油圧式ロッカーブレーカーの基本作動原理

1.3 液圧式ロッカーブレーカーの基本動作原理

油圧式ロッカーブレーカーは、油圧エネルギーを機械的エネルギーに変換する衝撃機械である。その内部にはピストンと配分弁スプールという2つの基本的な可動部品が含まれており、これらは互いにフィードバック制御し合っている。すなわち、スプールの往復運動がピストンの換流（コンミュテーション）を制御し、一方でピストンは各ストロークの開始時および終了時に、弁の制御油路を開閉して弁の換流を実現する——このように循環している……油圧式ロッカーブレーカーの基本的な動作原理は、このピストン－スプール間のフィードバック制御によって、ピストンが油圧（または空気圧）力のもとで急速に往復運動を行い、チョーセルを打撃して外部に対して作業を行うことにある。

油圧式ロッカーブレーカーには多種多様なタイプおよび構造があり、それらについては後続の章で詳細に説明する。以下では、前室定圧・後室変圧型油圧式ロッカーブレーカーを例として取り上げ、その動作原理について述べる：

図に示すように、復帰行程が開始されると、高圧油がオイルポート1を介してピストン前室に流入し、同時に方向制御バルブのスプール下端に作用して、スプールを図(a)に示す状態で安定的に保持します。このとき、ピストン前室には高圧油が供給され、後室はオイルポート4を介してリターン（T）に接続されています。前室の油圧によって駆動されたピストンは復帰行程で加速し、窒素室に貯蔵された窒素（純粋な油圧式を除く）を圧縮します。また、アキュムレータは油を蓄えます。ピストンの復帰行程が制御ポート2に到達すると、高圧油がスプール上端に到達します。この時点で、スプールの上下両端がともに高圧油に接続されていますが、設計上スプール上端の有効面積が下端の有効面積より大きいため、高圧油の作用によりスプールは図(b)の状態に切り替わります。このとき、ピストンの前室および後室の両方が高圧油に接続され、アキュムレータはシステムへの補充用として油を放出します。合成力F_qの作用により、ピストンは作動行程で加速し、チゼルに衝突して衝撃エネルギーを出力します。ピストンが衝撃点を通過すると、制御ポート2および3が接続され、リターン油（T）と連通します。これによりスプール上端の油圧が低下し、下端の油圧によってスプールは迅速に図(a)の状態へと復帰します。元の状態に戻ったピストンは再び復帰行程を開始し、次の打撃サイクルへと移行します。以降、このサイクルが繰り返されます。このプロセスにおけるピストンとスプールの連動関係を図1-2に示します。

図1-1から、動力行程においてピストンの自重および摩擦抵抗を無視すると、ピストンを駆動する衝撃作業力F_qは主に油圧および窒素ガス圧によって生じており、すなわちF_q = π／4 · p_N · d₁² + π／4 · p · [(d₃² − d₁²) − (d₃² − d₂²)]である。駆動力F_qは、前後室の有効面積差、油圧pおよび窒素室圧力p_Nに依存する。油圧作業と気圧作業の比率の違いに基づき、純粋油圧式、油圧・気圧併用式、および窒素爆発式の3種類の動作形態が成立する。

純粋油圧式：p_N = 0。この形態では、油圧式ロッカーブレーカーには窒素室がなく、ピストンは上室・下室間の油圧差によって完全に駆動される。F_q = π／4 · p · [(d₃² − d₁²) − (d₃² − d₂²)]。この形態は、油圧式ロッカーブレーカーが初めて登場した際の最も初期の形態である。

油圧・空気圧複合式：この形式では、d₁ < d₂であり、かつピストンの尾部に窒素室が追加され、作動のために窒素が導入される（p_N > 0）。F_qは主に2つの成分から構成される：前後室の油圧差および窒素の圧縮・膨張力である。F_q = π/4 · p_N · d₁² + π/4 · p · [(d₃² − d₁²) − (d₃² − d₂²)]。この形式は、現在最も一般的な油圧式ロッカブレーカーの形式である。駆動力全体における油とガスの作動比率（すなわち、ガス対液体の作動比率）の違いに基づき、異なる性能を有する製品が形成される。

窒素爆発式：この形式では、d₁ = d₂であり、p_N > 0である。上下室の油圧力はゼロであり、動力行程中のピストン作動は完全に窒素室内のガス圧によって駆動される。F_q = π/4 · p_N · d₁²。この形式は、最新の油圧式ロッカブレーカーの形式である。

この3種類の形式にはそれぞれ長所と短所がありますが、全体的な性能は世代ごとに向上しています。純粋な油圧式は、油圧式ロッカーブレーカーが初めて登場した際の最も初期の製品形式であり、構造が単純で動作が信頼性に優れ、初期押し出し力（プッシュフォース）を必要としませんが、エネルギー利用率が低く、大型製品の製造には不向きです。油圧・空気圧複合式は、純粋な油圧式に対する大きな技術的飛躍であり、ピストンの後端に窒素ガス室を追加することで、復帰行程のエネルギーを効果的に活用し、衝撃力を大幅に向上させています。ただし、構造が複雑であり、作動には初期押し出し力が必要です。窒素爆発式油圧ロッカーブレーカーは、エネルギー観点から見ると、動力行程中に油圧作動を必要としないため、より省エネルギーです。また、ピストンの前後室の内径が等しいため、ピストンの動力行程時に生じる瞬間的なオイル供給不足という課題を効果的に解決できます。しかし、初期の窒素充填圧力が高いため、必要な押し出し力も大きくなります。

