JP2014516809A - 打撃部材及び打撃部材を備えた掘削機 - Google Patents

Abstract

衝撃受け部材（４）に運動エネルギーを伝達するようにされた掘削機用の円形円筒状打撃部材（２）。打撃部材は直径ｄ_ｍａｘをもち、そして側面（１２）及び衝撃面（６）を備えている。打撃部材は、衝撃面のリング型作動面によって衝撃受け部材に運動エネルギーを伝達するように構成され、リング型作動面は、打撃部材の横断面に対して同心であり、直径ｄ_ａ をもち、ｄ_ａ＜ｄ_ｍａｘであり、また衝撃受け部材との接触瞬時中０．２ｄ_ｍａｘ未満である幅ｗ_ａをもつ。
【選択図】 図４

Description

本発明は、独立請求項の前文に記載の打撃部材、及び打撃部材を備えた掘削機に関するものである。特殊な実施形態によれば、打撃部材は衝撃ピストンである。

流体圧および空気圧掘削機は、ボークラウンを介して岩盤に貫入する掘削ロッドへ衝撃波を伝達する衝撃受け部材例えばシャンクに衝撃波を伝達する打撃部材例えば衝撃ピストンを有している。衝撃ピストンは、好ましくは、ほぼ40~100Hzの振動数を用いて打撃し、衝撃ピストンのストローク率はほぼ10m/sであり、それにより高い応力を受ける。

例えば、衝撃ピストンがほぼ1000時間の後交換される場合に、その時間の間に多くの負荷変化を受け、損傷や故障の危険を増大させている。行程率を12.5~13m/sまで増大させるのが有利である。

衝撃ピストンの衝撃面は多くの仕方で設計される。公知の多数の設計を図２ａ〜図２ｃに示す。図２ａには、平らな衝撃面を衝撃面を備え、側面に対して２ｍｍ（図示）又は３ｍｍ（Ｒ２、Ｒ３）の半径方向の遷移部を設けた衝撃ピストンが示されている。代わりに、衝撃面に対して１５〜４５度の範囲内の角度を成す面取り部が設けられる。この状態を図２ｂに示す。なお別の代わりの形態によれば、全表面に２００〜１０００ｍｍの範囲内の半径方向遷移部（Ｒ２００〜Ｒ１０００）を設けた衝撃ピストンが提供され、この形態を図２ｃに示す。

特許文献１：英国特許明細書ＧＢ−３２４２６５には、作動工具が整列せずに装着されることになる場合に、可動部分における負荷が減少するように形成した表面形状をもつ衝撃ピストンを有するハンマー削岩機が記載されている。従って、衝撃ピストンの衝撃面は凸球面状であり、またシャンクは相応して凹球面状である。

特許文献２：公告特許出願ＧＢ−２１３６７２５において、打撃部材を備えた掘削ハンマーが公知であり、打撃部材は、切頭円錐形の打撃ヘッドを備え、すなわち側面と衝撃面との間の遷移部は面取りされる。

特許文献３：ＵＳ６，２７３，１９９には、衝撃ピストン及びシャンクを備える削岩用に適用できる装置が記載されている。

さらに、特許文献４：米国特許出願ＵＳ−２００９／０１３３８９３には、往復動衝撃ピストンを備えた手持ち式工具が記載されている。

中央長手方向開口を備えた衝撃ピストンと共に固体すなわち両中実衝撃ピストンが存在している。

衝撃ピストンが衝撃波を伝達するシャンクには、衝撃ピストンによって打撃する面に所謂合わせ穴が設けられ得る。合わせ穴はシャンクの製造に関連する中央に位置決めした穴である。合わせ穴は例えば８ｍｍの直径をもち得る。合わせ穴は、衝撃ピストンの衝撃面の中央部分に特別の応力を受ける。衝撃面の受ける力が大きいために、中央部分は、合わせ穴の上方の衝撃ピストンの部分が打撃方向に“動く”として簡単に説明され得る実質的なモーメントを受けることになる。

ここで、シャンクが摩耗し、衝撃ピストンより頻繁に交換することを記載するのが重要である。

さらに、例えばブッシング及び所謂ガイドスリーブの摩耗のために衝撃ピストンは各打撃においてシャンクを全体としてまっすぐに打撃しないことになる。この結果、接触面に高い接触応力が生じることになる。

