JP2015532370A - 掘削機用の流体ハンマー装置 - Google Patents

Abstract

少なくとも１つのリッパー（１）とエネルギ・アキュムレータ（４）とを備える掘削機用流体ハンマー装置。エネルギ・アキュムレータ（４）は、リッパー（１）の長手方向シャフト上に設けられ、当該リッパー（１）に一体的に接続されている。長手方向シャフトは、リッパー（１）の退避位置と展開位置との間で地面をアタックするものの上に位置している。掘削機用流体ハンマー装置が、リッパー（１）に一体的に接続され当該リッパー（１）内に収容された１つのシリンダ（２）、または２つのシリンダ（２、３）を備えることが特徴である。

Description

本発明の対象は、掘削機を構成する一要素として形成される、リッパータイプの流体ハンマー装置である。ハンマー装置は、打撃（blows）を与えることで、岩、コンクリート、アスファルト、あるいは他のタイプの地面を掘り起こすものであって、本質的に、流体モータから構成される。流体モータは、掘削機からのオイル流および圧力を受けて、リッパーを打ちつける一連の動作を行い、地面に打撃を与える動作を実現する。

流体ハンマーは、公共工事の分野において、堅い地面を破壊する基本的な手段として非常によく知られている。一般的に、これらのハンマーは、ピストンを内部に収容する本質的に円筒状の本体で形成されていて、グラウンド・ロッドに打撃を与えるよう構成されている。グラウンド・ロッドは、少なくとも１つのブッシング上で浮かんでいて、これを介して地面をアタックする。

グラウンド・ロッドは、垂直方向のストロークを有する。ハンマーの操作は、本質的に、掘削機からのオイルを受けることでスタートし、上記ピストンに圧力をかけて、当該ピストンを非常に速く下方へ移動させ、グラウンド・ロッドへ打撃を与える。次いで、グラウンド・ロッドが地面へ打撃を与える。さらに、ピストンが上方へ移動するとき、当該ピストンが掘削機にオイルを戻し、窒素チャンバをロードする。その結果、窒素の圧力がピストンを強く押圧して、グラウンド・ロッドへ、そして地面へと、打撃を与える。

上記操作の詳細の幾つかはメーカーによって異なるかも知れないが、基本的な操作原理は、上述の通りである。

しかしながら、従来のソリューションは歩留まりロスが大きい。つまり、掘削機から供給されたエネルギ（供給されたオイル）の５０％〜６０％しか使用していないのである。ピストンが下方へ移動するとき、機械によって送られたオイルは、循環した後、直接リターン・タンクに向かう。他のいかなる態様によっても、ハンマーに使用されることはない。言いかえると、そのオイルは、いかなる仕事も生じさせない。

このロスを防ぐために、幾つかのメーカーはアキュムレータを使用している。前は使用されなかったオイルがアキュムレータへ移動し、ピストンが下方へ移動するとき、オイルは、リターン・タンクに送られるのではなく、アキュムレータ内に残る。このオイルは、シリンダが上方へ移動する間に注入され、それにより当該上方への移動が速くなる。しかしながら、実際問題として、歩留まりを向上させるのは困難である。それは、５％〜１０％のオーダーで歩留まりを向上させたとしても、それは実際の使用では気付かれないからである。

従来のハンマーの別の重要な技術的問題は、グラウンド・ロッドがピストンから独立した浮かぶ要素であって、論理上それははるかに頑丈な構造で作られなければならない、という事実から導き出される。ピストンが打撃を直接的に与えるのであれば、それは特殊鋼でつくられていなければならない。さらに、摩耗した場合にはアッセンブリ全体を交換しなければならならず、それは、システムのコストを不釣り合いに増加させるだろう。上のような浮かぶ構造を特別のブッシング上で支持する場合には、グラウンド・ロッドは、使用される間に、側面に隙間を作り出す。その結果、長期間のうちにグラウンド・ロッドが傾き、ピストンに与えられる打撃は、非平面的なものとなる。そして、定期的にメンテナンスしない場合、グラウンド・ロッドが変形し、その結果ピストンおよびハンマーが多くの場合、破壊される。従来のまたは単純なハンマーの例が、特許文献ＵＳ５４４５３２３およびＥＳ２２９６１３９に開示されている。

