JP3888492B2 - 衝撃装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁歪による衝撃作用を利用した衝撃装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、衝撃によりコンクリートや岩石を破砕したり、岩石にさく孔を行うブレーカやさく岩機のような衝撃機械において、チゼルやロッド等の衝撃伝達工具に衝撃を与える衝撃装置は、油圧や空圧により作動するピストンの打撃を利用するものであった。
【0003】
このような衝撃装置では、ピストンの打撃により、衝撃伝達工具に、衝撃波(応力波即ち弾性歪波)が発生し、この衝撃波が対象物に向かって伝播して対象物を破砕する。このため、打撃の際の打撃音の発生や、ピストンの加速に起因する反動や振動は避けることができなかった。
【0004】
また、衝撃波を発生させる場合には、例えば電気エネルギーをモータで機械エネルギーに変え、それを油圧ポンプ等でピストンの運動エネルギーに変え、打撃により衝撃伝達工具の歪エネルギーに変えて衝撃波を発生させるという過程を経るので、エネルギー効率が高いとは言えなかった。
【0005】
さらに、大きな慣性抵抗を持つピストンを高速で往復動させるには、油圧や空圧の加速力は十分でなく、打撃数の増加には限界があるので、容易には出力を増大させることができなかった。
【0006】
なお、衝撃波の波形は対象物の破砕特性(貫入抵抗)に応じて最良の形状があることが知られており、この衝撃波の波形が適切でないと、衝撃伝達工具の対象物への貫入が十分に行われず、破砕効率が低くなり、対象物からの衝撃波の反射が大きくなって衝撃装置への反動の増加や衝撃機械の耐久性の低下の一因となる。そこで、衝撃波の波形を制御するため、対象物に応じてピストンの形状を変えるなどの対策が講じられることもあったが、対象物に応じてピストンの形状を変えるのは面倒である。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、衝撃装置におけるかかる問題を解決するものであって、低騒音、低振動で破砕やさく孔作業を行うことができ、破砕効率、エネルギー効率が高く、高出力で耐久性の大きい衝撃装置を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明の衝撃装置は、パルス電圧が印加される励磁コイルの中央に超磁歪材を配置し、この超磁歪材の先端に密接して衝撃伝達工具を配置し、超磁歪材の他端に密接して反力受板を設けることにより上記課題を解決している。
【0009】
磁歪とは、鉄のような強磁性体を磁化した際に磁性体の外径寸法が変化する現象である。しかし、このような磁性金属の歪みは高々10-5乃至10-6であるのに対し、超磁歪材は磁歪により10-3オーダーの歪みを発生する。
【0010】
この衝撃装置では、励磁コイルにパルス電圧を印加し励磁コイルに流れる励磁電流によって超磁歪材に磁場の変化を与えて所望の衝撃波形を生ずる磁歪を発生させ、先端に密接した衝撃伝達工具を通じて破砕の対象物に衝撃波を伝達し対象物を破砕する。
【0011】
岩石等破砕の対象物に衝撃波のエネルギーで衝撃伝達工具を貫入させるには、一定以上の変位速度が一定時間以上継続する必要がある。岩石等の破砕の対象物の物性は千差万別であり、従って、貫入抵抗も様々であるが、一定量以上の貫入量を確保し、所要動力を一定値以下におさめるためには、磁歪による歪みが磁界の強さ、即ち励磁電流の大きさに比例し、歪みの時間的変化率は変位速度に等しいことから、励磁コイルの励磁電流が電圧印加時間の経過と共に増加し所望の最大値に達した後急減して零となるパルス電圧を、繰り返し励磁コイルに印加する。その結果、超磁歪材が磁歪による変形において所望の変位、変位速度に達する。このときのパスル幅は、数十μs乃至数百μs、パルス間隔は数ms乃至数百msの範囲で適宜選択される。
