JP2006248756A - Frame of construction machine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、移動式クレーン等の建設機械を構成するフレームに関するものである。 The present invention relates to a frame constituting a construction machine such as a mobile crane.
特許文献1に記載されるような建設機械のフレームの側壁には、種々の目的で貫通孔が設けられることが多い。例えば、当該側壁の内外に油圧配管や電気配線を通す場合や、他の部材との溶接を施工する場合、軽量化を図る場合等に、種々の貫通孔が前記フレームの側壁に設けられることになる。
前記のように側壁に貫通孔が設けられたフレームに対して外力が加えられた場合、当該貫通孔の周囲には一般に応力集中が発生する。 When an external force is applied to the frame having the through hole provided in the side wall as described above, stress concentration generally occurs around the through hole.
例えば、図6に記載されるように、クレーンの下部走行体2上に旋回軸受4を介して旋回可能に設置される上部旋回フレーム6において、その後端にブームの吊り荷重を支持するための荷重支持部7が設けられている場合、この荷重支持部7には鉛直方向の力である上向きの引張力Fが作用するが、このとき、前記上部旋回フレーム6の後部(前記荷重支持部7と前記旋回軸受4との間の部分)の側壁6aに円形の貫通孔8が設けられていると、この貫通孔8の周囲には上記引張力Fに起因して応力集中が発生する。具体的には、前記上部旋回フレーム6において前記旋回軸受4に接合されている部分よりも後側の部分を、その自由端部に上向きの垂直荷重(引張力F)を受ける片持ち梁とみなすと、この片持ち梁には曲げ応力が発生し、貫通孔8の周縁にはその特定の角度位置で応力の絶対値が著しく上昇する応力集中が生ずる。
For example, as shown in FIG. 6, in an
このような応力集中が発生する場合に、その最大応力を基準としてフレーム設計をすると、フレーム全体の肉厚が相当大きくなり、その重量及び材料費の増大は避けられない。また、前記応力集中が発生する部分に補強板を貼って局所的に断面積及び断面係数を増やすようにしても、その溶接施工に伴う疲労評価の低下も考慮すると補強板の厚みはかなり大きく設定しなければならず、補強構造は重厚なものとなってしまう。従って、当該補強構造に起因する重量及び費用の増加を抑制することは難しい。 When such stress concentration occurs, if the frame is designed based on the maximum stress, the thickness of the entire frame becomes considerably large, and an increase in weight and material cost is inevitable. In addition, even if a reinforcing plate is attached to the portion where the stress concentration occurs to locally increase the cross-sectional area and section modulus, the thickness of the reinforcing plate is set to be considerably large considering the decrease in fatigue evaluation due to the welding work. Therefore, the reinforcing structure becomes heavy. Therefore, it is difficult to suppress an increase in weight and cost due to the reinforcing structure.
本発明は、このような事情に鑑み、側壁に貫通孔が設けられる建設機械のフレームにおいて、その重量及び費用の大幅な増加を避けながら前記貫通孔の周囲の応力集中を有効に緩和することを目的とする。 In view of such circumstances, the present invention effectively reduces the stress concentration around the through hole in the frame of the construction machine provided with the through hole in the side wall while avoiding a significant increase in weight and cost. Objective.
一般に、孔の形状が円形以外の形状である場合、すなわち、孔周縁の曲率が全周にわたって一定でない場合、その曲率が大きい(すなわち曲率半径が小さい)位置ほど応力集中が著しくなる傾向がある。換言すれば、応力集中が著しい位置での孔周縁形状の曲率を小さく(曲率半径を大きく)すれば、その応力集中度を緩和することが可能になる。 Generally, when the hole has a shape other than a circle, that is, when the curvature of the hole periphery is not constant over the entire circumference, the stress concentration tends to become more significant as the curvature becomes larger (that is, the curvature radius is smaller). In other words, if the curvature of the hole peripheral shape at a position where the stress concentration is significant is reduced (the curvature radius is increased), the degree of stress concentration can be reduced.
