KR20190101386A - 액압식 타격장치 - Google Patents

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KR20190101386A
KR20190101386A KR1020197018769A KR20197018769A KR20190101386A KR 20190101386 A KR20190101386 A KR 20190101386A KR 1020197018769 A KR1020197018769 A KR 1020197018769A KR 20197018769 A KR20197018769 A KR 20197018769A KR 20190101386 A KR20190101386 A KR 20190101386A
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마사히로 고이즈미
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후루까와 로크 드릴 가부시끼가이샤
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Abstract

압유회로배치를 변경하지 않으며, 또한 타격에너지를 유지하면서 피스톤 스트로크를 쇼트 스트로크화하여 타격출력을 증대한다. 이 액압식 타격장치는, 피스톤(200)의 외주면과 실린더(100)의 내주면과의 사이에 획성되어 축방향의 전후로 이격 배치된 피스톤전실(110) 및 피스톤후실(111)과, 피스톤전실(110) 및 피스톤후실(111)의 적어도 한쪽을, 고압회로(101) 및 저압회로(102)의 적어도 한쪽으로 절환하여 피스톤을 구동하는 절환밸브기구(130)와, 피스톤후방에 마련되어 피스톤에 그 후퇴행정의 도중에서 맞닿아 피스톤(200)을 전방으로 부세하는 증속피스톤(410)을 구비하고, 증속피스톤(410)은 자신과 피스톤이 맞닿음을 개시하는 타이밍이, 피스톤(200)이 절환밸브기구(130)에 의해 제동을 받는 타이밍보다도 빠르게 설정되어 있다.

Description

액압식 타격장치
본 발명은 착암기나 브레이커 등의 액압식 타격장치에 관한 것이다.
이러한 종류의 액압식 타격장치로서는, 예를 들면 특허문헌 1에 기재된 기술이 개시되어 있다. 동 문헌에 기재된 액압식 타격장치는, 예를 들면 도 8에 예시하는 바와 같이, 실린더(100P) 프런트 헤드(300) 및 백 헤드(400P)를 구비하고, 실린더(100P) 내에 피스톤(200)이 접감(摺嵌)되어 있다.
프런트 헤드(300)는, 실린더(100)의 전측(前側)에 배설(配設)되고, 로드(310)가 전진 후퇴 가능하게 접감된다. 프런트 헤드(300)의 내부에는, 타격실(301)이 형성되고, 타격실(301) 내에서 로드(310)의 후단을 피스톤(200)의 선단이 타격한다. 백 헤드(400P)는, 실린더(100)의 후측(後側)에 배설되고, 백 헤드(400P)의 내부에 형성된 후퇴실(401P) 내를 피스톤(200)의 후단부가 전후로 이동한다.
피스톤(200)은, 중실(中室)의 원통체이고, 그 대략 중앙에 대경부(201, 202)를 갖고 있다. 대경부(201)의 전측(前側)에는 중경부(203)가, 대경부(202)의 후측에는 소경부(204)가 각각 마련되어 있다. 대경부(201)와 (202)의 대략 중앙에는 원환모양의 밸브 절환홈(205)이 형성되어 있다. 피스톤 중경부(203)의 외경은, 피스톤 소경부(204)의 외경보다도 크게 설정되어 있다.
이것에 의해, 대경부(201)와 중경부(203)의 지름차로 이루어지는 피스톤전실(110)의 수압(受壓) 면적, 및 대경부(202)와 소경부(204)의 지름차로 이루어지는 피스톤후실(111)의 수압면적은, 피스톤후실(111) 측의 쪽이 크게 되어 있다(이하, 피스톤전실(110)과 피스톤후실(111)의 수압면적의 차를 "수압면적차"라 함).
상기 피스톤(200)이, 실린더(100)의 내부에 접감됨으로써, 실린더(100) 내에 피스톤전실(110)과 피스톤후실(111)이 각각 획성되어 있다. 피스톤전실(110)은, 피스톤 전실통로(120)를 개재해서 고압회로(101)에 상시 접속되어 있다. 한편, 피스톤후실(111)은, 후술하는 절환(切換)밸브기구(130)의 절환에 의해 피스톤 후실통로(121)를 개재해서 고압회로(101)와 저압회로(102)로 각각 번갈아 연통 가능하게 되어 있다.
고압회로(101)는 펌프(P)에 접속되고, 고압회로(101)의 도중 부분에 고압 어큐뮬레이터(140)가 마련되어 있다. 저압회로(102)는 탱크(T)에 접속되고, 저압회로(102)의 도중 부분에 저압 어큐뮬레이터(141)가 마련되어 있다. 절환밸브기구(130)는, 실린더(100P) 내외의 적소에 배설되는 공지의 절환밸브이고, 후술하는 밸브제어통로(122)로부터 급배(給排)되는 압유(壓油)에 의해 작동하며, 피스톤후실(111)을 고압과 저압으로 번갈아 절환한다.
피스톤전실(110)과 피스톤후실(111)과의 사이에는, 전방으로부터 후방을 향하여 각각 소정간격 이격하여, 피스톤 전진 제어포트(112), 피스톤 후퇴 제어포트(113), 및 배유(排油)포트(114)가 마련되어 있다. 피스톤 전진 제어포트(112)와 피스톤 후퇴 제어포트(113)에는, 밸브제어통로(122)로부터 분기(分岐)한 통로가 각각 접속되어 있다. 배유포트(114)는, 배유통로(123)를 개재해서 탱크(T)에 접속되어 있다.
피스톤 전진 제어포트(112)는, 전측의 쇼트 스트로크 포트(112a), 및 후측의 롱 스트로크 포트(112b)를 가지고, 쇼트 스트로크 포트(112a)와 밸브제어통로(122)와의 사이에 마련된 가변 스로틀(112c)의 조작에 의해 쇼트 스트로크와 롱 스트로크의 사이를 무단계로 절환 가능하게 되어 있다. 가변 스로틀(112c)을 전개(全開)로 하면 쇼트 스트로크가 되고, 전폐(全閉)로 하면 롱 스트로크가 된다.
