专 题:上车架的设计能力

开发人员访谈

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    开发本部 生产设计部
    上部旋转体开发组 组长

    大野 修一先生

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    开发本部 生产设计部
    上部旋转体开发组 负责人

    奥西 隆之先生

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    开发本部 生产设计部
    上部旋转体开发组

    冈野 哲也先生

强度、耐久性、
操作性和驾驶的舒适度,需全盘考虑

上车架作为挖掘机的脊梁骨,绝对不可以损坏。它所被要求的条件是什么呢?
向每天都要面对严酷现场需求的从事开发的3名工作人员,询问了蕴含在设计之中的精髓。

上部旋转体开发组,设计了下部行走体以外的几乎全部部分。
上车架开发小组是其中一部分。

必须具备相当的硬度,
满足上车架强度要求

  太阳集团53138备用网址_www.931net开发本部生产设计部的上部旋转体开发组,其中20人组成了上车架开发小组。上车架装载了液压挖掘机的上部旋转体的全部部件,并与下部行走体相连,无疑是挖掘机的根基。那么,在开发中,最需要的是什么呢?开发小组的负责人奥西隆之明确地做了回答。“承载了所有上部旋转体的上车架如同人体的脊梁骨。太阳集团53138备用网址的目标是,设计出不会损坏的上车架。”

  在正在工作的现场,假设损坏的是由销轴连接的机器附件,可以通过更换进行维修。但是,如果上车架坏了,是无法简单地更换承载了所有机器零部件的上车架的。只能停止现场作业。

  上车架承载的负荷的重量是相当可观的。例如,一台30吨位的挖掘机,即便只考虑承载物的重量,仅工作装置、配重、发动机就占挖掘机全体重量的60%,这还不包括驾驶室和液压油箱、柴油箱等的承重。

焊接、喷涂工序结束,进入上部旋转体的组装工序的上车架。
给人留下了最深刻的印象是,连接各个机器的液压软管的数量众多。

  挖掘机行走时,上车架除了支撑着上述这些重物的摇晃,还必须控制停止旋转时由于惯性导致的继续运行的力量。挖掘机挖掘时,上车架也一直处于和砂石搏斗的状态,铲起砂石时必须在工作装置和配重之间努力地保持平衡。并时常不断地承受这种冲击。

  因此,为了保持不损坏,需要什么条件?借担当设计的冈野哲也的话来说,那就是“除了强度,同时还要求具备硬度”。所谓硬度,是指被施加力时,不容易变形的程度。这是由于挖掘机工作时,从各个方向使其扭曲、变形的力量在发挥作用。
  “如果根基的硬度较弱,则会导致承载物发生摇晃,无法命中想要挖掘的位置,对操作性也会产生影响。如果支撑驾驶室的地方较弱,行走时就会摇摇晃晃,如同乘船一样。”

为了支撑并组装具有一定重量的铁板,以保证不移位,使用强力的老虎钳和夹具牢牢地加以固定后焊接。

  如何提高硬度,这成为上车架开发时的最大课题。因此,在设计上,下了哪些功夫呢?

  第一个答案是,设计考虑了各个装载物的布局和重心位置。例如,发动机等重物尽量放置到较低位置,这样可以避免摇晃,增加稳定性。还需保持左右的平衡。但是,不能随意决定装载物的位置。
  例如,上车架的正中间部分称作中心架,但是未必一定处在车体左右的正中央位置。有时由于驾驶室和工作装置的位置关系,可能偏右。“这种情况下,挖掘时会产生扭力,因此实施起来很困难。”

解析上车架承受到负荷时的扭曲的图表。
承受的负荷大小,通过不同的颜色加以表示。反复解析进行验证。

  第二个自然是在结构上下功夫。“上车架是铁板的组合,因此,太阳集团53138备用网址在铁板的厚度和组合方式上下功夫,提高硬度”,奥西说道。
  举几个浅显易懂的例子。从上方看中心架时可以看到,竖立的2片铁板之间有横梁,呈现梯子的形状。这根横梁放置在什么位置支架不容易发生扭曲,横梁摆放的位置也下了很大工夫。

中心架放入了呈梯子形状的横梁。通过这样,防止扭曲变形。

  同时,太阳集团53138备用网址看竖立的铁板的截面,可以看到装载着上下垂直的呈现I形的铁板。铁路的轨道也是相同的形状,这种形状针对从上部施加下来的荷重,不容易发生变形。

垂直竖立的铁板的上下部位装载有水平的板子,截面呈H形。
如同铁路线路一样,该形状能够承受来自上部的荷重。

不仅设计,
还固执于制作

  “仅靠设计是无法保证质量的。前行到制造车间,在制作方面下功夫也是至关重要的。不断提高质量,也需要降低成本,没有装载部位相关的广泛的常识,也无法实现好的开发”,开发组的组长大野修一说道。

