JP5524121B2 - 建設機械のブーム構造 - Google Patents

Description

本発明は、ブームを構成する板材にブームセンターボスを溶接した建設機械のブーム構造に関する。

例えば、油圧ショベルのような建設機械は、走行体上に配置された旋回体にブームが設けられている。このブームはその一端が旋回体に接続されると共に、他端にはバケットが配設されたアームが接続されている。

またブームと旋回体との間には、ブームシリンダが配設されており、このブームシリンダが伸縮することにより、旋回体に対してブームが駆動するよう構成されている。ブームのブームシリンダが接続される位置には、ブームセンターボス（以下、単にボスという）が設けられている。ブームシリンダの端部は、このボスに取り付けられる。一般にこのボスは、ブームを構成する側板に溶接により固定されている。

具体的には、ボスはブームシリンダが接続されるボス本体と、側板と溶接されるフランジ部を有している。ボス部は、ブームシリンダが接続されるため高い剛性を有するよう構成されている。これに対してフランジ部と側板との溶接部は、異なる部材が溶接される位置であるため、応力集中が発生しやすい部位となる。

溶接位置に応力集中が発生すると、経時的にブームの信頼性が低下するおそれがある。これを回避するため従来では、ボスのフランジ状の接続部に段差部を設け、この段差部位に応力を集中させることにより、溶接部に応力集中が発生するのを防止する構成が提案されていた（特許文献１参照）。

特開平０９−００３９５６号公報

しかしながら、特許文献１に開示された発明では段差部に応力を集中させるので溶接継手部への応力集中を防止することはできるが、段差部に集中した応力により段差部において疲労破壊が発生するおそれがある。このため、特許文献１に開示された発明では、ブームの信頼性を十分に確保するまでには至らないという問題点があった。

本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、高い信頼性を実現しうる建設機械のブーム構造を提供することを目的とする。

上記の課題は、第１の観点からは、
長手方向に延在する板材とボスに形成されたフランジ部を溶接することにより、前記ボスを前記板材に固定した建設機械のブーム構造において、
建設機械のブームシリンダが接続されるボスの本体部と前記フランジ部との境界部分に環状の溝からなる肉厚調整部を形成することにより、溶接位置における前記板材の肉厚と前記肉厚調整部の肉厚とを等しくすると共に、
前記板材の厚さ方向に対する中心と、前記肉厚調整部の厚さ方向の中心とが一致するようにしたことを特徴とする建設機械のブーム構造により解決することができる。

開示の建設機械のブーム構造によれば、溶接位置における板材の肉厚と肉厚調整部の肉厚が等しくなるため、この溶接位置に応力集中が発生することを防止でき、よってブームの信頼性を高めることができる。

図１は、本発明を適用しうる建設機械の一例を示す正面図である。 図２は、本発明の一実施形態であるブーム構造を適用したブームを示す正面図である。 図３は、図２におけるＡ２−Ａ２線に沿う断面図である。 図４は、本発明の一実施形態であるブーム構造の要部（図３における矢印Ｂで示す範囲）を拡大して示す断面図である。 図５は、比較例である従来のブーム構造を示す図（図４に示す部位と対応する部位を示す図）である。 図６は、図２におけるＡ１−Ａ１線に沿う断面図である。 図７は、比較例である従来のブーム構造を示す図（図６に示す部位と対応する部位を示す図）である。 図８は、本願発明の効果を従来例と比較しつつ説明するための図である。

次に、本発明の実施の形態について図面と共に説明する。

図１は、本発明の一実施形態であるブーム構造を適用しうる建設機械を示している。この建設機械は、下部走行体（基体）１に、旋回機構２を介して上部旋回体３が搭載されている。旋回機構２は、旋回用油圧モータを含み、上部旋回体３を時計回り、又は反時計周りに旋回させる。

上部旋回体３には、ブーム４が取り付けられている。このブーム４は、油圧駆動されるブームシリンダ７により、上部旋回体３に対して上下方向に揺動する。

またブーム４の先端には、アーム５が取り付けられている。このアーム５は、油圧駆動されるアームシリンダ８により、ブーム４に対して前後方向に揺動する。アーム５の先端にバケット６が取り付けられている。

バケット６は、油圧駆動されるバケットシリンダ９により、アーム５に対して上下方向に揺動する。上部旋回体３には、更に運転者を収容するキャビン１０が搭載されている。

図２は、ブーム４を拡大して示している。ブーム４は、上板１１と下板１２と一対の側板１３により構成されている。この４枚の板１１，１２，１３は、断面箱形に組み合わせて溶接され、全体として長手方向（図中矢印Ｙ１，Ｙ２方向）に略へ字状に湾曲した形状とされている。

