CN103764918A

CN103764918A - 承载结构的强化设备和强化方法

Info

Publication number: CN103764918A
Application number: CN201280043310.0A
Authority: CN
Inventors: S·斯普林格; J·马西诺
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 2011-09-07
Filing date: 2012-08-23
Publication date: 2014-04-30
Also published as: US8992158B2; US20130058748A1; WO2013036384A1; DE112012003724T5

Abstract

本发明公开了一种用于承载结构的强化设备。该强化设备可包括管状壁（202），管状壁（202）包括第一端（206）、第二端（208）、设置在第一端（206）和第二端（208）之间的喉部（210）以及设置在喉部与第一端（206）和第二端（208）每一端之间的曲线部。管状壁（202）还可包括在喉部处的第一尺寸和在第一端（206）、第二端（208）每一端处的第二尺寸，第一尺寸小于第二尺寸。

Description

承载结构的强化设备和强化方法

技术领域

本发明涉及一种用于承载结构的强化设备，尤其是用于箱梁式结构的强化设备，其能够增强针对扭曲载荷的刚性支撑，同时允许从外面接近焊接部分。

背景技术

用于挖掘机和其他类似机器的器具携带连杆机构可包括多个承载结构，诸如动臂和/或斗杆，这些承载结构可以由多个钢板经焊接结合在一起形成箱梁（也称为“方形管”）制成。箱梁包括用钢板围起来的中空区域。在机器的使用过程中，箱梁结构可能受到扭曲载荷，可能导致箱梁结构的变形和/或失效。

向受到扭曲载荷的箱梁结构提供增强的刚性的一种方案是，在箱梁内部在多个位置处焊接挡板。但是，制造这种具有在内部焊接的挡板的箱梁结构需要大量的加工、焊接设备和处理时间。此外，因为挡板在结构的内部，所以对挡板焊接部分的视觉检查和修理需要切割进入箱梁中以接近挡板及其相关焊接部分，然后在完成了检查和/或修理后修理箱梁。

美国专利第5152659号公开了通过包含柱状横向拉杆构件穿过并焊接到动臂组件的侧板来增加挖掘机动臂的扭曲刚度。但是，柱状横向拉杆构件不允许扭曲载荷分散或分布到动臂结构中。

美国专利第4439089号公开了装载机动臂组件，其具有一对方形管动臂和焊接到每一个方形管动臂的内侧侧壁的横管。在这个构造中，横管没有被包围在某个结构中，只是在两个方形管动臂之间提供了刚性连接。

日本专利第JP59170332A号公开了一种没有加强板或隔离壁而是通过将上、下中间支架焊接到左、右两侧动臂缸支架上来构建动臂的方法。然而，这种构造在方形管的内部，会需要除去动臂缸并且/或者切割进入方形管中才能检查和/或修理焊接部分。

所公开的用于强化承载结构的设备和方法旨在克服上面提到的一个以上问题以及/或者现有技术的其他问题。

发明内容

本发明的一个方面涉及的是用于承载结构的强化设备。所述强化设备可包括管状壁，所述管状壁包括第一端、第二端、设置在第一端和第二端之间的喉部以及设置在喉部和第一端、第二端每一端之间的应力扩散部。管状壁可包括在喉部处的第一厚度和在第一端、第二端每一端处的第二厚度。

本发明的另一个方面涉及的是用于机器的连杆机构组件，其包括承载结构和强化设备。所述承载结构可包括第一侧壁和第二侧壁，第一侧壁包括第一开口，第二侧壁包括第二开口，第一侧壁与第二侧壁是分开的。所述强化设备设置在第一侧壁和第二侧壁之间，包括管状壁，管状壁包括第一端、第二端、设置在第一端和第二端之间的喉部以及设置在喉部和第一端、第二端每一端之间的应力扩散部。管状壁可包括在喉部处的第一尺寸和在第一端、第二端每一端处的第二尺寸，第一尺寸小于第二尺寸。第一端与第一开口相配合地布置，第二端与第二开口相配合地布置。

