JP5460852B2 - 加圧流体によって動作する打撃装置の回転制御弁の封止機構 - Google Patents

Description

発明の背景

本発明は、加圧流体によって動作する打撃装置の回転制御弁の封止機構に関するものであり、打撃装置には打撃装置のフレームに対して長手方向に工具を移動可能に装着でき、打撃装置は、工具の軸方向に可動装着された伝動ピストンを有する作業チャンバを含み、伝動ピストンに作用する加圧流体の圧力によって工具を長手方向に急激に加圧することで応力パルスを工具に対して発生させる。また打撃装置は制御弁を含み、制御弁には流入導路および流出導路が引かれて加圧流体を打撃装置に送ったり打撃装置から取り除いたりし、制御弁はまた、導路を備えた回転自在に取り付けられたスイッチ部材を有し、前記流入導路および流出導路をスイッチ部材に接続して、導路を通して加圧流体を作業チャンバに送ったり、同様に加圧流体を作業チャンバから放出したりし、これを交互に行う。加圧流体の流入導路のスイッチ部材側端部には、加圧流体の圧力下にあってスイッチ部材の表面に向かって延伸し流入導路をスイッチ部材に対して封止するための少なくとも１つの封止スリーブが設けられている。

加圧流体によって動作する打撃装置では、装置に対する加圧流体の供給および除去はそれぞれ供給導路および放出導路を通して行われる。供給導路および放出導路には、通常、加圧流体用ホースが連結されて、加圧流体を供給ポンプおよび加圧流体容器に供給する。

打撃操作中、様々な制御弁を使用して打撃装置への加圧流体の供給および排出を制御する。制御弁は、線状に動くか、もしくは回転してもよい。回転式弁では、実施上の問題の１つとしてとくに弁と導路の間の封止の問題が挙げられるが、その理由は、どのような隙間も漏出の原因となり、この漏出が作業効率の低下を引き起こすためである。また、封止についても、封止が固いと弁の回転抵抗が増し、その結果、装置の動力を無駄に消費してしまい、作業効率を低下させるという問題がある。

米国特許第7,290,622号が開示する方式では、独立した複数の封止スリーブを使用して回転制御弁を封止し、封止スリーブが加圧流体の圧力によって制御弁の表面に対して押し出されることで、両者間に隙間が残らない。封止スリーブの供給圧力を調節して発生する摩擦を極力小さく抑えておくことは、たとえ単体の封止スリーブ構造自体が有用であってもいささか困難なことである。

発明の簡単な説明

本発明は、封止スリーブを用いて実現される封止機構を提供することを目的とし、これにより封止処理を確実に行うとともに、封止処理の信頼性に影響を及ぼすことなく封止スリーブと回転弁の間の摩擦を従来よりも軽減させる。

本発明に係る封止機構は、封止スリーブがスイッチ部材の表面に対してその回転方向に傾斜して取り付けられ、封止スリーブのスイッチ部材側の表面がスイッチ部材の表面形状と実質的に同じであることを特徴とする。

本発明の意図は、加圧流体の流入導路のスイッチ部材側端部において、封止スリーブを弁の回転スイッチ部材の表面の移動方向に対して斜めに配設することにある。本発明の実施形態の意図は、封止スリーブを斜めに配設して、封止スリーブのスイッチ部材側端部がスイッチ部材の回転方向における封止スリーブの反対側端部よりも前方に位置するようにすることにある。

本発明に係る方式によれば、加圧流体導路が部分的にしか開かなかった場合、加圧流体の圧力が制御弁のスイッチ部材側から封止スリーブに作用して封止スリーブを押しやろうとし、圧力に対向する面における摩擦によって封止スリーブの動きが鈍くなり、それにより封止スリーブはスイッチ部材の表面に接触して、より適切な位置にとどまることができる。また、本発明の実施形態には、制御弁のスイッチ部材が回転すると、スイッチ部材と封止スリーブの間の摩擦が封止スリーブをスイッチ部材とともにスイッチ部材の動き方向に動かそうとし、これにより、斜め縦方向にある封止スリーブがスイッチ部材から離れる方向に伸びて、スイッチ部材の表面から外れようとする利点が有る。この状態だと、封止スリーブに作用する摩擦と種々の力とが均衡するようになり、この封止スリーブは、スイッチ部材に対して垂直な封止スリーブの場合よりもずっと小さい力でスイッチ部材を押圧する。

本発明を添付図面にてより詳しく述べる。
回転制御弁を備えた打撃装置の概略断面図である。 制御弁および封止スリーブの細部を示す概略断面図である。 本発明に係る実施形態の細部を示す概略断面図である。 本発明に係るさらに別の実施形態の概略図である。 本発明に係るさらに別の実施形態の概略図である。

