JP6295142B2 - 建設機械の排気管 - Google Patents

Description

本発明は、建設機械の排気管に関する。

例えば、建設機械の代表例である油圧ショベルは、自走を可能にする下部走行体、下部走行体上において旋回を可能とする上部旋回体、および上部旋回体の前側に設けられ、油圧ポンプからの圧油で駆動する作業装置を備えている。上部旋回体の後部には、油圧ポンプを駆動するためのエンジンや燃料タンク等が搭載されている。

油圧ショベルのエンジンには、一般的にディーゼルエンジンが用いられる。ディーゼルエンジンは、粒子状物質（ＰＭ：Ｐａｒｔｉｃｕｌａｒ Ｍａｔｔｅｒ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）等を排出する。そのため、エンジンの排気系には、排気ガス後処理装置が設けられている。例えば、特許文献１または２に記載の建設機械では、ブラケットを介して排気ガス後処理装置をエンジンに固定する搭載構造となっている。この搭載構造ではエンジンと排気ガス後処理装置が同一振動系となるため、両者をつなぐ排気管に大きな相対変位が加わる心配はない。そのため、例えば特許文献２に記載されている通り、エンジン側の配管と排気ガス後処理装置との間を１つのベローズで接続した構造となっている。

ところが、近年の排気ガス規制の強化によって排気ガス後処理装置が大型化しており、それにともなって重量が増加している。その結果、前記の搭載構造ではブラケットの強度確保が困難となり、エンジンと排気ガス後処理装置を別置きにする構造が必要となる。この構造にすると、排気ガス後処理装置をエンジンに固定するブラケットが不要となるが、エンジンと排気ガス後処理装置が別振動系になるため、排気管には大きな相対変位が加わることになり、１つのベローズで接続するのが困難になるという実状がある。より詳細には、油圧ショベルのエンジンルームのように限られたスペースにおいて、ベローズは、軸方向に短く、排気ガスによる内圧に耐えることができ、かつ伸縮性に優れることが求められる。そのため、ベローズは薄板を複数重ねた多層構造となっている。このベローズは水圧成形により製造されるため、製造過程で使用した水が多層間に残ってしまう。その結果、実機に搭載した際に排気ガスによって熱せられて高温になると、残存した水が水蒸気となって膨張し，ベローズの破損に至る。その対策として、通常はベローズの端部に空気穴を設けているが、ベローズが長くなってしまうと水蒸気が空気穴から抜け切れず、ベローズの破損に至る。一方で、ベローズの山部や谷部に空気穴を設けてしまうと、その部分に応力集中が起こってしまい破損の要因となる。そのため、長い寸法のベローズを製造することができず、山数に制限がある。その結果、エンジンと排気ガス後処理装置とを複数のベローズで繋ぐ必要がある。

米国特許出願公開第２０１０／０２６９４９４号明細書 特開２０１２−２１９６２５号公報

このような実状下、複数のベローズを溶接等により直接接合して所望の長さにして特殊な排気管を製造し、その特殊な排気管を用いてエンジンと排気ガス後処理装置とを接続する構成が考えられる。しかしながら、エンジンと排気ガス後処理装置とが別置きであるため、この特殊な排気管に激しい車体振動による大きな相対変位が加わると、その両端部に高い応力が発生する。また、特殊な排気管はベローズを直接接合して長さを確保しているため、長さが長くなるほど固有振動数が低下する。その結果、エンジンの振動で共振が起きた場合に、固有振動数が低いために大きな振幅が発生し、高い応力が繰返し加わることで特殊な排気管が破損する虞もある。