【0012】
衝撃伝達工具の貫入に際しては、衝撃伝達工具の先端は対象物に接触していることが望ましい。衝撃伝達工具の先端が対象物に接触していないと、衝撃波は引張波となって衝撃伝達工具中を戻って行きエネルギーを有効に対象物に伝達することができない。このため、衝撃伝達工具全体を静的に対象物に押しつけておく必要がある。
【0013】
励磁コイルの励磁電流が電圧印加時間の経過と共に増加し所望の最大値に達してから所定時間最大値を維持するパルス電圧を励磁コイルに印加すると、励磁電流が一定値を維持している間は、超磁歪材が伸びており、衝撃伝達工具を対象物に押しつけることができる。一定値を維持する時間は、数十ms内の範囲で適宜選択される。
【0014】
衝撃波を衝撃伝達工具の対象物への貫入仕事に有効に使うためには、反射波の発生をなるべく小さく抑えることが重要である。
励磁コイルの励磁電流が、初期値から最大値まで電圧印加時間の経過と共に、経過時間の2乗に比例して又は経過時間の対数関数に近似して増加するパルス電圧を励磁コイルに印加すると、反射波の発生を小さく抑えることができる。
【0015】
励磁コイルに検出コイルを併設し、衝撃伝達工具から超磁歪材に反射波が戻ってきたとき、磁歪現象により発生する電流又は電圧の変化を検出コイルで測定して反射波の波形を検出装置で検出し、衝撃伝達工具の対象物への貫入過程における入射波の大きさを反射波に応じて加減すると、反射波が低減でき、貫入効率の向上、振動、反動の低減が可能となる。
【0016】
【発明の実施の形態】
図1は本発明の実施の一形態である衝撃装置を用いたブレーカの構成図、図2は本発明の他の実施の形態である反射波の検出装置を備えたブレーカの構成図、図3は本発明のさらに他の実施の形態である衝撃装置を用いたさく岩機の構成図である。
【0017】
図1のブレーカBは、ケーシング5内に設けた励磁コイル4の中央に超磁歪材1が配置され、この超磁歪材1の先端に密接して衝撃伝達工具であるチゼル2が配置され、超磁歪材1の他端に密接して反力受板3が設けられている。
【0018】
破砕作業時には、ブレーカBは、推力装置(図示略)によって推力Tが与えられてチゼル2の先端が破砕の対象物7に押しつけられ、超磁歪材1には電源装置6からパルス電圧が印加される。
【0019】
励磁コイル4にパルス電圧が印加されると、励磁コイル4に流れる励磁電流によって超磁歪材1に磁場の変化が与えられ、所望の衝撃波形を生ずる磁歪が発生する。超磁歪材1の先端に密接したチゼル2を通じて破砕の対象物7に衝撃波が伝達されて対象物7を破砕する。
【0020】
推力装置としては、重力、油圧、空圧、機械式、人力等、従来の衝撃機械に用いられるのと同様のものを適宜利用することができる。超磁歪材1の保護のためには、推力装置の推力を検出して、電源装置6の出力を開閉する空打防止手段を設けることが望ましい。
【0021】
図2のブレーカBは、超磁歪材1と励磁コイル4との間に検出コイル8が設けられており、チゼル2から超磁歪材1に反射波が戻ってきたとき、磁歪現象により発生する電流又は電圧の変化を検出コイル8で測定して反射波の波形を検出する検出装置9を備えている。その他の構成は図1のブレーカと同様である。
【0022】
図3のさく岩機Dは、ケーシング5内に設けた励磁コイル4の中央に超磁歪材1が配置され、この超磁歪材1の先端に密接して衝撃伝達工具としてロッド12が配置されている。ロッド12の先端には、ビット13が取付けられている。さく岩機Dは、回転装置11とフラッシング装置15とを備えており、ロッド12には、回転装置11で回転が与えられ、フラッシング装置15からは繰粉排出用の流体が供給されるようになっている。
【0023】
以下、衝撃装置の作用を図3のさく岩機Dによって説明する。
磁歪とは、鉄のような強磁性体を磁化した際に磁性体の外径寸法が変化する現象である。このような磁性金属の歪みは高々10-5乃至10-6であるのに対し、超磁歪材1は磁歪により10-3オーダーの歪みを発生する。