発明の詳細な説明

図１は、フレーム2を備えた従来技術に係る打撃装置1の概略断面図であり、打撃装置の内部には作業チャンバ3が設けられ、作業チャンバ3内には伝動ピストン4が設けられている。伝動ピストン4は工具5と同軸であり、両者が軸方向に動くことで、伝動ピストン4は、少なくとも応力パルスが生じ始めてその発生中に工具5に直接接触するか、または工具に締結された公知の柄を介して間接的に工具に接触する。伝動ピストン4の工具と反対側には、作業チャンバ3に対面する圧力面が存在する。応力パルスを発生させるには、ポンプ6などの加圧源から流入導路7に沿って制御弁8を通して加圧流体を作業チャンバ3に送る。流入導路7は単路でよく、あるいは制御弁に達する位置で複数の導路に枝分かれして、各導路から加圧流体が一斉に制御弁に流入するものでもよい。制御弁は、開口部や溝8bのような導路を１本または図に示すように複数本備えた移動式スイッチ部材8aを有している。制御弁8のスイッチ部材8aが動くと、加圧流体が開口部または溝8bを通じて伝動ピストン4に作用し、これに対応して、スイッチ部材8aが動き続けると、伝動ピストン4に作用した加圧流体の圧力が放出導路9から放出される。加圧流体の圧力が伝動ピストン4を工具5に向かって押し出す際に応力パルスが発生して、ピストンを介して工具5を粉砕中の物体に押し付ける。応力パルスは、公知の方法で工具5の先端、例えばドリルビットを介して粉砕中の石などの物体に向かって進んで、物体を破壊する。制御弁8のスイッチ部材が加圧流体の打撃装置への流入を止めて、伝動ピストン4に作用していた加圧流体が放出口導路9から加圧流体容器10に放出させると、応力パルスが停止し、数ミリメートル程度の短い距離だけ工具5方向に動いていた伝動ピストン4が元の位置に戻れるようになる。弁8のスイッチ部材8aが動くとこれが繰り返され、圧力を交互に切り換えて伝動ピストンに作用させ、その後圧力を放出させる。それによりスイッチ部材8aが継続的に動いて、一連の連続する応力パルスが発生する。

打撃装置の使用中、送り力Fを利用してそれ自体公知の方法で打撃装置を工具5に向かって、そして同時に被粉砕物体に対して押し出す。伝動ピストン4を戻すためには、必要に応じて各応力パルスの合間をぬって加圧媒体をチャンバ3aに供給してもよく、あるいは、バネなどの機械的手段を用いて、または送り力を利用して打撃装置を掘削方向に押すことで伝動ピストンを戻してもよく、それにより、伝動ピストンは打撃装置に対して後退、つまり元の位置に戻る。工具は、それ自体が公知の方法でピストンとは別の部品でよく、またはピストンと一体化されていてもよい。

図１の例では、制御弁8は工具5と同軸で回転自在に移動するスイッチ部材8aを備え、スイッチ部材8aは、点線で簡略的に示した動力伝達を利用して、モータ11などの適切な回転機構を用いてその軸を中心に矢印Aの方向に回転する。あるいは、適切な機構を用いてスイッチ部材8aを回転自在に前後動させる。回転自在に移動するスイッチ部材をまた他に、例えばフレーム2の作業チャンバ3側に装着してもよい。さらに、あらゆるケースにおいて、スイッチ部材8aが加圧流体を作業チャンバ方向に送ったりチャンバから取り除いたりする導路を１本しか有していない制御弁を用いることも可能である。ただし、制御弁8のスイッチ部材8aは、複数本の平行な導路を備えているほうが望ましい。

図１はさらに、制御弁の回転速度または往復動する制御弁の運動速度を制御通信路または信号線13aおよび13bによって制御するように接続された制御ユニット12を示している。この種の調節は、それ自体が公知のいくつかの様々な技術を利用して、所望のパラメータ、例えば掘削条件や粉砕中の石の硬度を使用して行うことができる。

図２は、本発明に係る回転制御弁および封止機構の詳細な断面図である。例えば本図は、制御弁の矢印Aで示す方向に回転する円盤状回転スイッチ部材8aを示している。スイッチ部材8aは開口部8bを有し、そこから加圧流体が封止スリーブ20を通って打撃装置のピストン7へと流れるようになっている。スイッチ部材8a側の、スイッチ部材8aで終端する端部において、加圧流体の流入導路7が封止スリーブ20を保持している。

