JP6495672B2 - 液圧式打撃装置、並びにバルブタイミングの切換方法およびバルブポートの設定方法 - Google Patents

Description

本発明は、さく岩機やブレーカ等の液圧式打撃装置に係り、特に、ピストンの前室を高圧回路と低圧回路とに交互に切換えるように作動圧油を制御する液圧式打撃装置に関する。

この種の液圧式打撃装置としては、ピストン前室およびピストン後室を高圧回路と低圧回路とに交互に切換える「前後室高低圧切換式」、および、ピストン後室を常時高圧回路に接続するとともに、ピストン前室を高圧回路と低圧回路とに交互に切換える「前室高低圧切換−後室常時高圧式」が知られている。前後室高低圧切換式の液圧式打撃装置としては、例えば特許文献１記載の技術が開示されている。

特許文献１記載の液圧式打撃装置は、シリンダと、このシリンダの内部に摺嵌されたピストンとを備えている。ピストンの外周面とシリンダの内周面との間には、軸方向の前後に離隔配置されたピストン前室およびピストン後室が画成され、シリンダの内部には、ピストンと非同軸に配置されたバルブを有する切換弁機構を備えている。同文献記載の液圧式打撃装置は、切換弁機構のバルブを切換えることにより、ピストン前室およびピストン後室を高圧回路と低圧回路とに交互に切換えて、ピストンをシリンダ内で前後進させて打撃用の破砕工具の後端を打撃するようになっている。従来、この種の液圧式打撃装置では、切換弁機構のバルブ切換えタイミングは、打撃直後にバルブがその後退位置への切換が完了するように設定されている。

この種の液圧式打撃装置では、打撃用の破砕工具として、ピストンが打撃するシャンクロッド、および、先端にビットを装着してシャンクロッドに接続されるロッドといった工具類を用いる。実際のさく孔作業においては、所望のさく孔長に達するまでロッドを継ぎ足しながらさく孔を行う。なお、本明細書においては、液圧式打撃装置の打撃方向を「前方」と定義して説明する。

特開昭４６−１５９０号公報

本発明者は、この種の液圧式打撃装置の更なる高出力化を目指し、前後室高低圧切換式の検討を始めたが、この検討の過程において、前後室高低圧切換式の液圧式打撃装置が高出力仕様であるが故の問題点を見出した。
第一に、この種の液圧式打撃装置では、ロッド１本目でさく孔を行うときとロッドを継ぎ足してさく孔を行うときとでは、対応する駆動油圧機器のスペックの好適な設定条件に違いが生じる場合があるという問題である。また、第二に、この種の液圧式打撃装置において、一定の条件下においては、作用機序の異なるキャビテーションが複合して発生し、ピストン前室内でのキャビテーション−エロージョンの発生が問題となることも見出した。

詳しくは、この種の液圧式打撃装置では、ピストンを前進から後退へと切換える局面において、ピストンがシャンクロッドを打撃した直後は、打撃によって生じた打撃エネルギーは、圧縮の応力波として、シャンクロッド、ロッドおよびビットを順に伝播して岩盤を破砕するところ、破砕で消費しきれなかった打撃エネルギーは、今度は、反射応力波としてビットからロッドを介してシャンクロッド後端に到達する。
ここで、従来の切換弁機構でのバルブ切換のタイミングチャート（打撃〜反射応力波到達〜バルブ切換のタイミング）を図５に示す。同図において、各タイミングとピストン変位の関係を上段に、キャビテーションの気泡量との関係を下段に表している。

図５に示すように、実際のさく孔作業中において、特にロッド１本目でのさく孔時、上記バルブ切換タイミングにおいては、切換弁機構のバルブ切換えよりも先に、上記反射応力波がピストンに到達する場合がある。この場合、切換弁機構のバルブが切換えられる前に反射応力波がピストンに到達するため、ピストン前室の圧油によってピストンが後退を開始するよりも早くピストンが後退を開始する。そのため、本来の打撃サイクルに対して打撃数が増加することになる。

したがって、高打撃数に見合うだけの圧油を供給する必要が生じ、液圧式打撃装置の駆動油圧機器のスペックを向上させて対応する必要がある。なお、この現象は、前後室高低圧切換式を採用する高出力仕様の液圧式打撃装置で顕著に発生するが、さく孔対象が硬岩である場合にも同様な状況が確認されることから、岩盤からの反発が大きいことが原因であると考えられる。

これに対し、ロッド２本目以降、ロッドを継ぎ足してさく孔をする場合は、反射応力波の伝達経路が長くなるので、図５に示すように、切換弁機構のバルブ切換タイミングよりも後に、シャンクロッド後端に反射応力波が到達する。したがって、反射応力波によってピストンが後退を開始することは無く、ピストン変位が本来のピストン変位になり、本来の打撃サイクルが行われる。そのため、仮に、ロッド１本目でのさく孔時の高打撃数に対応して駆動油圧機器を設定すると、ロッドを継ぎ足してさく孔をする場合には、駆動油圧機器がオーバースペックになる。

第二に、この種の液圧式打撃装置において、ピストンがシャンクロッドを打撃した直後はピストンが急制動するので、ピストン前室内は、低圧油が慣性で排出されて負圧状態となりキャビテーションが発生するという問題がある。ここで、このようなキャビテーションは、特許文献１に記載されるような前後室高低圧切換式の液圧式打撃装置だけではなく、上記前室高低圧切換−後室常時高圧式の液圧式打撃装置においても発生する現象であり、高出力仕様であることとは無関係である。本明細書では、このキャビテーションを「打撃由来のキャビテーション」と呼ぶことにする。
一方で、この種の液圧式打撃装置では、上述したバルブ切換タイミングにおいては、上述したように、高出力仕様の液圧式打撃装置である場合や、さく孔対象が硬岩である場合には、低圧から高圧へとピストン前室の圧力の切換が完了する前、つまり、ピストンが低圧下の状態で、反射応力波がシャンクロッド後端に到達してピストンが後退する。

