挖掘机 技术区域
本发明涉及备有进行推土作业地推土铲的挖掘机。
背景技术
在通过备有推土铲的挖掘机进行推土作业的情况下，如果通过把刮板12向图7的箭头a所示方向推出，而导致隆起到刮板上方的土如箭头b所示那样越过刮板上面并下落到后方，则加工表面会被破坏。为了避免这种情况，需要暂时进行把刮板12提升而把土堆上部扫到前方、或者倒车并重新对地面进行修整等多余的处理，从而作业效率大幅地降低。
作为尽量减少该土向刮板后方越过的量的对策，第1，考虑相对于刮板宽度，使刮板高度足够大。
但是，推土铲10位于未图示出的作业设备的下方，而且该设备在挖掘时会下降到下方，所以有可能与推土铲10发生干涉。因此，不能使刮板高度足够大，其结果，很容易发生土的越过。
因此，如图7、图8所示，通过把刮板面15的上部弯曲为向前方较大地伸出的形状，而产生向下的推压力Fd以避免土的越过。
图8是把刮板面15在高度方向上划分为多个(NO1～NO10)区域、并把各区域置换为近似的直线、来表示力的产生状况的图，Fu是沿着刮板面15而将土上推的上推力，Fd是向下推压土的下压力。
刮板面15的形状如下地设定：在从刮板面15的下端到中间部的区域15a(NO1～NO4)中，上推力Fu作用，另一方面，在从中间部到上部的区域15b(NO5～NO10)中，下压力Fd作用，且Fd的总和∑Fd与Fu的总和∑Fu大致相等(∑Fu＞∑Fd，但是其比率是接近于50：50的值)。
但是，Fu几乎被Fd抵消，其结果，在刮板面上部最终残存的实际上推力变小，所以土并不翻动到前方而是产生堆积并如图7所示那样形成底部L长的土堆。因而，因刮板12的前进力，土堆很容易向后方倒塌。
又，根据本发明者的试验，实际上，存在因土碰撞在刮板面15上而产生的能量损耗，已经证明这是Fu减少的原因之一。因此，如果使用在刮板面上部的Fu的残存值很小的推土铲10，则容易产生土的越过，从而作业效率较低。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种挖掘机，其可以有效地将由推土铲推起的土翻动到前方从而抑制土向推土铲后方的越过，能够提高推土作业的效率。
本发明的挖掘机具有以下的基本构成。
即，备有下部行驶体和安装在该下部行驶体上的推土铲，该推土铲具有推土铲臂与刮板，所述刮板以相对于地面形成规定的前角的方式安装在该推土铲臂的前端。进而，通过在使该刮板接地的状态下使上述下部行驶体行驶而进行推土作业时所使用的刮板的刮板面满足以下的必要条件：
A)产生沿着刮板面而将土向上方推起的上推力Fu；
B)在刮板的上部形成有排放面，在该排放面上，上述上推力Fu产生将推起的土向刮板前方翻动的朝向前上方的排放力；
C)设在刮板的上部的排放面上、因产生排放力而产生的向下的下压力为Fd时，该下压力Fd的总和∑Fd与上推力的总和∑Fu之间的关系是∑Fu＞∑Fd；而且，
D)在把上推力Fu设定为正值，另一方面，把因土碰撞在排放面上而产生的上推力Fu的减少部分与下压力Pd设定为负值的情况下，在上述排放面的最终部分上的值为正值。
推土作业时的土的动向，如后所述，由土通过刮板面而承受的力的方向与大小决定。即，被削掘下来的土通过上推力而沿着刮板面上升，通过下压力而下降。在此，通过使上推力向前转换而产生把土翻动到前方的力(排放力)，若该排放力足够大，则土就可以被高效地翻动到前方。
根据本发明，在刮板上部的排放面上，使上推力Fu的方向向前转换从而产生排放力，
(i)该排放力的起源即上推力的总和∑Fu比下压力Fd的总和∑Fd大；
(ii)把上推力Fu设定为正值，把因土碰撞在排放面上而产生的上推力的减少部分与下压力Fd设定为负值，刮板面的形状设定为，使得在排放面的最终部分上的值为正值，因此可以使排放力足够大。
由此，在刮板上部如高波似地把土高效地翻动到前方，做成容易向前倒塌的(底部短)土堆，从而可以快速地从左右排出，所以可以提高推土作业的效率。
【附图说明】
图1是本发明实施方式的推土铲的刮板的剖视图；
图2是用于说明在该刮板面的高度方向各部分上的力的产生状况的图；
图3是该实施方式的推土铲的侧视图；
图4是该实施方式的推土铲的概略俯视图；
图5A、图5B是用于说明由推土铲的排放面的角度变化而决定的推土作用的效率的图，分别是说明本实施方式的刮板与比较对象的刮板在接地的状态与移动到上方的状态下的排放面的角度变化的图；
图6是挖掘机整体的概略侧视图；
