれぞれ接続する１対の油圧管路８ａ，８ｂと、パイロットポンプ３と、このパイロットポンプ３が吐出した圧油からパイロット圧を生成し、コントロールバルブ４を切換え操作する油圧パイロット式の操作レバー装置（油圧パイロット操作手段）５と、操作レバー装置５とコントロールバルブ４の受圧室４ａ，４ｂを接続する１対のパイロット管路７ａ，７ｂと、油圧ポンプ２及びパイロットポンプ３に供給する作動油を貯えるタンク１２を有している。

ブームシリンダ１のボトム側と油圧管路８ａとの間には負荷保持弁６が配置され、この負荷保持弁６はブームシリンダ１の筒体外壁上に取り付けられている。負荷保持弁６は、保持弁１３と、油圧管路８ａからブームシリンダ１への圧油の流れのみを許容するチェック弁１４とを備えている。保持弁１３は、信号圧ポート１２８を介してパイロット管路７ａに接続され、油圧パイロット操作レバー装置５からのパイロット圧を受圧する受圧室１３ａを有している。また、保持弁１３は、操作レバー装置５の操作レバーが操作されておらず（操作レバー装置５からのパイロット圧がタンク圧であり）、コントロールバルブ４が中立位置にあるときは遮断位置に保持され、操作レバーが操作されてパイロット管路７ａにパイロット圧が出力され、コントロールバルブ４が中立位置から切り換えられると、そのパイロット圧に応じて開口面積を変化させ、メインポート１１１，１１２を介して油圧管路８ａとブームシリンダ１のボトム側との間の圧油の流れを制御する構成となっている。保持弁１３は、その遮断位置において、ブームシリンダ１のボトム側から油圧管路８ａへの圧油の流れを遮断するチェック弁機能を有している。

また、本実施の形態の油圧アクチュエータ回路は、パイロット管路７ａと油圧管路８ａの間に設けられた圧力制御部１１を有し、この圧力制御部１１は、油圧管路８ａ内の圧力が所定値以下になったときにパイロット管路７ａの圧力が設定値以上にならないように制御する圧力制御弁９と、圧力制御弁９の下流側に設けられ、圧力制御弁９から油圧管路８ａへの圧油の流れのみを許容し、油圧管路８ａから圧力制御弁９への圧力の伝達を阻止するチェック弁１０とで構成されている。圧力制御弁９は例えば減圧弁であり、この場合、パイロット管路７ａの圧力と圧力制御弁９の出側の圧力との差圧がバネ９ａの設定圧よりも高くなると作動し、当該差圧がバネ９ａの設定圧となるよう制御（減圧）する。その結果、油圧管路８ａ内の圧力がほぼ大気圧（０）となり、圧力制御弁９の出側の圧力がほぼ０となるとき、パイロット管路７ａの圧力がバネ９ａの設定圧以上にならないように制御（減圧）される。なお、圧力制御弁９はリリーフ弁であってもよく、この場合は、油圧管路８ａ内の圧力がバネ９ａの設定圧より低くなり、圧力制御弁９の出側の圧力がバネ９ａの設定圧より低くなると作動し、パイロット管路７ａの圧力がバネ９ａの設定圧以上にならないように制御される。

図２は、本発明の油圧アクチュエータ回路の負荷保持装置が搭載される油圧ショベルの外観を示す側面図である。

図２において、油圧ショベルは下部走行体１００と、上部旋回体１０１と、フロント作業機１０２とを有している。下部走行体１００には左右の走行モータ５０，５６が配置され、この走行モータ５０，５６によりクローラ１００ａが回転駆動され、前方又は後方に走行する。上部旋回体１０１には旋回モータ５３が搭載され、この旋回モータ５３により上部旋回体１０１が下部走行体１００に対して右方向又は左方向に旋回される。フロント作業機１０２は、ブーム１０３、アーム１０４、バケット１０５からなり、ブーム１０３はブームシリンダ１により上下動され、アーム１０４はアームシリンダ５４によりダンプ側（開く側）又はクラウド側（掻き込む側）に操作される。ブームシリンダ１のボトム側の筒体外壁上には負荷保持弁６が設けられている。

