JP2015145033A - 液圧式打撃装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ピストン前進時に前室を低圧回路に切り替える方式の液圧式打撃装置において、前室でのキャビテーションエロージョンを効果的に防止または抑制する。
【解決手段】前室２は、シリンダ１０の内面に嵌合された前室用ライナ３０を有する。シリンダ１０の内面には、円環状に形成された前室ポート４が設けられ、この前室ポート４に連通するように高低圧を切替える前室通路５が接続されている。そして、前室用ライナ３０は、前室ポート４に対向する位置まで延設されるとともに、前室ポート４に対向する面に、周方向に離隔する複数の貫通孔５８が径方向に貫通して穿孔されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、さく岩機やブレーカ等の液圧式打撃装置に関する。

この種の液圧式打撃装置としては、例えば特許文献１に記載の技術が知られている。
特許文献１に記載の液圧式打撃装置は、軸方向中央の大径部と、その大径部の前後に形成された小径部とを有するピストンを備えている。そして、このピストンが、シリンダ内に摺嵌して設けられることで、ピストンの外周面とシリンダの内周面との間に前室と後室とがそれぞれ画成されている。

前室は常時高圧回路に連通される一方、後室は切換弁機構により高圧回路と低圧回路のそれぞれに交互に連通される。後室が高圧回路に連通時は、打撃方向にピストンが移動するように前後の受圧面積を異ならせており、これにより、シリンダ内でピストンの前進および後退が繰返されるようになっている（以下、「後室交互切替方式」ともいう）。
ところで、「後室交互切替方式」を採用する特許文献１記載の液圧式打撃装置は、打撃時には、上記のように、受圧面積差でピストンを打撃方向に移動させるところ、前室が常時高圧回路に連通されているので、前室側の作動油が打撃方向へのピストンの移動に抗するように作用する。そのため、打撃効率をより向上させる上では検討の余地がある。

これに対し、例えば特許文献２には、前室と後室とを交互に高圧回路と低圧回路とに切り替える液圧式打撃装置が開示されている（以下、「前後室交互切替方式」ともいう）。「前後室交互切替方式」の液圧式打撃装置であれば、ピストン前進時に前室を低圧回路に切り替えるため、前室側の作動油が打撃方向へのピストンの移動に抗することがない。したがって、打撃効率を向上させる上で好適である。

実開昭６１−１６９５８７号公報 特開昭４６−１５９０号公報 実開平５−３９８７７号公報

しかしながら、「前後室交互切替方式」の液圧式打撃装置は、ピストンが前進する打撃工程から反転して後退工程に移行する通常の打撃局面において、前室において作動油の急激な圧力変動が生じる。このような前室での作動油の圧力変動の問題は、「後室交互切替方式」の液圧式打撃装置では、前室が常時高圧回路に連通されているため、重大な問題とはならないのに対し、「前後室交互切替方式」の液圧式打撃装置では、負圧状態が生じるため、キャビテーションエロージョンが起き易くなるという問題がある。

例えばさく岩機（ドリフタ）では、ピストンの前方にシャンクロッドが配置され、ピストンが前進してシャンクロッド後端を打撃するようになっている。図７に一例を示す。
同図に示す例では、ピストン１２０の前方にシャンクロッド１６０が配置されている。シリンダ１１０の内部の前側には、円環状の前室ポート１０４が形成され、この前室ポート１０４の前方に、銅合金製の一体構造の前室用ライナ１３０がシリンダ１１０の内面に嵌合されている。なお、この例では、前室用ライナ１３０の後部に、作動油が満たされる液室空間が画成され、この液室空間が前室１０２と連通するクッション室１０３になっている。

ピストン１２０は、打撃効率が最大のときにシャンクロッド１６０の後端を打撃する。シャンクロッド１６０がピストン１２０により打撃されると、打撃により発生する衝撃波が、シャンクロッド１６０の先端側のロッドを介して先端のビット（不図示）まで伝播し、さく孔のエネルギーとして使用される。
ここで、「前後室交互切替方式」の液圧式打撃装置において、打撃局面では、前室が低圧回路に連通されるところ、ピストンがシャンクロッドを打撃するとピストンには急制動がかかる。このとき、ピストンが急制動されても作動油は慣性によって流出を続けるので、前室において負圧状態が生じる。そのため、作動油の圧力がごく短時間だけ飽和蒸気圧より低くなったとき、作動油中に多数の微小気泡、つまりキャビテーション（ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ）が生じ易くなるのである。そして、打撃後にピストンが後退工程に移行時に、切換弁機構により前室が高圧回路に連通される。そのため、発生したキャビテーションが圧縮されて消滅するときの衝撃圧力により前室内でエロージョン（壊食）が発生し易いという問題がある。

ところで、本発明者は、上記前室でのキャビテーションエロージョンの問題は、ピストン前進時に前室を低圧回路に切り替えることから、ピストン前進時に前室が低圧になることが根本的な原因であることに思い至った。すなわち、ピストン前進時に前室が低圧となる上記の「前後室交互切替方式」に加えて、後室が常時高圧接続され前室が高圧と低圧に交互に切換される「前室交互切替方式」（例えば特許文献３参照）においても同様の課題がある。

