JP2017014732A - 作業機械のブームの補強構造 - Google Patents

Abstract

【課題】重量の増加やコストアップを招くことなく、サイドプレートの損傷を抑制できるようにした、作業機械のブームの補強構造を提供する。
【解決手段】トッププレート４１，サイドプレート４２及びボトムプレート４３から構成されて内部空間４６を有すると共に長手方向中央に湾曲部４Ａａを有するブーム４Ａの補強を行う、作業機械のブームの補強構造であって、湾曲部４Ａａよりも後方において、補強用のバッフル４４を、内部空間４６を横断するように設け、バッフル４４を、上下に湾曲して前方に凸となるプレートにより構成する。
【選択図】図２

Description

本発明は、ブームの内部空間に補強用のバッフルを設けた、作業機械のブームの補強構造に関する。

作業機械には、油圧ショベルのようにブームを構成要素とするフロント作業機を備えたものが多くある。
ブームは、長手方向中央で湾曲する形状とされ、上面をなすトッププレートと、側面をなす一対のサイドプレートと、下面をなすボトムプレートと、バッフルとを備えて構成される。バッフルは、前記のトッププレート，サイドプレート及びボトムプレートを周壁とする内部空間を区画するように設けられた補強壁であり、トッププレート，サイドプレート及びボトムプレートの内壁面にそれぞれ溶接される。

ブームのバッフルに関する技術とし、特許文献１に及び特許文献２に開示された技術がある。
特許文献１には、捩じり応力を低下できるようにしたブーム構造が開示されている。このブーム構造では、ブームの底面に取り付けたブームシリンダ取付用の第１ブラケットにおけるブーム基端側に位置する一端部と、ブームの中間屈曲部の屈曲中心とを結ぶ基準線を想定し、一端部で底面に固定した下補強壁を、その下補強壁の天井面に近づく鍔部がブームの基端側で基準線より離れる状態に傾斜する姿勢にすることで、補強壁先端部に生じる捩じり応力を低下させている。

特許文献２には、リアブームとフロントブームに分離可能に形成した分割型ブームの補強構造が開示されている。この分割型ブームの補強構造では、フロントブームの後端基部の内部側に、上下２箇所の結合ピン嵌挿用ボスと、側面視においてフロント側に凸となる湾曲状の隔壁板を溶接し、フロントブームの後端基部に近接してアームシリンダ取付用ブラケットを溶接することで、上記後端基部の強度を向上させている。

特開２００２−３４８９０３号公報 特許第３５０８７９５号公報

ブーム全体に発生する縦曲げ，横曲げ及び捩じりの重畳により、ブームには高応力が発生する。この応力は、ブームの内部空間に設けられたバッフルと各プレート（トッププレート，サイドプレート及びボトムプレート）との溶接部に集中しやすい。特に、リア側のバッフルとサイドプレートとの溶接部におけるトッププレート側、つまりサイドプレートの後方上部に応力が集中しやすい。
サイドプレートやバッフルの板厚増加によって強度を向上することで、応力集中の抑制及び応力集中への対応が可能となるが、この場合、大幅な重量の増加やコストアップを招いてしまう。

また、特許文献１に開示されたブーム構造は、補強壁に生じる捩じり応力を低下させるものであって、サイドプレートの後方上部（リア側且つトッププレート側）の応力集中を抑制するものではない。
特許文献２に開示された補強構造は、分割型ブームといった特定の構造における構造であり、しかも隔壁板を設けるのはフロントブーム（すなわちブームのフロント側）であるから、サイドプレートの後方上部（ブームのリア側における側面上部）の応力集中を抑制するものではない。

本発明は、上記のような課題に鑑み創案されたもので、重量の増加やコストアップを抑制しつつ、サイドプレートの後方上部へ応力が集中してしまうことを抑制できるようにした、作業機械のブームの補強構造を提供することを目的とする。

（１）上記の目的を達成するために、本発明の作業機械のブームの補強構造では、トッププレート，サイドプレート及びボトムプレートから構成されて内部空間を有すると共に長手方向中央に湾曲部を有するブームの補強を行う、作業機械のブームの補強構造であって、前記湾曲部よりも後方において、補強用のバッフルを、前記内部空間を横断するように設け、前記バッフルを、上下に湾曲して前方に凸となるプレートにより構成したことを特徴としている。
（２）前記バッフルを、前記サイドプレートの中心線に対して対称な形状とすることが好ましい。

