JP3765233B2 - バケット式掘削機のブーム及びその製造方法 - Google Patents
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Description
技術分野
本発明は、油圧ショベル等のバケット式掘削機のブーム及びその製造方法に関する。
背景技術
バケット式掘削機の一種である油圧ショベルは図１に示すように、下部走行体１に上部車体２を旋回自在に取付け、その上部車体２にブーム３を上下揺動自在に取付け、そのブーム３にアーム４を上下揺動自在に取付け、このアーム４の先端部にバケット５を上下首振り自在に取付ける。上部車体２とブーム３とに亘ってブーム用シリンダ６を連結し、ブーム３とアーム４とに亘ってアーム用シリンダ７を連結し、アーム４とバケット５とに亘ってバケット用シリンダ８を連結してある。
かかる油圧ショベルはブーム３、アーム４を上下に揺動すると共に、バケット５を上下首振りしながら上部車体２を左右に旋回して掘削及びダンプトラックへの積込み等の作業を行う。
前述のブーム３は図２に示すように、側面視ブーメラン状のブーム本体１０と、このブーム本体１０の長手方向一端部に接合した車体取付用ブラケット１１と、ブーム本体１０の長手方向他端部に接合したアーム連結用ブラケット１２で構成されている。ブーム本体１０は軽量とするために、図３に示すように上横板１３、下横板１４、左右の縦板１５、１５を直角に溶接した矩形断面の中空形状としてある。
ブーム３には図１に示すように、掘削時にバケットを土砂に貫入させるためにブーム３を上下方向に駆動させるために上下方向の負荷Ｆ１が作用し、貫入させてすくい取った土砂をダンプトラック等に積み込むために上部車体２を中心として旋回するために左右方向の負荷Ｆ２が作用するとともに、ねじれ負荷Ｆ３等が作用するので、これらの負荷に対して変形に耐えうるようにしてある。例えば、上下方向の負荷Ｆ１に対しては、図３に示すように幅Ｗに対して高さＨを大きくしている。左右方向の負荷Ｆ２、ねじれ負荷Ｆ３に対しては、図３に示すように閉口した箱形構造物となるよう隔壁１６を接合し、図４に示すようにブームシリンダ用ボス部１８の縦板部には、ねじれ力や負荷分散のためにパイプ１７などの断面拘束材を設けている。
油圧ショベルは上部車体２を中心としてブーム３、アーム４、バケット５からなる作業機の掘削能力に応じて上部車体２の後方にカウンタウエイト９を設けてあり、前述の作業機を軽量化すれば、上部車体２に後方のカウンタウエイト９を軽量にすることができ、さらには上部車体２の後方の突き出しが少なくなるため、上部車体２の後端旋回半径を小さくできる。
また、ブーム３、アーム４、バケット５からなる作業機を軽量化すれば、軽量にした分だけバケット容量を増し、作業量を増やすことが可能となる。
さらにブーム３はブーム用シリンダ６で上下に揺動され、そのブーム用シリンダ６の推力の一部がブーム３の自重を支持するものとして使用されるから、例えばブーム３を軽量とすればブーム用シリンダ６の推力をブーム３の上下揺動力として有効に利用できる。
一般的にバケット式掘削機の作業機の強度を考える場合、最も簡便な方法として作業機を材料力学で論じられている梁や薄肉管に置き換えて曲げやねじりに対する強度を評価することができる。
つまり、材料力学で用いられる以下の一般式（１）（２）で断面に発生する曲げ応力σ、せん断応力τを求めることができる。
（１）σ＝Ｍ／Ｚ
（ただし、σ：断面に発生する曲げ応力、Ｍ：断面にはたらく曲げモーメント、Ｚ：断面係数）
（２）τ＝Ｔ／２Ａｔ
（ただし、τ：せん断応力、Ｔ：ねじりトルク、Ａ：断面板厚中立線投影面積、ｔ：断面板厚）
そして上記計算結果と使用材料の許容応力から適正な断面形状を定めることができる。また同様に材料力学の一般式を用いて梁のたわみや軸のねじれも計算することができ、これより作業機の剛性についても評価することができる。
しかし、このような評価方法で設計された作業機を実際に製作し、応力試験を行った場合、評価時に算出した応力値と異なる結果となることが多い。このようなことから、近年では応力評価の精度を向上させるために有限要素法（ＦＥＭ）を用いたコンピュータによるシミュレーションを評価方法として用いるようになってきている。ＦＥＭシミュレーションを用いて応力計算を行ってみると、材料力学の梁や軸と見なしていた作業機の断面は、負荷を与える前後において、その形状が変化することがわかり、このことから断面形状が変化しないという前提の基にみちびかれている材料力学の一般式での計算応力と実際の応力試験を行った場合の計測応力が合致しないことが理解できる。
従来技術で用いられている矩形断面形状の作業機の場合、断面の変形強度を決定する要素は矩形角部の剛性と、矩形辺部の面外方向の剛性の２つである。これら２つの剛性が負荷に対して十分な強度をもたない場合、図５に示すような断面の変形が発生し、矩形角部に過大な応力が生じる。これらを防止するために、断面の変形が生じている部位に隔壁などの断面拘束材が必要になるが、これらを設けることにより、作業機の生産性が悪くなる。
このことをブーム３についてあてはめてみると、ブーム３は図３に示すように矩形断面中空形状であり、その断面剛性は角部ａの曲げ剛性と四つの面（上横板１３、下横板１４、左右の縦板１５、１５）の面の曲げ剛性（面外方向剛性）により決定されるということである。つまり、断面の変形に対し面の曲げ剛性と角部の曲げ剛性の影響が大であり、例えば図３において、下板１４を固定して矢印で示す荷重Ｆが作用した場合には、図５に模式的に示すように、各角部ａが曲げ変形すると共に、上板１３、左右の縦板１５、１５が面外方向（厚さ方向）に曲げ変形する。また、板厚を低減した場合の面外剛性の低下は板厚低下率の３乗に比例する。
このために、各部の板厚を薄くして大断面構造とすることにより軽量化したブームでは、ブーム３に左右方向の負荷Ｆ２、ねじれ負荷Ｆ３が作用したときに、図３に矢印ｂ、ｃで示すように変形（ゆがみ）が生じ、ブーム全体の剛性が著しく低下するので、前述の隔壁１６、パイプ１７などの断面拘束材を強固なものとしなければならず、その断面拘束部材によりブーム重量が重くなるし、隔壁１６、パイプ１７のために構造が複雑化し、溶接部分の増加等により生産性にも問題がある。
また、ブーム３には図２に示すようにブーム用シリンダ６を連結するブームシリンダ用ボス部１８、アーム用シリンダ７を連結するアームシリンダ用ブラケット１９が設けてある。これらを設ける部分、例えば左右縦板１５、１５、上横板１３の板厚を薄くすると面外方向の剛性が低下するため、面外方向の変形を増長させ、ブーム３の剛性が低下し、図３の仮想線で示すように変形することがあるため、ブーム本体１０を形成する板材の板厚を薄くすることは困難である。
また、ブーム本体１０を形成する各板材を直角として溶接しているから、その板材の板厚を薄くすると溶接継手効率が低下し、角継ぎ手の耐久性を確保することが困難となるため、ブーム本体１０を形成する板材の板厚を薄くすることは困難である。
また、従来のブームは上横板１３、下横板１４、左右の縦板１５、１５をブーム本体１０の形状に合わせてそれぞれ切断加工して形成し、各板材を直角となるように４カ所で溶接してブーム本体１０とし、そのブーム本体１０に車体取付用ブラケット１１、アーム連結用ブラケット１２を溶接しているので、各板材の加工が複雑であると共に、溶接箇所（溶接線）が長く、ブームの製作が多工程にわたるため複雑である。
なお、図６に示すように１枚の板をコの字状に折り曲げて上横板１３、左右の縦板１５、１５を一体化したブームも知られているが、この場合でも板と下横板１４を切断する行程、折り曲げる行程、２ヶの溶接箇所（溶接線）を溶接する行程を経るため、ブームの製作が多工程にわたり複雑である。
そこで、本発明は前述の課題を解決できるようにしたバケット式掘削機のブーム及びその製造方法を提供することを目的とする。
発明の開示
第１の発明のバケット式掘削機のブームは、基端側が車体に取付けられ、先端側にアームの取付けられる側面視ブーメラン状のバケット式掘削機のブームにおいて、ブーム本体の横断面形状を中空の三角形状にしたことを特徴としている。
第１の発明によれば、ブーム本体２３が横断面三角形状であるから、ブーム本体２３は、負荷によって面外方向に断面変形しにくいという三角形のもつ性質から、隔壁、パイプ等の断面拘束材を用いることなしに断面形状の保持と剛性の確保が可能となる。このようであるから、ブーム本体２３の板厚を薄くして軽量化できるし、隔壁、パイプ等の断面拘束材が不要になるために構造が簡単で、溶接部分が少ないから、耐久性ならびに生産性が向上する。したがって、第１の発明によれば、大幅な重量軽減が可能で、耐久性ならびに生産性に優れたブームとなる。