したがって、ピストン前室は、ピストンが低圧下で後退するので負圧状態となるためキャビテーションが発生する。本明細書では、このキャビテーションを「反射応力波由来のキャビテーション」と呼ぶことにする。なお、ロッド２本目以降、ロッドを継ぎ足してさく孔をする場合は、反射応力波が到達する前にピストン前室が高圧に切換えられるので、反射応力波由来のキャビテーションは発生しない。

このように、この種の液圧式打撃装置では、ピストン前室においては、打撃由来のキャビテーションと反射応力波由来のキャビテーションが複合して発生することにより、キャビテーションの発生量が増長される場合がある。そして、キャビテーションが発生した状態でピストン前室が高圧に切換えられると、キャビテーションは供給された高圧油によって圧縮される。

このとき、キャビテーション量が多い程、高圧油によるキャビテーションの圧縮作用が急激に進行してエロージョンが発生する。エロージョンが発生すると液圧式打撃装置の構成部材が損傷するという問題がある。また、ピストン前室に供給される高圧油は、本来、ピストンを後退させるためのものであるが、その一部がキャビテーションの圧縮に消費されてしまうので、キャビテーションの発生量が増長されると油圧効率自体も低下するという問題もある。
例えば、図５に示したように、２本目のロッドが接続された場合の反射応力波の到達例では、ピストン変位が本来のピストン変位になる。そのため、バルブが切換えられてからピストンが動き始めるまでにタイムラグがあることが見て取れるが、このタイムラグは、高圧油がキャビテーションの圧縮に消費されているために発生するものである。

そこで、本発明は、このような問題点に着目してなされたものであり、ピストンの前室を高圧回路と低圧回路とに交互に切換えるように作動圧油を制御する液圧式打撃装置において、岩盤からの反発が大きいことに由来する打撃数過多の発生を防止もしくは抑制する、または、キャビテーション−エロージョンの発生を防止もしくは抑制する液圧式打撃装置、並びにバルブタイミングの切換方法およびバルブポートの設定方法を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明のうち、本発明の第一態様に係る液圧式打撃装置は、シリンダと、該シリンダの内部に摺嵌されたピストンと、前記ピストンの外周面と前記シリンダの内周面との間に画成されて軸方向の前後に離隔配置されたピストン前室およびピストン後室と、少なくとも前記ピストン前室を高圧回路と低圧回路とに交互に切換えるバルブを有する切換弁機構とを備え、前記ピストンを前記シリンダ内で前後進させて打撃用の破砕工具の後端を打撃する液圧式打撃装置であって、前記切換弁機構は、前記ピストンを前進から後退へと切換えるバルブ切換え作動を完了するタイミングが、打撃後に破砕対象からの反射応力波が前記破砕工具の後端に最も早く戻る条件のときに、打撃点のタイミングよりも後であって前記反射応力波が前記破砕工具の後端に到達する前に前記ピストン前室の圧油によって前記ピストンが後退を開始するタイミングに設定されていることを特徴とする。

本発明の第一態様に係る圧式打撃装置によれば、ピストンを前進から後退へと切換える局面において、切換弁機構のバルブ切換え作動を完了するタイミングが、打撃後に破砕対象からの反射応力波が破砕工具の後端に最も早く戻る条件のときに、打撃点のタイミングよりも後であって反射応力波が破砕工具の後端に到達する前にピストン前室の圧油によってピストンが後退を開始するタイミングに設定されているので、破砕対象からの反射応力波が破砕工具の後端に到達する前にピストンを破砕工具の後端から離すことができる。そのため、ピストンの後退動作が反射応力波によって加速されることがない。したがって、液圧式打撃装置の打撃数が過剰に増加することはない。

また、本発明の第二態様に係る液圧式打撃装置は、シリンダと、該シリンダの内部に摺嵌されたピストンと、前記ピストンの外周面と前記シリンダの内周面との間に画成されて軸方向の前後に離隔配置されたピストン前室およびピストン後室と、少なくとも前記ピストン前室を高圧回路と低圧回路とに交互に切換えるバルブを有する切換弁機構とを備え、前記ピストンを前記シリンダ内で前後進させて打撃用の破砕工具の後端を打撃する液圧式打撃装置であって、前記切換弁機構は、前記ピストンを前進から後退へと切換えるバルブ切換え作動を完了するタイミングが、打撃後に破砕対象からの反射応力波が前記破砕工具の後端に最も早く戻る条件のときに、打撃点のタイミングよりも後であって前記反射応力波が前記破砕工具の後端に到達する前に前記ピストン前室内で発生していた打撃に起因するキャビテーションが前記ピストン前室に供給された高圧油によって消滅するタイミングに設定されていることを特徴とする。

本発明の第二態様に係る液圧式打撃装置によれば、ピストンを前進から後退へと切換える局面において、切換弁機構のバルブ切換え作動を完了するタイミングが、打撃後に破砕対象からの反射応力波が破砕工具の後端に最も早く戻る条件のときに、打撃点のタイミングよりも後であって反射応力波が破砕工具の後端に到達する前に前室内で発生していた打撃に起因するキャビテーションが前室に供給された高圧油によって消滅するタイミングに設定されているので、破砕工具後端に反射応力波が到達する前に、打撃由来のキャビテーションをピストン前室に供給された高圧油によって消滅させることができる。そのため、打撃由来のキャビテーションと反射応力波由来のキャビテーションとが複合的に発生してキャビテーション発生量が増長されることはない。