そこで、本発明は、このような問題点に着目してなされたものであって、ピストン前進時に前室を低圧回路に切り替える方式の液圧式打撃装置において、前室でのキャビテーションエロージョンを効果的に防止若しくは抑制、またはキャビテーションエロージョンによって引き起こされる不具合を最小限に止めることのできる液圧式打撃装置を提供することを目的とする。

本発明者による実験研究の結果によれば、ピストン前進時に前室を低圧回路に切り替える方式の液圧式打撃装置において、前室での作動油の圧力低下時のキャビテーションエロージョンは、前室の作動油を給排させる前室通路の開口部に対して周方向で最も離れた側に偏在して発生するという知見を得た。
すなわち、上記課題を解決するために、本発明の一態様に係る液圧式打撃装置は、シリンダ内に摺嵌されたピストンを前後進させて打撃用のロッドを打撃する液圧式打撃装置であって、前記ピストンの外周面と前記シリンダの内周面との間に画成されて前後に離隔配置された前室および後室と、前記ピストンの前進時に前記前室を低圧回路に切り替えて前記ピストンの前進および後退が繰返されるように作動油を給排させる切換弁機構とを備え、前記前室は、前記シリンダ内面に嵌合された前室用ライナを有し、前記シリンダ内面には、前記前室用ライナの後方側の外周面に対向して円環状に形成された前室ポートを有し、該前室ポートに連通するように前記前室の作動油の高低圧を切替える高低圧切替ポートが接続され、前記前室用ライナは、前記前室ポートに対向する位置まで延設されるとともに、前記前室ポートに対向する面に、周方向に離隔する複数の貫通孔が径方向に貫通して形成されていることを特徴とする。

本発明の一態様に係る液圧式打撃装置によれば、シリンダ内面に円環状に形成された前室ポートを設け、この前室ポートに連通するように高低圧を切替える前室通路を接続し、前記後ライナは、前室ポートに対向する位置まで延設されるとともに、前記前室ポートに対向する面に、周方向に離隔する複数の貫通孔が径方向に貫通して形成されているので、後ライナの複数の貫通孔が、発生したキャビテーションの分散領域として働く。

これにより、前室用ライナの内側で発生したキャビテーションは、後ライナの複数の貫通孔によって前室ポートに入る前に分散される。そのため、仮にキャビテーションが発生した場合であっても、前室通路の開口部に対して周方向で最も離れた側の部分へのキャビテーションの偏在が緩和される。したがって、この部分における集中的なエロージョンを効果的に防止若しくは抑制、またはキャビテーションエロージョンによって引き起こされる不具合を最小限に止めることができる。さらに、後ライナの後側を前室ポートの後方まで延設しているため、シリンダ内径摺動面でのエロージョンの発生を防止できる。そのため、エロージョンによる消耗部品を最小限に抑えることができる。

ここで、貫通孔を矩形や楕円形等のように、複数の貫通孔が、軸方向よりも周方向を長くしたスロット形状（長穴形状）であることは好ましい。このような構成であれば、個々の貫通孔の通路面積が拡大するので、作動油の流速を抑えてキャビテーションの発生を低減する上で好適である。
また、前記後ライナは、前記複数の貫通孔の後方側縁面の位置にて軸方向前後に二分割された分割構造を有し、当該分割構造によって、周方向で隣りあう貫通孔同士の間に形成された各柱部が片持ち梁とされていることは好ましい。このような構成であれば、ピストンの往復に伴ってサージ圧が発生するところ、複数の柱部を片持ち梁とすれば、柱部にサージ圧による引張り圧力は作用しない。そのため、サージ圧による柱部の破壊を防止または抑制する上で好適である。

ここで、液圧式打撃装置において、例えばさく岩機（ドリフタ）では、ピストン前側ストローク端でピストンの大径部がシリンダと衝突することを防止するために、制動機構として前室にクッション室を設けることが行われているところ、本発明の一態様に係る液圧式打撃装置において、前記前室用ライナには、前記前室と連通して作動油が満たされる液室空間がクッション室として設けられており、前記複数の貫通孔は、前記後ライナの内周面に形成された内面側円環状溝内に設けられ、前記クッション室は、軸方向後方が内面側円環状溝に全周に亘って連通していることは好ましい。このような構成であれば、本発明の実施形態で詳しく説明するように、クッション室によるクッション効果を所期の位置で開始させて、打撃効率の低下を防止する上で好適である。

上述のように、本発明によれば、ピストン前進時に前室を低圧回路に切り替える方式の液圧式打撃装置における、前室でのキャビテーションエロージョンを効果的に防止若しくは抑制、またはキャビテーションエロージョンによって引き起こされる不具合を最小限に止めることができる。

