JP4733386B2 - 弾性エネルギー貯蔵材料を圧縮する伝達要素を有する衝撃装置 - Google Patents

Description

発明の技術分野

本発明は、衝撃装置に接続された工具に圧力パルスを与える手段を有する衝撃装置に関するものである。

発明の背景

公知の衝撃装置では、往復衝撃ピストンを用いて衝撃力が生成され、このピストンの動きは、典型的には、液圧または空圧によって生じ、さらに場合によっては電気または燃焼エンジンによって生じる。圧力パルスは、衝撃ピストンがシャンクアダプタまたは工具の衝撃面を打つと、ドリルロッドなどの工具に発生する。

公知の衝撃装置は、衝撃ピストンの往復運動がダイナミックな加速力を生じ、これによって当該装置の制御が困難になるという欠点を有する。衝撃ピストンが打撃方向に加速すると、同時に、衝撃装置の本体は、処理される材料に対するドリルビットまたは工具先端の圧縮力を緩和しようとして、反対方向に動きがちになってしまう。処理される材料に対するドリルビットまたは工具の圧縮力を十分に保つには、材料に向かう十分な力で衝撃装置を押すことが必要である。しかしこうすると、今度は、衝撃装置の支持構体およびその他の部位を、両方とも、余分な力を考慮したものとしなければならないという問題点が生じ、この結果、装置の大きさおよび重量と、製造コストとが増大してしまう。衝撃ピストンの重量によって生じる慣性によって、衝撃ピストンの往復運動の周波数は制限され、したがって衝撃周波数が制限されてしまうが、衝撃周波数は、より効果的な結果を得るために、むしろ、現行のレベルから相当に上げる必要がある。しかし、現行の方式の結果、相当に運転効率は低下していて、それゆえ実際問題として不可能である。

発明の簡単な説明

本発明は、有利には削岩機等のための衝撃装置を提供し、これによって打撃により引き起こされるダイナミックな力の逆効果を公知の方式におけるより低減し、それによって、衝撃周波数を簡単に現状より増大させることを目的とする。本発明による衝撃装置は、以下を特徴とする。すなわち、圧力パルスを与える手段はエネルギー貯蔵スペースを含み、このスペースは衝撃装置の本体に配置され、衝撃装置の本体および独立した伝達要素によって境界が定められていて、この要素は衝撃装置の本体に対して工具の軸方向に沿って可動式に配置され、エネルギー貯蔵スペースは、弾性を有し可逆性の圧縮性のエネルギー貯蔵材料で充填されていて、圧力パルスを与える手段は、エネルギー貯蔵材料の圧力を増大させることによってその材料を加圧状態にする手段を含み、この手段によれば、エネルギー貯蔵材料が所望の加圧状態にある時は伝達要素は衝撃装置の本体に対するある位置にあり、この位置から伝達要素は衝撃装置の本体より工具の方向へ動くことができ、これに対応して、圧力パルスを与える手段は、伝達要素を不意に解放して工具の方向へ動かす手段を含み、これによって、エネルギー貯蔵材料に貯蔵されたエネルギーは、圧力パルスとして、伝達要素を通って、伝達要素と直接または間接に接続された工具に放出される。

本発明の基本的な思想は、弾性を有し可逆性の圧縮性の材料であって、圧縮され、その圧縮率は流体、ゴム、エラストマーなどのように比較的低い材料に貯蔵可能なエネルギーを、衝撃を供給するのに用いることである。このエネルギーが工具に伝達されるのは、圧縮された材料を不意に加圧状態から解放することによって材料がその静止時の体積を取り戻し、貯蔵された圧力エネルギーによって材料が衝撃すなわち圧力パルスを工具に伝えることによる。

本発明はこのような方式によるインパルス状の衝撃動作には往復衝撃ピストンが必要とされないため、大きな体積を有するものが打撃方向に沿って前後に動くことがなく、公知の方式における重量の大きな往復衝撃ピストンのダイナミックな力に比較して、ダイナミックな力を低く保つことができるという利点を有する。また、本発明の構成によれば、運転効率を相当に低下させることもなく、衝撃周波数を高めることができる。