ここで、本発明のいずれか一の態様に係る液圧式打撃装置において、前記液圧式打撃装置は、前記打撃用の破砕工具として、前記ピストンが打撃するシャンクロッド、および、先端にビットを装着して前記シャンクロッドに接続される複数のロッドとを用いるものであり、前記打撃後に破砕対象からの反射応力波が前記破砕工具の後端に最も早く戻る条件が、前記ロッド１本目でさく孔を行うときであることは好ましい。このような構成であれば、ロッド１本目でさく孔を行うときと、ロッドを継ぎ足してさく孔を行うときとに合わせた駆動油圧機器のスペックの選定も不要である。
また、本発明のいずれか一の態様に係る液圧式打撃装置において、前記切換弁機構は、前記ピストン前室および前記ピストン後室を交互に高圧回路と低圧回路とに切換える構成であれば、高出力仕様の前後室高低圧切換式の液圧式打撃装置を提供する上で好適である。

また、上記課題を解決するために、本発明のうち、本発明の一態様に係るバルブタイミングの切換方法は、シリンダと、該シリンダの内部に摺嵌されたピストンと、前記ピストンの外周面と前記シリンダの内周面との間に画成されて軸方向の前後に離隔配置されたピストン前室およびピストン後室と、少なくとも前記ピストン前室を高圧回路と低圧回路とに交互に切換えるバルブを有する切換弁機構とを備え、前記ピストンを前記シリンダ内で前後進させて打撃用の破砕工具の後端を打撃する液圧式打撃装置の前記バルブの作動タイミングを切換える方法であって、前記液圧式打撃装置での打撃時に、打撃後に破砕対象からの反射応力波が最も早く戻る条件を設定し、その戻り条件下にて前記反射応力波が最も早く戻るタイミングを測定し、その測定された反射応力波の戻りタイミングに基づいて、打撃点のタイミングよりも後であって前記戻りタイミングよりも早いタイミングで前記ピストンの後退が開始されるように前記バルブの切換え作動を完了することを特徴とする。

本発明の一態様に係るバルブタイミングの切換方法によれば、打撃後に破砕対象からの反射応力波が最も早く戻る条件を設定し、その戻り条件下にて反射応力波が最も早く戻るタイミングを測定し、その測定された反射応力波の戻りタイミングに基づいて、打撃点のタイミングよりも後であって測定された反射応力波の戻りタイミングよりも早いタイミングでピストンの後退が開始されるようにバルブの切換え作動を完了するので、岩盤からの反発が大きいことに由来する打撃数過多の発生を防止もしくは抑制、または、キャビテーション−エロージョンの発生を防止もしくは抑制するように液圧式打撃装置のバルブタイミングを切換えることができる。

また、上記課題を解決するために、本発明のうち、本発明の一態様に係るバルブポートの設定方法は、シリンダと、該シリンダの内部に摺嵌されたピストンと、前記ピストンの外周面と前記シリンダの内周面との間に画成されて軸方向の前後に離隔配置されたピストン前室およびピストン後室と、少なくとも前記ピストン前室を高圧回路と低圧回路とに交互に切換えるバルブを有する切換弁機構とを備え、前記ピストンを前記シリンダ内で前後進させて打撃用の破砕工具の後端を打撃する液圧式打撃装置の前記バルブのポートの位置を設定する方法であって、前記液圧式打撃装置での打撃時に、打撃後に破砕対象からの反射応力波が最も早く戻る条件を設定し、その戻り条件下にて前記反射応力波が最も早く戻るタイミングを測定し、その測定された反射応力波の戻りタイミングに基づいて、打撃点のタイミングよりも後であって前記戻りタイミングよりも早いタイミングで前記ピストンの後退が開始されるように前記バルブの作動タイミングを切換えるバルブポートの位置を設定することを特徴とする。

本発明の一態様に係るバルブポートの設定方法によれば、打撃後に破砕対象からの反射応力波が最も早く戻る条件を設定し、その戻り条件下にて反射応力波が最も早く戻るタイミングを測定し、その測定された反射応力波の戻りタイミングに基づいて、打撃点のタイミングよりも後であって測定された反射応力波の戻りタイミングよりも早いタイミングでピストンの後退が開始されるように、バルブの作動タイミングを切換えるバルブポートの位置を設定するので、岩盤からの反発が大きいことに由来する打撃数過多の発生を防止もしくは抑制、または、キャビテーション−エロージョンの発生を防止もしくは抑制するように液圧式打撃装置のバルブポートの位置を設定することができる。

本発明によれば、岩盤からの反発が大きいことに由来する打撃数過多を防止もしくは抑制、またはキャビテーション−エロージョンの発生を防止もしくは抑制することができる。

本発明に係るピストン前後室高低圧切換式の液圧式打撃装置の第一実施形態の模式図である。 ピストンを前進から後退へと切換える局面での、本発明に係る切換弁機構のバルブ切換えのタイミングチャートである。 第一実施形態に係る液圧式打撃装置の動作を説明する図（(ａ)〜(ｄ)）である。 本発明に係る液圧式打撃装置の第二実施形態であり、第二実施形態は、前室高低圧切換―後室常時高圧方式の液圧式打撃装置の模式図である。 比較例として示す、ピストンを前進から後退へと切換える局面での、従来の切換弁機構でのバルブ切換えのタイミングチャートである。

以下、本発明の一実施形態について、図面を適宜参照しつつ説明する。
図１に示すように、この液圧式打撃装置は、軸方向中央の大径部５２１、５２２と、その大径部の前後に形成された小径部５２３、５２４とを有するピストン５２０を備えている。そして、このピストン５２０が、シリンダ５００内に摺嵌して設けられることで、シリンダ５００内にピストン前室５０１とピストン後室５０２とがそれぞれ画成されている。ピストン大径部５２１、５２２の中央には排油溝５２５が形成されている。

ピストン前室５０１には、後述するバルブ５２６の前後進切換によってピストン前室５０１を高圧回路５３８と低圧回路５３９へとそれぞれ連通させるピストン前室通路５０６が接続されている。一方、ピストン後室５０２には、バルブ５２６の前後進切換えによりピストン後室５０２を高圧回路５３８と低圧回路５３９とにそれぞれ連通させるピストン後室通路５０７が接続されている。高圧回路５３８には高圧アキュムレータ５４０が設けられ、低圧回路５３９には低圧アキュムレータ５４３が設けられている。