本発明は、上記した実状に鑑みてなされたものであり、その目的は、エンジンと排気ガス後処理装置との間を繋ぐ建設機械の排気管において、その両端部に高い応力が発生するのを防止すると共に、排気管が低い固有振動数でエンジンと共振するのを防止することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、エンジンと排気ガス後処理装置との間を繋ぐ建設機械の排気管であって、前記エンジンの側に接続される第１配管と、前記排気ガス後処理装置の側に接続される第２配管と、前記第１配管と前記第２配管との間に配置される複数のべローズと、前記複数のべローズの間に配置される繋ぎ配管と、を備え、前記複数のベローズのうち、前記第１配管と接続される第１ベローズは、前記第１配管と接続される側の端部の山の高さがそれ以外の部分の山の高さより低い形状を成し、前記複数のべローズのうち、前記第２配管と接続される第２ベローズは、前記第２配管と接続される側の端部の山の高さがそれ以外の部分の山の高さより低い形状を成し、前記複数のべローズのうち隣り合うベローズを前記繋ぎ配管で接続することにより、前記建設機械の排気管の固有振動数が、前記複数のべローズのうち隣り合うベローズを直接接続する場合と比べて高くなるようにし、前記複数のべローズは、少なくとも３つであり、前記複数のべローズのうち、前記第１ベローズおよび前記第２ベローズ以外のべローズは、山の高さを同一に形成したことを特徴としている。

本発明は、第１ベローズの一方の端部の山の高さが低く形成され、同じように第２ベローズの一方の端部の山の高さが低く形成されているため、第１配管と第１ベローズの接続部および第２配管と第２ベローズの接続部の剛性の変化を緩やかにしており、エンジンと排気ガス後処理装置との相対位置が大きく変化して、排気管に大きな相対変位が加わったとしても、曲げ変形を緩やかにできる。その結果、排気管の両端部の応力集中を避けることが出来る。

さらに、本発明によれば、複数のベローズを繋ぎ配管で接続することにより、一般的に固有振動モードと呼ばれる排気管固有の振動形状において、繋ぎ配管の剛性によって変形を抑制し、排気管の振幅を抑えることができる。その結果、排気管の固有振動数を高くすることができるため、エンジンとの低い周波数域での共振を防止することできる。よって、本発明は、突然排気管が破損するといった不測の事態を防止でき、高寿命化を図ることが出来る。また、両端のベローズ以外のベローズは、山の高さが同一なので、排気管に大きな相対変位が加わっても、その相対変位をより一層吸収することができる。

また、本発明は、上記構成において、前記第１ベローズは、前記第１配管と接続される側の端部の先端に行くにつれて山が徐々に低くなるよう形成され、前記第２ベローズは、前記第２配管と接続される側の端部の先端に行くにつれて山が徐々に低くなるよう形成されることを特徴としている。

本発明によれば、第１ベローズおよび第２ベローズの曲げ変形をより一層緩やかなものとすることができるため、排気管の両端部の応力をより一層低減することができる。そのため、排気管をより長期間使用することができ、信頼性の高いものとなる。

また、本発明は、上記構成において、前記複数のベローズの各剛性より前記繋ぎ配管の剛性を高くしたことを特徴としている。

本発明によれば、一般的に固有振動モードと呼ばれる排気管固有の振動形状において、繋ぎ配管の剛性によって変形を抑制し、排気管の振幅を抑えることができるため、排気管が変形する際の局部的な応力集中をより一層抑えることができる。その結果、排気管の長寿命化を図ることができる。

また、本発明は、上記構成において、前記複数のべローズ、前記第１配管、前記第２配管、および前記繋ぎ配管は、全て同じステンレス系の材質から成り、前記繋ぎ配管の肉厚を、前記複数のベローズのそれぞれの肉厚より厚く、かつ、前記第１配管および前記第２配管の肉厚と同等、もしくはそれより薄くしたことを特徴としている。

本発明によれば、排気管の両端部の応力を低減でき、かつ、排気管の固有振動数を高くすることができるうえ、ステンレス系の材質を用いることにより、耐食性を高めることができる。よって、建設機械に適用する排気管として、より好適である。

