JP7085673B2

JP7085673B2 - さく岩機

Info

Publication number: JP7085673B2
Application number: JP2021078551A
Authority: JP
Inventors: 進村上; 年雄松田; 吉見松本
Original assignee: Furukawa Rock Drill Co Ltd
Current assignee: Furukawa Rock Drill Co Ltd
Priority date: 2016-12-26
Filing date: 2021-05-06
Publication date: 2022-06-16
Anticipated expiration: 2036-12-26
Also published as: JP6881970B2; JP2018103296A; JP2021119029A

Description

本発明は、さく岩機に係り、特に、さく岩機の回転伝達部に関する。

この種のさく岩機の回転伝達部としては、例えば特許文献１記載の技術が開示されている。同文献記載のさく岩機について、図３を適宜参照しつつ説明する。

この種のさく岩機は、公知の打撃機構および回転機構を備える。回転機構は、図３に示すように、シャンクロッド１４０、チャック１５０、チャックドライバ１６０および駆動ギヤ１３４を備え、図示しないモータにより駆動ギヤ１３４が回転駆動される。駆動ギヤ１３４とチャックドライバ１６０との当接箇所はギヤ機構であり、シャンクロッド１４０とチャック１５０相互の当接箇所は、内外径に形成されたスプライン嵌合部によって回転駆動力の伝達および軸方向に沿った摺動が可能に嵌合している。

つまり、モータの駆動により駆動ギヤ１３４が回転駆動されると、回転駆動力は、チャックドライバ１６０からチャック１５０を介してシャンクロッド１４０に伝達されてシャンクロッド１４０を回転させる。また、シャンクロッド１４０は、シャンクロッド１４０およびチャック１５０相互の当接箇所に設けられた内外径のスプライン嵌合部により、軸方向に沿って前後に所定距離の移動が可能になっている。

また、打撃機構は、打撃ピストン１２０と、図示しない切換バルブとを有し、切換バルブによる油路の切換えに応じて打撃ピストン１２０が前後に移動し、シャックロッド１４０の後端部を打撃するようになっている。シャンクロッド１４０は、打撃ピストン１２０に打撃されることで、図示しないロッドおよびビットに打撃エネルギーを伝えるとともに、前述した回転機構の回転駆動力をロッドおよびビットに伝えて岩盤を破砕する。すなわち、この種のさく岩機は、シャンクロッド１４０が、チャック１５０によって前後に摺動保持されながら回転力を伝達可能に構成される。

ここで、シャンクロッドは、その後端部を繰り返し打撃する打撃ピストンと同程度の強度を要する。そのため、シャンクロッドの材質は、ニッケルクロムモリブデン鋼等の合金鋼が採用される。その一方で、チャックは、シャンクロッドとの当接箇所である内径のスプライン溝は、摺動による摩耗と回転による面圧の両方に対応することが求められる。そのため、チャックの材質に関しては、耐摩耗性と高強度を併せ持つ材料として、アルミ青銅等の銅合金が採用されている。

ところで、一般的なさく岩機の仕様として、打撃機構の打撃数は２０００～３０００ｂｐｍ、回転機構の回転数は１００～３００ｒｐｍになる。そのため、シャンクロッドとチャックの当接箇所である内外径のスプライン嵌合部は、高速摺動かつ高トルク状態に晒される。

前述したように、チャックは、耐摩耗性と高強度を併せ持つ材料として銅合金が採用されているものの、それだけでは寿命の低下は免れない。そこで、特許文献２に開示されるように、チャックとシャンクロッドの当接箇所に潤滑油を供給することで、チャックの損耗を低減する試みがなされている。

特開２０００－５２２７８号公報特開２０１３－５１８１９８号公報

しかし、近年のさく岩機においては、さらなる高出力化が進み、特許文献１ないし２に開示されるような従来のチャックの材質選定や潤滑方法では、チャックの損耗に対応しきれない場合が生じている。

