JPWO2018207316A1 - シール構造 - Google Patents

Abstract

シール材の寿命を向上させることができるシール構造を提供する。シール材（１０）は、軸（２０）と筐体（３０）との間の摺動隙間におけるシール溝（３１）に配置される。シール材（１０）は、外周面（４０）、湾曲形状の内周面（４１）、設置面（４２）および上側面（４３）を含む。設置面（４２）は、上側面（４３）に向かって窪む形状を有している。上側面（４３）は、設置面（４２）に向かって窪む形状を有している。シール材（１０）の径方向に直交する方向に平行であってシール材の中心線を通る仮想平面におけるシール材（１０）の断面において、シール材の中心線が延びる方向における、設置面（４２）と上側面（４３）との間の長さのうち最も長いものをＨ［ｍｍ］、設置面（４２）と上側面（４３）との間の長さのうち最も短いものをｈ［ｍｍ］とした場合、０．７５５≦ｈ／Ｈ≦０．７６９を満たす。

Description

本発明は、掘削機におけるビット取付軸とビットとの間に設けられるシール構造に関する。

掘削機において、ビット用のシール材の寿命を向上させる技術が、たとえば、米国特許出願公開第２００８／０１１５１８号明細書（特許文献１）、米国特許出願公開第２０１２／３１２６０２号明細書（特許文献２）、中国特許出願公開第１０１６２９４７５号明細書（特許文献３）、中国特許出願公開第１０２７４７９６１号明細書（特許文献４）、中国特許出願公開第１０２７４７９６２号明細書（特許文献５）、および中国実用新案公告第２０１７８６２６２号明細書（特許文献６）に開示されている。

米国特許出願公開第２００８／０１１５１８号明細書 米国特許出願公開第２０１２／３１２６０２号明細書 中国特許出願公開第１０１６２９４７５号明細書 中国特許出願公開第１０２７４７９６１号明細書 中国特許出願公開第１０２７４７９６２号明細書 中国実用新案公告第２０１７８６２６２号明細書

上記各文献に開示されるシール構造において、潤滑性および耐摩耗性等を向上させ、シール材の寿命向上を図っているが、シール材のさらなる高寿命化が求められている。

本発明の目的は、シール材の寿命を向上させることができるシール構造を提供することである。

本発明に係るシール構造は、環状のシール材を備える。シール材は、軸と筐体との間の摺動隙間において筐体に設けられるシール溝に配置される。シール材は、高圧側と低圧側とを仕切る。筐体に設けられるシール溝は、低圧側面部、溝底部、および高圧側面部を有する。低圧側面部は、シール溝の低圧側の側面を構成する。低圧側面部は、軸の軸方向に平行であって軸の中心線を通る仮想平面におけるシール構造の断面において、軸方向に直交する方向に沿って延びる。溝底部は、シール溝の底面を構成する。溝底部は、上記シール溝の断面において軸方向に沿って延びる。高圧側面部は、シール溝の高圧側の側面を構成する。高圧側面部は、上記シール溝の断面において軸方向に直交する方向に沿って延びる。シール材は、溝底部と対向する外周面、軸と対向し軸に向かって突出する湾曲形状の内周面、低圧側面部と対向する設置面、および高圧側面部に対向する上側面を含む。設置面は、上側面に向かって窪む形状を有する。上側面は、設置面に向かって窪む形状を有する。シール材の径方向に直交する方向に平行であってシール材の中心線を通る仮想平面におけるシール材の断面において、シール材の中心線が延びる方向における、設置面と上側面との間の長さのうち最も長いものをＨ［ｍｍ］とし、シール材の中心線が延びる方向における、設置面と上側面との間の長さのうち最も短いものをｈ［ｍｍ］とした場合、０．７５５≦ｈ／Ｈ≦０．７６９を満たす。

上記のシール構造によると、軸とシール材との間の摺動熱を抑制することができる。これにより、シール材の寿命を向上させることができる。

上記のシール構造において、Ｈおよびｈを用いて算出されるＨ−ｈが、０．９≦Ｈ−ｈ≦１．２を満たす。これにより、軸とシール材との間の摺動熱を抑制することができる。

上記のシール構造において、Ｈが、３．９≦Ｈ≦４．９を満たす。これにより、軸とシール材との間の摺動熱を抑制することができる。

上記のシール構造において、上記シール材の断面における内周面と外周面との間の長さのうち最も長いものをＷ１［ｍｍ］とし、上記シール構造の断面における溝底部から軸までの長さをＷ［ｍｍ］とした場合、０．８７７≦Ｗ／Ｗ１≦０．８８０を満たす。これにより、シール性を向上させることができる。