ブームシリンダ１は、フロント作業機１０２の全体（ブーム１０３、アーム１０４、バケット１０５）を支えており、ブームシリンダ１の縮み方向に、フロント作業機１０２の全荷重（ブーム１０３、アーム１０４、バケット１０５の全重量）と、バケット１０５に荷が積まれている場合はその積荷荷重が負荷として働き、その結果ブームシリンダ１のボトム側には常に負荷圧が存在している。本明細書ではそのようなブームシリンダ１のボトム側を負荷側と言う。

また、操作レバー装置５の操作レバーを図示Ｂ方向に操作してパイロット管路７ａにパイロット圧が発生させ、ブームシリンダ１を縮み方向に動作させるとき、ブームシリンダ１のボトム側の負荷圧は油圧管路８ａを介してコントロールバルブ４に作用する。コントロールバルブ４はその圧力（ブームシリンダ１の背圧）を調整しながらブームシリンダ１からの排出流量を制御することで、ブームシリンダ１の縮み速度を調整する。このような油圧アクチュエータの速度制御を一般にメータアウト制御と呼び、コントロールバルブ４はそのようなメータアウト制御ができるようにメータアウトの開口面積が設定されている。また、メータアウト制御時には、油圧管路８ａには常に負荷圧が作用しており、本明細書ではそのような油圧管路８ａを負荷側管路と言う。

図３は、保持弁１３及びコントロールバルブ４のメータアウトの開口面積特性と、それらの合成開口面積特性を示す図である。図中、横軸は操作レバー装置５からパイロット管路７ａに出力されるパイロット圧（符号Ｐｉ）であり、縦軸は開口面積（符号Ａ）である。また、実線Ｘは負荷保持弁６の開口面積特性、実線Ｙはコントロールバルブ４のメータアウトの開口面積特性、一点鎖線Ｚはそれらの合成開口面積特性である。

図３において、保持弁１３の開口面積特性Ｘは、パイロット圧Ｐｉが０〜Ｐｉ０の範囲にあるときは開口面積は０であり、パイロット圧ＰｉがＰｉ０を越えＰｉ２になるまではパイロット圧Ｐｉが大きくなるに従って開口面積は増加し、パイロット圧ＰｉがＰｉ２を超えると開口面積は急激に増大して、パイロット圧ＰｉがＰｉ３以上になると開口面積は最大のＡｍａｘとなるように設定されている。

コントロールバルブ４のメータアウトの開口面積特性Ｙは、パイロット圧Ｐｉが０〜Ｐｉ０の範囲にあるときは開口面積は０であり、パイロット圧ＰｉがＰｉ０を越えると、パイロット圧Ｐｉが大きくなるに従って開口面積が増加するように設定されている。ただし、コントロールバルブ４の開口面積は保持弁１３の開口面積よりも小さくなるように設定されている。

コントロールバルブ４のメータアウトの開口面積及び保持弁１３の開口面積とそれらの合成開口面積とは下記の関係にある。
１／Ａ１^２＋１／Ａ２^２＝１／Ａ_{ＴＯＴＡＬ} ^２・・・（１）
Ａ１：コントロールバルブのメータアウト開口面積
Ａ２：保持弁の開口面積
Ａ_{ＴＯＴＡＬ}：シリーズの合成開口面積
コントロールバルブ４のメータアウトの開口面積と保持弁１３の開口面積との合成開口面積は上記の関係から求めることができ、パイロット圧Ｐｉに対して保持弁１３の開口面積及びコントロールバルブ４の開口面積が上記のように変化するとき、それらの合成開口面積の特性（合成開口面積特性）Ｚは一点鎖線で示すようになる。

圧力制御弁９の機能を図４を用いて説明する。図中、横軸は操作レバー装置５の操作レバーの操作量（ストローク）、つまりレバー操作量（符号Ｓ）であり、縦軸はパイロット管路７ａに発生するパイロット圧（符号Ｐｉ）である。