이 액압식 타격장치는, 피스톤전실(110)이 고압회로(101)에 상시 접속되어 있으므로, 피스톤(200)은 상시 후방으로 부세(付勢)되고, 피스톤후실(111)이 절환밸브기구(130)의 작동에 의해 고압회로(101)에 접속되면 수압면적차에 의해 피스톤(200)은 전진하고, 피스톤후실(111)이 절환밸브기구(130)의 작동에 의해 저압회로(102)에 접속되면 피스톤(200)은 후퇴한다.
절환밸브기구(130)는, 피스톤 전진 제어포트(112)가 피스톤전실(110)과 연통하여 밸브제어통로(122)에 압유가 공급되면, 피스톤 후실통로(121)를 고압회로(101)에 연통하는 위치로 절환된다. 또 절환밸브기구(130)는, 피스톤 후퇴 제어포트(113)가 배유포트(114)와 연통하여 압유가 밸브제어통로(122)로부터 탱크(T)로 배출되면, 피스톤 후실통로(121)를 저압회로(102)에 연통하는 위치로 절환된다.
일본국 특허 제4912785호 공보
그런데, 이러한 종류의 액압식 타격장치에 있어서, 고출력화를 도모하는 방책으로서는, 1 타격당의 운동에너지를 높이는 방책과, 타격수를 증대해서 운동에너지의 총합을 크게 하는 방책이 있다. 본 발명자는, 이들 방책 중, 타격수를 증대해서 운동에너지의 총합을 크게 하는 방책을 채용하는 경우에 아래의 문제점을 발견하였다.
여기서, 도 8에 있어서, 종래의 액압식 타격장치에서는, 피스톤 전진 제어포트(112)에는, 롱 스트로크 포트(112b)와 쇼트 스트로크 포트(112a)가 병설되어 있음을 설명하였으나, 쇼트 스트로크화 함으로써 롱 스트로크의 설정보다도 타격수를 증가시킬 수 있다.
도 9에, 종래의 액압식 타격장치에 있어서의 롱 스트로크와 쇼트 스트로크의 피스톤 변위-속도선도를 나타낸다.
동 도면에 있어서, 점선이 롱 스트로크 설정의 선도이고, L1이 전(全) 스트로크, L2가 피스톤 후퇴가속구간(피스톤이 후퇴를 개시하고나서 피스톤 전진 제어포트가 피스톤전실과 연통하여 밸브가 절환되어 피스톤후실이 고압으로 절환될때까지), L3이 피스톤 후퇴감속구간(피스톤후실이 고압으로 절환되어 피스톤이 후방 스트로크 엔드에 도달할때까지), Vlong이 타격점에 있어서의 피스톤 속도이다. 또 실선이 쇼트 스트로크 설정의 선도이고, 마찬가지로 L1'이 전 스트로크, L2'가 피스톤 후퇴가속구간, L3'가 피스톤 후퇴감속구간, Vshort가 타격점 있어서의 피스톤속도이다.
도 9에 나타내는 바와 같이, 쇼트 스트로크화에 의해 스트로크는 단축되지만, 피스톤을 가속하는 구간도 감소하고 있고, 결과적으로 피스톤속도는, Vlong으로부터 Vshort로 저하되고 있음을 알 수 있다. 따라서, 쇼트 스트로크화에 의해 얻어지는 타격수의 증가분과 피스톤속도의 저하분을 총합해서 감안하면, 반드시 고출력화로 이어지고 있다고는 할 수 없다. 타격압이 바뀌지 않으면(타격에너지는 스트로크에 비례하고, 타격수는 스트로크의 제곱근에 반비례하기 때문), 타격출력은 쇼트 스트로크화할수록 피스톤 스트로크의 제곱근에 비례하여 감소한다.
또 종래의 타격장치에 있어서, 쇼트 스트로크화를 더 추구하는 경우는, 피스톤 전진 제어포트의 위치를 전방으로 이설(移設)하게 된다. 여기서 타격시의 전실 및 피스톤 전진 제어포트의 회로상태에 착목하면, 전실이 고압으로 접속되는 것과 함께 피스톤 전진 제어포트가 저압으로 접속되어 있고, 전실과 피스톤 전진 제어포트는, 피스톤 대경부에 의해 시일(seal)되어 있다. 피스톤 전진 제어포트의 위치를 전방으로 이설하면 전실과의 사이의 시일길이가 짧아지고, 리크(leak)가 증가해 효율이 저하된다고 하는 문제가 있기 때문에, 포트위치의 변경, 즉 압유회로배치의 변경에 의한 쇼트 스트로크화에는 한계가 있다.
그래서, 본 발명은, 이와 같은 문제점에 착목하여 이루어진 것으로서, 유압회로배치를 변경하지 않으며, 또한 타격에너지를 유지하면서, 피스톤 스트로크를 쇼트 스트로크화하여 타격출력을 증대 가능한 액압식 타격장치를 제공하는 것을 과제로 한다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 태양에 관계되는 액압식 타격장치는, 실린더와, 그 실린더의 내부에 접감(摺嵌)된 피스톤과, 그 피스톤의 외주면과 상기 실린더의 내주면과의 사이에 획성되어 축방향의 전후로 이격배치된 피스톤전실 및 피스톤후실과, 상기 피스톤전실 및 상기 피스톤후실의 적어도 한쪽을 고압회로 및 저압회로의 적어도 한쪽으로 절환하여 상기 피스톤을 구동하는 절환밸브기구와, 상기 실린더의 피스톤전실과 상기 피스톤후실과의 사이에 배설되고, 상기 피스톤의 전후진동(前後進動)에 의해 상기 고압회로와 상기 저압회로에 접단(接斷)되는 피스톤 제어포트를 구비하고, 상기 절환밸브기구를 상기 피스톤 제어포트로부터 급배되는 압유에 의해 구동하는 액압식 타격장치로서, 상기 피스톤의 후방에 마련되어 상기 피스톤에 피스톤 후퇴행정(行程)의 도중에서 맞닿아 상기 피스톤을 전방으로 부세하는 부세수단을 구비하고, 상기 부세수단은, 그 부세수단과 상기 피스톤이 맞닿음을 개시하는 타이밍이, 상기 피스톤이 상기 절환밸브기구에 의해 제동을 받는 타이밍보다도 빠르게 설정되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일태양에 관계되는 액압식 타격장치에 의하면, 피스톤 후퇴행정의 도중에서, 피스톤에 제동력이 작용하는 타이밍에서 피스톤에 맞닿아 피스톤을 전방으로 부세하는 부세수단을 피스톤의 후방에 마련하고 있으므로, 피스톤의 후퇴스트로크가 단축되는 것과 함께, 피스톤의 전진동작이 가속되어 피스톤속도가 저하되지 않기 때문에, 고출력화가 가능하게 된다. 이때 부세수단의 수압면적이 바뀌지 않으면 후퇴스트로크의 단축량은, 피스톤과 부세수단과의 맞닿는 위치에 의해 결정되므로, 피스톤 제어포트 등의 압유회로배치의 변경은 불필요하고, 시일길이의 감소에 의한 효율저하도 발생하지 않는다.