別の技術的問題を解決するための異なる構成を有する異なるハンマー構成が、ＥＳ２１８１７１６（掘削の際のウォーターハンマーを防ぐ）、ＥＳ１０７５２４３（回転するグラウンド・ロッドによって、ボーリングを行い、打撃を与える）および、ＥＳ２２９６１５３（密閉性が改善された分配バルブを有するハンマーについて記載している）に開示されている。

最後に、上述の問題の幾つかを少なくとも部分的に解決することを試み、本発明の対象の範疇（リッパータイプの掘削装置と、流体ハンマー等の破壊装置との特徴の組合せ）にある様々な特許文献が、これまで当該技術分野に存在する。
ＵＳ６５１７１６４は、流体ハンマーとリッパーの利点を組み合わせている。しかしながら、その構造はコンパクトではない。むしろ、それらは力伝達手段を通して交換可能な複数の要素であり、それは実際問題として、地面をアタックするための手段が浮いている手段であるが故に、それらの接続部および回転シャフトに沿って壊れる傾向があることを意味している。
両方の装置を組み合わせる別の特許文献は、ＵＳ４６６６２１３である。しかし、前例の場合と同じように、それらは一体化されずに積み重ねられた装置であるが故に、従来のハンマーと同様の問題が伴う。

発明が解決しようとする課題および課題を解決するための手段

上述の技術的問題を緩和するために、本発明は、少なくとも１つのリッパーとエネルギ・アキュムレータとを備える掘削機用流体ハンマー装置に関連する。エネルギ・アキュムレータは、リッパーに一体的に接続されていて、当該リッパーの長手方向シャフト上に設けられている。地面は、退避位置と展開位置との間で動くリッパーによってアタックされる。ハンマー装置は、リッパーに一体的に接続され当該リッパー内に収容された少なくとも１つのシリンダを備えることを特徴としている。

第２の特定の実施形態は、リッパーに一体的に接続され当該リッパー内に収容された少なくとも２つのシリンダを備える。２つのシリンダ間には角度が形成され、当該角度の頂点は、地面をアタックするシャフトと一致する。２つのシリンダのそれぞれはエネルギ・チャンバを備え、これらエネルギ・チャンバは互いに連通し、それにより、両シリンダが交互に移動することを可能にしている。

エネルギ・チャンバは、プランジャの上方移動（掘削機からのオイルの注入によって引き起こされる）によって圧縮されるシリンダの上部内に収容される圧力チャンバとして理解されるもので、エネルギ・チャンバは、蓄積された圧力によってプランジャを下方へ移動させる。一般的に、エネルギ・チャンバは、窒素及び／又はあらゆる圧縮可能流体で満たされている。

浮かぶ部材が存在しないということを、まず最初に指摘しておく。実際、打撃を与える要因となる要素（シリンダ）は、リッパーに一体的に接続され、その内部に収容される。したがって、衝撃は内部で、つまり、地面をアタックする同一要素であるリッパー自身の上で生じる。これにより、従来のハンマーにおけるグラウンド・ロッドのような可動部材を使用することを回避でき、傾いたクリアランスおよび打撃に起因した問題を防ぐことができる。

指摘すべき他の利点は、エネルギの使用であり、従来技術で説明したハンマーと比較して歩留まりが向上することである。実際、第１のシリンダが下方へ移動するとき、第２のシリンダは上方へ移動する（その逆もある）。しかしながら、下方へ移動するシリンダは常に、上方へ移動するシリンダより速く移動することを考慮しなければならない。通常操作の間、機械からのオイルは第１のシリンダを上方へ移動させ、その際、第２のシリンダは窒素圧力によって下方へ移動する。第１のシリンダは、上方への移動が終了した時に信号を送り、第２のシリンダも上へ移動を始め、第１のシリンダは落下する。上方移動よりも下方移動の方が速いとすれば、下方へ移動するシリンダは、衝撃を生じさせて、他方のシリンダからの信号を待つ。したがって、実際のハンマー打撃の周波数は、従来のハンマーにおける周波数の約２倍である。そして、オイルは、２つのシリンダのうちの１方によって常に使用され、リターン・チャンバまたはオイル蓄積チャンバが不要となり、機械の全体的な歩留まりが向上する。

