JPWO2018131689A1 - 液圧式打撃装置 - Google Patents

Abstract

油圧回路配置を変更せず、かつ、打撃エネルギを維持しながらピストンストロークをショートストローク化して打撃出力を増大する。この液圧式打撃装置は、ピストン（２００）の外周面とシリンダ（１００）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（１１０）およびピストン後室（１１１）と、ピストン前室（１１０）およびピストン後室（１１１）の少なくとも一方を、高圧回路（１０１）および低圧回路（１０２）の少なくとも一方に切換えてピストンを駆動する切換弁機構（１３０）と、ピストン後方に設けられてピストンにその後退行程の途中で当接してピストン（２００）を前方へと付勢する増速ピストン（４１０）とを備え、増速ピストン（４１０）は、自身とピストンとが当接を開始するタイミングが、ピストン（２００）が切換弁機構（１３０）によって制動を受けるタイミングよりも早く設定されている。

Description

本発明は、さく岩機やブレーカ等の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、例えば特許文献１記載の技術が開示されている。同文献記載の液圧式打撃装置は、例えば図８に例示するように、シリンダ１００Ｐ、フロントヘッド３００およびバックヘッド４００Ｐを備え、シリンダ１００Ｐ内にピストン２００が摺嵌されている。
フロントヘッド３００は、シリンダ１００の前側に配設され、ロッド３１０が前進後退可能に摺嵌される。フロントヘッド３００の内部には、打撃室３０１が形成され、打撃室３０１内でロッド３１０の後端をピストン２００の先端が打撃する。バックヘッド４００Ｐは、シリンダ１００の後側に配設され、バックヘッド４００Ｐの内部に形成された後退室４０１Ｐ内をピストン２００の後端部が前後に移動する。

ピストン２００は、中実の円筒体であり、その略中央に大径部２０１、２０２を有している。大径部２０１の前側には中径部２０３が、大径部２０２の後側には小径部２０４がそれぞれ設けられている。大径部２０１と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。ピストン中径部２０３の外径は、ピストン小径部２０４の外径よりも大きく設定されている。
これにより、大径部２０１と中径部２０３の径差からなるピストン前室１１０の受圧面積、および大径部２０２と小径部２０４の径差からなるピストン後室１１１の受圧面積は、ピストン後室１１１側の方が大きくなっている（以下、ピストン前室１１０とピストン後室１１１の受圧面積の差を「受圧面積差」という）。

上記ピストン２００が、シリンダ１００の内部に摺嵌されることで、シリンダ１００内にピストン前室１１０とピストン後室１１１とがそれぞれ画成されている。ピストン前室１１０は、ピストン前室通路１２０を介して高圧回路１０１に常時接続されている。一方、ピストン後室１１１は、後述する切換弁機構１３０の切換えによって、ピストン後室通路１２１を介して高圧回路１０１と低圧回路１０２とにそれぞれ交互に連通可能になっている。
高圧回路１０１はポンプＰに接続され、高圧回路１０１の途中部分に高圧アキュムレータ１４０が設けられている。低圧回路１０２はタンクＴに接続され、低圧回路１０２の途中部分に低圧アキュムレータ１４１が設けられている。切換弁機構１３０は、シリンダ１００Ｐの内外の適所に配設される公知の切換弁であり、後述するバルブ制御通路１２２から給排される圧油によって作動し、ピストン後室１１１を高圧と低圧とに交互に切換える。

ピストン前室１１０とピストン後室１１１との間には、前方から後方に向けてそれぞれ所定間隔離隔して、ピストン前進制御ポート１１２、ピストン後退制御ポート１１３、および排油ポート１１４が設けられている。ピストン前進制御ポート１１２とピストン後退制御ポート１１３には、バルブ制御通路１２２から分岐した通路がそれぞれ接続されている。排油ポート１１４は、排油通路１２３を介してタンクＴに接続されている。
ピストン前進制御ポート１１２は、前側のショートストロークポート１１２ａ、および後側のロングストロークポート１１２ｂを有し、ショートストロークポート１１２ａとバルブ制御通路１２２との間に設けられた可変絞り１１２ｃの操作によってショートストロークとロングストロークの間を無断階に切換え可能になっている。可変絞り１１２ｃを全開にするとショートストロークとなり、全閉にするとロングストロークとなる。

この液圧式打撃装置は、ピストン前室１１０が高圧回路１０１に常時接続されているので、ピストン２００は常時後方へと付勢され、ピストン後室１１１が切換弁機構１３０の作動により高圧回路１０１に接続されると受圧面積差によってピストン２００は前進し、ピストン後室１１１が切換弁機構１３０の作動により低圧回路１０２に接続されるとピストン２００は後退する。
切換弁機構１３０は、ピストン前進制御ポート１１２がピストン前室１１０と連通してバルブ制御通路１２２に圧油が供給されると、ピストン後室通路１２１を高圧回路１０１に連通する位置に切換えられる。また、切換弁機構１３０は、ピストン後退制御ポート１１３が排油ポート１１４と連通して圧油がバルブ制御通路１２２からタンクＴへと排出されると、ピストン後室通路１２１を低圧回路１０２に連通する位置へと切換えられる。