また、上記構成において、前記複数のべローズは、少なくとも３つであり、前記複数のべローズは、全て同一形状で構成されることが好ましい。

上記構成によれば、複数のベローズを全て同一形状にしているため、部品点数の低減、ならびに製造コストの低減を実現できる。

また、本発明は、上記構成において、前記複数のべローズのそれぞれを覆う複数のアウターブレードを設けたことを特徴としている。

本発明によれば、アウターブレードによりベローズを土埃等から保護することができるうえ、アウターブレードとの接触による摩擦により、排気管の減衰効果を高めることもできる。

また、本発明は、上記構成において、前記複数のべローズを全体的に覆う１つのアウターブレードを設けたことを特徴としている。

本発明によれば、アウターブレードによりベローズを土埃等から保護することができるうえ、アウターブレードとの接触による摩擦により、排気管の減衰効果を高めることもできる。また、１つのアウターブレードで複数のベローズを全体的に覆うことが出来るため、アウターブレードの取り付け作業が楽になるといった利点もある。

本発明によれば、エンジンと排気ガス後処理装置との間を繋ぐ建設機械の排気管において、その両端部に高い応力が発生するのを防止でき、かつ、エンジンとの低周波数域での共振するのを防止することができる。なお、上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明に係る建設機械の排気管が適用される油圧ショベルの側面図である。 図１に示す油圧ショベルの上部旋回体の内部を示す上面図である。 図１に示す油圧ショベルのエンジンとその周囲の構成を示す斜視図である。 本発明の第１実施形態に係る排気管の全体構成図である。 相対変位が加わった場合の排気管の変形状態を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る排気管の全体構成図である。 本発明の第３実施形態に係る排気管の全体構成図である。 本発明の第４実施形態に係る排気管の全体構成図である。 本発明の第５実施形態に係る排気管の全体構成図である。

以下、本発明の各実施形態について図面を用いて説明する。図１は、本発明に係る排気管が適用される油圧ショベルの側面図、図２は、図１に示す油圧ショベルの上部旋回体の内部を示す上面図、図３は、図１に示す油圧ショベルのエンジンとその周囲の構成を示す斜視図である。

図１〜３に示すように、建設機械の代表例である油圧ショベル１は、自走を可能にする下部走行体２ｂ、この下部走行体２ｂに対して旋回可能に設けられる上部旋回体２ａと、この上部旋回体２ａの前側に設けられ、図示しない油圧ポンプからの圧油により駆動する作業装置２ｃと、を備えて構成される。

作業装置２ｃは、掘削作業を行うためのものであって、ブーム２ｃ−１、アーム２ｃ−２、およびバケット２ｃ−３を備える。これらブーム２ｃ−１、アーム２ｃ−２、およびバケット２ｃ−２は、それぞれ油圧アクチュエータとしてのブームシリンダ２ｃ−４、アームシリンダ２ｃ−５、およびバケットシリンダ２ｃ−６により駆動される。また、上部旋回体２ａの後部には、図示しない油圧ポンプを駆動するためのエンジン３、排気ガスを浄化するための排気ガス後処理装置４、図示しない燃料タンク等が設けられている。

そして、図２および図３に示すように、エンジン３と排気ガス後処理装置４とは、排気管５によって接続される。この排気管５は、エンジン３と排気ガス後処理装置４との相対位置が変化した場合に、その変化を吸収することができる構成から成る。即ち、排気管５は柔軟性を有している。なお、エンジン３と排気ガス後処理装置４とは別置きで設置されているため、両者は別振動系となる。

「第１実施形態」
以下、本発明の第１実施形態に係る排気管５について、図を参照しながら詳しく説明する。図４は、本発明の第１実施形態に係る排気管５の全体構成図である。図４に示すように、第１実施形態に係る排気管５は、エンジン３の側に接続される第１配管８と、排気ガス後処理装置４の側に接続される第２配管９と、第１配管８と第２配管８との間に配置される３つのべローズ６ａ，６ｂ，６ｃと、これら３つのべローズ６ａ，６ｂ，６ｃの間に配置され、隣り合うベローズを接続するための２つの繋ぎ配管７と、を備えて構成される。