油圧管路８ａがバースト（破断）していない正常時は、ブームシリンダ１の動作中、油圧管路８ａ（負荷側管路）には常にブームシリンダ１のボトム側の負荷圧が作用しており（後述）、チェック弁１０は閉じ状態に維持され、圧力制御弁９は動作不能となっている。このためパイロット管路７ａは通常のパイロット管路として機能し、パイロット管路７ａには操作レバーの操作量に応じたパイロット圧が発生する。図４中の実線Ｇはそのような正常時のレバー操作量Ｓとパイロット圧Ｐｉとの関係を示しており、レバー操作量Ｓが０〜Ｓ０の範囲（不感帯）にあるときはパイロットＰｉは０であり、レバー操作量ＳがＳ０を越えるとレバー操作量Ｓが大きくなるに従ってパイロット圧Ｐｉは増加し、レバー操作量Ｓが最大値Ｓｍａｘより少し小さいＳ２に達するとパイロット圧ＰｉはＰｉｍａｘとなる。

油圧管路８ａがバーストした異常時（後述）は、油圧管路８ａの圧力が大気圧（０）となるため、圧力制御弁９が作動可能な状態となる。その結果、操作レバー装置５の操作レバーを図示Ｂ方向に操作してパイロット管路７ａにパイロット圧を発生させるとき、そのパイロット圧がバネ９ａの設定値を超えようとすると、圧力制御弁９が作動し、パイロット圧はバネ９ａの設定値以下に制限される。その結果、レバー操作量Ｓとパイロット圧Ｐｉとの関係は実線Ｈで示すように変化する。図中、Ｐｉ１は圧力制御弁９のバネ９ａの設定値であり、Ｓ１は設定値Ｐｉｌのパイロット圧に対応するレバー操作量の値である。この図に示すように、レバー操作量ＳがＳ１に達するまでは、実線Ｇの場合と同様にパイロット圧Ｐｉが変化し、レバー操作量がＳ１に達してパイロット圧がＰｉｌまで上昇すると、圧力制御弁９が作動してパイロット圧のそれ以上の上昇は制限される。

図３に戻り、Ａ１は、パイロット圧がＰｉｌに制限されたときの保持弁１３の開口面積である。前述したように、欧州では、ブームシリンダ１の負荷側管路８ａに保持弁１３を設けた場合の保持弁１３の性能として、ＩＳＯ８６４３により、実車定格吊り上げ能力の１／２のテスト負荷をかけ、その負荷の作動速度を２００ｍｍ／ｓｅｃに設定しておいて、ブームシリンダ１の負荷側管路８ａをバーストさせたときのシリンダ速度（負荷の落下速度）がその作動速度の２倍（４００ｍｍ／ｓｅｃ）未満であることが義務づけられている。パイロット圧Ｐｉ１における保持弁１３とコントロールバルブ４の合成開口面積の値はその作動速度を２００ｍｍ／ｓｅｃが得られるよう設定され、開口面積Ａ１は負荷側管路８ａのバースト時にその２倍（４００ｍｍ／ｓｅｃ）未満の落下速度が得られるよう設定されている。

図５は、保持弁１３の具体的な構成を示す油圧回路図である。

図５において、保持弁１３は、上記のメインポート１１１，１１２と信号圧ポート１２８を備えたハウジング１３０を有し、メインポート１１１はブームシリンダ１のボトム側に直接接続され、メインポート１１２はアクチュエータライン８ａを介してコントロールバルブ４に接続され、信号圧ポート１２８はパイロット管路７ａを介して油圧パイロット操作レバー装置５に接続されている。

ハウジング１３０内には、主弁としてのポペット弁体１１３と、操作レバー装置５からのパイロット圧によって作動しポペット弁体１１３を作動させるパイロット弁としてのスプール弁体１１４と、オーバーロードリリーフバルブの機能を有する小リリーフバルブ１１５とが設けられている。

ハウジング１３０内には、また、メインポート１１１に接続されるシリンダ接続室１１６、メインポート１１２に接続される配管接続室１１７、背圧室１１８が設けられ、主弁としてのポペット弁体１１３は背圧室１１８の圧力を背面で受け、シリンダ接続室１１６と配管接続室１１７との間を遮断及び連通させるようハウジング１３０内に摺動自在に配置されている。ポペット弁体１１３には、シリンダ接続室１１６から背圧室１１８へ流出するパイロット圧油の通過量を制御する絞り通路１１９が設けられている。背圧室１１８内にはポペット弁体１１３を図示の遮断位置に保持するバネ１２８が配設されている。