本発明の作業機械のブームの補強構造によれば、バッフルを、上下に湾曲して前方に凸となるプレートにより構成することで応力を分散できるので、重量の増加やコストアップを抑制しつつ、サイドプレートの後方上部へ応力が集中してしまうことを抑制できる。
なお、本発明でいうサイドプレートの後方上部とは、サイドプレートの湾曲部よりも上部旋回体寄り（後方）且つサイドプレートのトッププレート寄り（上部）の領域であって、「サイドプレートと湾曲部後方のバッフルとの接合部の内の、トッププレート寄りの接合部」を含む領域をいう。

本発明の一実施形態に係る作業機械の全体構成を示す模式的な斜視図である。 本発明の一実施形態のブームの後部の構成を、右側のサイドパネルを破断して示す模式図であって、（ａ）は右斜め上方から視た斜視図であり、（ｂ）は右側面図である。 ブームの補強構造を、右側のサイドパネルルを破断して示す模式的な側面図であって、（ａ）は基準構造（従来構造）を示す図、（ｂ）は比較構造１を示す図、（ｃ）は比較構造２を示す図である。 （ａ），（ｂ）は、本発明の一実施形態の変形例のブームの後部の構成を、右側のサイドパネルを破断して示す模式図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
以下に示す各実施形態はあくまでも例示に過ぎず、以下の実施形態で明示しない種々の変形や技術の適用を排除する意図はない。以下の実施形態の各構成は、それらの趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができるとともに、必要に応じて取捨選択することができ、あるいは適宜組み合わせることが可能である。

以下の実施形態では、本発明の作業機械のコントロールバルブユニットを、作業機械として油圧ショベルに適用した例を示すが、油圧ショベル以外にも例えば油圧式クレーン等のような種々の作業機械全般に適用することができる。
また、以下の説明では、特に説明しない限り、作業車両の進行方向を前方とし、前方を基準に左右を定め、重力の方向を下方とし、その逆を上方として説明する。また、作業車両に搭載される装置や部品の説明では、特に説明しない限り、それらの装置や部品が作業車両に搭載された状態を基準として、上下方向，左右方向（以下、幅方向ともいう）及び前後方向を定める。

［１．油圧ショベルの構成］
本発明の一実施形態に係る油圧ショベル１の構成を、図１を参照して説明する。
図１は、発明の一実施形態に係る作業機械の全体構成を示す模式的な斜視図である。
この油圧ショベル１は、クローラ式の走行装置を装備した下部走行体２と、下部走行体２の上に旋回自在に搭載された上部旋回体３とを備えて構成される。上部旋回体３の車両前方側には、オペレータ（操作者）が搭乗するキャビン５と、これに隣接して設けられたフロント作業装置（以下、作業装置という）４とが設けられている。また、上部旋回体３の最後端部には機体の重量バランスを保つためのカウンタウェイト６が配設されている。

作業装置４は、ブーム４Ａ，スティック４Ｂ及びバケット４Ｃを備えて構成される。ブーム４Ａは、図１に示す姿勢において長手方向中間部に上方に凸となる湾曲部４Ａａを有しており、その基端部のブームフートボス４５〔図２（ａ），（ｂ）参照〕を上部旋回体３に対して揺動自在に軸支されている。また、ブーム４Ａと上部旋回体３との間にはブームシリンダ１４Ａが介装されており、ブーム４Ａはブームシリンダ１４Ａの伸縮動作に応じて揺動する。
同様に、スティック４Ｂはその基端部をブーム４Ａの先端部に対して揺動自在に軸支され、さらにスティック４Ｂの先端部にバケット４Ｃが軸支されている。ブーム４Ａ及びスティック４Ｂの間にはスティックシリンダ１４Ｂが介装され、スティック４Ｂ及びバケット４Ｃの間にはバケットシリンダ１４Ｃが介装されている。スティック４Ｂ及びバケット４Ｃはそれぞれ、スティックシリンダ１４Ｂ及びバケットシリンダ１４Ｃの伸縮動作に応じて揺動する。

キャビン５の内部には、これらの各種油圧装置の作動量を入力するための図示しない各種の入力レバーやペダルが設けられている。

［２．ブームの構成］
本発明の一実施形態に係るブームの構成を、図２（ａ），（ｂ）を参照してさらに説明する。
図２は、本発明の一実施形態のブームの後部の構成を、右側のサイドパネルを破断して示す模式図であって、（ａ）は右斜め上方から視た斜視図であり、（ｂ）は右側面図である。

