JP4730925B2 - 回転打撃式削孔装置 - Google Patents

Description

本発明は、進退可能に構成された削孔用ビットに対してダウンザホールハンマにより打撃力を付与するように構成した回転打撃式の削孔装置に関する。

この種の削孔用ビットに対して回転力と打撃力を付与して掘削を行う回転打撃式の削孔装置における打撃力の付与の仕方は、トップハンマ方式とダウンザホールハンマ方式に大別される。後者のダウンザホールハンマ方式は、先端の削孔用ビットを直接的に打撃することから、掘削性能が高く、大深度削孔にも有効である。このダウンザホールハンマ方式を採用する回転打撃式の二重管削孔装置として、削孔用ビットをインナービットとその外周部に配設されたアウタービットから構成し、アウタービットを外管の先端部に進退可能に設置して、インナービット側に付与される打撃力をアウタービット側にも伝達して掘削作用を行う方式のものが広く知られている（特許文献１）。また、アウタービットの動作ストロークをインナービットの動作ストロークより長く設定して、掘削中に急激に軟弱な地質の部分に差掛かった場合などにアウタービットが前方へ進出できるように前方への自由ストロークを確保し、アウタービットを前方へ逃すことによりダウンザホールハンマからの打撃作用を緩和して、アウタービットの薄肉部やネジ部などの外管との接続部の弱い部分を破壊から保護するというものも開示されている（引用文献２）。しかしながら、この従来技術の場合には、装置の保護という点ではよいが、アウタービットの動作ストロークがインナービットの動作ストロークより長く設定される結果、ピストンハンマの動作速度を上げた場合に、とりわけアウタービットの動作の遅れに起因して正確な動作が困難になるといった技術的な問題があり、延いては効率的な掘削動作を制約する原因にもなった。
特許第２６８０４３３号公報 特許第３４５５１７８号公報

本発明は、以上のような従来の技術的状況に鑑み、岩盤等の硬質の地盤や軟弱な地盤などの地質に応じた打撃力の付与が可能で、打撃力によって生じる装置の損傷を軽減することができ、またアウタービットを含めて、より効率的な掘削動作が得られるように改良した回転打撃式削孔装置を提供することを目的とするものである。

前記課題を解決するため、本発明では、シリンダ内に摺動可能に嵌装されたピストンハンマにより前記シリンダの先端部に進退可能に設置された削孔用ビットに対して打撃力を付与するように構成した回転打撃式削孔装置において、前記シリンダの内周面に、前記削孔用ビットの後端部と前記ピストンハンマの前端部との間に連通可能な高圧エア流通用の凹部を形成するとともに、その凹部の前方終端部を、前記削孔用ビットの最大突出状態における該削孔用ビットの後端部から後方へ離間した位置とし、前記ピストンハンマの前進過程において、そのピストンハンマの外周面により前記シリンダ内周面に形成した凹部の前方終端部を閉塞することにより、該ピストンハンマの前端部と前記削孔用ビットの後端部との間に、該ピストンハンマから前記削孔用ビットへの打撃作用を緩衝するクッション室を形成するという技術手段を採用した。これにより、岩盤等の硬質の地盤の場合には、１回の打撃毎の掘削量が小さいことから、削孔用ビットは後退位置近傍の狭い範囲で進退を繰返し、ピストンハンマの外周面によってシリンダ内周面に形成した前記凹部が閉塞される状態には至らずに、ピストンハンマからの打撃力を受けることになるので、クッション室による緩衝作用を受けることなく、ピストンハンマから削孔用ビットへ強力な打撃力が直接的に伝達されることになる。他方、軟弱な地盤の場合には、地盤からの反力が弱いため、削孔用ビットが前記フロントチャンバ内の高圧エアの圧力等によって硬質地盤の場合に比べて先へ前進し、ピストンハンマの外周面により前記シリンダ内周面に形成した凹部が閉塞される状態に至ることにもなるので、この場合には、そのピストンハンマの前端部と削孔用ビットの後端部との間にクッション室が形成され、そのクッション室の緩衝作用によって、削孔用ビットへの打撃力が緩和されることから、装置に対する損傷を軽減することが可能である。

