WO1999032266A1

WO1999032266A1 - Machine d'impact

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Publication number: WO1999032266A1
Application number: PCT/JP1998/005659
Authority: WO
Inventors: Hideshi Watanabe
Original assignee: Furukawa Co Ltd
Current assignee: Furukawa Co Ltd
Priority date: 1997-12-19
Filing date: 1998-12-15
Publication date: 1999-07-01
Anticipated expiration: 2000-06-19
Also published as: JPH11182170A; EP1070569B1; EP1070569A1; JP3888492B2; DE69833970T2; DE69833970D1; US6454021B1; ATE320884T1; EP1070569A4

Description

技術分野

本発明は、磁歪による衝撃作用を利用した衝撃装置に関するものであ ο 明

景技術

田

従来、衝撃によりコンクリートや岩石を破砕したり、岩石にさく孔を行うブレーカやさく岩機のような衝撃機械において、チゼルや口ッド等の衝撃伝達工具に衝撃を与える衝撃装置は、油圧や空圧により作動するビストンの打撃を利用するものであった。

し力、し、このような衝撃装置では、ピストンの打撃により、衝撃伝達工具に、衝撃波（応力波即ち弾性歪波）が発生し、この衝撃波が対象物に向かって伝播して対象物を破砕する。このため、打撃の際の打撃音の発生や、ピス卜ンの加速に起因する反動や振動は避けることができなかつた。

また、衝撃波を発生させる場合には、例えば電気エネルギーをモータで機械エネルギーに変え、それを油圧ポンプ等でビストンの運動エネルギ一に変え、打撃により衝撃伝達工具の歪エネルギーに変えて衝撃波を発生させるという過程を経るので、エネルギー効率が高いとは言えなかつた。

さらに、大きな慣性抵抗を持つビストンを高速で往復動させるには、油圧や空圧の加速力は十分でなく、打撃数の増加には限界があるので、容易には出力を増大させることができなかった。なお、衝撃波の波形は対象物の破砕特性（貫入抵抗）に応じて最良の形状があることが知られており、この衝撃波の波形が適切でないと、衝撃伝達工具の対象物への貫入が十分に行われず、破砕効率が低くなり、対象物からの衝撃波の反射が大きくなって衝撃装置への反動の増加ゃ衝撃機械の耐久性の低下の一因となる。そこで、衝撃波の波形を制御するため、対象物に応じてビス卜ンの形状を変えるなどの対策が講じられることもあったが、対象物に応じてビストンの形状を変えるのは面倒である o 発明の開示

本発明は、衝撃装置におけるかかる問題を解決するものであって、低騒音、低振動で破砕やさく孔作業を行うことができ、破砕効率、ェネルギ一効率が高く、高出力で耐久性の大きい衝撃装置を提供することを目的とする。

本発明の衝撃装置は、パルス電圧が印加される励磁コイルの中央に超磁歪材を配置し、この超磁歪材の先端に密接して衝撃伝達工具を配置し、超磁歪材の他端に密接して反力受板を設けることにより上記課題を解決している。

磁歪とは、鉄のような強磁性体を磁化した際に磁性体の外径寸法が変化する現象である。しかし、このような磁性金属の歪みは高々 1 0—⁵乃至 1 0— ⁶であるのに対し、超磁歪材は磁歪により 1 0— ³オーダ一の歪みを発生する。

この衝撃装置では、励磁コイルにパルス電圧を印加し励磁コイルに流れる励磁電流によって超磁歪材に磁場の変化を与えて所望の衝撃波形を生ずる磁歪を発生させ、先端に密接した衝撃伝達工具を通じて破砕の対象物に衝撃波を伝達し対象物を破碎する。本発明の衝撃装置は、電気エネルギーを直接歪みエネルギーに変えるのでエネルギー効率が高く、油圧機器、油圧配管、油圧打撃機構等の複雑な機械装置が不要で、衝撃機械を簡易化できる:

岩石等破砕の対象物に衝撃波のエネルギーで衝撃伝達工具を貫入させるには、一定以上の変位速度が一定時間以上継続する必要がある。岩石等の破砕の対象物の物性は千差万別であり、従って、貫入抵抗も様々であるが、一定量以上の貫入量を確保し、所要動力を一定値以下におさめるためには、磁歪による歪みが磁界の強さ、即ち励磁電流の大きさに比例し、歪みの時間的変化率は変位速度に等しいことから、励磁コイルの励磁電流が電圧印加時間の経過と共に増加し所望の最大値に達した後急減して零となるパルス電圧を、繰り返し励磁コイルに印加する。その結果、超磁歪材が磁歪による変形において所望の変位、変位速度に達する。このときのパスル幅は、数十 s乃至数百^ s、パルス間隔は数 m s 乃至数百 m sの範囲で適宜選択される。

衝撃伝達工具の貫入に際しては、衝撃伝達工具の先端は対象物に接触していることが望ましい。衝撃伝達工具の先端が対象物に接触していないと、衝撃波は引張波となって衝撃伝達工具中を戻って行きエネルギーを有効に対象物に伝達することができない。このため、衝撃伝達工具全体を静的に対象物に押しつけておく必要がある。

励磁コイルの励磁電流が電圧印加時間の経過と共に増加し所望の最大値に達してから所定時間最大値を維持するパルス電圧を励磁コイルに印加すると、励磁電流が一定値を維持している間は、超磁歪材が伸びており、衝撃伝達工具を対象物に押しつけることができる。一定値を維持する時間は、数十 m s内の範囲で適宜選択される。

衝撃波を衝撃伝達工具の対象物への貫入仕事に有効に使うためには、反射波の発生をなるベく小さく抑えることが重要である。励磁コイルの励磁電流が、初期値から最大値まで電圧印加時間の経過と共に、経過時間の 2乗に比例して又は経過時間の対数関数に近似して増加するパルス電圧を励磁コイルに印加すると、反射波の発生を小さく抑えることができる。

励磁コィルに検出コィルを併設し、衝撃伝達工具から超磁歪材に反射波が戻つてきたとき、磁歪現象により発生する電流又は電圧の変化を検出コイルで測定して反射波の波形を検出装置で検出し、衝撃伝達工具の対象物への貫入過程における入射波の大きさを反射波に応じて加減すると、反射波が低減でき、貫入効率の向上、振動、反動の低減が可能とな o 図面の簡単な説明

第 1図は、本発明の実施の一形態である衝撃装置を用いたブレーカの構成図である。

第 2図は、本発明の他の実施の形態である反射波の検出装置を備えたブレーカの構成図である。

第 3図は、本発明のさらに他の実施の形態である衝撃装置を用いたさく岩機の構成図である。

第 4図は、貫入量と貫入力の関係を示すグラフである。

第 5図は、入射波の波形を示すグラフである。

第 6図は、励磁電流の波形の一例を示すグラフである。

第 7図は、励磁電流の波形の一例を示すグラフである。

第 8図は、励磁電流の波形の一例を示すグラフである。

第 9図は、励磁電流の波形の一例を示すグラフである。

第 1 0図は、特殊波形出力電源装置の回路ブロック図である。発明を実施するための最良の形態

第 1図は本発明の実施の一形態である衝撃装置を用いたブレーカの構成図、第 2図は本発明の他の実施の形態である反射波の検出装置を備えたブレーカの構成図、第 3図は本発明のさらに他の実施の形態である衝撃装置を用いたさく岩機の構成図である。

第 1図のブレーカ Bは、ケ一シング 5内に設けた励磁コイル 4の中央に超磁歪材 1が配置され、この超磁歪材 1の先端に密接して衝撃伝達ェ具であるチゼル 2が配置され、超磁歪材 1の他端に密接して反カ受板 3 が設けられている。

破砕作業時には、ブレーカ Bは、推力装置（図示略）によって推力 T が与えられてチゼル 2の先端が破砕の対象物 7に押しつけられ、超磁歪材 1には電源装置 6からパルス電圧が印加される。

励磁コイル 4にパルス電圧が印加されると、励磁コイル 4に流れる励磁電流によって超磁歪材 1に磁場の変化が与えられ、所望の衝撃波形を生ずる磁歪が発生する。超磁歪材 1の先端に密接したチゼル 2を通じて破砕の対象物 7に衝撃波が伝達されて対象物 Ίを破碎する。

推力装置としては、重力、油圧、空圧、機械式、人力等、従来の衝撃機械に用いられるのと同様のものを適宜利用することができる。超磁歪材 1の保護のためには、推力装置の推力を検出して、電源装置 6の出力を開閉する空打防止手段を設けることが望ましい。