すなわち、さく岩機の回転伝達部であるシャンクロッドとチャックにおいては、製作誤差や使用による摩耗に起因して、スプライン嵌合部の接触状態は、複数枚あるスプライン歯またはスプライン溝ごとに面圧が不均一となる場合や、スプライン歯またはスプライン溝の面内で不均一となる箇所が生じることは避けられないところ、過酷な使用条件下では、このような不均一箇所で局所的な応力集中が発生して異常高温となり、そこから強度低下に陥り、チャックが早期に損耗するという問題があった。
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って、高出力化に対応可能なさく岩機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、本発明の一態様に係るさく岩機は、第一のスプライン歯が外面に形成されるとともに自身後端部が打撃ピストンで打撃されるシャンクロッドと、該シャンクロッドの第一のスプライン歯に回転力を伝達するとともに軸方向に沿った摺動が可能に嵌合される第一のスプライン溝が内面に形成され且つ第二のスプライン歯が外面に形成されたチャックと、該チャックの前記第二のスプライン歯に嵌合される第二のスプライン溝が内面に形成されたチャックドライバと、を有する回転伝達部を備え、前記第一のスプライン歯および前記第一のスプライン溝相互の接触箇所並びに前記第二のスプライン歯および前記第二のスプライン溝相互の接触箇所に、オイルミストを供給するオイルミスト供給経路を有し、前記チャックには、径方向に貫通する連通孔が設けられており、該連通孔は、前記オイルミスト供給経路の一部を構成して、前記第一のスプライン歯および前記第一のスプライン溝相互の接触箇所と前記第二のスプライン歯および前記第二のスプライン溝相互の接触箇所とを径方向で相互に連通させることを特徴とする。

本発明の一態様に係るさく岩機によれば、オイルミスト供給経路により、第一のスプライン歯および第一のスプライン溝相互の接触箇所並びに第二のスプライン歯および第二のスプライン溝相互の接触箇所にオイルミストを供給するので、シャンクロッドとチャックとの接触部並びにチャックドライバとチャックとの接触部に対して冷却および潤滑を行うことができる。
特に、チャックには、径方向に貫通する連通孔が設けられ、この連通孔は、オイルミスト供給経路の一部を構成して、第一のスプライン歯および第一のスプライン溝相互の接触箇所と第二のスプライン歯および第二のスプライン溝相互の接触箇所とを径方向で相互に連通させる。
そのため、回転伝達部であるシャンクロッドとチャックの接触部並びにチャックドライバとチャックとの接触部で局所的な応力集中が発生して温度が上昇しても、局所的な高温状態となることが防止または抑制される。さらに、オイルミストによってチャックおよびその内外の各スプライン部の冷却と潤滑がなされるので、チャックの早期損耗を抑制できる。よって、本発明の一態様に係るさく岩機によれば、さく岩機の高出力化に充分に対応できる。

本発明によれば、さく岩機の高出力化に対応できる。

本発明の一態様に係るさく岩機の回転伝達部の一実施形態を示す説明図であり、同図（ａ）は模式的縦断面（同図（ｂ）のＸ－Ｘ断面）を示し、（ｂ）は（ａ）でのＺ－Ｚ断面を示している。本発明に係るチャックと従来のチャックの摩耗状態を対比する図（写真）である。従来のさく岩機の回転伝達部の一例を示す縦断面図である。

以下、本発明の一態様に係るさく岩機の回転伝達部の一実施形態を図面を適宜参照しつつ説明する。なお、図面は模式的なものである。そのため、厚みと平面寸法との関係、比率等は現実のものとは異なることに留意すべきであり、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている。また、以下に示す実施形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記の実施形態に特定するものではない。