ハウジング１３０内には、更に、パイロット通路１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃが形成され、背圧室１１８と配管接続室１１７はパイロット通路１２０ａとスプール弁体１１４とパイロット通路１２０ｂを介して接続されており、シリンダ接続室１１６と配管接続室１１７はパイロット通路１２０ｃとスプール弁体１１４とパイロット通路１２０ｂを介して接続されている。スプール弁体１１４にはパイロット通路１２０ａのパイロット通路１２０ｂとの連通を制御する第１可変絞り部１１４ａと、パイロット通路１２０ｃとパイロット通路１２０ｂとの連通を制御する第２可変絞り部１１４ｂとが形成されている。スプール弁体１１４の閉弁方向作動端部にはスプール弁体１１４の初期開弁力を設定するバネ１２１が設けられ、スプール弁体１１４の開弁方向作動端部には操作レバー装置５で制御されたパイロット圧がパイロット管路１２９を介して導かれる受圧室１２２が設けられ、この受圧室１２２に導かれるパイロット圧による制御力とバネ１２１の付勢力とのバランスによってスプール弁体１１４の移動量が決定され、この移動量に応じてスプール弁体１１４の第１及び第２可変絞り部１１４ａ，１１４ｂの開口面積が変化し、パイロット流量を遮断、連通及び制御する。受圧室１２２は図１の受圧室１３ａに相当する。バネ１２１が配置されるスプール弁体端部はスプール弁体１１４の動きをスムーズにするためドレン通路１２３，１２４を介してタンク１２に接続されている。

図６は、図５で示した保持弁１３におけるパイロット弁（スプール弁体１１４）の第１及び第２可変絞り部１１４ａ，１１４ｂと主弁（ポペット弁体１１３）の開口面積特性を示す図である。図中、横軸は操作レバー装置５からパイロット管路７ａに出力されるパイロット圧（符号Ｐｉ）であり、縦軸は開口面積（符号Ａ）である。また、実線Ｃは主弁（ポペット弁体１１３）の開口面積特性であり、実線Ｄは第２可変絞り部１１４ｂの開口面積特性であり、実線Ｅは第１可変絞り部１１４ａの開口面積特性である。

図６において、パイロット圧Ｐｉが０〜Ｐｉ０の範囲にあるときは、スプール弁体１１４の第１及び第２可変絞り部１１４ａ，１１４ｂは閉じている。また、第１可変絞り部１１４ａが閉じているため、背圧室１１８の圧力は低下せず、ポペット弁体１１３も閉じている。パイロット圧ＰｉがＰｉ０を越えると、実線Ｄで示すようにスプール弁体１１４の第２可変絞り部１１４ｂが開き始め、パイロット圧Ｐｉが更に増加すると、パイロット圧Ｐｉの増加にしたがって第２可変絞り部１１４ｂの開口面積が増加する。パイロット圧Ｐｉが更に増加してＰｉ２を越えると、実線Ｅに示すようにスプール弁体１１４の第１可変絞り部１１４ａが開き始め、パイロット圧ＰｉがＰｉ３に達すると第１及び第２可変絞り部１１４ａ，１１４ｂの開口面積はそれぞれ最大となる。このように第１及び第２可変絞り部１１４ａ，１１４ｂの開口面積が変化するとき、パイロット圧ＰｉがＰｉ２に達するまでは、第１可変絞り部１１４ａは閉じているため、背圧室１１８の圧力は低下せず、依然としてポペット弁体１１３は閉じている。パイロット圧ＰｉがＰｉ２に達し、第１可変絞り１１４ａが開き始めると、背圧室１１８が第１可変絞り部１１４ａを介してメインポート１１２に連通し、背圧室１１８から第１可変絞り部１１４ａ、メインポート１１２、図１に示した油圧管路８ａ、コントロールバルブ４を介してタンク１２へと至る圧油の流れが生じ、背圧室１１８の圧力が低下する。このため実線Ｃに示すようにポペット弁体１１３が開き始め、パイロット圧Ｐｉが更に増加すると、ポペット弁体１１３の開口面積は一機に増加して最大となる。