特許第４９１２７８５号公報

ところで、この種の液圧式打撃装置において、高出力化を図る方策としては、一打撃当たりの運動エネルギを高める方策と、打撃数を増大して運動エネルギの総和を大きくする方策とがある。本発明者は、これら方策のうち、打撃数を増大して運動エネルギの総和を大きくする方策を採る場合に以下の問題点を見出した。
ここで、図８において、従来の液圧式打撃装置では、ピストン前進制御ポート１１２には、ロングストロークポート１１２ｂとショートストロークポート１１２ａとが併設されていることを説明したが、ショートストローク化することによって、ロングストロークの設定よりも打撃数を増加することができる。

図９に、従来の液圧式打撃装置におけるロングストロークとショートストロークのピストン変位−速度線図を示す。
同図において、点線がロングストローク設定の線図であり、Ｌ_１が全ストローク、Ｌ_２がピストン後退加速区間（ピストンが後退を開始してから、ピストン前進制御ポートがピストン前室と連通してバルブが切換えられてピストン後室が高圧に切換えられるまで）、Ｌ_３がピストン後退減速区間（ピストン後室が高圧に切換えられてピストンが後方ストロークエンドに到るまで）、Ｖ_ｌｏｎｇが打撃点におけるピストン速度である。また、実線がショートストローク設定の線図であり、同様に、Ｌ_１´が全ストローク、Ｌ_２´がピストン後退加速区間、Ｌ_３´がピストン後退減速区間、Ｖ_{ｓｈｏｒｔ}が打撃点におけるピストン速度である。

図９に示すように、ショートストローク化によってストロークは短縮されるものの、ピストンを加速する区間も減少しており、結果として、ピストン速度は、Ｖ_ｌｏｎｇからＶ_{ｓｈｏｒｔ}に低下していることがわかる。したがって、ショートストローク化によって得られる打撃数の増加分とピストン速度の低下分とを総合して勘案すると、必ずしも高出力化に繋がっているとはいえない。打撃圧が変わらなければ（打撃エネルギはストロークに比例し、打撃数はストロークの平方根に反比例するため）、打撃出力は、ショートストローク化するほどピストンストロークの平方根に比例し減少する。

また、従来の打撃装置において、ショートストローク化をさらに追求する場合は、ピストン前進制御ポートの位置を前方へと移設することになる。ここで打撃時の前室およびピストン前進制御ポートの回路状態に着目すると、前室が高圧に接続されるとともに、ピストン前進制御ポートが低圧に接続されており、前室とピストン前進制御ポートは、ピストン大径部によってシールされている。ピストン前進制御ポートの位置を前方へと移設すると前室との間のシール長が短くなり、リークが増えて効率が低下するという問題があることから、ポート位置の変更、すなわち油圧回路配置の変更によるショートストローク化には限界がある。

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って、油圧回路配置を変更せず、かつ、打撃エネルギを維持しながら、ピストンストロークをショートストローク化して打撃出力を増大可能な液圧式打撃装置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、該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、前記ピストン前室および前記ピストン後室の少なくとも一方を高圧回路および低圧回路の少なくとも一方に切換えて前記ピストンを駆動する切換弁機構と、前記シリンダの前記ピストン前室と前記ピストン後室との間に配設され、前記ピストンの前後進動によって前記高圧回路と前記低圧回路とに接断されるピストン制御ポートとを備え、前記切換弁機構を前記ピストン制御ポートから給排される圧油によって駆動する液圧式打撃装置であって、前記ピストンの後方に設けられて前記ピストンにピストン後退行程の途中で当接して前記ピストンを前方へと付勢する付勢手段を備え、前記付勢手段は、当該付勢手段と前記ピストンとが当接を開始するタイミングが、前記ピストンが前記切換弁機構によって制動を受けるタイミングよりも早く設定されていることを特徴とする。

本発明の一態様に係る液圧式打撃装置によれば、ピストン後退行程の途中で、ピストンに制動力が作用するタイミングでピストンに当接してピストンを前方へと付勢する付勢手段をピストンの後方に設けているので、ピストンの後退ストロークが短縮されるとともに、ピストンの前進動作が加速されてピストン速度が低下しないため、高出力化が可能となる。このとき、付勢手段の受圧面積が変わらなければ、後退ストロークの短縮量は、ピストンと付勢手段との当接位置によって決まるので、ピストン制御ポート等の油圧回路配置の変更は不要であり、シール長の減少による効率低下も発生しない。