ＧＢ−３２４２６５ ＧＢ−２１３６７２５ ＵＳ６，２７３，１９９ ＵＳ−２００９／０１３３８９３

従って、先行技術についての上記の説明に鑑み、本発明の目的は、応力の集中を最少化し、それにより経済的に良好である打撃部材の寿命を延ばす打撃部材の前方部分の改良した設計を達成することにある。

上記の目的は、独立請求項による本発明によって達成される。

好ましい実施形態は従属請求項に記載される。

本発明によれば、打撃部材にはリング型作動面が設けられ、リング型作動面は打撃部材の横断面に対して同心であり、リング型作動面の直径は衝撃ピストンの直径より小さく、またリング型作動面の幅は、衝撃受け部材と接触運動中に衝撃ピストンの直径より本質的に小さい。これは、打撃部材と衝撃受け部材との間の真直ぐな衝撃に適用する。

本発明に従って打撃部材を適用する際に、試験の示すところによれば、打撃率は例えば１０ｍ／ｓから１２ｍ／ｓ以上まで少なくとも２０％増加され得る。さらに、本発明による打撃部材を用いることによって、今日普通に用いられている打撃率では寿命をさらに延ばすことができ、また真直ぐでない打撃に対して良好な抵抗が得られるという利点が達成される。

本発明によれば、衝撃面の形状は応力集中を最少化できる。リング型作動面により、接触部位は、側面から離れそして衝撃面の中心の近くへ動かされ、このことは、打撃部材に加わる力が比較的一様に分布することになる点において有利である。

また、打撃部材と衝撃受け部材との間の真直ぐでない衝撃に関して、本発明によれば応力集中のさらに有利な最少化が達成され、例えば接触面は大きく、接触部位は、側面から離れて衝撃面の比較的中央に向って動かされる。

好ましい実施形態によれば、衝撃面の中央部分には、その最も中央部位において中央ピンにより設けられ得る凹みが設けられ、中央ピンによって、衝撃波は打撃部材の中央部分から離れて分散されることが観察され、このことは、打撃部材の中央部分が極端な負荷を受けない点において有利である。

本発明が応用され得る掘削機の一部分を概略的に示す側面図。 衝撃面の公知の形状を概略的に示す側面図。 衝撃面の公知の別の形状を概略的に示す側面図。 衝撃面の公知の別の形状を概略的に示す側面図。 本発明の第一の実施形態による衝撃ピストンの前方部分を概略的に示す側面図。 本発明の第二の実施形態による衝撃ピストンの前方部分を概略的に示す側面図。 本発明の第一の実施形態による真直ぐな打撃中の衝撃面を概略的に示す打撃方向に対する正面図。 本発明の第一の実施形態による真直ぐな打撃中の衝撃面を概略的に示す打撃方向に対する正面図。 本発明の第一の実施形態による真直ぐな打撃中の衝撃面を概略的に示す打撃方向に対する正面図。 本発明の第二の実施形態による真直ぐな打撃中の衝撃面を概略的に示す打撃方向に対する正面図。 本発明の第二の実施形態による真直ぐな打撃中の衝撃面を概略的に示す打撃方向に対する正面図。 本発明の第二の実施形態による真直ぐな打撃中の衝撃面を概略的に示す打撃方向に対する正面図。 先行技術による衝撃面を示す図。 本発明の第一の実施形態による衝撃面を示す図。 先行技術による衝撃面を示す図。 本発明の第二の実施形態による衝撃面を示す図。

図１は、本発明が応用され得る掘削機の一部分の概略図である。

図1において、本発明は、打撃部材を衝撃ピストンの形態で示すことにより例示されており、また打撃部材がシャンクとどのように共動するかも示されている。しかし、本発明は一般的には、衝撃波を伝達するために掘削機の他の部分に適用でき、例えば衝撃ピストンとシャンクとの間、シャンクと掘削ロッドとの間、及び掘削ロッドとボークラウンとの間に適用され得る。衝撃ピストンに関して実施した場合について記載することにより本発明を詳しく説明する。

図１を参照すると、双方向矢印で示す往復動するようにされた衝撃ピストン２が示されている。衝撃ピストンは、衝撃波の形態の運動エネルギーをシャンク４へ伝達するように構成される。衝撃波は、衝撃ピストンの前面と衝撃面６とシャンクとの間の接触瞬間中に発生される。

衝撃ピストン及びシャンクは本質的に円形横断面をもち、そして長手方向に動くことができるように多数のブッシング８によって掘削機のハウジング（図示していない）に設けられる。ブッシングは概略的に図示されている。ブッシングの数及びそれらの正確な位置は当然掘削機の形式に依存して変えられ得る。