本発明は、このような観点からなされたものであり、側壁にその内外を貫通する貫通孔が設けられるとともに、当該側壁に特定方向の荷重が加えられる建設機械のフレームにおいて、前記貫通孔の形状は、その貫通孔の形成位置に当該貫通孔の垂直方向の寸法と略同等の直径をもつ円形孔を仮想したときに前記特定方向の荷重の付加に伴って前記円形孔の周囲に生ずる応力の絶対値が最も大きくなる最大応力角度位置での前記貫通孔の孔周縁の曲率が、前記円形孔の周囲に生ずる応力の絶対値が最も小さくなる最小応力角度位置での前記貫通孔の孔周縁の曲率よりも小さくなるように、設定されているものである。 The present invention has been made from such a viewpoint, and in the frame of a construction machine in which a through hole penetrating the inside and outside of the side wall is provided and a load in a specific direction is applied to the side wall, the shape of the through hole is Is a stress generated around the circular hole due to the addition of a load in the specific direction when a circular hole having a diameter substantially equal to the vertical dimension of the through hole is assumed at the formation position of the through hole. The curvature of the hole periphery of the through hole at the maximum stress angle position where the absolute value is the largest is the hole periphery of the through hole at the minimum stress angle position where the absolute value of the stress generated around the circular hole is the smallest. It is set so as to be smaller than the curvature.
この構成によれば、前記貫通孔の形成位置に仮想される円形孔の周囲において応力の絶対値が最大となる最大応力角度位置での実際の貫通孔の孔周縁の曲率が最小応力角度位置での曲率よりも小さく設定されることにより、当該貫通孔の周囲における応力の最大値と最小値との差が縮められる。従って、当該貫通孔の周囲に補強を施すことなく、また補強をするとしても簡単な補強のみで、貫通孔周囲の応力集中を効果的に緩和することができる。 According to this configuration, the curvature of the actual peripheral edge of the through hole at the maximum stress angle position where the absolute value of the stress is maximum around the circular hole assumed at the formation position of the through hole is the minimum stress angle position. By setting the curvature smaller than the curvature, the difference between the maximum value and the minimum value of the stress around the through hole is reduced. Therefore, the stress concentration around the through hole can be effectively reduced without reinforcing the periphery of the through hole and with only simple reinforcement.
さらに、前記最大応力角度位置またはその近傍の角度位置で前記貫通孔の孔周縁の曲率が最小となるように当該貫通孔の孔周縁の形状を設定すれば、応力最大値をより有効に低減することができる。 Furthermore, if the shape of the hole periphery of the through hole is set so that the curvature of the hole periphery of the through hole is minimized at the maximum stress angle position or an angular position near the maximum stress angle position, the stress maximum value is more effectively reduced. be able to.
なお、前記貫通孔は、その中間部分に任意の方向に直線的に延びる直線部をもつ長孔であってもよく、その場合には、前記直線部を除く部分の曲率が前記円形孔の周囲の応力分布に基づいて設定されていればよい。 The through hole may be a long hole having a straight portion extending linearly in an arbitrary direction at an intermediate portion thereof. In this case, the curvature of the portion excluding the straight portion is around the circular hole. It may be set based on the stress distribution.
本発明は、種々の建設機械のフレームに適用し得るものであるが、特に、下部走行体上に旋回支持部を介して旋回可能に搭載され、当該旋回支持部に接合される箇所から水平方向に離れた荷重支持箇所に鉛直方向の力が付加されるクレーンの上部旋回フレームでは、その旋回支持部に接合される箇所から前記荷重支持箇所までの領域が大きな曲げ荷重を受ける片持ち梁となるため、この領域内に貫通孔を有する側壁を備える場合に、前記貫通孔のうちの少なくとも一つの貫通孔の形状を、その貫通孔の形成位置に当該貫通孔の垂直方向の寸法と略同等の直径をもつ円形孔を仮想したときに前記荷重支持箇所への鉛直方向の力の付加に伴って前記円形孔の周囲に生ずる応力の絶対値が最も大きくなる最大応力角度位置での前記貫通孔の孔周縁の曲率が、前記円形孔の周囲に生ずる応力の絶対値が最も小さくなる最小応力角度位置での前記貫通孔の孔周縁の曲率よりも小さくなるように、設定することにより、本発明の効果を如何なく発揮することができる。 The present invention can be applied to frames of various construction machines. In particular, the present invention is mounted horizontally on a lower traveling body via a turning support portion so as to be able to turn horizontally from a place where the turning support portion is joined. In an upper swing frame of a crane in which a vertical force is applied to a load support location that is far from the center, the area from the location where the swing support is joined to the load support location is a cantilever beam that receives a large bending load. Therefore, when a side wall having a through hole is provided in this region, the shape of at least one of the through holes is substantially equal to the vertical dimension of the through hole at the position where the through hole is formed. When a circular hole having a diameter is imagined, the through hole at the maximum stress angle position where the absolute value of the stress generated around the circular hole becomes the largest with the addition of a vertical force to the load supporting portion. Around the hole By setting the rate to be smaller than the curvature of the hole periphery of the through hole at the minimum stress angle position where the absolute value of the stress generated around the circular hole is the smallest, the effect of the present invention can be improved. It can be demonstrated without.