【0024】
超磁歪材1は、磁歪によりピストンとしてロッド12に衝撃波を発生させる。ロッド12がピストンに比して十分に長ければ、ピストンの全運動エネルギーがロッド12に衝撃波として伝達される。この時発生する衝撃波の大きさσ(応力)は、ロッド12の材質のヤング率をE、ロッド12中を伝播する衝撃波の速度、即ち音速をC、ロッド端面が打撃により変位する速度をvとすれば、σ=(E/C)vで与えられる。
【0025】
通常のさく岩機では、このσの大きさはロッドの耐久性から200MPa程度で歪みとしては10-3程度の大きさである。
ロッド12の断面積をAとすれば、この衝撃応力σによるロッド12の荷重fは、f=σA=(AE/C)vと表される。(AE/C)をロッドの比インピーダンスと言い、これをZとすれば、f=Zvと表される。即ち、ロッド12の荷重fは、ロッド固有の比インピーダンスZとロッドの変位速度vの積である。ロッド12に伝達された衝撃エネルギーは比インピーダンスZの変化するところでは必ず反射が起こり、エネルギーの一部は伝達されなくなる。
【0026】
この反射の反射率Rは、反射面前後の比インピーダンスZの差ΔZと和ΣZを用いてR=ΔZ/ΣZで示される。ロッド12の先端に到着した衝撃波の挙動は、ビット13が何物にも接触せず自由端となっているときには、対象物の比インピーダンスが0であるから、先端での負荷は0で、R=(0−Z)/(0+Z)=−1となり、対象物にはエネルギーは全く伝達されず、衝撃波が圧縮波であればR=−1であるから、符号を変え、100%引張波として反射される。
【0027】
一方、ビット13が全く変形しない対象物に当接し固定端となっていれば、反射率R=(∞−Z)/(∞+Z)=+1となり、ビット13先端の変位は0であるから対象物にはエネルギーは全く伝達されず、先端の負荷は入射波と反射波の重畳により2倍即ち2fとなる。このときR=+1であるから、圧縮波が100%圧縮波として反射される。
【0028】
ビット13全体を静的な推力で岩石等の破砕対象物に押し込んでいくと、その貫入量uと貫入力Fとの間には、図4に示すような一定の関係F=Φ(u)が保たれ、動的な場合にもほぼこの関係は崩れないことが知られている。この関係において単位貫入量当たりの貫入力、即ちdF/duを貫入抵抗という。
【0029】
対象物7へのビット13の貫入抵抗がロッド12の比インピーダンスZと同じ大きさであれば、R=(Z−Z)/(Z+Z)=0で反射は0、即ち全てのエネルギーが対象物7へ伝達され、その時のビット13の先端の負荷はfに等しい。即ち、ビット13の先端では、貫入抵抗がロッド12中を衝撃波が伝達されるときの抵抗と等しいときだけ100%のエネルギーが対象物7に伝達され、それ以外では100%とならない。貫入抵抗が上記の無反射インピーダンスよりも小さいときは、残余のエネルギーは引張波となって反射し、大きいときは圧縮波となって反射される。
【0030】
衝撃波が貫入抵抗を有する対象物7に接するビット13の先端に到着すると、ビット13の貫入と衝撃波の反射波の発生が起こる。図5に示すように、任意の波形の衝撃波Sは、極く微小な時間Δt(例えば数μs)では、荷重fが一定と見なせる。ビット13の貫入状態が図4に示すビット貫入量uと貫入力Fとの関係でaの位置にあるとし、その時の貫入力をF0 =Φ(u0 )とする。時間Δtが小さければ、ビット13で生ずる反射波の大きさrは、近似的にr=F0 −fと見なせる。ビット13の先端は入射波と反射波の重畳により前進する。この時間Δtでのビット13の前進速度vはr−f=Zvから、v=(r−f)/Zであり、従って、ビット13の前進量即ち貫入量の増分Δuは、Δu=(r−f)Δt/Zである。この貫入が完了した時、貫入力の大きさはF0 =Φ(u0 )からF1 =Φ(u0 +Δu)になっている。
【0031】