第 2図のブレーカ Bは、超磁歪材 1と励磁コイル 4との間に検出コィル 8が設けられており、チゼル 2から超磁歪材 1に反射波が戻ってきたとき、磁歪現象により発生する電流又は電圧の変化を検出コイル 8で測定して反射波の波形を検出する検出装置 9を備えている。その他の構成は第 1図のブレーカと同様である。

第 3図のさく岩機 Dは、ケ一シング 5内に設けた励磁コイル 4の中央に超磁歪材 1が配置され、この超磁歪材 1の先端に密接して衝撃伝達ェ具としてロッド 1 2が配置されている。ロッド 1 2の先端には、ビット 1 3が取付けられている。さく岩機 Dは、回転装置 1 1とフラッシング装置 1 5とを備えており、ロッド 1 2には、回転装置 1 1で回転が与えられ、フラッシング装置 1 5からは繰粉排出用の流体が供給されるようになっている。

以下、衝撃装置の作用を第 3図のさく岩機 Dによって説明する。

磁歪とは、鉄のような強磁性体を磁化した際に磁性体の外径寸法が変化する現象である。このような磁性金属の歪みは高々 1 0 乃至 1 0 であるのに対し、超磁歪材 1は磁歪により 1 0— ³オーダーの歪みを発生する。

超磁歪材 1は、磁歪によりピス卜ンとしてロッド 1 2を打撃し、衝撃波を発生させる。

ロッド 1 2がピストンに比して十分に長ければ、ピストンの全運動ェネルギ一がロッド 1 2に衝撃波として伝達される。この時発生する衝撃波の大きさ σ (応力）は、ロッド 1 2の材質のヤング率を Ε、ロッド 1 2中を伝播する衝撃波の速度、即ち音速を C、ロッド端面が打撃により変位する速度を Vとすれば、 σ= (E/C) Vで与えられる。

通常のさく岩機では、このひの大きさはロッドの耐久性から 2 0 0 Μ P a程度で歪みとしては 1 0— ³程度の大きさである。

ロッド 1 2の断面積を Aとすれば、この衝撃応力 σによるロッド 1 2 の荷重は、 f =σΑ= (AE/C) vと表される。（AEZC) を口ッドの比インピーダンスと言い、これを Zとすれば、 f =Z vと表される。即ち、ロッド 1 2の荷重は、ロッド固有の比インピーダンス Zと口ッドの変位速度 Vの積である。ロッド 1 2に伝達された衝撃エネルギ -は比ィンピ一ダンス Zの変化するところでは必ず反射が起こり、エネルギ一の一部は伝達されなくなる

この反射の反射率 Rは、反射面前後の比ィンピーダンス Zの差 Δ Zと和∑ Zを用いて R = AZZ∑ Zで示される。ロッド 1 2の先端に到着した衝撃波の挙動は、ビッ卜 1 3が何物にも接触せず自由端となっているときには、対象物の比インピーダンスが 0であるから、先端での負荷は 0で、 R= (0— Z) / ( 0 + Z) =— 1となり、対象物にはエネルギ一は全く伝達されず、衝撃波が圧縮波であれば R= 1であるから、符号を変え、 1 0 0 %引張波として反射される。

一方、ビッ卜 1 3が全く変形しない対象物に当接し固定端となっていれば、反射率 R= (∞— Z) / (∞τ Z) = + 1となり、ビット 1 3先端の変位は 0であるから対象物にはエネルギ一は全く伝達されず、先端の負荷は入射波と反射波の重畳により 2倍即ち 2 f となる。このとき R =十 1であるから、圧縮波が 1 0 0 %圧縮波として反射される。

ビッ卜 1 3全体を静的な推力で岩石等の破砕対象物に押し込んでいくと、その貫入量 uと貫入力 Fとの間には、第 4図に示すような一定の関係 F = (D (u) が保たれ、動的な場合にもほぼこの関係は崩れないことが知られている。この関係において単位貫入量当たりの貫入力、即ち d F/d uを貫入抵抗という。