本発明によれば、油圧回路配置を変更せず、かつ、打撃エネルギを維持しながら、ピストンストロークをショートストローク化して打撃出力を増大することが可能な液圧式打撃装置を提供することができる。

本発明の一態様に係る液圧式打撃装置の第一実施形態の模式図である。 第一実施形態の作動状態を示す模式図（（ａ）〜（ｆ））である。 第一実施形態の変位−速度線図である。 第一実施形態の時間−変位線図である。 第一実施形態の変位−速度線図であって、同図では、増速ピストンと打撃ピストンの当接位置を変化させた場合を示している。 第一実施形態の変位−速度線図であって、同図では、増速ピストンと打撃ピストンの推力比を変化させた場合を示している。 本発明の一態様に係る液圧式打撃装置の第二実施形態の模式図である。 従来の液圧式打撃装置の模式図である。 従来の液圧式打撃装置の変位−速度線図である。

以下、本発明の実施形態ないし変形例について図面を適宜参照しつつ説明する。全ての図面において、同様の構成要素には同一の符号を付している。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。

第一実施形態の液圧式打撃装置は、図１に示すように、シリンダ１００、フロントヘッド３００およびバックヘッド４００を備え、シリンダ１００内にピストン２００が摺嵌されている。
ピストン２００は、中実の円筒体であり、その略中央に大径部２０１、２０２を有する。大径部２０１の前側には中径部２０３が、大径部２０２の後側には小径部２０４がそれぞれ設けられている。大径部２０１と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。

ピストン中径部２０３の外径は、ピストン小径部２０４の外径よりも大きく設定されている。これにより、後述するピストン前室１１０およびピストン後室１１１におけるピストン２００の受圧面積、すなわち大径部２０１と中径部２０３の径差、および大径部２０２と小径部２０４の径差はピストン後室１１１側の方が大きくなっている。
上記ピストン２００は、シリンダ１００の内部に摺嵌されることで、シリンダ１００内にピストン前室１１０とピストン後室１１１とがそれぞれ画成されている。ピストン前室１１０は、ピストン前室通路１２０を介して高圧回路１０１に常時接続されている。一方、ピストン後室１１１は、後述する切換弁１３０の切換えによって、ピストン後室通路１２１を介して高圧回路１０１と低圧回路１０２とをそれぞれ交互に連通可能になっている。

高圧回路１０１はポンプＰに接続され、高圧回路１０１の途中部分には高圧アキュムレータ１４０が設けられている。低圧回路１０２はタンクＴに接続され、低圧回路１０２の途中部分には低圧アキュムレータ１４１が設けられている。切換弁機構１３０は、シリンダ１００の内外の適所に配設される公知の切換弁であり、後述するバルブ制御通路１２２から給排される圧油によって作動し、ピストン後室１１１を高圧と低圧とに交互に切換える。
ピストン前室１１０とピストン後室１１１との間には、前方から後方に向けてそれぞれ所定間隔離隔して、ピストン前進制御ポート１１２、ピストン後退制御ポート１１３、および排油ポート１１４が設けられている。ピストン前進制御ポート１１２とピストン後退制御ポート１１３には、バルブ制御通路１２２から分岐した通路がそれぞれ接続されている。排油ポート１１４は排油通路１２３を介してタンクＴに接続されている。

フロントヘッド３００は、シリンダ１００の前側に配設され、ロッド３１０が前進後退可能に摺嵌される。フロントヘッド３００の内部に形成された打撃室３０１内で、ロッド３１０の後端をピストン２００の先端が打撃する。
バックヘッド４００は、シリンダ１００の後側に配設されている。バックヘッド４００の内部には、後退室４０１およびその後方に加圧室４０２が形成されている。後退室４０１の内径は、ピストン小径部２０４が前後移動する際に影響が無いように設定され、加圧室４０２の内径は、後退室４０１の内径よりも径大に設定されている。後退室４０１と加圧室４０２の境界には端面４０３が形成されている。

加圧室４０２には、付勢手段として増速ピストン４１０が摺嵌されている。増速ピストン４１０は、前側の小径部４１１および後側の大径部４１２を有する。小径部４１１と大径部４１２との境界には段付面４１３が形成されている。加圧室４０２の内径に大径部４１２が摺接し、端面４０３と段付面４１３とが当接することによって加圧室４０２内の大径部４１２の後側に液圧室が画成され、液圧室は、加圧通路４０４によって高圧回路１０１に常時接続されている。
一般的な液圧式打撃装置においては、ピストン２００とロッド３１０の打撃界面、すなわち、ピストン中径部２０３とロッド３１０の後端部の外径は略同じ寸法に設定されている。その理由は、ピストン２００がロッド３１０を打撃して発生する応力波の伝達効率を高めるためであり、同様の理由で、本実施形態では、増速ピストン４１０の小径部４１１の外径がピストン小径部２０４の外径と略同径に設定されている。