ブーム４の図中矢印Ｙ１方向の端部には、ブーム基部１４が配設されている。このブーム基部１４は、図示しない支軸を介して上部旋回体３に軸承される。また、ブーム４の矢印Ｙ２方向端部には、ブーム先端ブラケット１５が配設されている。このブーム先端ブラケット１５には、支軸４１（図１参照）を介してアーム５が連結される。

また、ブーム４の上板１１の所定位置には、アームシリンダ８が取り付けられるシリンダ取り付け用ブラケット１６が形成されている。

更に、ブーム４の略中央部に位置する湾曲部分には、ブームセンターボス２０（以下、単にボスという）が設けられ、このボス２０は、ブームシリンダ７の端部に設けられた支軸４３（図１参照）を軸承する。よって、ブームシリンダ７が伸縮することにより、ブーム４はブーム基部１４を中心として回転する。

図３は、図２におけるＡ２−Ａ２線で切断した図であり、ボス２０の横断面を示している。同図に示されるように、各ボス２０は側板１３にそれぞれ固定されている。また、一対のボス２０の間には、補強のための連結部材１７が設けられている。側板１３とボス２０との固定方法、及び連結部材１７とボス２０との固定方法は、いずれも溶接が用いられている。

ボス２０は、大略するとボス本体部２１とフランジ部２２により構成されている。このボス２０は本実施形態では鍛造品を用いているが、これに限定されるものではない。

ボス本体部２１は略筒状の形状を有し、その中央位置には前記したブームシリンダ７の支軸４３が挿通される貫通孔２６が形成されている。フランジ部２２は、このボス本体部２１の外周から環状に外側に延出するよう形成されている。

図４は図３に矢印Ｂで示す領域を拡大して示す図であり、側板１３とボス２０との溶接位置を拡大して示している。同図に示すように、側板１３とボス２０は溶接部２５において溶接されている。ここで、ボス２０のフランジ部２２に注目すると、本実施形態ではフランジ部２２に肉厚調整部２３が形成されている。

肉厚調整部２３はいわゆる肉抜き部であり、ボス本体部２１とフランジ部２２との境界部分に環状に形成されている。本実施形態では、肉厚調整部２３を溝により構成している。この肉厚調整部２３となる溝は、貫通孔２６と同心円的に環状に形成されている。

この肉厚調整部２３を設けることにより、フランジ部２２の肉厚寸法（厚さ方向に対する寸法、即ち図４に矢印Ｘ１，Ｘ２で示す方向の寸法）は、肉厚調整部２３を形成しない場合に比べて小さくなる。本発明では、フランジ部２２に肉厚調整部２３を形成することにより、溶接部２５（溶接位置）におけるフランジ部２２の肉厚（図４に矢印Ｔ１で示す）と側板１３の肉厚（図中、矢印Ｔ２で示す）を等しくしたことを特徴としている（Ｔ１＝Ｔ２）。

なお、フランジ部２２には、外側に向け延出するよう形成された延出部２４が設けられている。延出部２４は、ボス２０を側板１３に溶接する際に側板１３と当接されるものであり、溶接処理の円滑化を図るために設けられている。この延出部２４の側板１３との当接面自体は、溶接されていない。このため、溶接部２５における肉厚は、この延出部２４の肉厚を除いた厚さとなる。

上記のようにフランジ部２２に肉厚調整部２３を設け、溶接部２５におけるフランジ部２２の肉厚Ｔ１と側板１３の肉厚Ｔ２を等しくすることにより、溶接部２５に応力が集中することを防止することができる。以下、この理由について説明する。

例えば丸棒や角柱等の形状の大きな変化がない部品の場合、部品内に発生する応力は一様となる。これに対して、段差等の大きな形状変化があると、当該位置に大きな応力が局所的に加わる（この現象を応力集中という）。また、応力σは、外力をＰ(N)、断面積をＡ（mm^２）とするとσ＝Ｐ／Ａで示される。従って、断面積Ａが大きく変化する位置において応力は大きく変化し、応力集中が発生する。

これを本実施形態に係るブーム４の構造に対応させると、本実施形態では上記のように溶接部２５におけるフランジ部２２の肉厚Ｔ１と側板１３の肉厚Ｔ２とが等しく設定されるため、溶接部２５において側板１３とフランジ部２２との間に段差等の形状変化は存在しない。このため、側板１３とフランジ部２２との間における断面積は均一となり、よって側板１３とフランジ部２２との間に発生する応力も一様なものとなる。