図１に示すように、本実施形態のさく岩機１０は、回転機構３０、ダンパ機構７０およびスイベル機構８０並びに公知の打撃機構１００を備える。打撃機構１００は、打撃ピストン２０と図示しない公知の切換バルブ機構とを有し、切換バルブ機構による油路の切換え作動によって打撃ピストン２０が前進後退動作を繰り返し、打撃ピストン２０の前端面２１が、後述するシャンクロッド４０の後端面４１を打撃するようになっている。

回転機構３０は、フロントヘッド３１と、フロントヘッド３１の前方に設けられたフロントカバー３２とを有する筐体を備える。フロントカバー３２の先端にはフロントキャップ８１が装着され、フロントヘッド３１の後方にモータ３３が装着されている。フロントヘッド３１の内部には、モータ３３の出力軸に連結された駆動ギヤ３４が回転自在に支承されている。フロントカバー３２の内部には、円筒状のフロントリング３５がフロントキャップ８１の後端面に当接する位置に設けられ、フロントリング３５と同軸にシャンクロッド４０が支持されている。

シャンクロッド４０は、自身の後部に、周方向に等配された複数のスプライン歯である外径角スプライン４２を有するとともに、自身の後端面４１が、打撃ピストン２０の前端面２１に打撃される被打撃面になっている。シャンクロッド４０の前端には、図示しない公知のねじ部が設けられている。シャンクロッド４０の外周面の途中部分は摺接部４３になっており、シャンクロッド４０の内部には、ねじ部の端面まで連通する水孔４４が同軸に形成されている。水孔４４の基端側は、摺接部４３の側方に開口している。
さらに、フロントカバー３２の内部には、シャンクロッド４０の後部の位置に、チャック５０およびチャックドライバ６０が装着されている。

チャック５０は、同図（ｂ）に示すように、その内周面に、周方向に等配された複数のスプライン溝である内径角スプライン５１が形成されるとともに、外周面には、周方向に等配された複数のスプライン歯である外径角スプライン５２が形成されている。チャック５０の内径角スプライン５１は、シャンクロッド４０の外径角スプライン４２とスプライン嵌合されている。
また、チャック５０の前後の端面には、同図（ａ）に示すように、径方向に延びる端面スリット５３、５３´が設けられ、さらに、各端面スリット５３、５３´に連通してチャック５０の内周面に内径溝５４、５４´が形成されるとともに、チャック５０の中央部分には、径方向に貫通する連通孔５５が設けられている。

チャックドライバ６０は、外周面の後方の位置に、駆動ギヤ３４に歯合する外径ギヤ部６４が設けられ、その後部には、円筒状のチャックドライバブッシュ６５が同軸に摺嵌されている。チャックドライバブッシュ６５は、その前端面６６がシャンクロッド４０の後端面４１に当接しており、後端部には端面スリット６７が径方向に沿って形成されている。

また、チャックドライバ６０は、内周面に、周方向に等配された複数のスプライン溝である内径角スプライン６１が形成されている。チャックドライバ６０の内径角スプライン６１は、チャック５０の外径角スプライン５２とスプライン嵌合されている（同図（ｂ）参照）。さらに、チャックドライバ６０には、軸方向後方の内周面に、内径円環溝（大）６２が形成されるとともに、後端面に内径円環溝（小）６３が形成されている。

ここで、フロントヘッド３１には、内周側の肉厚部に、軸方向に第３連通孔３６が貫通形成されている。フロントカバー３２には、前方側の端部に、径方向に沿ってオイルミスト排出口３７が貫通形成されている。また、チャックドライバ６０には、外径ギヤ部６４が設けられた厚肉部に、第４連通孔６８が、第３連通孔３６と内径円環溝（大）６２とを繋ぐように斜めに形成され、さらに、第５連通孔６９が、径円環溝（小）６３に連通するように斜めに形成されている。