本発明によれば、上述のように前記クッション室の緩衝機能により地質に応じた打撃力の付与が可能である。すなわち、硬質の地盤の場合のように削孔用ビットが地盤から強い反力を常時受けている掘削状態においては強力な打撃力の伝達が可能であり、他方、軟弱な地盤の場合のように、地盤からの反力が弱く、ピストンハンマからの打撃力によって装置が損傷を受けやすい掘削状態においては、前記クッション室の緩衝機能によって削孔用ビットへの打撃力が緩和され、装置の損傷が軽減されるという優れた効果を得ることができる。

本発明は、ピストンハンマにより削孔用ビットに打撃力を付与しながら回転して掘削する回転打撃式の削孔装置であれば、種々の形式の削孔装置に広く適用することができる。削孔用ビットをインナービットとその外周部に配設されたアウタービットから構成した二重管削孔装置に対して適用することも可能であり、この場合に、アウタービットの進退動作のストロークをインナービットのストロークとほぼ同じ長さに設定するようにすれば、掘削動作の効率化に有効で、しかも損傷の少ない回転打撃式の二重管削孔装置を提供することも可能である。因みに、本発明は、削孔の口径の大小に制限されることなく広い適用が可能であるが、特にピストンハンマの打撃力による損傷に弱い小口径用の比較的小型の削孔装置に有効である。

図１は本発明の一実施例の要部を示した縦断面図である。図中１はピストンハンマで、シリンダ２の内部に摺動可能に嵌装されている。シリンダ２の先端部には、そのシリンダ２の端部に螺着された案内支持部材３を介して削孔用ビット４が進退可能に嵌装されており、該削孔用ビット４の後端部をピストンハンマ１により打撃することにより打撃力が伝達されるように構成されている。削孔用ビット４の先端部には複数個の削孔用チップ５が備えられており、内部にはエア流通用の内部流通路６が形成されている。この内部流通路６の上流側はバルブ細管７を介してピストンハンマ１の内部に形成された内部流通路８に対して嵌入・脱離可能に構成され、下流側は流出孔９を介して外部に連通されている。また、削孔用ビット４は案内支持部材３の内面との間に形成されたスプライン結合によって前後方向のみ摺動可能に案内され、シリンダ２の回転動作によって共に回転するように構成されている。削孔用ビット４の後部外周面には、凹部１０が形成されており、シリンダ２側に固定された係止部材１１との係合によって削孔用ビット４のストロークが規制されるように構成されている。

前記ピストンハンマ１は、中央部の小径部１２と両側の大径部１３，１４から構成され、前方の大径部１３をシリンダ２の内面に摺接するとともに、後方の大径部１４をシリンダ２の後端部に螺入された給気管１５の連結部１６の内面に摺接することにより、ピストンハンマ１を両側で軸線方向に進退可能に支持している。給気管１５からは高圧エアが供給され、バルブシート１７に接離可能に配設された逆止弁１８を介してバルブ室１９に流入した後、シリンダ２と給気管１５の連結部１６との間に形成された連通路２０を経て給気口２１から給気されるように構成している。なお、逆止弁１８の背圧側にはバネ材２２が配設されるとともに、バルブ細管２３が一体的に形成されており、ピストンハンマ１の内部流通路８に対して嵌入・脱離可能に構成されている。