典型的には、ピストンは、ストロークの開始時において、終了時におけるものと同じスラストを有しない。このことを防ぐため、両シリンダのエネルギ・チャンバが連通している。よって、両シリンダが線形シリンダであるならば、両チャンバ内の圧力はほぼ同じになるであろう。したがって、両シリンダのストロークにおいて圧力が一定に維持されるだろう。しかしながら、実際には、両シリンダ内の圧力は１００％一定ではない。何故ならば、既に説明したように、下方へ移動するシリンダは上方へ移動するシリンダよりも速く移動するからである。しかしながら、圧力の変動は最小であり、それによって、従来のハンマーと比較して歩留まりが大きく改善される。機械からの圧力は変化せず、リターン・タンクにオイルを送ることもない。

リッパー本体に打撃を与えると、上向きの反力が生じる。この力はエネルギ・アキュムレータ（好ましくは、空気的要素）内に蓄積される。ただし、同様の特性を有する他の要素を除外する意図ではない。使用の間、打撃に対する反力がアキュムレータを圧縮する（すなわち、負荷をかける）。一方、打撃が与えられるとき、アキュムレータは除荷されて（すなわち、減圧されて）、シリンダによる打撃自体の力に対して、蓄積された力を加える。何故なら、説明したように、アキュムレータがアタックシャフトと一列に配置されているからである。さらに有利なことに、アキュムレータは、機械の他の部分へ振動が伝達するのを減じる。

したがって、本発明の対象である装置は、特に硬い地面に対して使用される公知の流体ハンマーまたは空力ハンマーの歩留まりを向上させ、耐用年数を長くする。

さらに、別の利点は、リッパーとハンマーを組み合わせることによって、（シリンダによって）地面を破壊すること、および（リッパーによって）地面を掘り起こすことの両方が可能になるということである。それらは、今まで不可能であった。

明細書および特許請求の範囲の全体に渡り、「備える」あるいはそれに類する用語は、
他の技術的特徴、補足、構成要素あるいは工程を除外する意図で使用しているものではない。当該技術分野における当業者であれば、一部においては明細書の記載から、一部においては発明を実施することを通して、本発明の他の目的、利点および特徴を推測できるであろう。以下の例および図面は、図示を目的として提供されるものであって、本発明を制限するのが目的ではない。さらに、本発明は、ここに開示した特定のまたは好ましい実施形態について、可能な組合せの全てをカバーする。

本発明の対象である装置を、２つのシリンダ（２、３）を備えた実際的な実施形態として図式化している。 本発明の一部を構成するリッパー（１）、およびその内部におけるシリンダ（２、３）の配置を示している。 本発明の対象である装置の斜視図であって、装置全体に対するシリンダ（２、３）の配置を示している。 リッパー（１）の外側保護部材を除き、組立後の装置全体を示している。 本発明の対象である装置を、単一のシリンダを備えた実際的な実施形態として図式化している。

添付図面に示したように、本発明に係る掘削機用の流体ハンマー装置は、打撃（blows）を与えることで、岩（花崗岩）その他の非常に堅い地面を掘るのに使用される。流体ハンマー装置は、本質的にそれ自体がリッパー（１）を備え、その下端部において、歯（１１）がボルト（１２）等を用いてリッパー（１）本体に接続されている。歯（１１）は、摩耗した場合に交換することができる。

リッパー（１）本体の内側において、次のような目的でスペース（１３）が設けられている。スペース（１３）内には、２つのシリンダ（２、３）が収容される。両シリンダ（２、３）は、リッパー（１）本体に一体的に接続され、両シリンダ（２、３）の力ベクトル（Ｆ２、Ｆ３）が１つの同一ポイントに向かい、アタック・ベクトル（Ｆ１）と一致することとなるように、互いに配置されている。アタック・ベクトル（Ｆ１）は、リッパーの底部をアタックするものであって、この実施形態では、歯（１１）とリッパー（１）の接続ポイント（１２）に一致している。