第２の発明のバケット式掘削機のブームは、第１の発明における横断面形状において、三辺を直線とし、二辺の各会合部を円弧状に構成したことを特徴としている。
第２の発明によれば、ブーム本体２３の横断面形状は、三辺を直線とし、二辺の各会合部を円弧状としたので、従来ブームの断面積に内接するように断面積を大きくできたので、断面性能を維持でき、角部を円弧にすることにより応力分散が可能となる。したがって、第２の発明によれば、大断面積を確保して断面性能を維持し、剛性の高いブームとなる。
第３の発明のバケット式掘削機のブームは、第２の発明におけるブーム本体２３の断面形状において、下面が三角形状の底辺で上面が三角形状の頂部となる断面三角形状としたことを特徴とするものである。
下方に向けてブーメラン状に湾曲すると共に、その中間部の上下方向寸法が両端側よりも大きいブームの場合、その形状の特性として、ブーム先端部に左右方向の負荷（図１のＦ２）やねじり負荷（図１のＦ３）が作用したときには、力の伝達経路としては上面側の長さが下面側の長さに比べて長くなっているため、負荷の負担は、長さの短い下面側が大となる傾向がある。従って第３の発明のように、下面が三角形状の底面となるように構成すれば、これとは上下逆の場合よりも断面性能を一段と効率良く発揮できることになり、一段と重量軽減をなし得ることになる。またブームの軽量化を考える場合、長さの長い上面側に重量が大である底面を配するよりも、長さの短い下面側に底面を配した方が有利である。
第４の発明のバケット式掘削機のブームは、二辺の会合部が円弧状に構成された上面にアームシリンダ用ブラケット２６を接合したことを特徴としている。
第４の発明によれば、ブーム本体２３の頂部は剛性が大であるから、アームシリンダ用ブラケット２６の取付部分の板厚が薄くても変形することがない。これによって、ブーム本体２３のアームシリンダ用ブラケット２６の取付部分の板厚を薄くしてブームをより一層軽量化できる。
第５の発明のバケット式掘削機のブームは、第２の発明におけるブーム本体２３の断面形状は、下面が三角形状の底辺で、上面が三角形状の頂部となり、その頂部が２つの円弧部と平坦部で構成された断面三角形状とし、この平坦部にアームシリンダ用ブラケット２６を接合したことを特徴としている。
第５の発明によれば、ブーム本体２３の頂部は平坦部であるから、平坦な頂部にアームシリンダ用ブラケット２６を溶接する場合、溶接継手を隅肉溶接継手にすることによりアームシリンダ用ブラケット２６の開先処理を不要にするとともに溶接継手ののど厚を確保できるので溶接強度が維持できる。したがって、ブーム本体２３の頂部へのアームシリンダ用ブラケット２６の溶接が容易になるとともに板厚が薄くても溶接強度を維持できる。
第６の発明のバケット式掘削機のブームは、第４又は第５の発明のいずれかにおいて、上記ブーム本体２３の略中央部にブームシリンダを取付けるためのピン嵌合孔４５を設け、先端部にアーム連結用ブラケット２４を、基端部に車体取付用ブラケット２５をそれぞれ接合したことを特徴としている。
第６の発明によれば、ブーム本体２３にピン嵌合孔４５を設けると共に、ブーム本体２３に対してアーム連結用ブラケット２４と車体取付用ブラケット２５を溶接したので、溶接線が少なくまた部品構成が少なくて良い。したがって、溶接線が少ないために更に軽量化が図れると共に部品構成が少ないため、管理の手間が省ける。しかもこのようなブームに対して上下方向の負荷（図１のＦ１）が作用した場合、ブーム本体２３におけるピン嵌合孔４５よりも前方側は下面側、それよりも車体側は上面側がそれぞれ負荷の分担が大となるが、前方下面側は引っ張り荷重、車体側上面側は圧縮荷重が大となる。強度的にいえば、圧縮よりも引っ張り荷重が過酷であり、そのためブーム本体２３の横断面形状を下面が底辺となるようにしてあれば、変形に対して有利となる。また圧縮荷重が大となる部分（車体側上面側）は面座屈に対処する必要があるが、この部分に底面を配するよりもこの部分に三角形状の頂部を配すれば、面座屈のような変形に対して有利となる。
第７の発明のバケット式掘削機のブームは、中空で横断面三角形状のブーム前部材２０の長手方向一端部と中空で横断面三角形状のブーム後部材２１の長手方向一端部とを前記各断面と同一断面形状でピン嵌合孔４５を備えたブーム中間部材２２にて接合してブーム本体２３とし、前記ブーム前部材２０の長手方向他端部にアーム連結用ブラケット２４を接合し、前記ブーム後部材２１の長手方向他端部に車体取付用ブラケット２５を接合したことを特徴としている。
第７の発明の発明によれば、ブーム本体２３をブーム前部材２０、ブーム中間部材２２とブーム後部材２１で構成しているのでハンドリングが容易になると共に大形の生産設備が不要となる。すなわち、ブーム前部材２０、ブーム中間部材２２とブーム後部材２１の３つに分割することにより、大形の生産設備が不要となり、一層ハンドリングが容易になる。
第８の発明のバケット式掘削機のブームの製造方法は、二つの長辺６０、６０と二つの短辺６１、６１を有する略長方形状の板材６２を折曲することにより横断面三角形状の中空部材を形成し、二つの長辺６０、６０の突き合わせ部を溶接することによりブーム本体２３を構成することを特徴としている。
第８の発明によれば、ブーム本体２３は１枚の板材を折り曲げ成形して突き合わせ部を溶接することにより製作するので、板材の加工が容易であると共に、溶接箇所（溶接線）が短い。これによって、ブーム本体２３の製作の工程が簡単となるから、ブームの製作が容易になる。
第９の発明のバケット式掘削機のブームの製造方法は、上記第８の発明において、上記ブーム本体２３は、その横断面形状において、三辺を直線とし、二辺の各会合部をそれぞれ円弧状に構成すると共に、下面が三角形状の底辺で、上面が三角形状の頂部となるよう配置し、さらに上記二つの長辺の突合せ溶接部を上記下面に配置していることを特徴としている。
第９の発明によれば、上記第１〜第３発明のブームにおいて得られる利点に加えて、さらに溶接部を下面に配置したことによって、外観向上という利点が得られる。
【図面の簡単な説明】
図１は、パワーショベルの斜視図である。
図２は、従来のブームの正面図である。
図３は、図２のＡ−Ａ断面図である。
図４は、図２のＢ−Ｂ断面図である。
図５は、ブームの断面変形の説明図である。
図６は、上記ブームの他の例を示す断面図である。
図７は、本発明の実施の形態を示すブームの正面図である。
図８は、ブームの分解斜視図である。
図９は、図７のＣ−Ｃ断面図である。
図１０は、図７のＤ−Ｄ断面図である。
図１１は、ブーム中間部材の正面図である。
図１２は、図７のＥ−Ｅ断面図である。
図１３は、図７のＦ−Ｆ断面図である。
図１４は、図７のＧ−Ｇ断面図である。
図１５は、図７のＨ−Ｈ断面図である。
図１６は、図７のＩ−Ｉ断面図である。
図１７は、ブームの断面変形の説明図である。
図１８は、ブームの断面の大きさの説明図である。
図１９は、ブーム前部材を製作する板材の平面図である。
図２０は、図１９の中央縦横断面図である。
図２１は、板材の折り曲げ動作説明図である。
図２２は、折り曲げた板材の斜視図である。
図２３は、板材の折り曲げ動作説明図である。
図２４は、折り曲げた板材の斜視図である。
図２５は、板材の折り曲げ・接合動作説明図である。
図２６は、接合状態の板材を示す斜視図である。
図２７は、ブーム前部材、ブーム後部材の異なる例を示す断面図である。
図２８は、頂部寄り部材の折り曲げ動作説明図である。
図２９は、底辺寄り部材の折り曲げ動作説明図である。
図３０は、突き合せ治具により両部材の一端部を裏波溶接する動作説明図である。
図３１は、突き合せ治具により両部材の他端部を裏波溶接する動作説明図である。
図３２は、ブーム前部材、ブーム後部材の異なる三角形状を示す断面図である。
図３３は、ブーム前部材、ブーム後部材の他の三角形状を示す断面図である。
発明を実施するための最良の形態
図７に示すように、ブーム前部材２０とブーム後部材２１をブーム中間部材２２にて接合し、中間部材２２よりも前方側が下方へと湾曲した側面視ブーメラン状のブーム本体２３とし、ブーム前部材２０にアーム連結用ブラケット２４を接合し、ブーム後部材２１に車体取付用ブラケット２５を接合し、ブーム前部材２０の頂部にアームシリンダ用ブラケット２６を接合してブームとしてある。
