JPWO2017065066A1 - 作業機械用ブーム - Google Patents
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Abstract
ブーム部材を構成する鋼板の板厚を小さくするとともに、ブーム部材の座屈を抑制することのできる作業機械用ブームを提供する。断面Ｕ状の上側部材４２と下側部材４３とを、上側平坦部４２ａと下側平坦部４３ａを突き合わせた状態で溶接してなる筒状のブーム部材４１を備えた作業機械用ブーム４０において、上側部材４２と下側部材４３の溶接部位４１ｂは、ブーム部材４１の先端側に下方向に負荷が作用した場合に、圧縮応力が生じる圧縮部Ｂと引張応力が生じる引張部Ａとの境界となる応力中立点Ｐよりも圧縮部Ｂ側に位置し、溶接部位４１ｂの内面側に補強部材４４が配置されている。
Description
本発明は、例えばクレーン装置等、ブームを備えた作業機械に適用される作業機械用ブームに関するものである。
従来、この種の作業機械用ブームとしては、幅方向両側に平坦部が設けられた筒状のブーム部材を備えたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
前記作業機械用ブームでは、ブーム部材を構成する鋼板の板厚を小さくすることで、軽量化を図っている。
前記作業機械用ブームでは、ブーム部材を構成する鋼板の板厚を小さくすることで、軽量化を図ることが可能となるが、剛性が低下するためブーム部材に負荷が作用した場合に平坦部が座屈しやすくなる。
本発明の目的は、ブーム部材を構成する鋼板の板厚を小さくするとともに、ブーム部材の座屈を抑制することのできる作業機械用ブームを提供することである。
本発明の一態様に係る作業機械用ブームは、上板部及び前記上板部の幅方向両側から下方に延びる一対の上側平坦部を有する断面Ｕ状の上側部材と、下板部及び前記下板部の幅方向両側から上方に延びる一対の下側平坦部を有する断面Ｕ字状の下側部材とを、前記上側平坦部と前記下側平坦部を突き合わせた状態で溶接してなる筒状のブーム部材を備えた作業機械用ブームであって、
前記上側部材と前記下側部材の溶接部位は、前記ブーム部材の先端側に下方向に負荷が作用した場合に、圧縮応力が生じる圧縮部と引張応力が生じる引張部との境界となる応力中立点よりも圧縮部側に位置し、
前記溶接部位の内面側に補強部材が配置されていることを特徴とする。
前記上側部材と前記下側部材の溶接部位は、前記ブーム部材の先端側に下方向に負荷が作用した場合に、圧縮応力が生じる圧縮部と引張応力が生じる引張部との境界となる応力中立点よりも圧縮部側に位置し、
前記溶接部位の内面側に補強部材が配置されていることを特徴とする。
これにより、ブーム部材の平坦部における座屈が生じやすい部分が補強部材によって補強されることから、ブーム部材の座屈強度が向上する。
本発明によれば、溶接部位に裏当て金として配置される補強部材によって、ブーム部材の座屈強度を向上させることが可能となるので、ブーム部材を構成する鋼板の板厚を小さくすることができ、ブーム部材の軽量化を図ることが可能となる。
図１乃至図４は、本発明の一実施形態を示すものである。
本発明の作業機械用ブームを備えた移動式クレーン１は、図１に示すように、一般の道路や作業エリア内を走行するための下部走行体１０と、下部走行体１０に対して水平方向に旋回自在に設けられた上部旋回体２０と、を備えている。
下部走行体１０は、前後方向に延びるキャリアフレームの前側及び後側の幅方向両側に設けられた車輪１１と、キャリアフレームの前端部及び後端部の幅方向両側に設けられたアウトリガ１２と、を備えている。
上部旋回体２０は、旋回サークル３０を介して下部走行体１０に連結された旋回台２１と、旋回台２１の幅方向一方に設けられた作業装置としてのクレーン装置２２と、旋回台２１の幅方向他方に設けられ、下部走行体１０の走行及びクレーン装置２２の操作を行うためのキャブ２３と、を備えている。