この実際的な実施形態では、角度は１４°であるが、この値はシリンダ数に応じて変わる。シリンダ数は、リッパー（１）本体の寸法によってのみ制限されるので、唯一の設計条件は、全ての力ベクトルが同一ポイントに向けられ、当該ポイントがリッパー（１）のアタック・ベクトル（Ｆ１）と一致することである。

各シリンダ（２、３）は、窒素（一般的に言うと、圧縮可能な流体）で満たされたエネルギ・チャンバ（２１、３１）を上部に備える。それ故、掘削機（図示せず）からオイルが注入されることでシリンダのプランジャが上がるとき、流体（つまり窒素）が圧縮される。さらに、機械がオイル注入をストップしたとき、シリンダ（２、３）を下げるのは、エネルギ・チャンバ（２１、３１）内の圧力である。これにより、インパクト（１４）領域において、リッパー（１）自体の本体に打撃を与える。

別の実際的な実施形態では、上記インパクト（１４）領域は、リッパー（１）に接続されたドリー（dolly）によって構成することができ、変形した場合には交換可能である。

両チャンバ（２１、３１）内にほぼ一定の圧力（quasi-constant pressure）を維持するために、両者は互いに連通されている（２２）。これにより、両シリンダ（２、３）は交互に移動する。何故なら、第１のシリンダ（２）が下方へ移動するとき、第２のシリンダ（３）は上方へ移動するからである（逆もまた同じ）。第２のシリンダ（３）が上方へ移動し端部に達する場合に、下方へ移動するシリンダの方が常により速いとすれば、それにより、バルブへ信号が送られ、（待機していた）第１シリンダ（２）もまた上方へ移動を始める。両シリンダ（２、３）間におけるこのような交互運動の結果、オイルは、機械に戻ることなく、各シリンダに注入されることとなる。

別の特定の実施形態では、ハンマー打撃（hammer-blow）の速度は、地面の固さに応じ、シリンダ（２、３）へのオイル注入量を介して（オイルを多くする、あるいは少なくする）制御することができる。制御要素として、シャットオフ・コック、バルブ、その他を使用できる。

エネルギ・アキュムレータ（４）（好ましくは、エア・クッションまたは空気シリンダ）は、リッパー（１）本体と機械のヘッド（５）との間に一体的に接続されていて、その結果、アキュムレータ（４）は、シリンダ（２、３）の打撃に対する反力によってロードされ（圧縮される）、装置が地面をアタックするときに、除荷される（減圧される）。アキュムレータ（４）は上記シャフトと整列しているので、打撃に対して、新しい力要素（Ｆ４）が加えられる。その結果、ハンマー打撃の力は、Ｆ１＋Ｆ４の合計となる。

図５は、デバイス自体が、どのようにリッパー（１）を備えているのかを示している。リッパー（１）の下端部には、歯（１１）がボルト（１２）等を用いてリッパー（１）本体に接続されている。歯（１１）は、摩耗した場合に交換することができる。

リッパー（１）本体の内側において、次のような目的でスペース（１３）が設けられている。スペース（１３）内には、シリンダ（２）が収容される。シリンダ（２）は、リッパー（１）本体に一体的に接続され、シリンダ（２）の力ベクトル（Ｆ２）が、リッパー（１）底部をアタックするアタック・ベクトル（Ｆ１）と一致することとなるように、互いに配置されている。アタック・ベクトル（Ｆ１）は、リッパーの底部をアタックするものであって、この実施形態では、歯（１１）とリッパー（１）の接続ポイント（１２）に一致している。

シリンダはインパクト領域（１４）で打撃を与えるが、別の実際的な実施形態では、前記インパクト領域（１４）は、リッパー（１）に接続されたドリー（dolly）によって形成することができ、変形した場合に交換が可能である。

別の特定の実施形態では、ハンマー打撃の速度は、地面の固さに応じ、シリンダ（２）へのオイル注入量を介して（オイルを多くする、あるいは少なくする）制御することができる。制御要素として、シャットオフ・コック、バルブ、その他を使用できる。