ピストン前室５０１の後方には、ピストン前進制御ポート５０３が所定間隔隔離して設けられ、ピストン後室５０２の前方には、ピストン後退制御ポート５０４が所定間隔隔離して設けられている。なお、ピストン前進制御ポート５０３は、通常ストローク用とショートストローク用として開口部が二箇所に設けられており、ピストン前室５０１側のピストン前進制御ポート５０３ａが、可変絞りを備えたショートストローク用である。本明細書では、通常ストロークの設定、すなわち、可変絞りを全閉状態として、ピストン後室５０２側のピストン前進制御ポート５０３が作用する設定で説明をする。

ピストン前進制御ポート５０３の後方には、ピストン後退制御連動ポート５０８が所定間隔離隔して設けられている。また、ピストン後退制御ポート５０４の前方には、ピストン前進制御連動ポート５０９が所定間隔離隔して設けられている。ピストン後退制御連動ポート５０８とピストン前進制御連動ポート５０９の間には、それぞれに所定距離離隔して排油ポート５０５が設けられている。排油ポート５０５は、排油通路５１９を介して低圧回路５３９に連通している。さらに、ピストン前進制御ポート５０３とピストン後退制御連動ポート５０８は、後述するバルブ後室５１１にバルブ制御通路５１８を介して連通しており、ピストン後退制御ポート５０４とピストン前進制御連動ポート５０９は、後述するバルブ前室５１０にバルブ制御通路５１７を介して連通している。

また、シリンダ５００には、ピストン５２０と非同軸に弁室５４１が形成され、この弁室５４１にバルブ（スプール）５２６が摺嵌されて切換弁機構５５０を構成している。弁室５４１には、前方から後方へ向けて順に、バルブ前室５１０、バルブ後退保持室５１５、主室５４２、バルブ前進保持室５１６、およびバルブ後室５１１が円環状の段によって形成されている。主室５４２には、前方から後方へ向けて所定間隔離隔して、ピストン前室低圧ポート５１２、ピストン高圧ポート５１４、およびピストン後室低圧ポート５１３が設けられている。ピストン前室低圧ポート５１２とピストン高圧ポート５１４の間には、ピストン前室通路５０６が接続されており、ピストン高圧ポート５１４とピストン後室低圧ポート５１３の間には、ピストン後室通路５０７が接続されている。

バルブ５２６は、大径部５２７、５２８、５２９と、その前後に設けられた中径部５３０、５３１と、中径部５３０の前側に設けられた小径部５３２と、中径部５３１の後側に設けられた小径部５３３とを有する中実の弁体（スプール）である。大径部５２７と大径部５２８の間には、ピストン前室切換溝５３４が円環状に設けられ、大径部５２８と大径部５２９の間には、ピストン後室切換溝５３５が円環状に設けられている。小径部５３２とピストン前室切換溝５３４とは、相互に連通路５３６で連通され、小径部５３３とピストン後室切換溝５３５とは、相互に連通路５３７で連通されている。

切換弁機構５５０のバルブ５２６は、弁室５４１に対して、バルブ前室５１０に小径部５３２が位置し、バルブ後退保持室５１５に中径部５３０が位置し、主室５４２に大径部５２７、５２８、５２９が位置し、バルブ前進保持室５１６に中径部５３１が位置し、バルブ後室５１１に小径部５３３が位置するように摺嵌されている。バルブ５２６が前進後退動作を行うことで、大径部５２７はピストン前室低圧ポート５１２を開閉し、大径部５２８はピストン前室通路５０６とピストン高圧ポート５１４を連通／閉止すると同時にピストン後室通路５０７とピストン高圧ポート５１４を閉止／連通し、大径部５２９はピストン後室低圧ポート５１３を開閉するようになっている。

ピストン前室通路５０６がピストン高圧ポート５１４と連通するとバルブ後退保持室５１５は連通路５３６を介することにより高圧となる。逆に、ピストン後室通路５０７がピストン高圧ポート５１４と連通するとバルブ前進保持室５１６は連通路５３７を介することにより高圧となる。バルブ前室５１０の受圧面積は、バルブ前進保持室５１６の受圧面積よりも大きく設定されている。同様に、バルブ後室５１１の受圧面積は、バルブ後退保持室５１５の受圧面積よりも大きく設定されている。

ここで、図１では、ピストン５２０が打撃するシャンクロッド、および先端にビットを装着しシャンクロッドに接続されるロッドといった工具類（以下、破砕工具という）の図示を省略しているが、実際のさく孔作業においては、所望のさく孔長に達するまでロッドを継ぎ足しながらさく孔を行う。
このとき、ピストン５２０が、図示しないシャンクロッドを打撃した直後においては、打撃によって生じた打撃エネルギーは圧縮の応力波として、シャンクロッド、ロッド、およびビットと伝播して岩盤を破砕するが、破砕で消費しきれなかった打撃エネルギーは、今度は、反射応力波としてビットからロッドを介してシャンクロッド後端に到達する。これに対し、この液圧式打撃装置では、上記切換弁機構５５０は、ピストン５２０を前進から後退へと切換えるバルブ５２６の切換え作動を完了するタイミングが、破砕対象からの反射応力波が破砕工具の後端に最も早く戻る条件のときに、破砕対象からの反射応力波が不図示の破砕工具の後端に到達する前にピストン前室５０１の圧油によってピストン５２０が後退を開始するタイミングに設定される（タイミングＴ１）。

さらに、この液圧式打撃装置では、切換弁機構５５０は、ピストン５２０を前進から後退へと切換えるバルブ５２６の切換え作動を完了するタイミングが、破砕対象からの反射応力波が破砕工具の後端に最も早く戻る条件のときに、破砕対象からの反射応力波が破砕工具の後端に到達する前にピストン前室５０１内で発生していた打撃に起因するキャビテーションがピストン前室５０１に供給された高圧油によって消滅するタイミングに設定される（タイミングＴ２）。