クレーン装置２２は、旋回台２１に対して起伏自在に設けられた伸縮ブーム４０を備えている。
伸縮ブーム４０は、筒状に形成された複数のブーム部材４１１〜４１４（先端ブーム部材４１１、第１中間ブーム部材４１２、第２中間ブーム部材４１３、基端ブーム部材４１４）を有する。伸縮ブーム４０は、ブーム部材４１１〜４１４の入れ子構造を有する。最先端側を除く中間ブーム部材４１２、４１３、及び基端ブーム部材４１４の内部には、それぞれ先端側に隣り合う先端ブーム部材４１１、中間ブーム部材４１２、４１３が移動自在に収納されている。伸縮ブーム４０は、油圧ポンプから吐出された作動油で駆動する伸縮シリンダ及び起伏シリンダを有し、これらによってブーム部材４１１〜４１４の伸縮動作及び起伏動作が行われる。以下において、ブーム部材４１１〜４１４を区別しない場合は、「ブーム部材４１」と称して説明する。
各ブーム部材４１は、図２及び図３に示すように、矩形の角部分を曲線状に形成した断面形状を有し、幅方向両側に上下方向に延びる平坦部４１ａが形成されている。また、各ブーム部材４１は、ブーム部材４１の上側を構成する上側部材４２と、ブーム部材４１の下側を構成する下側部材４３と、ブーム部材４１の平坦部４１ａの下側を補強するための補強部材４４と、を有している。
上側部材４２は、長尺の鋼板（例えば高張力鋼板）を長さ方向に沿って曲げることにより断面Ｕ字状に形成されている。上側部材４２は、ブーム部材４１の上部を構成する上板部４２ａと、上板部４２ａの幅方向両端部から下方に延びる一対の上側平坦部４２ｂと、を有している。
下側部材４３は、上側部材４２と同様に、長尺の鋼板を長さ方向に沿って曲げることにより断面Ｕ字状に形成されている。下側部材４３は、ブーム部材４１の下部を構成する下板部４３ａと、下板部４３ａの幅方向両端部から上方に延びる一対の下側平坦部４３ｂと、を有している。下板部４３ａは、座屈耐性に優れるＲ形状を有する。
なお、上側部材４２及び下側部材４３の板厚は、要求される座屈強度を満たすように、適宜に設定される。下側部材４３の板厚は、上側部材４２の板厚と同一であってもよいし、上側部材４２の板厚よりも厚くてもよい。上側部材４２及び下側部材４３は、上側平坦部４２ｂと下側平坦部４３ｂを突き合わせたときに、内面が面一となるように設計される。
上側部材４２と下側部材４３は、上側平坦部４２ｂと下側平坦部４３ｂを突き合わせた状態で溶接することにより接合される。平坦部４１ａは、上側部材４２の上側平坦部４２ｂと、下側部材４３の下側平坦部４３ｂと、から構成されている。上側部材４２と下側部材４３との接合部４１ｂ（溶接部位）の内面に、補強部材４４が配置される。
補強部材４４は、ブーム部材４１の基端側から先端側にわたって延びる例えばＬ型アングル等の断面がＬ字状の部材からなり、下側部材４３の下側平坦部４３ｂの内面に溶接によって固定されている。補強部材４４は、平坦部４１ａの内面から幅方向内側に延出する補剛部４４ａと、補剛部４４ａの基端部から上方に延出する裏当て部４４ｂと、を有している。
補剛部４４ａは、平坦部４１ａの壁面座屈を防止する補剛材として機能する。補剛部４４ａは、平坦部４１ａの内面からの延出寸法を大きくすることで、ブーム部材４１の剛性を高めることが可能である。補剛部４４ａの延出寸法は、他のブーム部材４１や伸縮シリンダ等の内側に配置される部材との納まりを考慮して設定される。
裏当て部４４ｂは、上側部材４２の上側平坦部４２ｂの下端と、下側部材４３の下側平坦部４３ｂの上端との溶接部位４１ｂの内面側に取り付けられる。裏当て部４４ｂは、上側平坦部４２ｂの下端と下側平坦部４３ｂの上端とを溶接によって接合する作業の際に、吹き抜けを防止し、上側部材４２及び下側部材４３とともに溶接される裏当て金として機能する。