ダンパ機構７０は、ダンパハウジング７１と、ダンパハウジング７１内に同軸に収容されたプッシングピストン７２およびダンピングピストン７３とを有する。ダンパハウジング７１には、軸方向後方の上部の位置にオイルミスト導入口７４が設けられている。オイルミスト導入口７４は、径方向に貫通して開設された竪穴である第１連通孔７５に連通するとともに、第１連通孔７５の途中部分が、ダンパハウジング７１の上部側の肉厚部分に、軸方向に沿って貫通する横穴である第２連通孔７６に連通して形成されている。

スイベル機構８０は、フロントキャップ８１と、フロントキャップ８１内に設けられたスイベルボディ８２とを有する。スイベルボディ８２には、後端側に、第７連通孔８４が径方向に貫通形成され、フロントキャップ８１には、第７連通孔８４に連通する位置に、第８連通孔８３が径方向で同軸に貫通形成されており、第７連通孔８４および第８連通孔８３がオイルミスト排出口３７に連通している。

そして、本実施形態では、上述のスプライン嵌合部にオイルミストを供給するためのオイルミスト供給手段としてのオイルミスト経路９０が構成されている。本実施形態のオイルミスト経路９０は、オイルミストの入り口がオイルミスト導入口７４とされ、出口がオイルミスト排出口３７であり、構成部材同士が形成する潤滑空間、クリアランス、および、これらの潤滑空間とクリアランスを相互に接続する連通孔から構成される。

詳しくは、本実施形態では、第１潤滑空間９１が、打撃ピストン２０の外径とプッシングピストン７２の内径およびチャックドライバブッシュ６５の内径によって画成され、第２潤滑空間９２が、フロントヘッド３１の内壁と外径ギヤ部６４によって画成され、さらに、第３潤滑空間９５が、フロントリング３５の内径と摺接部４３によって画成されている。

さらに、同図（ｂ）に示すように、第１クリアランス９３は、外周側のスプライン嵌合部である、内径角スプライン６１と外径角スプライン５２の当接箇所に形成され、第２クリアランス９４は、内周側のスプライン嵌合部である、内径角スプライン５１との外径角スプライン４２の当接箇所に形成される。

そして、上述した第１連通路７５は、オイルミスト導入口７４と第１潤滑空間９１とを接続している。また、第２連通路７６および第３連通路３６は、第１連通路７５と第２潤滑空間９２とを接続している。さらに、第４連通孔６８および内径円環溝（大）６２は、第２潤滑空間９２と第１クリアランス９３とを接続している。

また、第５連通孔６９、径円環溝（小）６３、端面スリット５３´および内径溝５４´は、第２潤滑空間９２と第２クリアランス９４とを接続している。さらに、第６連通孔５５は、第１クリアランス９３と第２クリアランス９４とを接続しており、第７連通孔８４および第８連通孔８３は、第３潤滑空間９５とオイルミスト排出口３７とを接続している。

さらに、同図（ｂ）に示す第１クリアランス９３と第２クリアランス９４は、端面スリット５３および内径溝５４によっても接続されており、第２クリアランス９４と第５潤滑空間９５は、内径溝５４によって接続されている。
シャンクロッド４０は、打撃ピストン２０の打撃によって瞬間的に前進するところ、この前進時に、シャンクロッド４０の後端面４１と打撃ピストン２０の前端面２１および前端面６６相互の当接状態が解かれて、第１潤滑空間９１と第２クリアランス９４とが連通するように構成されている。

ここで、チャック５０の性状について説明する。
表１は、本実施形態と比較例１～３の物理的・機械的性質のうち、熱伝導率、硬さ、および伸びの対比表である。また、表２は、本実施形態と比較例１～３の組成の対比表である（単位はｗｔ％）。なお、比較例１はアルミニウム青銅、比較例２は特殊高力黄銅、および比較例３はリン青銅であり、いずれもさく岩機のチャックに採用されることの多い銅合金材料である。
表２に示すように、本実施形態のチャック５０の材質は、Ｎｉ：１．５～３．０ｗｔ％、Ｓｉ：０．５～１．５ｗｔ％、Ｃｒ：０．５～１．５ｗｔ％、Ｓｎ：０．１～０．３ｗｔ％、および、残部がＣｕおよび不可避的不純物元素からなる銅合金である。