すなわち、本実施形態では、上記バルブ５２６の切換えタイミングを、本発明の第一態様および第二態様に対応してタイミングＴ１およびタイミングＴ２とすると以下のように定義することができる。
タイミングＴ１：破砕工具後端に反射応力波が到達する前にピストン５２０が破砕工具後端から離れている。
タイミングＴ２：破砕工具後端に反射応力波が到達する前に打撃由来のキャビテーションが消滅している。

以下、上記切換弁機構５５０のバルブ５２６の切換え作動の完了タイミングについて、図２に示す、ピストン５２０を前進から後退へと切換える局面での、打撃〜バルブ切換〜反射応力波到達のタイミングチャートを参照しつつより詳しく説明する。なお、同図において、各タイミングとピストン変位の関係を上段に、気泡量との関係を下段に表している。また、同図においては、反射応力波が液圧式打撃装置にもたらす影響を説明するために、反射応力波の到達時間が短い、すなわち、ロッド１本目の状態のみを表している。

本実施形態では、破砕対象からの反射応力波が最も早く戻る条件として、上記のようにロッド１本目の状態を設定した。そして、ロッド１本目の状態の戻り条件下にて、反射応力波が、破砕工具の後端に最も早く戻るタイミングを測定した。この測定した戻りタイミングを、図２に「反射応力波到達タイミングＲ」として示す。
本実施形態では、この反射応力波の戻りタイミングＲに基づいて、同図にバルブ切換え完了タイミングＴ１，Ｔ２を示すように、この戻りタイミングＲよりも早いタイミングでピストン５２０の後退が開始されるようにバルブ５２６の切換え作動を完了するようにバルブタイミングを切換えている。

バルブ５２６のタイミングを切換える方策としては、ピストン５２０を後退させるための各ポートの位置や受圧面積等の設定を変えることで対応できるが、本実施形態では、ピストン後退制御ポート５０４の軸方向の開口位置を調整することにより、タイミングＴ１，Ｔ２を切換えている。すなわち、本実施形態では、上記測定された反射応力波の戻りタイミングＲに基づいて、この戻りタイミングＲよりも早いタイミングでピストン５２０の後退が開始されるようにバルブ５２６の作動タイミングを切換えるピストン後退制御ポート５０４の軸方向の開口位置を設定している。

ここで、ピストン後退制御ポート５０４の設定位置に応じてバルブ５２６の作動タイミングが切換えられて、上記タイミングＴ１では、図２に示すように、タイミングＴ１にてピストン前室５０１が高圧となり、ピストン５２０がシャンクロッドの後端から完全に離れて、二点鎖線で示す打撃点Ｄを超えた位置まで後退してから反射応力波（反射応力波到達タイミングＲ）がシャンクロッド後端に到達していることがわかる。したがって、ピストン５２０が反射応力波によって後退を始めることはないので、常に適正な打撃サイクルが行われるようになっている。

また、上記タイミングＴ２では、図２に示すように、バルブ５２６の作動タイミングがタイミングＴ２にて切換えられてピストン前室５０１が高圧となり、打撃由来のキャビテーションが高圧油によって消滅した後（気泡量＝０）に、シャンクロッド後端に反射応力波（反射応力波到達タイミングＲ）が到達していることがわかる。そのため、反射応力波由来のキャビテーションが発生することはない。したがって、キャビテーションの発生量が増長されることはないので、エロージョンによる機器の損傷や油効率の低下が防止される。

なお、図２に示すように、タイミングＴ１は、タイミングＴ２よりもバルブ５２６の切換えタイミングが早いので、前述したとおり、適正な打撃サイクルが行われるだけではなく、反射応力波由来のキャビテーションも発生しないので、エロージョンや打撃効率の低下といった問題が発生することもない。また、タイミングＴ２では、反射応力波がシャンクロッド後端に到達するときには、ピストン５２０が打撃点Ｄに至らないまでもシャンクロッド後端からは離れて後退を開始しているので、打撃サイクルを維持する上で大きな問題とはならない。

次に、この液圧式打撃装置の動作、および上記バルブ５２６の切換えタイミングの作用効果について図３を参照しつつ詳しく説明する。なお、図３では、高圧状態のときの通路を「網掛け」にて図示している。
今、上記切換弁機構５５０のバルブ５２６が前進位置に切換えられると、図３(ａ)に示すように、ピストン高圧ポート５１４とピストン後室通路５０７が連通してピストン後室５０２が高圧となる。一方、ピストン前室低圧ポート５１２とピストン前室通路５０６が連通してピストン前室５０１が低圧となるので、ピストン５２４は前進する。このとき、バルブ前室５１０とバルブ後室５１１は共に低圧となるものの、バルブ前進保持室５１６は高圧となっており、バルブ５２６は前進位置に保持される。

次いで、同図(ｂ)に示すように、ピストン５２４が前進してピストン後退制御ポート５０４とピストン後室５０２が連通するとバルブ前室５１０が高圧となる。ここで、バルブ前室５１０の受圧面積はバルブ前進保持室５１６の受圧面積よりも大きいのでバルブ５２６は後退を開始する。このとき、バルブ後室５１１は、バルブ制御通路５１８、ピストン後退制御連動ポート５０８、排油ポート５０５および排油通路５１９を介して低圧回路５３９と連通しているので、バルブ５２６は問題なく後退することができる。

ここで、本実施形態では、ピストン５２０が打撃点まで達した後に、切換弁機構５５０は、ピストン５２０を前進から後退へと切換えるバルブ切換え作動を完了するタイミングが、上記タイミングＴ１ないしＴ２に設定されているので、破砕対象からの反射応力波が破砕工具の後端に最も早く戻る条件のときに、反射応力波が破砕工具の後端に到達する前に、バルブ５２６はその後退位置への切換が完了する。