ここで、上側平坦部４２ｂの高さ寸法Ｌ１は、下側平坦部４３ｂの高さ寸法Ｌ２の略３倍である。つまり、溶接部位４１ｂは、平坦部４１ａの上下方向の中央部から下方に平坦部４１ａの高さ寸法Ｌ１＋Ｌ２の４分の１の距離を置いた高さ位置となる。
以上のように構成された伸縮ブーム４０において、先端ブーム部材４１１の先端に吊荷を吊り下げると、各ブーム部材４１には、先端側が下方に変位する方向に負荷が作用する。このとき、基端側に隣り合うブーム部材４１から突出した状態のブーム部材４１は、基端側にせん断応力が作用する。また、基端側に隣り合うブーム部材４１に収納された状態のブーム部材４１は、先端側にせん断応力が作用する。すなわち、先端ブーム部材４１１の第１中間ブーム部材４１２に収納されている部分４１１ａ、第１中間ブーム部材４１２の第２中間ブーム部材４１３に収納されている部分４１２ａ及び先端ブーム部材４１１を収納している部分４１２ｂ、第２中間ブーム部材４１３の基端ブーム部材４１４に収納されている部分４１３ａ及び第２中間ブーム部材４１２を収納している部分４１３ｂ、並びに基端ブーム部材４１４の第２中間ブーム部材４１３を収納している部分４１４ｂに、せん断応力が作用する。さらに、各ブーム部材４１には、全体的に曲げ応力が作用する。
せん断応力及び曲げ応力が作用した各ブーム部材４１の平坦部４１ａでは、上下方向の上側に引張応力が作用した状態となり（引張部Ａ）、下側に圧縮応力が作用した状態となる（圧縮部Ｂ）。引張部Ａと圧縮部Ｂの境界となる応力が生じない点Ｐを応力中立点と称する。引張部Ａの長さをＬａ、圧縮部Ｂの長さをＬｂとすると、上側部材４２と下側部材４３の板厚が同じ場合、Ｌａ＝Ｌｂとなる。つまり、平坦部４１ａ（引張部Ａ＋圧縮部Ｂ）の高さ方向中央の点が、応力中立点Ｐとなる。
各ブーム部材４１の平坦部４１ａでは、下側（圧縮部Ｂ）が吊荷の負荷によって座屈が生じやすい部分となる。しかし、平坦部４１ａの下側（圧縮部Ｂ）は、補強部材４４によって補強されているため、圧縮応力が作用することによる座屈が抑制される。
ところで、上側部材４２と下側部材４３の溶接部位４１ｂが引張部Ａ又は圧縮部Ｂに位置すると、応力集中によって疲労強度が低下する虞があるため、通常、溶接部位４１ｂは応力中立点Ｐの近傍に設けられる（例えば、特開２００８−８７８８６号公報の段落［０００２］、［０００３］参照）。
これに対して、本実施の形態では、裏当て金として機能する補強部材４４を、平坦部４１ａの壁面座屈を防止する補剛材として機能させるために、上側部材４２と下側部材４３の溶接部位４１ｂが圧縮部Ｂに位置するように、上側部材４２及び下側部材４３が設計されている。この場合、溶接部位４１ｂに応力が集中することによる疲労強度の低下が懸念されるが、溶接止端部の仕上げを最適化することにより、溶接部位４１ｂにおける応力集中を緩和することができる。裏当て金及び補剛材をそれぞれ別部材で用意して配置する場合に比較して、軽量化を図ることができるとともに、部品点数が少ないので組立工数を低減できる。
ここで、溶接部位４１ｂの高さ方向の位置（補強部材４４が配置される位置）は、上側平坦部４２ｂの長さＬ１と下側平坦部４３ｂの長さＬ２の比Ｌ１／Ｌ２が３〜４となる位置であることが好ましい。これにより、補強部材４４による補剛材としての機能が効果的に発現するので、平坦部４１ａの座屈耐性の向上を図ることができる。また、平坦部４１ａが横方向（平坦部４１ａに垂直な方向）に撓む場合に、応力中立点Ｐの近傍が曲面形状となるのに対して、Ｌ１／Ｌ２が３〜４となる位置の近傍は平坦形状が維持されやすいので、補強部材４４の配置部位として適している。
このように、本実施形態の伸縮ブーム４０（作業機械用ブーム）によれば、上側部材４２と下側部材４３の溶接部位４１ｂは、ブーム部材４１の先端側に下方向に負荷が作用した場合に、圧縮応力が生じる圧縮部Ｂと引張応力が生じる引張部Ａとの境界となる応力中立点Ｐよりも圧縮部Ｂ側に位置し、溶接部位４１ｂの内面側に補強部材４４が配置されている。