上記のシール構造において、Ｗ１およびＷを用いて算出されるＷ１ーＷが、０．７５≦Ｗ１ーＷ≦０．８０を満たす。これにより、シール性を向上させることができる。

上記のシール構造において、上記シール材の断面におけるシール材は、径方向に沿って延びる第２の中心線に関して対称な形状を有している。これにより、生産性を向上させることができる。

本発明によれば、シール材の寿命を向上させることができるシール構造を実現することができる。

掘削機におけるビットとビット取付軸とを示す断面図である。 実施の形態に従うシール溝に設けられるシール材の平面図である。 図２に示すシール材の側面図である。 図２に示すＡ−Ａ線に沿うシール材の断面図である。 シール構造の断面を示した概略図である。 高圧側からシール材に圧力が負荷されている状態を示す概略図である。 実施の形態に従うシール溝および軸の各寸法を示す概略図である。 実施の形態に従うシール材の各寸法を示す概略図である。 各種のシール材に対する評価結果を示す表である。

以下、図面に基づいて、実施の形態におけるシール構造について説明する。以下に示す実施の形態において、同一または実質的に同一の構成については、同一の符号を付して、重複した説明は繰り返さない。

（ビット２）
図１を参照して、本実施の形態におけるシール構造１が採用される掘削機の先端に設けられるビット２とビット取付軸３Ａについて説明する。図１は、掘削機におけるビット２とビット取付軸３Ａとを示す断面図である。ビット取付ベース３に設けられたビット取付軸３Ａに、ビット２が高速回転可能に装着されている。ビット２には、筒状の挿入孔９が設けられている。挿入孔９には、球状ベアリング６が設けられている。ビット取付軸３Ａは、球状ベアリング６に挿入されている。挿入孔９とビット取付軸３Ａとの間には、潤滑油４，５が保持されている。

ビット取付軸３Ａの根本近傍領域においては、ビット２の挿入孔９の内周面に環状に設けられ、シール材１０が配置されるシール溝３１が設けられている。

ビット２には、泥水の流力を動力としてビット２を回転中心軸ＣＬ１を中心軸として回転させる、いわゆるダウンホール・モーター（マッド・モーター）機構が採用されている。

たとえばビット取付軸３Ａの直径がφ５５ｍｍ程度の場合、ビット２の回転領域は、低速域回転（１００〜２００ｒｐｍ）、中速域回転（２００〜５００ｒｐｍ）、および、高速域回転（５００ｒｐｍ以上）に分けることができる。本実施の形態においては、中速域回転用（２００〜５００ｒｐｍ）の構成を採用した場合を想定している。

（シール構造１）
図２は、実施の形態に従うシール溝３１に設けられるシール材１０の平面図である。図３は、図２に示すシール材１０の側面図である。図４は、図２に示すＡ−Ａ線に沿うシール材１０の断面図である。図２から図４を参照しシール材１０について説明する。

シール材１０は、環状の形状を有している。シール材１０は、厚み方向ＤＲ３において所定の厚みを有する。図４に示すＡ−Ａ線に沿う断面図は、シール材１０の径方向ＤＲ２に直交する方向（厚み方向ＤＲ３）に平行であって、シール材１０の中心線Ｃ１を通る仮想平面における断面図である。

Ａ−Ａ線に沿うシール材１０の断面は、径方向ＤＲ２に沿って延びる第２の中心線Ｃ２に関して対称な形状である。シール材１０が第２の中心線Ｃ２に関して対称な形状であることにより、シール溝３１への組み付け向きを間違えることはなく、生産性を向上させることができる。従って、製造コストを抑制することができる。

シール材１０は、外周面４０、内周面４１、設置面４２および上側面４３を含む。外周面４０は、環状のシール材１０の外周面を構成している。外周面４０および内周面４１は対向している。外周面４０は、内周面４１から離れる方向に突出する。外周面４０は、湾曲形状である。図４に示すＡ−Ａ線に沿う外周面４０の断面は、円弧状である。

内周面４１は、環状のシール材１０の内周面を構成している。内周面４１は、外周面４０から離れる方向に突出する。内周面４１は、湾曲形状である。図４に示すＡ−Ａ線に沿う内周面４１の断面は、円弧状である。