以下本発明を添付図面を参照して詳細に説明する。

発明の詳細な説明

図１は本発明による衝撃装置の動作原理を概略的に示す。同図において、点線は衝撃装置１およびその本体２を示し、その一端に工具３が搭載され、工具３はその長手方向に沿って、衝撃装置１に対して移動可能である。本体２の内部にはエネルギー貯蔵スペース４があり、これは、弾性を有し可逆性の圧縮性のエネルギー貯蔵材料4aで充填されている。エネルギー貯蔵スペース４の一部は、エネルギー貯蔵材料4aと工具３との間の伝達要素５によって境界が定められていて、伝達要素は、工具３の軸方向に沿って、本体２に対して動くことができる。本実施例においてエネルギー貯蔵材料4aを構成する流体は力で圧縮され、流体の体積、すなわちこの場合における工具３の方向に沿った軸方向の長さは、静止時の長さに比較して変化する。これに対応して、流体の圧力は変化する。すなわち、圧縮に比例して上昇する。本来、エネルギー貯蔵材料中に圧力を発生させるには、エネルギー貯蔵材料4aに様々な液圧式の方法で作用するよう仕組まれたエネルギーが必要であり、そうした方法としては、例えば図２および図３の実施例がある。

エネルギー貯蔵材料が圧力を受け、例えば図示するように圧縮されると、衝撃装置１は前方に押され、これによって工具３の端部は、直接に、あるいはシャンクアダプタ等の独立した伝達部材を通して、伝達要素５に対して強く押し付けられる。材料の加圧状態を不意に解放すると圧力波が生まれ、これは矢印Ａの方向に伝播してドリルロッドその他の工具に伝わり、工具は、工具の前端部が処理される材料に達すると、公知の衝撃装置と同様の方法で衝撃を伝える。

圧力波を伝播する時間長さおよび強さは、エネルギー貯蔵材料の体積および加圧状態と、工具およびエネルギー貯蔵材料の物理的な性質とに比例する。

図２は、本発明による衝撃装置の実施例を概略的に示す。この実施例では、伝達ピストンは、エネルギー貯蔵材料4aと工具３との間の伝達要素５としての役割を果たす。伝達ピストン５’と本体２との間には、独立した作動シリンダ６があり、このシリンダに対して圧力媒体を供給して圧力を生み出すことが可能である。作動液は、作動液ポンプ７から通路９を通り、圧力を生成する弁８で制御される作動シリンダ６に供給される。すると、作動液の圧力は伝達ピストン５’を図２に示すように左へ押し、これによって、エネルギー貯蔵材料4aを構成する流体は工具３の軸方向に圧縮され、流体の圧力は上昇する。このプレ圧力が所望のレベルに達すると、弁８の位置は変化し、これによって作動液は作動シリンダ６から作動液コンテナ10へ放出可能となり、圧縮されたエネルギー貯蔵材料4aにおける流体の圧力は、伝達ピストンを工具３の方向へ送り出す。衝撃装置１は、公知の方法で供給力Ｆによって工具３の方向に押され、工具３はエネルギー貯蔵材料を通じて、伝達ピストンによって、図示しない破壊すべき材料に向かって押される。圧力パルスは工具３で生成され、この圧力パルスは工具３を通って破壊すべき材料へ伝播し、その材料を破壊する。図２の実施例では、作動シリンダ６に面する伝達ピストン５’の表面は、エネルギー貯蔵材料4aに面する表面より大きな断面積を有する。しかし、断面積については本実施例のようなものに限定されるものではなく、両表面を等しい面積としてもよいし、図２に示すのと同様の比を有するようにしてもよい。また、図２は、伝達ピストンと作動シリンダとの、あるいはエネルギー貯蔵材料4aを含むエネルギー貯蔵スペース４の壁との関係における、公知の特定の密閉方法を何ら提示するものではない。なぜなら、密閉方法は一般に公知であり、当業者にとっては明らかであり、そうした方法は本願発明には関連がないからである。適切なものであれば、公知のいかなる構成を密閉方式として適用としてもよい。

図３は本発明による衝撃装置の第２の実施例を示す。本実施例では、エネルギー貯蔵材料への加圧は、２つの部分から成る伝達ピストンによって実行する。本実施例では、伝達ピストン５’’は独立した作動フランジ5aを含み、このフランジは、エネルギー貯蔵材料4aとしての役割を果たす流体を含むエネルギー貯蔵スペース４の一端を閉じている。これに対応して、伝達ピストン５’’はエネルギー貯蔵スペース４の外部へ伸び、工具３と反対側の端部で別の作動シリンダスペース６へ入り、ここには伝達ピストン５’’に連携した別の補助ピストン5bがある。本実施例では、伝達ピストンは、補助ピストン5bを用いて作動液を作動シリンダ６に供給することによって引っ張られ、これによってエネルギー貯蔵材料4aとして機能する流体が圧縮される。同時に、エネルギーの一部は伝達ピストン５’’にも引張応力として貯蔵される。その他の点では、本方式の動作は図２のそれと同様である。