保持弁１３の開口面積は、実線Ｅ，Ｄ，Ｃで表される第１及び第２可変絞り部１１４ａ，１１４ｂ及びスプール弁体１１３の開口面積の合計であり、その特性は一点鎖線Ｘで示すようになる。図３に示した保持弁１３の開口面積特性Ｘは、このようにして得られる一点鎖線Ｘの特性を示したものである。

ハウジング１３０には、また、小リリーフバルブ１１５の入側に位置するリリーフ通路１２０ｅと出側に位置する制御通路１２０ｆとが設けられ、リリーフ通路１２０ｅはシリンダ接続室１１６に接続され、制御通路１２０ｆはドレン通路１２４を介してタンク１２に接続されている。また、制御通路１２０ｆには圧力発生手段である絞り１２５が設けられ、小リリーフバルブ１１５と絞り１２５との間から信号通路１２７が分岐し、絞り１２５で発生した圧力が信号通路１２７を介してスプール弁体１１４の開弁方向作動端部に設けられた受圧室１２６に導かれる。

ブームシリンダ１に過大な外力が作用し、シリンダ接続室１１６が高圧になると、リリーフ通路１２０ｅの圧力が上昇して小リリーフバルブ１１５が開き、絞りを設けた制御通路１２０ｆに圧油が流れ込む。この結果、信号通路１２７の圧力が上昇し、この圧力が受圧室１２６に作用し、スプール弁体１１４をフルストロークで移動して第１及び第２可変絞り部１１４ａ，１１４ｂを全開させ、これと同時にポペット弁体１１３も開弁する。これにより外力により生じた高圧の圧油を油圧管路８ａに設けた図示しないオーバーロードリリーフ弁によりタンクへと排出し、機器の破損を防止する。

以上のように構成した本実施の形態の動作を説明する。

１）ブーム上げ動作時（ブームシリンダ１のボトム側への圧油供給時）
操作レバー装置５を図示Ａ方向に操作すると、そのレバー操作量に応じたパイロット圧がパイロット管路７ｂに発生し、そのパイロット圧がコントロールバルブ４の受圧部４ｂに供給され、コントロールバルブ４は図示右側の位置に切り換えられる。コントロールバルブ４が図示右側の位置に切り換えられると、油圧ポンプ２から吐出された圧油がコントロールバルブ４、油圧管路８ａ及び負荷保持弁６に設けられた保持弁１３及びチェック弁１４を介してブームシリンダ１のボトム側に供給される。ブームシリンダ１のロッド側の圧油は油圧管路８ｂ、コントロールバルブ４を介してタンク１２へ排出される。また、このとき、油圧管路８ａ内はブームシリンダ１のボトム側の圧力（負荷圧）が作用し、高圧となっているため、チェック弁１０は閉じられ、油圧管路８ａ内の高圧が圧力制御弁９に伝達されることはない。

２）ブーム下げ動作時（ブームシリンダ１のボトム側からの圧油排出時）
操作レバー装置５を図示Ｂ方向に操作すると、そのレバー操作量に応じたパイロット圧がパイロット管路７ａに発生し、そのパイロット圧がコントロールバルブ４の受圧部４ａ及び保持弁１３の受圧部１３ａに供給される。コントロールバルブ４はそのパイロット圧により図示左側の位置に切り換えられ、油圧ポンプ２から吐出された圧油は、コントロールバルブ４及び油圧管路８ｂを介してブームシリンダ１のロッド側に供給される。また、保持弁１３は、受圧部１３ａに与えられたパイロット圧により開弁し、ブームシリンダ１のボトム側の圧油は保持弁１３とコントロールバルブ４を介してタンク１２へと排出される。このとき、保持弁１３とコントロールバルブ４の開口面積は、図３に特性Ｘ及びＹに示すようようであり、その合成開口面積は特性Ｚのようになる。これにより操作レバー装置５のレバー操作量に応じて合成開口面が変化し、排出流量を制御しつつ速度調整を行うことができる。また、このときも、油圧管路８ａ内はブームシリンダ１のボトム側の圧力（負荷圧）が作用し、比較的高圧であり、チェック弁１０は閉じられている。したがって、油圧管路８ａ内の高圧が圧力制御弁９に伝達されることはない。また、チェック弁１０は閉じられているため、圧力制御弁９は動作不能であり、パイロット管路７ａに図４の実線Ｇで示すような操作レバーの操作量に応じたパイロット圧を発生させ、操作レバーの操作通りのブーム下げ動作を行うことができる。

