JP7222492B2 - 高さ制限のある環境でアームおよびブームを用いて作業を行う装置 - Google Patents

Description

本発明は、高さ制限のある環境でアームおよびブームを用いて作業を行う、油圧ショベルなどの装置に関するものである。

特許文献１には、油圧ショベルの安全装置として作業アタッチメントの作業高さ制限を行う手段としては、ブーム，アームなどの回動角度を揺動角検出で検出し、その検出信号をコントローラに入力するようにしている装置が多く、このような装置は非常に高価で、小型の油圧ショベルにはコスト採算面で装備することができなかったのに対し、安全装置を、作業アタッチメントにおける所要の油圧シリンダのシリンダチューブ外周部にリミットスイッチを着脱自在に取付け、そのリミットスイッチを、パイロットポンプ吐出側のパイロット回路に介設した電磁開閉弁のソレノイドに直列に接続して電気回路を形成し、また上記油圧シリンダのロッドに対し上記リミットスイッチの接触子に当接できる当接具を着脱自在に取付けて構成することが記載されている。

特許文献２には、フロント部材を駆動するアクチュエータの動作速度を極力落とさずに、フロント部材と上方の障害物との接触事故を確実に防止できる建設機械の作業高さ制限装置として、フロントを構成するブームとアームおよびバケットにそれぞれモニタポイントを設定すると共に、侵入禁止領域の下方に各モニタポイント毎に大きさ（距離）の異なる減速領域をそれぞれ設定し、フロントの操作時に、各モニタポイント毎に対応する減速領域に到達したか否かを判断し、各モニタポイントのいずれか１つが対応する減速領域に到達した場合、そのモニタポイントの高さに応じて減速の度合いを求め、この値を現在のアクチュエータの動作速度に乗じて該アクチュエータを減速することが記載されている。

実開平５－４２３５４号公報 特開平７－１５０５９４号公報

油圧ショベル（バックホー）などの作業装置であって、架線下などの高さ制限のある環境で作業を行う装置においては、アームおよびブームが高さ制限内になるようにブームを上下に旋回する範囲が設定される。このため、例えば、線路などの軌道上と道路上とを走行するように設計されたダンプが軌道上で動くときに、バックホーのアームの先端に取り付けられるバケットなどの作業具とダンプの荷台とが干渉したり、十分なクリアランスを確保できないケースが発生する。

本発明の一態様は、高さ制限のある環境でアームおよびブームを用いて作業を行う装置である。この装置（作業装置）は、機体と、機体に対し上下に揺動可能なブームと、ブームに対し上下に揺動可能なアームと、アームの先端に取り付けられた作業具と、ブームを上下に揺動させるブームシリンダと、アームを上下に揺動させるアームシリンダと、作業具を上下に揺動させる操作シリンダと、ブームシリンダによるブームの揺動範囲を高さ制限内に限定する第１の制限機構と、アームシリンダによるアームの揺動範囲をブームに対する上方の角度が１８０度未満の制限角度まで旋回可能に限定する第２の制限機構とを有する。

アームの先端に取り付けられるバケットなどの作業具の可動範囲はブームを上下に動かすことにより確保できる。したがって、従来、アームの可動範囲はブームと水平またはそれ以下に設定される。高さ制限がある環境においては、ブームに取り付けられたアームシリンダなどのアクセサリー、またはブームとの接合部となるアームの後端部（ブランケット）がブームとともに上昇し、第１の制限機構による高さ制限の対象となる。アームシリンダによるアームの揺動範囲をブームに対する上方の角度が１８０度未満の制限角度まで旋回可能に限定する第２の制限機構を設けることにより、アームシリンダなどのアクセサリー、またはアームの後端部などのブームに関連する部分を高さ制限内に止めた状態で、アームの先端を高さ制限に近づけることが可能となる。このため、高さ制限がある環境において、アームの先端に取り付けられる作業具の揺動範囲を広げることができる。

この作業装置は、作業具の揺動範囲を高さ制限内に止めるように、操作シリンダによる作業具の揺動範囲を限定する第３の制限機構を有してもよい。

作業装置の典型的な例は油圧ショベルであり、架線下で作業を行うように、機体の前後に設けられた軌道走行用の車輪と、機体の下部に設けられた地上走行体とを有する、軌道陸上兼用の作業装置であってもよい。

第２の制限機構による制限角度θ１は以下の条件（１）を満たしてもよい。
１６０＜θ１＜１８０・・・（１）
条件（１）の下限は、１７０度であってもよく、上限は１７５度であってもよい。