図４は本発明の第３の実施例を概略的に示す。これは、作動液ポンプ７が特別に高い作動液の圧力を提供しなくても、圧力パルスの大きさを上昇させることが可能な構成を提示するものである。本実施例は１つ以上の独立した増圧ピストン11を含み、これらピストンは作動シリンダ６に連絡している。図４に示す場合では、増強ピストンはその静止時の位置にある。この状態から、既に述べた方法で作動液を作動シリンダ６に供給可能である。作動液の圧力が作動シリンダ６において十分になると、作動液の供給は弁12によって停止され、同時に作動液の供給は通路13を通して、増圧ピストン11に案内される。作動液を供給することによって、増圧ピストン11は作動シリンダ６のシリンダスペースに向かって押され、これによって作動シリンダ６内の圧力はさらに増大し、その結果、エネルギー貯蔵材料4aとしての役割を果たす流体の体積は、さらに減少し、これに対応して圧力は上昇する。増圧ピストン11が所望の地点まで押された後、作動液の流れは、作動シリンダ６から、ならびに増圧ピストン11の後方から不意に解放され、これによって、圧力パルスが既に述べたのと同様の方法で工具に生成される。

図４に示すように、作動液の圧力ポンプ７を利用する独立した制御弁12を用いて、増圧ピストンを押すことが可能である。この場合、弁12が図４に示す位置から下方に切り替わると、作動シリンダ６まで伸びている作動液の通路９は閉じられ、作動液は増圧ピストン11へ流れる。これに対し、弁８が図４に示す位置から上方に切り替わり、弁12が同図に示す位置まで戻ると、作動液は作動シリンダ６、ならびに増圧ピストン12の背後の両方から放出可能になり、これによって圧力パルスが生成される。

図５は本発明の第４の実施例を概略的に示す。本実施例では、作動シリンダにおける作動液の圧力は、工具に与えられる圧力パルスを強化するために用いられる。本実施例では、作動段階の初期において、伝達ピストン５’は同図の左にあるショルダ13に向かって動き、ポンプ７からの作動液は作動シリンダ６へ供給され、エネルギー貯蔵スペース４からの作動液は作動液コンテナ10へ放出されることとなる。その後、弁８は図において下方の真ん中の位置へ切り替わり、これによって作動シリンダ６まで伸びる通路９は閉じられ、閉じられた作動液スペースが形成される。同時に、作動液はポンプ７からエネルギー貯蔵スペース４へ供給され、そのスペース中の作動液は、流入した作動液の作用によって圧縮されて当初より体積が小さくなり、スペース４内の圧力は上昇する。伝達ピストン５の圧面は、エネルギー貯蔵スペース４の側において、作動シリンダ６の側におけるより大きいため、作動シリンダにおける圧力は、圧面に反比例して、ポンプ７からの圧力より高く上昇する。エネルギー貯蔵材料4aとして機能する十分な量の作動液をポンプ７からエネルギー貯蔵スペース４へ供給した後、弁はさらに下方の第３の位置へ切り替わる。これにより、ポンプ７からの作動液の供給は遮断され、それぞれの圧力が等しくなるまで、高圧の作動液を作動シリンダ６からエネルギー貯蔵スペース４へ流入させることが可能となる。これは不意に行なわれるため、伝達ピストン５’は工具３の方向へ動き、これによって工具３に既に述べたのと同様の方法で圧力パルスを生成する。

図６は本発明による衝撃装置の第５の実施例を示す。本実施例ではエネルギー貯蔵スペースの形状が上述の各実施例と異なる。エネルギー貯蔵スペース４は独立した膜4bによって境界が定められていて、この膜によって閉じられたエネルギー貯蔵スペース４が出来上がる。膜4bの他の側には独立した伝達部材５’’’があり、これは伝達要素としての役割を果たし、直接または間接に工具３に接続されている。また、膜4bのうち工具３に面する側には作動液スペース６’がある。作動液が作動液スペース６’に供給され、これに対応して作動液スペースから圧力が解放されると、圧力パルスが既に述べたのと同様の方法で工具に生成される。

