JP4202248B2 - 衝撃装置 - Google Patents

Description

詳細な説明

本発明は、削岩機または同様のものに用いられる衝撃装置に関し、この衝撃装置は、衝撃装置に接続されたツールに応力パルスを加える手段を含む。

従来の衝撃装置では、ストロークは、往復運動をするパーカッションピストンによって生成され、パーカッションピストンは、典型的には、油圧式または空圧式で駆動され、場合によっては、電気的に、または、燃焼エンジンによって駆動される。パーカッションピストンが、シャンクまたはツールのいずれかの衝撃面を打つと、応力パルスが、ロッドなどのツール内に生成される。

従来の衝撃装置の問題は、パーカッションピストンの往復運動が、装置の制御を複雑にする動的な加速力を生成するということである。ピストンが衝撃の方向に加速すると、削岩機は同時に反対方向に動く傾向があり、したがって、処理すべき材料へのビットまたはツールの端部の圧縮力が弱まる。処理すべき材料へのビットまたはツールの端部の圧縮力を充分に大きく維持するために、衝撃装置を材料の方へ充分に強く押さなければならない。その結果、衝撃装置の支持部その他の構造への追加の力を考慮しなければならず、したがって装置が、より大きく、より重くなり、製造に、よりコストがかかる。パーカッションピストンは、その質量のため遅く、その結果、ピストンの往復の周波数、したがって打撃周波数が制限される。しかし、衝撃装置の効率を改善するために、打撃周波数を増加させることが重要である。ところが、現在の機器では、このために効率がかなり低く、そのため、実際に衝撃装置の周波数を大きくすることができない。

本発明の目的は、衝撃操作によって生成される動的力の不利な作用が、従来の機器に比べて、より少なく、往復周波数を容易に大きくすることができる衝撃装置を提供することである。本発明による衝撃装置は、添付の特許請求の範囲に開示されることによって特徴付けられる。

本発明の基本的な考えによると、１つ以上の弾性衝撃要素によって、ストロークを与え、この弾性衝撃要素は、各ストロークのためのエネルギを蓄積するために、ストレス状態に置かれる。ストレス状態での要素の長さは、非ストレス状態での要素の長さとは異なり、衝撃要素のストレス状態を急に解放する。そのとき、要素は、その解放長さに戻ろうとして、蓄積された応力エネルギによってツールにストロークを加える、もしくは応力パルスを与える。

本発明では、上記のように生成されたインパルス上の衝撃運動は、往復するパーカッションピストンが不要であり、弾性衝撃要素の長さの変化は、ミリメータの程度であるという長所がある。結果として、衝撃方向の前後に大きな質量を動かす必要がなく、動的力は、従来の装置で用いられた往復する重いパーカッションピストンにより生成された動的力と比較して小さい。さらに、このような構造は、効率を実質的に低下することなく、往復速度を大きくすることを可能にする。

本発明を添付の図面によりさらに詳細に説明する。

図１は、本発明による衝撃装置の動作原理を概略的に示す。図の破線は衝撃装置１と、そのフレーム1aを示す。フレーム1aは弾性衝撃要素２を囲む。衝撃要素２は、要素の解放長さと比較して要素の長さが変わるところまで、選択的に圧縮されもしくは伸ばされる。実際に実施するときは、この変化は、ミリメータ程度、すなわち、たとえば１から２mmの間である。衝撃要素を変形させるためには当然、エネルギーが必要であり、このエネルギーは、機械式、油圧式、もしくは油圧機械式のいずれかにより、図２から図６の実際の例によって示されるように、要素２に与えられる。

衝撃要素に予め圧力を加えると、たとえば図の例によって示されるように圧縮されると、直接、もしくはシャンクまたは同様のものなどの独立した結合部品を介して、ツール３の端部を衝撃装置の端部に強く押し付けるように、衝撃装置１を前方に押す。この状況で、衝撃要素を急に圧縮から解放すると、衝撃要素は、その自然な長さに戻ろうとする。結果的に、応力波がロッドもしくは他のなんらかのツール内に生成され、応力波がツールの端部にまで伝わると、応力波は、従来の衝撃装置と同様に、処理すべき材料にストロークを生成する。

損失がない場合、理論的に衝撃要素と、そのプレストレスまたは伝搬応力波との比は、それぞれ、応力波の長さが、衝撃要素の変形した部分の長さの２倍であるようなものであり、それに応じて、応力波の強さは、衝撃のために衝撃要素に蓄積された応力の半分である。実際には、これらの値は、損失によって変わる。