前記ブーム前部材２０は図８と図９に示すように、下横板３０と左右縦板３１、３１で横断面三角形状の中空長尺形状としてある。具体的には１枚の板材を折り曲げて突き合わせ溶接して断面は二等辺三角形状断面としてあり、その溶接部３２は下横板（三角形の底辺）に長手方向に連続している。
前記ブーム前部材２０の高さＨは幅Ｗよりも大きく、ブーム前部材２０は３辺を直線とし、二辺の各会合部３３、３３、３３は円弧状で、上方の円弧部３３の曲率は下方の円弧部３３、３３の曲率よりも大きい。これによって、各会合部３３にかかる応力が分散されると共に、梁として必要な断面性能が確保されてブーム前部材２０の上下方向の剛性が高くなる。
前記ブーム後部材２１は図８と図１０に示すように、下横板３４と左右縦板３５、３５で横断面三角形状の中空長尺形状としてある。具体的には１枚の板材を折り曲げて突き合わせ溶接して二等辺三角形断面としてあり、その溶接部３６は下横板（三角形の底辺）に長手方向に連続している。
前記ブーム後部材２１の高さＨは幅Ｗよりも大きく、ブーム後部材２１は３辺を直線とし、２辺の各会合部３７、３７、３７は円弧状で、上方の円弧部３７の曲率が下方の円弧部３７、３７の曲率よりも大きい。これによって、各会合部３７にかかる応力が分散されると共に、梁として必要な断面性能が確保されてブーム後部材２１の上下方向の剛性が高くなる。
前記ブーム中間部材２２は鋳鋼製であり、図８と図１１に示すように下横板４０と両側縦板４１、４１で横断面三角形状で、側面視ブーメラン状に湾曲した中空形状のものとしてある。両端開口部寄り内面に端部突起４２、４２がそれぞれ一体的に設けられ、中間部内面に中間部突起４３が一体的に設けてある。両端開口縁には連結用突起４４が三角形状に一体的に設けられ、両側縦板４２、４２にはブームシリンダ連結用のピン嵌合孔４５が対向して形成してある。前記端部突起４２、４２、中間部突起４３は鋳造時の湯回り性の改善を図るために設けてある。中間部突起４３は、ブームシリンダ連結用のピン嵌合孔４５の中心から頂部に向けてブーム中間部材２２を二分するように設けられている。
前記アーム連結用ブラケット２４は鋳鋼製であり、図８に示すように三角形状の連結部４６の端面に三角形状の連結用突起４７が一体的に設けてある。前記車体取付用ブラケット２５は鋳鋼製であり、図８に示すように三角形状の連結部４８の端面に略三角形状の連結用突起４９が一体的に設けてある。
前記アームシリンダ用ブラケット２６は図８に示すように、一対の縦片５０、５０を横片５１で連結し、その一対の縦片５０、５０にピン孔５２を形成してある。
前記ブーム前部材２０とブーム中間部材２２は、図１２に示すようにブーム前部材２０の長手方向一端開口縁をブーム中間部材２２の一方の連結用突起４４に嵌合して溶接用開先５３を形成し、その部分を溶接する。前記ブーム前部材２０の長手方向一端開口縁２０ａは他の部分２０ｂよりも厚肉としてあり、溶接継手ののど厚を確保して十分な溶接深さを得られ、高強度に溶接できるようにしてある。このようにすることにより、ブーム前部材２０の板厚を薄くして軽量化しても高強度な溶接ができる。
前記ブーム前部材２０とアーム連結用ブラケット２４は、図１３に示すようにブーム前部材２０の長手方向他端開口縁をアーム連結用ブラケット２４の連結用突起４７に嵌合して溶接用開先５４を形成し、その部分を溶接する。前記ブーム前部材２０の長手方向他端開口縁２０ｃは他の部分２０ｂよりも厚肉としてあり、溶接継手ののど厚を確保して十分な溶接深さを得られ、高強度に溶接できるようにしてある。このようにすることにより、ブーム前部材２０の板厚を薄くして軽量化しても高強度な溶接ができる。
前記ブーム後部材２１とブーム中間部材２２は、図１４に示すようにブーム後部材２１の長手方向一端開口縁をブーム中間部材２２の他方の連結用突起４４に嵌合して溶接用開先５５を形成し、その部分を溶接する。前記ブーム後部材２１の長手方向一端開口縁２１ａは他の部分２１ｂよりも厚肉としてあり、溶接継手ののど厚を確保して十分な溶接深さを得られ、高強度に溶接できるようにしてある。このようにすることにより、ブーム後部材２１の板厚を薄くして軽量化しても高強度な溶接ができる。
前記ブーム後部材２１と車体取付用ブラケット２５は、図１５に示すようにブーム後部材２１の長手方向他端開口縁を車体取付用ブラケット２５の連結用突起４９に嵌合して溶接用開先５６を形成し、その部分を溶接する。前記ブーム後部材２１の長手方向他端開口縁２１ｃは他の部分２１ｂよりも厚肉としてあり、溶接継手ののど厚を確保して十分な溶接深さを得られ、高強度に溶接できるようにしてある。このようにすることにより、ブーム後部材２１の板厚を薄くして軽量化しても高強度な溶接ができる。
前記アームシリンダ用ブラケット２６は図１６に示すように、一対の縦片５０、５０をブーム前部材２０の円弧状となった上方の会合部３３（頂部）に溶接してある。このようであるから、ブーム前部材２０のアームシリンダ用ブラケット２６の取付部分の剛性が確保され、その部分の板厚が薄くともアームシリンダの反力によって変形することはない。
以上のように、ブームを構成するブーム前部材２０、ブーム後部材２１、ブーム中間部材２２は横断面三角形状であるから、断面矩形形状の場合と異なり、断面の変形強度を決定する要素は三角形各辺部の面内方向の剛性のみで決定される。例えば、図９、図１０で底辺を固定し、頂部に矢印で示す荷重Ｆが作用した場合に、図１７に模式的に示すように底辺ｄと頂部ｅを結ぶ一方の辺ｆに圧縮力が作用して縮み変形し、他方の辺ｇに引っ張り力が作用して延び変形し、その２つの辺ｆ、ｇには面外方向の力が作用しない。一方、辺ｆと辺ｇの引張り、圧縮に対する剛性（面内剛性）は面外方向の曲げ（面外剛性）よりも大きいので、前述の横断面三角形状のブームの断面剛性は従来の矩形断面のブームの断面剛性よりも大きい。
板厚を低減した場合の作業機の強度は材料力学の一般式においては、断面の大きさを大きくすることにより、矩形断面も三角断面も同様に断面強度を確保することが可能であるが、前述のように断面の変形を考えた場合、矩形断面では板厚低減による角部剛性および辺部面外方向剛性は、板厚低減比率の３乗に比例し低下するのに対して、三角断面では板厚低減比率に比例し低下するので、横断面三角形状のブームの板厚の低減による断面剛性の変化は、矩形断面のブームの断面剛性の変化よりも少なくなる。
このようなことから、断面三角形状のブームであれば、板厚を薄くしても断面変形が断面矩形形状の従来構造のものに対し、著しく断面の変形を小さくすることができ、このことによりブームを軽量化することが可能になるということである。
また、図９、図１０に示すように２辺の会合部３３、３７がそれぞれ円弧状である断面三角形状とすることで、ブームの断面を大きくでき、十分な断面性能を確保できる。つまり、図１８に仮想線で示すように機械上での作業機の配置と起動性およびオペレータの視認性等から制約されたスペース（断面の高さ、幅）の矩形の内面に円弧状の各会合部３３、３７を内接するようにして断面を大きくできる。
下方に向けてブーメラン状に湾曲すると共に、その中間部の上下方向寸法が両端側よりも大きいブームの場合、その形状の特性として、ブーム先端部に左右方向の負荷（図１のＦ２）やねじり負荷（図１のＦ３）が作用したときには、力の伝達経路としては上面側の長さが下面側に長さに比べて長くなっているため、負荷の負担は、長さの短い下面側が大となる傾向がある。従って上記のように、下面が三角形状の底面となるように構成すれば、これとは上下逆の場合よりも断面性能を一段と効率良く発揮できることになり、一段と重量軽減し得ることになる。またブームの軽量化を考える場合、長さの長い上面側に重量が大である底面を配するよりも、長さの短い下面側に底面を配した方が有利である。
しかもこのようなブームに対して上下方向の負荷（図１のＦ１）が作用した場合、ブーム本体２３におけるピン嵌合孔４５よりも前方側は下面側、それよりも車体側は上面側がそれぞれ負荷の分担が大となるが、前方下面側は引っ張り荷重、車体側上面側は圧縮荷重が大となる。強度的にいえば、圧縮よりも引っ張り荷重が過酷であり、そのためブーム本体２３の横断面形状を下面が底辺となるようにしてあれば、変形に対して有利となる。また圧縮荷重が大となる部分（車体側上面側）は面座屈に対処する必要があるが、この部分に底面を配するよりもこの部分に三角形状の頂部を配すれば、面座屈のような変形に対して有利となる。
次にブーム前部材２０の製造方法を説明する。図１９に示すように、鋼板を切断して相対向した二つの長辺６０、６０と相対向した二つの短辺６１、６１で囲まれたほぼ長方形状（ブーム前部材２０を展開した形状）の板材６２を製作する。前記板材６２の板厚は短辺６１の両端部６２ａ、６２ａを他の部分６２ｂの板厚よりも厚くしてある。
