專 題：上車架的設計能力
開發人員訪談
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神鋼建機
開發本部 生産設計部
上部旋轉體開發組 組長大野 修一先生
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神鋼建機
開發本部 生産設計部
上部旋轉體開發組 負責人奧西 隆之先生
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神鋼建機
開發本部 生産設計部
上部旋轉體開發組岡野 哲也先生
強度、耐久性、
操作性和駕駛的舒适度，需全盤考慮
上車架作為挖掘機的脊梁骨，絕對不可以損壞。它所被要求的條件是什麼呢？
向每天都要面對嚴酷現場需求的從事開發的3名工作人員，詢問了蘊含在設計之中的精髓。
上部旋轉體開發組，設計了下部行走體以外的幾乎全部部分。
上車架開發小組是其中一部分。
必須具備相當的硬度，
滿足上車架強度要求
神鋼建機開發本部生産設計部的上部旋轉體開發組，其中20人組成了上車架開發小組。上車架裝載了液壓挖掘機的上部旋轉體的全部部件，并與下部行走體相連，無疑是挖掘機的根基。那麼，在開發中，最需要的是什麼呢？開發小組的負責人奧西隆之明确地做了回答。“承載了所有上部旋轉體的上車架如同人體的脊梁骨。我們的目标是，設計出不會損壞的上車架。”
在正在工作的現場，假設損壞的是由銷軸連接的機器附件，可以通過更換進行維修。但是，如果上車架壞了，是無法簡單地更換承載了所有機器零部件的上車架的。隻能停止現場作業。
上車架承載的負荷的重量是相當可觀的。例如，一台30噸位的挖掘機，即便隻考慮承載物的重量，僅工作裝置、配重、發動機就占挖掘機全體重量的60%，這還不包括駕駛室和液壓油箱、柴油箱等的承重。
焊接、噴塗工序結束，進入上部旋轉體的組裝工序的上車架。
給人留下了最深刻的印象是，連接各個機器的液壓軟管的數量衆多。
挖掘機行走時，上車架除了支撐着上述這些重物的搖晃，還必須控制停止旋轉時由于慣性導緻的繼續運行的力量。挖掘機挖掘時，上車架也一直處于和砂石搏鬥的狀态，鏟起砂石時必須在工作裝置和配重之間努力地保持平衡。并時常不斷地承受這種沖擊。
因此，為了保持不損壞，需要什麼條件？借擔當設計的岡野哲也的話來說，那就是“除了強度，同時還要求具備硬度”。所謂硬度，是指被施加力時，不容易變形的程度。這是由于挖掘機工作時，從各個方向使其扭曲、變形的力量在發揮作用。
“如果根基的硬度較弱，則會導緻承載物發生搖晃，無法命中想要挖掘的位置，對操作性也會産生影響。如果支撐駕駛室的地方較弱，行走時就會搖搖晃晃，如同乘船一樣。”
為了支撐并組裝具有一定重量的鐵闆，以保證不移位，使用強力的老虎鉗和夾具牢牢地加以固定後焊接。
如何提高硬度，這成為上車架開發時的最大課題。因此，在設計上，下了哪些功夫呢？
第一個答案是，設計考慮了各個裝載物的布局和重心位置。例如，發動機等重物盡量放置到較低位置，這樣可以避免搖晃，增加穩定性。還需保持左右的平衡。但是，不能随意決定裝載物的位置。
例如，上車架的正中間部分稱作中心架，但是未必一定處在車體左右的正中央位置。有時由于駕駛室和工作裝置的位置關系，可能偏右。“這種情況下，挖掘時會産生扭力，因此實施起來很困難。”
解析上車架承受到負荷時的扭曲的圖表。
承受的負荷大小，通過不同的顔色加以表示。反複解析進行驗證。
第二個自然是在結構上下功夫。“上車架是鐵闆的組合，因此，我們在鐵闆的厚度和組合方式上下功夫，提高硬度”，奧西說道。
舉幾個淺顯易懂的例子。從上方看中心架時可以看到，豎立的2片鐵闆之間有橫梁，呈現梯子的形狀。這根橫梁放置在什麼位置支架不容易發生扭曲，橫梁擺放的位置也下了很大工夫。
中心架放入了呈梯子形狀的橫梁。通過這樣，防止扭曲變形。
同時，我們看豎立的鐵闆的截面，可以看到裝載着上下垂直的呈現I形的鐵闆。鐵路的軌道也是相同的形狀，這種形狀針對從上部施加下來的荷重，不容易發生變形。
垂直豎立的鐵闆的上下部位裝載有水平的闆子，截面呈H形。
如同鐵路線路一樣，該形狀能夠承受來自上部的荷重。