  上车架为焊接结构,实际上,焊接的容易度是设计上的一大要点。虽然无论如何设计都存在必须人工焊接的部分,但是设计时,应该考虑到如何提高机器人焊接的使用率。或者说,设计上考虑到生产现场工作人员的作业容易度。冈野说了以下一段话。
  “一旦出了设计图纸,即便难以作业,到进行下一次变更模型为止需要一直进行相同的作业。这个责任非常重大,因此,在画设计图前,需要和生产部门充分沟通,然后再作图。”

左图是临时组装的临时焊接。
这样固定以后,如同上图一样,机器人牢牢地焊接必要的部分。

  焊接时,某一部分会发生扭曲,其后需去除变形的工序。由于支架上面载有重物,因此只要平面有一点扭曲,就不能很好的进行装载。从这个意义上讲,扭曲是大敌。在设计阶段,会研究焊接的长度和焊接量、焊接位置等,需要通过各种方案消除变形翘曲。

  当然也必须考虑维护的便利性。考虑到上车架的强度和硬度要求,需要在铁板上尽力少开孔。但是,对机器进行维护时,需要从下面进入,理所当然提出 “这里需要开孔” 的要求。而且上车架内部也需布满液压软管。因此根据必要性,研究上车架的开孔数及位置并再次检查强度。反复进行这样的实验。

焊接结束的上车架进入喷涂工序。
先喷涂防止生锈的底漆,然后再正式喷涂。

  那么,进一步考虑强度的话,材料的要求是怎样的呢?有没有使用最先进的高强度材料这个选项呢?“虽然也存在成本的问题,但是是否容易购买也很重要。例如,在山里的现场,石头从山上滑下来,损坏了机器时,在当地必须想尽办法进行修理。这种情况下,很难购买到特殊材料,加工也困难,无法进行维修。虽然是一件很细小的事情,但是这个因素也要考虑到。”

挖掘机在实施挖掘作业时,对工作装置的负荷与想要取得平衡的配重的重量之间,上车架成为支点加以支撑。

  液压挖掘机的行走装置上没有装载减弱冲击的弹簧。由于本身是铁块,行走时、作业时的冲击,会直接传递到上车架上。这个冲击犹如“每次用榔头狠狠地敲击一样”。这就要求上车架具备能够承受这个冲击力的强度和耐久性。

喷涂前用细小的金属颗粒,高速打磨粗糙的焊接面,去除铁板以及焊接生锈的部分以及油,为喷涂做好基础准备。

因严酷的现场需求
耐久性进一步得以提高

设计人员自身
亲赴现场进行验证

后部呈圆形的小型挖机(SR机型)的上车架。
呈现大的底板上承载全部零部件的形状。

  耐久性的验证也是至关重要的。大野说道。
  “从设计阶段的电脑上的解析、到试制、试验,再到产品化,反复进行了彻底的测试,若使用条件在设想范围以内,那么太阳集团53138备用网址对耐久性很有自信。但是,即使当前很有自信,客户的使用方法将来也会不断发生变化。因此,设计人员自己亲赴现场,亲眼去看,然后将其用到设计之中的活动,是非常重要的。同时,设计人员了解生产线也非常重要,因此实际上也派设计人员到制作现场学习工作。”

  尤其在中国、印度、东南亚的现场,对建设工程机械需求很高,对现场应对的意识非常强烈。在规模更大、环境严酷的现场,为了长时间满负荷工作,耐久性需进一步得以提高。

  冈野为了调查45吨位的高强度工作机器的运行情况,远赴中国内蒙古现场。在工作了5千小时和1万小时的挖掘机的工作装置上,发现了微小的裂纹。
  “由于有现场的环境和挖掘机使用方法等的影响,微小裂纹的原因并不能一概而论。实际上,也有即使工作2万小时,也不会出现任何裂纹的情况。但是,即便微小的裂纹,设想到更加严酷的环境,必须去考虑相应的对策。”

中国的采掘现场。在规模较大环境严酷的现场,满负荷作业的挖掘机。
调查了在这种环境下高强度运转的机器,反馈了耐久性。

  亲自去现场查看,对设计人员来讲是“对答案”。冈野说道。
  “在开发现有挖掘机10型机时,全设计部门致力于品质改善工作。到以中国为首的世界各地的现场,进行了调查。并以调查结果为基础改善强度,也进一步提高了上车架的耐久性。无论什么样的现场,为了满足客户的要求,将进一步提高上车架的性能。”

左方是SR机型的上车架。右方是标准机型的中心架。
可以看到大小和构造上的差异。

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