具体的には図２０に示すように、所定の形状に切断した板６３の長手方向両端部に厚肉部と薄肉部を有するバー材６４をそれぞれ裏波溶接で接合して板材６２としてある。また、ブーム前部材２０の一端開口縁が他端開口縁よりも大きいので、一方の短辺６１が他方の短辺６１よりも長くなり、各短辺６１、６１は幅方向中央部を境としてＶ字状としてある。
次に図２１に示すように、二つの円弧面７０ａ、７０ａとそれらをつなぐ直面７０ｂを有し、その直面７０ｂの中心に曲率の大きな円弧面７０ｃを有するダイス７０と、二つの円弧面７１ａ、７１ａとそれらをつなぐ直面７１ｂを有するポンチ７１を用いて、板材６２の長辺寄りの折り線イに沿って円弧状に折り曲げて図２２に示すようにほぼコの字状とする。
次に図２３に示すように、前述のダイス７０と新しいポンチ７２を用いて板材６２の中央部を折り線ロに沿って円弧状に折り曲げて図２４に示すようにほぼ菱形とする。このように同一ダイスを用いるので位置ずれ等を生じないから折り曲げ加工精度を確保できる。
次に図２５に示すように、ダイス７３に折り曲げ板材６２をセットし、一対のポンチ７４、７４を左右・上下方向に移動して三角形状に折り曲げ、板材６２の二つの長辺６０、６０を図２６に示すように突き合わせる。この状態を保持しながら一対のポンチ７４、７４間に沿って溶接トーチ７５を移動して突き合わせ部を溶接する。
このように、板材６２を最終形状に折り曲げ成形すると同時に溶接するので、溶接部の突き合わせ精度を確保できる。
なお、ブーム後部材２１もブーム前部材２０と略同様にして製作する。
前記ブーム前部材２０、ブーム後部材２１は図２７（ａ）に示すように２枚の板材で製作してもよいし、図２７（ｂ）に示すように３枚の板材で製作してもよく、図２７（ｃ）に示すように継ぎ目無しの一体形状としてもよい。
図２７（ａ）に示すように２枚の板材で製作する場合には、図２８に示すように、底部が円弧状のほぼＶ字状となった凹部８０を有するダイス８１と、この凹部８０と同様な形状のポンチ８２を用いて一枚の板材８３を折り曲げて頂部側部材８４とする。
図２９に示すように、円弧面８５を有する固定ダイス８６と、この円弧面８５と連続する円弧面８７を有する可動ダイス８８と、この可動ダイス８８を固定ダイス８６と離すスプリング８９と、クッションパッド９０と、クッションパッド９０を押し上げるクッションピン９１でダイス９２とする。前記連続した２つの円弧面８５、８７と同一の円弧面９３を有するポンチ９４に、可動ダイス８８をスプリング８９に抗して移動するカム９５を設ける。前記ポンチ９４が上方位置の時にはクッションパッド９０はクッションピン９１で押し上げられて可動ダイス８８の上面と面一となる。
前述のダイス９２とポンチ９４を用いて一枚の板材９６を折り曲げて底辺側部材９７とする。具体的には、可動ダイス８８とクッションパッド９０の上に板材９６を載置し、ポンチ９４を下降する。ポンチ９４とクッションパッド９０で板材９６を挟持しながらポンチ９４の下降とともにクッションパッド９０が下降し、固定ダイス８６の円弧部８５で板材９６の両端部を順次折り曲げる。
ポンチ９４が所定位置まで下降するとカム９５で可動ダイス８８がスプリング８９に抗して移動されて所定形状に折り曲げて底辺側部材９７とする。
図３０に示す突き合せ治具を用いて頂部側部材８４と底辺側部材９７を突き合わせて裏波溶接する。
前記突き合せ治具は、Ｖ字溝１００を有する本体１０１と、この本体１０１のＶ字溝１００左右両側に設けた一対の側部押え片１０２、１０２と、この各側部押え片１０２を移動する一対の第１シリンダ１０３、１０３と、本体１０１のＶ字溝１００上部両側に設けた一対の上部押え片１０４、１０４と、この各上部押え片１０４を移動する一対の第２シリンダ１０５、１０５と、Ｖ字溝１００に沿って設けられ本体１０１の両端に設けた支え軸（図示せず）で支承される裏当て材１０６を備えている。
前記裏当て材１０６は上面に開口した水冷ジャット１０７と、下部の支え部１０８を有し、上面には受けプレート１０９が水冷ジャット１０７の上部を覆うように取付けてある。この水冷ジャット１０７には冷却水が流通する。本体１０１のＶ字溝１００の上部には溶接トーチ１１０が移動可能に設けてある。
次に裏波溶接の動作を説明する。前述のようにして折り曲げ加工した頂部側部材８４と底辺側部材９７を三角形状に合せてＶ字溝１００と裏当て材１０６との間に挿入する。
各側部押え片１０２を中心に向けて移動し、各上部押え片１０４を下方に移動して頂部側部材８４の一端部８４ａと底辺側部材９７の一端部９７ａを受けてプレート１０９の上面で突き合せる。溶接トーチ１１０を移動して前記突き合せ部を裏波溶接する。
各側部押え片１０２を側方に向けて移動し、各上部押え片１０４を上方に移動して各部材と離隔し、一端部８４ａ、９６ａを溶接した頂部側部材８４と底辺側部材９７をＶ字溝１００と裏当て材１０６の間から引き抜きする。
引き抜いた頂部側部材８４と底辺側部材９７を回転して図３１に示すように再びＶ字溝１００と裏当て材１０６の間に挿入し、前述と同様にして他端部８４ｂ、９７ｂを裏波溶接する。
これによって、２部材からなるブーム前部材２０、ブーム後部材２１を製作できる。
また、図２７（ｂ）に示すように３枚の板材で製作する場合には、前述の図２８で示すダイス８１とポンチ８２を用いて一枚の板材をそれぞれ折り曲げて３つの部材９８を製作し、その３つの部材９８を前述の図３０に示す突き合せ治具を用いて順次３ヶ所を裏波溶接することで製作する。
また、ブーム前部材２０、ブーム後部材２１は図３２（ａ）（ｂ）に示すように上方の会合部３３、３７を２つの円弧部ｈ、ｈと平坦部ｉ、曲率の小さな２つの円弧部ｊ、ｊと曲率の大きな円弧部ｋで形成しても良い。
なお、図示していないが、３つの会合部の全て、又は１つ、２つを前述の形状としても良いし、それぞれの会合部を異なる形状の組み合せとしても良い。
前述の図３２（ａ）に示す平坦部ｉを有する形状とすれば、アームシリンダ用ブラケット２６を平坦部ｉに溶接できるから、溶接継手を隅肉溶接継手にすることによりアームシリンダ用ブラケット２６の開先処理を不要にするとともに溶接継手ののど厚を確保できるので、溶接強度が維持できる。
前記ブーム前部材２０、ブーム後部材２１は図３３に示すように、３つの辺（板部３０、３１、３４、３５）を直線ではなく曲率Ｒの大きな円弧でふくらみを有する形状としても良い。また、３つの辺のそれぞれにふくらみの有る形状と直線形状の組み合せとしても良い。
前記溶接方法は、ＭＡＧ（Ｍｅｔａｌ ＡｃｔｉｖｅＧａｓ）溶接やＭＩＧ（Ｍｅｔａｌ ＩｎｅｒｔＧａｓ）溶接を前提として溶接継手等を説明しているが、溶接継手を変更することにより、レーザ溶接や電子ビーム溶接等の高エネルギー溶接を適用することも可能である。そしてこのような高エネルギ密度熱源を用いる場合、ブーム前部材２０やブーム後部材２１の各開口縁２０ａ、２０ｃ、２１ａ、２１ｃに設けていた厚肉部分の形成を省略し、これらを他の部分２０ｂ、２１ｂと同厚さにすると共に、ブーム中間部材２２、アーム連結用ブラケット２４、車体取付用ブラケット２５にそれぞれ設けていた連結用突起４４、４７、４９を省略し、これらの部分を突合せ裏波溶接する構成としてもよい。
本発明は、油圧ショベル等のバケット式掘削機のブーム及びその製造方法に関する。
背景技術
バケット式掘削機の一種である油圧ショベルは図１に示すように、下部走行体１に上部車体２を旋回自在に取付け、その上部車体２にブーム３を上下揺動自在に取付け、そのブーム３にアーム４を上下揺動自在に取付け、このアーム４の先端部にバケット５を上下首振り自在に取付ける。上部車体２とブーム３とに亘ってブーム用シリンダ６を連結し、ブーム３とアーム４とに亘ってアーム用シリンダ７を連結し、アーム４とバケット５とに亘ってバケット用シリンダ８を連結してある。
かかる油圧ショベルはブーム３、アーム４を上下に揺動すると共に、バケット５を上下首振りしながら上部車体２を左右に旋回して掘削及びダンプトラックへの積込み等の作業を行う。
前述のブーム３は図２に示すように、側面視ブーメラン状のブーム本体１０と、このブーム本体１０の長手方向一端部に接合した車体取付用ブラケット１１と、ブーム本体１０の長手方向他端部に接合したアーム連結用ブラケット１２で構成されている。ブーム本体１０は軽量とするために、図３に示すように上横板１３、下横板１４、左右の縦板１５、１５を直角に溶接した矩形断面の中空形状としてある。