본 발명에 의하면, 압유회로배치를 바꾸지 않으며, 또한 타격에너지를 유지하면서 피스톤 스트로크를 쇼트 스트로크화하여 타격출력을 증대하는 것이 가능한 액압식 타격장치를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 태양에 관계되는 액압식 타격장치의 제1실시형태의 모식도이다.
도 2는 제1실시형태의 작동상태를 나타내는 모식도((a)~(f))이다.
도 3은 제1실시형태의 변위-속도선도이다.
도 4는 제1실시형태의 시간-변위선도이다.
도 5는 제1실시형태의 변위-속도선도로서, 동 도면에서는 증속피스톤과 타격피스톤의 맞닿는 위치를 변화시킨 경우를 나타내고 있다.
도 6은 제1실시형태의 변위-속도선도로서, 동 도면에서는 증속피스톤과 타격피스톤의 추력비를 변화시킨 경우를 나타내고 있다.
도 7은 본 발명의 일 태양에 관계되는 액압식 타격장치의 제2실시형태의 모식도이다.
도 8은 종래의 액압식 타격장치의 모식도이다.
도 9는 종래의 액압식 타격장치의 변위-속도선도이다.
이하 본 발명의 실시형태 내지 변형예에 대하여 도면을 적절히 참조하면서 설명한다. 모든 도면에 있어서, 같은 구성요소에는 동일한 부호를 붙이고 있다. 또한, 도면은 모식적인 것이다. 그 때문에 두께와 평면치수와의 관계, 비율 등은 현실의 것과는 다른 것임에 유의해야 하며, 도면 상호간에 있어서도 서로의 치수의 관계나 비율이 다른 부분이 포함되어 있다. 또 이하에 나타내는 실시형태는, 본 발명의 기술적 사상을 구체화하기 위한 장치나 방법을 예시하는 것으로서, 본 발명의 기술적 사상은 구성부품의 재질, 형상, 구조, 배치 등을 하기의 실시형태에 특정하는 것은 아니다.
제1실시형태의 액압식 타격장치는, 도 1에 나타내는 바와 같이, 실린더(100), 프런트 헤드(300) 및 백 헤드(400)를 구비하고, 실린더(100) 내에 피스톤(200)이 접감되어 있다.
피스톤(200)은, 중실의 원통체이고, 그 대략 중앙에 대경부(201, 202)를 가진다. 대경부(201)의 전측에는 중경부(203)가, 대경부(202)의 후측에는 소경부(204)가 각각 마련되어 있다. 대경부(201)과 (202)의 대략 중앙에는 원환모양의 밸브 절환홈(205)이 형성되어 있다.
피스톤 중경부(203)의 외경은, 피스톤 소경부(204)의 외경보다도 크게 설정되어 있다. 이것에 의해 후술하는 피스톤전실(110) 및 피스톤후실(111)에 있어서의 피스톤(200)의 수압면적, 즉 대경부(201)와 중경부(203)의 지름차, 및 대경부(202)와 소경부(204)의 지름차는 피스톤후실(111) 측의 쪽이 크게 되어 있다.
상기 피스톤(200)은, 실린더(100)의 내부에 접감됨으로써, 실린더(100) 내에 피스톤전실(110)과 피스톤후실(111)이 각각 획성되어 있다. 피스톤전실(110)은, 피스톤 전실통로(120)를 개재해서 고압회로(101)에 상시 접속되어 있다. 한편, 피스톤후실(111)은, 후술하는 절환밸브(130)의 절환에 의해 피스톤 후실통로(121)를 개재해서 고압회로(101)와 저압회로(102)를 각각 번갈아 연통 가능하게 되어 있다.
고압회로(101)는 펌프(P)에 접속되고, 고압회로(101)의 도중 부분에는 고압 어큐뮬레이터(140)가 마련되어 있다. 저압회로(102)는 탱크(T)에 접속되고, 저압회로(102)의 도중 부분에는 저압 어큐뮬레이터(141)가 마련되어 있다. 절환밸브기구(130)는, 실린더(100) 내외의 적소에 배설되는 공지의 절환밸브이고, 후술하는 밸브제어통로(122)로부터 급배되는 압유에 의해 작동하고, 피스톤후실(111)을 고압과 저압으로 번갈아 절환한다.
피스톤전실(111)과 피스톤후실(111)과의 사이에는, 전방으로부터 후방을 향하여 각각 소정간격 이격하여 피스톤 전진 제어포트(112), 피스톤 후퇴 제어포트(113), 및 배유포트(114)가 마련되어 있다. 피스톤 전진 제어포트(112)와 피스톤 후퇴 제어포트(113)에는 밸브제어통로(122)로부터 분기한 통로가 각각 접속되어 있다. 배유포트(114)는 배유통로(123)를 개재해서 탱크(T)에 접속되어 있다.
프런트 헤드(300)는, 실린더(100)의 전측에 배설되고, 로드(310)가 전진후퇴 가능하게 접감된다. 프런트 헤드(300)의 내부에 형성된 타격실(301)내에서, 로드(310)의 후단을 피스톤(200)의 선단이 타격한다.