設置面４２および上側面４３は、対向している。設置面４２は、上側面４３に向かって窪む形状を有している。上側面４３は、設置面４２に向かって窪む形状を有している。設置面４２および上側面４３が窪んでいることにより、図４に示す径方向ＤＲ２において、Ａ−Ａ線に沿うシール材１０の断面の中心Ｃに近づくほど、厚み方向ＤＲ３におけるシール材１０の厚みが小さくなっている。

シール材１０は、たとえば水素添加ニトリルゴム（ＨＮＢＲ）で構成される。シール材１０には、ＨＮＢＲ以外にも、エラストマー材料にナノ材料を混合しエラストマー自体の特性を向上させた材料を用いてもよい。シール材１０のショアＡ硬さは、たとえば９０である。

実施の形態におけるシール材１０は、後述する軸２０と筐体３０との間の摺動隙間において、筐体３０に設けられたシール溝３１に配置される。

図５は、シール構造１の断面を示した概略図である。図５に示す断面は、軸方向ＤＲ１に平行であって軸２０の中心線Ｃ３を通る仮想平面におけるシール構造１の断面である。実施の形態において軸２０は、ビット取付軸３Ａである。実施の形態において筐体３０は、ビット２である。軸方向ＤＲ１は、軸２０が延びる方向であって、図５の紙面上における上下方向である。

軸２０と筐体３０との摺動隙間において、シール溝３１よりも上側が泥水および砂等が侵入しようとする高圧側、シール溝３１よりも下側が球状ベアリング６が配置されている低圧側である。シール材１０は、高圧側と低圧側とを仕切っている。シール材１０は、高圧側からの泥水および砂等の侵入を抑制し、球状ベアリング６の破損を抑制する。

筐体３０に設けられるシール溝３１は、低圧側面部３２、高圧側面部３４、および溝底部３３を有する。低圧側面部３２は、シール溝３１の低圧側の側面を構成する。低圧側面部３２は、上記シール構造１の断面において軸方向ＤＲ１に直交する方向に沿って延びる。高圧側面部３４は、シール溝３１の高圧側の側面を構成する。高圧側面部３４は、上記シール構造１の断面において軸方向ＤＲ１に直交する方向に沿って延びる。

溝底部３３は、シール溝３１の底面を構成する。溝底部３３は、軸方向ＤＲ１に沿って延びる。溝底部３３は、溝底部３３の一方の端部において、高圧側面部３４と繋がっている。溝底部３３は、溝底部３３の他方の端部において、低圧側面部３２と繋がっている。

シール材１０は、軸２０とシール溝３１との間に囲われるように配置される。シール材１０がシール溝３１に配置されている状態において、設置面４２は、低圧側面部３２と対向している。上側面４３は、高圧側面部３４と対向している。

外周面４０は、溝底部３３と対向している。外周面４０は、溝底部３３に押圧されている。内周面４１は、軸２０と対向している。内周面４１は、軸２０に押圧されている。内周面４１は、軸２０と接触する接触領域Ｓを有する。接触領域Ｓは、内周面４１が軸２０により押圧されることで形成される。

接触領域Ｓは、軸方向ＤＲ１において、接触領域Ｓの高圧側に最も近い位置に上端接触部１６を有する。接触領域Ｓは、軸方向ＤＲ１において、接触領域Ｓの低圧側に最も近い位置に下端接触部１７を有する。

図６は、高圧側からシール材１０に圧力が負荷されている状態を示す概略図である。上側面４３に圧力が負荷されることで（図６中の白抜き矢印）、設置面４２の窪んでいる部分が低圧側面部３２に接触するようにシール材１０全体が変形する。

これに伴い、図６中の矢印Ａに示すように内周面４１に曲げ変形が生じる。内周面４１の変形により、圧力が負荷される前の状態である図５と比較して接触領域Ｓが小さくなる。接触領域Ｓが小さくなることにより、軸２０とシール材１０との接触面積が小さくなるため、軸２０とシール材１０との間の摺動熱を抑制することができる。これにより、シール材１０の寿命を向上させることができる。

さらに、図６中の矢印Ａに示すように内周面４１が曲げ変形することにより、上端接触部１６付近における内周面４１は、軸２０から離れようとするため、上端接触部１６付近の面圧が小さくなる。これにより、高圧側から泥水が上端接触部１６付近に侵入する。

一方、内周面４１の曲げ変形により、下端接触部１７付近における内周面４１は、軸２０に押圧されるため、下端接触部１７付近の軸２０とシール材１０との面圧は大きくなる。図６の紙面上の下方向における上端接触部１６からの距離が一定以上になると、その位置以降において泥水等の侵入は抑制される。