以上のように、本発明によれば、側壁に貫通孔が設けられる建設機械のフレームにおいて、当該貫通孔の孔周縁の曲率を適正に設定することにより、フレーム全体の重量及び費用の大幅な増加を避けながら前記貫通孔の周囲の応力集中を有効に緩和することができる効果がある。 As described above, according to the present invention, in the frame of a construction machine in which a through hole is provided on the side wall, the weight and cost of the entire frame are significantly increased by appropriately setting the curvature of the hole periphery of the through hole. There is an effect that the stress concentration around the through hole can be effectively relaxed while avoiding the above.
図1及び図2は、本発明の実施の形態に係る移動式クレーン10の全体構造を示したものである。
FIG.1 and FIG.2 shows the whole structure of the
このクレーン10は、左右クローラ11を有する下部走行体12と、その上に旋回軸受14を介して旋回可能に設置される上部旋回体16とを備えている。
The
この上部旋回体16の前端部にはブーム取付部16aが設けられ、このブーム取付部16aを支点としてブーム18が起伏可能に支持されている。このブーム18は、図例ではラチスブームであり、その先端部からは主フック20及び図略の補フックが吊り下げられている。
A
一方、上部旋回体16には第1ウインチ22、第2ウインチ24、及びブームウインチ26が搭載されている。そして、前記第1ウインチ22による巻上げワイヤロープ27の巻取りにより前記主フック20が吊上げられ、前記第2ウインチ24による図略の巻上げワイヤロープの巻取りにより前記補フックが吊上げられる。また、前記ブームウインチ26によるワイヤロープ28の巻取り/巻出しにより、前記ブーム18が前記ブーム取付部16aを支点として回動動作(起伏動作)をするようになっている。
On the other hand, a
具体的に、前記上部旋回体16の後部にはブーム起伏用のガントリ30が設けられている。このガントリ30は、傾斜姿勢で配される前側の圧縮部材31と、立直姿勢で配される後側の引張部材32とが山型に組まれてその上端部同士が連結されたものであり、当該ガントリ30の頂部にシーブ34が回転可能な状態で設けられるとともに、このシーブ34にブームウインチ26から引き出されたワイヤロープ28が掛けられている。一方、前記ブーム18の先端にはガイケーブル36の一端がつながれ、このガイケーブル36の他端側と前記ガントリ30側とにそれぞれ上下スプレッダ37,38が取付けられており、当該スプレッダ37,38に含まれるシーブ同士の間に前記ワイヤロープ28が掛け回されている。
Specifically, a boom raising and lowering
従って、このクレーン10では、前記ブームウインチ26によるワイヤロープ28の巻取り(または巻出し)によりスプレッダ37がスプレッダ38に対して接近する(またはスプレッダ38から離れる)ように移動することによりブーム18が起伏するとともに、このブーム18や前記主フック20、補フック、ワイヤロープ27等の自重及びそのブーム18の先端の吊り荷Wによる荷重に起因して、前記ガントリ30を構成する圧縮部材31には圧縮力Fcが、引張部材32には引張力Ftがそれぞれ作用するようになっている。
Therefore, in this
次に、前記上部旋回体16を構成する上部旋回フレーム40の構造を説明する。
Next, the structure of the
この上部旋回フレーム40は、中空断面を有する箱型形状を有し、その前半部の底壁が前記旋回軸受14に接合されている。また、左右の側壁44の前側部上端に圧縮部材取付孔41が設けられ、後端上部に引張部材取付孔42が設けられている。
The upper revolving
前記圧縮部材取付孔41には、この上部旋回フレーム40と前記ガントリ30の圧縮部材31とを連結するための図略のピンが挿通され、同様に、前記引張部材取付孔42には、この上部旋回フレーム40と前記ガントリ30の引張部材32とを連結するための図略のピンが挿通される。従って、この上部旋回フレーム40において前記引張部材取付孔42が設けられている箇所は、その引張部材32に作用する鉛直方向の力である上向きの引張力Ftが付加される荷重支持箇所となっており、この荷重支持箇所は前記旋回軸受14の接合箇所から水平方向後側に大きく離間した位置に存在している。すなわち、この上部旋回フレーム40のうち前記旋回軸受14よりも後側の部分は、その自由端部である後端部に上向き荷重が加えられて曲げモーメントMが発生する片持ち梁の状態となっている。
A pin (not shown) for connecting the upper revolving