本発明の一態様に係る液圧式打撃装置の一実施形態を説明する断面図であり、同図は、軸線に沿った断面を示している。 図１の要部（前室用ライナ部分）の拡大図である。 図２の前室用ライナの要部断面図であり、同図（ａ）は図２のＡ−Ａ断面図、（ｂ）は図２のＢ−Ｂ断面図、（ｃ）は図２のＣ−Ｃ断面図である。 図２の前室用ライナを構成する後ライナの斜視図であり、同図（ａ）はその第一実施例、（ｂ）は第二実施例、（ｃ）は第三実施例を示している。 本発明の一態様に係る液圧式打撃装置の一実施形態の動作を説明する縦断面図であり、同図はさく岩機への適用例において、シャンクロッド部分を併せて模式的に示しており、同図（ａ）は通常打撃位置を示し、（ｂ）は通常打撃におけるピストン後退時であって、同図の中心線上側は後退方向での減速時を、中心線下側はピストンが後死点に位置したときをそれぞれ示し、（ｃ）はシャンクロッド前進状態であって、同図の中心線上側はピストンがクッション室に突入したときを、中心線下側はピストンが停止したときを示している。 後ライナに形成された複数の貫通孔部分の作用効果を説明する模式図であり、同図（ａ）は複数の貫通孔部分に内面側円環状溝を設けない例であり、同図（ｃ）は（ａ）でのＤ矢視図、また、同図（ｂ）は複数の貫通孔部分に内面側円環状溝を設けている例であり、同図（ｄ）は（ｂ）でのＥ矢視図を示している。 本発明の一態様に係る液圧式打撃装置に対する比較例を示す図であり、同図は、さく岩機の適用例において、シャンクロッド部分を併せて模式的に示す縦断面図である。

以下、本発明の一実施形態について、図面を適宜参照しつつ説明する。
本実施形態の液圧式打撃装置１は、「前後室交互切替方式」の打撃装置であって、図１に示すように、ピストン２０は、中実円筒状の軸部材であって、軸方向中央の大径部２１、２２と、この大径部２１、２２の前後に形成された小径部２３、２４とを有する。そして、このピストン２０が、シリンダ１０内に摺嵌して設けられることで、ピストン２０の外周面２０ｇとシリンダ１０の内周面１０ｎとの間に前室２と後室８とがそれぞれ画成されている。なお、軸方向前側の大径部２１と小径部２３とが接続する段部は、ピストン２０の進行方向に推力を与えるための、前室２側での受圧面とされ、本実施形態では、前室２側での受圧面は、大径部２１側から小径部２３側に向けて縮径する円錐面２６となっている。一方、軸方向後側の大径部２２と小径部２４とが接続する段部は、後室８側での受圧面とされ、本実施形態では、後室８側での受圧面は、大径部２２側の端面が、軸方向と直交する直交面２７となっている。

大径部２１、２２の間には、凹の段部により制御用溝２５が形成されている。制御用溝２５は、複数の制御ポートを介して切換弁機構９に接続される。また、前室２および後室８は、それぞれの高低圧切替ポート５、８５を介して切換弁機構９に接続される。そして、この切換弁機構９により所期のタイミングで作動油を給排させて前室２および後室８が高圧回路９１と低圧回路９２のそれぞれに交互に連通され、上記受圧面が作動油の油圧で軸方向に押されることにより、シリンダ１０内でピストン２０の前進および後退が繰返されるようになっている。なお、シリンダ１０の前後には、さく岩機やブレーカ等の打撃装置に応じたフロントヘッド６とバックヘッド７がそれぞれ装着される。

ここで、前室２は、前室２の前方に設けられてシリンダ内周面１０ｎに嵌合された前室用ライナ３０を有する。前室用ライナ３０の前側には、シリンダ内周面１０ｎに環状のシールリテーナ３２が嵌合されている。シールリテーナ３２は、その内外周面の適宜の位置に形成された複数の環状溝３２ａにパッキン等が嵌め込まれており、前室２の前方への作動油の漏れを防止している。また、後室８は、後室８の後方に設けられてシリンダ内周面１０ｎに嵌合された筒状の後室用ライナ８０を有する。

後室用ライナ８０は、軸方向前方から順に、後室画成部８１、軸受部８２、シールリテーナ部８３を一体に有する。後室画成部８１の前側内周の円筒状空間、シリンダ１０内周面およびピストン２０の小径部の外周面との間の液室空間により上記後室８が画成されている。後室８を画成するシリンダ１０内周面に連通して後室通路８５が接続される。軸受部８２は、ピストン２０の後方側の小径部外周面に摺接されてピストン２０の後部を軸支している。軸受部８２の内周面には、複数条の円環状油溝８２ａが軸方向に離隔してラビリンスを形成している。シールリテーナ部８３には、その内外周面の適宜の位置に形成された複数の環状溝８３ａにパッキン等が嵌め込まれており、後室８後方への作動油の漏れを防止している。軸受部８２とシールリテーナ部８３との間には、ドレン用の連通孔８４が径方向に貫通形成され、この連通孔８４が後室用低圧ポート（不図示）に接続される。

前室用ライナ３０は、軸方向前後一組の前ライナ４０と後ライナ５０とから構成されている。つまり、本実施形態では、前室用ライナ３０は、軸方向の前方側と後方側とが別個のライナによって分割されている。そして、本実施形態では、前ライナ４０には液室を設けず、後ライナ５０にのみ液室空間を設けており、後ライナ５０の後部に前室２と連通して形成された液室空間がクッション室３になっている。クッション室３は、ピストン前側ストローク端でピストン２０の大径部２１がシリンダ１０と衝突することを防止するために、ピストン２０の大径部２１が侵入したときに液室を閉空間にしてピストン２０の移動を規制する。

詳しくは、上記前ライナ４０は、銅合金製であり、図２に拡大図示するように、前側端部に径方向外側に向けて円環状に張り出すつば部４１を有し、つば部４１よりも後方の部分は円筒状の軸受部４２になっている。つば部４１の外周には、シリンダ１０内周面との間に、円環状をなすドレンポート４５が形成され、このドレンポート４５がドレン通路４９に接続されている。