次に、本実施形態の液圧式打撃装置の動作、および増速ピストン４１０の作動状態について図２を参照しつつ説明する。なお、図２では、回路が高圧接続されている部分を太い実線および網掛けにて示している。
本実施形態の液圧式打撃装置は、ピストン前室１１０が常時高圧接続されているので、ピストン２００は常時後方へと付勢され、ピストン後室１１１が切換弁機構１３０の作動により高圧接続されると、上記受圧面積差によってピストン２００は前進し、ピストン後室１１１が切換弁機構１３０の作動により低圧接続されるとピストン２００は後退する。

切換弁機構１３０は、ピストン前進制御ポート１１２がピストン前室１１０と連通してバルブ制御通路１２２に圧油が供給されると、ピストン後室通路１２１を高圧回路１０１に連通する位置に切換え、ピストン後退制御ポート１１３が排油ポート１１４と連通して圧油がバルブ制御通路１２２からタンクＴへと排出されると、ピストン後室通路１２１を低圧回路１０２に連通する位置へと切換える。
ここで、本実施形態の液圧式打撃装置の打撃機構は、従来の液圧式打撃装置に対して、バックヘッド４００に増速ピストン４１０を設けた点に特徴がある。

すなわち、図２において、同図（ｆ）に示す、ピストン２００がロッド３１０を打撃すると同時に、切換弁機構１３０のパイロット室（不図示）は、バルブ制御通路１２２および排油通路１２３を経て低圧に接続される。これにより、内部のスプールが切換り、ピストン後室通路１２１を低圧回路１０２に連通することでピストン後室１１１が低圧となるのでピストン２００は後退動作を開始する。（同図（ａ）参照）
そして、本実施形態の液圧式打撃装置では、一のピストン後退行程の途中であって、ピストン２００が後退してピストン前進制御ポート１１２が開く前、すなわち、切換弁機構１３０が切り換って後室１１１が高圧となりピストン２００が制動を受ける前のタイミングでピストン２００が増速ピストン４１０に当接する。これにより、ピストン２００には、本実施形態の増速ピストン４１０による推力（「補助推力」とする）が作用する（同図（ｂ）参照）。

更にピストン２００は後退を続け、ピストン前進制御ポート１１２が開いて切換弁機構１３０が切換り、ピストン後室１１１が高圧となって制動を受ける。これにより、ピストン２００には、上述の補助推力と前室１１０および後室１１１の受圧面積差による推力（「通常推力」とする）とが合算して作用する（同図（ｃ）参照）。
その後もピストン２００は慣性によって後退を続けるが、上述の補助推力と通常推力とが合算してピストン２００に作用するため、ピストン２００は、通常の後方ストロークエンドよりも前方の位置で後退から前進に転じる。この間に加圧室４０２から排出された圧油は高圧アキュムレータ１４０に蓄圧される（同図（ｄ）参照）。

ピストン２００が前進に転じた直後は、高圧アキュムレータ１４０に蓄圧された圧油が加圧室４０２へと速やかに供給される。そのため、ピストン２００は増速ピストン４１０によって強力に付勢されて速やかに加速する。続いて、段付面４１３が端面４０３に当接して増速ピストン４１０の前方ストロークに達するまでは、ピストン２００には増速ピストン４１０による補助推力と前室１１０と後室１１１の受圧面積差による通常推力が合算して作用するので、加速度は補助推力がある分、大きな値となる（図２（ｄ）から同図（ｅ）まで）。
やがて、上記段付面４１３が端面４０３に当接して増速ピストン４１０の前方ストロークに達すると、ピストン２００は、増速ピストン４１０と離れて通常推力のみで前進し（同図（ｅ））、所定の打撃位置まで達してロッド３１０を打撃する（同図（ｆ））。以下、上述のサイクルを繰り返すことにより、打撃動作が連続して行われる。

図３に、本実施形態の液圧式打撃装置における変位−速度線図を示す。同図では、参考として、本実施形態の増速ピストン４１０を有しない場合も破線で表示している（同図中、一番右に位置する線図）。この破線部分は、従来の液圧式打撃装置（図９）におけるロングストローク仕様の線図と同じプロファイルであり、各ストロークはＬ_１〜Ｌ_３である。なお、図３では、説明の都合上図９に対して縦横比を変更している。
図３に示す変位−速度線図と図２との関係は、ピストン２００が後退して増速ピストン４１０に当接するまで（図２（ａ））はＬ_２１に相当する。また、ピストン２００が増速ピストン４１０と当接し（図２（ｂ））、制動を受けながら後退して後室１１１が高圧に切換えられる（図２（ｃ））まで、すなわち、後退加速中のピストン２００に、前室圧による後退力と補助推力のみが作用する状態はＬ_２ｂ区間に相当する。さらに、後方ストロークエンドまで後退（図２（ｄ））、すなわち、ピストン２００に補助推力と通常推力の合算推力が作用する後退減速区間はＬ_３ｂ区間に相当する。