ブーム３には図１に示すように、掘削時にバケットを土砂に貫入させるためにブーム３を上下方向に駆動させるために上下方向の負荷Ｆ１が作用し、貫入させてすくい取った土砂をダンプトラック等に積み込むために上部車体２を中心として旋回するために左右方向の負荷Ｆ２が作用するとともに、ねじれ負荷Ｆ３等が作用するので、これらの負荷に対して変形に耐えうるようにしてある。例えば、上下方向の負荷Ｆ１に対しては、図３に示すように幅Ｗに対して高さＨを大きくしている。左右方向の負荷Ｆ２、ねじれ負荷Ｆ３に対しては、図３に示すように閉口した箱形構造物となるよう隔壁１６を接合し、図４に示すようにブームシリンダ用ボス部１８の縦板部には、ねじれ力や負荷分散のためにパイプ１７などの断面拘束材を設けている。
油圧ショベルは上部車体２を中心としてブーム３、アーム４、バケット５からなる作業機の掘削能力に応じて上部車体２の後方にカウンタウエイト９を設けてあり、前述の作業機を軽量化すれば、上部車体２に後方のカウンタウエイト９を軽量にすることができ、さらには上部車体２の後方の突き出しが少なくなるため、上部車体２の後端旋回半径を小さくできる。
また、ブーム３、アーム４、バケット５からなる作業機を軽量化すれば、軽量にした分だけバケット容量を増し、作業量を増やすことが可能となる。
さらにブーム３はブーム用シリンダ６で上下に揺動され、そのブーム用シリンダ６の推力の一部がブーム３の自重を支持するものとして使用されるから、例えばブーム３を軽量とすればブーム用シリンダ６の推力をブーム３の上下揺動力として有効に利用できる。
一般的にバケット式掘削機の作業機の強度を考える場合、最も簡便な方法として作業機を材料力学で論じられている梁や薄肉管に置き換えて曲げやねじりに対する強度を評価することができる。
つまり、材料力学で用いられる以下の一般式（１）（２）で断面に発生する曲げ応力σ、せん断応力τを求めることができる。
（１）σ＝Ｍ／Ｚ
（ただし、σ：断面に発生する曲げ応力、Ｍ：断面にはたらく曲げモーメント、Ｚ：断面係数）
（２）τ＝Ｔ／２Ａｔ
（ただし、τ：せん断応力、Ｔ：ねじりトルク、Ａ：断面板厚中立線投影面積、ｔ：断面板厚）
そして上記計算結果と使用材料の許容応力から適正な断面形状を定めることができる。また同様に材料力学の一般式を用いて梁のたわみや軸のねじれも計算することができ、これより作業機の剛性についても評価することができる。
しかし、このような評価方法で設計された作業機を実際に製作し、応力試験を行った場合、評価時に算出した応力値と異なる結果となることが多い。このようなことから、近年では応力評価の精度を向上させるために有限要素法（ＦＥＭ）を用いたコンピュータによるシミュレーションを評価方法として用いるようになってきている。ＦＥＭシミュレーションを用いて応力計算を行ってみると、材料力学の梁や軸と見なしていた作業機の断面は、負荷を与える前後において、その形状が変化することがわかり、このことから断面形状が変化しないという前提の基にみちびかれている材料力学の一般式での計算応力と実際の応力試験を行った場合の計測応力が合致しないことが理解できる。
従来技術で用いられている矩形断面形状の作業機の場合、断面の変形強度を決定する要素は矩形角部の剛性と、矩形辺部の面外方向の剛性の２つである。これら２つの剛性が負荷に対して十分な強度をもたない場合、図５に示すような断面の変形が発生し、矩形角部に過大な応力が生じる。これらを防止するために、断面の変形が生じている部位に隔壁などの断面拘束材が必要になるが、これらを設けることにより、作業機の生産性が悪くなる。
このことをブーム３についてあてはめてみると、ブーム３は図３に示すように矩形断面中空形状であり、その断面剛性は角部ａの曲げ剛性と四つの面（上横板１３、下横板１４、左右の縦板１５、１５）の面の曲げ剛性（面外方向剛性）により決定されるということである。つまり、断面の変形に対し面の曲げ剛性と角部の曲げ剛性の影響が大であり、例えば図３において、下板１４を固定して矢印で示す荷重Ｆが作用した場合には、図５に模式的に示すように、各角部ａが曲げ変形すると共に、上板１３、左右の縦板１５、１５が面外方向（厚さ方向）に曲げ変形する。また、板厚を低減した場合の面外剛性の低下は板厚低下率の３乗に比例する。
このために、各部の板厚を薄くして大断面構造とすることにより軽量化したブームでは、ブーム３に左右方向の負荷Ｆ２、ねじれ負荷Ｆ３が作用したときに、図３に矢印ｂ、ｃで示すように変形（ゆがみ）が生じ、ブーム全体の剛性が著しく低下するので、前述の隔壁１６、パイプ１７などの断面拘束材を強固なものとしなければならず、その断面拘束部材によりブーム重量が重くなるし、隔壁１６、パイプ１７のために構造が複雑化し、溶接部分の増加等により生産性にも問題がある。
また、ブーム３には図２に示すようにブーム用シリンダ６を連結するブームシリンダ用ボス部１８、アーム用シリンダ７を連結するアームシリンダ用ブラケット１９が設けてある。これらを設ける部分、例えば左右縦板１５、１５、上横板１３の板厚を薄くすると面外方向の剛性が低下するため、面外方向の変形を増長させ、ブーム３の剛性が低下し、図３の仮想線で示すように変形することがあるため、ブーム本体１０を形成する板材の板厚を薄くすることは困難である。
また、ブーム本体１０を形成する各板材を直角として溶接しているから、その板材の板厚を薄くすると溶接継手効率が低下し、角継ぎ手の耐久性を確保することが困難となるため、ブーム本体１０を形成する板材の板厚を薄くすることは困難である。
また、従来のブームは上横板１３、下横板１４、左右の縦板１５、１５をブーム本体１０の形状に合わせてそれぞれ切断加工して形成し、各板材を直角となるように４カ所で溶接してブーム本体１０とし、そのブーム本体１０に車体取付用ブラケット１１、アーム連結用ブラケット１２を溶接しているので、各板材の加工が複雑であると共に、溶接箇所（溶接線）が長く、ブームの製作が多工程にわたるため複雑である。
なお、図６に示すように１枚の板をコの字状に折り曲げて上横板１３、左右の縦板１５、１５を一体化したブームも知られているが、この場合でも板と下横板１４を切断する行程、折り曲げる行程、２ヶの溶接箇所（溶接線）を溶接する行程を経るため、ブームの製作が多工程にわたり複雑である。
そこで、本発明は前述の課題を解決できるようにしたバケット式掘削機のブーム及びその製造方法を提供することを目的とする。
発明の開示
第１の発明のバケット式掘削機のブームは、基端側が車体に取付けられ、先端側にアームの取付けられる側面視ブーメラン状のバケット式掘削機のブームにおいて、ブーム本体の横断面形状を中空の三角形状にしたことを特徴としている。
第１の発明によれば、ブーム本体２３が横断面三角形状であるから、ブーム本体２３は、負荷によって面外方向に断面変形しにくいという三角形のもつ性質から、隔壁、パイプ等の断面拘束材を用いることなしに断面形状の保持と剛性の確保が可能となる。このようであるから、ブーム本体２３の板厚を薄くして軽量化できるし、隔壁、パイプ等の断面拘束材が不要になるために構造が簡単で、溶接部分が少ないから、耐久性ならびに生産性が向上する。したがって、第１の発明によれば、大幅な重量軽減が可能で、耐久性ならびに生産性に優れたブームとなる。
第２の発明のバケット式掘削機のブームは、第１の発明における横断面形状において、三辺を直線とし、二辺の各会合部を円弧状に構成したことを特徴としている。
第２の発明によれば、ブーム本体２３の横断面形状は、三辺を直線とし、二辺の各会合部を円弧状としたので、従来ブームの断面積に内接するように断面積を大きくできたので、断面性能を維持でき、角部を円弧にすることにより応力分散が可能となる。したがって、第２の発明によれば、大断面積を確保して断面性能を維持し、剛性の高いブームとなる。
第３の発明のバケット式掘削機のブームは、第２の発明におけるブーム本体２３の断面形状において、下面が三角形状の底辺で上面が三角形状の頂部となる断面三角形状としたことを特徴とするものである。
下方に向けてブーメラン状に湾曲すると共に、その中間部の上下方向寸法が両端側よりも大きいブームの場合、その形状の特性として、ブーム先端部に左右方向の負荷（図１のＦ２）やねじり負荷（図１のＦ３）が作用したときには、力の伝達経路としては上面側の長さが下面側の長さに比べて長くなっているため、負荷の負担は、長さの短い下面側が大となる傾向がある。従って第３の発明のように、下面が三角形状の底面となるように構成すれば、これとは上下逆の場合よりも断面性能を一段と効率良く発揮できることになり、一段と重量軽減をなし得ることになる。またブームの軽量化を考える場合、長さの長い上面側に重量が大である底面を配するよりも、長さの短い下面側に底面を配した方が有利である。