このように本実施形態に係るブーム４の構造によれば、溶接部２５に応力集中が発生することがなくなるため、ブーム４の信頼性及び耐久性を高めることができる。また、本実施形態では肉厚調整部２３を肉抜き部としても機能する溝により構成しているため、ブーム４（ボス２０）の軽量化を図ることもできる。

一方、本実施形態では、側板１３の厚さ方向（図中矢印Ｘ１，Ｘ２方向）に対する中心（図中矢印Ｘ_Ｐで示す一点鎖線）と、フランジ部２２の厚さ方向の中心（図中矢印Ｘ_Ｂで示す一点鎖線）とが一致するよう構成している。この構成とすることによっても、溶接部２５に過大な応力が発生することを防止することができる。以下、この理由について図４及び図６を用いて比較例（図５及び図７に示す）と対比しつつ説明する。

図５及び図７は、比較例として肉厚調整部２３が設けられていない従来のボス５０を側板１３に溶接した構成を示している。ボス５０は、肉厚調整部２３が設けられていないため、フランジ部５２の肉厚（図５，図７に矢印Ｔ３で示す）は、側板１３の肉厚Ｔ２に比べて大きくなっている（Ｔ３＞Ｔ２）。

また、フランジ部５２の肉厚が側板１３に比べて大きいことにより、側板１３の厚さ方向に対する中心（図中矢印Ｘ_Ｐで示す一点鎖線）に対し、フランジ部５２の厚さ方向に対する中心（図中矢印Ｘ_Ｂで示す一点鎖線）は図中矢印ΔＴで示す寸法だけずれた構成となっている。

一方、建設機械の作業時には、ブームシリンダ７の伸縮によりボス２０，２０に対して図２及び図４に矢印Ｆ_ｕ１，Ｆ_ｕ２，Ｆ_ｄ１，Ｆ_ｄ２で示すブームシリンダ推力が作用する。図２において、ＢＳで示す一点鎖線はブームシリンダ７の軸線（ブームシリンダ軸線）である。このブームシリンダ軸線ＢＳは、ボス２０の中心位置を通る線分となる。いま、このブームシリンダ軸線ＢＳとボス２０の溶接部２５との交点を図２に示すようにＰ１，Ｐ２とする。

ここで、ブームシリンダ７が伸長することによりブーム４が上昇するブーム上げ時においては、点Ｐ１では図中黒塗りの矢印Ｆ_ｕ１で示すブームシリンダ推力が作用し、点Ｐ２では図中黒塗りの矢印Ｆ_ｕ２で示すブームシリンダ推力が作用する。これに対し、ブームシリンダ７が収縮することによりブーム４が下降するブーム下げ時においては、点Ｐ１では図中白抜きの矢印Ｆ_ｄ１で示すブームシリンダ推力が作用し、点Ｐ２では図中白抜きの矢印Ｆ_ｄ２で示すブームシリンダ推力が作用する。

また、ブーム４の製造工程で、側板１３を上板１１，下板１２に溶接する工程は、ボス２０，２０を側板１３に溶接した後に実施される。この側板１３を上板１１及び下板１２に溶接する工程においては、ボス２０，２０に対して矢印Ｆ'で示す力が作用し溶接歪による引張力として残存することが知られている。

図５に示す比較例に係るボス５０では、側板１３の厚さ方向に対する中心Ｘ_Ｐに対し、フランジ部５２の厚さ方向に対する中心Ｘ_Ｂが寸法ΔＴだけ偏倚している。このため、ブーム上げ時におけるブームシリンダ推力については、位置Ｐ１においては側板１３とボス５０との間にはモーメント力Ｍ_ｕ１（Ｍ_ｕ１＝Ｆ_ｕ１×ΔＴ）が発生し、位置Ｐ２においては側板１３とボス５０との間にはモーメント力Ｍ_ｕ２（Ｍ_ｕ２＝Ｆ_ｕ２×ΔＴ）が発生する。

また、ブーム下げ時におけるブームシリンダ推力については、位置Ｐ１においては側板１３とボス５０との間にはモーメント力Ｍ_ｄ１（Ｍ_ｄ１＝Ｆ_ｄ１×ΔＴ）が発生し、位置Ｐ２においては側板１３とボス５０との間にはモーメント力Ｍ_ｄ２（Ｍ_ｄ２＝Ｆ_ｄ２×ΔＴ）が発生する。

このモーメント力Ｍ_ｕ１，Ｍ_ｕ２，Ｍ_ｄ１，Ｍ_ｄ２は、側板１３とボス５０との接合位置である溶接部２５に主に印加される。これにより、溶接部２５にはこのモーメント力Ｍに起因した応力も印加されることになる。