また、ピストン２００が後方ストロークエンド（図２（ｄ））から前進に転じてから増速ピストン４１０と離れるまで（図２（ｅ））、すなわち、ピストン２００に通常推力と補助推力が合算して作用する前進加速区間はＬ_ｂ区間に相当する。さらに、ピストン２００が前進してロッド３１０を打撃するまで（図２（ｆ））、すなわち、ピストン２００に通常推力のみが作用する前進加速区間はＬ_２１区間の上半分に相当する。
図３に示すように、本実施形態の液圧式打撃装置においては、ピストン２００が増速ピストン４１０と当接している区間以外は、ロングストローク仕様の打撃機構として作動しており、後退時の最大速度はＶ_２からＶ_２１に変化しているが、ピストン２００がロッド３１０を打撃する際の速度は、Ｖ_１のままで変わらないことが見て取れる。

ここで、本発明の液圧式打撃装置のメカニズムについて考察する。
（１）ピストン打撃速度が増速ピストン４１０との当接位置に影響を受けないことについて
ピストン質量ｍ、前室受圧面積Ｓ_ｆ、後室受圧面積Ｓ_ｒ、増速ピストン受圧面積Ｓ_ｂ、打撃圧Ｐ_ｗとする。前後室受圧面積差ΔＳ＝Ｓ_ｒ−Ｓ_ｆとし、前室受圧面積Ｓ_ｆのΔＳに対する比をｎとする。
図３に示すように、バルブ切換位置が打撃点からＬ_２の距離にある打撃装置において、増速ピストン４１０がバルブ切換位置よりもＬ_２ｂ手前でピストン２００と当接する場合、増速ピストンなしの場合のバルブ切換時のピストン後退最高速度をＶ_２、その時のピストン運動エネルギをＥ_２、増速ピストン４１０と衝突する時のピストン速度をＶ_２１とすると、その時のピストン運動エネルギＥ_２１は、以下の式（１）となる。

また、増速ピストン４１０と当接後にバルブ切換位置まで後退した時のピストン速度をＶ_２ｂとすると、その時のピストン運動エネルギＥ_２ｂは、以下の式（２）となる。

一方、増速ピストン４１０と一体となった状態のピストン２００の前進行程で、バルブ切換位置通過時のピストン速度はＶ_１ｂであるから、その時のピストン運動エネルギＥ_１ｂは、以下の式（３）となる。

更に、前進行程でピストン２００が増速ピストン４１０と離れる瞬間のピストン速度をＶ_１２´とすると、その時のピストン運動エネルギＥ_１２´は、以下の式（４）となる。

式（１）を式（４）に代入して、以下の式（５）を得る。

一方、増速ピストンなしの場合の前進行程で、バルブ切換位置通過時のピストン速度は、Ｖ_１１＝−Ｖ_２である。よって、その時のピストン運動エネルギＥ_１１は、以下の式（６）となる。

更に、Ｌ_２ｂだけ前進後のピストン運動エネルギＥ_１２は、以下の式（７）となる。

式（７）は式（５）に等しい。すなわち、増速ピストン４１０と一体なった状態のピストン２００が前進行程で増速ピストン４１０と離れる際のピストン運動エネルギＥ_１２´は、増速ピストンなしのピストンが前進行程で同じ位置を通過する際のピストン運動エネルギＥ_１２と等しい。つまり、ピストン速度が変わらないことが分かる。
改めて、増速ピストンありを増速ピストンなしと比較すると、増速ピストンありの場合、ピストン２００との衝突位置に関わらず、増速ピストン４１０が後退行程でピストン運動エネルギを減少させる仕事Ｅ_Ｂと、逆に、前進行程でピストン運動エネルギを増加させる仕事Ｅ_Ｆは向きが異なるだけで絶対値が等しい。つまり、
｜Ｅ_Ｂ｜＝｜Ｅ_Ｆ｜＝Ｓ_ｂＰ_Ｗ（Ｌ_２ｂ＋Ｌ_３ｂ）
したがって、これらは相殺される。すなわち、増速ピストン４１０と当接前後のピストン２００の運動エネルギは、増速ピストンなしの場合と何ら変わらないことになる。

（２）打撃サイクル計算式について
図４において、各行程の所要時間を求める。まず、後退行程Ｌ_２１区間のピストン２００に作用する力積と運動量変化の関係は、以下の式（８）となる。