不僅設計，
還執着于制作
“僅靠設計是無法保證質量的。前行到制造車間，在制作方面下功夫也是至關重要的。不斷提高質量，也需要降低成本，沒有裝載部位相關的廣泛的知識，也無法實現好的開發”，開發組的組長大野修一說道。
上車架為焊接結構，實際上，焊接的容易度是設計上的一大要點。雖然無論如何設計都存在必須人工焊接的部分，但是設計時，應該考慮到如何提高機器人焊接的使用率。或者說，設計上考慮到生産現場工作人員的作業容易度。岡野說了以下一段話。
“一旦出了設計圖紙，即便難以作業，到進行下一次變更模型為止需要一直進行相同的作業。這個責任非常重大，因此，在畫設計圖前，需要和生産部門充分溝通，然後再作圖。”
左圖是臨時組裝的臨時焊接。
這樣固定以後，如同上圖一樣，機器人牢牢地焊接必要的部分。
焊接時，某一部分會發生扭曲，其後需去除變形的工序。由于支架上面載有重物，因此隻要平面有一點扭曲，就不能很好的進行裝載。從這個意義上講，扭曲是大敵。在設計階段，會研究焊接的長度和焊接量、焊接位置等，需要通過各種方案消除變形翹曲。
當然也必須考慮維護的便利性。考慮到上車架的強度和硬度要求，需要在鐵闆上盡力少開孔。但是，對機器進行維護時，需要從下面進入，理所當然提出 “這裡需要開孔” 的要求。而且上車架内部也需布滿液壓軟管。因此根據必要性，研究上車架的開孔數及位置并再次檢查強度。反複進行這樣的實驗。
焊接結束的上車架進入噴塗工序。
先噴塗防止生鏽的底漆，然後再正式噴塗。
那麼，進一步考慮強度的話，材料的要求是怎樣的呢？有沒有使用最先進的高強度材料這個選項呢？“雖然也存在成本的問題，但是是否容易購買也很重要。例如，在山裡的現場，石頭從山上滑下來，損壞了機器時，在當地必須想盡辦法進行修理。這種情況下，很難購買到特殊材料，加工也困難，無法進行維修。雖然是一件很細小的事情，但是這個因素也要考慮到。”
挖掘機在實施挖掘作業時，對工作裝置的負荷與想要取得平衡的配重的重量之間，上車架成為支點加以支撐。
液壓挖掘機的行走裝置上沒有裝載減弱沖擊的彈簧。由于本身是鐵塊，行走時、作業時的沖擊，會直接傳遞到上車架上。這個沖擊猶如“每次用榔頭狠狠地敲擊一樣”。這就要求上車架具備能夠承受這個沖擊力的強度和耐久性。
噴塗前用細小的金屬顆粒，高速打磨粗糙的焊接面，去除鐵闆以及焊接生鏽的部分以及油，為噴塗做好基礎準備。
因嚴酷的現場需求
耐久性進一步得以提高
設計人員自身
親赴現場進行驗證
後部呈圓形的小型挖機（SR機型）的上車架。
呈現大的底闆上承載全部零部件的形狀。
耐久性的驗證也是至關重要的。大野說道。
“從設計階段的電腦上的解析、到試制、試驗，再到産品化，反複進行了徹底的測試，若使用條件在設想範圍以内，那麼我們對耐久性很有自信。但是，即使當前很有自信，客戶的使用方法将來也會不斷發生變化。因此，設計人員自己親赴現場，親眼去看，然後将其用到設計之中的活動，是非常重要的。同時，設計人員了解生産線也非常重要，因此實際上也派設計人員到制作現場學習工作。”
尤其在中國、印度、東南亞的現場，對建設工程機械需求很高，對現場應對的意識非常強烈。在規模更大、環境嚴酷的現場，為了長時間滿負荷工作，耐久性需進一步得以提高。
岡野為了調查45噸位的高強度工作機器的運行情況，遠赴中國内蒙古現場。在工作了5千小時和1萬小時的挖掘機的工作裝置上，發現了微小的裂紋。
“由于有現場的環境和挖掘機使用方法等的影響，微小裂紋的原因并不能一概而論。實際上，也有即使工作2萬小時，也不會出現任何裂紋的情況。但是，即便微小的裂紋，設想到更加嚴酷的環境，必須去考慮相應的對策。”
中國的采掘現場。在規模較大環境嚴酷的現場，滿負荷作業的挖掘機。
調查了在這種環境下高強度運轉的機器，反饋了耐久性。
親自去現場查看，對設計人員來講是“對答案”。岡野說道。
“在開發現有挖掘機10型機時，全設計部門緻力于品質改善工作。到以中國為首的世界各地的現場，進行了調查。并以調查結果為基礎改善強度，也進一步提高了上車架的耐久性。無論什麼樣的現場，為了滿足客戶的要求，将進一步提高上車架的性能。”
左方是SR機型的上車架。右方是标準機型的中心架。
可以看到大小和構造上的差異。