これにより、ブーム部材４１の座屈強度を向上させることが可能となるので、ブーム部材４１を構成する鋼板の板厚を小さくすることができ、ブーム部材４１の軽量化を図ることが可能となる。補強部材４４（特に補剛部４４ａ）を適宜に設計することにより、溶接部位４１ｂにおける応力集中を緩和しつつ、要求される座屈強度を容易に実現することができる。
また、補強部材４４は、ブーム部材４１の基端部から先端部にわたって設けられている。
これにより、ブーム部材４１の全長にわたって補強部材４４が配置されることから、ブーム部材４１に曲げ応力が作用する場合にも、平坦部４１ａの座屈を抑制することができる。
また、補強部材４４は、一対の上側平坦部４２ｂの下端と下側平坦部４３ｂの上端とを溶接によって接合する際の吹き抜けを防止する裏当て部４４ｂを有している。
これにより、ブーム部材４１の補強と、上側部材４２と下側部材４３を溶接によって接合する際の吹き抜け防止と、を一の部材によって兼ねることが可能となるので、作業工数及び製造コストの低減を図ることが可能となる。
また、補強部材４４の補剛部４４ａは、平坦部４１ａの内面からブーム部材４１の幅方向中央部に向かって延出している。
これにより、補剛部４４ａの延出寸法を大きくすることでブーム部材４１の剛性を高めることが可能となるので、平坦部４１ａの座屈をより確実に抑制することが可能となる。
尚、前記実施形態では、ブームを備えた作業機械として移動式クレーンを示したが、ブームを備えた作業機械であれば、高所作業車等の作業機械に本発明を適用することができる。
また、前記実施形態では、ブーム部材４１に負荷が作用したときに、平坦部４１ａの上側に引張応力が作用し、下側に圧縮応力が作用するクレーン装置２２の伸縮ブーム４０に本発明を適用したものを示したが、これに限られるものではない。例えば、穴掘建柱車のブームに本発明を適用した場合には、ブーム部材に負荷が作用したときに、平坦部の上側に圧縮応力が作用し、下側に引張応力が作用することになる。
また、前記実施形態では、複数のブーム部材４１を有する伸縮ブーム４０に本発明を適用したものを示したが、これに限られるものではなく、一のブーム部材からなるブームであっても、本発明を適用することが可能である。
また、前記実施形態では、溶接部位４１ｂを、平坦部４１ａの上下方向の中央部から下方に平坦部４１ａの高さ寸法の４分の１の距離を置いた高さ位置とし、溶接部位４１ｂの幅方向内側に補強部材４４を固定したものを示したが、これに限られるものではない。例えば、下側部材４３を、上側部材４２の鋼板の板厚よりも大きい板厚の鋼板で形成した場合には、平坦部４１ａにおける引張応力が作用する範囲（引張部Ａ）が大きくなり、圧縮応力が作用する範囲（圧縮部Ｂ）が小さくなるため、それに応じて溶接部位４１ｂ及び補強部材４４の位置を設定すればよい。
また、前記実施形態では、断面がＬ字状の部材を補強部材４４として用いたものを示したが、これに限られるものではない。溶接の際の吹き抜けを防止可能な平面を有するものであれば、角鋼、角型鋼管、溝形鋼等を補強部材として用いてもよい。例えば、補強部材４４は、裏当て部４４ｂに補剛部４４ａをＴ字状に突出して形成したものであってもよい。また例えば、補強部材４４は、裏当て部４４ｂの厚さを厚くすることにより、補剛材として機能させることもできる。
さらには、補強部材４４において、裏当て部４４ｂは、ブーム部材４１の全長にわたって配置され、補剛部４４ａは、ブーム部材４１の長さ方向において局所的に設けられてもよい。例えば、隣接するブーム部材４１と重なり合う部分（図４参照）に応力が集中しやすいため、この部分にだけ補剛部４４ａを設けるようにしてもよい。このように、形状や寸法、補剛部４４ａの配置態様などを含め、補強部材４４を適宜に設計することにより、要求される座屈強度に応じて柔軟に対応することができる。