本发明的又一个方面涉及的是强化承载结构的方法，所述承载结构包括第一侧壁和第二侧壁，第一侧壁包括第一开口，第二侧壁包括第二开口。所述方法包括如下步骤：将强化设备放置在第一侧壁和第二侧壁之间，强化设备包括管状壁，管状壁包括第一端和第二端，其中，第一端与第一开口相配合地放置，第二端与第二开口相配合地放置；将第一端连接到第一侧壁；以及将第二端连接到第二侧壁。

附图说明

图1是挖掘机的示意性侧视图，该挖掘机包括连杆机构，连杆机构包括根据本发明示例性实施方式的动臂；

图2是动臂的透视图，该动臂包括根据本发明示例性实施方式的强化设备；

图3是包括在图2动臂中的强化设备的透视图；

图4是图3强化设备的侧视图；以及

图5是图4强化设备的一部分管状壁的详细剖视图。

具体实施方式

图1示出了一种示例性机器100，其具有安装在底盘104上的本体102。虽然在这个示例性实施方式中，机器100被示作挖掘机，但是，机器100也可以是反铲挖土机、吊车、装载机或任何类似机器。机器100包括连杆机构106，连杆机构106具有匹配的零件，像例如动臂108、斗杆110和工作器具112。动臂108可以在销接的动臂接头114处连接到本体102，销接的动臂接头114允许动臂108绕着动臂接头114枢转。斗杆110可在销接的斗杆接头116处连接到动臂108，而工作器具112可在销接的工作器具接头118处连接到斗杆110。

连杆机构106的运动可以像本领域已知的那样通过结合到连杆机构106的一系列液压缸致动器120、122和124实现。例如，动臂致动器120可借助于销接的动臂致动器接头126和128结合在本体102和动臂108之间。动臂致动器接头126和128被构造成允许动臂致动器120在动臂108的运动过程中相对于动臂108和本体102枢转。

斗杆致动器122可借助于销接的斗杆致动器接头130和132结合于动臂108和斗杆110之间，允许斗杆致动器122在斗杆110的运动过程中相对于动臂108和斗杆110枢转。进一步，工作器具致动器124可结合在斗杆110和结合于工作器具112上的机械连杆134之间。工作器具致动器124可分别在工作器具致动器接头136和138处连接于斗杆110和机械连杆134。机械连杆134还可包括将机械连杆134附接到工作器具112和斗杆110的连杆接头140、142。

工作器具112可被用来在挖掘动作中接合地面或其他材料，以移动并/或移除土方或其他材料。这种挖掘动作使得工作器具112受力，这些力可被传到斗杆110和动臂108。这些力可具有指向侧面并且/或者偏离斗杆110和/或动臂108长轴的矢量，导致施加了扭曲载荷。

图2示出的动臂108包括顶板144、底板146和一对分开的侧壁148、150，侧壁148和150例如通过焊接工艺附接到顶板144和底板146。顶板144、底板146和侧壁148、150形成了箱梁式结构，该结构限定了动臂108内的由顶板144、底板146和侧壁148、150包围的中空腔。

动臂108还包括强化设备200。图2的示例性实施方式画出了一个L形动臂108包括两个强化设备200，在动臂108的每一个分支上定位有一个强化设备。每个强化设备200也可以定位成与动臂108的中间轴线在一条直线上。作为替换方式，本发明的强化设备200可以相对于中间轴线定位在动臂108内的任何位置，取决于需要强化的位置。进一步，虽然强化设备在图2中示为尺寸相同，但是，可以想到，取决于应用场合，在给定承载结构中的不同强化设备可以有不同的尺寸。例如，图2中所示的前强化设备可以小于后强化设备。本发明的强化设备200可被定位在承载结构中例如通过有限元分析或本领域已知的其他技术确定的预定位置处。应该明白，根据具体的应用，强化设备200的数量、定位和尺寸是可以改变的，可以应用于任何箱梁结构而不会超出本发明和权利要求书的范围。