ブーム４Ａは、天井面を構成するトッププレート４１と、側面を構成する一対のサイドプレート４２，４２と、底面を構成するボトムプレート４３とを備えて構成される。各サイドプレート４２は、その正面視において全体的に上方（トッププレート４１側）に凸となる弓なり形状とされており、その上縁（トッププレート４１側の縁部）及び下縁（ボトムプレート４３側の縁部）の延在方向中央がそれぞれ上方に湾曲した形状となっている。トッププレート４１は、サイドプレート４２の上端に沿った湾曲形状とされ、その下面の両側縁をサイドプレートの上端に溶接されている。ボトムプレート４３は、サイドプレート４２の下端に沿った湾曲形状とされ、その上面の両側縁をサイドプレート４２の下端に溶接されている。

また、プレート４１，４２，４３に囲まれて形成された内部空間４６には、湾曲部４Ａａよりも後方に補強用のリアバッフル４４が設けられている。リアバッフル４４は、内部空間４６を横断するようにして（つまり、内部空間４６を、長手方向に対して前後に分けるようにして）、ブーム４Ａの幅方向全長に亘って設けられている。リアバッフル４４は、その上端をトッププレート４１の下面に溶接され、その下端をボトムプレート４３の上面に溶接され、その左右両側端を左右のサイドプレートの４２の内側面にそれぞれ溶接されている。

リアバッフル４４は、上下に湾曲した（異なる言い方をすれば、右側面視で「逆くの字」形状に折れ曲がった）前方に凸となるプレートである。つまり、リアバッフル４４は、下方にいくにしたがって前方へと向かう傾斜面であって略上半分を占める上側傾斜面４４ａと、下方にいくにしたがって後方へと向かう傾斜面であって略下半分を占める下側傾斜面４４ｂと、上下方向中央に位置して上側傾斜面４４ａと下側傾斜面４４ｂとを繋ぐ湾曲部４４ｃとを有したプレートである。

ここで、従来のリアバッフル１４４を図２（ｂ）中に二点鎖線で示す。従来のリアバッフル１４４は湾曲のないフラットなプレートであり、サイドプレート４２の中心線Ｌ０により垂直に二等分される姿勢で設置されている。ここで、サイドプレート４２の中心線Ｌ０とは、中心線Ｌ０上の点Ｃ１，Ｃ２…が、中心線Ｌ０の垂線ＬＶ１，ＬＶ２をトッププレート４１とボトムプレート４３との間で二等分するような線として規定される（換言すれば、このような点Ｃ１，Ｃ２…を連ねた線が中心線Ｌ０となる）。したがって、リアバッフル１４４は、中心線Ｌ０の垂線ＬＶｎともいえる。

リアバッフル４４は、湾曲部４４ｃが中心線Ｌ０に配置され、トッププレート４１とボトムプレート４３との各接続位置は、それぞれ、従来のリアバッフル１４４における同接続位置と同じ位置である。
つまり、リアバッフル４４は、中心線Ｌ０上で湾曲し、且つ、上端を、トッププレート４１と前記の垂線ＬＶｎとの交点に接続されると共に、下端を、ボトムプレート４３と垂線ＬＶｎとの交点に接続されている。これにより、リアバッフル４４の上側傾斜面４４ａ及び下側傾斜面４４ｂは、従来のリアバッフル１４４に対して、同じ大きさの角度θ１（ここでは30[degree]）だけ傾斜することとなる。
異なる言い方をすれば、リアバッフル４４は、側面視において、中心線Ｌ０に対して対称な、二等辺三角形の二つの等辺に近似した形状となっている。

なお、内部空間４６には、湾曲部４Ａａよりも前方（図２中で右方）に、図示しないフロントバッフルが設けられている。

リアバッフル４４をこのような形状とする理由を、図２（ａ），（ｂ）に加え図３（ａ），（ｂ），（ｃ）を参照して説明する。
図３はブームの補強構造を、右側のサイドパネルを破断して示す模式的な側面図であって、（ａ）は基準構造を示す図、（ｂ）は比較構造１を示す図、（ｃ）は比較構造２を示す図である。

先ず、基準構造、比較構造１及び比較構造２について説明する。基準構造は、図３（ａ）に示すように構成されており、従来のリアバッフル１４４を使用した従来補強構造である。上述したとおり、リアバッフル１４４は、湾曲のないフラットなプレートであると共にサイドプレート４２の中心線Ｌ０により垂直に二等分される姿勢で設置されている。
このリアバッフル１４４は、本発明のブームの補強構造と同様に、ブーム４Ａに対して全幅に亘って設けられ、全周を各プレート４１，４２，４３に溶接されている。

