JP5822406B2 - 岩盤やコンクリートを処理する装置に用いる液体圧衝撃機構 - Google Patents

Description

本発明は、岩盤やコンクリートを処理するための装置に用いられる「無弁」或いは「無弁ゲート」として公知の形式の液体圧衝撃機構及び該衝撃機構を備える穿孔及びハンマー装置に関するものである。さらに、本発明は、無弁液体圧衝撃機構の作動チャンバ接続用ガス・アキュムレータ及び該アキュムレータの構成要素に関する。

岩盤やコンクリートを処理するには、衝撃装置、回転装置、同時回転変性を備えた衝撃装置が利用可能である。そのような装置の衝撃機構は液体圧で駆動されることが周知である。マシンハウジングのシリンダ・ボア内で移動可能に装着されたハンマー・ピストンは、ハンマー・ピストンの往復運動をシリンダ・ボア内で達成するように交互圧力に晒される。多くの場合、交互圧力は通常ゲート式の独立した切換え弁を介して得られ、シリンダ・ボア内のハンマー・ピストンの位置によって、ハンマー・ピストンとシリンダ・ボアとの間に形成された２つの駆動チャンバのうちの少なくとも１つに、または加圧下の駆動流体、通常は液体圧式の流体と共にマシンハウジングのラインに、さらにはマシンハウジングの駆動流体用排出ラインに、交互に連結するよう制御される。このように衝撃機構の衝撃頻度に相当する周期性を伴って周期的に交互圧力を発生させる。

無弁機構としても公知の無弁ゲート衝撃機構の製造が知られるようになって３０年以上になる。独立型転換弁に代わって、ハンマー・ピストンの駆動部で切り離された２つの駆動チャンバのうちの少なくとも１つに上述のような交互圧力を提供する仕方で、無弁衝撃機構のハンマー・ピストンは、シリンダ・ボア内でその動作中加圧下の駆動流体を供給及び排出するよう切換え弁を開閉させることで切換え弁の動作を実行するようにされている。これを動作させるのに必要な１つの条件は、チャンバの圧力調節及び排出用にマシンハウジング内に配置されたチャネルが、ピストンの往復運動の如何なる位置においても供給チャネルと排出チャネルとの間で直接的に短絡接続を発生することがないようにして、開口部が切り離されるようシリンダ・ボア内に開放されることである。供給チャネルと排出チャネルとの間の接続は、通常、駆動部とシリンダ・ボアとの間に形成される単独のギャップ・シールで構成される。そうでなかった場合には、実行されるべき有用な動作もないまま高圧ポンプからタンクに直接駆動流体を通過させることになるので大規模な損失は免れないであろう。

駆動チャンバの排出用チャネルが閉じられた瞬間から同じ駆動チャンバの圧力調節用チャネルが開放されるまで、ピストンがその動作を継続可能にするために、駆動チャンバの圧力は容積の変化の結果としてゆっくり変化する必要がある。これによって、従来のゲート弁型衝撃機構の正常なものと比べて大容量で作られた少なくとも１つの駆動チャンバの容積を介して行なうことができる。通常使用される液体圧式の流体は、低い圧縮率を有するため容積は大きい必要がある。我々は、圧縮率κを容積の相対的な変化と圧力の変化との間の比率として以下のように定義する：κ＝（ｄＶ／Ｖ）／ｄＰ
しかし、圧縮率の基準として上記で定義した圧縮率の逆数である圧縮係数βを頻繁に使用する。従って：β＝ｄＰ／（ｄＶ／Ｖ）であり、圧縮係数の測定単位はパスカルである。

チャンバの圧力調節用チャネルの開放部に向かうハンマー・ピストンの動作中、容積変化中のチャンバでチャンバが直面する圧力は、当然チャネルが開放される前にピストンの動作を反転するのに十分に大きくなることのない程度に十分な大きさの容積でなければならない。

２つの駆動チャンバを備えた無弁液体圧衝撃機構は、特許文献１米国特許第４，２８２，９３７号で公知であり、圧力はこれら両方のチャンバに交流する。両方の駆動
チャンバは、シリンダ・ボアに近接して横たわる容積と連続的な接続状態にあるそれらを介して大きな有効容積を有する。

特許文献２では、別の原理による無弁液体圧衝撃機構が公知である。すなわち上位の駆動チャンバで交互圧力を低位の駆動チャンバで一定の圧力を備え、低位の駆動チャンバは工具の接続部に最も近接して配置されている。この場合、圧力が交流する上位駆動チャンバは圧力が一定である下位駆動チャンバよりも著しく大きな容積を有する。