図２は、本発明による衝撃装置の実施例を概略的に示す。衝撃要素２は、衝撃装置のフレーム1aに関して配置され、ツール３から離れている要素の端部は、衝撃装置のフレーム1aに支持され、要素は、ツール３に近い端部で油圧ピストン４により圧縮される。図には、さらに支持ジョー5aおよび5bを概略的に示す。支持ジョー5aおよび5bは、衝撃要素２にあるショルダ2aおよび2bに対応する。衝撃要素の動作およびパルス特性を変更すべきときは、ピストンからの衝撃要素２の長さL₁、もしくは、以下のもの、すなわち、対応するショルダ2a、2b、対応する支持ジョー、および圧力を加えるべき衝撃要素２の各長さL₂またはL₃のうちの１つのいずれかを利用することができる。

衝撃要素２の全長を用いるときは、概略的には要素を、ピストン４の後ろの圧力空間６に供給される油圧流体を用いて圧縮する。そして、図においてピストン４の左に示す衝撃要素の全長を変形させる。その結果、衝撃パルスの長さは、近似的にL₁の２倍になる。より短い別の形のパルスが必要なときは、たとえば支持ジョー5aを作り、対応するショルダ2aで支える。衝撃要素２に予め圧力を掛けるときは、衝撃要素２を、ピストン４と対応するショルダ2aとの間の長さにのみ圧縮する。したがって、ストロークによってツール３に伝搬する応力波の長さは、近似的にL₂の２倍である。さらに短い応力波は、対応するショルダ2bと支持ジョー5bにより得られる。このように、衝撃装置の動作特性は、使用するツールおよび動作情況に応じて適切に変えることができる。

図３は、本発明による衝撃装置の他の実施例を示す。この実施例では、衝撃要素は、別個のピボット機構により変形させられる。ピボット機構は、衝撃要素を横切って移動する油圧ピストン機構により駆動される。ピボット機構は、支持要素7aおよび7bを含み、支持要素7aおよび7bは、衝撃要素の中心軸を横切る軸に平行である。支持要素の間にはアクチュエータ7cがあり、アクチュエータ7cは、支持アーム8aおよび8bを介して要素7aおよび7bに支持されている。一方、ピストン９は、中央に長い開口9aを含み、アクチュエータ7cがそこまで伸びている。より好ましい装置では、ピストン９は、衝撃要素２の両側に２つの横ロッド9bを含む。この結果、アクチュエータ7cに作用する力が対称につり合っている。ピストン９が図の右へ動かされると、ピストン９はアクチュエータ7cを同じ方向に押す。したがって、支持アーム8aおよび8bを介して支持要素7aおよび7bをさらに離すように動かす。このとき衝撃要素２に、矢印Ａで示す方向に力が生成される。アクチュエータ7cが、支持要素7aおよび7bの間の中心線を横切るとき、図の右へ自由に振れることができる。このとき、支持要素7aおよび7bは再び互いに近づくように動くことができ、衝撃要素２の張力は、ツールに向かう応力波の形で開放される。したがってピストン９が図の左へ動かされると、ピボット機構は反対方向に、同様に長くされ、急速に短くされる。したがって、ツールに向かう新たな応力波が生じる。

図４は、本発明による衝撃装置の第３の実施例を概略的に示す。図は、衝撃要素２を油圧機械式機器により変形することを示す。この機器では、衝撃要素はショルダ2’を含み、ショルダ2’は、圧力流体空間10が環状ショルダと衝撃装置との間に形成されるように、衝撃装置のフレームに対して配置される。油圧流体は最初この空間10に、通常の油圧供給圧で供給される。衝撃要素２にさまざまな応力を加えることができる。すなわち、形成される応力波の形および強さは、供給される油圧流体の圧力もしくは予め加える圧力を変えることにより調整することができる。圧力流体空間10をその後閉じて、機械式トリガ要素12により駆動される別個のブースタピストン11も使用する。トリガ要素12とブースタピストン11との間には別個のベアリングシリンダ13がある。トリガ要素はさらに、ベアリングシリンダ13に面するショルダ12aを含み、シリンダは、使用時にはショルダに沿って回転する。この実施例では、圧力流体空間10が所望の圧力の油圧流体で満たされた後、トリガ要素が矢印Ｂで示す方向に、すなわち図の左へ動かされると、この要素は、ベアリングシリンダ13のショルダ12aにより、ブースタピストン11を圧力流体空間10の方へ押す。トリガ要素12が動き始める前に、圧力流体空間10へ通じる圧力流体流路が閉じられているため、空間10は囲まれており、ブースタピストン11が空間10に挿入されると、体積が減り、圧力が増加し、したがって、さらに衝撃要素２が変形する。ショルダ12aの険しい形状のため、ベアリングシリンダ13がピストン11から離れることができ、ベアリングシリンダ13とピストン11が急速に動くことができるところまでトリガ要素が移動すると、衝撃要素から、図示しないツールへと応力が急速に解放される。油圧流体が圧力流体空間10から圧力媒体空間もしくは他の何らかの空間へできるだけ少ない損失で流れることができるように、たとえば圧力流体空間10から圧力媒体空間もしくは他の何らかの空間への流路を実質的に同時に開くことにより、速度を大きくすることができる。トリガ要素を図の右へ移動させると、動作段階を再スタートさせることができ、所望の往復周波数を得るために繰り返すことができる。