图7是现有技术的推土铲的侧视图；
图8是用于说明在现有技术的推土铲的刮板面的高度方向各部分上的力的产生状况的图。
【具体实施方式】
基于图1～图6说明本发明的挖掘机。
首先，图6示出了作为应用了本发明的挖掘机的一实施方式的、带有推土铲的小型挖掘机(称之为微型挖掘机)。该挖掘机如下地构成：上部旋转体2绕纵轴旋转自如地搭载于履带式的下部行驶体1上，作业(挖掘)设备9安装在该上部旋转体2上，所述作业(挖掘)设备9由动臂3、斗杆4、铲斗5以及驱动它们的液压压力缸(动臂、斗杆、铲斗各压力缸)6、7、8构成。
推土铲20备有推土铲臂23与刮板(推土板)21，所述刮板(推土板)21在相对于地面保持规定的前角θ的状态下安装在该推土铲臂23的前端，推土铲臂23的基端部通过水平的臂支承轴24安装在下部行驶体1上。
又，在推土铲臂23与下部行驶体1之间设置有推土铲压力缸30，通过该压力缸30的伸缩动作，推土铲臂23以臂支承轴24为中心转动，而使刮板21上下移动。
通过推土铲20进行推土作业时，在使刮板21的下端接地的状态下使下部行驶体1向前方行驶，由此来利用向图6的前方的推入力以刮板21的前面(刮板面)22削掘土并推土。
该推土作用如下地进行。
(1)削掘下来的土开始积存在刮板面22的前方。
(2)积存的土沿着刮板面22而上升(被上推)。
(3)被推起的土在自重以及上推力的作用下向前翻动并倒塌。
(4)倒塌的土以刮板中心为分界而被从左右排出。
接着，图1、图2表示了本发明实施方式的挖掘机的推土铲20的刮板21的剖视图。
该刮板21的前面即刮板面22，形成为曲率半径相异的三个曲面在高度方向上连续的面。
即，刮板面22由下部22a与中间部22b与上部22c而形成，所述下部22a具有最大的曲率半径R1，中间部22b具有最小的曲率半径R2，上部22c具有介于其中间的曲率半径R 3。
在此，刮板面下部22a形成为在接地状态下后倒地(向后方倾倒地)倾斜从而形成前角θ的曲面、上部22c形成为前倒地倾斜从而把土翻动到前方的曲面。又，中间部22b作为将曲面从下部22a平滑地转接到上部22c的连接面，并且形成为后倒的倾斜角度逐渐变小的曲面。
该刮板面22的形状按照能够取得如下作用的条件设定。
I)产生沿着刮板面22将在刮板21的下端削掘下来的土上推的上推力Fu。
II)在刮板21的上部22c上，上推力Fu的方向向前转换，由此，产生使土向前方移动的力(排放力)。
III)在刮板21的上部(排放面)22c上，通过产生排放力而产生的向下的下压力Fd的总和∑Fd与上述上推力Fu的总和∑Fu之间的关系是∑Fu＞∑Fd。
IV)把上述上推力Fu设定为正值，把因土碰撞在排放面22c而产生的上推力的减少部分与下压力Fd设定为负值，在排放面的最终部分上的值为正值。
根据图2、图8以及表1～3对这一点进行详细说明。
图2与作为现有技术的图8的刮板面15同样，是在高度方向上把刮板面22划分为多个区域(在此，是NO1～NO7的区域)、且把各区域置换为近似直线、从而通过计算求出力(分力)的产生状况的图。
条件：对刮板下端施加单位荷载100，并对刮板面22施加荷载。又，各区域的直线，相对于作为曲面的刮板面22，尺寸误差在1mm以内。
【表1】
直线NO 力 受力范围 合力 力的种类 实际上推力 1 65 65 4225 Fu +4225 2 50 35 1750 Fu +5975 3 50 35 1750 Fu +7725 4 30 45 1350 Fu +9075 5 10 45 450 Fu +9525 6 -15 55 -825 Fd +6986.18 7 -30 55 -1650 Fd +1159.429
※「力」×「受力范围」＝合力
在形成刮板面下部22a的NO1～NO3的各区域上，分别产生大小为65、50、50的朝向后上方的上推力Fu。
在形成刮板面中间部22b的NO4、NO5的区域上，分别产生大小为30、10的朝向后上方的上推力Fu。
在形成刮板面上部(排放面)22c的NO6、NO7的区域上，分别产生大小为15、30的朝向后下方的下压力Fd。在此，为与上推力Fu对比，下压力Fd在表1中用-(负值)表示。
以这样的力作用的方式设定刮板面22的形状。
相对于此，在现有技术的推土铲的刮板面12的情况下，产生如图8以及表2所示的力。在此，对于与本发明的实施方式具有大致相同的尺寸、且刮板面整体形成为单一的曲面(例如R＝160mm)的刮板面，通过计算求出在NO1～NO10的10个区域中产生的力。