対象物 7へのビッ卜 1 3の貫入抵抗が口ッド 1 2の比ィンピ一ダンス Zと同じ大きさであれば、 R= (Z - Z) / (Z + Z) = 0で反射は 0 、即ち全てのエネルギーが対象物 7へ伝達され、その時のビッ卜 1 3の先端の負荷は f に等しい。即ち、ビット 1 3の先端では、貫入抵抗が口ッド 1 2中を衝撃波が伝達されるときの抵抗と等しいときだけ 1 0 0 % のエネルギーが対象物 7に伝達され、それ以外では 1 0 0 %とならない。貫入抵抗が上記の無反射インピーダンスよりも小さいときは、残余のエネルギーは引張波となって反射し、大きいときは圧縮波となって反射される。

衝撃波が貫入抵抗を有する対象物 7に接するビッ卜 1 3の先端に到着すると、ビッ卜 1 3の貫入と衝撃波の反射波の発生が起こる。第 5図に示すように、任意の波形の衝撃波 Sは、極く微小な時間 A t (例えば数 s ) では、荷重 f が一定と見なせる。ビッ卜 1 3の貫入状態が第 4図に示すビッ卜貫入量 uと貫入力 Fとの関係で aの位置にあるとし、その時の貫入力を F =Φ ( u„ ) とする。時間 Δ ΐが小さければ、ビッ卜 1 3で生ずる反射波の大きさ rは、近似的に r = F f と見なせる。ビッ卜 1 3の先端は入射波と反射波の重畳により前進する。この時間 Δ tでのビット 1 3の前進速度 Vは r — ί = Ζ νから、 v = ( r — f ) / Zであり、従って、ビッ卜 1 3の前進量即ち貫入量の增分 Δ uは、 Δ ιι = ( r - f ) Δ t ZZである。この貫入が完了した時、貫入力の大きさは F =Φ (u ο ) から =Φ (u + Δ ιι) になっている。

上記手順を繰り返して行けば、任意の入射波形に対し、貫入抵抗を有する破砕の対象物 7への貫入量、貫入エネルギーの時間経過の様子が分力、る。

以上の考察から岩石の様な対象物 7に衝撃波のエネルギーでビッ卜 1 3を貫入させるには、 f = Z v A u = ν Δ t等の上述の関係により一定以上の変位速度 Vがー定時間継続する必要のあることが分かる。

岩石等の破砕の対象物 Ίの物性は千差万別であり、従って、貫入抵抗も様々である。一定量以上の貫入量を確保し、所要動力を一定値以下におさめるためには、磁歪による歪みが磁界の強さ、即ち励磁電流の大きさに比例し、歪みの時間的変化率は変位速度 Vに等しいことから、第 6 図に示す様な励磁コイルの励磁電流が電圧印加時間の経過と共に増加し所望の最大値に達した後急減して零となるパルス電圧を、電源装置 6から繰り返し励磁コイル 4に印加する。これにより、超磁歪材 1が磁歪による変形において所望の変位、変位速度に達する。このときのパルス幅は、数十/ s乃至数百 s、パルス間隔は数 m s乃至数百 m sの範囲で適宜選択される。

ビット 1 3の貫入に際しては、ビット 1 3の先端は対象物 7に接触していることが望ましい。ビット 1 3の先端が対象物 7に接触していないと、ビット 1 3の先端に入射した衝撃波は引張波となって口ッド 1 2中を戻って行きエネルギーを有効に対象物 7に伝達することができない。このため、ロッド 1 2全体を静的に対象物 7に押しつけておく必要がある。

第 7図に示す様に、励磁コイル 4の励磁電流が、パルス波形の立上り時に電圧印加時間の経過と共に増加し、所望の最大値に達してから所定時間最大値を維持するパルス電圧を励磁コイル 4に印加すると、励磁電流が一定値を維持している間は、超磁歪材 1が伸びており、ロッド 1 2 を対象物 7に押しつけることができるので、推力装置では間に合わない瞬間的な推力不足を補うとができる。一定値を維持する時間は、数十 m s内の範囲で適宜選択される。

衝撃波をビッ卜 1 3の対象物 7への貫入仕事に有効に使うためには、反射波の発生をなるベく小さく抑えることが重要である。即ち、反射波の大きさ rを 0にするには r =— F— f = 0から f =— F (—は圧縮波 ) を保てればよい。

