JP4636294B1 - 破砕方法および破砕装置 - Google Patents

Abstract

【課題】地盤や岩石などの被破砕物を少ないエネルギーで効率的に破砕する。
【解決手段】被破砕物４に対して所定内径Ｗ3（Ｗ2＜Ｗ3＜Ｗ1）の削孔３を形成する（削孔形成工程）。そして、その削孔３に対し、チゼル１３の先端部１３５を挿入し、傾斜面１３７に形成された当接領域１３８を削孔３の内壁に当接させるとともに、油圧供給源から切換弁を介してシリンダ１１へ圧油を供給することによりピストン１２を軸方向に往復動させてチゼル１３を打撃する。このとき、削孔３の周囲では、削孔３からピストン１２の往復方向（軸方向）とほぼ直交し、しかも互いに異なる４方向に引張応力が作用して削孔３の周囲が破砕される。
【選択図】図１

Description

この発明は、地盤や岩石などの被破砕物を破砕する破砕方法および装置に関するものである。

従来、地盤掘削、砕岩、削岩などの破砕作業には、ブレーカー等の破砕装置が使用される。例えば特許文献１に記載の破砕装置は、油圧パワーショベル等の建設車両のアームに取付けられ、鋭角に形成されたチゼルの先端部を地盤や岩石などの被破砕物の表面に当接させるとともに、往復動するピストンでチゼルの後端部を打撃することによりチゼルが被破砕物の方向に前進する。このとき、ピストンでの打撃によって被破砕物の方向に進行する圧縮の応力波が発生し、それが被破砕物に到達して被破砕物を破砕する。

特開２００８−１１４２９７号公報（例えば、図１）

従来の破砕装置は、上記したように圧縮の応力波を用いて地盤や岩石などの破砕を実行しているため、次のような問題があった。すなわち、地盤や岩石などは圧縮応力に対して極めて高い耐力を有しており、圧縮の応力波を用いた従来技術では硬度の高い地盤や岩石などを容易に破砕することができず、岩石などの破砕に長時間を要してしまうことがあった。このように従来の破砕技術では、エネルギーおよび作業性において非効率な面があり、改善の余地があった。また、砕装置の作動中にチゼル先端部と地盤表面等との摩擦によって大量の熱が発生してチゼルが熱変形してしまい、短時間でのチゼル交換が不可避となっている。このように従来装置では、チゼル寿命が短く、このことがチゼル交換作業やコストの面で大きな問題となっている。

この発明は上記課題に鑑みなされたものであり、地盤や岩石などの被破砕物を少ないエネルギーで効率的に破砕する技術を提供することを目的とする。

この発明にかかる破砕方法は、上記目的を達成するため、地盤や岩石などの被破砕物に削孔を形成する削孔形成工程と、先端端面が削孔の内径よりも小さな第１の外径を有するとともに先端端面から後端に進むにしたがって外径が大きくなり削孔の内径よりも大きな第２の外径となる傾斜面を有する先細り形状の先端部を備えたチゼルを準備し、チゼルの先端部を削孔に挿入して傾斜面を削孔の内壁に当接させた後、往復動するピストンによりチゼルを打撃することでチゼルの傾斜面を削孔の内壁と直接当接させて削孔の周囲を破砕する破砕工程とを備えたことを特徴としている。

また、この発明にかかる破砕装置は、地盤や岩石などの被破砕物に形成された削孔の周囲を破砕する破砕装置であって、上記目的を達成するため、先端端面が削孔の内径よりも小さな第１の外径を有するとともに先端端面から後端に進むにしたがって外径が大きくなり削孔の内径よりも大きな第２の外径となる傾斜面を有する先細り形状の先端部を備えたチゼルと、往復動してチゼルの後端を打撃するピストンとを備え、チゼルの先端部が削孔に挿入されて傾斜面が削孔の内壁に当接した状態でピストンによりチゼルが打撃されることでチゼルの傾斜面が削孔の内壁と直接当接して削孔を起点として被破砕物を破砕することを特徴としている。

このように構成された発明（破砕方法および破砕装置）では、地盤や岩石などの被破砕物に形成された削孔に先細り形状のチゼル先端部が挿入される。このチゼルの先端部では、先端端面が削孔の内径よりも小さいため、チゼルの先端は削孔にすっぽりと入り込む。また、チゼルの先端部には、先端端面から後端に進むにしたがって外径が大きくなり削孔の内径よりも大きな第２の外径となる傾斜面が設けられているため、チゼルの先端部を削孔に進入させると、やがて傾斜面が削孔の内壁に当接する。そして、その当接状態で往復動するピストンによりチゼルを打撃すると、削孔の周囲では、削孔からピストンの往復方向とほぼ直交する方向に引張応力が被破砕物に作用する。その結果、削孔の周囲が破砕される。