また、作業装置は、アームを左右方向に揺動可能なオフセットシリンダをさらに有してもよい。

本発明の一例の油圧ショベルの概要を示す図。 従来の油圧ショベルの概要を示す図。 アームを抜き出して示す図。 操作シリンダを抜き出して示す図。

図１に、本発明の一実施例の作業装置として、油圧ショベル（バックホー）１０の概要を示している。油圧ショベル１０は、エンジンおよび制御装置を含み、操作員が搭乗して油圧ショベル１０を制御する機体１１と、機体１１に対し上下に揺動可能なブーム２０と、ブーム２０に対し上下に揺動可能なアーム３０と、アーム３０の先端に取り付けられた作業具、本例ではバケット４０と、ブーム２０を上下に揺動させるブームシリンダ２１と、アーム３０を上下に揺動させるアームシリンダ３１と、バケット４０を上下に揺動させる操作シリンダ４１とを含む。

さらに具体的には、機体（車両本体）１１に対して起伏可能としたブーム２０の先端に左右方向に移動および回動可能な回動ブーム（ブランケット）２５が連結されており、ブーム２０には回動ブーム２５を左右方向に移動（オフセット）させるオフセットシリンダ２６と、回動ブーム２５をオフセットすることなく左右方向に回動させる横掘り用シリンダ２７とが取り付けられている。

アーム３０は、その基端３８に設けられた連結孔３３によりピンを介して回動ブーム２５に上下回動可能に連結されており、連結孔３３の上部後方に設けられた駆動孔３４に連結されたアームシリンダ３１により上下に駆動されるようになっている。アームシリンダ３１は回動ブーム２５の上部にトラニオンマウントで揺動可能に取り付けられており、先端３１ａがアーム３０の基端３８の駆動孔３４と連結されている。このため、アームシリンダ３１の後端３１ｂは回動ブーム２５から上方に突き出るように支持される。

アーム３０の基端３８には、さらに、駆動孔３４の前方にバケット４０を上下に回動する操作シリンダ４１の支持孔３５が設けられている。アーム３０の先端３７にリンク機構４２を介してバケット４０が操作シリンダ４１により上下に回動可能に取り付けられている。また、回動ブーム２５の上部には、架線と接触することを防止するための架線ガード２９が設けられている。

この油圧ショベル１０は、機体１１の前後に設けられた軌道走行用の車輪１２と、機体１１の下部に設けられた地上走行体（クローラ）１３とを有する。このため、この油圧ショベル１０は、車輪１２により線路２を移動することと、走行体１３により地表３あるいは道路を移動することとが可能な軌道陸上兼用油圧ショベルである。さらに、架線９下などの高さ制限がある環境での作業が行えるようになっており、制限高さＨの一例は４ｍである。高さ制限のある作業環境で安全に作業を行うために、油圧ショベル１０は、ブームシリンダ２１によるブーム２０の揺動範囲（上下の回動範囲）を高さ制限Ｈ内に限定する第１の制限機構６１を有する。第１の制限機構６１は、ブーム２０の先端に取り付けられた架線ガード２９が制限高さＨに達する高さまでブームシリンダ２１が伸長することを許容する。

第１の制限機構６１の一例は、ブームシリンダ２１の伸長範囲を限定することであり、例えば、ブームシリンダ２１内のピストンの可動範囲を限定するためにカラーを挿入することができる。第１の制限機構６１は、ブームシリンダ２１の伸長量（伸縮量）を検出するリミットスイッチであってもよく、その他の適当な制御回路あるいは制御方法であってもよい。

油圧ショベル１０は、さらに、アームシリンダ３１によるアーム３０の揺動範囲（上下の回動範囲）をブーム２０に対する上方の角度θが１８０度未満の制限角度まで旋回可能に限定する第２の制限機構６２を有する。本例では、油圧ショベル１０は、ブーム２０の前方部分の下縁（図１では延長線２０ｘで示す）と、アーム３０の下縁（図１では延長線３０ｘで示す）との成す角度θが１８０度未満の制限角度θ１までアーム３０を回動できる第２の制限機構６２を有する。ブーム２０の基準線はアーム３０との連結孔３３を含むブーム２０の前方部分の中心線などの構造的な代表部分を示す基準線であってもよい。アーム３０の基準線は、ブーム２０との連結孔３３と、バケット４０との連結孔とを含む線などのアーム３０の構造的な代表部分を示す基準線であってもよい。