参见图3和图4，强化设备200包括绕着轴线204设置的管状壁202。管状壁202被构造成包括第一端206和第二端208，喉部210设置在第一端206和第二端208之间。管状壁限定了从第一端206到第二端208穿过强化设备200的通道209。喉部210具有外直径D1。第一端206和第二端208每个都有外直径D2，外直径D2大于外直径D1。从喉部210沿两个方向侧向向外移动，管状壁202绕着轴线204沿径向向外张开，形成设置在喉部210和第一端206之间的第一应力扩散部212和设置在喉部210和第二端208之间的第二应力扩散部214。第一、第二应力扩散部212、214可具有曲线截面外形，诸如圆弧、抛物线或双曲线，赋予第一、第二应力扩散部212、214以喇叭形构造。作为替换方式，第一、第二应力扩散部212、214可被构造成具有直线截面外形。

强化设备200还可包括围绕第一端206的周边设置的第一边缘216和围绕第二端208设置的第二边缘218。每个边缘216、218可包括倒角边220、222。倒角边220、222被构造为与侧壁148、150中的开口152、154配合，以提供各边缘216、218和相应侧壁148、150之间的焊缝。

强化设备200的管状壁202的厚度可从喉部210侧向向外到第一、第二端206、208变化，或者可具有均匀的厚度。相对于轴线204和中线224对称的代表性的一段管状壁202，表示在图5中。在所公开的实施方式中，管状壁202在喉部210处具有第一厚度T1。第一厚度T1在整个喉部210上可以是均匀的。随着管状壁202向外从喉部210向第二应力扩散部214过渡，管状壁202的厚度增加，直到在第二端208处的最大的厚度T2。在该示例性实施方式中，第二厚度T2大于第一厚度T1的2倍。第一、第二应力扩散部212、214的喇叭形构造与不断增加的壁厚度相结合，允许扭曲载荷产生的应力扩散并分布到侧壁148、150。

这里公开的强化设备200可以是单件式结构，或者可以用一对对称的管状部分226、228在强化设备200的中线224处结合构成，如图3中所示。每个管状部分226、228可具有图5中所示的外形，如本发明前面描述的那样。在示例性的实施方式中，管状部分226、228可以形成为金属铸件，例如碳钢、铝、金属合金等等。但是，管状部分可以由本领域中已知的任何可接受的金属加工方法形成，诸如辊轧、锻造、切削、铣削等等。进一步，强化设备200可以通过将管状部分226、228结合到它们之间的管状构件（未示出）形成，由此形成伸长的喉部210。再参加图3，强化设备200可以通过用焊接部230将管状部分226、228结合在一起来构建。

诸如动臂108的承载结构可以通过将强化设备200定位在侧壁148、150之间使得第一端206和第二端208分别与第一开口152和第二开口154配合，得到强化以提供克服扭曲载荷的增强刚性。强化设备200的第一、第二端206、208可通过本领域已知的焊接工艺结合到侧壁148、150。焊接部可围绕着第一、第二开口152、154设置，由此分别将第一、第二端206、208结合到第一、第二侧壁148、150。在一个示例性实施方式中，第一、第二边缘216、218分别在第一、第二开口152、154处焊接于第一、第二侧壁148、150。

强化设备200可以作为单件提供。作为替换方式，强化设备可以作为组件提供，其在将强化设备200定位为与第一、第二开口152、154配合之前，由一对管状部分226、228通过焊接结合在一起构成。作为替换方式，第一管状部分226可以与第一开口152配合地定位并焊接就位。第二管状部分228可以与第二开口154配合地定位并焊接就位。然后，第一管状部分226和第二管状部分228可以通过经通道209焊接喉部210结合在一起。