백 헤드(400)는, 실린더(100)의 후측에 배설되어 있다. 백 헤드(400)의 내부에는 후퇴실(401) 및 그 후방에 가압실(402)이 형성되어 있다. 후퇴실(401)의 내경은, 피스톤 소경부(204)가 전후 이동할 때에 영향이 없도록 설정되고, 가압실(402)의 내경은 후퇴실(401)의 내경보다도 지름이 크게 설정되어 있다. 후퇴실(401)과 가압실(402)의 경계에는 단면(403)이 형성되어 있다.
가압실(402)에는, 부세수단으로서 증속피스톤(410)이 접감되어 있다. 증속피스톤(410)은, 전측의 소경부(411) 및 후측의 대경부(412)를 가진다. 소경부(411)와 대경부(412)와의 경계에 단부면(段付面, 413)이 형성되어 있다. 가압실(402)의 내경에 대경부(412)가 접접(摺接)하고, 단면(端面, 403)과 단부면(413)이 맞닿음으로써 가압실(402) 내의 대경부(412)의 후측에 액압실이 획성되고, 액압실은, 가압통로(404)에 의해 고압회로(101)에 상시 접속되어 있다.
일반적인 액압식 타격장치에 있어서는, 피스톤(200)과 로드(310)의 타격계면(打擊界面), 즉 피스톤 중경부(203)와 로드(310)의 후단부의 외경은 대략 같은 치수로 설정되어 있다. 그 이유는 피스톤(200)이 로드(310)를 타격해서 발생하는 응력파의 전달효율을 높이기 위해서이며, 같은 이유로 본 실시형태에서는 증속피스톤(410)의 소경부(411)의 외경이 피스톤 소경부(204)의 외경과 대략 같은 지름으로 설정되어 있다.
다음으로, 본 실시형태의 액압식 타격장치의 동작, 및 증속피스톤(410)의 작동상태에 대하여 도 2를 참조하면서 설명한다. 또한, 도 2에서는, 회로가 고압접속되어 있는 부분을 두꺼운 실선 및 망점으로 나타내고 있다.
본 실시형태의 액압식 타격장치는, 피스톤전실(110)이 상시 고압접속되어 있으므로, 피스톤(200)은 상시 후방으로 부세되고, 피스톤후실(111)이 절환밸브기구(130)의 작동에 의해 고압접속되면, 상기 수압면적차에 의해 피스톤(200)은 전진하고, 피스톤후실(111)이 절환밸브기구(130)의 작동에 의해 저압접속되면 피스톤(200)은 후퇴한다.
절환밸브기구(130)는, 피스톤 전진 제어포트(112)가 피스톤전실(110)과 연통하여 밸브제어통로(122)에 압유가 공급되면, 피스톤 후실통로(121)를 고압회로(101)에 연통하는 위치로 절환하고, 피스톤 후퇴 제어포트(113)가 배유포트(114)와 연통하여 압유가 밸브제어통로(122)로부터 탱크(T)로 배출되면, 피스톤 후실통로(121)를 저압회로(102)에 연통하는 위치로 절환한다.
여기서 본 실시형태의 액압식 타격장치의 타격기구는, 종래의 액압식 타격장치에 대하여, 백 헤드(400)에 증속피스톤(410)을 마련한 점에 특징이 있다.
즉, 도 2에 있어서, 동 도면(f)에 나타내는, 피스톤(200)이 로드(310)를 타격하는 동시에, 절환밸브기구(130)의 파일로트실(도시하지 않음)은, 밸브제어통로(122) 및 배유통로(123)를 거쳐서 저압으로 접속된다. 이것에 의해, 내부의 스풀(spool)이 절환되고, 피스톤 후실통로(121)를 저압회로(102)에 연통함으로써 피스톤후실(111)이 저압이 되므로 피스톤(200)은 후퇴동작을 개시한다(동 도면(a) 참조).
그리고 본 실시형태의 액압식 타격장치에서는, 하나의 피스톤 후퇴행정의 도중으로서, 피스톤(200)이 후퇴해서 피스톤 전진 제어포트(112)가 열리기 전, 즉 절환밸브기구(130)가 절환되서 후실(111)이 고압이 되어 피스톤(200)이 제동을 받기 전의 타이밍에서 피스톤(200)이 증속피스톤(410)에 맞닿는다. 이것에 의해, 피스톤(200)에는, 본 실시형태의 증속피스톤(410)에 의한 추력(推力)("보조추력"이라고 함)이 작용한다(동 도면 (b) 참조).
더욱이 피스톤(200)은 후퇴를 계속하고, 피스톤 전진 제어포트(112)가 열려서 절환밸브기구(130)가 절환하고, 피스톤후실(111)이 고압이 되어 제동을 받는다. 이것에 의해, 피스톤(200)에는, 상술한 보조추력과 전실(110) 및 후실(111)의 수압면적차에 의한 추력("통상추력"이라고 함)이 합산되어 작용한다(동 도면(c) 참조).
그 후에도 피스톤(200)은 관성에 의해 후퇴를 계속하지만, 상술한 보조추력과 통상추력이 합산되어 피스톤(200)에 작용하기 때문에, 피스톤(200)은, 통상의 후방 스트로크 엔드보다도 전방의 위치에서 후퇴로부터 전진으로 전환한다. 이 사이에 가압실(402)로부터 배출된 압유는 고압 어큐뮬레이터(140)에 축압된다(동 도면(d) 참조).
피스톤(200)이 전진으로 전환한 직후는, 고압 어큐뮬레이터(140)에 축압된 압유가 가압실(402)로 신속하게 공급된다. 그 때문에, 피스톤(200)은 증속피스톤(410)에 의해 강력하게 부세되어 신속하게 가속한다. 이어서, 단부면(413)이 단면(403)에 맞닿아 증속피스톤(410)의 전방 스트로크에 도달할 때까지는, 피스톤(200)에는 증속피스톤(410)에 의한 보조추력과 전실(110)과 후실(111)의 수압면적차에 의한 통상추력이 합산되어 작용하므로, 가속도는 보조추력이 있는만큼 큰 값이 된다(도 2(d)에서 동 도면(d)까지).