前ライナ４０は、後ライナ５０の前端側内周の小径部５４の所定の対向隙間（ピストン２０の外径とライナ内径とのクリアランス）よりも狭い対向隙間をもってピストン２０の小径部２３の外周面２３ｇに摺接している。前ライナ４０の内周の摺接面４０ｎには、複数条の円環状の油溝４０ｍが軸方向に離間してラビリンスを形成している。前ライナ４０は、この油溝４０ｍ以外には液室空間を設けておらず、ピストン２０を摺動支持する軸受となっている。

前ライナ４０の後端面４２ｔは、後ライナ５０の前端面５０ｔに当接しており、前ライナ４０の後端面４２ｔには、周方向に離隔して複数の第一端面溝４６が、径方向連通路として径方向に沿って形成されている。この例では、複数の第一端面溝４６は、周方向に離隔して４か所に等配されている（図３（ｂ）参照）。
さらに、前ライナ４０には、円筒状の軸受部４２の外周面４２ｇに、上記第一端面溝４６の形成位置に合せて、軸方向に沿って複数のスリット４８が軸方向連通路として形成されている。この例では、複数のスリット４８は、上記第一端面溝４６の位置に合せて４か所に等配されている（図３（ａ）参照）。さらに、前ライナ４０のつば部４１の後方側を向く面には、複数のスリット４８の位置に合せて、複数の第二端面溝４７が径方向に沿って径方向連通路として形成されている。

複数の第二端面溝４７は、前ライナ４０のつば部４１の外周に設けられた上記ドレンポート４５に連通している。これにより、後ライナ５０のクッション室３内の作動油を、後ライナ５０の前端側の小径部５４の所定隙間に通し、さらに、「第一端面溝４６〜スリット４８〜第二端面溝４７〜ドレンポート４５」を通してドレン通路４９へと逃がすことができる。つまり、この回路がいわば「ドレン回路」として機能するようになっている。なお、ライナ軸受部（ピストン２０の小径部２３と前ライナ４０の内周の摺接面４０ｎとの内外径方向の対向隙間）を通る圧油のドレン回路（以下、「第一のドレン回路」ともいう）とは別個に形成されていることから、この回路を「第二のドレン回路」ということができる。

「第一端面溝４６〜スリット４８〜第二端面溝４７」からなる連通孔は、第一端面溝４６、スリット４８、第二端面溝４７の各通路面積が、略等しい面積に設定されている。そして、本実施形態の連通孔は４箇所形成されているが、これら複数の連通孔の通路面積を合計した「連通孔の総通路面積」は、「ライナ軸受部のクリアランス量」に対して、下記（式１）に規定する所定範囲内の面積に設定され、これにより、「ドレン回路」からの圧油のリーク量が所定量に制限されている。ここで、「ライナ軸受部のクリアランス量」とは、ピストン２０の小径部２３と前ライナ４０の内周の摺接面４０ｎとの内外径方向の対向隙間により形成される円環状隙間の面積である。
０．１Ａｐｆ＜Ａ＜２．５Ａｐｆ ・・・・・（式１）
但し、Ａｐｆ：ライナ軸受部のクリアランス量
Ａ：連通孔の総通路面積

上記後ライナ５０は、上記銅合金製の前ライナ４０よりも機械的強度が高い合金製である。本実施形態では、合金鋼の機械的強度は、合金鋼の熱処理により向上させている。例えば、はだ焼き鋼に浸炭焼入れ焼き戻しを施して表面に硬化層を形成することができる。後ライナ５０は、円筒状をなし、その円筒形状の外径寸法は、上記前ライナ４０の軸受部４２の外径寸法と同寸法とされている。後ライナ５０の内径寸法は、後端側内周部５０ｎの内径寸法が、ピストン２０の大径部２１に対して僅かな隙間を隔てた摺接面とされている。一方、後ライナ５０の前端側内周の小径部５４の寸法は、前ライナ４０の内周の摺接面４０ｎの内径寸法よりも大径とされ、ピストン２０の外周面に対して上記ライナ軸受部のクリアランスよりも大きな所定の対向隙間を隔てている。

後ライナ５０の後方側の外周面５０ｇとシリンダ１０内周面との間には、円環状の前室ポート４が形成され、この前室ポート４に、前室２の高低圧を切替える前室通路５が接続されている。換言すれば、本実施形態の後ライナ５０は、前室ポート４よりも後方に延びる延設部５５を有している。
本実施形態においては、後ライナ５０には、上記延設部５５の外周面に、前室ポート４に対向する位置に外面側円環状溝５６が形成されるとともに、延設部５５の内周面に内面側円環状溝５７が形成されている。そして、この内外の円環状溝５６，５７内に、周方向に離隔する複数の貫通孔５８が径方向に穿孔されている。複数の貫通孔５８は、周方向に等配されることは好ましい（図３（ｃ）に示す例では、貫通孔５８が１６か所に等配されている。）。複数の貫通孔５８の形状は特に限定されないが、例えば円形（図４（ａ）参照）、または図４（ｂ）に示すように、矩形（但し角はＲ形状）や楕円形等にすることができる。貫通孔５８を矩形や楕円形等のように、軸方向よりも周方向のを長くした「スロット形状」とすれば、個々の貫通孔５８の通路面積が拡大するので、作動油の流速を抑えてキャビテーションの発生を低減する上で好ましい。

