基本的な技術仕様

2.1 基本技術仕様

2.1.1 液圧式ロッカーブレーカーの仕様

(1) 性能仕様

W について および衝撃周波数 f は、液圧式ロッカーブレーカーを特徴づける性能仕様である。 W について はブレーカーの作業能力を定義する； f はその作業速度を定義する。

液圧式ロッカーブレーカーの出力は、次式で表される：

N = W について × f                                           (2.1)

性能を特徴づける2つのパラメータ——衝撃エネルギーと衝撃周波数——は相互に連動しているため、液圧式ロッカーブレーカーを設計する際には、その比が W について 〜に至るまで f 慎重にバランスを取る必要があります。設置容量を最小限に抑えるという条件のもとで、最大の作業効率を達成する必要があります。油圧式ロッカーブレーカーでは、大きな衝撃エネルギーが要求され、 W について 衝撃周波数は f 適切に低減されるべきであり、高い衝撃力と優れた破砕効果を満たす必要があります。油圧式ロッカードリルにおいても、これは同様に油圧衝撃機構ですが、小さな衝撃エネルギーが要求され、 W について 可能な限り高い衝撃周波数が f 要求され、高速掘削の要件を満たす必要があります。

(2) 作業パラメータ

ピストン最大衝撃速度 v _m 、作業流量 Q 、作業圧力 p 、および最適押し付け力 F _T 油圧式ロッカーブレーカーの作動パラメータである。

● 最大ピストン衝撃速度 v _m ：これは、ピストンがチョーセルの先端部（テール）に衝突する際の瞬間的な接触速度である。このときのピストンの運動エネルギーは、油圧ハンマーの衝撃エネルギーとして定義される。 W について ピストンの運動エネルギーが対象物に完全に伝達された場合の油圧ハンマー衝撃エネルギーは、以下の通りである：

W について ＝ ½ 動画 ²_m                                            (2.2)

ただし： m — ピストン質量。

式(2.2)より、ピストン衝撃速度が高ければ高いほど、衝撃エネルギーも高くなる。

しかし、 v _m は以下の2つの要因により制限される：

1) ピストンおよびチョーセルの材料特性による制限。衝撃終了時の速度 v _m 接触応力に関係する σ ；値が大きいほど σ 、ピストンおよびチョーゼルの寿命への影響が大きくなります。許容接触応力内では σ 、一般的な選定値は v _m ＝9～12 m／sです。材料科学の進展に伴い、 v _m の値はさらに向上させることができます。

2) 衝撃機構の周波数限界。ピストンの構造および行程が制限されているため、固定されたピストン行程において所定の v _m に加速するのに要する時間は非常に短くなります。明らかに、 v _m が大きいほど、必要な加速時間が短くなります。

周波数が低いと、ピストンのサイクル時間および行程時間の両方が長くなり、周波数が高いと v _m 必然的にストロークおよびサイクル時間が短縮され、すなわち高衝撃周波数が生じる——これは低周波数設計要件を満たすことができない。

● 作動流量 Q ：油圧式ロッカーブレーカーが作動中に油圧ポンプから供給される流量。これは独立変数である。油圧式ロッカーブレーカーの動作特性および性能パラメーターはすべて作動流量と密接に関連しており、作動流量の関数である。つまり、作動流量が変化すると、これらのパラメーターも変化する。

● 作動圧力 p ：油圧式ロッカーブレーカーが作動している際に油圧システムが要求する圧力——すなわち、その性能パラメーターを達成するために必要なシステム圧力。作動圧力 p は従属変数であり、入力流量 Q および構造パラメーターの変化に応じて変化する。作動中、他のすべてのパラメーターが一定である場合、圧力 p は能動的に変更することはできない。作動圧力 p および入力流量 Q 油圧技術の基本原理——システム圧力は外部負荷によって決定される——を満たす。この原理に基づき、油圧式ロッカーブレーカーの設計とは、構造パラメータおよび作動流量を用いて、システムの作動圧力を確保することを意味する。 p が達成されること。