次に、高圧エアの流れと共にピストンハンマ１の打撃動作に関して説明する。しかして、図１に示した削孔用ビット４の前進状態から地盤からの反力によって、図２のように削孔用ビット４がシリンダ２に対して相対的に後退（図において上動）した場合には、前記給気口２１からピストンハンマ１の小径部１２の周囲のシリンダ２との間隙２４へ高圧エアが流入し、さらにピストンハンマ１の大径部１３の外周面の後半部に形成された縦溝２５及びシリンダ２の内周面に形成された凹部２６を経てピストンハンマ１と削孔用ビット４の後端部との間に流入し、図３に示したようにフロントチャンバ２７を拡大しながらピストンハンマ１を後退させることになる。本実施例では、図１に示したように、前記凹部２６は、前進状態の削孔用ビット４の後端部から離れた位置まで形成し、その凹部２６が形成されていない部分をクッション室として構成している。これにより、後述のように、軟弱な地盤の掘削時における装置の損傷を軽減することが可能である。

しかして、上述のように、図２においてピストンハンマ１と削孔用ビット４の後端部との間に高圧エアが供給されると、図３に示したようにフロントチャンバ２７が拡大し、ピストンハンマ１が後退する。この図２から図３へのピストンハンマ１の後退動作においては、ピストンハンマ１の後方のリアチャンバ２８がピストンハンマ１の内部流通路８、削孔用ビット４の内部流通路６及び流出孔９を介して外部へ開放されているので、ピストンハンマ１はスムーズに後退する。そして、やがて図示のように縦溝２５が凹部２６から外れると、フロントチャンバ２７への高圧エアの供給が停止され、同時にピストンハンマ１の内部流通路８の後端側にバルブ細管２３が嵌入し、リアチャンバ２８が密閉される。因みに、この状態においても、フロントチャンバ２７には高圧エアが充満されているので、ピストンハンマ１は、リアチャンバ２８を圧縮しながら後退動作を継続する。

そして、図４の状態に至ると、ピストンハンマ１の後方の大径部１４が給気管１５の連結部１６の内面に形成した凹部２９内に位置し、給気口２１からの高圧エアがその大径部１４と凹部２９との間隙を介してリアチャンバ２８に流入する。そして、さらにピストンハンマ１が後退すると、図５のように大径部１４により後方のクッション室３０が密閉され、ピストンハンマ１に対する前進方向への押圧力が急増する。同時に、前方のバルブ細管７がピストンハンマ１の内部流通路８から抜けて脱離するので、フロントチャンバ２７内の高圧エアはバルブ細管７、削孔用ビット４の内部流通路６及び流出孔９を介して外部へ放出され、フロントチャンバ２７の内圧は激減する。その結果、ピストンハンマ１は前進動作に切替えられる。

しかる後、ピストンハンマ１の前進動作が図６の状態まで進むと、給気口２１からの高圧エアがピストンハンマ１の大径部１４と前記凹部２９との間隙を介してリアチャンバ２８に流入し、リアチャンバ２８内の内圧が急増する結果、ピストンハンマ１の前進動作が加速される。因みに、この時点で、ピストンハンマ１の内部流通路８の前端側にバルブ細管７が嵌入して、フロントチャンバ２７が密閉される。その後、図７に示したようにピストンハンマ１が前進して大径部１４と前記凹部２９との間隙が遮断されても、フロントチャンバ２７内は低圧のままであることから、リアチャンバ２８内の高圧エアによりピストンハンマ１の前進動作が継続される。

そして、図８に示したように、ピストンハンマ１の前方の大径部１３に形成した縦溝２５とシリンダ２の内周面に形成された凹部２６との連通が開始されると、給気口２１からピストンハンマ１の小径部１２の周囲のシリンダ２との間隙２４を介して供給される高圧エアがフロントチャンバ２７へ流入して、ピストンハンマ１の後退動作への切替えの準備に入る。因みに、このフロントチャンバ２７への高圧エアの流入によりピストンハンマ１の前進動作に対してブレーキがかかることになるが、この時点では、ピストンハンマ１はそれ自体の慣性によって高速での前進動作を維持するように各部の寸法が設定されている。