なお、図４（ｃ）に示すように、後ライナ５０を更に分割構造にすることもできる。同図に示す例では、図４（ｂ）に示した「スロット形状（長穴形状）」とした貫通孔５８の後方側縁面の位置にて分割構造とし、これにより、後ライナ（前）６３と後ライナ（後）６４とから後ライナ５０を構成している。この位置で後ライナ５０を二分割することにより、周方向で隣りあう貫通孔５８同士の間に形成された柱部６２は、後ライナ（前）６３の後端から後方に向けて張り出す片持ち梁となっている。

さらに、図２に示すように、後ライナ５０の後方側の内周面には、上記クッション室３が形成されている。本実施形態においては、クッション室３は、軸方向後方の第一円環部５１と、この第一円環部５１の前方に形成された第二円環部５２とを有する。第一円環部５１と第二円環部５２とが接続する部分は、第一円環部５１側から第二円環部５２側に向けて拡径する円錐面５９となっている。

第一円環部５１は、軸方向後方が上記内面側円環状溝５７に全周に亘って連通している。第一円環部５１は、上記内面側円環状溝５７の深さ（内径）よりも浅い径（小径）であり、自身後方が内面側円環状溝５７の前方に隣接して形成されている。第二円環部５２は、第一円環部５１よりも大径であり、自身後方が第一円環部５１の前方に隣接して形成されている。第二円環部５２を形成する前方側の端面は、軸方向と直交する直交面５３とされている。

次に、この液圧式打撃装置１の動作、および作用・効果について説明する。ここでは、本実施形態の液圧式打撃装置１をさく岩機に適用した例として、図５を適宜参照して説明する。なお、さく岩機は、図５（ａ）に示すように、上記液圧式打撃装置１のピストン２０の前方に、シャンクロッド６０を有する。シャンクロッド６０は、後部にスプライン６１が形成され、フロントカバー７０に所定範囲で軸方向に摺動可能に支持されている。シャンクロッド６０は、後方側への移動限が不図示のダンパ機構により規制されている。また、さく岩機は、不図示のフィード機構および回転機構を備え、シャンクロッド６０は、スプライン６１に歯合する回転機構により回転可能とされるとともに、液圧式打撃装置１のシリンダ１０側がフィード機構により破砕量に応じてフィードされるようになっている。

通常の打撃は、同図（ａ）に示す、シャンクロッド６０の後方移動限において、ピストン２０の打撃効率が最大のときに打撃が行われる。シャンクロッド６０がピストン２０により打撃されると、打撃により発生する衝撃波がシャンクロッド６０からロッドを介して先端のビット（不図示）まで伝播し、ビットが岩盤を破砕するエネルギーとして使用される。シリンダ１０側は不図示のフィード機構により破砕量に応じてフィードされる。そして、上記液圧式打撃装置１の切換弁機構９により所期のタイミングで作動油が給排されると、同図（ｂ）に示すように、シリンダ１０内でピストン２０が後退され、同図の中心線上側に示す後退方向の所定位置で減速し、その後、同図中心線下側に示すように、ピストン２０が後死点で再び前進方向に移動を開始する。

ここで、この液圧式打撃装置１は、上記切換弁機構９により所期のタイミングで作動油が給排されると、前室２および後室８が、各高低圧切替ポート５、８５を介して交互に高圧回路９１と低圧回路９２に連通され、これにより、シリンダ１０内でピストン２０の前進および後退が繰返し行なわれる。つまり、この液圧式打撃装置１は、「前後室交互切替方式」の打撃により、前室２側の作動油が打撃方向へのピストンの移動に抗することがない。そのため、打撃効率を向上させる上で好適である。

しかし、この種の「前後室交互切替方式」の液圧式打撃装置にあっては、前室において作動油に急激な圧力変動により負圧状態が生じるとキャビテーションが起き易くなる。特に、本発明者による実験研究の結果によれば、「前後室交互切替方式」の液圧式打撃装置において、前室でのキャビテーションエロージョンは、前室から作動油を給排させる高低圧切替ポートの開口部に対して周方向で最も離れた側に偏在して発生することが確認された。

これに対し、本実施形態の液圧式打撃装置１によれば、シリンダ１０の内面に円環状に形成された前室ポート４を設け、この前室ポート４に連通するように高低圧を切替える前室通路５を接続し、前室用ライナ３０を構成する後ライナ５０は、前室ポート４に対向する位置まで延設されるとともに、前室ポート４に対向する面に、周方向に離隔する複数の貫通孔５８が径方向に貫通して穿孔されているので、複数の貫通孔５８が、発生したキャビテーションの分散領域として働く。

これにより、前室用ライナ３０を構成する後ライナ５０の内側で発生したキャビテーションは、複数の貫通孔５８によって前室ポート４に入る前に分散される。そのため、仮にキャビテーションが発生した場合でも、前室通路５の開口部に対して周方向で最も離れた側の部分へのキャビテーションの偏在が緩和される。したがって、この部分における集中的なエロージョンを効果的に防止若しくは抑制、またはキャビテーションエロージョンによって引き起こされる不具合を最小限に止めることができる。さらに、後ライナ５０の後側を前室ポート４の後方まで延設しているため、シリンダ内径摺動面でのエロージョンの発生を防止できる。そのため、エロージョンによる消耗部品を最小限に抑えることができる。