バルブ後退位置では、同図(ｃ)に示すように、ピストン前室５０１がピストン高圧ポート５１４と連通してピストン前室５０１が高圧となると共に、ピストン後室５０２がピストン後室低圧ポート５１３に連通してピストン後室５０２が低圧になるので、ピストン５２０は後退に転じる。バルブ前室５１０とバルブ後室５１１は共に低圧となるものの、バルブ後退保持室５１５は高圧となり、バルブ５２６は後退位置に保持される。なお、図３（ｃ）では、ピストン前室５０１は、既に低圧から高圧へと切換が完了しており、ピストン５２０が後退へと転じる状態を表している。

ピストン５２０が後退してピストン前進制御ポート５０３とピストン前室５０１が連通するとバルブ後室５１１が高圧となり、同図(ｄ)に示すように、バルブ後室５１１の受圧面積がバルブ後退保持室５１５の受圧面積よりも大きいのでバルブ５２６は前進を開始する。このとき、バルブ前室５１０は、バルブ制御通路５１７、ピストン前進制御連動ポート５０９、排油ポート５０５および排油通路５１９を介して低圧回路５３９と連通しているので、バルブ５２６は問題なく前進することができる。そして、バルブ５２６が再び前進位置に切換えられ、上記のサイクルが繰り返されて打撃が行われる。

ここで、図３（ｃ）に示した局面、すなわち、ピストン５２０が図示しないシャンクロッドを打撃した直後においては、打撃によって生じた打撃エネルギーは圧縮の応力波として、シャンクロッド、ロッド、およびビットを順に伝播して岩盤を破砕するが、破砕で消費しきれなかった打撃エネルギーは、今度は、反射応力波としてビットからロッドを介してシャンクロッド後端に到達する。

このとき、図５に示した従来のバルブ切換えタイミングでは、実際のさく孔作業中において、ピストンがピストン前室の圧油によって後退を開始するよりも早く前述の反射応力波がピストンに到達する場合がある。この現象は、前後室高低圧切換式の液圧式打撃装置で顕著に発生するが、さく孔対象が硬岩である場合にも同様な状況が確認されることから、岩盤からの反発が大きいことが原因であると考えられる。

すなわち、ロッド１本目でさく孔を行うときやさく孔対象が硬岩である場合に、図５を参照して前述した通り、従来の液圧式打撃装置では、打撃直後にバルブがその後退位置への切換が完了するように設定されているが、このバルブ切換タイミングにおいては、ピストン前室が低圧から高圧へと切換が完了する前に反射応力波がシャンクロッド後端に到達してピストンが後退することになる。
したがって、従来の液圧式打撃装置では、例えば、ロッド１本目でさく孔を行うときとロッドを継ぎ足してさく孔を行うときとでは、対応する駆動油圧機器のスペックの好適な設定条件に違いが生じる場合がある。また、ピストン前室は、ピストンが低圧下で後退するので負圧状態となり、反射応力波由来のキャビテーションが発生する。

これに対し、本実施形態の液圧式打撃装置によれば、図２に示したように、ピストン５２０を前進から後退へと切換える局面において、切換弁機構５５０のバルブ５２６の切換え作動を完了するタイミングＴ１が、破砕対象からの反射応力波が破砕工具の後端に到達する前に、ピストン前室５０１の圧油によってピストン５２０が後退を開始するタイミングに設定されているので、破砕対象からの反射応力波が破砕工具の後端に到達する前に、ピストン５２０を破砕工具の後端から離すことができる。そのため、ピストン５２０の後退動作が反射応力波によって加速されることがない。したがって、液圧式打撃装置の打撃数が過剰に増加することはないので、それに合わせた駆動油圧機器のスペックの選定も不要である。

また、本実施形態の液圧式打撃装置によれば、図２に示したように、ピストン５２０を前進から後退へと切換える局面において、切換弁機構５５０のバルブ５２６の切換え作動を完了するタイミングＴ２が、破砕対象からの反射応力波が破砕工具の後端に到達する前に、ピストン前室５０１内で発生していた打撃に起因するキャビテーションがピストン前室５０１に供給された高圧油によって消滅するタイミングに設定されているので、破砕工具後端に反射応力波が到達する前に、打撃由来のキャビテーションをピストン前室５０１に供給された高圧油によって消滅させることができる。

そのため、打撃由来のキャビテーションと反射応力波由来のキャビテーションとが複合的に発生してキャビテーション発生量が増長されることはない。したがって、本実施形態の液圧式打撃装置によれば、岩盤からの反発が大きいことに由来する打撃数過多の発生を防止または抑制するとともに、キャビテーション−エロージョンの発生を防止または抑制することができる。

そして、本実施形態での切換弁機構５５０のバルブ５２６の切換えタイミングと従来のバルブ切換タイミングについて、図２と図５とを参照して対比すると、本実施形態でのバルブ５２６の切換えタイミングは、従来とは全く異なる思想によって決定されていることがよく分かる。すなわち、従来のバルブ切換タイミングは、反射応力波が到達してからバルブを切換えているのに対して、本実施形態でのバルブ５２６は、タイミングＴ１、タイミングＴ２のいずれのタイミングにおいても、反射応力波の到達よりも前にバルブ５２６を切換えている。

本実施形態と従来のバルブ切換タイミングとが、正反対ともいえるバルブ切換タイミングを採用している理由として、従来のバルブ切換タイミングは、打撃時におけるピストン速度を最大にすることを主眼において設定されていたのに対して、本実施形態でのバルブ５２６の切換えタイミングは、高出力仕様の液圧式打撃装置を開発する過程で創出されたものであって、打撃数の過剰な増加とピストン前室５０１におけるキャビテーションーエロージョンを抑制することを主眼としているためである。

以上説明したように、本実施形態では、従来のようにバルブが切換えられる前に反射応力波がシャンクロッド後端に到達してピストンが後退を開始することがなく、また、本実施形態での気泡量は、ほぼ同じスケールで示す図２と図５を対比すれば明らかなように従来と比べると格段に少ない。これらの差異によって、本実施形態の液圧式打撃装置は、打撃数が過剰となることがなく、且つ、キャビテーション−エロージョンの発生を防止または抑制して、油圧効率に優れるという効果がもたらされるのである。