【表2】
直线NO 力 受力范围 合力 力的种类 实际上推力 1 50 110 5500 Fu +5500 2 55 21 1155 Fu +6655 3 40 21 840 Fu +7495 4 15 21 315 Fu +7810 5 -5 21 -105 Fd +7650.512 6 -25 21 -525 Fd +5496.482 7 -45 21 -945 Fd +2039.066 8 -60 21 -1260 Fd -510.278 9 -70 21 -1470 Fd -1591.88 10 -70 35 -2450 Fd -2788.34
※「力」×「受力范围」＝合力
在该现有技术的实施方式中，在NO1～NO4的下部区域中，产生上推力Fu(从NO1开始依次为50、55、40、15)，在剩余的NO5～NO10的上部整个区域中，产生下压力(从NO5开始依次为-5、-25、-45、-60、-70、-70)。
以上的结果如表3所示，上推力Fu的总和∑Fu，根据现有技术的推土铲为7810，与其相对，在本发明的实施方式中则是9525，下压力Fd的总和∑Fd，在现有技术中为-6755，在本发明的实施方式中则是-2475。
【表3】
∑Fu ∑Fd 比率(∑Fu∶∑Fd) 本实施方式的推土铲 9525 -2475 79％∶21％ 现有的推土铲 7810 -6755 54％∶46％
即，在该现有技术中，∑Fu≈∑Fd(比率∑Fu∶∑Fd是54％∶46％，约为1.2倍，可以说大致相同)。相对于此，根据本发明的实施方式，比率∑Fu∶∑Fd是79％∶21％，约为3.8倍，即，∑Fu＞∑Fd，上推力Fu的总和∑Fu远远大于下压力Fd的总和∑Fd。
另一方面，根据本发明者的试验，因土碰撞在排放面22c而产生的能量损耗部分(排放阻力)会使上推力Fu减少，所以实际上，在排放面22c的最终部分(NO7的区域)上残存的上推力比上述的值低。
该实际上推力表示在表1、表2的最右栏中。表中，正值表示上推力，负值表示下压力以及由排放阻力所得的使上推力减少的力。
若从现有技术进行说明，则在图8以及表2中，在NO1～NO4的各区域(刮板面下部15a)中，因为不产生排放阻力，所以上推力Fu的总和是+7810。
相对于此，在NO5～NO10的各区域中，除了下压力Fd之外，还产生排放阻力。因而，在该部分中，上推力减少。加进了该减少部分的实际上推力的计算如下：在每个区域内，求出因排放阻力而产生的力的减少部分的总和，然后从上推力中扣除其与下压力二者的和，从而求出实际上推力。
例如在NO5的区域中，在NO4区域中作用的上推力是7810，在NO4、NO5中的因排放阻力而产生的力是29.99、30.00(单位荷载30)，受力范围是21(单位)，下压力是-105，在此情况下，相对于上推力来说，在NO5的区间中相对于21个单位分别作用(29.99/30.00)的减少率，所以在NO5的区间中作用(29.99/30.00)21的减少率，根据
7810×(29.99/30.00)21-105
求出在NO5中的实际上推力7650.512。
接着，以该实际上推力的数值7650.512为基础，求出在NO6中的实际上推力，以下，直至NO10都进行同样的计算。
其结果，在刮板面最终部分NO10中的实际上推力是-2788.34，即下压力比上推力强。这是因为原本上推力Fu的总和∑Fu的绝对值小(与下压力Fd的总和∑Fd之差小)。
因而，根据该现有技术，在被挖掘的土超过刮板高度的区域中，上推力不作用，从而得不到足够的排放力。因此，土就不会翻动到前方而是堆积起来并如图7所示形成底部L长的土堆，在前进力的作用下，土堆容易倒到后方。
对应于此，根据本发明的实施方式，如图2以及表1所示，根据上述同样的计算方法求出在各区域中的实际上推力，其结果，在排放面22c的最终部分(NO7)中的实际上推力是+1159.429即足够大的正值。
换言之，在本发明的实施方式中，刮板面22的形状如下地设定：上推力Fu的总和∑Fu比下压力Fd的总和∑Fd大，除此之外，在排放面22c的最终部分(在表1中是NO7)中的值为正值。
因此，如图1所示，即使在土超过刮板高度的区域，也保持有超过下压力Fd的上推力Fu。因此，土一边被施加足够大的排放力Ff，一边沿着因土的自重与粘性而产生的高波似的抛物线而移动到刮板前方，从而倒塌下落在距刮板21足够远的位置。