1.4 液圧式ロッカーブレーカーの基本構造と分類

1.4.1 液圧式ロッカーブレーカーの基本構造

液圧式ロッカーブレーカーには多種多様なタイプがありますが、共通する構造的特徴を有しています。その基本構成は、シリンダ本体、ピストン、配油バルブ、アキュムレータ、窒素室、チゼル座、チゼル、高強度ボルトおよびシールシステムからなります。異なるタイプの液圧式ロッカーブレーカーは構造に若干の違いがありますが、すべてのロッカーブレーカーには2つの基本的な可動部品——ピストンおよびバルブスプール——が含まれています。その基本構造を図1-3に示します。

(1) 衝撃機構

油圧式ロッカーブレーカーは、比較的長く細長いピストンを備えており、これは最も重要な構成部品である。応力波伝播理論に基づき、ピストンの衝撃エネルギーを最大限に伝達するためには、衝撃ピストンの直径が一般にチョーゼル（チゼル）のシャンク端部の直径とほぼ等しいか、またはそれに近い値となるよう設計される。これにより、打撃面で完全な接触が確保され、エネルギーを効率的に伝達する目的が達成される。また、衝撃ピストンとシリンダ本体またはライナースリーブとの間の嵌合クリアランスは、極めて重要な技術パラメーターである。このクリアランスが大きすぎると、非常に大きな内部漏れが生じ、衝撃力が不足し、最悪の場合にはロッカーブレーカーが正常に作動しなくなる。逆に、クリアランスが小さすぎると、ピストンの動きが鈍くなり、ガリング（焼き付き）が発生する可能性があり、同時に製造コストが急激に上昇する。

(2) 分配機構

油圧式ロッカーブレーカーは一般に、油圧オイルの流れ方向を切り替える分配弁を備えており、これにより衝撃ピストンの往復運動を制御・駆動します。分配弁の構造形式は多種多様ですが、概ねスプール弁とスリーブ弁の2大カテゴリーに分類されます。スプール弁は一般的に重量が軽く、油消費量が少なく、直径が小さく、また対向面のクリアランスおよび漏れ量も小さいという特徴がありますが、多くは段状構造を採用しており、構造上の機械加工性が比較的劣り、絞り損失も大きくなります。一方、スリーブ弁は重量が重く、直径が大きく、対向面のクリアランスおよび漏れ量も相対的に大きくなりますが、構造上の機械加工性は良好であり、開口面積勾配が大きく、絞り損失は小さいという特徴があります。また、弁スプールと弁本体または弁スリーブとの間の対向面クリアランスは、油圧式ロッカーブレーカー製造におけるもう一つの重要な技術パラメーターです。このクリアランスが大きすぎても小さすぎても、弁が正常に機能しなくなる原因となります。

(3) 蓄圧器による圧力安定化機構

ほとんどの油圧式ロッカーブレーカーには、エネルギー貯蔵および圧力安定化の役割を果たす1個または複数の蓄圧器が装備されています。油圧式ロッカーブレーカーは、作動ストローク（パワーストローク）時のみ外部に仕事を行い、復帰ストロークは作動ストロークのための準備段階です。ピストンが復帰する際、油圧油が充填室の圧力よりも高い圧力で蓄圧器内に流入し、蓄圧器内における油の位置エネルギーとして貯蔵されます。このエネルギーはピストンの作動ストローク時に放出され、復帰ストローク時のエネルギーの大部分を衝撃エネルギーに変換します。このように、蓄圧器はシステムの作動効率向上に寄与するとともに、配分弁スプールの切り替えに起因する圧力ショックおよび流量脈動を低減する役割も果たします。

(4) 作動機構

チョーセルは、油圧ロッカーブレーカーの作動部品であり、外部で作業を行うもので、作業対象物に直接作用します。これは摩耗部品であり、優れた耐摩耗性を有し、外側は硬く、内側は靭性がある必要があります。また、硬度は外側から内側へと徐々に変化する必要があります。さまざまな作業条件および作業対象に適応するため、チョーセルには先端が尖ったタイプ、正方形タイプ、シャベル型タイプ、平頭タイプがあります。