なお、第１配管８、第２配管９、ベローズ６ａ，６ｂ，６ｃの材質は、何れも使用環境等を考慮して、耐熱、耐食、耐摩耗性に優れるステンレス鋼が用いられるが、これ以外の材質で構成しても良い。また、排気管５の軸方向の長さの一例を示すと、各ベローズ６ａ，６ｂ，６ｃが約１００〜２００ｍｍ、第１配管８が約８０ｍｍ、第２配管９が約１５０ｍｍ、繋ぎ配管７が約３０ｍｍである。

第１配管８と接続される第１ベローズ６ｂは、第１配管８と接続される側の端部に行くにつれ、徐々に山の高さが低くなるように構成される。具体的には、図４（ｂ）に示すように、第１ベローズ６ｂは、繋ぎ配管７と接続される側の端部（同図における左側の端部）の山の高さはＨ１であるのに対し、第１配管８と接続される側の端部（同図における右側の端部）は、山の高さがＨ２、Ｈ３とが、先端側に行くにつれて山の高さが徐々に低くなるように形成されている。

第２配管９と接続される第２ベローズ６ｃは、第２配管９と接続される側の端部に行くにつれ、徐々に山の高さが低くなるように構成される。なお、第２ベローズ６ｃは第１ベローズ６ｂと同一の構成であるため、ここでの説明は省略する。これに対して、中央に位置するベローズ６ａは、全長に亘って山の高さが同じＨ１で形成される。

また、繋ぎ配管７の肉厚Ｔ１は、第１配管８および第２配管９の肉厚Ｔ２と同等もしくはそれより薄い（Ｔ１≦Ｔ２）。さらに、各ベローズ６ａ，６ｂ，６ｃの肉厚Ｔ３より繋ぎ配管７の肉厚Ｔ１を厚くして（Ｔ１＞Ｔ３）、繋ぎ配管７の剛性を各ベローズ６ａ，６ｂ，６ｃより高くしている。即ち、本実施形態において、第１配管８、第２配管９、各ベローズ６ａ，６ｂ，６ｃ、および繋ぎ配管７のそれぞれの肉厚の関係は、第１配管８、第２配管９≧繋ぎ配管７＞ベローズ６ａ，６ｂ，６ｃとなる。

このように構成された排気管５は、ベローズ６ａ，６ｂ，６ｃの間に２つの繋ぎ配管７が設けられているため、排気管固有の振動形状において、繋ぎ配管７の剛性によって変形を抑制できるため、ベローズ６ａ，６ｂ，６ｃを溶接等により直接接合して排気管を構成した場合と比べて固有振動数は高くなる。ちなみに、油圧ショベル１では、例えば８００ｒｐｍ〜１９００ｒｐｍの範囲でエンジン回転数が変化する。そのため、排気管５は、少なくともその固有振動数がエンジン３の定常回転数と共振しないように設計されている。

次に、油圧ショベル１の激しい車体振動により、排気管５に対して大きな相対変位が加わった場合について説明する。図５は、排気管５に相対変位Ｄが加わった場合の排気管５の変形状態を示す図である。図５に示すように、排気管５に大きな相対変位Ｄが加わると、各ベローズ６ａ，６ｂ，６ｃが変形し、排気管５が図５の上下方向に変形する。なお、図５に示すように、中央のベローズ６ａの変形量は、両側のベローズ６ｂ，６ｃの変形量に比べて小さい。

このとき、例えば図５のＡ部に示すように、第２ベローズ６ｃの左端部（第２配管９と接続される側の端部）の山の高さが低くなっているため、第２ベローズ６ｃの左端部の曲げ変形を緩やかにすることができる。その結果、Ａ部に対する応力集中を低減することができる。また、繋ぎ配管７の方が各ベローズ６ａ，６ｂ，６ｃより剛性が高いため、排気管固有の振動形状における変形を抑制でき、排気管５の振幅を抑えることが出来る。その結果、ベローズ６ｂの右端部、ベローズ６ｃの左端部の応力は低減される。