接触領域Ｓにおける一定の位置まで泥水を侵入させることにより、シール材１０と軸２０との間の摺動性を向上させることができる。さらに、泥水によりシール材１０が冷却されるため、軸２０とシール材１０との間の摺動熱を抑制することができる。これにより、シール材１０の寿命を向上させることができる。

発明者は研究を進めていく中で、シール材１０の寸法とシール溝３１の寸法との関係がシール材１０の寿命に大きく影響を与えることを見出した。

図７は、実施の形態に従うシール溝３１および軸２０の各寸法を示す概略図である。図７に示す断面は、軸方向ＤＲ１に平行であって軸２０の中心線Ｃ３を通る仮想平面におけるシール構造１の断面である。溝底部３３から軸２０までの長さをＷ［ｍｍ］、溝底部３３の軸方向ＤＲ１における長さをＧ［ｍｍ］、軸２０の直径をＤ［ｍｍ］とする。

図８は、実施の形態に従うシール材１０の各寸法を示す概略図である。図８に示す断面は、シール材１０の径方向ＤＲ２に直交する方向（厚み方向ＤＲ３）に平行であってシール材１０の中心線Ｃ１を通る仮想平面におけるシール材１０の断面である。シール材１０の中心線Ｃ１が延びる方向（厚み方向ＤＲ３）における、設置面４２と上側面４３との間の長さのうち最も長いものをＨ［ｍｍ］、設置面４２と上側面４３との間の長さのうち最も短いものをｈ［ｍｍ］とする。内周面４１と外周面４０との間の長さのうち最も長いものをＷ１［ｍｍ］とする。

実施の形態に従うシール材１０において、寸法の異なる各種のシール材１０（後述する実施例１、実施例２、および比較例１）に対するシール材１０の発熱性、摩耗性、シール性、およびシール寿命について評価を実施した。良好レベルのものを「良」で、許容レベルのものを「可」で、不可レベルのものを「不可」で示している。

図９は、各種のシール材１０に対する評価結果を示す表である。実施例１、実施例２、および比較例１の全てにおいて、シール性に関して良好レベルとなっている。シール性に関しては、接触領域Ｓの大きさが関係している。接触領域Ｓが大きいほど、軸２０と内周面４１との接触面積は大きくなるため、シール性は良好となる。

接触領域Ｓの大きさは、シール材１０の寸法Ｈに関係している。寸法Ｈが大きくなるほど、接触領域Ｓは大きくなるため、シール性は向上する。実施例１、実施例２、および比較例１の全てにおいて、シール性が良好レベルであることにより、接触領域Ｓの大きさに関係する寸法Ｈの大きさは実施例１、実施例２、および比較例１の全てにおいて、十分に確保されているといえる。

ｈをＨで除したｈ／Ｈに着目すると、ｈ／Ｈ＝１の場合（比較例１）、上側面および設置面はそれぞれ窪んでいないため、シール材の厚みが小さくなる部分がない。これにより、上側面に圧力が負荷されてもシール材の内周面は図６の矢印Ａに示すように変形しない。

シール材の内周面が変形しないことで、接触領域が小さくならない。接触領域が小さくならないことで、軸とシール材との間に発生する摺動熱を抑制することができず、発熱性が「不可」となっている。その結果として、寿命が「不可」となっている。

実施例１および実施例２より、ｈ／Ｈが、０．７５５≦ｈ／Ｈ≦０．７６９の範囲内にあるときに、シール材１０のシール性を確保しつつシール材１０の寿命を向上できることがわかる。

また、Ｈおよびｈを用いて算出されるＨ−ｈが、０．９≦Ｈ−ｈ≦１．２の範囲内にあるときも、シール材１０のシール性を確保しつつシール材１０の寿命を向上できることがわかる。

実施例１および実施例２を比較すると、発熱性、摩耗性、および寿命の評価結果が実施例１のほうが良好である。接触領域Ｓが大きいほど、軸２０とシール材１０との間に発生する摺動熱は大きくなり、摩耗性も悪化するため、その結果、寿命も低下する。

実施例２におけるＨよりも実施例１におけるＨの方が小さいため、接触領域Ｓは、実施例１のほうが小さい。接触領域Ｓが小さいことにより、軸２０と内周面４１との接触面積が小さくなるため、実施例１におけるシール材１０の発熱性および摩耗性の評価結果が良好となっている。その結果として、実施例１におけるシール材１０の方が、寿命評価は良好となっている。