比較構造１及び比較構造２は、図３（ｂ），（ｃ）に示すようにそれぞれ構成されている。比較構造１及び比較構造２に係るリアバッフル２４４，３４４は、２点鎖線で示す従来のリアバッフル１４４に対して、折れ曲りのないフラットなプレートであると共にブーム４Ａに対して全幅に亘って設けられ且つ全周を各プレート４１，４２，４３に溶接されている点は同じであるが、取り付け角度が異なる。

つまり、比較構造１では、図３（ｂ）に示すように、リアバッフル２４４は、従来のリアバッフル１４４に対して、下端のボトムプレート４３への取り付け位置は同じであるが、従来のリアバッフル１４４よりも所定角度θ2（ここでは30[degree]）だけ前傾した姿勢とされている。
また、比較構造２では、図３（ｃ）に示すように、リアバッフル３４４は、従来のリアバッフル１４４に対して、上端のトッププレート４１に対する取り付け位置は同じであるが、従来のリアバッフル１４４よりも所定角度θ3（ここでは30[degree]）だけ後傾した姿勢とされている。
各補強構造の強度評価として、リアバッフル１４４，２４４，３４４廻りのトッププレート４１，サイドプレート４２のトップ側（トッププレート４１寄り），サイドプレート４２のボトム側（ボトムプレート４３寄り）及びボトムプレート４３における各応力を解析したところ、下表１に示す結果が得られた。

ここで、基準構造（つまり従来の補強構造）では、サイドプレート４２のトップ側に発生する応力が過大であった。このため、下表１では、サイドプレート４２のトップ側については、発生した応力が、基準構造と同程度又はそれ以上の場合には問題があるとして「×」を記入し、発生した応力が、基準構造よりも低い場合には改善が見られたとして「○」を記入している。
一方、基準構造では、サイドプレート４２のトップ側以外、すなわちトッププレート４１，サイドプレート４２のボトム側及びボトムプレート４３に発生する応力は比較的小さいため不具合は生じていなかった。このため、トッププレート４１，サイドプレート４２のボトム側及びボトムプレート４３については、下表１では、発生した応力が、基準構造と同程度又はそれ以下の場合には問題がないとして「○」を記入し、発生した応力が、基準構造よりも大幅に高い場合には問題があるとして「×」を記入している。

比較構造１では、サイドプレート４２のボトム側及びボトムプレート４３では若干の応力の減少が確認されたものの、問題となるサイドプレート４２のトップ側では応力の減少は確認されなかった。
比較構造２では、問題となるサイドプレート４２のトップ側では応力の減少が確認されたものの、ボトムプレート４３では、実機への適用が困難と思われるような大幅な応力の増加が確認された。

このような比較構造１及び比較構造２の結果を踏まえ、リアバッフルの形状として、ボトム側については、ボトム側の改善が見られた比較構造１の前傾姿勢を採用すると共に、トップ側については、トップ側の改善が見られた比較構造２の後傾姿勢を採用した形状（つまり図２（ａ），（ｂ）に示すリアバッフル４４の形状）を発案した。この構造について応力を解析したところ、表１の「本発明」の欄に示すように、特に問題となるサイドプレート４２のリア側（後方）且つトップ側（上部）、すなわちサイドプレートの後方上部で応力の減少が確認されるとともに、他の箇所についても、基準構造（従来構造）と同等の（問題の無い）レベルに維持できることが確認された。
そこで、図２（ａ），（ｂ）に示すリアバッフル４４の形状を、本発明の補強構造に係るリアバッフルの形状として採用した。

このようなリアバッフルの形状とすることで、応力集中（特にサイドプレート４２の後方上部の応力集中）を緩和できる理由は以下のように推察される。
上述したように、ブーム全体に発生する縦曲げ，横曲げ及び捩じりの重畳により、ブームには高応力が発生する。しかし、リアバッフル４４に角度をつけることで、リアバッフル４４の本来の機能である捩じりを抑制する機能を残しつつ、高応力を分散させることで、応力集中を緩和させることができたと推察される。