ここで、チゼルがピストンの往復方向に延設されて後端部でピストンからの打撃を受けるチゼル本体を有するように構成してもよい。そして、チゼル本体の先端側面に傾斜面を形成してもよい。また、チゼル本体に対して先端部材を着脱自在に構成し、その先端部材の側面に傾斜面を形成してもよく、この場合、チゼル本体を固定化し、地盤や岩石などの被破砕物と直接する接触して消耗する先端部材を交換部品として使用することができ、効率的である。

チゼルがピストンの往復軸に対して略対称な形状を有するように構成してもよく、削孔の内壁と当接自在な当接領域を往復軸に対して略対称に複数個有するように傾斜面を構成してもよい。また、このような装置では、当接領域が削孔の内壁と当接する位置で破砕が進行するのに対し、当接領域と当接しない位置では破砕は進行しない。そこで、チゼルはピストンに対して往復軸回りに回転自在に構成すると、チゼルの回転によって当接領域が削孔の内壁と当接する位置が入れ替わり、削孔の周囲全体を細かく破砕することができる。

従来より知られているように、岩盤や岩石の耐力は圧縮方向に比べて引張方向で小さい。したがって、本発明のように削孔からピストンの往復方向とほぼ直交する方向に引張応力を被破砕物に対して作用させて削孔の周囲を破砕する場合、圧縮応力を利用する従来技術に比べ、地盤や岩石などの被破砕物を少ないエネルギーで効率的に破砕することができる。

本発明にかかる破砕装置の第１実施形態たる油圧ブレーカーの使用態様を示す図である。 図１の油圧ブレーカーで使用するチゼルを示す図である。 図１の油圧ブレーカーによる破砕方法を模式的に示す図である。 本発明にかかる破砕装置の第２実施形態を示す図である。 本発明にかかる破砕装置の第３実施形態を示す図である。 本発明にかかる破砕装置の第４実施形態を示す図である。 本発明にかかる破砕装置の第５実施形態を示す図である。 本発明にかかる破砕装置を用いた岩石破砕の手順を示すフローチャートである。

図１は、本発明にかかる破砕装置の第１実施形態たる油圧ブレーカーの使用態様を示す図である。また、図２は図１の油圧ブレーカーで使用するチゼルを示す図であり、同図（ａ）はチゼルの全体構成を示す斜視図であり、同図（ｂ）は上方からチゼルを見た平面図であり、同図（ｃ）は下方からチゼルを見た底面図である。この油圧ブレーカー１は図１に示すように油圧パワーショベル等の建設車両２０のアーム２１にブラケット２２を介して取り付けられている。

この油圧ブレーカー１はブラケット２０に支持されるブレーカ本体（図示省略）を備えている。また、このブレーカ本体は、軸方向（図１の上下方向）での中央部にシリンダ１１を有している。そして、不図示の油圧供給源から切換弁を介してシリンダ１１へ圧油を供給することにより、シリンダ１１内に摺嵌されるピストン１２が軸方向に前後進可能になっている。

ブレーカ本体の先端部（図１の下方側端部）には、チゼル１３がピストン１２の往復軸ＡＸと同軸線上となるようにチゼル１３の後端部が挿着され、このチゼル１３の後端面とピストン１２との間に打撃室が形成されている。そして、ブレーカ本体の先端部内では、上記ピストン１２の打撃によってチゼル１３が軸方向（往復軸方向）に所定距離の往復移動が可能になっている。すなわち、チゼル１３では、チゼル本体１３１の後端部１３２は軸方向に延設されるとともに、後端部１３２の側面には切欠部１３３が形成され、その切欠部１３３に対してロッドピン１４が係合することで、軸方向での移動が規制され、その往復移動範囲が制限されている。