しかして、ピストンハンマ１が高速で更に前進すると、図９に示したように削孔用ビット４の後端面を打撃することになる。この打撃の瞬間におけるピストンハンマ１と削孔用ビット４との間のエアは凹部２６側へ逆流したり削孔用ビット４の外周部のスプライン結合部から逃げることになる。なお、この打撃動作の際には、後方のバルブ細管２３はピストンハンマ１の内部流通路８の後端側から抜けて脱離した状態にあり、リアチャンバ２８は内部流通路８、削孔用ビット４の内部流通路６及び流出孔９を介して外部へ開放された状態にある。そして、硬質の地質部分を掘削中の場合には、掘削量が小さいことからピストンハンマ１の打撃を受けても削孔用ビット４はあまり前進しない。しかも、図９の状態では給気口２１がピストンハンマ１の小径部１２の周囲のシリンダ２との間隙２４に連通した状態にあり、打撃後のピストンハンマ１と削孔用ビット４との間には高圧エアが供給され続けるので、更に以上の図２〜図９の動作を繰返すことになる。

他方、軟弱な地質部分を掘削する場合には、１回の打撃毎の掘削量が大きく、図９に示したようにピストンハンマ１が高速で削孔用ビット４の後端面を打撃すると、削孔用ビット４は図１０に示したように前進する。この図１０の場合には、給気口２１とピストンハンマ１の小径部１２の周囲のシリンダ２との間隙２４との連通が大径部１４により遮断された状態にある。以上の打撃動作を再度実行させるには、装置を押込み地盤からの反力により削孔用ビット４をシリンダ２に対して相対的に後退（図において上動）させて、前記給気口２１と間隙２４を連通させることにより可能である。

ところで、この地質が軟弱な場合の掘削においては、図８に関して説明したようにフロントチャンバ２７へ高圧エアが供給された際に、その高圧エヤによって削孔用ビット４が前進してしまう場合がある。すなわち、地質が軟弱で、地盤からの反力が小さい場合には、フロントチャンバ２７に供給される高圧エアの圧力や、打撃時のピストンハンマ１と削孔用ビット４との間の圧力上昇によって、削孔用ビット４がピストンハンマ１との間にエアを溜めたまま前進することになり、打撃位置が前方（図において下方）にずれる場合がある。このように地盤からの反力が弱い場合には、削孔用ビット４に作用した打撃力を前記係止部材１１を介して装置側で受止めなければならないことから装置が損傷を受けやすい。本実施例では、この装置の損傷を軽減するため、図１１に示したように、凹部２６が形成されていない、該凹部２６より前方の部分をクッション室３１として構成するという技術手段を採用した。すなわち、図示のように、ピストンハンマ１の前進に伴って、そのピストンハンマ１の外周面により前記シリンダ２の内周面に形成した凹部２６の前方終端部が閉塞されると、フロントチャンバ２７の前方に、削孔用ビット４とピストンハンマ１との間に挟まれたクッション室３１が形成され、このクッション室３１の介在によってピストンハンマ１から削孔用ビット４への打撃作用が緩衝されることになる。したがって、このクッション室３１の緩衝機能により削孔用ビット４に対するピストンハンマ１からの打撃力が緩和されることから、装置が損傷から保護されることになる。

図１２は本発明をインナービットとその外周部に配設されたアウタービットから削孔用ビットを構成した二重管削孔装置に適用した場合の要部を示した片側断面図である。図中、３２は前記ピストンハンマ１を採用しシリンダの最前部に前記クッション室３１を備えた上述の打撃機構と同様の機構を内装した打撃動作部、３３はその打撃動作部３２により後端部を打撃されるインナービット、３４はインナービット３３の外周部に配設されたアウタービットであり、インナービット３３とアウタービット３４により削孔用ビットを構成している。図示の状態は、インナービット３３が最も前進した状態を示したもので、本実施例ではそのインナービット３３の段部３５と打撃動作部３２の前端面との間のストロークＳａで進退動作の範囲が規制されるように構成されている。また、前記アウタービット３４は外管３６の先端部内側にスプライン結合３７を介してストロークＳｂの動作範囲で進退動作のみ可能に構成されている。そして、それらのストロークＳａとＳｂとはほぼ同じ長さに設定されている。