表１に示すように、本実施形態と比較例１～３とでは、硬さと伸びに関しては略同等の値を有しているが、熱伝導率については、本実施形態の値が比較例１～３に対して際立って高いことが見てとれる。
ここで、熱伝導率は、２００Ｗ／（ｍ・Ｋ）よりも小さいと局所的な異常高温が発生する。なお、硬さについては、８０ＨＲＢ以上であることが、チャック５０の機能上から必須であることから、本発明に係るチャック５０は、実質的に銅合金製に限定されることになり、無酸素銅の熱伝導率３９１Ｗ／（ｍ・Ｋ）は、本発明の範囲外、すなわち熱伝導率の上限値と考えてよい。

次に、上述したオイルミスト経路９０に供給するオイルミストについて説明する。
オイルミストは、さく岩機１０を搭載する台車に装備されたコンプレッサ（いずれも図示略）から供給される圧縮空気と、圧縮空気に潤滑油をルブリケータ（図示略）で滴下混合することで生成する。
本実施形態におけるオイルミストの諸条件は、風量が０．１ｍ^３／ｍｉｎ以上０．６ｍ^３／ｍｉｎ以下、かつ、風量あたりの消費油量が、１０ｃｃ／ｍ^３以上２５ｃｃ／ｍ^３以下としている。風量が０．１ｍ^３／ｍｉｎよりも少ないとチャック５０の冷却が不十分となり、０．６ｍ^３／ｍｉｎよりも大きいと油量が嵩む。風量あたりの消費油量が１０ｃｃ／ｍ^３よりも小さいと潤滑皮膜が不十分となり、２５ｃｃ／ｍ^３よりも大きいとミスト状態が不安定となり潤滑斑が発生し、また、機外へと排出される潤滑油の量が増大して作業環境が悪化する。

次に、本実施形態のさく岩機１０でさく孔作業を行う場合について説明する。
このさく岩機１０でさく孔作業を行う際は、打撃機構１００を作動させ、打撃ピストン２０でシャンクロッド４０の後端面４１を打撃するとともに、モータ３３を駆動し、駆動ギヤ３４から、チャックドライバ６０およびチャック５０のスプライン嵌合部を介してシャンクロッド４０に回転駆動力を伝達する。シャンクロッド４０には、図示しないスリーブ、継ぎ足しロッドおよび先端ビットが接続されており、シャンクロッド４０で発生した打撃と回転を先端ビットへと伝達して岩盤を破砕する。

ダンパ機構７０は、岩盤で消費しきれずに反射して戻ってきた打撃エネルギーを緩衝し、先端ビットと岩盤の密着状態を良好に保つように作動する。スイベル機構８０は、図示しないフラッシング流体供給源から、フラッシング流体を、水孔４４を経て先端ビットへと供給して繰り粉を排出する。

ここで、内径角スプライン５１と外径角スプライン４２の当接箇所は、さく孔作業中に高速摺動と高トルク状態となる。そして、製作誤差や使用による摩耗に起因して、角スプライン同士の接触状態が、複数枚あるスプライン歯またはスプライン溝ごと、あるいはスプライン歯またはスプライン溝の面内において、面圧が不均一となる箇所が生じることは避けられないところ、このような不均一箇所では、局所的な応力集中に伴う熱が発生する場合がある。

これに対し、本実施形態のさく岩機１０であれば、チャックの材質が、熱伝導率が２００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の銅合金製なので、局所的に熱が発生しても、チャック５０の熱伝導性が良好である。そのため、発熱はチャック５０全体に拡散し、局所的な高温状態となることが防止または抑制される。
さらに、本実施形態のさく岩機１０であれば、オイルミスト経路９０にオイルミストが供給されているので、スプライン歯およびスプライン溝相互の接触箇所に、充分な冷却作用と潤滑がなされる。そのため、チャック５０が早期に損耗することを抑制することできる。