本例の第２の制限機構６２は、アームシリンダ３１とアーム３０の基端３８の連結孔３３および駆動孔３４の距離との組み合わせとなっており、アームシリンダ３１が伸縮して最短になったときにアーム３０を、ブーム２０に対して制限角度θ１に引き上げることができるように駆動孔３４の位置が設定されている。第２の制限機構６２は、アームシリンダ３１の伸長範囲を限定するものであってもよく、アームシリンダ３１の伸長量（伸縮量）を検出するリミットスイッチであってもよく、その他の適当な制御回路あるいは制御方法であってもよい。

図２に、従来の油圧ショベル９０の一例を示している。この油圧ショベル９０は、基本的な構成は上記の油圧ショベル１０と共通し、ブーム２０に対するアーム３０の回動範囲が１８０度に設定されている。すなわち、ブーム２０に対するアーム３０の回動できる範囲（制限角度）θ１が１８０度に設定されていることに等しい。アームシリンダ３１において、最もモーメントが大きくなる設計ポイントの１つは、ブーム２０に対するアーム３０の角度が１８０度の場合であり、アームシリンダ３１の伸縮量はそのポイントで決定される。アームシリンダ３１の可動範囲を超えると、バケット４０の高さは、ブーム２０の角度により主に制御される。

高さ制限がある作業環境において、従来の油圧ショベル９０においては、安全のため、第１の制限機構６１によりブーム２０の旋回角度が制限される。しかしながら、高さ制限Ｈに達するのは、ブーム２０に取り付けられたアクセサリー、本例では、架線ガード２９またはアームシリンダ３１の後端３１ｂであり、アーム３０は高さ制限Ｈに対して、上方に旋回の余地があることがある。機種によっては、高さ制限Ｈに最初に到達する部分は、アーム３０の基端３８の上端である可能性もあるが、その場合でも、アーム３０には上方に旋回する余地があることが多い。

架線下において、油圧ショベル１０および９０は、軌道陸上兼用の運搬車、例えば、軌道２上を走行する車輪５２と、道路３を走行するタイヤ５３とを備えたトラック５０と共同で作業するケースがある。このとき、ブーム２０を制限高さまで引き上げても、バケット４０を上下に回動させたときの先端４９の位置と、軌道２上のトラック５０の荷台５５との間に十分なクリアランスを確保できず、作業効率が大幅に低下することがある。

図１に戻って示すように、第２の制限機構６２により、アーム３０とブーム２０との成す角度（上方の角度）θの制限角度θ１を１８０度未満に設定することにより、アームシリンダ３１により、ブーム２０に対してアーム３０を反り返るように回転（回動）することができる。このため、バケット４０の旋回の中心となるアーム３０の先端３７の位置を制限高さＨにより近づけることが可能となり、バケット４０を上下に回動させたときの先端４９の位置と、軌道２上のトラック５０の荷台５５との間に十分なクリアランスＤを確保することができる。例えば、作業半径６．５ｍ程度、バケット容量０．２５ｍ^３の小型の油圧ショベルにおいて、高さ制限Ｈが４ｍの環境で、バケット４０の先端４９の通過位置を数１００ｍｍ程度（例えば、３００ｍｍ程度）上昇させることができる。

アーム３０とブーム２０との成す角度θの制限角度θ１は、アーム３０の先端３７が高さ制限Ｈに達するまで小さくしてもよい。一方、アーム３０の先端３７が高さ制限Ｈに近づくと、作業具（アタッチメント）であるバケット４０の旋回半径が限定され、溝堀りなどの作業に支障をきたす可能性がある。したがって、上述したように、第２の制限機構６２による制限角度θ１は以下の条件（１）を満たしてもよい。
１６０＜θ１＜１８０・・・（１）
条件（１）の下限は、１６５度であってもよく、１７０度であってもよく、上限は１７５度であってもよい。

図３に、アーム３０を抜き出して示している。アーム３０は、基端３８に、下側から順番に配置された、ブーム２０との連結孔３３と、アームシリンダ３１の先端３１ａと連結される駆動孔３４と、操作シリンダ４１に連結される支持孔３５とを含む。また、アーム３０の先端３７にバケット４０との連結孔３９を含む。アーム３０の基端３８の連結孔３３と駆動孔３４との距離Ｇを調整して、アームシリンダ３１の伸縮によるアーム３０の回転角度を大きくすることにより、第２の制限機構６２により制限角度θ１を、条件（１）を満たすように設定してもよい。例えば、従来の油圧ショベル９０のアーム３０の距離Ｇに対する本例の油圧ショベル１０のアーム３０の距離Ｇの短縮量ΔＧを以下の条件（２）を満たすように設定してもよい。
０．０２５＜ΔＧ／Ｇ＜０．０５・・・（２）
また、アーム３０の有効長（例えば、ブーム２０との連結孔３３と、バケット４０との連結孔（先端側）３９との距離）Ｗに対し、短縮量ΔＧを以下の条件（３）を満たすように設定してもよい。
０．００６＜ΔＧ／Ｗ＜０．０１５・・・（３）