図２に示すように、封止スリーブ20は空間2aにスイッチ部材8aに対して傾斜角αで取り付けられているため、スイッチ部材の移動方向に向かってスイッチ部材から離れるように傾いている。そのため、封止スリーブ20のスイッチ部材8a側の端部は、封止スリーブ20のスイッチ部材8aから離れたほうの端部の手前でスイッチ部材の移動方向に位置する。封止スリーブ20は、長手方向に摺動可能な状態で、フレーム2内またはその一部に形成された空間2aに取り付けられ、封止スリーブ20の最外側端には、フレーム2に固定接続され空間21を塞ぐ栓22が設けられている。栓22は貫通導路23を有し、加圧流体がこの導路を通って封止スリーブ20内に流れ込むことができ、さらに封止スリーブ20内に設けられた導路20aへと貫流する。

封止スリーブは栓22のための空間21を有し、この空間の断面は導路20aより大きく、そのスイッチ部材8a側には加圧面20bがある。加圧流体の圧力pが面20bに作用して、封止スリーブ20をスイッチ部材8a方向に押す結果、封止スリーブ20はスイッチ部材8aの表面に押し付けられる。栓22は絶対に必要な訳ではなく、封止スリーブ20と加圧流体の流入導路とフレームが適切に設計されていれば、封止スリーブ20だけで十分である。

図２に示す状態では、封止スリーブ20内の導路20aとスイッチ部材8a内の導路8bとが完全には整列していないが、スイッチ部材8aの導路8bに作用する加圧流体の圧力は、スイッチ部材8aと向かい合っている封止スリーブ20の表面20cにも同じ様に作用する。この圧力が封止スリーブ20を押して、スリーブをスイッチ部材8aの表面から遠ざけようとする。とくに加圧流体導路20aがスイッチ部材の導路8bに対して開口した際に、またはこれらの導路の接続が遮断されると、圧力パルスが封止スリーブ20に作用する。この状態では、封止スリーブ20と空間2aの表面の間の摩擦によって、封止スリーブ20のスイッチ部材8aから離れる動きが防止または遅延するため、封止スリーブ20は実質的にスイッチ部材8aの表面に接し続ける。

スイッチ部材8aが矢印Bの方向に回転すると、その表面と封止スリーブ20の表面との間にも摩擦が生じ、この摩擦はスイッチ部材8aの動く方向に封止スリーブを押そうとする。封止スリーブ20が斜位をとっているため、摩擦力の作用によっても力のベクトルが封止スリーブ20の長手方向に発生する。これは、封止スリーブ20がフレーム2の空間2aの壁に押し迫り、スイッチ部材8aに対して直接動けなくなるからである。その結果、封止スリーブ20はその長手方向に動いてスイッチ部材8aから遠ざかろうとし、よって、この摩擦力と封止スリーブ20をスイッチ部材8aに押し付ける圧力によって生じ摩擦力に応じた力とが均衡し、スイッチ部材8aと封止スリーブとの間の摩擦、したがってそれによって生じる動力損失は、スイッチ部材8aの表面に対して垂直な封止スリーブを使ったときに生じるであろうよりも、小さい。

図３は、本発明に係る実施形態の詳細な概略断面図である。本図では、独立した複数の圧力ポケット8cをスイッチ部材8aに形成して、スイッチ部材8aと封止スリーブ20の間の摩擦および摩耗を軽減している。

圧力ポケット8cは、スイッチ部材8aにおいて封止スリーブ20側のスイッチ部材8aの表面に設けられた複数の導路8bの間の領域に形成された凹部である。圧力ポケットが封止スリーブ20の領域を移動してスリーブを通り越すと、封止スリーブを貫通している加圧流体導路20aとの接続が開閉する際に、導路8bの領域で起きる圧力作用と同等の作用が封止スリーブ20の底部面に起こり、それにより封止スリーブ20が起立してスイッチ部材8aから遠ざかろうとする。これにより、スイッチ部材8aと封止スリーブ20との間の摩擦が低減し、また同様に、電力消費および摩耗も低減する。

図４は、本発明に係るさらに別の実施形態を示す。本図は、制御弁8の回転摩擦、そしてひいては電力消費をいかに従来よりも低減できるかを示している。

加圧流体がスイッチ部材8aに供給される際に通る加圧流体の流入導路7には、上述の方法によって封止スリーブ20が取り付けられ、必然的に常にそちら側に加圧流体の圧力pが掛る。

そこでスイッチ部材8aの反対側は、伝動ピストン4の作業チャンバ3側に位置する。封止に不可欠なことは、加圧流体の流入口側に好適であることだが、これは作業チャンバ側には重要な要因でなく、それは、そちら側が常に作業チャンバ3に接続されているからである。またその理由は、作業チャンバ側の導路が圧力を受けるのが一瞬であるのに対し、加圧流体の流入口側には常に圧力が掛るためである。したがって、制御弁8のスイッチ部材8aは、スラスト軸受24によって作業チャンバ3側に取り付けられ、それによりスイッチ部材8aと打撃装置のフレームの間に隙間25が出来る。この隙間は、例えばフレーム2とスイッチ部材8aの間に適度な厚みを有する独立した隙間用プレートまたはリング26を用いることで、その大きさを調節できる。またスラスト軸受24は、常に加圧流体中にあるため、その潤滑と冷却の両方を加圧流体から得る。スイッチ部材8aは、それ自体が公知の方法で、油圧モータまたは電気モータといった適切な回転装置によって軸27を介して回転する。