３）負荷圧を保持する場合
操作レバー装置５を操作せず、コントロールバルブ４を中立位置にして吊り荷を保持する場合のように、ブームシリンダ１のボトム側の負荷圧が高圧となる状態では、保持弁１３は前述した遮断位置にあり、この遮断位置にある保持弁１３のチェック弁機能とチェック弁１４とによりブームシリンダ１のボトム側の負荷圧を保持し、リーク量を減少させる。

４）ブーム下げ動作中に油圧管路８ａがバーストした場合
ブーム下げ動作時（正常時）は、上記のように保持弁１３とコントロールバルブ４が開弁し、油圧管路８ａにブームシリンダ１のボトム側の圧力（負荷圧）を作用させつつ、保持弁１３とコントロールバルブ４の合成開口面に応じて排出流量を制御し、速度調整を行う。このような状況下で、万一、油圧管路８ａがバーストした場合、油圧管路８ａ内の圧力はほぼ大気圧に低下し、チェック弁１０が開弁する。その結果、圧力制御弁９が作動し、操作レバーのレバー操作量が図４のＳ１より大きく、パイロット管路７ａに発生したパイロット圧が設定値Ｐｉｌより高い場合であっても、そのパイロット圧は、図４に示すように、バネ９ａの設定値であるＰｉ１の圧力以上にならないように制御（減圧）される。これにより保持弁１３の開口面積は、図３に示すようなパイロット圧Ｐｉｌに対応するＡ１の小さな値に制限され、シリンダ速度（負荷の落下速度）をＩＳＯ８６４３に規定する安全な速度に保ち、作業の安全性を確保することができる。

以上のように本実施の形態によれば、負荷側管路である油圧管路８ａがバーストしていない正常時には圧力制御弁９は作動せず、操作レバー装置５の出力圧（パイロット圧）はそのままコントロールバルブ４の受圧部４ａと保持弁１３の受圧部１３ａに入力され、操作レバー装置５の操作レバーの操作通りにブームシリンダ１の速度制御を行うことができる。

一方、油圧管路８ａのバースト時には、油圧管路８ａ内の圧力がほぼ大気圧まで下がるので、圧力制御弁９が作動し、パイロット管路７ａ内に発生したパイロット圧はバネ９ａの設定値であるＰｉ１以上にならないように制御（減圧）され、これに応じて保持弁１３の開口面積はパイロット圧Ｐｉ１に対応するＡ１の小さな値に制限される。その結果、保持弁１３の開口面積は確実に小さくなり、負荷の落下速度をＩＳＯ８６４３に規定する安全な速度に制御し、作業の安全性を確保することができる。

また、油圧管路８ａがバーストしていない正常時には、油圧管路８ａ内の高圧は圧力制御弁９に作用しないので、圧力制御弁９を含む保持弁１３の操作側の構成を安価な低圧仕様とすることができ、かつ圧力制御弁９とチェック弁１０を設けただけであるので、構成が比較的簡単であり、負荷保持装置を安価でコンパクトにすることができる。

更に、保持弁１３を、パイロット圧が設定値であるＰｉ１を含む所定の範囲Ｐｉ０〜Ｐｉ２を超えると全開するように構成したので、パイロット圧がその所定の範囲Ｐｉ０〜Ｐｉ２を超えた範囲では、コントロールバルブ４と保持弁１３の合成開口面積により得られるメータアウト流量特性に対してコントロールバルブ４のメータアウトの開口面積が支配的となり、保持弁１３の開口面積がほとんど影響しなくなる。その結果、所望のメータアウト流量特性（操作性）を満足させ、かつ負荷側管路である油圧管路８ａのバースト時の負荷の落下速度を所望の値に制御するための保持弁１３とコントロールバルブ４の開口面積の設定及びチューニングを簡単に行うことができる。

なお、本発明の実施の形態においては、圧力制御弁９の設定値（バネ９ａの設定値）は固定としたが、図７に示すようにバネ９ｂの設定値を外部から変更できるようにした可変式の圧力制御弁９Ａとしてもよい。この場合には、図４に示すパイロット圧Ｐｉ１の大きさの調整が容易となり、これにより保持弁１３の図３に示す開口面積Ａ１の調整が容易となる。