シャンクに回転が加わると、シャンクはこの運動エネルギー及び衝撃波エネルギーを掘削ロッド（図示されていない）に伝達し、掘削ロッドには、削岩用のボークラウンが設けられている。

掘削機のハウジングは、それの前方部分でシャンクのまわりに、シャンクを交換するために開放され得る部分を備えている。回転はモーター（図示していない）によって発生され、多数のスプライン１０を介してシャンクに供給される。

以下図３〜図６を参照して本発明について説明する。図３及び図５には第一の実施形態を示し、図４及び図６には第二の実施形態を示す。図５及び図６に示す衝撃面は、真直ぐな衝撃中に作動面がどのように変化するかを示している。

本発明は、円形円筒状打撃部材２に関し、打撃部材２は掘削機用の衝撃ピストン２として示され、衝撃ピストン２は、衝撃受け部材４に運動エネルギーを伝達するようにされ、衝撃受け部材４はシャンク４として例示されている（図１参照）。衝撃ピストンの直径はｄ_ｍａｘであり、また衝撃ピストンは側面１２及び衝撃面６を備えている。本発明によれば、打撃部材（衝撃ピストン）は、衝撃面のリング型作動面１４（図５及び図６参照）によって打撃部材（シャンク）に運動エネルギーを伝達するようにされ、衝撃波は作動面と衝撃受け部材との間で発生される。リング型作動面１４は打撃部材（衝撃ピストン）の横断面に対して同心であり、リング型作動面１４の直径はｄ_ａであり、ｄ_ａ＜ｄ_ｍａｘであり、好ましくはｄ_ａ＜０．７５ｄ_ｍａｘである。作動面の幅はｗ_ａであり、この幅ｗ_ａは、衝撃受け部材との接触瞬時中ｄ_ｍａｘより非常に小さく、好ましくは０．２ｄ_ｍａｘ未満である。リング型作動面の直径ｄ_ａは、作動面上に同心的に位置決めされるように設けた円の直径である。

図３及び図４は打撃部材の中心軸線Ｃに沿った横断面図である。これらの図面において、衝撃面６は、リング型作動面の領域における最小値Ｆ_ｍｉｎをもつ曲線形状を表している。衝撃面はまた打撃方向においてリング型凸状を成すように記載される。

衝撃面に対する打撃部材の直径ｄ_ｍａｘは１０〜３００ｍｍ好ましくは２０〜６０ｍｍである。

衝撃面によって形成される曲線形状は、５０〜５００ｍｍの範囲内の半径方向遷移部Ｒ１を備え、Ｒ１／ｄ_ｍａｘは１〜５０の範囲内である。

凸状形には当然幾つかの遷移半径領域が設けられ得、例えば第一の遷移半径領域は作動面の領域に設けられ、第二の遷移半径領域は、衝撃面と側面との間の遷移面に設けられ、遷移面はほぼ１〜３ｍｍであり、好ましくは遷移半径領域は作動面の領域において最も大きい。

表面のさらに複雑な形状も可能であり、例えば表面は部分的に平面状でもよく、また遷移面は面取りされてもよい。

第一の実施形態は中空打撃部材（衝撃ピストン）に関するものであり（図３及び図５ａ〜図５ｃ参照）また第二の実施形態は中実打撃部材（衝撃ピストン）に関するものである（図４及び図６ａ〜図６ｃ参照）。

図３及び図５に示す第一の実施形態によれば、衝撃ピストンには、衝撃ピストンの中心軸線に沿って同心にのびる長手方向空洞２０が設けられている。この空洞の直径はｄ_ｉであり、ｄ_ｉ＜ｄ_ｍａｘ／２である。直径ｄ_ａ１は第一の実施形態による作動面の位置を画定し、ｄ_ａ１は０．２５（ｄ_ｍａｘ＋ｄ_ｉ）〜０．７５（ｄ_ｍａｘ＋ｄ_ｉ）の範囲である。一つの例によれば、作動面の位置はｄ_ｉとｄ_ｍａｘとの間にあり、ｄ_ａ１＝０．５ｄ_ｍａｘ＋０．５ｄ_ｉとして表され得る。

