JP2012031703A - 箱型溶接構造物及びパワーショベル - Google Patents

Abstract

【課題】疲労強度の低下を抑制し、かつ加工労務費を低くする。
【解決手段】中空の断面矩形状に形成されかつ各辺の長さよりも軸心方向の長さが長いアーム１において、軸心１ａを挟んで対向配設された上板２及び下板３と、上板２及び下板３と直交する状態で前記軸心１ａを挟んで対向配設され、かつ前記上板２及び下板３の端部に上端４ａ、５ａ及び下端４ｂ、５ｂが溶接された一対の側板４、５と、これら両側板４、５に溶着されたねじれ座屈防止用補剛部材６、７とを具備し、ねじれ座屈防止用補剛部材６、７を各側板４、５に設けた位置が、上板２と側板４（５）の上端４ａ（５ａ）との線状溶接部（つまり上板２の下面２ａ）から上板２の厚さｔ１の３倍以上下板３側に向けて離れた位置Ｄと、下板３と側板４（５）の下端４ｂ（５ｂ）との線状溶接部（つまり下板３の上面３ａ）から下板３の厚さｔ２の４倍以上上板２側に向けて離れた位置Ｅとの間の範囲Ｆ内である。
【選択図】図３

Description

本発明は、例えばパワーショベルのアームまたはブームなどの箱型溶接構造物に関し、特に疲労破壊の発生を抑制でき、かつ、ねじれ座屈安定性に優れた軽量の箱型溶接構造物及びパワーショベルに関する。

上記アームとしては、図８に示す第１の構成の箱型溶接構造物と、図９（右側面図）及び図１０（図９のＸ−Ｘ線による断面図）に示す第２の構成の箱型溶接構造物とが知られている（例えば、特許文献１等参照）。

第１の構成の箱型溶接構造物は、上板１０１と下板１０２に側板１０３、１０４の上・下端部を溶接した角筒状となったアームに対し、アームのねじれ座屈耐力が低くなるのを防止して断面強度を向上させることを目的として、側板１０４に補強板１０５を溶接した構成となっている。

一方、第２の構成の箱型溶接構造物は、軸心を挟む上板（フランジ）１１１及び下板（フランジ）１１２と、これら上板１１１及び下板１１２の各々の端部に、上・下端部が溶接された一対の側板（ウェブ）１１３、１１４とにより角筒状に構成される。そして、アームのねじれ座屈耐力が低くなるのを防止して断面強度を向上させることを目的として、両側板１１３、１１４には、その素材としての板材に塑性加工を施して補強用の突起１１３ａ、１１４ａが設けられる。上記突起１１３ａ等は、側板１１３等の片面側に凸状に突出し、もう片面側に凹状に窪んだ断面構造となっている。この突起１１３ａ、１１４ａの形成により、箱型溶接構造物の重量増加を抑制して、作業性の向上化、低燃費化、搬送の容易化などを図ることができる。

実公平１−１０２２４０号公報

ところで、パワーショベルにあっては、アームの先端側を上下方向に揺動させる掘削作業や掘削した土砂を同様に揺動させて捨てるダンプ作業を繰り返し行うことで、アームやブームに引張、圧縮の力が繰り返し作用することになる。このような力は、図１１に示すようにアームＡに対して側板Ｂの先端側（図左側）を上下方向に押圧することに伴う曲げ、所謂面内方向の曲げを発生させる。この面内方向の曲げに伴って、上板及び下板が大きく変形し、上板及び下板で応力が大きくなる。この応力の発生状態としては、例えば掘削作業のときは側板Ｂの先端側が上向きに押圧されるため、上板側に圧縮応力が生じ、下板側に引張応力が生じる。

したがって、上述した第１の構成において、前記面内方向の曲げが生じると、溶接により側板１０４に取付けた補強板１０５の溶接部の上部と下部に大きな繰り返し応力が発生し、これにより当該部位に亀裂が発生し疲労破壊が起こるという問題がある。