システム圧力と戻り圧力（つまりほぼ気圧）との間で圧力が連続的に交流する大きな駆動チャンバの問題点は、マシンハウジングそれ自体が素材疲労の結果として割れ目の形成に見舞われる傾向があるということである。これを回避するために、そこから派生する高いコスト及び重量を伴った中間壁を備えた厚く複雑な鋳物を有する設計が現在まで必要とされてきた。

米国特許第４，２８２，９３７号 旧ソビエト連邦共和国特許公開第１０６８５９１号

本発明の目的は、上述の問題点を解決する可能性を提供する構造の無弁液体圧衝撃機構を提供することにあり、またマシンハウジング自体の割れ目の形成に関して可能な限り軽量化し同時に強健な設計にすることにある。この目的は、独立請求項に記載されている手段で達成される。さらに有利な実施形態は従属請求項に記載される。

特許文献２では、低位駆動チャンバにおける一定圧力及び上位駆動チャンバにおける交互圧力で構成される実施形態だけでなく、さらに２つのアキュムレータが導入され、交互圧力を伴う駆動チャンバに直接接続されている。この意図は効率を改善することにある。素材疲労に起因したマシンハウジングの割れ目の形成に関する我々の提起する問題点には全く言及されていない。さらに、特許文献２に記載された薄膜アキュムレータは、膜が衝撃の度にアキュムレータの底部に達するため非常に限られた商品寿命を有するに違いないことは明白である。これは実際上使用可能な設計を構成するものではない。

しかし、削岩用液体圧衝撃機構或いは爆破用液体圧破砕機における作動チャンバに直接接続されるガス・アキュムレータは、素材疲労の危険そしてそこから派生するケーシングの割れ目の形成の危険に関わる重要な肯定的な影響を有することが証明されている。本発明は、この種の解決策を構成している。ガス・アキュムレータが、例えば２５０バールのシステム圧力と、例えば５バールの戻り圧力との間の圧力の脈動をもち且つ最大１５０ヘルツの振動数を伴う非常に厳しい条件に耐えるためには、ガス・アキュムレータ内部のシリンダ・ボア内で往復運動するように装着されたピストンなどの固体物体が弾性膜に取って代わる必要がある。

さらに有利には、ガス・アキュムレータは、少なくともその転向地点のうちの１つに達する前にアキュムレータ・ピストンにブレーキをかける手段を備えている。かかる手段は、０．１ミリ未満、好ましくは０．０５ミリの高精度な容値でアキュムレータ・ピストンを動かすブレーキ・チャンバであってもよい。

本発明は、一方の側だけに交互圧力を有する衝撃機構と同様に両方の側に交互圧力のかかる衝撃機構にも適用可能な解決策を提供する。両方の側に交互圧力のかかる衝撃機構の場合、ガス・アキュムレータは駆動チャンバのそれぞれに接続される。

しかし、１つの好ましい実施形態によれば、一方のチャンバすなわち完全なストローク周期中或いは少なくとも本質的に完全なストローク周期中、通常は一定圧力源に、多くの場合はシステム圧力源或いは衝撃機構圧力源に接続されるチャンバを介して達成される一定圧力で作動する衝撃機構が構成される。

上述の種類の衝撃機構は、削岩機及び液体圧破砕機などの岩盤及びコンクリートを処理するための装置の統合部品の一部であってもよい。稼働中これらの削岩機及び破砕機は、次のような手段のうちの１つ以上を備えることができるキャリアに当然装着されるべきである：配列用手段、位置決め手段、処理済み岩盤或いはコンクリート要素に対して削岩機或いは破砕機を送る手段、処理過程を案内監視する手段。さらに、キャリア自体の推進及び指導手段も含まれる。そのようなキャリアは削岩リグであってもよい。

右チャンバで交互圧力による液体圧衝撃機構の原理を示す概略断面図 。 アキュムレータ・ピストンの２つの転向地点でブレーキ・チャンバを備えたピストン式ガス・アキュムレータを示す概略断面図。 アキュムレータ・ピストンの液体圧側の転向地点でブレーキ・チャンバを備えたピストン式ガス・アキュムレータを示す概略断面図。

以下、例として添付図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。特許請求の範囲に定義される本発明の保護範囲は、これらの実施形態に制限されるものではないと考えられるべきである 。

図１は、ピストンの上位側に交互圧力及びその低位側すなわち接続された工具に向かって直面する側に一定圧力を備えた液体圧衝撃機構を概略的に示している。第一の駆動チャンバ１０５は、例えば２５０バールのシステム圧に圧力チャネル１４０を介して接続されている。図１に示されているように、第二のチャンバ１２０は図示された瞬間に戻りチャネル１３５を介して圧力を戻すために接続される。このように駆動表面１１０に作用する力は右にハンマー・ピストンを駆動する。これによってチャネル１３５を閉じてチャンバ１２０を構築するための圧力が開始される。ピストンは、圧力がゆっくり構築されるので、接続チャネル１７０が駆動チャンバ１と２の間の接続を開放するのに十分に離され、そしてシステム圧力は第二のチャンバ１２０に及ぶようになる。駆動表面１３０が駆動表面１１０より大きいのでハンマー・ピストンは左に駆動される。このように、接続チャネル１７０が最初に閉じられ、次に戻りチャネルが開放されて、第二のチャンバ１２０の圧力が低下する。このように、新しい周期は、駆動表面１１０に作用するシステム圧力によって右に駆動されるピストンで開始される。