２０１５年１０月１３日出願の特願２０１５−２０２２２０日本出願に含まれる明細書、図面および要約書の開示内容は、すべて本願に援用される。
４０ 伸縮ブーム
４１ ブーム部材
４１ａ 平坦部
４１ｂ 接合部、溶接部位
４２ 上側部材
４２ａ 上板部
４２ｂ 上側平坦部
４３ 下側部材
４３ａ 下板部
４３ｂ 下側平坦部
４４ 補強部材
４４ａ 補剛部
４４ｂ 裏当て部
４１ ブーム部材
４１ａ 平坦部
４１ｂ 接合部、溶接部位
４２ 上側部材
４２ａ 上板部
４２ｂ 上側平坦部
４３ 下側部材
４３ａ 下板部
４３ｂ 下側平坦部
４４ 補強部材
４４ａ 補剛部
４４ｂ 裏当て部
本発明の一態様に係る作業機械用ブームは、
上板部及び前記上板部の幅方向両側から下方に延びる一対の上側平坦部を有する断面Ｕ状の上側部材と、下板部及び前記下板部の幅方向両側から上方に延びる一対の下側平坦部を有する断面Ｕ字状の下側部材とを、前記上側平坦部と前記下側平坦部を突き合わせた状態で溶接してなる筒状のブーム部材を備えた作業機械用ブームであって、
前記上側部材と前記下側部材の溶接部位は、前記ブーム部材の先端側に下方向に負荷が作用した場合に、圧縮応力が生じる圧縮部と引張応力が生じる引張部との境界となる応力中立点よりも圧縮部側に位置し、
前記溶接部位の内面側に補強部材が配置されており、
前記補強部材は、前記溶接部位に当接する裏当て部と、前記裏当て部から内面側に突出する補剛部と、を有することを特徴とする。
上板部及び前記上板部の幅方向両側から下方に延びる一対の上側平坦部を有する断面Ｕ状の上側部材と、下板部及び前記下板部の幅方向両側から上方に延びる一対の下側平坦部を有する断面Ｕ字状の下側部材とを、前記上側平坦部と前記下側平坦部を突き合わせた状態で溶接してなる筒状のブーム部材を備えた作業機械用ブームであって、
前記上側部材と前記下側部材の溶接部位は、前記ブーム部材の先端側に下方向に負荷が作用した場合に、圧縮応力が生じる圧縮部と引張応力が生じる引張部との境界となる応力中立点よりも圧縮部側に位置し、
前記溶接部位の内面側に補強部材が配置されており、
前記補強部材は、前記溶接部位に当接する裏当て部と、前記裏当て部から内面側に突出する補剛部と、を有することを特徴とする。
Claims (6)
- 上板部及び前記上板部の幅方向両側から下方に延びる一対の上側平坦部を有する断面Ｕ状の上側部材と、下板部及び前記下板部の幅方向両側から上方に延びる一対の下側平坦部を有する断面Ｕ字状の下側部材とを、前記上側平坦部と前記下側平坦部を突き合わせた状態で溶接してなる筒状のブーム部材を備えた作業機械用ブームであって、
前記上側部材と前記下側部材の溶接部位は、前記ブーム部材の先端側に下方向に負荷が作用した場合に、圧縮応力が生じる圧縮部と引張応力が生じる引張部との境界となる応力中立点よりも圧縮部側に位置し、
前記溶接部位の内面側に補強部材が配置されていることを特徴とする作業機械用ブーム。 - 前記溶接部位は、前記上側平坦部の長さＬ１と下側平坦部の長さＬ２の比Ｌ１／Ｌ２が３〜４となる位置に配置されることを特徴とする請求項１に記載の作業機械用ブーム。
- 前記補強部材は、前記溶接部位に当接する裏当て部と、前記裏当て部から内面側に突出する補剛部と、を有することを特徴とする請求項１に記載の作業機械用ブーム。
- 前記補強部材は、前記裏当て部の上下方向端部から前記補剛部が屈曲して延在する断面Ｌ字形状を有することを特徴とする請求項３に記載の作業機械用ブーム。
- 前記裏当て部及び前記補剛部は、前記ブーム部材の全長にわたって設けられていることを特徴とする請求項３に記載の作業機械用ブーム。
- 前記裏当て部は、前記ブーム部材の全長にわたって設けられ、
前記補剛部は、前記ブーム部材の長さ方向において局所的に設けられていることを特徴とする請求項３に記載の作業機械用ブーム。
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