［３．効果］
（１）本発明の一実施形態としての作業機械のブームの補強構造によれば、リアバッフル４４を、上下に湾曲して前方に凸となるプレートにより構成するだけで応力を分散させることができるので、リアバッフル４４やサイドプレート４２の板厚を増加させることが不要となり、重量の増加やコストアップを抑制しつつサイドプレート４２の後方上部へ応力が集中してしまうことを抑制できる。

（２）リアバッフル４４は、サイドプレート４２の中心線Ｌ０上で湾曲し、且つ、上端を、トッププレート４１における中心線Ｌ０の垂線ＬＶｎとの交点に接続されるとともに、下端を、ボトムプレート４３における垂線ＬＶとの交点に接続されている。したがって、リアバッフル４４は、中心線Ｌ０に対して対称な形状となるので、上下逆さにしても正常にブーム４Ａに取り付けることが可能である。これにより、上下を気にせずにリアバッフル４４をブーム４Ａに取り付けることができる。
また、上下に対称となるバランスの取れた形状となるので、応力が偏りにくく、応力集中を効果的に抑制できる。

［４．その他］
（１）上記実施形態では、単一のリアバッフル４４をブーム４Ａの全幅に亘って設けたが、例えば、幅寸法が比較的短い複数のリアバッフル４４を、相互に隙間を空けて又は相互に密着させて幅方向に並べるようにしても良い。

（２）上記実施形態では、リアバッフル４４の上側傾斜面４４ａ及び下側傾斜面４４ｂの傾斜角度の大きさを同一とし、傾斜角度として30[degree]を例示した。しかし、この傾斜角度は、応力の発生状態や製造性に応じて（例えば作業機械の機種ごとに）適宜変更しうる。例えば、上側傾斜面４４ａ及び下側傾斜面４４ｂの傾斜角度は同一である必要はない（上側傾斜面４４ａの傾斜角度と下側傾斜面４４ｂの傾斜角度とを異なる大きさとしても良い）。また、傾斜角度は30[degree]に限定されず、上側傾斜面４４ａ及び下側傾斜面４４ｂの傾斜角度を、30[degree]以外の角度で同一の角度としても良い。

（３）上記実施形態では、リアバッフル４４を中心線Ｌ０に対して対称な形状としたが、応力の発生状態や製造性に応じて（例えば作業機械の機種ごとに）中心線Ｌ０に対して非対称な形状としても良い。
例えば、図４（ａ）に示すように、リアバッフル４４を中心線Ｌ０上で湾曲させつつも、上側傾斜面４４ａの傾斜角度と下側傾斜面４４ｂの傾斜角度とを相互に異なる角度θ１，θ４としても良い。あるいは、図４（ｂ）に実線又は二点鎖線で示すように、上側傾斜面４４ａの傾斜角度と下側傾斜面４４ｂの傾斜角度とを同じ角度θ１とし、リアバッフル４４を中心線Ｌ０上から外れた位置で湾曲させるようにしても良い（湾曲部４４ｃの位置をトッププレート４１に寄せた位置又はボトムプレート４３に寄せた位置に設定しても良い）。
さらには、リアバッフル４４を中心線Ｌ０から外れた位置で湾曲させつつ、上側傾斜面４４ａの傾斜角度と下側傾斜面４４ｂの傾斜角度とを相互に異なる角度としても良い。

４ フロント作業装置
４Ａ ブーム
４Ａａ ブーム４Ａの湾曲部
４Ｂ スティック
４Ｃ バケット
４１ トッププレート
４２ サイドプレート
４３ ボトムプレート
４４ リアバッフル
４４ａ リアバッフル４４の上側傾斜面
４４ｂ リアバッフル４４の下側傾斜面
４４ｃ リアバッフル４４の湾曲部
４６ 内部空間
１４４ 従来構造のリアバッフル（基準構造に係るリアバッフル）
２４４ 比較構造２に係るリアバッフル
３４４ 比較構造３に係るリアバッフル

Claims (2)

1. トッププレート，サイドプレート及びボトムプレートから構成されて内部空間を有すると共に長手方向中央に湾曲部を有するブームの補強を行う、作業機械のブームの補強構造であって、
   前記湾曲部よりも後方において、補強用のバッフルを、前記内部空間を横断するように設け、
   前記バッフルを、上下に湾曲して前方に凸となるプレートにより構成した
   ことを特徴とする、作業機械のブームの補強構造。
2. 前記バッフルを、前記サイドプレートの中心線に対して対称な形状とした
   ことを特徴とする、請求項１記載の作業機械のブームの補強構造。

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