エネルギ・アキュムレータ（４）（好ましくは、エア・クッションまたは空気シリンダ）は、リッパー（１）本体と機械のヘッド（５）との間に一体的に接続されていて、その結果、アキュムレータ（４）は、シリンダ（２）の打撃に対する反力によってロードされ（圧縮される）、装置が地面をアタックするときに、除荷される（減圧される）。アキュムレータ（４）は上記シャフトと整列しているので、打撃に対して、新しい力要素（Ｆ４）が加えられる。その結果、ハンマー打撃の力は、Ｆ１（＝Ｆ２）＋Ｆ４の合計となる。

最後に、次の点を指摘しておく。すなわち、リッパー（１）（論理上、シリンダ２、３を含める）とアキュムレータ（４）とによって構成された組立体が、接続ロッド（６）によって、機械のヘッド（５）に接続される。

上述の技術的問題を緩和するために、本発明は、少なくとも１つのリッパーとエネルギ・アキュムレータとを備える掘削機用流体ハンマー装置に関連する。エネルギ・アキュムレータは、リッパーに一体的に接続されていて、当該リッパーの長手方向シャフト上に設けられている。地面は、退避位置と展開位置との間で動くリッパーによってアタックされる。ハンマー装置は、リッパーに一体的に接続され当該リッパーの長手方向シャフトと長手方向に位置合わせされていることを特徴としている。

Claims (10)

1. 少なくとも１つのリッパー（１）とエネルギ・アキュムレータ（４）とを備える掘削機用流体ハンマー装置であって、
   エネルギ・アキュムレータ（４）は、リッパー（１）の長手方向シャフト上に設けられ、当該リッパー（１）に一体的に接続されており、
   前記長手方向シャフトは、リッパー（１）の退避位置と展開位置との間で地面をアタックするものの上に位置しており、
   リッパー（１）に一体的に接続され当該リッパー（１）内に収容された少なくとも１つのシリンダ（２）を備えることを特徴とする、掘削機用流体ハンマー装置。
2. 上記シリンダ（２）は、リッパー（１）の内側において、スペース（１３）内に収容されており、
   当該スペース（１３）は、次のことを目的として、すなわち、上記シリンダがインパクト領域（１４）においてリッパー（１）自体の本体に打撃を与えることとなるように、地面をアタックするシャフト（Ｆ１）と長手方向に整列した位置に設けられている、請求項１記載の装置。
3. 上記リッパー（１）に一体的に接続され当該リッパー（１）内に収容された少なくとも２つのシリンダ（２、３）を備えた、請求項１または２記載の装置であって、
   上記２つのシリンダ（２、３）間に角度が形成され、当該角度の頂点は、地面（Ｆ１）をアタックするシャフトと一致し、
   上記２つのシリンダ（２、３）のそれぞれはエネルギ・チャンバ（２１、３１）を備え、これらエネルギ・チャンバ（２１、３１）は互いに連通し、それにより、両シリンダ（２、３）が交互に移動することを可能にしている、装置。
4. 上記シリンダ（２、３）は、当該両シリンダの力ベクトル（Ｆ２、Ｆ３）が１つの同一ポイントに向かうこととなるように互いに配置されており、
   当該同一のポイントは、リッパーの底部をアタックするアタック・ベクトル（Ｆ１）に一致する、請求項３記載の装置。
5. 上記リッパーの底部をアタックするアタック・ベクトル（Ｆ１）と一致する上記ポイントは、歯（１１）とリッパー（１）の接続ポイント（１２）に一致する、請求項３または４記載の装置。
6. 上記シリンダ（２、３）は、インパクト領域（１４）において、リッパー（１）自体の本体に打撃を与える、請求項３〜５のいずれか１つに記載の装置。
7. 上記インパクト領域（１４）は、リッパー（１）に一体的に接続されたドリーである、請求項２または６記載の装置。
8. 上記シリンダ（２、３）に向かうオイルの通路を制御する制御要素を少なくとも１つ備える、請求項１〜７のいずれか１つに記載の装置。
9. 上記エネルギ・アキュムレータ（４）は、リッパー（１）本体と機械のヘッド（５）との間に一体的に接続されている、請求項１〜８のいずれか１つに記載の装置。
10. 上記エネルギ・アキュムレータ（４）はエア・クッションである、請求項７記載の装置。

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