さらに、複数の貫通孔５８が、軸方向よりも周方向を長くした矩形や楕円形等のスロット形状とされているので、個々の貫通孔５８の通路面積が拡大することにより、作動油の流速を抑えてキャビテーションの発生を低減することができる。
ここで、周方向で隣りあう貫通孔５８同士の間に形成された複数の柱部６２を片持ち梁とすることは好ましい。この場合において、図４（ｃ）に示した第三実施例のように、「スロット形状」とした貫通孔５８の後方側縁面の位置にて後ライナ５０を分割して後ライナ（前）６３と後ライナ（後）６４とから後ライナ５０を構成することは好ましい。

つまり、ピストン２０の往復に伴ってサージ圧が発生するところ、図４（ｂ）のような両持ちの柱部であると、発生するサージ圧が、柱部に対して前後方向の引張り圧力として作用する。そのため、柱部の部分でエロージョンが進行すると、柱部が引張り圧力に耐えられなくなって壊れてしまうおそれがある。これに対し、図４（ｃ）に示したように、複数の柱部６２を片持ち梁とすれば、柱部６２にサージ圧による引張り圧力は作用しない。そのため、サージ圧による柱部６２の破壊を防止または抑制することができる。

ここで、図４（ｃ）に示すように、さく孔中において、ビットが空洞帯に入るなどして正常に着岩しないと、シャンクロッド６０が通常の打撃位置よりも前方に移動して「シャンクロッド前進状態」が生じる。このとき、ピストン前側ストローク端でピストン２０の大径部２１がシリンダ１０と衝突することを防止するために、前室２と連通するクッション室３が設けられている。同図（ｃ）の中心線上側に示すように、クッション室３は、ピストン２０の大径部２１がクッション室３に侵入したときに液室を閉空間にしてピストンの移動を規制する。これにより、同図（ｃ）の中心線下側に示すように、ピストン２０の大径部２１の端部（円錐面２６の位置）が、クッション室３内で留まるため、ピストン前側ストローク端でピストン２０の大径部２１がシリンダ１０と衝突することを防止することができる。

そして、上記複数の貫通孔５８は、後ライナ５０の内周面に形成された内面側円環状溝５７内に設けられており、クッション室３は、軸方向後方が内面側円環状溝５７に全周に亘って連通しているので、クッション室３によるクッション効果を所期の位置で開始させて、打撃効率の低下を防止することができる。
つまり、図６（ａ）に示すように、仮に、複数の貫通孔５８の部分に内面側円環状溝５７を設けない場合には、貫通孔５８の部分をピストン２０の大径部２１が直接摺接して通過することになる。そのため、貫通孔５８の部分をピストン２０の大径部２１が通過するときに、同図（ｃ）に示すように、低圧側（前室ポート４側）への圧油の流出通路面積の変化が大きくなる（同図の二点鎖線は、大径部端部稜線が通過する過程のイメージを示す）。そのため、クッション室３に突入する前の段階からクッション作用が生じて打撃効率が低下する。

これに対し、同図（ｂ）に示すように、本実施形態のように内面側円環状溝５７を設ければ、貫通孔５８の部分をピストン２０の大径部２１が通過するときに、内面側円環状溝５７を介することで、同図（ｄ）に二点鎖線で通過過程のイメージを示すように、低圧側への圧油の流出通路面積の変化率を一定にすることができる。そのため、クッション室３に突入前の段階でのクッション作用の発生が防止され、所期の位置、つまり内面側円環状溝５７の前方側端部に続く第一円環部５１の後端位置から、所期のクッション効果を開始させることができる。

また、本実施形態の液圧式打撃装置１によれば、クッション室３は、後端部側の第一円環部５１と、この第一円環部５１の前方に隣接して形成されて第一円環部５１よりも大径の第二円環部５２とを有するので、第一円環部５１の前側に設けた第二円環部５２による容積拡大により作動油の圧力低下を緩和できるため、前室２でのキャビテーションの発生を抑制することができる。また、キャビテーションが発生しても、破裂してエロージョンを生じることを抑制することができる。

さらに、クッション室３は、第二円環部５２を形成する前方側の端面が、軸方向と直交する直交面５３とされているので、仮にキャビテーションがクッション室３内で発生してエロージョンに到っても、軸受機能をもつ前ライナ４０側に向かうキャビテーションを直交面５３によってクッション室３の第二円環部５２に留め、エロージョンをピストンとの摺動に影響の無い箇所に発生させることができる。そのため、キャビテーションエロージョンによって引き起こされる不具合を最小限に止め、直ちに打撃不能状態となることを防止することができる。

ここで、上記クッション室３を設けることにより、「シャンクロッド前進状態」におけるピストン前側ストローク端でのピストン２０の大径部２１とシリンダ１０との衝突が防止される一方、クッション室３内では圧油が急激に圧縮されて超高圧状態となることから、前室２およびクッション室３において作動油の油温が上昇する。さらに、クッション室３内が超高圧となると、前室２側への圧油の流出速度も過剰となる。そのため、クッション室３から前室２に流入する作動油の速い流れにより、局所的なキャビテーションの発生と圧縮に伴う作動油の更なる温度上昇もおこる。そのため、前室用ライナ３０の銅合金部が膨張して、ピストン２０が「かじる」という不具合の発生が懸念される。さらに、ピストン２０と前室用ライナ３０との隙間が減少することにより、ドレン機能が低下して高温の圧油の排出が抑制されるため温度上昇が加速されるという問題もある。