第４の発明のバケット式掘削機のブームは、二辺の会合部が円弧状に構成された上面にアームシリンダ用ブラケット２６を接合したことを特徴としている。
第４の発明によれば、ブーム本体２３の頂部は剛性が大であるから、アームシリンダ用ブラケット２６の取付部分の板厚が薄くても変形することがない。これによって、ブーム本体２３のアームシリンダ用ブラケット２６の取付部分の板厚を薄くしてブームをより一層軽量化できる。
第５の発明のバケット式掘削機のブームは、第２の発明におけるブーム本体２３の断面形状は、下面が三角形状の底辺で、上面が三角形状の頂部となり、その頂部が２つの円弧部と平坦部で構成された断面三角形状とし、この平坦部にアームシリンダ用ブラケット２６を接合したことを特徴としている。
第５の発明によれば、ブーム本体２３の頂部は平坦部であるから、平坦な頂部にアームシリンダ用ブラケット２６を溶接する場合、溶接継手を隅肉溶接継手にすることによりアームシリンダ用ブラケット２６の開先処理を不要にするとともに溶接継手ののど厚を確保できるので溶接強度が維持できる。したがって、ブーム本体２３の頂部へのアームシリンダ用ブラケット２６の溶接が容易になるとともに板厚が薄くても溶接強度を維持できる。
第６の発明のバケット式掘削機のブームは、第４又は第５の発明のいずれかにおいて、上記ブーム本体２３の略中央部にブームシリンダを取付けるためのピン嵌合孔４５を設け、先端部にアーム連結用ブラケット２４を、基端部に車体取付用ブラケット２５をそれぞれ接合したことを特徴としている。
第６の発明によれば、ブーム本体２３にピン嵌合孔４５を設けると共に、ブーム本体２３に対してアーム連結用ブラケット２４と車体取付用ブラケット２５を溶接したので、溶接線が少なくまた部品構成が少なくて良い。したがって、溶接線が少ないために更に軽量化が図れると共に部品構成が少ないため、管理の手間が省ける。しかもこのようなブームに対して上下方向の負荷（図１のＦ１）が作用した場合、ブーム本体２３におけるピン嵌合孔４５よりも前方側は下面側、それよりも車体側は上面側がそれぞれ負荷の分担が大となるが、前方下面側は引っ張り荷重、車体側上面側は圧縮荷重が大となる。強度的にいえば、圧縮よりも引っ張り荷重が過酷であり、そのためブーム本体２３の横断面形状を下面が底辺となるようにしてあれば、変形に対して有利となる。また圧縮荷重が大となる部分（車体側上面側）は面座屈に対処する必要があるが、この部分に底面を配するよりもこの部分に三角形状の頂部を配すれば、面座屈のような変形に対して有利となる。
第７の発明のバケット式掘削機のブームは、中空で横断面三角形状のブーム前部材２０の長手方向一端部と中空で横断面三角形状のブーム後部材２１の長手方向一端部とを前記各断面と同一断面形状でピン嵌合孔４５を備えたブーム中間部材２２にて接合してブーム本体２３とし、前記ブーム前部材２０の長手方向他端部にアーム連結用ブラケット２４を接合し、前記ブーム後部材２１の長手方向他端部に車体取付用ブラケット２５を接合したことを特徴としている。
第７の発明の発明によれば、ブーム本体２３をブーム前部材２０、ブーム中間部材２２とブーム後部材２１で構成しているのでハンドリングが容易になると共に大形の生産設備が不要となる。すなわち、ブーム前部材２０、ブーム中間部材２２とブーム後部材２１の３つに分割することにより、大形の生産設備が不要となり、一層ハンドリングが容易になる。
第８の発明のバケット式掘削機のブームの製造方法は、二つの長辺６０、６０と二つの短辺６１、６１を有する略長方形状の板材６２を折曲することにより横断面三角形状の中空部材を形成し、二つの長辺６０、６０の突き合わせ部を溶接することによりブーム本体２３を構成することを特徴としている。
第８の発明によれば、ブーム本体２３は１枚の板材を折り曲げ成形して突き合わせ部を溶接することにより製作するので、板材の加工が容易であると共に、溶接箇所（溶接線）が短い。これによって、ブーム本体２３の製作の工程が簡単となるから、ブームの製作が容易になる。
第９の発明のバケット式掘削機のブームの製造方法は、上記第８の発明において、上記ブーム本体２３は、その横断面形状において、三辺を直線とし、二辺の各会合部をそれぞれ円弧状に構成すると共に、下面が三角形状の底辺で、上面が三角形状の頂部となるよう配置し、さらに上記二つの長辺の突合せ溶接部を上記下面に配置していることを特徴としている。
第９の発明によれば、上記第１〜第３発明のブームにおいて得られる利点に加えて、さらに溶接部を下面に配置したことによって、外観向上という利点が得られる。
【図面の簡単な説明】
図１は、パワーショベルの斜視図である。
図２は、従来のブームの正面図である。
図３は、図２のＡ−Ａ断面図である。
図４は、図２のＢ−Ｂ断面図である。
図５は、ブームの断面変形の説明図である。
図６は、上記ブームの他の例を示す断面図である。
図７は、本発明の実施の形態を示すブームの正面図である。
図８は、ブームの分解斜視図である。
図９は、図７のＣ−Ｃ断面図である。
図１０は、図７のＤ−Ｄ断面図である。
図１１は、ブーム中間部材の正面図である。
図１２は、図７のＥ−Ｅ断面図である。
図１３は、図７のＦ−Ｆ断面図である。
図１４は、図７のＧ−Ｇ断面図である。
図１５は、図７のＨ−Ｈ断面図である。
図１６は、図７のＩ−Ｉ断面図である。
図１７は、ブームの断面変形の説明図である。
図１８は、ブームの断面の大きさの説明図である。
図１９は、ブーム前部材を製作する板材の平面図である。
図２０は、図１９の中央縦横断面図である。
図２１は、板材の折り曲げ動作説明図である。
図２２は、折り曲げた板材の斜視図である。
図２３は、板材の折り曲げ動作説明図である。
図２４は、折り曲げた板材の斜視図である。
図２５は、板材の折り曲げ・接合動作説明図である。
図２６は、接合状態の板材を示す斜視図である。
図２７は、ブーム前部材、ブーム後部材の異なる例を示す断面図である。
図２８は、頂部寄り部材の折り曲げ動作説明図である。
図２９は、底辺寄り部材の折り曲げ動作説明図である。
図３０は、突き合せ治具により両部材の一端部を裏波溶接する動作説明図である。
図３１は、突き合せ治具により両部材の他端部を裏波溶接する動作説明図である。
図３２は、ブーム前部材、ブーム後部材の異なる三角形状を示す断面図である。
図３３は、ブーム前部材、ブーム後部材の他の三角形状を示す断面図である。
発明を実施するための最良の形態
図７に示すように、ブーム前部材２０とブーム後部材２１をブーム中間部材２２にて接合し、中間部材２２よりも前方側が下方へと湾曲した側面視ブーメラン状のブーム本体２３とし、ブーム前部材２０にアーム連結用ブラケット２４を接合し、ブーム後部材２１に車体取付用ブラケット２５を接合し、ブーム前部材２０の頂部にアームシリンダ用ブラケット２６を接合してブームとしてある。
前記ブーム前部材２０は図８と図９に示すように、下横板３０と左右縦板３１、３１で横断面三角形状の中空長尺形状としてある。具体的には１枚の板材を折り曲げて突き合わせ溶接して断面は二等辺三角形状断面としてあり、その溶接部３２は下横板（三角形の底辺）に長手方向に連続している。
前記ブーム前部材２０の高さＨは幅Ｗよりも大きく、ブーム前部材２０は３辺を直線とし、二辺の各会合部３３、３３、３３は円弧状で、上方の円弧部３３の曲率は下方の円弧部３３、３３の曲率よりも大きい。これによって、各会合部３３にかかる応力が分散されると共に、梁として必要な断面性能が確保されてブーム前部材２０の上下方向の剛性が高くなる。
前記ブーム後部材２１は図８と図１０に示すように、下横板３４と左右縦板３５、３５で横断面三角形状の中空長尺形状としてある。具体的には１枚の板材を折り曲げて突き合わせ溶接して二等辺三角形断面としてあり、その溶接部３６は下横板（三角形の底辺）に長手方向に連続している。
前記ブーム後部材２１の高さＨは幅Ｗよりも大きく、ブーム後部材２１は３辺を直線とし、２辺の各会合部３７、３７、３７は円弧状で、上方の円弧部３７の曲率が下方の円弧部３７、３７の曲率よりも大きい。これによって、各会合部３７にかかる応力が分散されると共に、梁として必要な断面性能が確保されてブーム後部材２１の上下方向の剛性が高くなる。