F = Φ (u) = k uが成り立つと仮定できる対象物 7なら v= d uZ d t =— f ZZから d F =— d f = k d u = (kZZ) f d tとなり、 f = f 。 e ^(k/z) 'なら反射波は発生しない。初期の貫入に必要な f の初期値 f 。、破砕の対象物 Ίの貫入抵抗が必ずしも正確に F = k uとは表せないことを勘案しても、第 8図、第 9図に示すように励磁コイル 4の励磁電流がパルス波形の立上り時に初期値から最大値まで電圧印加時間の経過と共に、経過時間の 2乗に比例して（ i = a t ² ) 、又は経過時間の対数関数に近似して（ i ^ a e ^{k t} ) 増加するパルス電圧を励磁コィルに印加すると、反射波の発生を小さく抑えることができる:

励磁コイル 4に検出コイル 8を併設し、ロッド 1 2から超磁歪材 1に反射波が戻つてきたとき、磁歪現象により発生する電流又は電圧の変化を検出コイル 8で測定して反射波の波形を検出装置 9で検出し、ビット 1 3の対象物 7への貫入過程における入射波の大きさを反射波に応じて加減すると、反射波が低減でき、貫入効率の向上、振動、反動の低減が可能となる。

上記のごときパルス電圧を励磁コイル 4に供給するためには、電源装置 6として、第 1 0図に示すような変圧器 3 2、ダイオード整流器 3 3 、高周波インバ一タ 3 4、フィルタ 3 5を備え交流入力 3 1を特殊波形パルスとして出力可能な特殊波形出力電源装置 3 6を用いて、電気回路のィンダク夕ンスゃ衝撃波の反射波形の検出装置 9による検出結果に応じて所望の波形のパルス電流が得られるよう印加電圧を制御すればよい

産業上の利用可能性

以上説明したように、本発明の衝撃装置は、電気エネルギーを直接歪みエネルギーに変えるのでエネルギー効率が高く、油圧機器、油圧配管

、油圧打撃機構等の複雑な機械装置が不要で、衝撃機械を簡易化できるまた、電気パルスによる高速作動が可能となり、機械的なピストン打撃作動に較べて容易に高出力が得られる。所望の衝撃波形を容易に発生できるので、貫入効率が向上し破砕効率が向上する。

さらに、反射波を超磁歪材の変形で測定し、検出結果を出力波形に反映させることで反射波の低減が図れ、貫入効率を向上させ、振動、反動を低減することができる。しかも、打撃騒音の発生がないので、静粛で耐久性の高い衝撃機械を提供できる。

Claims

請求の範囲

1 . パルス電圧が印加される励磁コイルの中央に超磁歪材を配置し、該超磁歪材の先端に密接して衝撃伝達工具を配置し、超磁歪材の他端に密接して反力受板を設けてなる衝撃装置。

2 . 励磁コイルの励磁電流が電圧印加時間の経過と共に増加し所望の最大値に達した後急減して零となるパルス電圧を、繰り返し励磁コイルに印加する電源装置を備えた請求の範囲第 1項記載の衝撃装置。

3 . 励磁コイルの励磁電流が電圧印加時間の経過と共に増加し所望の最大値に達してから所定時間最大値を維持した後急減して零となるパルス電圧を、繰り返し励磁コイルに印加する電源装置を備えた請求の範囲第

1項記載の衝撃装置。

4 . 励磁コイルの励磁電流が初期値から最大値まで電圧印加時間の経過と共に、経過時間の 2乗に比例して又は経過時間の対数関数に近似して増加するパルス電圧を、繰り返し励磁コイルに印加する電源装置を備えた請求の範囲第 1項、請求の範囲第 2項、又は請求の範囲第 3項記載の

5 . 励磁コイルに検出コイルを併設し、衝撃伝達工具から超磁歪材に反射波が戻つてきたとき、磁歪現象により発生する電流又は電圧の変化を検出コイルで測定して反射波の波形を検出する検出装置を備えた請求の範囲第 1項、請求の範囲第 2項、又は請求の範囲第 3項記載の衝撃装置

6 . 励磁コイルに検出コイルを併設し、衝撃伝達工具から超磁歪材に反射波が戻つてきたとき、磁歪現象により発生する電流又は電圧の変化を検出コイルで測定して反射波の波形を検出する検出装置を備えた請求の範囲第 4項記載の衝撃装置。