이윽고 상기 단부면(413)이 단면(403)에 맞닿아 증속피스톤(410)의 전방 스트로크에 도달하면, 피스톤(200)은, 증속피스톤(410)과 떨어져서 통상추력만으로 전진하고(동 도면(e)), 소정의 타격위치까지 도달하여 로드(310)를 타격한다(동 도면(f)). 이하, 상술한 사이클을 반복함으로써 타격동작이 연속해서 행해진다.
도 3에, 본 실시형태의 액압식 타격장치에 있어서의 변위-속도선도를 나타낸다. 동 도면에서는, 참고적으로 본 실시형태의 증속피스톤(410)을 갖지 않은 경우도 파선으로 표시하고 있다(동 도면중 가장 오른쪽에 위치하는 선도). 이 파선부분은, 종래의 액압식 타격장치(도 9)에 있어서의 롱 스트로크 사양의 선도와 같은 프로파일이고, 각 스트로크는 L1~L3이다. 또한, 도 3에서는, 설명의 사정상 도 9에 대하여 종횡비를 변경하고 있다.
도 3에 나타내는 변위-속도선도와 도 2와의 관계는, 피스톤(200)이 후퇴하여 증속피스톤(410)에 맞닿을 때까지(도 2(a))는 L21에 상당한다. 그리고 피스톤(200)이 증속피스톤(410)과 맞닿고(도 2(b)), 제동을 받으면서 후퇴하여 후실(111)이 고압으로 절환될 때(도 2(c))까지, 즉, 후퇴가속중인 피스톤(200)에, 전실압에 의한 후퇴력과 보조추력만이 작용하는 상태는 L2b구간에 상당한다. 더욱이, 후방스트로크 엔드까지 후퇴(도 2 (d)), 즉, 피스톤(200)에 보조추력과 통상추력의 합산추력이 작용하는 후퇴감속구간은 L3b구간에 상당한다.
그리고 피스톤(200)이 후방 스트로크 엔드(도 2(d))로부터 전진으로 전환하고나서 증속피스톤(410)과 떨어질 때까지(도 2(e)), 즉, 피스톤(200)에 통상추력과 보조추력이 합산되어 작용하는 전진가속구간은 Lb 구간에 상당한다. 더욱이, 피스톤(200)이 전진해서 로드(310)를 타격할 때까지(도 2(f)), 즉, 피스톤(200)에 통상추력만이 작용하는 전진가속구간은 L21 구간의 상반분(上半分)에 상당한다.
도 3에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태의 액압식 타격장치에 있어서는, 피스톤(200)이 증속피스톤(410)에 맞닿고 있는 구간 이외는, 롱 스트로크 사양의 타격기구로서 작용하고 있고, 후퇴시의 최대속도는 V2에서 V21로 변화하고 있으나, 피스톤(200)이 로드(310)를 타격할 때의 속도는 V1인채로 바뀌지 않음을 간파할 수 있다.
여기서 본 발명의 액압식 타격장치의 메커니즘에 대하여 고찰한다.
(1) 피스톤 타격속도가 증속피스톤(410)과의 맞닿는 위치에 영향을 받지 않는 것에 대하여
피스톤 질량 m, 전실수압면적 S1, 후실수압면적 Sr, 증속피스톤수압면적 Sb, 타격압 Pw로 한다. 전후실수압면적차 ΔS=Sr-Sf로 하고, 전실수압면적 Sf의 ΔS에 대한 비를 n으로 한다.
도 3에 나타내는 바와 같이, 밸브절환위치가 타격점으로부터 L2의 거리에 있는 타격장치에 있어서, 증속피스톤(410)이 밸브절환위치보다도 L2b 바로 앞에서 피스톤(200)과 맞닿는 경우, 증속피스톤 없음인 경우의 밸브절환시의 피스톤후퇴 최고속도를 V2, 그때의 피스톤 운동에너지를 E2, 증속피스톤(410)과 충돌할 때의 피스톤속도를 V21로 하면, 그때의 피스톤 운동에너지 E21은 아래의 식(1)이 된다.
Figure pct00001
또 증속피스톤(410)과 맞닿은 후에 밸브절환위치까지 후퇴한 때의 피스톤속도를 V2b로 하면, 그때의 피스톤 운동에너지 E2b는 아래의 식 (2)가 된다.
Figure pct00002
한편, 증속피스톤(410)과 일체가 된 상태의 피스톤(200)의 전진행정에서, 밸브절환위치 통과시의 피스톤속도는 V1b이기 때문에, 그 때의 피스톤 운동에너지 E1b는 아래의 식 (3)이 된다.
Figure pct00003
더욱이, 전진행정에서 피스톤(200)이 증속피스톤(410)과 떨어지는 순간의 피스톤속도를 V12'로 하면, 그 때의 피스톤 운동에너지 E12'는 아래의 식 (4)가 된다.
Figure pct00004
식 (1)을 식 (4)에 대입하여 아래의 식 (5)를 얻는다.
Figure pct00005
한편, 증속피스톤이 없는 경우의 전진행정에서, 밸브절환위치 통과시의 피스톤속도는, V11=-V2이다. 따라서, 그때의 피스톤 운동에너지 E11은 아래의 식 (6)이 된다.
Figure pct00006
더욱이, L2b만큼 전진후의 피스톤 운동에너지 E12는 아래의 식(7)이 된다.
Figure pct00007
식 (7)은 식 (5)와 동등하다. 즉, 증속피스톤(410)과 일체로 된 상태의 피스톤(200)이 전진행정에서 증속피스톤(410)과 떨어질 때의 피스톤 운동에너지 E12'는, 증속피스톤 없음의 피스톤이 전진행정에서 같은 위치를 통과할 때의 피스톤 운동에너지 E12와 동등하다. 즉, 피스톤속도가 바뀌지 않음을 알 수 있다.
다시, 증속피스톤 있음을 증속피스톤 없음과 비교하면, 증속피스톤 있음의 경우, 피스톤(200)과의 충돌위치에 관계없이 증속피스톤(410)이 후퇴행정에서 피스톤 운동에너지를 감소키는 일 EB와, 반대로 전진행정에서 피스톤 운동에너지를 증가시키는 일 EF는 방향이 다를뿐 절대값이 같다. 즉,
|EB|=|EF|=SbPW(L2b+L3b)
따라서, 이것들은 상쇄된다. 즉, 증속피스톤(410)과 맞닿기 전후의 피스톤(200)의 운동에너지는, 증속피스톤 없음의 경우와 아무것도 바뀌지 않게 된다.