一方、第２の構成の場合には、補強用の突起１１３ａ、１１４ａを溶接ではなく塑性加工により形成しているため、上記面内方向の曲げを受けても疲労破壊が起こり難いものの、加工が容易でなく加工労務費がかさむという別の問題がある。

本発明は、このような従来技術の課題を解決するためになされたもので、疲労破壊の発生を抑制することができ、かつ加工労務費を低くすることができる箱型溶接構造物及びパワーショベルを提供することを目的とする。

本発明の請求項１に係る箱型溶接構造物は、中空の断面矩形状に形成されかつ各辺の長さよりも軸心方向の長さが長い箱型溶接構造物において、軸心を挟んで対向配設された上板及び下板と、前記上板及び下板と直交する状態で前記軸心を挟んで対向配設され、かつ前記上板及び下板の端部に上端及び下端が溶接された一対の側板と、これら両側板に溶着されたねじれ座屈防止用補剛部材とを具備し、前記ねじれ座屈防止用補剛部材を各側板に設けた位置が、前記上板と前記側板の上端との線状溶接部から前記上板の厚さの３倍以上下板側に向けて離れた位置と、前記下板と前記側板の下端との線状溶接部から前記下板の厚さの４倍以上上板側に向けて離れた位置との間の範囲内であることを特徴とする。

本発明の請求項２に係る箱型溶接構造物は、請求項１に記載の箱型溶接構造物において、前記上板に圧縮応力及び引張応力のうちのいずれか一方の応力が生じ、前記下板に他方の応力が生ずるような曲げ変形についての中立面に対し、前記各側板が交わる前記各側板の交線上に、この交線に沿って単一本の前記ねじれ座屈防止用補剛部材が設けられていることを特徴とする。

本発明の請求項３に係る箱型溶接構造物は、請求項１に記載の箱型溶接構造物において、前記ねじれ座屈防止用補剛部材が、前記範囲内で蛇行するような形状に形成されていることを特徴とする。

本発明の請求項４に係る箱型溶接構造物は、請求項１乃至３のいずれかに記載の箱型溶接構造物において、前記側板に溶着される各々のねじれ座屈防止用補剛部材が、箱型溶接構造物の軸心方向の両端にそれぞれ設けられたピン取付部に取付けられるピン間の距離の０．４倍〜０．７５倍の長さを有することを特徴とする。

本発明の請求項５に係るパワーショベルは、請求項１乃至４のいずれかに記載の箱型溶接構造物が、アームまたはブームに適用されたことを特徴とする。

本発明による場合には、ねじれ座屈防止用補剛部材が溶着される側板における位置が、上板と側板の上端との線状溶接部から上板の厚さの３倍以上下板側に向けて離れた位置と、下板と側板の下端との線状溶接部から下板の厚さの４倍以上上板側に向けて離れた位置との間の範囲内である。この範囲は、曲げ荷重に起因して側板の上部及び下部にそれぞれ逆向きに生じる繰返し応力（引張応力及び圧縮応力）が比較的低い領域であるので、補剛部材を溶接した部分における疲労破壊の発生を抑制することができる。また、ねじれ座屈防止用補剛部材が側板に溶着されるので、塑性加工により突起を設ける場合と異なり加工労務費を低くすることができる。更に、ねじれ座屈防止用補剛部材が側板に対して溶着されるので、既製品に対して後加工によって配設することができる。

特に、請求項２のように、前記上板に圧縮応力及び引張応力のうちのいずれか一方の応力が生じ、前記下板に他方の応力が生ずるような曲げ変形についての中立面に対し、前記各側板が交わる前記各側板の交線上に、この交線に沿って単一本のねじれ座屈防止用補剛部材を設ける場合は、前記繰返し応力が最も低い箇所にねじれ座屈防止用補剛部材が配設されることとなり、補剛部材を溶接した部分における疲労破壊を極めて起こり難くすることができる。