引張力Ｆ'についても同様であり、図７に示すように溶接部２５の引張力Ｆ'の作用位置において側板１３とボス５０との間にはモーメント力Ｍ_ｔ１（Ｍ_ｔ１＝Ｆ_ｔ１×ΔＴ）が発生し、このモーメント力Ｍ_ｔ１は側板１３とボス５０との接合位置である溶接部２５に主に印加される。よって引張力Ｆ'によっても、溶接部２５にはこのモーメント力Ｍ_ｔ１に起因した応力が印加されることになる。

これに対して図４及び図６に示されるように、本実施形態では前記のように側板１３の厚さ方向に対する中心Ｘ_Ｐとフランジ部２２の厚さ方向の中心Ｘ_Ｂが一致しているため、図５及び図７に示す比較例のようなモーメント力Ｍ_ｕ１，Ｍ_ｕ２，Ｍ_ｄ１，Ｍ_ｄ２，Ｍ_ｔ１は発生しない。よって本実施形態のように各中心Ｘ_Ｐ，Ｘ_Ｂを一致させることにより、溶接部２５に過大な応力が発生することを防止することができる。

図８は、ボス２０と側板１３との溶接部２５に発生する応力を、図５，図７に示した比較例と比較しつつ示す図である。溶接部２５に発生する応力を求めるに際し、図８（Ａ）に示すように溶接部２５に９０°間隔で測定位置Ａ〜Ｄを設定した。そして、この各測定位置Ａ〜Ｄに発生する応力を、有限要素法を用いたシミュレーションにより求めた。

図８（Ｂ）は、このようにして求めた各測定位置Ａ〜Ｄの応力を示している。図８（Ｂ）において実線で示すのが本実施形態（図８（Ｂ）では実施例と示す）における測定結果であり、破線で示すのが比較例における測定結果である。

同図に示す本シミュレーションの結果より、本実施形態である肉厚調整部２３を設けることによりフランジ部２２の肉厚Ｔ１を側板１３の肉厚Ｔ２と一致させる（Ｔ１＝Ｔ２）と共に側板１３の厚さ方向中心Ｘ_Ｐとフランジ部２２の厚さ方向中心Ｘ_Ｂとを一致させたブーム構造の方が、比較例であるフランジ部２２の肉厚Ｔ３と側板１３の肉厚Ｔ２とが異なる（Ｔ３≠Ｔ２）と共に側板１３の厚さ方向中心Ｘ_Ｐとフランジ部２２の厚さ方向中心Ｘ_Ｂとが偏倚したブーム構造に比べ、測定位置Ａ〜Ｄの全てにおいて発生する応力値は小さくなっていることが判った。

よって図８に示す結果から、本実施形態に係るブーム構造によれば、溶接部２５に発生する応力の低減を図れることが、シミュレーションによっても実証された。従って本実施形態に係るブーム構造によれば、ブーム４の信頼性及び耐久性を高めることが可能となる。

以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は上記した特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能なものである。

具体的には、本実施形態では肉厚調整部２３を１本の溝により構成したが、複数の溝により肉厚調整部２３を構成してもよい。

また、本実施形態においては肉厚調整部２３をボス２０のフランジ部２２に形成した構成例を示したが、側板１３の肉厚が大きい場合には、側板１３側に肉厚調整部を設ける構成とすることも可能である。

１ 下部走行体
２ 旋回機構
３ 上部旋回体
４ ブーム
５ アーム
６ バケット
７ ブームシリンダ
８ アームシリンダ
９ バケットシリンダ
１０ キャビン
１１ 上板
１２ 下板
１３ 側板
１４ ブーム基部
１５ ブーム先端ブラケット
１６ シリンダ取り付け用ブラケット
１７ 連結部材
２０ ボス
２１ ボス本体部
２２ フランジ部
２３ 肉厚調整部
２４ 延出部
２５ 溶接部
２６ 貫通孔

Claims (1)

1. 長手方向に延在する板材とボスに形成されたフランジ部を溶接することにより、前記ボスを前記板材に固定した建設機械のブーム構造において、
   建設機械のブームシリンダが接続されるボスの本体部と前記フランジ部との境界部分に環状の溝からなる肉厚調整部を形成することにより、溶接位置における前記板材の肉厚と前記肉厚調整部の肉厚とを等しくすると共に、
   前記板材の厚さ方向に対する中心と、前記肉厚調整部の厚さ方向の中心とが一致するようにしたことを特徴とする建設機械のブーム構造。

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