工业实用性

所公开的强化设备可以应用于针对扭曲载荷强化任何箱梁式承载结构。具体地说，公开的强化设备可以应用于机器的连杆机构组件，例如附接于挖掘机、反铲挖土机、吊车、装载机或类似机器的动臂或斗杆。本发明的强化设备可以为承载结构提供扭曲刚度，而无需内部的挡板及有关焊接。公开的强化设备允许从承载结构的外面接近焊接点，便于制造、检查和修理承载结构，无需进入到结构的内部区域。

对于本领域技术人员会很清楚的是，可以对所公开的强化设备作出各种变型，而不会脱离本发明的范围。通过思考这里所公开的强化设备的具体描述和实践，强化设备的其他实施方式对于本领域技术人员来说将会是显而易见的。例如，虽然所公开的强化设备被描述为主要用于与挖掘机和其他机器一起使用，但是可以想到，类似的强化设备可以与受到扭曲载荷的任何箱梁式承载结构一起使用。此外，虽然所公开的强化设备被描述为包括围绕中线焊接在一起的一对对称的铸造壁部分，但是也可以想到，强化设备可以形成为单件。所要说的是，具体说明和例子仅应理解为示例性的，真实的范围由权利要求及其等同指明。

Claims

1.一种用于承载结构的强化设备（200），包括：

管状壁（202），管状壁（202）包括：

第一端（206），

第二端（208），

设置在第一端（206）和第二端（208）之间的喉部，以及

设置在喉部与第一端（206）和第二端（208）每一端之间的应力扩散部。

2.如权利要求1所述的强化设备（200），其中，管状壁（202）具有在喉部处的第一厚度和在第一端（206）、第二端（208）每一端处的第二厚度，其中，第一厚度小于第二厚度。

3.如权利要求2所述的强化设备（200），其中，第二厚度至少比第一厚度大2倍。

4.如权利要求4所述的强化设备（200），其中，管状壁（202）被构造为具有在喉部处的第一外直径和在第一端（206）、第二端（208）每一端处的第二外直径，其中，第一外直径小于第二外直径。

5.如权利要求2所述的强化设备（200），还包括围绕第一端（206）、第二端（208）每一端设置的边缘。

6.如权利要求6所述的强化设备（200），其中，围绕第一端（206）、第二端（208）每一端设置的边缘包括倒角边（220,222）。

7.一种用于机器（100）的连杆机构（106）组件，所述连杆机构组件具有承载结构，所述承载结构具有第一侧壁（148，150）和第二侧壁（148，150），第一侧壁（148，150）包括第一开口（152，154），第二侧壁（148，150）包括第二开口（152，154），第一侧壁（148，150）与第二侧壁（148，150）是分开的；所述连杆机构（106）组件包括：

设置在第一侧壁（148，150）和第二侧壁（148，150）之间的强化设备（200），强化设备（200）包括：

管状壁（202），管状壁（202）包括：

第一端（206），

第二端（208），

设置在第一端（206）和第二端（208）之间的喉部（210），以及

设置在喉部（210）和第一端（206）、第二端（208）每一端之间的应力扩散部，

其中，管状壁（202）具有在喉部（210）处的第一尺寸和在第一端（206）、第二端（208）每一端处的第二尺寸，第一尺寸小于第二尺寸，并且第一端（206）与第一开口（152，154）相配合地布置，第二端（208）与第二开口（152，154）相配合地布置。

8.如权利要求7所述的连杆机构（106）组件，其中，第一端（206）通过绕着第一开口设置的第一焊接部在第一开口（152，154）处结合于第一侧壁（148，150），第二端（208）通过绕着第二开口设置的第二焊接部在第二开口（152，154）处结合于第二侧壁（148，150）。

9.如权利要求7所述的连杆机构（106）组件，其中，强化设备（200）包括第一铸件和第二铸件，第一铸件和第二铸件通过焊接部在中线（224）处结合，其中，管状壁（202）限定了通道（209），焊接部能够经通道（209）接近。

10.如权利要求9所述的连杆机构（106）组件，其中，承载结构是动臂（108）。