(2) 타격사이클 계산식에 대하여
도 4에 있어서, 각 행정의 소요시간을 구한다. 먼저, 후퇴행정 L21 구간의 피스톤(200)에 작용하는 역적(力積)과 운동량 변화의 관계는 아래의 식 (8)이 된다.
Figure pct00008
그리고 일과 운동에너지의 관계는, 아래의 식 (9), (10)이 된다.
Figure pct00009
Figure pct00010
식 (8)에 식 (10)을 대입하고, 후퇴행정 L21 구간의 소요시간 T21은 아래의 식 (11)이 된다.
Figure pct00011
다음으로, 후퇴행정 L2b 구간의 피스톤(200)에 작용하는 역적과 운동량 변화의 관계는 아래의 식 (12)가 된다.
Figure pct00012
그리고 일과 운동에너지의 관계는 아래의 식 (13), (14)가 된다.
Figure pct00013
Figure pct00014
식 (12)에 식 (10), (14)를 대입하면, 후퇴행정 L2b 구간의 소요시간 T2b는 아래의 식 (15)가 된다.
Figure pct00015
다음으로 후퇴행정 L3b 구간의 피스톤(200)에 작용하는 역적과 운동량 변화의 관계는 아래의 식 (16)이 된다.
Figure pct00016
식 (16)에 식 (14)를 대입하면 후퇴행정 L3b구간의 소요시간 T3b는 아래의 식 (17)이 된다.
Figure pct00017
다음으로 전진행정 L3b+L2b (즉, 도 3에 있어서의 Lb) 구간의 피스톤(200)에 작용하는 역적과 운동량 변화의 관계는 아래의 식 (18)이 된다.
Figure pct00018
또 일과 운동에너지의 관계는 아래의 식 (19), (20)이 된다.
Figure pct00019
Figure pct00020
식 (18)에 식 (20)을 대입하면, 전진행정 L3b+L2b 구간의 소요시간 T1b는 아래의 식 (21)이 된다.
Figure pct00021
마지막으로 전진행정 L21 구간에 작용하는 역적과 운동량 변화의 관계는 아래의 식 (22)가 된다.
Figure pct00022
일과 운동에너지의 관계는 아래의 식 (23), (24)이 된다.
Figure pct00023
Figure pct00024
식 (22)에 식 (20), (24)를 대입하면, 전진행정 L21 구간의 소요시간 T21은 아래의 식 (25)가 된다.
Figure pct00025
1 타격 사이클 Tc는 식 (11), (15), (17), (21), (25)를 합산하여 아래의 식(26)이 된다.
Figure pct00026
식 (26)에서 알수 있는 바와 같이, 1 타격 사이클 Tc는, 타격압, 피스톤질량, 전후실 수압면적, 피스톤 스트로크, 밸브절환위치, 나아가서는 증속피스톤(410)의 수압면적, 및 충돌위치의 함수이다.
실제로 몇 가지의 다른 사양의 피스톤(200)·증속피스톤(410)의 조합에 대하여, 맞닿는 위치를 바꿔서 타격수를 계산하고, 충돌위치와 타격수의 관계에 착목하면, 대체로 맞닿는 타이밍을 밸브절환타이밍보다도 빠르게 하면 할수록(바꿔 말하면, 맞닿는 위치를 밸브절환위치보다 앞으로 이동할수록) 타격수는 상승하지만, 어느 타이밍·위치에서 피크를 맞고, 그것을 초과하면 반대로 타격수가 감소하는 경향에 있다. 타격수의 변화율이나 피크를 맞는 위치는, 피스톤(200)의 사양, 즉 전후실 수압면적의 관계나 증속피스톤(410)의 수압면적에 의해 변화한다.
도 5는, 피스톤(200) 및 증속피스톤(410)의 사양을 변경하지 않고, 피스톤(200)과 증속피스톤(410)의 맞닿는 위치를 도 3을 기준으로 하여 전후로 변경한 경우를 나타내고 있다.
도 5로부터 알수 있듯이, 맞닿는 위치 L21을, L210 및 L211로 변경하면, 맞닿을시의 피스톤속도는 V21에서 V210과 V211로 변화하고, 밸브절환까지의 스트로크 L2b는 L2b0과 L2b1으로 변화한다. 또 피스톤(200)이 증속피스톤(410)으로부터 떨어질 때의 피스톤속도 V12는 V120과 V121로 변화한다. 그러나 두 경우 모두 그 후의 스트로크 속도선도는 증속피스톤 없음인 경우와 같은 궤적을 그린다. 그 때문에 피스톤 타격속도 V1은 일정하다.
도 6은, 피스톤(200)과 증속피스톤(410)의 맞닿는 위치 L21을 일정하게 하고, 피스톤(200)과 증속피스톤(410)의 사양을, 도 3을 기준으로 하여 변경한 경우를 나타내고 있다.
도 6에서 알수 있듯이, 피스톤후퇴시의 추력에 대하여 증속피스톤(410)의 추력을 증감하면, 밸브후퇴절환시의 피스톤속도는 V2b에서 V2b'와 V2b"로 변화하고, 밸브후퇴절환위치로부터 피스톤 사후점까지의 스트로크 L3b는 L3b'와 L3b"로 변화한다. 그러나 두 경우 모두 증속피스톤(410)이 떨어져서 이후의 스트로크 속도선도는 같은 궤적을 그린다. 그 때문에 피스톤 타격속도 V1은 일정하다.
이와 같이, 본 실시형태의 액압식 타격장치에 의하면, 쇼트 스트로크화가 가능하다. 그리고 이 쇼트 스트로크화는, 고압 어큐뮬레이터(140)에 의한 운동에너지의 회수·방출에 의해 행해지므로 추가의 동력은 필요로 하지 않는다.