前記ブーム中間部材２２は鋳鋼製であり、図８と図１１に示すように下横板４０と両側縦板４１、４１で横断面三角形状で、側面視ブーメラン状に湾曲した中空形状のものとしてある。両端開口部寄り内面に端部突起４２、４２がそれぞれ一体的に設けられ、中間部内面に中間部突起４３が一体的に設けてある。両端開口縁には連結用突起４４が三角形状に一体的に設けられ、両側縦板４２、４２にはブームシリンダ連結用のピン嵌合孔４５が対向して形成してある。前記端部突起４２、４２、中間部突起４３は鋳造時の湯回り性の改善を図るために設けてある。中間部突起４３は、ブームシリンダ連結用のピン嵌合孔４５の中心から頂部に向けてブーム中間部材２２を二分するように設けられている。
前記アーム連結用ブラケット２４は鋳鋼製であり、図８に示すように三角形状の連結部４６の端面に三角形状の連結用突起４７が一体的に設けてある。前記車体取付用ブラケット２５は鋳鋼製であり、図８に示すように三角形状の連結部４８の端面に略三角形状の連結用突起４９が一体的に設けてある。
前記アームシリンダ用ブラケット２６は図８に示すように、一対の縦片５０、５０を横片５１で連結し、その一対の縦片５０、５０にピン孔５２を形成してある。
前記ブーム前部材２０とブーム中間部材２２は、図１２に示すようにブーム前部材２０の長手方向一端開口縁をブーム中間部材２２の一方の連結用突起４４に嵌合して溶接用開先５３を形成し、その部分を溶接する。前記ブーム前部材２０の長手方向一端開口縁２０ａは他の部分２０ｂよりも厚肉としてあり、溶接継手ののど厚を確保して十分な溶接深さを得られ、高強度に溶接できるようにしてある。このようにすることにより、ブーム前部材２０の板厚を薄くして軽量化しても高強度な溶接ができる。
前記ブーム前部材２０とアーム連結用ブラケット２４は、図１３に示すようにブーム前部材２０の長手方向他端開口縁をアーム連結用ブラケット２４の連結用突起４７に嵌合して溶接用開先５４を形成し、その部分を溶接する。前記ブーム前部材２０の長手方向他端開口縁２０ｃは他の部分２０ｂよりも厚肉としてあり、溶接継手ののど厚を確保して十分な溶接深さを得られ、高強度に溶接できるようにしてある。このようにすることにより、ブーム前部材２０の板厚を薄くして軽量化しても高強度な溶接ができる。
前記ブーム後部材２１とブーム中間部材２２は、図１４に示すようにブーム後部材２１の長手方向一端開口縁をブーム中間部材２２の他方の連結用突起４４に嵌合して溶接用開先５５を形成し、その部分を溶接する。前記ブーム後部材２１の長手方向一端開口縁２１ａは他の部分２１ｂよりも厚肉としてあり、溶接継手ののど厚を確保して十分な溶接深さを得られ、高強度に溶接できるようにしてある。このようにすることにより、ブーム後部材２１の板厚を薄くして軽量化しても高強度な溶接ができる。
前記ブーム後部材２１と車体取付用ブラケット２５は、図１５に示すようにブーム後部材２１の長手方向他端開口縁を車体取付用ブラケット２５の連結用突起４９に嵌合して溶接用開先５６を形成し、その部分を溶接する。前記ブーム後部材２１の長手方向他端開口縁２１ｃは他の部分２１ｂよりも厚肉としてあり、溶接継手ののど厚を確保して十分な溶接深さを得られ、高強度に溶接できるようにしてある。このようにすることにより、ブーム後部材２１の板厚を薄くして軽量化しても高強度な溶接ができる。
前記アームシリンダ用ブラケット２６は図１６に示すように、一対の縦片５０、５０をブーム前部材２０の円弧状となった上方の会合部３３（頂部）に溶接してある。このようであるから、ブーム前部材２０のアームシリンダ用ブラケット２６の取付部分の剛性が確保され、その部分の板厚が薄くともアームシリンダの反力によって変形することはない。
以上のように、ブームを構成するブーム前部材２０、ブーム後部材２１、ブーム中間部材２２は横断面三角形状であるから、断面矩形形状の場合と異なり、断面の変形強度を決定する要素は三角形各辺部の面内方向の剛性のみで決定される。例えば、図９、図１０で底辺を固定し、頂部に矢印で示す荷重Ｆが作用した場合に、図１７に模式的に示すように底辺ｄと頂部ｅを結ぶ一方の辺ｆに圧縮力が作用して縮み変形し、他方の辺ｇに引っ張り力が作用して延び変形し、その２つの辺ｆ、ｇには面外方向の力が作用しない。一方、辺ｆと辺ｇの引張り、圧縮に対する剛性（面内剛性）は面外方向の曲げ（面外剛性）よりも大きいので、前述の横断面三角形状のブームの断面剛性は従来の矩形断面のブームの断面剛性よりも大きい。
板厚を低減した場合の作業機の強度は材料力学の一般式においては、断面の大きさを大きくすることにより、矩形断面も三角断面も同様に断面強度を確保することが可能であるが、前述のように断面の変形を考えた場合、矩形断面では板厚低減による角部剛性および辺部面外方向剛性は、板厚低減比率の３乗に比例し低下するのに対して、三角断面では板厚低減比率に比例し低下するので、横断面三角形状のブームの板厚の低減による断面剛性の変化は、矩形断面のブームの断面剛性の変化よりも少なくなる。
このようなことから、断面三角形状のブームであれば、板厚を薄くしても断面変形が断面矩形形状の従来構造のものに対し、著しく断面の変形を小さくすることができ、このことによりブームを軽量化することが可能になるということである。
また、図９、図１０に示すように２辺の会合部３３、３７がそれぞれ円弧状である断面三角形状とすることで、ブームの断面を大きくでき、十分な断面性能を確保できる。つまり、図１８に仮想線で示すように機械上での作業機の配置と起動性およびオペレータの視認性等から制約されたスペース（断面の高さ、幅）の矩形の内面に円弧状の各会合部３３、３７を内接するようにして断面を大きくできる。
下方に向けてブーメラン状に湾曲すると共に、その中間部の上下方向寸法が両端側よりも大きいブームの場合、その形状の特性として、ブーム先端部に左右方向の負荷（図１のＦ２）やねじり負荷（図１のＦ３）が作用したときには、力の伝達経路としては上面側の長さが下面側に長さに比べて長くなっているため、負荷の負担は、長さの短い下面側が大となる傾向がある。従って上記のように、下面が三角形状の底面となるように構成すれば、これとは上下逆の場合よりも断面性能を一段と効率良く発揮できることになり、一段と重量軽減し得ることになる。またブームの軽量化を考える場合、長さの長い上面側に重量が大である底面を配するよりも、長さの短い下面側に底面を配した方が有利である。
しかもこのようなブームに対して上下方向の負荷（図１のＦ１）が作用した場合、ブーム本体２３におけるピン嵌合孔４５よりも前方側は下面側、それよりも車体側は上面側がそれぞれ負荷の分担が大となるが、前方下面側は引っ張り荷重、車体側上面側は圧縮荷重が大となる。強度的にいえば、圧縮よりも引っ張り荷重が過酷であり、そのためブーム本体２３の横断面形状を下面が底辺となるようにしてあれば、変形に対して有利となる。また圧縮荷重が大となる部分（車体側上面側）は面座屈に対処する必要があるが、この部分に底面を配するよりもこの部分に三角形状の頂部を配すれば、面座屈のような変形に対して有利となる。
次にブーム前部材２０の製造方法を説明する。図１９に示すように、鋼板を切断して相対向した二つの長辺６０、６０と相対向した二つの短辺６１、６１で囲まれたほぼ長方形状（ブーム前部材２０を展開した形状）の板材６２を製作する。前記板材６２の板厚は短辺６１の両端部６２ａ、６２ａを他の部分６２ｂの板厚よりも厚くしてある。
具体的には図２０に示すように、所定の形状に切断した板６３の長手方向両端部に厚肉部と薄肉部を有するバー材６４をそれぞれ裏波溶接で接合して板材６２としてある。また、ブーム前部材２０の一端開口縁が他端開口縁よりも大きいので、一方の短辺６１が他方の短辺６１よりも長くなり、各短辺６１、６１は幅方向中央部を境としてＶ字状としてある。
次に図２１に示すように、二つの円弧面７０ａ、７０ａとそれらをつなぐ直面７０ｂを有し、その直面７０ｂの中心に曲率の大きな円弧面７０ｃを有するダイス７０と、二つの円弧面７１ａ、７１ａとそれらをつなぐ直面７１ｂを有するポンチ７１を用いて、板材６２の長辺寄りの折り線イに沿って円弧状に折り曲げて図２２に示すようにほぼコの字状とする。
次に図２３に示すように、前述のダイス７０と新しいポンチ７２を用いて板材６２の中央部を折り線ロに沿って円弧状に折り曲げて図２４に示すようにほぼ菱形とする。このように同一ダイスを用いるので位置ずれ等を生じないから折り曲げ加工精度を確保できる。
次に図２５に示すように、ダイス７３に折り曲げ板材６２をセットし、一対のポンチ７４、７４を左右・上下方向に移動して三角形状に折り曲げ、板材６２の二つの長辺６０、６０を図２６に示すように突き合わせる。この状態を保持しながら一対のポンチ７４、７４間に沿って溶接トーチ７５を移動して突き合わせ部を溶接する。