また、チゼル本体１３１の先端部１３５は軸方向と直交する径方向に張り出した状態で軸方向に延設され、先端側に進むにしたがって外径が減少する、いわゆる先細り形状を有している。より詳しくは、後端部１３２とつながる位置では、図２（ｂ）に示すように、削孔３の内径Ｗ3よりも大きな外径Ｗ2を有する一方、先端端面１３６では、図２（ｃ）に示すように、削孔３の内径Ｗ3よりも小さな外径Ｗ1を有する。このようにチゼル本体１３１の先端側面は傾斜面１３７となっている。このため、後述するように削孔３にチゼル１３の先端部１３５を挿入すると、先端部１３５の一部が削孔３に入り込んで状態で傾斜面１３７が削孔３の内壁に係止される。

チゼル１３の先端部１３５には、軸方向に延びる溝部が４本等間隔で形成されており、軸方向に対して直交する水平面での断面は略十字形状となっている。したがって、上記のようにチゼル１３の先端部１３５を削孔３に挿入すると、十字先端領域１３８が削孔３の内壁と当接し、本発明の「当接領域」に相当している。このように第１実施形態では、チゼル１３の傾斜面１３７には、４個の当接領域１３８がピストン１２の往復軸ＡＸ（図２中の１点鎖線）に対して略対称に設けられている。

次に、上記のように構成された油圧ブレーカー１を使用して地盤や岩石などの被破砕物４を破砕する動作について図３を参照しつつ説明する。図３は図１の油圧ブレーカーによる破砕方法を模式的に示す図である。この実施形態では、被破砕物４に対して所定内径Ｗ3（Ｗ1＜Ｗ3＜Ｗ2）の削孔３を形成する（図３（ａ）：削孔形成工程）。そして、その削孔３に対し、チゼル１３の先端部１３５を挿入し、傾斜面１３７に形成された当接領域１３８を削孔３の内壁に当接させる（同図（ｂ））とともに、不図示の油圧供給源から切換弁を介してシリンダ１１へ圧油を供給することによりピストン１２を軸方向に往復動させてチゼル１３を打撃する（同図（ｃ））。このとき、削孔３の周囲では、削孔３からピストン１２の往復方向（軸方向）とほぼ直交し、しかも互いに異なる４方向に引張応力が作用して削孔３の周囲が破砕される。

以上のように、本実施形態では、削孔３からピストン１２の往復方向とほぼ直交する方向に引張応力を被破砕物４に対して作用させて削孔３の周囲を破砕しているので、圧縮応力を利用する従来技術に比べ、地盤や岩石などの被破砕物４を少ないエネルギーで効率的に破砕することができる。

ところで、上記第１実施形態では、チゼル１３の傾斜面１３７に４つの溝部が設けられて４つの当接領域１３８を形成しているが、当接領域１３８の形状、大きさおよび個数などについては任意である。例えば図４に示す第２実施形態にかかる破砕装置（油圧ブレーカー１）では、チゼル１３の先端部１３５に、軸方向（ピストン１２の往復方向）に延びる溝部が２本等間隔で形成されており、軸方向に対して直交する水平面での断面は江戸時代に両替商が用いた後藤分銅に類似した形状を有し、２個の当接領域１３８がピストン１２の往復軸ＡＸに対して略対称に設けられている。したがって、チゼル１３の先端部１３５を削孔３に挿入すると、２つの当接領域１３８が削孔３の内壁と当接し、不図示の油圧供給源から切換弁を介してシリンダ１１へ圧油を供給することによりピストン１２を軸方向に往復動させてチゼル１３を打撃すると、削孔３の周囲では削孔３からピストン１２の往復方向（軸方向）とほぼ直交し、しかも互いに異なる２方向の引張応力が被破砕物４に対して作用して削孔３の周囲が破砕される。

また、図５に示す第３実施形態では、チゼル１３の先端部１３５が円錐台形状に仕上げられており、傾斜面１３７全体が当接領域１３８となっている。したがって、チゼル１３の先端部１３５を削孔３に挿入すると、当接領域１３８が削孔３の内壁と等方的に当接し、不図示の油圧供給源から切換弁を介してシリンダ１１へ圧油を供給することによりピストン１２を軸方向に往復動させてチゼル１３を打撃すると、削孔３の周囲では削孔３からピストン１２の往復方向（軸方向）とほぼ直交する方向に引張応力が等方的に作用して削孔３の周囲が破砕される。

また、上記第１実施形態ないし第３実施形態では、チゼル１３はチゼル本体１３１の傾斜面１３７に対して当接領域１３８を形成している。このため、当該チゼル１３を使用して破砕処理を繰り返して実行している間に、当接領域１３８が消耗し、変形してしまうと、チゼル全体を交換する必要がある。そこで、図６に示すように、チゼル１３をチゼル本体１３１と先端部材１３９とで構成してもよい。以下、同図を参照しながら、本発明の第４実施形態について説明する。