請求項３の発明による場合には、前記範囲の上下方向に広い領域において補剛部材を配置することにより、補剛部材を溶接した部分における疲労破壊の発生を抑えつつ高い耐荷力を達成することができる。

請求項４の発明による場合には、補剛部材の長さを、箱型溶接構造物の軸心方向の両端近傍にそれぞれ設けられたピン取付部に取付けられるピン間の距離の０．４倍〜０．７５倍とするので、箱型溶接構造物の軽量化を維持しつつ高い耐荷力を達成できる。

ここで、０．４倍を下限とする理由は、０．４倍よりも小さくすると、座屈防止の効果を示さなくなるからである。一方、０．７５倍を上限とする理由は、０．７５倍よりも大きくすると座屈防止の効果が変わらなくなり、つまり上限に到達し、箱型溶接構造物の重量だけが増えるからである。

本発明の一実施形態に係る箱型溶接構造物を適用したアームを備えるパワーショベルを示す左側面図である。 本発明の一実施形態に係る箱型溶接構造物を適用したアームを示す図で、（ａ）は右側面図、（ｂ）は平面図である。 図２（ｂ）におけるＩＩＩ−ＩＩＩ線による端面図である。 面外方向の曲げの説明図である。 本発明の他の実施形態に係る箱型溶接構造物を適用したアームを示す図で、（ａ）は２つのねじれ座屈防止用補剛部材をクロス状に設ける場合で、（ｂ）は２つのねじれ座屈防止用補剛部材を平行に設ける場合である。 （ａ）及び（ｂ）は共に本発明の箱型溶接構造物に適用し得るねじれ座屈防止用補剛部材の他の形状例を示す図である。 （ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）及び（ｆ）は、本発明の箱型溶接構造物に適用し得るねじれ座屈防止用補剛部材の断面形状例を示す図である。 従来の第１の構成における箱型溶接構造物を示す断面図である。 従来の第２の構成における箱型溶接構造物を示す右側面図である。 図９のＸ−Ｘ線による断面図である。 面内方向の曲げの説明図である。 本発明の他の実施形態に係る箱型溶接構造物を適用したアームを示す断面図である。

以下に、本発明の一実施形態を具体的に説明する。

図１は本発明の一実施形態に係る箱型溶接構造物を適用したアームを備えるパワーショベルを示す左側面図であり、図２（ａ）は上記アームを示す右側面図、図２（ｂ）は図２（ａ）の平面図であり、図３は図２（ｂ）におけるＩＩＩ−ＩＩＩ線による端面図である。

上記パワーショベル２０は、下部走行体２１と、その上に旋回可能に設けられる上部旋回体２２とを備え、その上部旋回体２２にブーム２３を介してアーム１が取付けられ、アーム１の先にはバケット２５が取付けられる。図１中の２７はブーム２３の先端にアーム１を揺動可能に取付けるための回動軸で、同２８はアーム１を作動させるアームシリンダ、同２９はバケット２５を作動させるバケットシリンダである。

上記アーム１は、上下左右の板材を断面形状が中空の矩形状となるように組立て、４つの角部を溶接した箱型のもので、各辺の長さよりも軸心方向の長さを長くしている。以下に、より詳細に説明する。

即ち、軸心１ａを挟んで対向配設された上板２及び下板３と、前記上板２及び下板３と直交する状態で前記軸心１ａを挟んで対向配設された一対の側板４、５と、図２の手前側の側板４に溶着されたねじれ座屈防止用補剛部材６と、図２の奥側の側板５に溶着されたねじれ座屈防止用補剛部材７とを有する。上記上板２、下板３及び両側板４、５は共に長手方向を軸心方向に一致させている。なお、図２中の８はブーム用ピン取付部、９はバケット用ピン取付部であり、１０はアームシリンダ用ピン取付部、１１はバケットシリンダ用ピン取付部である。