また、第１配管８および第２配管９の肉厚を繋ぎ配管７と同等もしくはそれより厚くし、かつ、繋ぎ配管７より各ベローズ６ａ，６ｂ，６ｃの肉厚を薄くすることにより、排気管５の両端部の剛性を高めて応力を下げつつ、排気管５の固有振動数を高めることが出来る。以上のように、第１実施形態に係る排気管５によれば、局部的な応力集中が低減され、エンジン３との低周波数域での振幅が大きく、激しい共振を回避できる。よって、排気管５の高寿命化を図ることが出来る。

「第２実施形態」
以下、本発明の第２実施形態に係る排気管１５について、図を参照しながら詳しく説明する。図６は、本発明の第２実施形態に係る排気管１５の全体構成図である。図６に示す第２実施形態に係る排気管１５は、中央に位置するベローズの形状が第１実施形態と相違する。具体的には、第１実施形態では、中央に位置するベローズ６ａ（図４参照）は、全長に亘って山が同じ高さの構造であったが、第２実施形態では、中央のベローズも山の高さが端部に行くほど低くなるベローズ６ｂを用いている点が相違する。

この第２実施形態では、１種類のベローズ６ｂを３つ用いて排気管１５を形成することができるため、第１実施形態と同様の作用効果を得ることができることに加えて、部品の共通化によるコスト削減効果も見込める。なお、その他の構成は第１実施形態と同じであるため、詳しい説明は省略する。

「第３実施形態」
以下、本発明の第３実施形態に係る排気管２５について、図を参照しながら詳しく説明する。図７は、本発明の第３実施形態に係る排気管２５の全体構成図である。図７に示す第３実施形態に係る排気管２５は、各ベローズ６ａ，６ｂ，６ｃをそれぞれアウターブレード１０で覆っている点が第１実施形態と相違する。なお、その他の構成については第１実施形態と同じであるため、詳しい説明は省略する。

アウターブレード１０は、例えばステンレス製の線材を編み込んで袋状にしたものであり、ベローズ６ａ，６ｂ，６ｃのそれぞれを保護する目的で設置する。アウターブレード１０は、例えば、その端部をリングで第１配管８および繋ぎ配管７に押さえ付けたのち、溶接によりリングを配管に接合することで取り付けられる。

この第３実施形態では、第１実施形態と同様の作用効果を得ることができることに加えて、アウターブレード１０によりベローズ６ａ，６ｂ，６ｃを土埃等から守ることができる。さらに、アウターブレード１０と排気管２５との接触による摩擦によって、排気管２５が振動する際の減衰効果が高まるという利点もある。

「第４実施形態」
以下、本発明の第４実施形態に係る排気管３５について、図を参照しながら詳しく説明する。図８は、本発明の第４実施形態に係る排気管３５の全体構成図である。図８に示す第４実施形態に係る排気管３５は、ベローズ６ａ，６ｂ，６ｃを１つのアウターブレード１１で覆っている点が第３実施形態と相違する。なお、その他の構成については第３実施形態と同じであるため、詳しい説明は省略する。

この第４実施形態は、第３実施形態に比べてアウターブレード１１の取り付け作業が楽である。

「第５実施形態」
以下、本発明の第５実施形態に係る排気管４５について、図を参照しながら詳しく説明する。図９は、本発明の第５実施形態に係る排気管４５の全体構成図である。図９に示すように、第５実施形態に係る排気管４５は、２つのベローズ６ｂ，６ｃを１つの繋ぎ配管８により接続して構成されている点が第１実施形態と相違する。なお、上述したように、ベローズ６ｂとベローズ６ｃとは同じ構成である。第５実施形態に係る排気管４５は、エンジン３と排気ガス後処理装置４との間の距離が短い場合に好適である。