現在のところ、圧縮性は両方の予圧ガス・アキュムレータから生じるので駆動チャンバが大きくなる必要がない。チャンバ１２０の寸法はガス・アキュムレータへのチャネル及び接続用スペース要件に基づいて設定される。ガス・アキュムレータ無しで数リットルになる容積がおよそ１デシリットル相当まで小さくなる。

作動する削岩機は次のような本質的な寸法を備えてもよい：
駆動部のハンマー・ピストンの直径：４４ミリ、ピストンロッドの直径：３６ミリ、駆動部の長さ：１００ミリ、シリンダ・ボアの開口部の戻りチャネル１３５の右端から接続チャンネル１７０の左開口部の対応する左端までの距離：９３ミリ、ピストンの重量：４．５キロ、システム圧力：２３０バール、最後にアキュムレータそれぞれの全容積：一方のアキュムレータに１９０×１０^５パスカル、第二のアキュムレータに１５×１０^５パスカルの予圧で９０立方センチメートルである。

１つのアキュムレータだけが使用される場合、容積は７４立方センチメートルである。

アキュムレータのガス圧力を予圧するには、接続部２３０及び３３０を介して行われる。液体圧式の流体を作動チャンバに接続するには、接続部２９０及び３９０を介して行われる。

有利には、アキュムレータのシリンダ・ボア２１０及び３１０に形成されるシール３７０用の溝２６０及び３６０を有している。

有利には、ガスと石油との混成を回避するためにシール間に排水チャネル２８０及び３８０を導入している。

ブレーキ・チャンバ２４０、２５０、３４０はアキュムレータハウジング内に配置されている。アキュムレータ・ピストン２２０及び３２０は、速度が方向転換の前に減速されるような方法でこれらのブレーキ・チャンバ内で受ける。これがアキュムレータ・ピストンの商品寿命を相当に増大させている。

上述の通り、効率の視点から見ても、アキュムレータを二重に接続することは有利である。１つは、予圧による高圧アキュムレータがシステム圧力に満たないこと、もう１つは、予圧による低圧アキュムレータが戻り圧力よりも大きくしかもシステム圧力より非常に小さいことである。

１０５ 第一の駆動チャンバ
１１０ 駆動表面
１２０ 第二の駆動チャンバ
１３５ 戻りチャネル
１４０ 圧力チャネル
１７０ 接続チャネル
２１０；３１０ シリンダ・ボア
２２０；３２０ アキュムレータ・ピストン
２３０；３３０ 接続部
２４０；２５０；３６０ ブレーキ・チャンバ
２６０；３６０ 溝
２８０；３８０ 排水チャネル
２９０；３９０ 接続部
３７０ シール

Claims (12)