上記手順を繰り返して行けば、任意の入射波形に対し、貫入抵抗を有する破砕の対象物7への貫入量、貫入エネルギーの時間経過の様子が分かる。
以上の考察から岩石の様な対象物7に衝撃波のエネルギーでビット13を貫入させるには、f=Zv、Δu=vΔt等の上述の関係により一定以上の変位速度vが一定時間継続する必要のあることが分かる。
【0032】
岩石等の破砕の対象物7の物性は千差万別であり、従って、貫入抵抗も様々である。一定量以上の貫入量を確保し、所要動力を一定値以下におさめるためには、磁歪による歪みが磁界の強さ、即ち励磁電流の大きさに比例し、歪みの時間的変化率は変位速度vに等しいことから、図6に示す様な励磁コイルの励磁電流が電圧印加時間の経過と共に増加し所望の最大値に達した後急減して零となるパルス電圧を、電源装置6から繰り返し励磁コイル4に印加する。これにより、超磁歪材1が磁歪による変形において所望の変位、変位速度に達する。このときのパルス幅は、数十μs乃至数百μs、パルス間隔は数ms乃至数百msの範囲で適宜選択される。
【0033】
ビット13の貫入に際しては、ビット13の先端は対象物7に接触していることが望ましい。ビット13の先端が対象物7に接触していないと、ビット13の先端に入射した衝撃波は引張波となってロッド12中を戻って行きエネルギーを有効に対象物7に伝達することができない。このため、ロッド12全体を静的に対象物7に押しつけておく必要がある。
【0034】
図7に示す様に、励磁コイル4の励磁電流が、パルス波形の立上り時に電圧印加時間の経過と共に増加し、所望の最大値に達してから所定時間最大値を維持するパルス電圧を励磁コイル4に印加すると、励磁電流が一定値を維持している間は、超磁歪材1が伸びており、ロッド12を対象物7に押しつけることができるので、推力装置では間に合わない瞬間的な推力不足を補うとができる。一定値を維持する時間は、数十ms内の範囲で適宜選択される。
【0035】
衝撃波をビット13の対象物7への貫入仕事に有効に使うためには、反射波の発生をなるべく小さく抑えることが重要である。即ち、反射波の大きさrを0にするにはr=−F−f=0からf=−F(−は圧縮波)を保てればよい。
【0036】
F=Φ(u)=kuが成り立つと仮定できる対象物7ならv=du/dt=−f/ZからdF=−df=kdu=(k/Z)fdtとなり、f=f0 e(k/z)tなら反射波は発生しない。初期の貫入に必要なfの初期値f0 、破砕の対象物7の貫入抵抗が必ずしも正確にF=kuとは表せないことを勘案しても、図8、図9に示すように励磁コイル4の励磁電流がパルス波形の立上り時に初期値から最大値まで電圧印加時間の経過と共に、経過時間の2乗に比例して(i=αt2 )、又は経過時間の対数関数に近似して(i≒αekt)増加するパルス電圧を励磁コイルに印加すると、反射波の発生を小さく抑えることができる。
励磁コイル4に検出コイル8を併設し、ロッド12から超磁歪材1に反射波が戻ってきたとき、磁歪現象により発生する電流又は電圧の変化を検出コイル8で測定して反射波の波形を検出装置9で検出し、ビット13の対象物7への貫入過程における入射波の大きさを反射波に応じて加減すると、反射波が低減でき、貫入効率の向上、振動、反動の低減が可能となる。
【0037】
上記のごときパルス電圧を励磁コイル4に供給するためには、電源装置6として、図10に示すような変圧器32、ダイオード整流器33、高周波インバータ34、フィルタ35を備え交流入力31を特殊波形パルスとして出力可能な特殊波形出力電源装置36を用いて、電気回路のインダクタンスや衝撃波の反射波形の検出装置9による検出結果に応じて所望の波形のパルス電流が得られるよう印加電圧を制御すればよい。
【0038】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の衝撃装置は、電気エネルギーを直接歪みエネルギーに変えるのでエネルギー効率が高く、油圧機器、油圧配管、油圧打撃機構等の複雑な機械装置が不要で、衝撃機械を簡易化できる。