以上説明したように、上記した各実施形態によれば、ベローズの山の高さを変えることで局部に応力集中がかかることを防止でき、隣り合うベローズを繋ぎ配管で接続して排気管の固有振動数を上げることにより、エンジン３との低周波数域における共振を回避でき、排気管の破損等も防止できる。

なお、上述した排気管の各実施形態は本発明の説明のための例示であり、本発明の範囲をそれらの実施形態にのみ限定する趣旨ではない。当業者は、本発明の要旨を逸脱することなしに、他の様々な態様で本発明を実施することができる。例えば、本発明は、油圧ショベル以外の建設機械にも適用することができる。また、例えば、繋ぎ配管７の剛性を高めるために、ファインセラミクスのような高剛性の異種金属を用いる構造が考えられる。ファインセラミックスのように高剛性かつ質量密度の低い材料を用いると、排気管の固有振動数をさらに高くすることができるうえ、軽量化を図ることが出来る。また、ベローズの数は、エンジン３と排気ガス後処理装置４との間の距離に応じて適宜決定すれば良い。

１ 油圧ショベル（建設機械）
２ａ 上部旋回体
２ｂ 下部走行体
２ｃ 作業装置
３ エンジン
４ 排気ガス後処理装置
５ 排気管（建設機械の排気管）
６ａ ベローズ
６ｂ 第１ベローズ
６ｃ 第２ベローズ
７ 繋ぎ配管
８ 第１配管
９ 第２配管
１０ アウターブレード
１１ アウターブレード
１５，２５，３５，４５ 排気管

Claims (6)

1. エンジンと排気ガス後処理装置との間を繋ぐ建設機械の排気管であって、
   前記エンジンの側に接続される第１配管と、前記排気ガス後処理装置の側に接続される第２配管と、前記第１配管と前記第２配管との間に配置される複数のべローズと、前記複数のべローズの間に配置される繋ぎ配管と、を備え、
   前記複数のベローズのうち、前記第１配管と接続される第１ベローズは、前記第１配管と接続される側の端部の山の高さがそれ以外の部分の山の高さより低い形状を成し、
   前記複数のべローズのうち、前記第２配管と接続される第２ベローズは、前記第２配管と接続される側の端部の山の高さがそれ以外の部分の山の高さより低い形状を成し、
   前記複数のべローズのうち隣り合うベローズを前記繋ぎ配管で接続することにより、前記建設機械の排気管の固有振動数が、前記複数のべローズのうち隣り合うベローズを直接接続する場合と比べて高くなるようにし、
   前記複数のべローズは、少なくとも３つであり、
   前記複数のべローズのうち、前記第１ベローズおよび前記第２ベローズ以外のべローズは、山の高さを同一に形成したことを特徴とする建設機械の排気管。
2. 請求項１において、
   前記第１ベローズは、前記第１配管と接続される側の端部の先端に行くにつれて山が徐々に低くなるよう形成され、
   前記第２ベローズは、前記第２配管と接続される側の端部の先端に行くにつれて山が徐々に低くなるよう形成されることを特徴とする建設機械の排気管。
3. 請求項１において、
   前記複数のベローズの各剛性より前記繋ぎ配管の剛性を高くしたことを特徴とする建設機械の排気管。
4. 請求項１において、
   前記複数のべローズ、前記第１配管、前記第２配管、および前記繋ぎ配管は、全て同じステンレス系の材質から成り、
   前記繋ぎ配管の肉厚を、前記複数のベローズのそれぞれの肉厚より厚く、かつ、前記第１配管および前記第２配管の肉厚と同等、もしくはそれより薄くしたことを特徴とする建設機械の排気管。
5. 請求項１において、
   前記複数のべローズのそれぞれを覆う複数のアウターブレードを設けたことを特徴とする建設機械の排気管。
6. 請求項１において、
   前記複数のべローズを全体的に覆う１つのアウターブレードを設けたことを特徴とする建設機械の排気管。