● 押し出し力 F _T 油圧ロッカーブレーカーが作動する際、動力行程におけるピストンの加速度により機体が反動を受けるため、チョーセルが対象物から離脱し、衝撃が正常に作用しなくなります。この反動を抑制するには、ブレーカー本体の軸方向に力を加える必要があります。この力を「押し付け力（プッシュフォース）」と呼びます。押し付け力は、チョーセルが打撃対象物と確実に接触した状態を維持できるだけ十分な大きさでなければなりません。また、この押し付け力は最適である必要があります。言い換えれば、「最適押し付け力」という課題があり、これはキャリアマシン（運搬機械）のサイズクラスと密接に関係しています。キャリアマシンが小さすぎると、供給可能な押し付け力が不足します。逆に大きすぎると、押し付け力の要件は満たされても、キャリアマシンの導入コストが増大し、これも望ましくありません。油圧ロッカーブレーカーの設計においては、小さな押し付け力で高い衝撃エネルギーを実現することが常に最適化の目標となっています。これにより、高衝撃エネルギー型の油圧ロッカーブレーカーを小型のキャリアマシンと組み合わせることが可能となり、効率的な作業コンビネーションを構築し、運用コストを削減できます。

(3) 構造パラメータ

3つのピストン直径 d ₁, d ₂および d ₃、作動質量 m 、および作動ストローク S は、油圧式ロッカーブレーカーの構造パラメータである。これらの構造パラメータは、性能パラメータを決定する。油圧式ロッカーブレーカーの設計とは、所定の性能パラメータを達成できる構造パラメータを決定することに他ならない。 d ₁, d ₂, d ₃, m および S 構造パラメータが決定されると、すべての性能パラメータおよび作動パラメータは入力流量とともに変化し、入力流量の関数となる。

2.1.2 作動油圧および定格圧力

（本節では定格圧力を p _H と表記する）

油圧式ロッカーブレーカーが作動する際、油圧油の圧力がピストンを駆動して運動させ、この油圧駆動力の変化パターンによってピストンの運動パターンが決定される——これをピストンの運動学および力学という。

ピストンの質量を考慮すると m 、加速度 a 、およびピストンの慣性力 F _K について、ニュートンの第二法則より次の式が得られる：

F _K = mA                                              (2.3)

駆動力 F は F _K 大きさが等しく、ただし方向が逆である。この駆動力 F はピストンに作用する油圧によって生じるものであり、 p シリンダ室内の油圧によって発生し、次のように表される：

p = F _K / A = mA / A ＝（ m / A )・d v /d t             (2.4)

ただし： m — ピストン質量（定数）;

 A — ピストンの圧力受圧面積（定数）;

 v — ピストン速度；瞬時流量 q 駆動ピストンの運動は以下の式を満たす：

エーブイ = q                                               (2.5)

以来 v および q 式(2.5)中の各項は時間の関数であるため、時間について微分すると v および q 次のようになる：

A d v /d t = D q /d t                                  (2.6)

式(2.6)を式(2.4)に代入すると、次のようになる：

p ＝（ m / A ²)・d q /d t                              (2.7)

式(2.7)において、 m / A ²は定数である。d q /d t はシステム流量の変化率を表す。

式(2.3)～(2.7)より、システム圧力は油室への入力流量の変化に基づいて確立される。言い換えると、油圧油の流量変化がピストンの加速度および慣性力を生じさせ、その結果として油室圧力が形成される。 p .

システム油圧 p はピストン質量に比例し、 m 流量変化率 d にも比例し、 q /dt ピストンの圧力受圧面積の二乗には反比例する。 A システム油圧を低減するためには、 p ピストンの圧力受圧面積を増大させることが最も効果的な方法であるが、これにより機械本体も大型化するため、設計段階で両方の要素を考慮する必要がある。 A 油圧は流量の関数であり、従属変数であるため、運転中に能動的に変更することはできず、入力流量の変化に伴ってのみ変化する。油圧ロッカーブレーカーが作動する際、油室へ流入する油は時間の関数であるため、油圧も

システム油圧 p 時間の関数となる。 p また、時間とともに変化し、一定の値を持たない。製品仕様書に記載される油圧（著者らが「定格油圧」と呼ぶもの）は、次のように表記される p _H 。この圧力において、油圧式ロッカーブレーカーの性能パラメータはその定格値に達する。 p _H は仮想的なパラメータであり、実際には存在しないが、油圧式ロッカーブレーカーの設計および使用において極めて重要である。設計段階では、 p _H を基準として、性能パラメータ、作動パラメータ、構造パラメータの計算および油圧システム部品の選定が行われる。現場では、オペレーターがシステムが正常に作動しているかどうかを判断するための重要な基準となる。このパラメータ p _H については、後続の章でさらに詳しく論じられる。