一例では、アーム３０の有効長Ｗが１５００～１５５０ｍｍ程度の場合に、従来の連結孔３３と駆動孔３４との距離Ｇは４１０～４２０ｍｍ程度であり、この距離Ｇを４００ｍｍ程度、すなわち、短縮距離ΔＧを１０～２０ｍｍ程度にすることにより第２の制限機構６２による制限角度θ１を１８０度未満の適切な値に設定できる。

アーム３０のブーム２０との連結孔３３と駆動孔３４との距離Ｇを縮めることにより、駆動孔３４がアーム３０の先端３７の方向にシフトする。このため、従来の油圧ショベル９０に対して本例の油圧ショベル１０の駆動孔３４と支持孔３５との距離Ｆが短くなってもよい。また、駆動孔３４と先端の連結孔３９との距離Ｅが短くなってもよい。

この油圧ショベル１０は、操作シリンダ４１によるバケット（作業具）４０の揺動範囲（上下に回動する範囲）を限定する第３の制限機構６３を含む。図４に、第３の制限機構６３の一例を示している。図４（ａ）に示すように、縮んだときの長さＬ１と、伸びたときの長さＬ２とに伸縮する操作シリンダ４１のピストンに、図４（ｂ）に示すようにカラー６５を挿入することにより、縮んだときの長さＬ３を、長さＬ１よりも長くできる。これにより、操作シリンダ４１によりバケット４０を上方に旋回する角度を限定できる。一方、伸びたときの長さＬ２は同じに設定できるのでバケット４０の下方の旋回角度は維持できる。第３の制限機構６３は、操作シリンダ４１の伸長量（伸縮量）を検出するリミットスイッチであってもよく、その他の適当な制御回路あるいは制御方法であってもよい。

上記に説明したように、本例の油圧ショベル１０においては、アーム３０とブーム２０との成す角度（上方の角度）θの制限角度θ１を１８０度未満に設定する第２の制限機構６２を設けることにより、ブーム２０の高さ制限を維持しながらアーム３０の旋回範囲を上方に延ばし、バケット４０の可動範囲を上方に広げることができる。このため、高さ制限のある作業環境において、バケット４０の可動範囲を上方に広げ、トラック５０の荷台５５に対するクリアランスを確保するなど、高さ制限がある環境における作業効率を向上できる。

なお、上記では、アーム３０の先端に装着される作業具（アタッチメント）の一例として溝堀り用のバケットを示しているが、台形バケット、スケルトンバケットなどの様々な種類のバケットであってもよく、さらに、バケットに限らず、クラッシャーなどであってもよい。また、作業装置の、ブーム２０とアーム３０との組み合わせは１対に限らず２対あるいはそれ以上を含んでいてもよい。作業装置は、典型的には油圧ショベルであり、バックホー（バックホウ）、ディガ－、エクスカベータなどと称される作業装置であってもよい。

１０ 油圧ショベル、 ２０ ブーム、 ３０ アーム、 ４０ バケット

Claims (6)

1. 機体と、
   前記機体に対し上下に揺動可能なブームと、
   前記ブームに対し上下に揺動可能なアームと、
   前記アームの先端に取り付けられた作業具と、
   前記ブームを上下に揺動させるブームシリンダと、
   前記アームを上下に揺動させるアームシリンダと、
   前記作業具を上下に揺動させる操作シリンダと、
   前記ブームシリンダによる前記ブームの揺動範囲を、前記ブームの先端に取り付けられた架線ガードが高さ制限に達する範囲内に限定する第１の制限機構と、
   前記アームシリンダによる前記アームの揺動範囲を前記ブームに対する上方の角度が１８０度未満の制限角度まで旋回可能に限定する第２の制限機構とを有する、作業装置。
2. 請求項１において、
   前記操作シリンダによる前記作業具の揺動範囲を限定する第３の制限機構を有する、作業装置。
3. 請求項１または２において、
   当該作業装置は、油圧ショベルである、作業装置。
4. 請求項１ないし３のいずれかにおいて、
   前記機体の前後に設けられた軌道走行用の車輪と、
   前記機体の下部に設けられた地上走行体とを有する、作業装置。
5. 請求項１ないし４のいずれかにおいて、
   前記制限角度θ１が以下の条件を満たす、作業装置。
   １６０＜θ１＜１８０
6. 請求項１ないし５のいずれかにおいて、
   前記アームを左右方向に揺動可能なオフセットシリンダをさらに有する、作業装置。

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