図７は本発明による衝撃装置の第５の実施例を概略的に示す。本実施例は次の点以外、すべて図５の方式と同様である。すなわちエネルギー貯蔵スペースは独立した体積調節ピストン16を有し、これは本実施例の場合、一様な断面積を有するエネルギー貯蔵スペースの長さを調節する。ピストンの位置は機械的なネジなどの調節手段によって変更可能であり、これはネジ17として概略的に図示している。ネジが矢印Ｂで示すいずれかの方向に回転すると、調節ピストン16はエネルギー貯蔵スペース４内を動き、これによってスペース４の体積は、ネジ17の回転方向に応じて増減する。調節ピストン16を移動させ、それによってエネルギー貯蔵スペース４の体積を調節するために、ネジ17以外にも、公知のいかなる方式を用いてもよい。この体積の変化によって、圧力パルスの大きさや長さなどの特性を制御することが可能である。

図８は本発明による衝撃装置の第７の実施例を示す。本実施例はその一部が図４に示すものと同様である。しかし本実施例では、増圧ピストン11がエネルギー貯蔵スペース４の側に配置されている。運転は次のように行なわれる。すなわち、弁８が図８に示す位置にある時は、作動液ポンプ７から、伝達ピストン５’をエネルギー貯蔵スペース4aの方向へ押す作動シリンダ６へ、作動液が流れる。これと同時に、作動液は増圧ピストン11の背後から作動液コンテナ10へ流れることが可能であり、これは、伝達ピストン５’はそのフランジをショルダに対して押すことが可能な方法で行なわれる。その後弁８は図８に示す位置から真ん中の位置、すなわち図における上方へ切り替わる。これによって作動シリンダ６は閉じた空間となり、作動液はポンプ７から、増圧ピストン11の背後の通路13を通って流れ、ピストン11をエネルギー貯蔵スペース4aの方向へ押す。この結果、エネルギー貯蔵スペースの圧力は上昇し、体積は減少する。これと同時に、作動シリンダの圧力も上昇する。なぜなら、作動液は作動シリンダからも排出不能だからである。エネルギー貯蔵スペース４の圧力が十分に高いレベルに達すると、弁８はその第３の位置に切り替えられ、これによって作動シリンダ６内の作動液は作動液コンテナへ排出可能となり、圧力パルスが既に述べたのと同様の方法で工具に生成される。図８に示す状況では、弁８が第３の位置にあれば、作動液は増圧ピストン11の背後に供給され続けるが、必要に応じて、上記の状況において、作動液の供給を中断することもできる。しかし本実施例では、作動液が増圧ピストン11の背後に供給されることによって、圧力パルスの出力はわずかに高まる。

上述の各実施例では、本発明を概略的にしか説明せず、また、作動液の供給に関連する弁や継手も概略的にしか説明していない。しかし本発明を実施するには、いかなる適切な公知の弁方式を用いてもよく、例えば弁８および12は点線14で概略的に示すように、単一の制御弁を構成してもよい。弁８および12は独立した別個の制御弁としてもよく、かかる制御弁は、１つ以上の通路を有し、通路はそれぞれ、作動液を作動シリンダ６へ供給するものや、そこから排出するものとしてよい。液圧増強装置に代えて、あらゆる機械的な装置、あるいは機械的な液圧装置を用いて増圧ピストン11を押してもよい。これに対応して、かかる増圧方式は、本発明の図３の実施例および特許請求の範囲に記載の他の実施例にも適用してよい。