図２（ａ）は、本実施形態のチャック５０を、さく孔作業に５００時間使用した後の摩耗状態を示す写真であり、同図（ｂ）は、比較例１のチャックを、さく孔作業に５０時間使用した後の摩耗状態を示す写真である。摩耗状態は、さく孔作業の条件（破砕対象が硬岩であるか軟岩であるか等）にも左右されるものの、本実施形態のチャック５０は、比較例１のチャックに対して概ね１０倍以上の寿命を有することが確認された。

以上、本発明に係るさく岩機の一実施形態を図面および表を参照して説明したが、本発明に係るさく岩機の回転伝達部は、上記実施形態に限定されるものではなく、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。

１０さく岩機
２０打撃ピストン
２１前端面
３０回転機構
３１フロントヘッド
３２フロントカバー
３３モータ
３４駆動ギヤ
３５フロントリング
３６第３連通孔
３７オイルミスト排出口
４０シャンクロッド
４１後端面
４２外径角スプライン
４３摺接部
４４水孔
５０チャック
５１内径角スプライン（スプライン溝）
５２外径角スプライン（スプライン歯）
５３、５３´ 端面スリット
５４、５４´ 内径溝
５５第６連通孔
６０チャックドライバ
６１内径角スプライン
６２内径円環溝（大）
６３内径円環溝（小）
６４外径ギヤ部
６５チャックドライバブッシュ
６６前端面
６７端面スリット
６８第４連通孔
６９第５連通孔
７０ダンパ機構
７１ダンパハウジング
７２プッシングピストン
７３ダンピングピストン
７４オイルミスト導入口
７５第１連通孔
７６第２連通孔
８０スイベル機構
８１フロントキャップ
８２スイベルボディ
８３第８連通孔
８４第７連通孔
９０オイルミスト経路
９１第１潤滑空間
９２第２潤滑空間
９３第１クリアランス
９４第２クリアランス
９５第３潤滑空間
１００打撃機構

Claims

第一のスプライン歯が外面に形成されるとともに自身後端部が打撃ピストンで打撃されるシャンクロッドと、該シャンクロッドの第一のスプライン歯に回転力を伝達するとともに軸方向に沿った摺動が可能に嵌合される第一のスプライン溝が内面に形成され且つ第二のスプライン歯が外面に形成されたチャックと、該チャックの前記第二のスプライン歯に嵌合される第二のスプライン溝が内面に形成されたチャックドライバと、を有する回転伝達部を備え、
前記第一のスプライン歯および前記第一のスプライン溝相互の接触箇所並びに前記第二のスプライン歯および前記第二のスプライン溝相互の接触箇所に、オイルミストを供給するオイルミスト供給経路を有し、
前記チャックには、径方向に貫通する連通孔が設けられており、
該連通孔は、前記オイルミスト供給経路の一部を構成して、前記第一のスプライン歯および前記第一のスプライン溝相互の接触箇所と前記第二のスプライン歯および前記第二のスプライン溝相互の接触箇所とを径方向で相互に連通させることを特徴とするさく岩機。
前記オイルミストは、風量が、０．１ｍ³／ｍｉｎ以上０．６ｍ³／ｍｉｎ以下、かつ、風量あたりの消費油量が、１０ｃｃ／ｍ³以上２５ｃｃ／ｍ³以下のものである請求項１に記載のさく岩機。
前記チャックの材質は、Ｎｉ：１．５～３．０ｗｔ％、Ｓｉ：０．５～１．５ｗｔ％、Ｃｒ：０．５～１．５ｗｔ％、Ｓｎ：０．１～０．３ｗｔ％、および、残部がＣｕおよび不可避的不純物元素からなる、熱伝導率が２００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の銅合金である請求項１または２に記載のさく岩機。