また、仕事と運動エネルギの関係は、以下の式（９）、（１０）となる。

式(８)に式(１０)を代入し、後退行程Ｌ_２１区間の所要時間Ｔ_２１は、以下の式（１１）となる。

次に、後退行程Ｌ_２ｂ区間のピストン２００に作用する力積と運動量変化の関係は、以下の式（１２）となる。

また、仕事と運動エネルギの関係は、以下の式（１３）、（１４）となる。

式（１２）に式（１０）、（１４）を代入すると、後退行程Ｌ_２ｂ区間の所要時間Ｔ_２ｂは、以下の式（１５）となる。

次に、後退行程Ｌ_３ｂ区間のピストン２００に作用する力積と運動量変化の関係は、以下の式（１６）となる。

式（１６）に式（１４）を代入すると、後退行程Ｌ_３ｂ区間の所要時間Ｔ_３ｂは、以下の式（１７）となる。

次に、前進行程Ｌ_３ｂ＋Ｌ_２ｂ（すなわち、図３におけるＬ_ｂ）区間のピストン２００に作用する力積と運動量変化の関係は、以下の式（１８）となる。

また、仕事と運動エネルギの関係は、以下の式（１９）、（２０）となる。

式（１８）に式（２０）を代入すると、前進行程Ｌ_３ｂ＋Ｌ_２ｂ区間の所要時間Ｔ_１ｂは、以下の式（２１）となる。

最後に、前進行程Ｌ_２１区間に作用する力積と運動量変化の関係は、以下の式（２２）となる。

仕事と運動エネルギの関係は、以下の式（２３）、（２４）となる。

式（２２）に式（２０）、（２４）を代入すると、前進行程Ｌ_２１区間の所要時間Ｔ_２１は、以下の式（２５）となる。

１打撃サイクルＴ_ｃは、式（１１）、（１５）、（１７）、（２１）、（２５）を合算し、以下の式（２６）となる。

式（２６）から分かる通り、１打撃サイクルＴ_ｃは、打撃圧、ピストン質量、前後室受圧面積、ピストンストローク、バルブ切換位置、更には、増速ピストン４１０の受圧面積、および衝突位置の関数である。
実際に幾つかの異なる仕様のピストン２００・増速ピストン４１０の組合せに対し、当接位置を変えて打撃数を計算し、衝突位置と打撃数の関係に着目すると、総じて当接するタイミングをバルブ切換タイミングよりも早くすればするほど（言い換えれば、当接位置をバルブ切換位置より前に移動するほど）打撃数は上昇するが、あるタイミング・位置でピークを迎え、それを超えると逆に打撃数が減少する傾向にある。打撃数の変化率やピークを迎える位置は、ピストン２００の仕様、即ち前後室受圧面積の関係や増速ピストン４１０の受圧面積により変化する。

図５は、ピストン２００および増速ピストン４１０の仕様を変更することなしに、ピストン２００と増速ピストン４１０の当接位置を図３を基準として前後に変更した場合を示している。
図５からわかるように、当接位置Ｌ_２１を、Ｌ_２１０およびＬ_２１１に変更すると、当接時のピストン速度は、Ｖ_２１からＶ_２１０とＶ_２１１へと変化し、バルブ切換までのストロークＬ_２ｂは、Ｌ_２ｂ０とＬ_２ｂ１へと変化する。また、ピストン２００が増速ピストン４１０から離れる際のピストン速度Ｖ_１２は、Ｖ_１２０とＶ_１２１へと変化する。しかし、いずれの場合も、その後のストローク速度線図は、増速ピストンなしの場合と同じ軌跡を描く。そのため、ピストン打撃速度Ｖ_１は一定である。

図６は、ピストン２００と増速ピストン４１０の当接位置Ｌ_２１を一定とし、ピストン２００と増速ピストン４１０の仕様を、図３を基準として変更した場合を示している。
図６からわかるように、ピストン後退時の推力に対して増速ピストン４１０の推力を増減すると、バルブ後退切替時のピストン速度は、Ｖ_２ｂからＶ_２ｂ´とＶ_２ｂ"へと変化し、バルブ後退切換え位置からピストン後死点までのストロークＬ_３ｂは、Ｌ_３ｂ´とＬ_３ｂ"へと変化する。しかし、いずれの場合も、増速ピストン４１０が離れて以降のストローク速度線図は、同じ軌跡を描く。そのため、ピストン打撃速度Ｖ_１は一定である。

このように、本実施形態の液圧式打撃装置によれば、ショートストローク化が可能である。そして、このショートストローク化は、高圧アキュムレータ１４０よる運動エネルギの回収・放出によって行われるので追加の動力は必要としない。
また、本実施形態の液圧式打撃装置では、ショートストローク化してもピストン２００がロッド３１０を打撃する際のピストン打撃速度Ｖ_１は変化しない。そのため、１打撃当たりの打撃エネルギを減ずることなく打撃数を増加させるので、打撃機構の高出力化が可能となる。