このように、板材６２を最終形状に折り曲げ成形すると同時に溶接するので、溶接部の突き合わせ精度を確保できる。
なお、ブーム後部材２１もブーム前部材２０と略同様にして製作する。
前記ブーム前部材２０、ブーム後部材２１は図２７（ａ）に示すように２枚の板材で製作してもよいし、図２７（ｂ）に示すように３枚の板材で製作してもよく、図２７（ｃ）に示すように継ぎ目無しの一体形状としてもよい。
図２７（ａ）に示すように２枚の板材で製作する場合には、図２８に示すように、底部が円弧状のほぼＶ字状となった凹部８０を有するダイス８１と、この凹部８０と同様な形状のポンチ８２を用いて一枚の板材８３を折り曲げて頂部側部材８４とする。
図２９に示すように、円弧面８５を有する固定ダイス８６と、この円弧面８５と連続する円弧面８７を有する可動ダイス８８と、この可動ダイス８８を固定ダイス８６と離すスプリング８９と、クッションパッド９０と、クッションパッド９０を押し上げるクッションピン９１でダイス９２とする。前記連続した２つの円弧面８５、８７と同一の円弧面９３を有するポンチ９４に、可動ダイス８８をスプリング８９に抗して移動するカム９５を設ける。前記ポンチ９４が上方位置の時にはクッションパッド９０はクッションピン９１で押し上げられて可動ダイス８８の上面と面一となる。
前述のダイス９２とポンチ９４を用いて一枚の板材９６を折り曲げて底辺側部材９７とする。具体的には、可動ダイス８８とクッションパッド９０の上に板材９６を載置し、ポンチ９４を下降する。ポンチ９４とクッションパッド９０で板材９６を挟持しながらポンチ９４の下降とともにクッションパッド９０が下降し、固定ダイス８６の円弧部８５で板材９６の両端部を順次折り曲げる。
ポンチ９４が所定位置まで下降するとカム９５で可動ダイス８８がスプリング８９に抗して移動されて所定形状に折り曲げて底辺側部材９７とする。
図３０に示す突き合せ治具を用いて頂部側部材８４と底辺側部材９７を突き合わせて裏波溶接する。
前記突き合せ治具は、Ｖ字溝１００を有する本体１０１と、この本体１０１のＶ字溝１００左右両側に設けた一対の側部押え片１０２、１０２と、この各側部押え片１０２を移動する一対の第１シリンダ１０３、１０３と、本体１０１のＶ字溝１００上部両側に設けた一対の上部押え片１０４、１０４と、この各上部押え片１０４を移動する一対の第２シリンダ１０５、１０５と、Ｖ字溝１００に沿って設けられ本体１０１の両端に設けた支え軸（図示せず）で支承される裏当て材１０６を備えている。
前記裏当て材１０６は上面に開口した水冷ジャット１０７と、下部の支え部１０８を有し、上面には受けプレート１０９が水冷ジャット１０７の上部を覆うように取付けてある。この水冷ジャット１０７には冷却水が流通する。本体１０１のＶ字溝１００の上部には溶接トーチ１１０が移動可能に設けてある。
次に裏波溶接の動作を説明する。前述のようにして折り曲げ加工した頂部側部材８４と底辺側部材９７を三角形状に合せてＶ字溝１００と裏当て材１０６との間に挿入する。
各側部押え片１０２を中心に向けて移動し、各上部押え片１０４を下方に移動して頂部側部材８４の一端部８４ａと底辺側部材９７の一端部９７ａを受けてプレート１０９の上面で突き合せる。溶接トーチ１１０を移動して前記突き合せ部を裏波溶接する。
各側部押え片１０２を側方に向けて移動し、各上部押え片１０４を上方に移動して各部材と離隔し、一端部８４ａ、９６ａを溶接した頂部側部材８４と底辺側部材９７をＶ字溝１００と裏当て材１０６の間から引き抜きする。
引き抜いた頂部側部材８４と底辺側部材９７を回転して図３１に示すように再びＶ字溝１００と裏当て材１０６の間に挿入し、前述と同様にして他端部８４ｂ、９７ｂを裏波溶接する。
これによって、２部材からなるブーム前部材２０、ブーム後部材２１を製作できる。
また、図２７（ｂ）に示すように３枚の板材で製作する場合には、前述の図２８で示すダイス８１とポンチ８２を用いて一枚の板材をそれぞれ折り曲げて３つの部材９８を製作し、その３つの部材９８を前述の図３０に示す突き合せ治具を用いて順次３ヶ所を裏波溶接することで製作する。
また、ブーム前部材２０、ブーム後部材２１は図３２（ａ）（ｂ）に示すように上方の会合部３３、３７を２つの円弧部ｈ、ｈと平坦部ｉ、曲率の小さな２つの円弧部ｊ、ｊと曲率の大きな円弧部ｋで形成しても良い。
なお、図示していないが、３つの会合部の全て、又は１つ、２つを前述の形状としても良いし、それぞれの会合部を異なる形状の組み合せとしても良い。
前述の図３２（ａ）に示す平坦部ｉを有する形状とすれば、アームシリンダ用ブラケット２６を平坦部ｉに溶接できるから、溶接継手を隅肉溶接継手にすることによりアームシリンダ用ブラケット２６の開先処理を不要にするとともに溶接継手ののど厚を確保できるので、溶接強度が維持できる。
前記ブーム前部材２０、ブーム後部材２１は図３３に示すように、３つの辺（板部３０、３１、３４、３５）を直線ではなく曲率Ｒの大きな円弧でふくらみを有する形状としても良い。また、３つの辺のそれぞれにふくらみの有る形状と直線形状の組み合せとしても良い。
前記溶接方法は、ＭＡＧ（Ｍｅｔａｌ ＡｃｔｉｖｅＧａｓ）溶接やＭＩＧ（Ｍｅｔａｌ ＩｎｅｒｔＧａｓ）溶接を前提として溶接継手等を説明しているが、溶接継手を変更することにより、レーザ溶接や電子ビーム溶接等の高エネルギー溶接を適用することも可能である。そしてこのような高エネルギ密度熱源を用いる場合、ブーム前部材２０やブーム後部材２１の各開口縁２０ａ、２０ｃ、２１ａ、２１ｃに設けていた厚肉部分の形成を省略し、これらを他の部分２０ｂ、２１ｂと同厚さにすると共に、ブーム中間部材２２、アーム連結用ブラケット２４、車体取付用ブラケット２５にそれぞれ設けていた連結用突起４４、４７、４９を省略し、これらの部分を突合せ裏波溶接する構成としてもよい。
Claims (9)
- 基端側が車体に取付けられ、先端側にアームの取付けられる側面視ブーメラン状のバケット式掘削機のブームにおいて、ブーム本体（２３）の横断面形状を中空の三角形状にしたことを特徴とするバケット式掘削機のブーム。
- 上記ブーム本体（２３）の横断面形状は、三辺を直線とし、二辺の各会合部をそれぞれ円弧状に構成したことを特徴とする請求の範囲第１項記載のバケット式掘削機のブーム。
- 上記ブーム本体（２３）の横断面形状は、下面が三角形状の底辺で、上面が三角形状の頂部となる三角形状としたことを特徴とする請求の範囲第２項記載のバケット式掘削機のブーム。
- 上記二辺の会合部が円弧状に構成された上面にアームシリンダ用ブラケット（２６）を接合したことを特徴とする請求の範囲第３項記載のバケット式掘削機のブーム。
- 上記ブーム本体（２３）の横断面形状は、下面が三角形状の底辺で、上面が三角形状の頂部となり、その頂部が２つの円弧部と平坦部で構成された断面三角形状とし、この頂部の平坦部にアームシリンダ用ブラケット（２６）を接合したことを特徴とする請求の範囲第２項記載のバケット式掘削機のブーム。
- 上記ブーム本体（２３）の略中央部にブームシリンダを取付けるためのピン嵌合孔（４５）を設け、先端部にアーム連結用ブラケット（２４）を、基端部に車体取付用ブラケット（２５）をそれぞれ接合したことを特徴とする請求の範囲第４項又は第５項記載のバケット式掘削機のブーム。
- 中空で横断面三角形状のブーム前部材（２０）の長手方向一端部と中空で横断面三角形状のブーム後部材（２１）の長手方向一端部とを前記各断面と同一断面形状でピン嵌合孔（４５）を備えたブーム中間部材（２２）にて接合してブーム本体（２３）とし、前記ブーム前部材（２０）の長手方向他端部にアーム連結用ブラケット（２４）を接合し、前記ブーム後部材（２１）の長手方向他端部に車体取付用ブラケット（２５）を接合したことを特徴とする請求の範囲第６項記載のバケット式掘削機のブーム。
- 二つの長辺（６０）（６０）と二つの短辺（６１）（６１）を有する略長方形状の板材（６２）を折曲することにより横断面三角形状の中空部材を形成し、二つの長辺（６０）（６０）の突き合わせ部を溶接することによりブーム本体（２３）を構成することを特徴とするバケット式掘削機のブームの製造方法。
- 上記ブーム本体（２３）は、その横断面形状において、三辺を直線とし、二辺の各会合部をそれぞれ円弧状に構成すると共に、下面が三角形状の底辺で、上面が三角形状の頂部となるよう配置し、さらに上記二つの長辺の突合せ溶接部を上記下面に配置していることを特徴とする請求の範囲第８項記載のバケット式掘削機のブームの製造方法。
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