JP4255305B2 - 岩盤破砕用くさび装置並びにそれに用いられるくさびおよびくさびガイド - Google Patents
岩盤破砕用くさび装置並びにそれに用いられるくさびおよびくさびガイド Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、岩盤の破砕等の割岩作業に用いられて好適な岩盤破砕用くさび装置並びにその岩盤破砕用くさび装置に用いられるくさびおよびくさびガイドに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
極めて強度の高い岩盤の割岩作業に用いられて好適な装置として、例えば岩盤破砕用くさび装置（以下、単に「くさび装置」という。）が知られている。このくさび装置は、油圧シリンダの推力を受けるくさびと、このくさびを挟む２組のくさびガイドを備え、油圧シリンダの駆動にてそのくさびをそれらくさびガイドに対して摺動させることにより、その油圧シリンダの推力をそれらくさびガイドによって横方向拡幅力に変換し、この横方向拡幅力にて岩盤を破壊して、割岩作業を行えるように構成されている。
【０００３】
このくさび装置において、くさびとくさびガイドとは高面圧下で摺動するため、くさび−くさびガイド間の摩擦係数の増大は、前記横方向拡幅力、言い換えれば割岩力に大きく影響してその割岩力を弱めるだけでなく、摩擦熱による寿命低下や、焼付き等の不具合を招く原因となる。
【０００４】
従来、このような不具合を防止するように図られたくさび装置として、くさびガイドの摺接部位にリン青銅からなる摺動材を装着するとともに、摺動面に土砂粉塵が入り込むのを防止する防塵機構を設け、かつ潤滑油供給機構により摺動面に潤滑油を供給するといった低摩擦化手段（Ａ）を具備するくさび装置（例えば、特許文献１参照）や、くさびおよびくさびガイドの双方を焼入れ鋼で構成し、摺動面にグリスを手作業で供給するといった低摩擦化手段（Ｂ）を具備するくさび装置などが実用に供されている。
【０００５】
【特許文献１】
実開平１−９８２９７号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記低摩擦化手段（Ａ）を具備するくさび装置では、リン青銅の抗圧力が低いため、非常な高面圧下（１０〜５０ｋｇ／ｍｍ２、場合によっては１００ｋｇ／ｍｍ２を超える）の摺動によって摺動材が塑性変形してしまい、早期に機能不全に陥って割岩力の低下を招くという問題点がある。また、防塵機構や潤滑油供給機構を具備するため、構造が複雑になり、コストアップを招くという問題点がある。さらに、防塵機構によっても防ぎきれない土砂粉塵もしくは防塵機構の損傷部分から摺動面に侵入した土砂粉塵によって、摺動材が早期に摩耗するという問題点もある。
【０００７】
一方、前記低摩擦化手段（Ｂ）を具備するくさび装置では、前記低摩擦化手段（Ａ）を具備するくさび装置と比較して構造が簡単であるため、比較的低コストであるという利点は有するも、十分なグリスの供給がない限り焼付きが生じてしまうことから、１割岩動作毎に摺動面に大量のグリスを手作業で供給しなければならず、面倒であり、作業者の労力増を招くという問題点がある。また、防塵機構が省略されることから、土砂粉塵による早期摩耗は免れないという問題点もある。
【０００８】
本発明は、このような問題点を解消するためになされたもので、所期の割岩力を長期に亘り安定に保持することができるとともに、メンテナンスの軽減やコストダウン等を図ることのできる岩盤破砕用くさび装置並びにそれに用いられるくさびおよびくさびガイドを提供することを目的とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段および作用・効果】
前記目的を達成するために、第１発明による岩盤破砕用くさび装置は、
推力発生手段からの推力を受けるくさびと、このくさびを挟むように配される一対のくさびガイドを備え、前記推力発生手段の駆動にて前記くさびを前記くさびガイドに対して摺動させることにより、その推力発生手段からの推力をそれらくさびガイドによって横方向拡幅力に変換し、この横方向拡幅力により岩盤を破壊して割岩作業を行えるように構成される岩盤破砕用くさび装置において、
前記くさびおよびくさびガイドのそれぞれの摺動面に、銅または銅合金マトリックスに硬質粒子が分散されてなる複合組織を備える摺動材を設けてなり、前記硬質粒子は、その粒径が０．２ｍｍ以上６ｍｍ以下で、その含有率が３０体積％以上８０体積％以下であることを特徴とするものである。
【００１０】
本発明においては、くさびおよびくさびガイドのそれぞれの摺動面に摺動材が設けられることにより、それら摺動材の摺動特性によってくさび−くさびガイド間の摩擦係数が効果的に減じられる。また、各摺動材は、銅または銅合金マトリックスに硬質粒子が分散されてなる複合組織を備えることで、耐摩耗性や耐焼付き性、抗圧力、熱拡散性能等が高められ、摩損や変形、劣化等が生じにくく、長期の使用に亘って所期の摺動特性を保持可能なものとされる。したがって、本発明によれば、所期の割岩力を長期に亘り安定に保持することができるとともに、メンテナンスの軽減を図ることができ、また従来必要であった防塵機構等が省略できてコストダウンを図ることができる。
【００１１】
