油圧式ロッカーブレーカーの作動原理の分析

2.2 油圧式ロッカーブレーカーの作動原理の分析

油圧式ロッカーブレーカーには多くの構造形式が存在する。作動原理に着目し、著者らは油圧式ロッカーブレーカーの最も基本的かつ最も重要な概念を抽象化・要約し、純油圧式、油圧・空気圧複合式、窒素爆発式という3つの基本作動モードに整理した。

2.2.1 純油圧式作動原理

純粋な油圧作動原理には、3つの実装形態がある：前室定圧／後室変圧（略称：「前室定圧原理」）、後室定圧／前室変圧（略称：「後室定圧原理」）、および前室・後室ともに変圧（略称：「変圧原理」）。

(1) 前室定圧原理

これは、油圧式ロッカーブレーカーの開発初期に最初に採用された作動原理であり、その後のすべての技術的進歩は、この原理を基盤として発展してきた。前室定圧型油圧式ロッカーブレーカーを図2-1に示す。

図2-1から、このシステムはシリンダ本体、ピストン、制御バルブ、および油路で構成されています。シリンダ本体とピストンは衝撃機構を構成します。ピストンは、油圧油によってシリンダ本体内を往復運動し、外部に衝撃エネルギーを出力するとともに、対象物に大きな衝撃力を付与してハンマー効果を発揮します。制御バルブの機能は、ピストンを駆動する油の流れを反転させることにより、ピストンの周期的な往復運動を実現することです。

図2-1に示す油圧式ロッカーブレーカーでは、ピストンが衝撃点に位置しており、バルブスプールは動力行程から復帰行程への切り替えを直後に完了した位置にあります。この瞬間、高圧油がバルブの常時高圧ポートを通じてシリンダの常時高圧室（室 a ）に流入し、ピストンを復帰行程（右方向）で駆動します。ピストンの可変圧力室（室 b について ）はポート4およびバルブの可変圧力／返油ポートを通じてタンクに戻されます。ピストンが後退して、その前端肩部がシリンダ本体のポート2を通過すると、高圧油がプッシュバルブのポート5に導かれ、これによりバルブが（左側へ）切り替わります。このとき、バルブの定圧室が中間の可変圧力室と接続されるため、高圧油がピストンの後方室に流入します。 b について ポート4を通じて流入します。現在、ピストンの両側とも高圧油の作用下にありますが、後方室の圧力受面積は前方室のそれよりも大きいことから、 b について 前方室のそれよりも大きいことから、 a ピストンは復帰行程で減速を始め、その速度がゼロにまで低下した後、動力行程（左方向）を開始します。ピストンの中央凹部がポート2およびポート3を接続した瞬間、ピストンはちょうど衝撃点に到達し、1サイクルが完了します。同時に、プッシュバルブのポート5が復帰油路と接続されるため、スプールは右側へ切り替わり、図2-1に示す位置に戻り、1完全サイクルが終了し、次のピストン復帰行程の準備が整います。このようにして、ピストンは連続的な衝撃を実現し、継続的に衝撃エネルギーを出力します。空気室 c この作動原理において、空気室は大気開放されます。

（2）後方室定圧原理

この作動原理は、ピストン前方室の圧力受面積が a 後方室の圧力受面積よりも大きいという条件のもとでのみ実現可能であることに注意する必要があります。 b について つまり、ピストンの前方室径は後方室径よりも小さいということです（ d ₁ > d ₂).

図2-2は、後室が定圧／前室が可変圧の油圧式ロッカーブレーカーの模式図を示す。

図2-1と比較すると、唯一の違いは、シリンダ本体のポート1が定圧（高圧）チャンバーではなく、バルブの可変圧チャンバーに接続されている点、およびポート4がバルブの定圧チャンバーに直接接続されている点である。その他の油路はすべて同一である。図2-2は、ピストンの動力行程がちょうど終了し、バルブの切り替えがすでに完了した瞬間、すなわち復帰行程が始まる直前の状態を示している。

この原理の動作特性は、油圧式ロッカーブレーカーが復帰行程中に油を排出しない一方で、動力行程中に油を排出すること、および前室の圧力受面積 a 後方室の圧力受面積よりも大きいという条件のもとでのみ実現可能であることに注意する必要があります。 b について 動力行程の放電時間が短く、流量が大きいため、この原理による油圧損失は、前室定圧原理によるものよりも大きい。現在、ほとんどの油圧式ロッカーブレーカーはこの原理を採用していない。

(3) 前後室変圧原理

前後室変圧原理を図2-3に示す。この模式図から容易に理解できるように、この種の油圧衝撃装置は構造が複雑で通路が多く、製造コストが増加する。そのため、現在の油圧式ロッカーブレーカーでは採用されておらず、一部のブランドの油圧式ロッカードリルではまだ使用されている。