以上の説明および図面では、本発明を実施例によってのみ示したが、本発明はいかなる意味にも、それら実施例に限定されるものではない。圧力パルスを工具に与えるには、弾性を有し可逆性の圧縮性の材料を用いることが重要であり、かかる材料の圧縮率は比較的低く、かかる材料は独立したエネルギー貯蔵スペースに保存され、所望の力で圧縮されて所望の加圧状態、すなわち圧力を生成する。その後、エネルギー貯蔵材料は不意に解放され、これによって当該材料中の圧力は、工具の端部へ直接または間接に放出され、さらに工具を通して破壊すべき材料に達する。液体のほか、弾性を有し可逆性の圧縮性の材料は、ゴム、ポリウレタン、エラストマーその他の類似した弾性材料などの、実質的に固体の、あるいは多孔性の材料にしてもよい。かかる材料の圧縮係数は気体のそれより実質的に低い。伝達ピストンは工具と分離してよいが、場合に応じて、工具に統合された一部としてもよい。伝達ピストンなどの伝達要素は、例えば図２について説明したようにエネルギー貯蔵材料の方向に押され、これは材料の圧縮が所望のレベルに達して所望の加圧状態が達成されるまで行なわれ、これによって伝達要素は所望の加圧状態に対応する位置になる。また、伝達要素または伝達ピストンは、例えば図８について説明したように、所定の位置まで押すことが可能であり、かかる位置は、ショルダまたは同等の機械的手段によって決定され、かかる手段は、エネルギー貯蔵材料に貯蔵されるエネルギーの状態がどのようになっているかに関係なく、衝撃装置の本体に対する所定の場所で伝達要素を停止させる。

本発明による衝撃装置の動作原理を示す概略図である。 本発明による衝撃装置の実施例の概略図である。 本発明による衝撃装置の第２の実施例の概略図である。 本発明による衝撃装置の第３の実施例の概略図である。 本発明による衝撃装置の第４の実施例の概略図である。 本発明による衝撃装置の第５の実施例の概略図である。 本発明による衝撃装置の第６の実施例の概略図である。 本発明による衝撃装置の第７の実施例を示す図である。

Claims (5)

1. 衝撃装置に接続された工具に圧力パルスを与える手段を有し、前記圧力パルスを与える手段はエネルギー貯蔵スペースを含み、該スペースは衝撃装置の本体に配置され、衝撃装置の本体および独立した伝達要素によって境界が定められていて、該要素は衝撃装置の本体に対して工具の軸方向に沿って可動式に配置され、前記エネルギー貯蔵スペースは、弾性を有し可逆性の圧縮性のエネルギー貯蔵材料で充填されていて、該エネルギー貯蔵材料は液体であり、前記圧力パルスを与える手段は、エネルギー貯蔵材料の圧力を増大させることによって該材料を加圧状態にする手段を含み、該手段によれば、エネルギー貯蔵材料が所望の加圧状態にある時は前記伝達要素は衝撃装置の本体に対する所定の位置にあり、該位置から前記伝達要素は衝撃装置の本体より工具の方向へ動くことができ、前記圧力パルスを与える手段は、伝達要素を急激に解放して工具の方向へ動かす手段を含み、これによって、前記エネルギー貯蔵材料の加圧状態を急激に解放すると、該エネルギー貯蔵材料に貯蔵されたエネルギーが放出され、圧力パルスとして、伝達要素を通って直接、または間接的に接触した前記工具に伝わることを特徴とする衝撃装置。
2. 請求項１に記載の衝撃装置において、前記エネルギー貯蔵材料を加圧状態にする手段は、作動液スペースとしての役割を果たす作動シリンダを含み、前記伝達要素は伝達ピストンであり、該ピストンは前記作動シリンダ内に配置され、作動シリンダに向けられたフランジを有し、作動シリンダに作動液を供給したり作動シリンダから圧力を解放したりする手段を有することを特徴とする衝撃装置。
3. 請求項１または２に記載の衝撃装置において、前記伝達要素のうち前記エネルギー貯蔵スペースに面する面積は、前記伝達要素のうち前記工具の側の前記作動液スペースに面する面積より小さく、さらに、前記衝撃装置は、前記エネルギー貯蔵スペースに連結する手段と、前記エネルギー貯蔵スペースと前記作動液スペースとを相互に接続することによって高圧の前記作動液を前記作動液スペースから低圧の前記エネルギー貯蔵スペースへ流入可能とする手段とを含むことを特徴とする衝撃装置。
4. 請求項１ないし３のいずれかに記載の衝撃装置において、前記エネルギー貯蔵材料が所望の加圧状態にある時、前記伝達要素は前記衝撃装置の本体に対して所定の位置に置かれることを特徴とする衝撃装置。
5. 請求項１ないし４のいずれかに記載の衝撃装置において、前記エネルギー貯蔵材料が所望の加圧状態にある時、前記伝達要素は前記所望の加圧状態に対応する位置に置かれることを特徴とする衝撃装置。

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