図６は本発明にかかる破砕装置の第４実施形態を示す図である。この第４実施形態では、チゼル本体１３１の先端側（同図の下側）が円錐台状の凸部に仕上げられる一方、先端部材１３９の後端（同図の上側）が上記凸部と嵌合可能な凹部に仕上げられており、凹部に対して凸部を嵌合させることでチゼル本体１３１と先端部材１３９とを一体化してチゼル１３が構成される。なお、本実施形態では、破砕処理中にチゼル本体１３１と先端部材１３９との摩擦による先端部材１３９の変形を考慮して同図（ｃ）に示すように先端部材１３９の後端外径をチゼル本体１３１の先端外径よりも若干大きく設定している。

また、チゼル本体１３１に対して先端部材１３９を固定するために、本実施形態では先端が先細りの２本のピンＰを用いている。つまり、チゼル本体１３１と先端部材１３９とには、ピンＰを挿通するための貫通孔１３１ａ、１３９ａがそれぞれ形成されている。また、破砕処理中にピンＰが抜け出すのを防止するため、同図（ｄ）に示すように、本実施形態ではチゼル本体１３１に対して貫通孔１３１ａの一方端に拡径部１３１ｂを設け、スプリングワッシャーＳが介挿されている。したがって、チゼル本体１３１に対して先端部材１３９を固定する際には、ピンＰを貫通孔１３９ａ、スプリングワッシャーＳ、貫通孔１３１ａおよび貫通孔１３９ａの順に嵌入する。逆に、チゼル本体１３１に対する先端部材１３９の固定を解除する際には、ピンＰの先端部（細径部）をハンマーなどにより打撃してピンＰを抜く。

なお、その他の構成は第３実施形態と同様であり、上記実施形態と同様にして破砕処理が実行される。つまり、チゼル本体１３１と先端部材１３９とを一体化して固定した状態で先端部材１３９を削孔３に挿入すると、当接領域１３８が削孔３の内壁と等方的に当接する。また、不図示の油圧供給源から切換弁を介してシリンダ１１へ圧油を供給することによりピストン１２を軸方向に往復動させてチゼル１３を打撃すると、削孔３の周囲では削孔３からピストン１２の往復方向（軸方向）とほぼ直交する方向に引張応力が等方的に作用して削孔３の周囲が破砕される。

以上のように第４実施形態においても、第１実施形態ないし第３実施形態と同様に削孔３からピストン１２の往復方向とほぼ直交する方向に引張応力を作用させて削孔３の周囲を破砕しているので、圧縮応力を利用する従来技術に比べ、地盤や岩石などの被破砕物４を少ないエネルギーで効率的に破砕することができる。また、第４実施形態では、破砕処理を繰り返して実行することで先端部材１３９が消耗して所望の破砕処理を実行し得なくなった際には、先端部材１３９を交換する必要があるが、チゼル本体１３１をそのまま継続使用することができ、ランニングコストの低減を図ることができる。

また、第４実施形態では、先端部材１３９は円錐台形状に仕上げられているが、先端部材１３９の形状、大きさなどについてはこれに限定されるものではなく、例えば第１実施形態や第２実施形態と同様の形状に仕上げてもよい。また、形状や大きさなどが互いに異なる先端部材１３９を予め準備しておき、被破砕物４の強度、形状などに応じて先端部材１３９を選択的に使用することも可能であり、汎用性に優れている。

なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて上述したもの以外に種々の変更を行うことが可能である。例えば、上記実施形態ではチゼル本体１３１に切欠部１３３を設け、これにロッドピン１４が係合することで、軸方向（ピストン１２の往復方向）での移動を規制するだけでなく、ブレーカ本体に対してチゼル１３が往復軸ＡＸに対して回転しないように構成されているが、第１実施形態や第２実施形態において次のように構成してもよい。例えば図７に示す第５実施形態のように、チゼル本体１３１の後端部１３２に対して切欠部１３３の代わりに円環状の溝部１３３ａを設け、ロッドピン１４による軸方向での移動規制が可能としつつ、チゼル１３が往復軸ＡＸに対して回転自在に構成してもよい。また、この第５実施形態では、チゼル１３にハンドル５を取り付け、オペレータによるハンドル操作によってブレーカ本体に対して往復軸ＡＸ回りにチゼル１３を回転させることが可能となっている。したがって、例えば同図（ｂ）に示すように、ブレーカ本体に対してチゼル１３が角度Ａに位置決めされた状態で破砕処理を行うと、その角度Ａに応じた４方向に引張応力が被破砕物４に対して作用し、それらの方向で破砕が進行する。そこで、ハンドル操作によってブレーカ本体に対してチゼル１３を４５゜だけ回転移動させ、その角度（Ａ＋４５゜）で破砕処理を行うと、その角度（Ａ＋４５゜）に応じた４方向に引張応力が被破砕物４に対して作用し、破砕処理が進行していなかった方向で破砕が進行し、破砕領域が効果的に広がる。