また、上記側板４は、その幅方向を上下方向に向けていて、側板４の上端部が上板２の端部に溶接され、側板４の下端部が下板３の端部に溶接されている。一方の側板５も、その幅方向を上下方向に向けていて、側板５の上端部が上板２の端部に溶接され、側板５の下端部が下板３の端部に溶接されている。

ねじれ座屈防止用補剛部材６は側板４の上下方向のほぼ中央位置に溶着され、ねじれ座屈防止用補剛部材７は側板５の上下方向のほぼ中央位置に溶着されている。補剛部材６、７が溶着された前記ほぼ中央の位置は、本実施形態において、アーム１の回動軸２７と直交する面上での、所謂面内方向の曲げについてのアーム１の中立面Ｃ（図３参照）と側板４、５とが交差する交線４ｃ、５ｃがある位置である。なお、上板２よりも下板３の方が厚肉であったり、逆に下板３よりも上板２の方が厚肉であったり、或いは側板４、５の厚みが上下で異なっていたりすると、前記中立面Ｃ及び交線４ｃ、５ｃは側板４、５の上下方向のほぼ中央位置からずれた位置になる。

また、上記ねじれ座屈防止用補剛部材６は、アーム１の軸心方向の両端近傍に設けたピン取付部、つまりバケット用ピン取付部９とアームシリンダ用ピン取付部１０のそれぞれに取付けられるピン間の距離Ｌ１の０．４〜０．７５倍、例えば０．６倍の長さＬ３を有し、ねじれ座屈防止用補剛部材７は、前記ピン間距離Ｌ１の０．４〜０．７５倍、例えば０．６倍の長さＬ４（＝Ｌ３）を有する（図２（ａ）参照）。更に、上記ねじれ座屈防止用補剛部材６（７）は、図３に示すように半円形の断面をしたものであり、その両端部が側板４（５）の外側の外表面に対して溶接されている。

したがって、本実施形態に係る箱型溶接構造物としてのアーム１による場合には、ねじれ座屈防止用補剛部材６、７が両側板４、５に対して上下方向のほぼ中央位置、つまり交線４ｃ、５ｃの上に、交線４ｃ、５ｃに沿って溶着されているため、前記繰返し応力が最も低い位置にねじれ座屈防止用補剛部材６、７が配設されることとなり、補剛部材６、７を溶接した部分における疲労破壊の発生を極めて起こり難くすることができる。また、ねじれ座屈防止用補剛部材６、７が側板４、５に対して溶着されるので、加工労務費を低くすることができ、かつ既製品に対して後加工によって配設することができる。

更に、本実施形態において、ねじれ座屈防止用補剛部材６（７）の長さを、前記ピン間距離Ｌ１の０．４〜０．７５倍に設定しているので、後述する理由によりアーム１の軽量化を維持しつつ高い耐荷力を達成することができる。

なお、上述した実施形態ではねじれ座屈防止用補剛部材６（７）を溶着する箇所を、該当側板４（５）の上端４ａ（５ａ）から下端４ｂ（５ｂ）までのほぼ中央位置（交線４ｃ（５ｃ））に設定しているが、本発明はこれに限らず、上板２と側板４（５）の上端４ａ（５ａ）との線状溶接部（つまり上板２の下面２ａ）から上板２の厚さｔ１の３倍（ｔ１×３）以上、下板３側に向けて離れた位置Ｄと、下板３と側板４（５）の下端４ｂ（５ｂ）との線状溶接部（つまり下板３の上面３ａ）から下板３の厚さｔ２の４倍（ｔ２×４）以上、上板２側に向けて離れた位置Ｅとの間の範囲Ｆ内にしてもよい（図３参照）。つまり、側板４（５）の上下方向における中央領域の所定範囲を、補剛部材６（７）を溶着する箇所に規定することができる。ここで、上記範囲Ｆ内にする理由は、範囲Ｆを外れると、補剛部材６（７）の溶接部が繰り返し応力の高い範囲に入ってしまい、疲労破壊が招来されるからである。