这样，如图3所示，做成底部L短的土堆，并从刮板21的左右快速地排出。因此，可以提高推土作业的效率。
该情况下，如表3中所示，若把∑Fu与∑Fd的比率设定为79∶21(大致8∶2)的比率，则上推力Fu的总和∑Fu足够大，实际上推力也变为足够大的正值。其结果，形成下降边角度接近90°的底部L短的土堆，从而显然可以得到最高效的推土作用。
即，该情况下，通过把∑Fu与∑Fd的比率设定为大致8∶2的比率，而足够满足在「发明内容」中上述的(i)(ii)的条件，形成底部短并且下降边角度接近90°地立起的土堆，从而可以得到最高效的推土作用。
另外，该优选的比率根据土的粘度等性状而会稍稍变动，但大致是在8∶2附近的范围内。
在上述实施方式的构成中，刮板面22，形成为曲率相异的多个曲面连续的面，即，刮板面22全部由曲面形成，所以沿着刮板面22的土的移动可以顺利地进行，从而不存在如直线的连续面的情况下、土在拐点上附着等的弊端。
在此，刮板21，如图4所示，以相对于用箭头表示的推土铲行进方向正交的状态而被安装。因此，可以确保挖掘机的推土铲特有的功能，所述挖掘机的推土铲特有的功能是指：为了进行挖掘机的行驶部分的检修或者清扫等而以刮板21为支架将机体抬升起来、或在刮板21与作业设备之间夹持物体等。
又，刮板21的高度尺寸的上限值如上所述规定在不会与作业设备干涉的范围内，但是，在实际的机械中，为了确保上述高效的推土作用，本发明者通过计算确认出下述结果：刮板面22的高度尺寸(从下端至排放面22c的上端的尺寸)H与宽度尺寸W(如图4中所示)之间的关系优选地设定为W＝(4.4～5.7)×H。
另外，若刮板面宽度W是由上述式推导出的值以下，则其比下部行驶体1的宽度小，从而推土效率不好、不适于实用。又，若使其为由上述式推导出的值以上，则从刮板21左右进行的土的排出作用不好、不能实际地发挥上述刮板面22的推土作用。
另一方面，作为提高推土效率的其它对策，考虑俯视时相对于下部行驶体1的行进方向倾斜地安装刮板21整体，或者把刮板21整体作成为倒V字形。但是这样，就发挥不了如下的挖掘机的推土铲特有的功能：为了进行挖掘机的行驶部分的检修或者清扫等而以刮板21为支架将机体抬升起来、或在刮板21与作业设备9之间夹持物体等。
在该点上，希望与行进方向正交地安装刮板21。又，即使这样，基本上也可以仅仅通过上述刮板面22的形状设定而确保足够高效的推土作用。
但是，在推土作业中，实际上，主要是在地平面上方进行作业，所以必须重视这一点的作业性。
因而，为了确保在地平面上方的位置上进行上述高效的推土作业，希望考虑在使刮板21接地的状态与使之移动到上方的状态之间，刮板面上部(排放面)22c的角度变化尽可能小。
在该实施方式中，从上述观点出发，如图3以及图5A所示，推土铲臂23的相对于下部行驶体1的安装点(臂支承轴24)的高度位置设定为，在刮板接地的状态下处于在刮板面上部(排放面)22c的高度范围内。
这样，因刮板21的上下移动而产生的排放面22c的角度变化就变小。因此，与刮板21的上下移动无关，可以确保高效的推土作用。
以下，列举比较例说明该点。
设定在刮板21接地的状态下的理想的排放面22c角度α为16°，并假定两种情况，一种情况(前者)是：如图3以及图5A所示，把推土铲臂安装点高度位置设定在排放面22c的高度范围的大致中心部上；另一种情况(后者)是：如图5B所示，把推土铲臂安装点高度位置设定在排放面22c下方的大致最下限位置上。对两者进行比较可知，把刮板21提升至某一相同高度时的排放面22c的角度α，在前者中是26°，相对于此，在后者中是29°。即，在前者中排放面角度α的角度变化比后者小大约3°。因而，如图3以及图5A所示，推土铲臂23的安装点设定成，在刮板接地的状态下处于刮板面上部22c的高度范围内，所以与刮板21的上下移动无关，可以确保高效的推土作用。
在此，排放角度α是指相对于刮板面22的排放面22c的上端的切线与刮板接地状态下的垂线所形成的角度。
另外，在微型挖掘机的情况下，在地面下方进行的推土作业，因为行驶力小等原因而被限制在数+mm左右的范围内，所以不会因为排放面22c的角度变化小而成为问题。
以上，参照附图中的优选实施方式对本发明进行了说明，但是，本发明并不限于土述实施方式，当然可以在不脱离本发明的权利要求书的范围内进行种种变更。