図2-3には、ピストンの動力行程終了時および復帰行程開始時の位置が示されている。復帰行程が始まる際、バルブの中間室からの高圧油が左室およびシリンダーポート1を通ってピストン前室に入り、ピストンを右方向に押し出す。 a 後室の油 b について シリンダーポート5およびバルブの右側室を介してオイルタンクに排出される。復帰行程中、ピストンの左肩がシリンダー本体のポート2を通過すると、ポート7を介した高圧油がバルブスプールを右方向に押し、スプールが切り替わる。これにより、シリンダー本体の供給油路および排出油路が瞬時に切り替わり——シリンダーポート5が高圧になり、シリンダーポート1がタンクへ戻る——ピストンは減速を開始し、その速度は急速にゼロまで低下して、次に動力行程による加速へと移行する。ピストンの動力行程が衝撃点に達すると、ピストン中央の凹部がシリンダーポート2および3を接続し、ポート4および5も接続される。また、バルブスプールの左側はポート7を介してポート2および3に接続され、オイルが戻るようになり、バルブスプールの右側ポート6はポート4および5、バルブの右側および中間室を経由して高圧に接続されるため、スプールは左方向に切り替わり、シリンダーの供給油路および排出油路が変更されて、ピストンの1作動サイクルが完了する。油圧式インパクト装置のピストンおよびスプールは、図2-3に示す状態——すなわち復帰行程の開始状態——へと復帰する。このように、油圧式ロッカーブレーカーはピストンの連続的な往復運動によって、外部へ継続的に衝撃エネルギーを出力し、効果的に衝撃作業を遂行する。

上記で説明した3種類の純粋な油圧作動原理は、現在すべて油圧式ロックスドリル、油圧式ロッカブレーカーおよびその他の油圧式衝撃機構に採用されていますが、油圧式ロッカブレーカーでは、依然として油圧・空気圧複合作動原理がより広く用いられています。

2.2.2 油圧・空気圧複合作動原理

純粋な油圧作動原理の分析から、純粋な油圧式衝撃機構におけるすべての衝撃エネルギーは油圧によって供給されることを確認できます。しかし、純粋な油圧式ロッカブレーカーの使用が増加し、関連研究が進展するにつれて、油圧損失が非常に大きくなることが明らかになり、これによりさらなる効率向上が制限されることが判明しました。シリンダ本体内部の通路を流れる油は、管壁と摩擦を生じるほか、曲がり部、断面積の変化、流れの方向転換などによって引き起こされる油圧損失も相当程度に及びます。特に流量が大きいほど損失は大きくなり、動力行程中にはこの現象が特に顕著になります。

現在、大規模な衝撃エネルギーと低周波数を要する油圧式ロッカーブレーカーおよび油圧式杭打機では、主に油圧・空気圧複合作動原理が採用されています。

効率を向上させるため、広範な研究の結果、人々はシンプルかつ効果的な方法を発見しました。すなわち、油圧式ロッカーブレーカーの衝撃エネルギーを供給するために、ガスと油を併用する方法です。これにより、動力行程中に必要な流量が減少し、油圧損失が低減され、作業効率が向上します。このため、油圧・空気圧複合型油圧式ロッカーブレーカーが登場しました。

油圧・空気圧複合型油圧式ロッカーブレーカーの構造原理は極めて単純で、空気室に空気を充填するだけです。 c 上記の3つの純粋な油圧原理において、一定の圧力で窒素を封入したものである。窒素が存在するため、ピストンが復帰行程を行う際に、窒素が圧縮されてエネルギーが蓄積される。そして、作動行程（パワーストローク）が発生すると、このエネルギーが油とともに放出され、ピストンを駆動して衝撃点における運動エネルギーを生み出し、それを衝撃エネルギーに変換する。明らかに、窒素の役割により、作動行程中に使用される油量が必然的に削減され、油消費量が減少することで、油圧損失の低減と効率の向上が達成される。

純粋な油圧式ロッカーブレーカーと比較して、ピストン後方室の有効圧力負荷面積 b について 油圧・空気圧複合式油圧ロッカーブレーカーでは、有効な圧力受圧面積が縮小される。この有効圧力受圧面積の縮小により、動力ストローク時の油消費量が減少し、油圧損失も低減される——これが、近年油圧・空気圧複合式油圧ロッカーブレーカーが急速に発展した主な理由である。油圧・空気圧複合式油圧ロッカーブレーカーはほぼすべて、前室定圧作動原理を採用しており、これもまた油圧・空気圧複合式の重要な特徴である。

2.2.3 窒素爆発式作動原理

窒素爆発式油圧ロッカーブレーカーの作動原理は、油圧・空気圧複合式油圧ロッカーブレーカーと根本的に異なるものではなく、ピストンの構造的パラメータが単に異なるだけである。主な相違点は、前室および後室のピストン径が等しいこと、すなわち d ₂ = d ₁であり、すべての衝撃エネルギーが窒素によって供給されることである。

前後ピストン径が等しいことが、窒素爆発式油圧ロッカブレイカーの主な特徴です。動力行程中、後方チャンバーは油を消費しないため、すべての衝撃エネルギーを窒素から供給できます。もちろん、この窒素に蓄えられたエネルギーは、復帰行程中に油圧によって供給され、動力行程におけるピストンの運動エネルギーへと変換されます。したがって、最終的には依然として油圧エネルギーが変換されるのですが、その過程では気体（窒素）を介した圧縮およびエネルギー蓄積が行われ、動力行程中に蓄えられた窒素エネルギーが放出されて、ピストンの機械的エネルギーへと変換されるのです。

指摘すべき点として、窒素爆発式油圧ロッカブレイカーには、フロントチャンバー定圧方式のみを適用可能であり、リアチャンバー定圧方式やフロント・リアチャンバー変圧方式は、いずれも窒素式油圧ロッカブレイカーには適用できない。その理由は、ピストンの特性を理解すれば明確となる。 d ₂ = d ₁.