또 본 실시형태의 액압식 타격장치에서는, 쇼트 스트로크화하여도 피스톤(200)이 로드(310)를 타격할 때의 피스톤 타격속도 V1은 변화하지 않는다. 그 때문에, 1 타격당의 타격에너지를 줄이지 않고 타격수를 증가시키므로, 타격기구의 고출력화가 가능하게 된다.
더욱이, 본 실시형태의 액압식 타격장치에서는, 피스톤 제어포트 등의 유압회로배치를 변경하는 일 없이 쇼트 스트로크화를 가능하게 하는 것이고, 시일 길이의 감소에 의한 효율의 저하는 없다. 스트로크 단축량은, 피스톤(200)과 증속피스톤(410)과의 맞닿는 위치 및 피스톤(200)의 후퇴추력과 증속피스톤(410)의 추력의 관계에 의해 유연하게 설정하는 것이 가능하며, 예를 들면, 증속피스톤(410)의 소경부의 길이를 신장·단축하는 것이나, 증속피스톤(410)의 수압면적을 증감함으로써 용이하게 제어가 가능하다.
이상, 본 발명의 일 실시형태에 대하여 도면을 참조하여 설명하였으나, 본 발명에 관계되는 액압식 타격장치는 상기 실시형태에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 주지를 일탈하지 않으면 그 외의 여러 가지 변형이나 각 구성요소를 변경하는 것이 허용됨은 물론이다.
예를 들면, 피스톤(200)은, 중실에 한정되지 않으며, 피스톤(200)의 축심부에 관통공 또는 맹공(盲孔)이 형성되어도 좋다. 또 피스톤(200)의 전후의 대경부는 같은 외경이 아닌 지름차를 마련하여도 좋다. 더욱이, 증속피스톤(410)의 소경부의 외경을 피스톤 중경부의 외경과 나란히 하지 않아도 좋다.
또 상기 실시형태에 관계되는 액압식 타격장치는, 피스톤전실을 상시 고압으로 하는 것과 함께, 피스톤후실을 고저압으로 절환하여 피스톤(200)을 전진후퇴시키는, 소위 "후실고저압절환식"의 액압식 타격장치를 예로 설명하였으나, 이것에 한정되지 않는다.
즉, 본 발명에 관계되는 액압식 타격장치는, 피스톤전실과 피스톤후실을 각각 번갈아 고압과 저압으로 절환하여 피스톤을 전진후퇴시키는, 소위 "전후실고저압절환식"의 액압식 타격장치에도 적용가능하고, 또 피스톤후실을 상시 고압으로 하는 것과 함께, 피스톤전실을 고압과 저압으로 절환하여 피스톤을 전진후퇴시키는, 소위 "전실고저압절환식"의 액압식 타격장치에도 적용 가능하다.
또, 예를 들면 상기 제1실시형태에서는, 피스톤(200)이 전진으로 전환한 직후, 고압 어큐뮬레이터(140)에 축압된 압유가 가압통로(404)를 개재해서 가압실(402)로 신속하게 공급되고, 이로써, 피스톤(200)이 증속피스톤(410)에 의해 강력하게 부세되어 신속하게 가속하는 예를 나타내었으나, 이것에 한정되지 않으며, 예를 들면, 도 7에 제2실시형태를 나타내는 바와 같이, 증속피스톤(410)의 전용의 부세 어큐뮬레이터(142)를 더 구비하는 구성으로 할 수 있다.
즉, 이 제2실시형태는, 동 도면에 나타내는 바와 같이, 상기 제1실시형태의 구성에 대하여, 증속피스톤(410) 전용의 부세 어큐뮬레이터(142)를 가압통로(404')에 구비하는 점이 상이하다. 이 부세 어큐뮬레이터(142)는, 가압통로(404')에 대하여 가압실(402)의 근방의 위치에 개장된다.
제2실시형태의 구성이라면, 부세 어큐뮬레이터(142)를 가압실(402)의 근방에 배치함으로써, 어큐뮬레이터의 이용효율을 높이고, 또 절환밸브기구(130)의 작동에 대한 영향을 억제하는 것과 함께, 증속피스톤(410)의 작동의 한층 안정화를 도모할 수 있다.
즉, 본 발명은, 피스톤(200)이, 그 후퇴공정 중에 증속피스톤(410)에 맞닿고, 피스톤(200)에 작용하는 압유에 의한 제동력과 증속피스톤(410)에 작용하는 전방으로의 추력이 협동하여 피스톤(200)을 전방으로 부세함으로써, 피스톤 스트로크를 단축한다고 하는 것이나, 피스톤(200)이 증속피스톤(410)에 맞닿을 때는 충격을 수반하는 것이며, 즉, 양자가 충돌하는 일은 피할 수 없다.
여기서 도 1에 나타내는, 제1실시형태의 액압식 타격장치에 있어서, 피스톤(200)이 후퇴하여 증속피스톤(410)에 충돌하면, 그 충격은 가압실(402)의 압유를 개재해서 가압통로(404)에 전반(傳搬)하여 절환밸브기구(130)로 도달하는 바, 절환밸브기구(130)에 압유의 충격이 작용하면 절환밸브기구(130)의 작동이 불안정해질 우려가 있다.
이에 대하여, 도 7에 나타내는 제2실시형태에서는, 피스톤(200)과 증속피스톤(410)이 충돌하여 가압실(402)의 압유에 충격이 전반하여도, 부세 어큐뮬레이터(142)에 의해 완충되므로, 절환밸브기구(130)의 작동에 악영향을 미치는 일은 없다. 또 부세 어큐뮬레이터(142)는, 가압실(402)에 근접해서 마련되어 있으므로 어큐뮬레이터의 이용효율이 높다.
여기서, 모든 압유회로에 있어서, 통로면적이 클수록 압력손실이 적어져서 압유효율이 향상되는 바, 도 1에 나타내는, 제1실시형태 액압식 타격장치에 있어서, 고압통로(121)와 피스톤후실(111)의 수압면적의 관계와 가압통로(404)와 가압실(402)의 수압면적의 관계에 착목하면, 가령, 고압통로(121)와 가압통로(404)의 통로면적을 같게 설정하면, 수압면적에 대한 통로면적은 가압통로(404) 측의 쪽이 작은 것을 간파할 수 있다. 수압면적에 대하여 통로면적이 작다고 하는 것은 압력손실이 크다고 하는 것이며, 즉, 고압통로(121)에 대하여 가압통로(404)는 상대적으로 압력손실이 크다고 할 수 있다.