これに対し、本実施形態の液圧式打撃装置１によれば、前室用ライナ３０は、前室用ライナ３０を構成する後ライナ５０内のクッション室３よりも前方の部分に第一端面溝４６を設け、「第一端面溝４６〜スリット４８〜第二端面溝４７」からなる通路が低圧回路であるドレン通路４９に常に連通されているので、この連通回路が「第二のドレン回路」として機能する。つまり、「シャンクロッド前進状態」時などのように、前室２において作動油の油温上昇が生じるときに、クッション室３の作動油を「第二のドレン回路」から逃がすことができる。

これにより、「第二のドレン回路」を有しない場合に比べて、クッション室３および前室２での圧縮が緩和されるので作動油の油温上昇も抑制される。さらに、前室２に流入する作動油の流速が下がるので、局所的なキャビテーションの発生が抑制される。次いで、切換弁機構９により前室２が高圧に切り換わるが、局所的なキャビテーションが抑制されているので、キャビテーションの圧縮による発熱も緩和される結果、作動油温度上昇を劇的に下げることができる。そのため、これに伴う前室用ライナ３０の銅合金部（本実施形態では、前室用ライナ３０を構成する前ライナ４０）の膨張も緩和されるので、前室用ライナ３０との摺接箇所でのピストン２０の「カジリ」の発生という不具合も防止または抑制される。なお、上記「第一のドレン回路」による通路面積は、温度上昇による膨張で急激に減少するのに対し、「第二のドレン回路」による通路面積は、温度上昇による影響を受けにくい。

さらに、ピストン２０がクッション室３内でストローク前端まで前進して停止する場合のピストン作動に着目すると、バルブ切換により前室２に供給される圧油は、後ライナ５０の内径とピストン２０の大径部２１の隙間からクッション室３内へと供給されてピストン２０は後退に転じるが、このとき、圧油の一部が「第二のドレン回路」から排出されるので、クッション室３内の圧力上昇は穏やかなものとなる。したがって、ピストン２０の後退速度が遅くなり、「シャンクロッド前進状態」における時間当たりの打撃数が減少するので、前室２における油温上昇は緩和されるのである。

さらに、本実施形態の液圧式打撃装置１によれば、前室用ライナ３０を軸方向前後に二分割した前ライナ４０と後ライナ５０とから構成し、前ライナ４０は、銅合金製であって油溝４０ｍ以外には液室空間を設けないことでピストン２０の摺動を支持する軸受部材とされ、後ライナ５０は、表面に硬化層を形成した合金鋼製であって前室２と連通して作動油が満たされる液室空間がクッション室３として設けられているので、キャビテーションエロージョンについては、硬度の高い合金鋼製の後ライナ５０で受け持たせ、ピストン２０を摺動支持する軸受機能については、液室空間を設けない銅合金製の前ライナ４０で受け持たせることができる。よって、前室２側で必要な軸受としてのピストン摺動支持機能を前ライナ４０で維持しつつ、後ライナ５０によって前室２でのキャビテーションの消滅による衝撃圧力に対抗してキャビテーションエロージョンによって引き起こされる不具合を最小限に止めることができる。

以上説明したように、この液圧式打撃装置によれば、前室でのキャビテーションエロージョンを効果的に防止若しくは抑制、またはキャビテーションエロージョンによって引き起こされる不具合を最小限に止めることができる。なお、本発明に係る液圧式打撃装置は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しなければ種々の変形が可能であることは勿論である。

例えば、上記実施形態の液圧式打撃装置１は、「前後室交互切替方式」の打撃装置を例に説明したが、これに限らず、本発明は、ピストン前進時に前室を低圧回路に切り替える方式の液圧式打撃装置に適用することができる。
例えば特許文献３に開示されるような、「前室交互切替方式」の打撃装置にも適用することができる。つまり、「前室交互切替方式」の打撃装置は、後室が常時高圧回路に連通される一方、前室が切換弁機構により高圧回路と低圧回路のそれぞれに交互に連通される。前室が高圧回路に連通時は、後退方向にピストンが移動するように前後の受圧面積を異ならせており、これにより、シリンダ内でピストンの前進および後退が繰返される。よって、ピストン前進時に前室を低圧回路に切り替える方式なので、前室でのキャビテーションエロージョン等の問題が同様の作用機序にて生じることから、本発明を適用することができるのである。

また、例えば上記実施形態では、前室用ライナ３０を軸方向前後に二分割した前ライナ４０と後ライナ５０とから構成した例で説明したが、これに限定されず、図５の比較例に示す形態のように、前室用ライナ３０を一体構造のライナから構成してもよい。
しかし、前室２側で必要な軸受としてのピストン摺動支持機能を前ライナ４０で維持しつつ、後ライナ５０によって前室２でのキャビテーションの消滅による衝撃圧力に対抗してエロージョンを効果的に防止若しくは抑制、またはキャビテーションエロージョンによって引き起こされる不具合を最小限に止める上では、上記実施形態のように、前室用ライナ３０を軸方向前後に二分割した前ライナ４０と後ライナ５０とから構成することが好ましい。なお、二分割した前ライナ４０と後ライナ５０とから構成する場合において、後ライナ５０は、前ライナ４０よりも機械的強度が高い合金製であれば、種々の材料や表面硬化処理を採用可能である。