しかして、本実施例の場合には、前記打撃動作部３２のピストンハンマによりインナービット３３の後端部が打撃されると、そのインナービット３３は前進することになるが、同時に前記インナービット３３の外周面に形成された係止段部３８によりアウタービット３４の後端面を打撃して共に前進させることになる。その後、地盤からの反力によりインナービット３３とアウタービット３４とはほぼ同時に後退して元の位置に戻って以上の進退動作を繰返すことになる。本実施例では、以上のようにストロークＳａとＳｂがほぼ同じ長さに設定されていることから、掘削動作においてはインナービット３３とアウタービット３４とは同時にほぼ同じ行程で進退動作を繰返すので、従来のアウタービット３４のストロークＳｂを長く設定した場合に比べて戻り動作がはやく効率的な進退動作が可能である。しかも、打撃動作部３２には、上述のようにシリンダの最前部にピストンハンマに対するクッション手段として前記クッション室３１が備えられており、このクッション室３１の緩衝機能によって軟弱な地質部分の掘削における打撃力が緩和されることから、インナービット３３とアウタービット３４の動作ストロークＳａとＳｂとをほぼ同じ長さに設定しても装置に対する損傷は回避することが可能である。

本発明の一実施例の要部を示した縦断面図である。 同実施例の動作過程を示した縦断面図である。 同実施例の動作過程を示した縦断面図である。 同実施例の動作過程を示した縦断面図である。 同実施例の動作過程を示した縦断面図である。 同実施例の動作過程を示した縦断面図である。 同実施例の動作過程を示した縦断面図である。 同実施例の動作過程を示した縦断面図である。 同実施例の動作過程を示した縦断面図である。 同実施例の動作過程を示した縦断面図である。 同実施例の動作過程を示した縦断面図である。 本発明を二重管削孔装置に適用した場合の要部を示した片側断面図である。

１…ピストンハンマ、２…シリンダ、３…案内支持部材、４…削孔用ビット、５…削孔用チップ、６…内部流通路、７…バルブ細管、８…内部流通路、９…流出孔、１０…凹部、１１…係止部材、１２…小径部、１３，１４…大径部、１５…給気管、１６…連結部、１７…バルブシート、１８…逆止弁、１９…バルブ室、２０…連通路、２１…給気口、２２…バネ材、２３…バルブ細管、２４…間隙、２５…縦溝、２６…凹部、２７…フロントチャンバ、２８…リアチャンバ、２９…凹部、３０…クッション室、３１…クッション室、３２…打撃作動部、３３…インナービット、３４…アウタービット、３５…段部、３６…外管、３７…スプライン結合、３８…係止段部、Ｓａ…インナービットのストローク、Ｓｂ…アウタービットのストローク

Claims (1)

1. シリンダ内に摺動可能に嵌装されたピストンハンマにより前記シリンダの先端部に進退可能に設置された削孔用ビットに対して打撃力を付与するように構成した回転打撃式削孔装置において、前記シリンダの内周面に、前記削孔用ビットの後端部と前記ピストンハンマの前端部との間に連通可能な高圧エア流通用の凹部を形成するとともに、その凹部の前方終端部を、前記削孔用ビットの最大突出状態における該削孔用ビットの後端部から後方へ離間した位置とし、前記ピストンハンマの前進過程において、そのピストンハンマの外周面により前記シリンダ内周面に形成した凹部の前方終端部を閉塞することにより、該ピストンハンマの前端部と前記削孔用ビットの後端部との間に、該ピストンハンマから前記削孔用ビットへの打撃作用を緩衝するクッション室が形成されるように構成したことを特徴とする回転打撃式削孔装置。

Images