さらに、本実施形態の液圧式打撃装置では、ピストン制御ポート等の油圧回路配置を変更することなしにショートストローク化を可能とするものであり、シール長の減少による効率の低下はない。ストローク短縮量は、ピストン２００と増速ピストン４１０との当接位置およびピストン２００の後退推力と増速ピストン４１０の推力の関係によって柔軟に設定することが可能であり、例えば、増速ピストン４１０の小径部の長さを伸長・短縮することや、増速ピストン４１０の受圧面積を増減することで容易に制御が可能である。
以上、本発明の一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。

例えば、ピストン２００は、中実に限定されず、ピストン２００の軸心部に貫通穴または止まり穴が形成されていてもよい。また、ピストン２００の前後の大径部は、同じ外径ではなく径差を設けてもよい。さらに、増速ピストン４１０の小径部の外径を、ピストン中径部の外径と揃えなくてもよい。
また、上記実施形態に係る液圧式打撃装置は、ピストン前室を常時高圧とするとともに、ピストン後室を高低圧に切り替えてピストン２００を前進後退させる、いわゆる「後室高低圧切換え式」の液圧式打撃装置を例に説明したが、これに限定されない。

つまり、本発明に係る液圧式打撃装置は、ピストン前室とピストン後室をそれぞれ交互に高圧と低圧とに切り替えてピストンを前進後退させる、いわゆる「前後室高低圧切換え式」の液圧式打撃装置にも適用可能であり、また、ピストン後室を常時高圧とするとともに、ピストン前室を高圧と低圧とに切り替えてピストンを前進後退させる、いわゆる「前室高低圧切換え式」の液圧式打撃装置にも適用可能である。
また、例えば上記第一実施形態では、ピストン２００が前進に転じた直後、高圧アキュムレータ１４０に蓄圧された圧油が加圧通路４０４を介して加圧室４０２へと速やかに供給され、これにより、ピストン２００が増速ピストン４１０によって強力に付勢されて速やかに加速する例を示したが、これに限定されず、例えば、図７に第二実施形態を示すように、増速ピストン４１０専用の付勢アキュムレータ１４２を更に備える構成とすることができる。

つまり、この第二実施形態は、同図に示すように、上記第一実施形態の構成に対し、増速ピストン４１０専用の付勢アキュムレータ１４２を加圧通路４０４’に備える点が相違する。この付勢アキュムレータ１４２は、加圧通路４０４’に対して加圧室４０２の近傍の位置に介装される。
第二実施形態の構成であれば、付勢アキュムレータ１４２を加圧室４０２の近傍に配置することで、アキュムレータの利用効率を高め、また、切換弁機構１３０の作動への影響を抑制するとともに、増速ピストン４１０の作動の一層の安定化を図ることができる。

つまり、本発明は、ピストン２００が、その後退工程中に増速ピストン４１０に当接し、ピストン２００に作用する圧油による制動力と増速ピストン４１０に作用する前方への推力とが協働してピストン２００を前方へと付勢することで、ピストンストロークを短縮するというものであるが、ピストン２００が増速ピストン４１０に当接する際は衝撃を伴うものであり、すなわち、両者が衝突することは避けられない。
ここで、図１に示す、第一実施形態の液圧式打撃装置において、ピストン２００が後退して増速ピストン４１０に衝突すると、その衝撃は加圧室４０２の圧油を介して加圧通路４０４に伝搬して切換弁機構１３０へ達するところ、切換弁機構１３０に圧油の衝撃が作用すると切換弁機構１３０の作動が不安定となるおそれがある。

これに対して、図７に示す第二実施形態では、ピストン２００と増速ピストン４１０とが衝突して加圧室４０２の圧油に衝撃が伝搬しても、付勢アキュムレータ１４２によって緩衝されるので、切換弁機構１３０の作動に悪影響を及ぼすことはない。また、付勢アキュムレータ１４２は、加圧室４０２に近接して設けられているのでアキュムレータの利用効率が高い。
ここで、全ての油圧回路において、通路面積が大きいほど圧力損失が少なくなり油圧効率が向上するところ、図１に示す、第一実施形態液圧式打撃装置において、高圧通路１２１とピストン後室１１１の受圧面積の関係と加圧通路４０４と加圧室４０２の受圧面積の関係に着目すると、仮に、高圧通路１２１と加圧通路４０４の通路面積を同じに設定すると、受圧面積に対する通路面積は加圧通路４０４側の方が小さいことが見て取れる。受圧面積に対して通路面積が小さいということは圧力損失が大きいということであり、すなわち、高圧通路１２１に対して加圧通路４０４は相対的に圧力損失が大きいといえる。