ブースタピストン11の機械式構造を油圧式構造で置き換えることができる。図４に示すような構造では、圧力空間10と反対のブースタピストン11の端部に圧力面を設けている。この圧力面は、空間10に面する圧力面より大きい。したがって、この大きい方の圧力面には、圧力媒体の通常の圧力を加える。したがって、この面は、各面に働く圧力と対応する表面積の積がブースタピストンの両側で同じになるまで、ブースタピストン11を圧力空間10の方へ押す。圧力媒体が再び、空間10もしくはブースタピストン11の背後の空間のいずれかから急速に流れ出るようにすると、衝撃要素２内の張力は急速に放出され、その結果、応力パルスがツールに生じる。

図５は、本発明による衝撃装置の第４の実施例を示す。この実施例は、直列に接続され同時に変形されるいくつかの衝撃要素を用いている。これはたとえば、ちょうど真ん中にある衝撃要素としての固体の棒と、棒の周りで互いに重なり合うスリーブ状要素を用いることにより、実施することができる。本図では、これらのスリーブ状要素2’’および2’’’は説明のために断面で示す。この実施例では、各スリーブ状要素の端部にショルダを設け、ちょうど真ん中にある棒または次のスリーブ状要素をショルダで支持する。この実施例の使用時、衝撃要素の動作長さは、前のすべての衝撃要素2’から2’’’の長さの和である。この実施例を用いると、衝撃要素によって得られる応力パルスの特性を維持しながら、衝撃要素の実際の長さを衝撃要素まる１個分短くすることができる。上記のように直列に接続された衝撃要素の場合、一番内側の棒状衝撃要素と一番外側のスリーブ状衝撃要素は一例として圧縮力を受け、一方、２つの他の要素の間にあるちょうど真ん中のスリーブ状要素2’’は引張応力を受ける。したがってこのような機器では、衝撃要素は１つおきに圧縮応力を受け、１つおきに張力応力を受ける。前記のことはツールに形成される応力パルスの動作にとっては重要ではない。しかし結果は、衝撃要素の長さの和に相当する均一な衝撃要素の圧縮もしくは張力応力を用いて得られる応力波と同じである。

本図は、本発明による衝撃装置を実施するのに適した衝撃要素の構造も示す。この実施例では、衝撃要素はいくつかの平行な構成要素から形成されている。しかし、構成要素は同じ長さである。したがって衝撃要素の長さはこれらの構成要素の長さに等しい。別の見方をすると、要素は、同じ長さと対応する断面を有する個々の衝撃要素に対応する。

図６は、エネルギーを蓄積して所望の応力を与えるために圧縮の変わりに衝撃要素を伸ばす実施例を示す。この実施例では、衝撃要素２は、その前部から、衝撃装置のツールの近くの端部へ支持される。したがって要素は、衝撃装置のフレームの近くへは移動できない。一方、衝撃要素の反対の端部にはピストン4’が設けられている。そして、圧力流体空間6’が、衝撃装置のフレームとピストン4’との間で、ピストン4’のツールに面する側に形成されている。この実施例では、衝撃要素は、所望の応力状態が達成されるまで、油圧流体により伸ばされる。ストロークを与えるために、圧力流体空間6’の油圧流体は、本図に概略的に示すバルブ14により、急に流される。それにより衝撃要素２は、その通常の長さまで短くされ、その結果、ツール３に伝搬する応力波が生じる。