【0039】
また、電気パルスによる高速作動が可能となり、機械的なピストン打撃作動に較べて容易に高出力が得られる。所望の衝撃波形を容易に発生できるので、貫入効率が向上し破砕効率が向上する。
【0040】
さらに、反射波を超磁歪材の変形で測定し、検出結果を出力波形に反映させることで反射波の低減が図れ、貫入効率を向上させ、振動、反動を低減することができる。しかも、打撃騒音の発生がないので、静粛で耐久性の高い衝撃機械を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の一形態である衝撃装置を用いたブレーカの構成図である。
【図2】本発明の他の実施の形態である反射波の検出装置を備えたブレーカの構成図である。
【図3】本発明のさらに他の実施の形態である衝撃装置を用いたさく岩機の構成図である。
【図4】貫入量と貫入力の関係を示すグラフである。
【図5】入射波の波形を示すグラフである。
【図6】励磁電流の波形の一例を示すグラフである。
【図7】励磁電流の波形の一例を示すグラフである。
【図8】励磁電流の波形の一例を示すグラフである。
【図9】励磁電流の波形の一例を示すグラフである。
【図10】特殊波形出力電源装置の回路ブロック図である。
【符号の説明】
1 超磁歪材
2 チゼル
3 反力受板
4 励磁コイル
5 ケーシング
6 電源装置
7 対象物
8 検出コイル
9 検出装置
11 回転装置
12 ロッド
13 ビット
15 フラッシング装置
36 特殊波形出力電源装置
B ブレーカ
D さく岩機
Claims (6)
- パルス電圧が印加される励磁コイルの中央に超磁歪材を配置し、該超磁歪材の先端に密接して衝撃伝達工具を配置し、超磁歪材の他端に密接して反力受板を設け、さらに、励磁コイルの励磁電流が電圧印加時間の経過と共に増加し所望の最大値に達した後急減して零となるパルス電圧を、繰り返し励磁コイルに印加する電源装置を備えた衝撃装置。
- パルス電圧が印加される励磁コイルの中央に超磁歪材を配置し、該超磁歪材の先端に密接して衝撃伝達工具を配置し、超磁歪材の他端に密接して反力受板を設け、さらに、励磁コイルの励磁電流が電圧印加時間の経過と共に増加し所望の最大値に達してから所定時間最大値を維持した後急減して零となるパルス電圧を、繰り返し励磁コイルに印加する電源装置を備えた衝撃装置。
- パルス電圧が印加される励磁コイルの中央に超磁歪材を配置し、該超磁歪材の先端に密接して衝撃伝達工具を配置し、超磁歪材の他端に密接して反力受板を設け、さらに、励磁コイルの励磁電流が初期値から最大値まで電圧印加時間の経過と共に、経過時間の2乗に比例して又は経過時間の対数関数に近似して増加するパルス電圧を、繰り返し励磁コイルに印加する電源装置を備えた衝撃装置。
- 励磁コイルの励磁電流が初期値から最大値まで電圧印加時間の経過と共に、経過時間の2乗に比例して又は経過時間の対数関数に近似して増加するパルス電圧を、繰り返し励磁コイルに印加する電源装置を備えた請求項1又は請求項2記載の衝撃装置。
- 励磁コイルに検出コイルを併設し、衝撃伝達工具から超磁歪材に反射波が戻ってきたとき、磁歪現象により発生する電流又は電圧の変化を検出コイルで測定して反射波の波形を検出する検出装置を備えた請求項1、請求項2、請求項3又は請求項4記載の衝撃装置。
- パルス電圧が印加される励磁コイルの中央に超磁歪材を配置し、該超磁歪材の先端に密接して衝撃伝達工具を配置し、超磁歪材の他端に密接して反力受板を設け、さらに、励磁コイルに検出コイルを併設し、衝撃伝達工具から超磁歪材に反射波が戻ってきたとき、磁歪現象により発生する電流又は電圧の変化を検出コイルで測定して反射波の波形を検出する検出装置を備えた衝撃装置。
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