このように、増速ピストン４１０側の圧力損失が相対的に大きいことから、ピストン２００と増速ピストン４１０が一体となって前進する局面では、本発明の増速作用が充分に発揮されないおそれがあるが、その対策として通路面積を大きくすることはコスト的にもレイアウト的にも限界がある。そこで、第二実施形態において、加圧室４０２と高圧回路１０１を接続する加圧通路４０４´に、さらに、付勢アキュムレータ１４２の上流側（すなわち、圧油の供給源であるポンプＰ側）に、加圧室４０２側への圧油の供給のみを許容する方向規制手段として逆止弁を設けることは好ましい。

このような構成であれば、方向規制手段によって付勢アキュムレータ１４２の利用効率が飛躍的に高まるので、本発明の増速作用を発揮されるための圧油の供給源として付勢アキュムレータ１４２がその役割を担う上でより好ましい。つまり、加圧通路４０４´は圧力損失を考慮する必要がなくなり通路面積を小さく設定できる。また、方向規制手段によって付勢アキュムレータ１４２の利用効率が向上するので、前述した加圧室４０２内の圧油の衝撃緩衝作用も効果的に行われる。
なお、方向規制手段として逆止弁を例に説明したが、逆止弁に代えて絞りを採用しても同様の作用効果を得ることができる。すなわち、絞りで発生する抵抗は、通過する圧油の流速の二乗に比例することから、加圧室４０２へと流入する場合と、増速ピストン４１０の後退に伴い加圧室４０２からポンプＰへと流出する場合とでは、流出する方が過剰に大きい値となる。したがって、絞りは加圧室４０２への圧油の供給を許容するとともに逆方向への圧油の移動を規制する際、流出する方が過剰に大きい値となるため、加圧室４０２側への圧油の供給のみを許容する方向規制手段として機能する。

１００ シリンダ
１０１ 高圧回路
１０２ 低圧回路
１１０ ピストン前室
１１１ ピストン後室
１１２ ピストン前進制御ポート
１１３ ピストン後退制御ポート
１１４ 排油ポート
１２０ ピストン前室通路
１２１ ピストン後室通路
１２２ バルブ制御通路
１２３ 排油通路
１３０ 切換弁機構
１４０ 高圧アキュムレータ
１４１ 低圧アキュムレータ
１４２ 付勢アキュムレータ
２００ ピストン
２０１ 大径部（前）
２０２ 大径部（後）
２０３ 中径部
２０４ 小径部
２０５ バルブ切換溝
３００ フロントヘッド
３０１ 打撃室
３１０ ロッド
４００ バックヘッド
４０１ 後退室
４０２ 加圧室
４０３ 端面
４０４ 加圧通路
４１０ 増速ピストン（付勢手段）
４１１ 小径部
４１２ 大径部
４１３ 段付面
Ｐ ポンプ
Ｔ タンク

Claims (5)

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、該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、前記ピストン前室および前記ピストン後室の少なくとも一方を高圧回路および低圧回路の少なくとも一方に切換えて前記ピストンを駆動する切換弁機構と、
   前記シリンダの前記ピストン前室と前記ピストン後室との間に配設され、前記ピストンの前後進動によって前記高圧回路と前記低圧回路とに接断されるピストン制御ポートとを備え、前記切換弁機構を前記ピストン制御ポートから給排される圧油によって駆動する液圧式打撃装置であって、
   前記ピストンの後方に設けられて前記ピストンにピストン後退行程の途中で当接して前記ピストンを前方へと付勢する付勢手段を備え、
   前記付勢手段は、当該付勢手段と前記ピストンとが当接を開始するタイミングが、前記ピストンが前記切換弁機構によって制動を受けるタイミングよりも早く設定されていることを特徴とする液圧式打撃装置。
2. 前記付勢手段は、前記高圧回路から供給される圧油によって推力が発生する増速ピストンである請求項１に記載の液圧式打撃装置。
3. 前記高圧回路には、高圧回路用の高圧アキュムレータが介装されており、
   前記増速ピストンは、前記ピストンの後方に設けられた加圧室内に摺嵌され、
   前記加圧室は、前記高圧アキュムレータが介装された位置よりも下流側の位置で前記高圧回路に接続された加圧通路を介して前記高圧回路からの圧油が供給されるように構成されている請求項２に記載の液圧式打撃装置。
4. 前記加圧通路には、前記加圧室の近傍の位置に、増速ピストン用の付勢アキュムレータが介装されている請求項３に記載の液圧式打撃装置。
5. 前記加圧通路に、前記付勢アキュムレータよりも圧油供給源側であり、かつ、前記付勢アキュムレータに近接する位置に、前記加圧室への圧油の供給を許容するとともに逆方向への圧油の移動を規制する方向規制手段を更に備える請求項４に記載の液圧式打撃装置。

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