また、例えば上記実施形態では、クッション室３の液室形状と容積につき、第一円環部５１と、これよりも大径な第二円環部５２とからクッション室３を構成し、さらに、第二円環部５２を形成する前方側の端面が、軸方向と直交する直交面５３とされている例で説明したが、これに限定されず、クッション室３の液室形状を、例えば図５の比較例に示す形態のように、一の円環部のみから構成してもよい。

しかし、前室２でのキャビテーションを効果的に防止若しくは抑制、またはキャビテーションエロージョンによって引き起こされる不具合を最小限に止める上では、クッション室３を、第一円環部５１と、この第一円環部５１の前側に設けた容積の大きな第二円環部５２とを有する構成とすることが好ましい。また、軸受機能をもつ前ライナ４０側に向かうキャビテーションをより好適に抑制する上では、第二円環部５２を形成する前方側の端面は、軸方向と直交する直交面５３とすることが好ましい。

また、例えば上記実施形態では、「第二のドレン回路」として、クッション室３よりも前方の位置に、周方向に離隔して径方向に沿って貫通形成された複数の連通孔として、前ライナ４０と後ライナ５０との境界部に第一端面溝４６を形成し、「第一端面溝４６〜スリット４８〜第二端面溝４７」からなる複数の連通孔が、低圧回路に常に連通されている例で説明したが、これに限定されず、このような複数の連通孔を設けない構成としてもよい。

しかし、「シャンクロッド前進状態」時の油温上昇を抑制する上では、ライナ軸受部（ピストン２０の小径部２３と前ライナ４０の内周の摺接面４０ｎとの内外径方向の対向隙間）を通る圧油の「第一のドレン回路」とは別個に形成されて、クッション室３に連通する「第二のドレン回路」を有することが好ましい。また、「第二のドレン回路」を形成する場合に、クッション室３よりも前方の位置に、周方向に離隔して径方向に沿って貫通形成された複数の径方向連通路を設けこの複数の径方向連通路が低圧回路に常に連通されるように「第二のドレン回路」を構成することは好ましい。なお、前室用ライナ３０を二分割した前ライナ４０と後ライナ５０とから構成する場合においては、前ライナ４０と後ライナ５０との境界部に、上記複数の第一端面溝４６のように、複数の径方向連通路を形成することが好ましい。

１ 液圧式打撃装置
２ 前室
３ クッション室
４ 前室ポート
５ 前室通路
６ フロントヘッド
７ バックヘッド
８ 後室
９ 切換弁機構
１０ シリンダ
２０ ピストン
２１、２２ 大径部
２３、２４ 小径部
２５ 制御用溝部
２６ 円錐面
２７ 直交面
３０ 前室用ライナ
３２ シールリテーナ
４０ 前ライナ
４１ つば部
４２ 軸受部
４５ ドレンポート
４６ 第一端面溝（第一の径方向連通路）
４７ 第二端面溝（第二の径方向連通路）
４８ スリット（軸方向連通路）
４９ ドレン通路
５０ 後ライナ
５１ 第一円環部
５２ 第二円環部
５３ 直交面
５４ 小径部
５５ 延設部
５６ 外面側円環状溝
５７ 内面側円環状溝
５８ 貫通孔
５９ 円錐面
６２ 柱部
６３ 後ライナ（前）
６４ 後ライナ（後）
８０ 後室用ライナ
８１ 後室画成部
８２ 軸受部
８３ シールリテーナ部
８４ ドレン用の連通孔
８５ 後室通路
９１ 高圧回路
９２ 低圧回路

Claims (4)

1. シリンダ内に摺嵌されたピストンを前後進させて打撃用のロッドを打撃する液圧式打撃装置であって、
   前記ピストンの外周面と前記シリンダの内周面との間に画成されて前後に離隔配置された前室および後室と、前記ピストンの前進時に前記前室を低圧回路に切り替えて前記ピストンの前進および後退が繰返されるように作動油を給排させる切換弁機構とを備え、
   前記前室は、前記シリンダ内面に嵌合された前室用ライナを有し、
   前記シリンダ内面には、前記前室用ライナの後方側の外周面に対向して円環状に形成された前室ポートを有し、該前室ポートに連通するように前記前室の作動油の高低圧を切替える高低圧切替ポートが接続され、
   前記前室用ライナは、前記前室ポートに対向する位置まで延設されるとともに、前記前室ポートに対向する面に、周方向に離隔する複数の貫通孔が径方向に貫通して形成されていることを特徴とする液圧式打撃装置。
2. 前記複数の貫通孔は、軸方向よりも周方向を長くしたスロット形状であることを特徴とする請求項１に記載の液圧式打撃装置。
3. 前記後ライナは、前記複数の貫通孔の後方側縁面の位置にて軸方向前後に二分割された分割構造を有し、当該分割構造によって、周方向で隣りあう貫通孔同士の間に形成された各柱部が片持ち梁とされていることを特徴とする請求項１または２に記載の液圧式打撃装置。
4. 前記前室用ライナには、前記前室と連通して作動油が満たされる液室空間がクッション室として設けられており、
   前記複数の貫通孔は、前記後ライナの内周面に形成された内面側円環状溝内に設けられ、前記クッション室は、軸方向後方が内面側円環状溝に全周に亘って連通していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の液圧式打撃装置。

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