이와 같이, 증속피스톤(410) 측의 압력손실이 상대적으로 크기 때문에, 피스톤(200)과 증속피스톤(410)이 일체가 되어 전진하는 국면에서는, 본 발명의 증속작용이 충분히 발휘되지 않을 우려가 있으나, 그 대책으로서 통로면적을 크게 하는 것은 비용적으로도 레이아웃적으로도 한계가 있다. 그래서, 제2실시형태에 있어서, 가압실(402)과 고압회로(101)를 접속하는 가압통로(404')에, 더욱이, 부세 어큐뮬레이터(142)의 상류측(즉, 압유의 공급원인 펌프(P) 측)에, 가압실(402) 측으로의 압유의 공급만을 허용하는 방향규제수단으로서 역지밸브를 마련하는 것은 바람직하다.
이와 같은 구성이라면, 방향규제수단에 의해 부세 어큐뮬레이터(142)의 이용효율이 비약적으로 높아지므로, 본 발명의 증속작용을 발휘되기 위한 압유의 공급원으로서 부세 어큐뮬레이터(142)가 그 역할을 맡는데 보다 바람직하다. 즉, 가압통로(404')는 압력손실을 고려할 필요가 없어져서 통로면적을 작게 설정할 수 있다. 또 방향규제수단에 의해 부세 어큐뮬레이터(142)의 이용효율이 향상되므로, 전술한 가압실(402) 내의 압유의 충격완충작용도 효과적으로 행해진다.
또한, 방향규제수단으로서 역지밸브를 예로 설명하였으나, 역지밸브 대신 스로틀을 채용하여도 같은 작용효과를 얻을 수 있다. 즉, 스로틀에서 발생하는 저항은, 통과하는 압유의 유속의 제곱에 비례하기 때문에, 가압실(402)로 유입하는 경우와, 증속피스톤(410)의 후퇴에 수반하여 가압실(402)로부터 펌프(P)로 유출하는 경우는, 유출하는 쪽이 과잉으로 큰 값이 된다. 따라서, 스로틀은 가압실(402)로의 압유의 공급을 허용하는 것과 함께 역방향으로의 압유의 이동을 규제할 때, 유출하는 쪽이 과잉으로 큰 값이 되기 때문에, 가압실(402) 측으로의 압유의 공급만을 허용하는 방향규제수단으로서 기능한다.
100: 실린더
101: 고압회로
102: 저압회로
110: 피스톤전실
111: 피스톤후실
112: 피스톤 전진 제어포트
113: 피스톤 후퇴 제어포트
114: 배유포트
120: 피스톤 전실통로
121: 피스톤 후실통로
122: 밸브제어통로
123: 배유통로
130: 절환밸브기구
140: 고압 어큐뮬레이터
141: 저압 어큐뮬레이터
142: 부세 어큐뮬레이터
200: 피스톤
201: 대경부 (전)
202: 대경부 (후)
203: 중경부
204: 소경부
205: 밸브절환홈
300: 프런트 헤드
301: 타격실
310: 로드
400: 백 헤드
401: 후퇴실
402: 가압실
403: 단면
404: 가압통로
410: 증속피스톤 (부세수단)
411: 소경부
412: 대경부
413: 단부면
P: 펌프
T: 탱크

Claims (5)

  1. 실린더와, 그 실린더의 내부에 접감(摺嵌)된 피스톤과, 그 피스톤의 외주면과 상기 실린더의 내주면과의 사이에 획성되어 축방향의 전후로 이격 배치된 피스톤전실 및 피스톤후실과, 상기 피스톤전실 및 상기 피스톤후실의 적어도 한쪽을 고압회로 및 저압회로의 적어도 한쪽으로 절환하여 상기 피스톤을 구동하는 절환밸브기구와,
    상기 실린더의 상기 피스톤전실과 상기 피스톤후실과의 사이에 배설되고, 상기 피스톤의 전후진동(前後進動)에 의해 상기 고압회로와 상기 저압회로에 접단(接斷)되는 피스톤 제어포트를 구비하고, 상기 절환밸브기구를 상기 피스톤 제어포트로부터 급배(給排)되는 압유(壓油)에 의해 구동하는 액압식 타격장치로서,
    상기 피스톤의 후방에 마련되어 상기 피스톤에 피스톤 후퇴행정의 도중에서 맞닿아 상기 피스톤을 전방으로 부세(付勢)하는 부세수단을 구비하고,
    상기 부세수단은, 그 부세수단과 상기 피스톤이 맞닿음을 개시하는 타이밍이, 상기 피스톤이 상기 절환밸브기구에 의해 제동을 받는 타이밍보다도 빠르게 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 액압식 타격장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 부세수단은, 상기 고압회로로부터 공급되는 압유에 의해 추력(推力)이 발생하는 증속피스톤인 액압식 타격장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 고압회로에는, 고압회로용의 고압 어큐뮬레이터가 개장(介漿)되어 있고,
    상기 증속피스톤은, 상기 피스톤의 후방에 마련된 가압실 내에 접감되고,
    상기 가압실은, 상기 고압 어큐뮬레이터가 개장된 위치보다도 하류측의 위치에서 상기 고압회로에 접속된 가압통로를 개재해서 상기 고압회로로부터의 압유가 공급되도록 구성되어 있는 액압식 타격장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 가압통로에는, 상기 가압실 근방의 위치에, 증속피스톤용의 부세 어큐뮬레이터가 개장되어 있는 액압식 타격장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 가압통로에, 상기 부세 어큐뮬레이터보다도 압유공급원칙이며, 또한 상기 부세 어큐뮬레이터에 근접하는 위치에, 상기 가압실로의 압유의 공급을 허용하는 것과 함께 역방향으로의 압유의 이동을 규제하는 방향규제수단을 더 구비하는 액압식 타격장치.
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