実施例１および実施例２より、Ｈが、３．９０≦Ｈ≦４．９０の範囲内にあるときに、シール材１０のシール性を確保しつつシール材１０の寿命を向上できることがわかる。

シール材１０がシール溝３１に配置される際、内周面４１が軸２０に押圧され、外周面４０が溝底部３３に押圧されることにより、シール材１０は圧縮してシール溝３１に配置されることになる。

図９に示すＷ／Ｗ１は、シール材１０がシール溝３１および軸２０によって圧縮される程度を表すパラメータである。シール材１０が圧縮されるほど軸２０とシール材１０との面圧は大きくなる。面圧が大きくなるとシール性が向上する一方で、摺動熱が大きくなるため寿命が悪化する。

図９より、Ｗ／Ｗ１が、０．８７７≦Ｗ／Ｗ１≦０．８８０の範囲内にあるときに、シール材１０のシール性を確保しつつシール材１０の寿命を向上できることがわかる。

また、Ｗ１およびＷを用いて算出されるＷ１ーＷが、０．７５≦Ｗ１ーＷ≦０．８０の範囲内にあるときに、シール材１０のシール性を確保しつつシール材１０の寿命を向上できることがわかる。

シール材１０の寸法およびシール溝３１の寸法を適正に設定することで、シール性を確保しつつ、シール材１０の寿命を向上させることができる、シール構造１を実現することができる。

実施の形態において、シール材１０は、第２の中心線Ｃ２に関して対称な形状であったが、対称でなくてもよい。また、設置面４２および上側面４３の窪みは、円弧状等に窪む形状であってもよい。

今回開示された実施の形態および実施例は全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

１ シール構造、１０ シール材、１６ 上端接触部、１７ 下端接触部、２０ 軸、３０ 筐体、３１ シール溝、３２ 低圧側面部、３３ 溝底部、３４ 高圧側面部、４０ 外周面、４１ 内周面、４２ 設置面、４３ 上側面、ＤＲ１ 軸方向、ＤＲ２ 径方向、ＤＲ３ 厚み方向、Ｃ 中心、Ｃ１，Ｃ３ 中心線、Ｃ２ 第２の中心線。

Claims (6)

1. 軸と筐体との間の摺動隙間において前記筐体に設けられるシール溝に配置され、高圧側と低圧側とを仕切る環状のシール材を備えるシール構造であって、
   前記軸の軸方向に平行であって前記軸の中心線を通る仮想平面における前記シール構造の断面において、前記筐体に設けられる前記シール溝は、前記シール溝の前記低圧側の側面を構成し前記軸方向に直交する方向に沿って延びる低圧側面部、前記シール溝の底面を構成し前記断面において前記軸方向に沿って延びる溝底部、および前記シール溝の前記高圧側の側面を構成し前記軸方向に直交する方向に沿って延びる高圧側面部を有し、
   前記シール材は、前記溝底部と対向する外周面、前記軸と対向し前記軸に向かって突出する湾曲形状の内周面、前記低圧側面部と対向する設置面、および前記高圧側面部に対向する上側面を含み、
   前記設置面は、前記上側面に向かって窪む形状を有し、
   前記上側面は、前記設置面に向かって窪む形状を有し、
   前記シール材の径方向に直交する方向に平行であって前記シール材の中心線を通る仮想平面における前記シール材の断面において、前記シール材の中心線が延びる方向における、前記設置面と前記上側面との間の長さのうち最も長いものをＨ［ｍｍ］とし、前記シール材の中心線が延びる方向における、前記設置面と前記上側面との間の長さのうち最も短いものをｈ［ｍｍ］とした場合、０．７５５≦ｈ／Ｈ≦０．７６９を満たす、シール構造。
2. 前記Ｈおよび前記ｈを用いて算出されるＨ−ｈが、０．９≦Ｈ−ｈ≦１．２を満たす、請求項１に記載のシール構造。
3. 前記Ｈが、３．９≦Ｈ≦４．９を満たす、請求項１または請求項２に記載のシール構造。
4. 前記シール材の断面において、前記内周面と前記外周面との間の長さのうち最も長いものをＷ１［ｍｍ］とし、前記シール構造の断面において、前記溝底部から前記軸までの長さをＷ［ｍｍ］とした場合、０．８７７≦Ｗ／Ｗ１≦０．８８０を満たす、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のシール構造。
5. 前記Ｗ１および前記Ｗを用いて算出されるＷ１−Ｗが、０．７５≦Ｗ１−Ｗ≦０．８０を満たす、請求項４に記載のシール構造。
6. 前記シール材の断面において、前記シール材は、前記径方向に沿って延びる第２の中心線に関して対称な形状を有している、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のシール構造。