なお、このような曲げ状態が発生するのは、図示のようなガントリタイプのブーム支持構造に限られない。例えば、特開平10−194681号公報に示されるように、上部旋回体に揺動可能なマストを備え、このマストとブーム先端とをガイケーブルで連結するとともに、上部旋回フレームの後部に小ガントリを設け、この小ガントリの頂部と前記マストの先端部との間に滑車機構を設けてこの滑車機構をウインチの駆動で伸縮させることによりブームを起伏させるクレーンにおいても、その上部旋回フレームに前記と同様の曲げ状態が発生することになる。従って、このようなクレーンにおいても本発明を有効に適用することが可能である。 The occurrence of such a bent state is not limited to the gantry type boom support structure as shown in the figure. For example, as disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 10-194681, a swingable mast is provided on the upper swing body, the mast and the boom tip are connected by a guy cable, and a small gantry is mounted on the rear of the upper swing frame. Also in a crane that provides a pulley mechanism between the top of the small gantry and the tip of the mast and raises and lowers the boom by extending and retracting the pulley mechanism by driving a winch, the upper revolving frame is similar to the above. The bending state will occur. Therefore, the present invention can be effectively applied to such a crane.
図1及び図2に説明を戻すと、前記のような曲げ荷重を受ける上部旋回フレーム40は、左右に対なす側壁44を備え、これらの側壁44において、前記旋回軸受14から前記引張部材取付孔42に至るまでの水平方向の領域中に、当該側壁44の内外を連通する貫通孔46,48が設けられている。
Returning to FIG. 1 and FIG. 2, the upper revolving
図3に示すように、前記貫通孔46の孔周縁の形状は、その角度位置に応じて曲率が変化しており、当該曲率は、この貫通孔46の周囲における応力の集中度合いが緩和されるように設定されている。具体的には、前記貫通孔46の形成位置に当該貫通孔46の垂直方向の寸法と略同等の直径をもつ円形孔を仮想したときに、前記引張部材取付孔42が設けられている荷重支持箇所に上向きの引張力Ftが付加されるのに伴って前記円形孔の周囲に生ずる応力の絶対値が最も大きくなる最大応力角度位置での前記貫通孔46の孔周縁の曲率が、前記円形孔の周囲に生ずる応力の絶対値が最も小さくなる最小応力角度位置での前記貫通孔46の孔周縁の曲率よりも小さくなるように、当該貫通孔46の形状が設定されている。
As shown in FIG. 3, the curvature of the shape of the peripheral edge of the through
図4(a)は、前記貫通孔46に対応する円形孔46′を仮想したときの上部旋回フレーム側壁44の曲げ変形状態を誇張して表したものであり、同図(b)は当該曲げ変形状態における前記円形孔46′の周囲の応力分布を有限要素法で解析した結果を示したものである。同図(b)では、各分割要素に付されている網目の密度が細かいほど応力の絶対値が高いことを示している。
FIG. 4A exaggerates the bending deformation state of the upper revolving
本来、円形孔46′をもつフレーム側壁44が前記円形孔46′を通る線を中立軸として曲げ変形した場合、当該円形孔46′の周囲にはほぼ45°方向の4つの角度位置で応力集中が最大となるが、図例では、円形孔46′の下端からフレーム下縁までの縦寸法が小さいため、図4(b)に示すように、実際の応力集中度は、円形孔46′の下端近傍であって少し後端寄りの角度位置の要素E1で最大(約41kg/mm2)となっている。
Originally, when the
このような応力特性に鑑み、実際の貫通孔46の形状は、図5(a)(b)に示されるように、前記のような最大応力角度位置の近傍の角度位置及びこれと対向する位置(180°離間した位置)で孔周縁形状の曲率が最小となり、これと直交する方向の角度位置(前記最大応力角度位置から90°離間した角度位置)であって応力が最小となる角度位置の近傍の角度位置で前記曲率が最大となるように、設定されている。
In view of such stress characteristics, the actual shape of the through
このような形状の貫通孔46であると、図5(b)に示すように、図4(b)に示す円形孔46′に比べて孔周囲の応力最大値(図では要素E2で約37kg/mm2)が効果的に低減し、また、高応力領域も有効に削減されることとなる。従って、フレーム全体の重量及び材料費の大幅な増加を避けながら前記貫通孔46の周囲の応力集中を有効に緩和することができる。
In the case of the through
一方、貫通孔48の形状は、前記貫通孔46の形状を水平方向に延ばした形状となっている。すなわち、この貫通孔48はその水平方向中間部分に当該水平方向に直線的に延びる直線部48bを有し、その両側端部48aが前記貫通孔46と同様に前記円形孔46′の応力分布に基づいて曲率を変化させた形状となっている。換言すれば、この貫通孔48は横長の小判形状の左右両端部を変形させた形状を有している。このように、中間部分に任意の方向に延びる直線部を有する長孔であっても、その両側部分の曲率が適正に設定されることによって、応力集中を有効に緩和することが可能になる。