図４及び図６に示す第二の実施形態によれば、衝撃ピストンは中実であり、衝撃面の中央部分には、打撃方向から離れる方向に凹み１６が設けられ、この凹み１６の直径はｄ_ｃであり、ｄ_ｃ＜ｄ_ｍａｘ／２である。図４には凹みの部分は点線で示されている。

直径ｄ_ａ２は、第二の実施形態による作動面の位置を画定し、ｄ_ａ２は０．２５（ｄ_ｍａｘ＋ｄ_ｃ）〜０．７５（ｄ_ｍａｘ＋ｄ_ｃ）の範囲である。一つの例によれば、作動面の位置はｄ_ｃとｄ_ｍａｘとの間にあり、ｄ_ａ２＝０．５ｄ_ｍａｘ＋０．５ｄ_ｃとして表され得る。

第二の実施形態の変形例では、凹み１６の中央部分には、打撃方向に向いた凸状中央ピン１８が設けられる。図４において、長手方向における中央ピンの位置はＣ_ｍｉｎで表される。

Ｃ_ｍｉｎとＦ_ｍｉｎとの差はほぼ０〜１．５ｍｍ、例えば０．１ｍｍであり、すなわち、作動衝撃面１４は、中央ピンの最も低い部分と比較して打撃方向において同じレベルか或いは僅かに前方にある。中央ピンはその中央に溝（図示していない）を備え得、この溝は製造工程によるものである。

図５ａ〜図５ｃ及び図６ａ〜図６ｃには、真直ぐな衝撃が作動面にどのように影響するかを概略的に示す。

図５ａ及び図６ａには、作動面が衝撃受け部分と正確に接触する瞬時における衝撃面を示している。

図５ｂ及び図６ｂには、作動面の幅が衝撃中にどのように増大していくかを示す衝撃受け部分と正確に接触瞬時における衝撃面を示し、また図５ｃ及び図６ｃには、接触期間の終了時における作動面の幅を示している。

これらの図面において、作動面すなわち部品間の接触面が、衝撃力の最大時に最大値に達するまでの衝撃中にどのように広がっていくかを示す。従って、部品がもはや互いに接触しなくなると、作動面は減少する。作動面の幅及び従ってサイズは負荷に依存する。従って、本発明の重要な特徴は、部品間の最初の接触の瞬時における作動面が衝撃面のサイズに比較して小さいことにある。これは真直ぐな衝撃の場合に当てはまる。

図５ａ〜図５ｃ及び図６ａ〜図６ｃには、本発明による打撃部材が、衝撃中に受ける力を有効に吸収し分散させる仕方を例示している。

図７ａ及び図７ｂ（長手方向空洞２０を備える）並びに図８ａ及び図８ｂ（中実）には、打撃部材が衝撃受け部材に真直ぐに打撃しない時に、すなわちベアリング又はブッシングが摩耗している際に起こり得る真直ぐでない衝撃の場合に打撃方向から見た衝撃面を概略的に示している。

図７ａ及び図８ａには、打撃部材と衝撃受け部材との最初の接触後の予定の時点における接触面２２を示し、この場合には打撃部材は先行技術に従って設計され、側面と衝撃面との半径方向遷移部はほぼ１〜３ｍｍである。図７ａ及び図８ａに示すように、接触面は小さく、側面に近接して位置決めされ、このことは、打撃部材が寿命にマイナスに影響するので望ましくない高い接触張力を受けることを意味している。

図７ｂ及び図８ｂには、打撃部材と衝撃受け部材との最初の接触後の予定の時点における接触面２２を示すが、打撃部材は本発明に従って設計され、図７ｂは第一の実施形態を示し、図８ｂは第二の実施形態を示す。これらの図面において、他の図面と同じ参照符号が用いられる。これらの図面に示すように、接触面２２は図７ａ及び図８ａの場合より相当に大きく、加えて衝撃面の中央に対してより近くに位置決めされ、その結果、先行技術と比較して相当に低い接触張力となる。

本発明はまた、記載した実施形態による打撃部材例えば衝撃ピストンを備えた掘削機に関する。打撃部材は好ましくは流体力で駆動されるが、しかし本発明は当然空気力的に駆動される掘削機にも応用できる。

掘削機において、衝撃波は、４０〜１００Ｈｚの振動数を用いてほぼ１２〜１３ｍ／ｓの速度で衝撃受け部材例えばシャンクに伝達される。特許請求の範囲に記載した本発明の範囲内でその他の速度及び振動数が当然可能である。