本発明の第１の実施の形態に係わる負荷保持装置を備えた油圧アクチュエータ回路のうち、ブームシリンダに係わる部分のみを抽出して示す油圧回路図である。本発明の油圧アクチュエータ回路の負荷保持装置が搭載される油圧ショベルの外観を示す側面図である。保持弁及びコントロールバルブの開口面積特性とそれらの合成開口面積特性を示す図である。操作レバー装置のレバー操作量とパイロット圧との関係を示す図である。保持弁の具体的な構成を示す油圧回路図である。図５で示した保持弁におけるパイロット弁（スプール弁体）の第１及び第２可変絞り部と主弁（ポペット弁体）の開口面積特性を示す図である。圧力制御弁の変形例を示す図である。

符号の説明

１油圧アクチュエータ（ブームシリンダ）
２油圧ポンプ
３パイロットポンプ
４コントロールバルブ
４ａ，４ｂ受圧室
５操作レバー装置（油圧パイロット操作手段）
６負荷保持弁
７ａパイロット管路（負荷側管路）
７ｂパイロット管路
８ａ，８ｂ油圧管路
９圧力制御弁
１０チェック弁
１１圧力制御部
１２タンク
１３保持弁
１３ａ受圧室
１４チェック弁
５０，５６走行モータ
５３旋回モータ
５４アームシリンダ
１００下部走行体
１００ａクローラ
１０１上部走行体
１０２フロント作業機
１０３ブーム
１０４アーム
１０５バケット
１１１，１１２，１２８入出力ポート
１１３ポペット弁体
１１４スプール弁体
１１５小リリーフバルブ
１１６シリンダ接続室
１１７配管接続室
１１８背圧室
１１９絞り通路
１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃパイロット通路
１２０ｅリリーフ通路
１２０ｆ制御通路
１２１バネ
１２２受圧室
１２３，１２４ｆドレン通路
１２７信号通路
１２９パイロット管路
１３０ハウジング

Claims

油圧ポンプ及びパイロットポンプと、
前記油圧ポンプから吐出された油圧により駆動される油圧アクチュエータと、
前記油圧ポンプから前記油圧アクチュエータに供給される圧油および前記油圧アクチュエータから排出される圧油を制御するコントロールバルブと、
前記パイロットポンプが吐出した圧油からパイロット圧を生成し、前記コントロールバルブを切換え操作するパイロット操作手段と、
前記コントロールバルブと前記油圧アクチュエータとを接続する１対の油圧管路とを有し、前記１対の油圧管路の一方は前記油圧アクチュエータの負荷側に接続される負荷側管路である油圧アクチュエータ回路の負荷保持装置において、
前記油圧アクチュエータの負荷側と前記負荷側管路との間に設けられた保持弁であって、前記油圧パイロット操作手段からのパイロット圧が導かれる受圧部を有し、この受圧部に導かれるパイロット圧が大きくなったときに開口面積が大きくなるように変化するとともに、前記パイロット圧力が所定の第１パイロット圧力で前記開口面積が最大開口面積よりも小さい第１開口面積となり、前記パイロット圧力が前記第１パイロット圧力より大きい第２パイロット圧力で前記開口面積が最大となるように設定される保持弁と、
前記保持弁の受圧部に接続され、前記油圧パイロット操作手段を前記油圧アクチュエータの圧油を前記負荷側管路に排出するように前記コントロールバルブを切り換え操作するときのパイロット圧を前記受圧部に導くパイロット管路と、
前記パイロット管路と前記負荷側管路との間に設けられ、前記負荷側管路の圧力が所定値以下になると前記パイロット管路の圧力が前記第１パイロット圧力以上にならないように制御する圧力制御弁とを備えることを特徴とする負荷保持装置。
請求項１記載の油圧アクチュエータ回路の負荷保持装置において、
前記圧力制御弁と前記負荷側管路との間に設けられ、前記負荷側管路から前記圧力制御弁への圧力の伝達を阻止するチェック弁を更に備えることを特徴とする負荷保持装置。