On the other hand, the shape of the through
なお、前記貫通孔46の形成位置に仮想される円形孔46′の周囲の応力分布は、その形成位置によって当然に変化するから、その応力分布によって適宜貫通孔46の形状を設定すればよい。例えば、円形孔46′の上下両側におけるフレーム40の縦寸法が当該円形孔46′の直径に比して十分に大きいモデルを想定すると、上述のように、当該円形孔46′の周囲にはほぼ45°方向の4つの角度位置で応力の絶対値が最大となるから、その最大応力角度位置に対応する部分での曲率を最小にするように、貫通孔48の形状を例えば略菱形形状(ただし菱形の4つの頂点に相当する部分に極度の応力集中が発生しないようにその頂点部分は小さな曲率半径をもつ円弧にしておくのが好ましい。)とすることにより、大掛かりな補強をすることなく、孔周囲の応力集中を効果的に緩和することができる。
Since the stress distribution around the
なお、本発明では必ずしも円形孔の最大応力角度位置で曲率を最小にしなくてもよく、少なくとも前記最大応力角度位置での貫通孔の周縁の曲率が最小応力角度位置での周縁の曲率よりも小さくなる孔形状とすれば、応力の絶対値の最大値と最小値との差を縮める(すなわち応力集中度を低減させる)ことが可能である。ただし、前記最大応力角度位置またはその近傍の角度位置で前記貫通孔の孔周縁の曲率が最小となるように当該貫通孔の孔周縁の形状を設定すれば、応力最大値をより有効に低減することが可能になる。 In the present invention, it is not always necessary to minimize the curvature at the maximum stress angle position of the circular hole, and the curvature of the peripheral edge of the through hole at least at the maximum stress angle position is smaller than the curvature of the peripheral edge at the minimum stress angle position. If the hole shape is formed, it is possible to reduce the difference between the maximum value and the minimum value of the absolute value of stress (that is, to reduce the stress concentration degree). However, if the shape of the hole periphery of the through hole is set so that the curvature of the hole periphery of the through hole is minimized at the maximum stress angle position or an angular position in the vicinity thereof, the stress maximum value is more effectively reduced. It becomes possible.
また、図示の上部旋回フレーム40は、その荷重支持箇所に上向きの引張力Ftが付加されるものとなっているが、逆にその荷重支持箇所に下向きの押付力が加えられて当該押付力が強度設計上支配的であるようなフレームについても、本発明を有効に適用することが可能である。
Moreover, although the upward turning force Ft is added to the load support location of the
さらに、本発明はクレーンの上部旋回フレームに限らず、油圧ショベル等のその他の建設機械の上部旋回フレームや、下部走行体を構成するフレーム等、運転時に特定方向の荷重を受ける種々のフレームにおいて、その側壁に種々の目的で貫通孔が設けられる場合に、広く適用することが可能である。 Furthermore, the present invention is not limited to the upper swing frame of the crane, but in various frames that receive a load in a specific direction during operation, such as an upper swing frame of other construction machines such as a hydraulic excavator, a frame constituting a lower traveling body, The present invention can be widely applied when through holes are provided on the side walls for various purposes.
10 移動式クレーン
12 下部走行体
14 旋回軸受(旋回支持部)
16 上部旋回体
18 ブーム
30 ガントリ
32 引張部材
40 上部旋回フレーム
42 引張部材取付孔
44 フレーム側壁
46,48 貫通孔
46′ 円形孔
48b 直線部
DESCRIPTION OF
16
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