本発明は上述の好ましい実施形態に限定されない。種々の代わりの形態、変更及び等価のものを用いてもよい。従って、上記の実施形態は、特許請求の範囲で定義される本発明の範囲を限定するものでない。

２：打撃部材（衝撃ピストン）
４：衝撃受け部材（シャンク）
６：衝撃面
１２：側面
１４：衝撃面のリング型作動面
ｄ_ｍａｘ ：衝撃ピストンの直径
ｄ_ａ ：リング型作動面１４の直径
ｗ_ａ ：作動面の幅
Ｃ：打撃部材の中心軸線
Ｆ_ｍｉｎ：リング型作動面の領域における最小値
Ｒ１：半径方向遷移部
１６：凹み
２０：長手方向空洞
ｄ_ｉ ：空洞２０の直径
ｄ_ａ１：直径
ｄ_ｃ ：凹み１６の直径
ｄ_ａ２：直径
１８：凸状中央ピン
Ｃ_ｍｉｎ：中央ピンの位置
２２：接触面

Claims (14)

1. 衝撃波によって衝撃受け部材（４）に運動エネルギーを伝達するようにされた掘削機用の円形円筒状打撃部材（２）であって、打撃部材と衝撃受け部材との間の接触中に衝撃波が発生され、打撃部材が直径ｄ_ｍａｘをもち、そして側面（１２）及び衝撃面（６）を備えている打撃部材において、
   打撃部材が、衝撃面のリング型作動面によって衝撃受け部材に運動エネルギーを伝達するように構成され、
   リング型作動面が、打撃部材の横断面に対して同心であり、直径ｄ_ａ をもち、ｄ_ａ＜ｄ_ｍａｘであり、また衝撃受け部材との接触瞬時中０．２ｄ_ｍａｘ未満である幅ｗ_ａをもつこと
   を特徴とする打撃部材。
2. リング型作動面が、直径ｄ_ａをもち、ｄ_ａ＜０．７５ｄ_ｍａｘであることを特徴とする請求項１記載の打撃部材。
3. 衝撃面（６）が、打撃部材の中心軸線Ｃに沿った図で面積の最小値Ｆ_ｍｉｎをもつ曲線を描くことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の打撃部材。
4. ｄ_ｍａｘが１０〜２００ｍｍ、好ましくは２５〜６０ｍｍであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の打撃部材。
5. 曲線形状が、１０〜５００ｍｍの範囲内の半径方向遷移部Ｒ１を表すことを特徴とする請求項３に関連して請求項３又は請求項４のいずれか一項記載の打撃部材。
6. 曲線形状が半径方向遷移部Ｒ１を表し、Ｒ１／ｄ_ｍａｘが１〜５０の範囲内であることを特徴とする請求項３に関連して請求項３〜５のいずれか一項記載の打撃部材。
7. 打撃部材が中実であり、衝撃面の中央部分が打撃方向から離れる方向において凹み（１６）を備え、凹みが直径ｄ_ｃをもち、ｄ_ｃ＜ｄ_ｍａｘ／２であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項記載の打撃部材。
8. ｄ_ａが、０．２５（ｄ_ｍａｘ＋ｄ_ｃ）〜０．７５（ｄ_ｍａｘ＋ｄ_ｃ）の範囲内の値ｄ_ａ２をもつことを特徴とする請求項７記載の打撃部材。
9. 凹み（１６）の中心に、打撃方向において凸状中央ピン（１８）を備えていることを特徴とする請求項７又は請求項８記載の打撃部材。
10. 打撃部材が、打撃部材の中心軸線に対して同心にのびる長手方向空洞（２０）を備え、前記空洞が直径ｄ_ｉをもち、ｄ_ｉ＜ｄ_ｍａｘ／２であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項記載の打撃部材。
11. ｄ_ａが、０．２５（ｄ_ｍａｘ＋ｄ_ｉ）〜０．７５（ｄ_ｍａｘ＋ｄ_ｉ）の範囲内の値ｄ_ａ１をもつことを特徴とする請求項１０記載の打撃部材。
12. 前記打撃部材が掘削機用の衝撃ピストンであり、また前記衝撃受け部材が前記掘削機用のシャンクであることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項記載の打撃部材。
13. 請求項１〜１２のいずれか一項記載の打撃部材を有する掘削機。
14. 衝撃波が、打撃部材によって４０〜１００Ｈｚの振動数で１２〜１３ｍ／ｓの速度で衝撃受け部材に伝達される請求項１３記載の掘削機。

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