1. 岩盤及び／またはコンクリートを処理するための装置で使用される液体圧衝撃機構であって、
   第一のシリンダ・ボアを備えたマシンハウジングと、
   動作中マシンハウジングに対して往復運動を繰り返し実行できるようにして且つ岩盤或いはコンクリートを処理するための工具に直接的或いは間接的の何れでも衝撃が及ぶようにして、交換可能に又は装置に接続可能に装着されるピストンと
   を有し、
   ピストンが、ピストンとマシンハウジングとの間に形成される第一の駆動チャンバ（１０５）と第二の駆動チャンバ（１２０）とを切り離す駆動部材を備え、
   それらの駆動チャンバ（１０５、１２０）が、動作中加圧下の駆動媒体を収容するように構成され、
   さらにマシンハウジングが、第一のシリンダ・ボア内に開放されかつ、動作中駆動媒体を収容ししかも第一のシリンダ・ボアでその動作中のピストンによって、少なくとも第二の駆動チャンバ（１２０）がピストンの往復運動の維持のために周期的な交互圧力を獲得するよう少なくとも第二の駆動チャンバ（１２０）内に開閉するように構成されるチャネルを備え、
   第一のシリンダ・ボア内で軸方向におけるチャネルの開放及びピストンの開閉部分の伸長に対する位置が、ピストンの第一の転向地点に関連した第一のチャネルの開口部とピストンの第二の転向地点に関連した第二のチャネルの開口部との間の距離に沿ってチャンバ内に存在する駆動媒体の供給或いは排出のために、この第二の駆動チャンバ（１２０）を閉じた状態で保持するようにされ、
   この距離に沿ったピストンの動作が、この駆動チャンバの容積の圧縮或いは膨張の間に起こり、
   この容積の大きさが上記距離に沿ってゆっくりとした圧力の変化を得るように適用され、無弁液体圧衝撃機構として公知の液体圧衝撃機構を構成した液体圧衝撃機構において、
   前記第二の駆動チャンバ（１２０）が、動作中ガス・アキュムレータを構成するよう配置され、
   前記ガス・アキュムレータが第二のシリンダ・ボア内で変移可能に装着されたアキュムレータ・ピストン（２２０、３２０）を備えた第二のシリンダ・ボアを備え、
   前記アキュムレータ・ピストン（２２０、３２０）がガス・アキュムレータの閉じた区画室に収容された加圧下のガスから第二の駆動チャンバ（１２０）の駆動媒体を分離させ、
   前記区画室の容積が第二のシリンダ・ボアにおけるアキュムレータ・ピストンの往復運動の結果として動作中の衝撃機構の頻度で変化し、
   ガス・アキュムレータが、アキュムレータ・ピストンの転向地点の前にアキュムレータ・ピストン（２２０、３２０）のブレーキを加速するためにブレーキ・チャンバ（２４０、２５０、３４０）を備えていること
   を特徴とする液体圧衝撃機構。
2. アキュムレータ・ピストンがブレーキ・チャンバ（２４０、２５０、３４０）に入る際にアキュムレータ・ピストン（２２０、３２０）及びブレーキ・チャンバ（２４０、２５０、３６０）との間に０．５ミリ未満の幅のギャップを生じ、ブレーキ・チャンバ（２４０、２５０、３４０）と第二の駆動チャンバ（１２０）との間のギャップをシールするようにアキュムレータ・ピストン（２２０、３２０）及びブレーキ・チャンバ（２４０、２５０、３４０）が構成されていること
   を特徴とする請求項１に記載の液体圧衝撃機構。
3. アキュムレータ・ピストン（２２０、３２０）と第二のシリンダ・ボアとの間を密閉する少なくとも２つのシール要素（３７０）を備えること
   を特徴とする請求項１〜２の何れか一項に記載の液体圧衝撃機構。
4. 第二のシリンダ・ボアが前記シール要素（３７０）を装着するための少なくとも２つの溝（２６０、３４０）を備えること
   を特徴とする請求項３に記載の液体圧衝撃機構。
5. ガス・アキュムレータが駆動媒体用タンクに駆動媒体を排出するための２つのシール要素（３７０）の間にある第二のシリンダ・ボア内に開放されるチャネルを備えること
   を特徴とする請求項３又は４に記載の液体圧衝撃機構。
6. 請求項１〜５の何れか一項に記載の衝撃機構を備える削岩機。
7. 請求項１〜５の何れか一項に記載の衝撃機構を備える液体圧破砕機。
8. 請求項６に記載の削岩機又は請求項７に記載の液体圧破砕機を備え、
   さらに、配列用手段、位置決め手段、処理済み岩盤或いはコンクリート要素に対して削岩機或いは液体圧破砕機を送るための手段を備えていること
   を特徴とするキャリア。
9. 請求項６に記載の削岩機を備える削岩リグ。
10. 稼働中システム圧力と戻り圧力との間で連続して圧力が拍動する加圧下の駆動媒体を収容し、
    請求項１に記載の液体圧衝撃機構の作動チャンバに接続するためのガス・アキュムレータハウジングであって、
    前記ガス・アキュムレータハウジングが、シリンダ・ボア内で往復運動するアキュムレータ・ピストン（２２０、３２０）の装着用のシリンダ・ボアを備え、
    さらにその転向地点の１つの前にアキュムレータ・ピストン（２２０、３２０）のブレーキに繋がるアキュムレータ・ピストン（２２０、３２０）を受けるためのブレーキ・チャンバ（２４０、２５０、３４０）を備えること
    を特徴とするガス・アキュムレータハウジング。
11. 請求項１０に記載のガス・アキュムレータハウジング内に装着するようにしたアキュムレータ・ピストン（２２０、３２０）であって、
    アキュムレータ・ピストン（２２０、３２０）が０．１ミリ未満の大きさのギャップで前記ブレーキ・チャンバ（２４０、２５０、３４０）内へ浸潤するための部分を備えること
    を特徴とするアキュムレータ・ピストン（２２０、３２０）。
12. 請求項１０に記載のガス・アキュムレータハウジング及び請求項１１に記載のアキュムレータ・ピストン（２２０、３２０）を備えること
    を特徴とするガス・アキュムレータ。

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