衝撃要素からツールへの蓄積エネルギーの伝達には、応力をかなり急速に解放することが必要である。しかし、ツールへ伝達される応力波の強さと長さを調整すべきときは、衝撃要素の解放率を利用することができる。すなわち、衝撃要素をゆっくり解放するほど、ツールへ伝搬する応力波の強さを弱くすることができ、その長さを大きくすることができる。このとき、ツールによって、処理すべき材料に加えられるストロークの性質はこれに応じて変わる。この場合でも衝撃要素の応力はかなり急速に解放される。衝撃要素の別の実施例では、構造上の理由から必要ならば、１以上の平行な固体要素を管状要素で置き換える。

本発明を、一例のつもりのみで、上記の明細書と図面により説明した。本発明は、これらに限定されることは全くない。本質的な特徴は、所望の応力状態を与えるために所望の力によって圧縮応力もしくは引張応力を受ける衝撃要素によってツールに応力波を生成し、その後、衝撃要素は急に応力状態から解放され、張力が、直接または間接にツールの端部に、そしてさらにツールへ放出されるようにする。

図１は、本発明による衝撃装置の動作原理を概略的に示す。 図２は、本発明による衝撃装置の実施例を概略的に示す。 図３は、本発明による衝撃装置の他の実施例を概略的に示す。 図４は、本発明による衝撃装置の第３の実施例を概略的に示す。 図５は、本発明による衝撃装置の第４の実施例を概略的に示す。 図６は、本発明による衝撃要素の実施例を示す。

Claims (8)

1. 衝撃装置に接続されたツールに応力パルスを加える手段を含む削岩機または同様のものに用いられる衝撃装置において、該応力パルスを加える手段は、該衝撃装置のフレームに支持された衝撃要素と、該衝撃要素に応力を加えるとともに該応力から該衝撃要素を急に解放する手段とを含み、そのとき、該要素に蓄積された応力エネルギーが、該衝撃要素に直接または間接に接続された前記ツールに向けられた応力波の形で放出され、該衝撃装置に応力を加える手段は、圧力流体空間と、前記衝撃要素に設けられ該圧力流体空間に面するショルダと、該圧力流体空間に油圧流体を供給するとともに該空間から圧力を解放する手段とを含むことを特徴とする衝撃装置。
2. 請求項１に記載の衝撃装置において、前記圧力流体空間から圧力を解放する手段は、加圧された油圧流体を該圧力流体空間から放出する手段を含み、前記衝撃要素は、加圧された油圧流体を該圧力流体空間へ供給することにより応力を加えられ、該油圧流体を該圧力流体空間から急に流出させることにより応力から解放されることを特徴とする衝撃装置。
3. 請求項２に記載の衝撃装置において、該装置は、前記圧力流体空間に接続されたブースタピストンと、該ブースタピストンを該圧力流体空間の方へ動かして該空間の体積が減り該空間の圧力が増えるようにする手段と、該ブースタピストンに自由に該圧力流体空間から離れさせて該空間の体積が増え該空間の圧力がそれに応じて減るようにする手段とを含むことを特徴とする衝撃装置。
4. 請求項３に記載の衝撃装置において、前記ブースタピストンは、機械式トリガ要素により前記圧力流体空間の方へ押されることを特徴とする衝撃装置。
5. 請求項４に記載の衝撃装置において、別個のベアリングシリンダが前記トリガ要素と前記ブースタピストンとの間に設けられ、該トリガ要素はショルダを含み、該ショルダは前記ベアリングシリンダに面し、該ベアリングシリンダは該ショルダに沿って回転し、前記トリガ要素が充分な距離、移動した後に、該ベアリングシリンダと前記ブースタピストンは急に前記圧力流体空間から離れることができ、応力パルスを生成するようにすることを特徴とする衝撃装置。
6. 請求項１に記載の衝撃装置において、前記衝撃要素は、該要素の長手方向に続々と配置された少なくとも２つの対応するショルダと、所望の対応するショルダを該衝撃装置の軸方向に不動に固定する固定手段とを有することを特徴とする衝撃装置。
7. 請求項１に記載の衝撃装置において、前記衝撃要素は、長手方向に直列に連結した少なくとも２つの別個の衝撃要素からなり、前記衝撃要素の応力長さは、直列に連結した衝撃要素の組み合わされた応力長さであるように該別個の衝撃要素は互いに作用することを特徴とする衝撃装置。
8. 請求項７に記載の衝撃装置において、前記衝撃要素のうちの少なくともいくつかは、実質的にスリーブ状であり、互いに同軸に配置されることを特徴とする衝撃装置。

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