次に、本発明に係る液圧式打撃装置の第二実施形態（前室高低圧切換―後室常時高圧方式の液圧式打撃装置）について図４を参照しつつ説明する。
同図に示すように、第二実施形態の液圧式打撃装置は、シリンダ１００と、シリンダ１００の内部に軸方向に沿ってスライド移動可能に摺嵌されたピストン２００とを備えている。ピストン２００は、軸方向中央の大径部（前）２０１、大径部（後）２０２と、その大径部２０１、２０２の前後に形成された小径部（前）２０３、小径部（後）２０４とを有する。小径部（前）２０３の直径は、小径部（後）２０４の直径よりも小さく設定されている。ピストン大径部２０１、２０２の略中央には、円環状のバルブ切換溝２０５が形成されている。

ピストン２００が、シリンダ１００内に摺嵌して設けられることで、ピストン２００の外周面とシリンダ１００の内周面との間に、軸方向の前後に離隔してピストン前室１１０とピストン後室１１１とがそれぞれ画成されている。そして、シリンダ１００の内部には、ピストン前室１１０を高圧回路１０１と低圧回路１０２とに交互に切換えてピストン２００の前進および後退が繰返されるように作動油を給排させる切換弁機構２１０が設けられている。

この切換弁機構２１０は、シリンダ１００の内部に、ピストン２００と非同軸に形成された弁室１３０と、この弁室１３０に摺嵌されたバルブ（スプール）３００とを有する。弁室１３０は、前方から後方へ向けて順に、弁室小径部１３２、弁室大径部１３１、および弁室中径部１３３が多段の円環状溝によって形成されている。弁室大径部１３１には、前方から後方へ向けてそれぞれ所定間隔離隔して、バルブ制御室１３７、ピストン前室低圧ポート１３５、ピストン前室高圧ポート１３４、および低圧ポート１３６が設けられている。

ピストン前室１１０には、バルブ３００の前後進切換によってピストン前室１１０を高圧回路１０１と低圧回路１０２へとそれぞれ連通させるピストン前室通路１２０が接続されている。一方、ピストン後室１１１には高圧回路１０１と常時連通させるピストン後室通路１２１が接続されている。高圧回路１０１には高圧アキュムレータ４００が設けられ、低圧回路１０２には低圧アキュムレータ４０１が設けられている。

ピストン前室１１０とピストン後室１１１の間には、前方から後方へ向けてそれぞれ所定間隔隔離して、ピストン後退制御ポート１１３、バルブ制御ポート１１４、およびピストン前進制御ポート１１２が設けられている。ピストン前進制御ポート１１２は、通常ストローク用とショートストローク用として開口部が二箇所に設けられている。ピストン前室１１０側のピストン前進制御ポート１１２ａが可変絞りを備えたショートストローク用である。第二実施形態では、通常ストロークの設定、すなわち、可変絞りを全閉状態として、ピストン後室１１１側のピストン前進制御ポート１１２が作用する設定で説明をする。

バルブ３００は、軸方向に貫通するバルブ中空通路３１１を有する中空円筒形状の弁体である。バルブ３００は、バルブ大径部３０１、３０２と、バルブ大径部３０１の前側に設けられたバルブ小径部３０４と、バルブ大径部３０２の後側に設けられたバルブ中径部３０５とを外周面に有する。バルブ大径部３０１とバルブ大径部３０２の間には、円環状のピストン前室切換溝３０６が設けられている。

この切換弁機構２１０は、バルブ大径部３０１、３０２が弁室大径部１３１と摺嵌するように構成され、バルブ小径部３０４が弁室小径部１３２と摺嵌するように構成され、バルブ中径部３０５が弁室中径部１３３と摺嵌するように構成されている。バルブ３００の両端面は、前方がバルブ前端面３０８、後方がバルブ後端面３０９となっている。バルブ小径部３０４とバルブ大径部３０１との境界には、バルブ段付面（前）３１０が形成され、バルブ大径部３０３とバルブ中径部３０５の境界にはバルブ段付面（後）３１２が形成されている。

高圧回路１０１は、ピストン前室高圧ポート１３４に接続されており、低圧回路１０２はピストン前室低圧ポート１３５および低圧ポート１３６にそれぞれ接続されている。
ピストン前室通路１２０は、一方がピストン前室１１０に接続され、他方が弁室大径部１３１のピストン前室高圧ポート１３４とピストン前室低圧ポート１３５との中間部に接続されている。バルブ高圧通路（前）１２３は、ピストン後退制御ポート１１３と弁室１３０の前側端面を接続し、バルブ高圧通路（後）１２４は、弁室１３０の後側端面と高圧回路１０１の高圧アキュムレータ４００よりも上流側（図４中で右側）の位置とを接続している。したがって、バルブ中空通路３１１は常時高圧となっている。

なお、バルブ高圧通路（前）１２３は、ピストン後退制御ポート１１３とバルブ高圧通路（後）１２４とを接続してもよい。バルブ低圧通路１２５は、ピストン前進制御ポート１１２と低圧ポート１３６とを接続している。バルブ制御通路１２６は、バルブ制御ポート１１４とバルブ制御室１３７とを接続している。なお、バルブ低圧通路１２５は、ピストン前進制御ポート１１２と低圧回路１０２とを直接接続してもよい。

上記の構成により、ピストン後室１１１は常時高圧接続されるとともに、切換弁機構２１０の作動により、ピストン前室１１０は、高圧と低圧に交互に切換えられ、ピストン前室１１０が低圧に接続されると、ピストン後室１１１が常時高圧に接続されているのでピストン２００は前進し、ピストン前室１１０が高圧接続されると、ピストン後室１１１との受圧面積の差によりピストン２００が後退するようになっている。