また、第１実施形態ないし第５実施形態で示す破砕処理については、従来より周知の割岩処理と組み合わせるのが効果的である。例えば図８に示す実施形態では、割岩処理によって比較的大きな岩石を割岩して複数の岩石片に分割した（ステップＳＴ１）後、各岩石片に対して第１実施形態ないし第５実施形態の破砕処理を施して岩石片を細かく破砕する（ステップＳＴ２）。このように２段階処理を採用することで、第１実施形態ないし第５実施形態で示す破砕処理のみで比較的大きな岩石を破砕するのに比べ、より短時間で岩石を細かく破砕することができる。

さらに、上記実施形態では油圧によりピストンを往復動させているが、ピストンの駆動源は油圧に限定されるものでなく、破砕装置全般で使用される駆動源、例えばエアーなどを用いる破砕装置にも本発明を適用することができることが言うまでもない。

この発明は、地盤や岩石などの被破砕物を破砕する破砕技術全般に適用することができる。

１…油圧ブレーカー（破砕装置）
３…削孔
４…被破砕物
１２…ピストン
１３…チゼル
１３１…チゼル本体
１３５…先端部
１３６…先端端面
１３７…傾斜面
１３８…当接領域
１３９…先端部材
Ｗ1...（第１の）外径
Ｗ2...（第２の）外径
Ｗ3...（削孔の）内径

Claims (6)

1. 地盤や岩石などの被破砕物に削孔を形成する削孔形成工程と、
   先端端面が前記削孔の内径よりも小さな第１の外径を有するとともに前記先端端面から後端に進むにしたがって外径が大きくなり前記削孔の内径よりも大きな第２の外径となる傾斜面を有する先細り形状の先端部を備えたチゼルを準備し、前記チゼルの先端部を前記削孔に挿入して前記傾斜面を前記削孔の内壁に当接させた後、往復動するピストンにより前記チゼルを打撃することで前記チゼルの傾斜面を前記削孔の内壁と直接当接させて前記削孔の周囲を破砕する破砕工程と
   を備えたことを特徴とする破砕方法。
2. 地盤や岩石などの被破砕物に形成された削孔の周囲を破砕する破砕装置であって、
   先端端面が前記削孔の内径よりも小さな第１の外径を有するとともに前記先端端面から後端に進むにしたがって外径が大きくなり前記削孔の内径よりも大きな第２の外径となる傾斜面を有する先細り形状の先端部を備えたチゼルと、
   往復動して前記チゼルの後端を打撃するピストンとを備え、
   前記チゼルの先端部が前記削孔に挿入されて前記傾斜面が前記削孔の内壁に当接した状態で前記ピストンにより前記チゼルが打撃されることで前記チゼルの傾斜面が前記削孔の内壁と直接当接して前記削孔を起点として前記被破砕物を破砕することを特徴とする破砕装置。
3. 前記チゼルは前記ピストンの往復方向に延設されて後端部で前記ピストンからの打撃を受けるチゼル本体を有しており、前記チゼル本体の先端側面に前記傾斜面が形成される請求項２に記載の破砕装置。
4. 前記チゼルは、前記ピストンの往復方向に延設されて後端部で前記ピストンからの打撃を受けるチゼル本体と、前記チゼル本体に対して着脱自在な先端部材とを有しており、前記先端部材の側面に前記傾斜面が形成される請求項２に記載の破砕装置。
5. 前記チゼルは前記ピストンの往復軸に対して略対称な形状を有し、
   前記傾斜面は、前記削孔の内壁と当接自在な当接領域を前記往復軸に対して略対称に複数個有する請求項２ないし４のいずれか一項に記載の破砕装置。
6. 前記チゼルは前記ピストンに対して前記往復軸回りに回転自在となっている請求項５に記載の破砕装置。

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