また、上述した実施形態ではねじれ座屈防止用補剛部材６（７）の長さを、前記ピン間距離Ｌ１の０．４〜０．７５倍に設定しているが、下限を０．４倍とする理由は、０．４倍よりも小さくすると、座屈防止の効果を示さなくなるからであり、また、図４に示すようにアームＡに対して側板Ｂの先端側（図下側）を矢符に示す左右方向に揺動することに伴う曲げ、所謂面外方向の曲げを発生させたときに、側板に座屈が発生し無いような高い耐荷力を達成するためである。一方、上限を０．７５倍とする理由は、０．７５倍よりも大きくすると座屈防止の効果が変わらなくなり、つまり上限に到達し、アーム１の重量だけが増えるからである。よって、このような範囲内に補剛部材６（７）の長さを設定することで、アーム１の軽量化を維持しつつ高い耐荷力を達成することが可能になる。

更に、上述した実施形態ではねじれ座屈防止用補剛部材６（７）は、各側板４（５）に対して１本ずつ設けているが、本発明はこれに限らず、各側板４（５）に対して２本または３本以上で設けるようにしてもよい。この場合における補剛部材６（７）の配置例としては、例えば図５（ａ）に示すように２本の補剛部材６（７）が交差する形態としても、或いは図５（ｂ）に示すように２本の補剛部材６（７）が平行な形態としてもよい。このような交差する形態と平行な形態とは、補剛部材６（７）が３本以上のときにおいても同様に適用することができ、両形態を組み合わせて用いることも可能である。

以上のように１つの側板に対して２本以上の補剛部材を設ける場合、各々の補剛部材の長さを、前記ピン間距離Ｌ１の０．４〜０．７５倍とすればよい。

更にまた、上述した実施形態では補剛部材６（７）として直線状のものを用いているが、本発明はこれに限られず、前記範囲Ｆ内で蛇行するものであってもよい。その形状としては、例えば、図６（ａ）に示すように補剛部材６（７）は円弧を組み合わせた蛇行状に、或いは図６（ｂ）に示すように直線の途中が折れ曲がった山形を組み合わせた蛇行状に形成してもよい。このような蛇行形状の場合には、上述したように側板４（５）の上下方向における中央部の所定範囲を、補剛部材６（７）を溶着する箇所に規定する場合にあっても、蛇行形状をした補剛部材における振幅ｗを調整することで、直線状の補剛部材を設けるときよりも、前記範囲Ｆの中の広い領域において補剛部材を配置することができ、補剛部材６（７）の溶接部における疲労破壊の発生を抑えつつ高い耐荷力を達成できる。また、１本の補剛部材で済むため、コスト的に安価にできるという利点がある。

更にまた、上述した実施形態では補剛部材として断面形状が円弧状のものを用いているが、本発明はこれに限らず、他の断面形状のものを用いることができる。例えば、図７（ａ）に示すＬ形状の補剛部材６−１、同（ｂ）に示すＨ形の補剛部材６−２、同（ｃ）に示すコの字形の補剛部材６−３、同（ｄ）に示すＣ形の補剛部材６−４、または、同（ｅ）に示すＴ形の補剛部材６−５などを用いることができる。このような断面形状の補剛部材を用いる場合には、平板の補剛部材を用いるときに比べて、アーム重量を軽量化なし得る利点があり、またこれらの断面形状の補剛部材は市販される汎用部材のため、材料費が安価であり、コストの低廉化を図ることができる。なお、Ｌ形状の補剛部材６−１は角部を挟む片方の一辺側を側板４に溶接し、Ｈ形の補剛部材６−２は対向する２辺のうちの片方を側板４に溶接し、コの字形の補剛部材６−３およびＣ形の補剛部材６−４は両端を側板４に溶接し、Ｔ形の補剛部材６−５は一辺の端が他の一辺に連結された前記他の一辺を側板４に溶接することが好ましい。また、これら補剛部材６−１〜補剛部材６−５の大きさは、ねじれ座屈防止の効果を発揮し得るような寸法に設定すればよい。