図５は、本発明に係るさらに別の実施形態を示す。ここでは、矢印Aで示す封止スリーブ20の傾きは図２から図４に示した傾きと逆になっている。本実施形態では、加圧流体の封止スリーブ20への作用は他の図におけるものと同様ではあるものの、移動方向に傾斜した各表面の軽減作用はない。また、円中のバツ印A′は、スイッチ部材8aの移動方向が図の平面に対する横断方向または矢印Aとバツ印A′の間のどこかでよいことを表している。こういった実施形態においても、封止スリーブ20と空間2aの壁との間の圧力および摩擦の作用は同じである。

上記のとおり、本発明をほんの一例として明細書および図面にて述べたが、この記述に限定するものではない。実施形態の様々な詳細をいろいろな方法で実現してもよく、もしくはそれぞれを組み合わせてもよい。したがって、種々の図面、すなわち図１から図５における細目をいろいろな方法で互いに組み合わせて、実際に必要な実施形態にすることもできる。制御弁8のスイッチ部材8aの回転は、それ自体が公知の任意の方法、機械、電気、空気圧または液圧によって行ってよい。封止スリーブの断面は、円形、楕円形、角張った形などでよい。同様に、傾斜角度は、例えば45度または30〜80度の間でよい。プレート状のスイッチ部材8aの代わりに、スイッチ部材を円柱形、円錐形または球形にしてもよく、封止部材の端部の形状がスイッチ部材の表面の形状と一致しさえすればいい。また、封止部材は２つ以上でもよい。

Claims (6)

1. 打撃装置に該打撃装置のフレームに対して長手方向に工具を移動可能に装着でき、該打撃装置は、前記工具の軸方向に可動装着された伝動ピストンを有する作業チャンバを含んで、伝動ピストンに作用する加圧流体の圧力によって前記工具を長手方向に急激に加圧することで応力パルスを該工具に発生させ、前記打撃装置は制御弁を含み、該制御弁には流入導路および流出導路が引かれて前記加圧流体を前記打撃装置に送ったり該打撃装置から取り出したりし、前記制御弁はまた、回転自在に取り付けられたスイッチ部材を有し、該スイッチ部材は前記流入導路および流出導路と接続する導路を備えて、該導路を通して交互に前記加圧流体を前記作業チャンバに送り、同様に該加圧流体を作業チャンバから放出し、前記加圧流体の流入導路の前記スイッチ部材側の端部には、該流入導路を前記スイッチ部材に対して封止するための少なくとも１つの封止スリーブが設けられ、該封止スリーブの該スイッチ部材側の面が該加圧流体の圧力下で前記スイッチ部材の表面と接触する、加圧流体によって動作する打撃装置の回転制御弁の封止機構において、前記封止スリーブは、長手方向に摺動可能な状態で前記フレーム内または該フレームの一部に形成された空間に、前記スイッチ部材の表面に対してその回転方向に斜めに取り付けられ、前記封止スリーブのスイッチ部材側の面の形状は実質的に前記スイッチ部材の表面と同じであることを特徴とする封止機構。
2. 請求項１に記載の封止機構において、前記封止スリーブの傾斜角度は45度であることを特徴とする封止機構。
3. 請求項１または２に記載の封止機構において、前記封止スリーブの前記スイッチ部材側の端部は、該スイッチ部材の回転方向に対して該封止スリーブの反対側端部よりも前方に位置することを特徴とする封止機構。
4. 請求項１または２に記載の封止機構において、前記封止スリーブの前記スイッチ部材から離れているほうの端部は、該スイッチ部材の回転方向に対して該封止スリーブの該スイッチ部材側端部よりも前方に位置することを特徴とする封止機構。
5. 請求項１ないし４のいずれかに記載の封止機構において、前記導路の間における前記スイッチ部材の表面には、前記封止スリーブの領域を通る少なくとも１つの凹部が設けられていることを特徴とする封止機構。
6. 前記請求項のいずれかに記載の封止機構において、前記封止スリーブは、前記加圧流体の流入導路側に、前記スイッチ部材側の導路より大きな直径の導路を有し、それにより、該加圧流体の流入方向に圧力面が形成され、該圧力面が前記加圧流体の圧力を受けて、前記封止スリーブに作用する推力が前記スイッチ部材方向に生じることを特徴とする封止機構。

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