ここで、この第二実施形態液圧式打撃装置においても、ピストン２００を前進から後退へと切換えるバルブ３００の切換え作動を完了するタイミングが、上述した第一実施形態の図２に示したように、反射応力波が到達するより前にピストン前室１１０の圧油によってピストン２００が後退を開始するように上記タイミングＴ１ないしＴ２に設定されている。これにより、この第二実施形態液圧式打撃装置においても、上記第一実施形態にて詳述した作用機序により、打撃数の過剰な増加の発生を防止または抑制するとともに、キャビテーション−エロージョンの発生を防止または抑制することができる。

以上、本発明の第一実施形態（本発明の第一態様および第二態様に対応するタイミングＴ１およびタイミングＴ２）および第二実施形態について図面を参照して説明したが、本発明に係る液圧式打撃装置は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しなければ、その他の種々の変形や各構成要素を変更することが許容されることは勿論である。

５００ シリンダ
５０１ ピストン前室
５０２ ピストン後室
５２０ ピストン
５２６ バルブ
５３８ 高圧回路
５３９ 低圧回路
５４０ 高圧アキュムレータ
５４３ 低圧アキュムレータ
５５０ 切換弁機構
Ｔ１ バルブ切換え作動を完了するタイミング
Ｔ２ バルブ切換え作動を完了するタイミング

Claims (6)

1. シリンダと、該シリンダの内部に摺嵌されたピストンと、前記ピストンの外周面と前記シリンダの内周面との間に画成されて軸方向の前後に離隔配置されたピストン前室およびピストン後室と、少なくとも前記ピストン前室を高圧回路と低圧回路とに交互に切換えるバルブを有する切換弁機構とを備え、前記ピストンを前記シリンダ内で前後進させて打撃用の破砕工具の後端を打撃する液圧式打撃装置であって、
   前記切換弁機構は、前記ピストンを前進から後退へと切換えるバルブ切換え作動を完了するタイミングが、打撃後に破砕対象からの反射応力波が前記破砕工具の後端に最も早く戻る条件のときに、打撃点のタイミングよりも後であって前記反射応力波が前記破砕工具の後端に到達する前に前記ピストン前室の圧油によって前記ピストンが後退を開始するタイミングに設定されていることを特徴とする液圧式打撃装置。
2. シリンダと、該シリンダの内部に摺嵌されたピストンと、前記ピストンの外周面と前記シリンダの内周面との間に画成されて軸方向の前後に離隔配置されたピストン前室およびピストン後室と、少なくとも前記ピストン前室を高圧回路と低圧回路とに交互に切換えるバルブを有する切換弁機構とを備え、前記ピストンを前記シリンダ内で前後進させて打撃用の破砕工具の後端を打撃する液圧式打撃装置であって、
   前記切換弁機構は、前記ピストンを前進から後退へと切換えるバルブ切換え作動を完了するタイミングが、打撃後に破砕対象からの反射応力波が前記破砕工具の後端に最も早く戻る条件のときに、打撃点のタイミングよりも後であって前記反射応力波が前記破砕工具の後端に到達する前に前記ピストン前室内で発生していた打撃に起因するキャビテーションが前記ピストン前室に供給された高圧油によって消滅するタイミングに設定されていることを特徴とする液圧式打撃装置。
3. 前記液圧式打撃装置は、前記打撃用の破砕工具として、前記ピストンが打撃するシャンクロッド、および、先端にビットを装着して前記シャンクロッドに接続される複数のロッドとを用いるものであり、
   前記打撃後に破砕対象からの反射応力波が前記破砕工具の後端に最も早く戻る条件が、前記ロッド１本目でさく孔を行うときであることを特徴とする請求項１または２に記載の液圧式打撃装置。
4. 前記切換弁機構は、前記ピストン前室および前記ピストン後室を交互に高圧回路と低圧回路とに切換えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の液圧式打撃装置。
5. シリンダと、該シリンダの内部に摺嵌されたピストンと、前記ピストンの外周面と前記シリンダの内周面との間に画成されて軸方向の前後に離隔配置されたピストン前室およびピストン後室と、少なくとも前記ピストン前室を高圧回路と低圧回路とに交互に切換えるバルブを有する切換弁機構とを備え、前記ピストンを前記シリンダ内で前後進させて打撃用の破砕工具の後端を打撃する液圧式打撃装置の前記バルブの作動タイミングを切換える方法であって、
   前記液圧式打撃装置での打撃時に、打撃後に破砕対象からの反射応力波が最も早く戻る条件を設定し、その戻り条件下にて前記反射応力波が最も早く戻るタイミングを測定し、その測定された反射応力波の戻りタイミングに基づいて、打撃点のタイミングよりも後であって前記戻りタイミングよりも早いタイミングで前記ピストンの後退が開始されるように前記バルブの切換え作動を完了することを特徴とするバルブタイミングの切換方法。
6. シリンダと、該シリンダの内部に摺嵌されたピストンと、前記ピストンの外周面と前記シリンダの内周面との間に画成されて軸方向の前後に離隔配置されたピストン前室およびピストン後室と、少なくとも前記ピストン前室を高圧回路と低圧回路とに交互に切換えるバルブを有する切換弁機構とを備え、前記ピストンを前記シリンダ内で前後進させて打撃用の破砕工具の後端を打撃する液圧式打撃装置の前記バルブのポートの位置を設定する方法であって、
   前記液圧式打撃装置での打撃時に、打撃後に破砕対象からの反射応力波が最も早く戻る条件を設定し、その戻り条件下にて前記反射応力波が最も早く戻るタイミングを測定し、その測定された反射応力波の戻りタイミングに基づいて、打撃点のタイミングよりも後であって前記戻りタイミングよりも早いタイミングで前記ピストンの後退が開始されるように前記バルブの作動タイミングを切換えるバルブポートの位置を設定することを特徴とするバルブポートの設定方法。

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