更にまた、上述した実施形態では図３に示したように、側板４、５の上端部が上板２の端部に溶接され、側板４、５の下端部が下板３の端部に溶接された構成のアーム１に適用しているが、本発明はこれに限らず、図１２に示すように、上板２の左右両端を側板４、５の内面に溶接し、下板３の左右両端を側板４、５の内面に溶接したアーム１Ａにおいても同様に適用され、ねじれ座屈防止用補剛部材６（７）を溶着する箇所は、上記範囲Ｆは同じである。即ち、上板２の左右両端と側板４、５の内面との線状溶接部の下端（つまり上板２の下面２ａ）から上板２の厚さｔ１の３倍（ｔ１×３）以上、下板３側に向けて離れた位置Ｄと、下板３の左右両端と側板４、５の内面との線状溶接部の上端（つまり下板３の上面３ａ）から下板３の厚さｔ２の４倍（ｔ２×４）以上、上板２側に向けて離れた位置Ｅとの間の範囲Ｆに、ねじれ座屈防止用補剛部材６（７）を溶着する箇所が設定される。

更にまた、上述した実施形態では本発明の箱型溶接構造物をパワーショベルのアームに適用しているが、本発明はこれに限らず、パワーショベルのブームに適用することも可能である。

１ アーム
１ａ 軸心
２ 上板
２ａ 上板の下面（線状溶接部）
３ 下板
３ａ 下板の上面（線状溶接部）
４、５ 側板
４ａ、５ａ 上端
４ｂ、５ｂ 下端
４ｃ、５ｃ 交線
６、７ ねじれ座屈防止用補剛部材
２０ パワーショベル
２３ ブーム
Ｌ１ ピン間距離
Ｄ 位置
Ｅ 位置
Ｆ 範囲

Claims (5)

1. 中空の断面矩形状に形成されかつ各辺の長さよりも軸心方向の長さが長い箱型溶接構造物において、
   軸心を挟んで対向配設された上板及び下板と、
   前記上板及び下板と直交する状態で前記軸心を挟んで対向配設され、かつ前記上板及び下板の端部に上端及び下端が溶接された一対の側板と、
   これら両側板に溶着されたねじれ座屈防止用補剛部材とを具備し、
   前記ねじれ座屈防止用補剛部材を各側板に設けた位置が、前記上板と前記側板の上端との線状溶接部から前記上板の厚さの３倍以上下板側に向けて離れた位置と、前記下板と前記側板の下端との線状溶接部から前記下板の厚さの４倍以上上板側に向けて離れた位置との間の範囲内であることを特徴とする箱型溶接構造物。
2. 請求項１に記載の箱型溶接構造物において、
   前記上板に圧縮応力及び引張応力のうちのいずれか一方の応力が生じ、前記下板に他方の応力が生ずるような曲げ変形についての中立面に対し、前記各側板が交わる前記各側板の交線上に、この交線に沿って単一本の前記ねじれ座屈防止用補剛部材が設けられていることを特徴とする箱型溶接構造物。
3. 請求項１に記載の箱型溶接構造物において、
   前記ねじれ座屈防止用補剛部材が、前記範囲内で蛇行するような形状に形成されていることを特徴とする箱型溶接構造物。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の箱型溶接構造物において、
   前記側板に溶着される各々のねじれ座屈防止用補剛部材が、箱型溶接構造物の軸心方向の両端近傍にそれぞれ設けられたピン取付部に取付けられるピン間の距離の０．４倍〜０．７５倍の長さを有することを特徴とする箱型溶接構造物。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載の箱型溶接構造物が、アームまたはブームに適用されたことを特徴とするパワーショベル。

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