(5) 空打ち防止機構

油圧式ロッカーブレーカーは衝撃エネルギーが大きいため、ピストンがシリンダ本体に直接衝突すると、ロッカーブレーカー本体に重大な損傷を与え、「空打ち」を引き起こします。この空打ち防止構造は、シリンダ本体の前端に油圧バッファ室を追加するものです。チョーセルが岩盤に接触していない状態で前方へ移動すると、衝撃ピストンがバッファ室内に入り、内部の油を圧縮して衝撃エネルギーを吸収し、機械本体をクッション性のある形で保護します。同時に、前端室の油流入口が閉じられるため、重力および後端部の窒素ガスの作用によりピストンが後退できなくなります。チョーセルが再び岩盤に接触し、より大きなアーム圧力で押し戻された場合にのみ、衝撃ピストンがバッファ室から押し出され、高圧油が前端室へ流入して通常運転が継続されます。図1-4に示すように、油圧式ロッカーブレーカーが破砕対象物を貫通した後、ピストンは最大で1～2回の空打ちを発生させた後に停止します。オペレーターは再度衝撃点を選定し、チョーセルをしっかりと押し付け、圧力を加えることで、チョーセルがピストンを下部室の油流入口から離すことができ、作業を再開できます。

(6) その他の機構

油圧ロッカーブレーカーのその他の機構には、接続フレーム、振動減衰機構、シールシステム、自動潤滑システムなどがあります。

1.4.2 油圧ロッカーブレーカーの分類

油圧ロッカーブレーカーには多くの種類があり、分類方法も多様です。主な分類方法は以下のとおりです。

(1) 作動方式による分類

油圧ロッカーブレーカーは、作動方式により、キャリア搭載型とハンドヘルド型に分類されます。ハンドヘルド型は小型ロッカーブレーカーであり、油圧チョーセルとも呼ばれます。質量は一般に30 kg未満で、手で操作し、専用の油圧ポンプステーションによって駆動されます。また、空気式チョーセル作業を広範囲に置き換えることができます。キャリア搭載型は中・大型ロッカーブレーカーであり、油圧ショベル、ローダーなどの油圧キャリア機械のブームに直接取り付けられ、キャリア機械の動力システム、油圧システムおよびブーム動作システムを用いて作業を行います。

(2) 作動媒体による分類

油圧式ロッカーブレーカーは、作動媒体によって、純油圧式、油圧・空気圧複合式、および窒素爆発式の3大カテゴリーに分類される。純油圧式は、ピストンを駆動するために完全に油圧油の圧力に依存する；油圧・空気圧複合式は、油圧油と後部の圧縮窒素を同時に用いてピストンを駆動する；窒素爆発式は、後部窒素室における窒素の瞬間的な膨張のみに依存してピストンを駆動させる。

(3) フィードバック方式による分類

油圧式ロッカーブレーカーは、フィードバック方式によってストロークフィードバック型と圧力フィードバック型に分類される。その違いは、配分弁の切り替えを制御するためのフィードバック信号の検出方法にある。ストロークフィードバック型油圧式ロッカーブレーカーでは、ピストンがストローク中に高圧油のフィードバック孔を開閉することにより、配分弁の切り替えを制御する。フィードバック孔の位置は構造的に固定されており、機械的制約により最大で3か所しか設置できないため、ストロークフィードバック型油圧式ロッカーブレーカーでは衝撃周波数の無段階調整は実現できない。一方、圧力フィードバック型油圧式ロッカーブレーカーでは、ピストン後端におけるシステム圧力または窒素室圧力を検出して配分弁の切り替えを制御する。ピストンが窒素室内に入ると、窒素室圧力は連続的に変化し、室内に取り付けられた圧力センサーが所定の圧力を検知すると、マイクロコンピュータ制御により弁が切り替わる。この切り替え圧力は任意に設定可能であるため、圧力フィードバック型油圧式ロッカーブレーカーでは無段階調整が可能である。

(4) 流通方法による分類

分配弁の形式に基づき、3方向弁単面リターンオイル型と4方向弁両面リターンオイル型の2大カテゴリーに分類される。単面リターンオイル構造形式は、オイルパスがシンプルで制御が容易という利点を有しており、実際には比較的広く用いられている。単面リターンオイルは、前室リターンオイル型および後室リターンオイル型に分けられる。このうち、前室リターンオイル型は吸込み抵抗およびリターンオイル抵抗が大きいという欠点を有するため、現在最も一般的な形式は「前室定圧・後室リターンオイル型」である。4方向弁両面リターンオイル型は、別名「二動作用型」とも呼ばれる。その特徴は定圧室を持たず、前室および後室の圧力が交互に高・低となる点にある。ただし、両面リターンオイル構造形式はオイルパスが複雑であるため、実用例は少ない。

(5) 分配弁の配置による分類

分配弁の配置に基づき、内装型および外装型の2種類に分類される。内装型はさらにスプール型およびスリーブ型に分類される。内装型分配弁はシリンダ本体と一体構造となっており、コンパクトな構造である。一方、外装型分配弁はシリンダ本体の外部に独立して設置され、構造が単純で、保守および交換が容易である。

また、騒音レベルに基づき低騒音型および標準型に分類され、外装カバーの形状に基づき三角形、タワー型、密閉型のロッカブレーカーなどに分類される。これらの各種分類方法を図1-5にまとめた。