第１発明において、前記くさびおよびくさびガイドにおけるそれぞれの摺動面の摺動範囲には、前記摺動材が全面に配置されているのが好ましい（第２発明）。このようにすれば、摺動材による摺動機能を最大限発揮させることができるので、前記作用効果を最大限得ることができる。
【００１２】
第１発明において、前記くさびおよびくさびガイドにおける摺動面のうち、一方の摺動面の摺動範囲には、前記摺動材が全面に配置されるとともに、他方の摺動面の摺動範囲には、前記摺動材が断続的に配置されているのが好ましい（第３発明）。
【００１３】
また、第１発明において、前記くさびおよびくさびガイドにおけるそれぞれの摺動面の摺動範囲には前記摺動材が部分的に設けられ、前記くさびガイドに対して前記くさびが摺動する際に、前記くさびに部分的に設けられる前記摺動材の少なくとも一部が、前記くさびガイドに部分的に設けられる前記摺動材と常に摺接するように、それら摺動材の配置が設定されているのが好ましい（第４発明）。
【００１４】
第３発明および第４発明のいずれの発明によっても、必要とされる摺動機能を維持しつつ、材料費を削減することができる。
【００１５】
次に、第５発明による岩盤破砕用くさび装置に用いられるくさびは、
推力発生手段からの推力を受けるくさびと、このくさびを挟むように配される一対のくさびガイドを備え、前記推力発生手段の駆動にて前記くさびを前記くさびガイドに対して摺動させることにより、その推力発生手段からの推力をそれらくさびガイドによって横方向拡幅力に変換し、この横方向拡幅力により岩盤を破壊して割岩作業を行えるように構成される岩盤破砕用くさび装置に用いられるくさびであって、
前記くさびガイドに摺接する摺動面に、銅または銅合金マトリックスに硬質粒子が分散されてなる複合組織を備える摺動材を設けてなり、前記硬質粒子は、その粒径が０．２ｍｍ以上６ｍｍ以下で、その含有率が３０体積％以上８０体積％以下であることを特徴とするものである。
【００１６】
本発明によれば、くさびガイドに摺接する摺動面に、銅または銅合金マトリックスに硬質粒子が分散されてなる複合組織を備える摺動材が設けられるので、摩損や変形、劣化等が生じにくく、長期の使用に耐え得るくさびを提供することができる。
【００１７】
さらに、第６発明による岩盤破砕用くさび装置に用いられるくさびガイドは、
推力発生手段からの推力を受けるくさびと、このくさびを挟むように配される一対のくさびガイドを備え、前記推力発生手段の駆動にて前記くさびを前記くさびガイドに対して摺動させることにより、その推力発生手段からの推力をそれらくさびガイドによって横方向拡幅力に変換し、この横方向拡幅力により岩盤を破壊して割岩作業を行えるように構成される岩盤破砕用くさび装置に用いられるくさびガイドであって、
前記くさびに摺接する摺動面に、銅または銅合金マトリックスに硬質粒子が分散されてなる複合組織を備える摺動材を設けてなり、前記硬質粒子は、その粒径が０．２ｍｍ以上６ｍｍ以下で、その含有率が３０体積％以上８０体積％以下であることを特徴とするものである。
【００１８】
本発明によれば、くさびに摺接する摺動面に、銅または銅合金マトリックスに硬質粒子が分散されてなる複合組織を備える摺動材が設けられるので、摩損や変形、劣化等が生じにくく、長期の使用に耐え得るくさびガイドを提供することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
次に、本発明による岩盤破砕用くさび装置並びにそれに用いられるくさびおよびくさびガイドの具体的な実施の形態につき、図面を参照しつつ説明する。
【００２０】
図１には、本発明の一実施形態に係る岩盤破砕用くさび装置を備える作業機械の側面図が示されている。また、図２には、くさび装置の概略構造説明図が示されている。
【００２１】
本実施形態に係る作業機械１は、図１に示されるように、クローラ式の下部走行体２上に旋回装置３を介して上部旋回体４が設けられるとともに、この上部旋回体４に起伏自在にブーム５が、このブーム５の先端部に屈曲自在にアーム６が、このアーム６の先端部に図示省略されるスイング機構を介して岩盤破砕機７がそれぞれ設けられ、旋回装置３、ブーム５、アーム６およびスイング機構の操作により、岩盤破砕機７の位置決めを広い範囲で行えるように構成されている。
【００２２】
前記岩盤破砕機７は、岩盤Ｗを穿孔するドリル装置８と、このドリル装置８による穿孔動作によって形成された孔Ｈ（図３（ａ）参照）を起点に岩盤Ｗを割岩する岩盤破砕用くさび装置９（以下、単に「くさび装置９」という。）と、上下方向に延設される固定ガイドセル１０と、作業内容に応じてドリル装置８とくさび装置９とを交換する装置交換機構１１を備えて構成されている。この岩盤破砕機７においては、装置交換機構１１の操作によって、ドリル装置８およびくさび装置９のうち、これから使用される装置が固定ガイドセル１０にセットされ、この固定ガイドセル１０にセットされた装置が図示省略される移動機構の作動によりその固定ガイドセル１０に沿って移動されるようになっている。
【００２３】
前記くさび装置９は、図２に示されるように主に、推力発生手段としての油圧シリンダ１２（以下、「くさびシリンダ１２」という。）を備えてなる駆動部１３と、くさび１４およびそのくさび１４を挟むように配される一対のくさびガイド１５を備えてなるくさび工具部１６とから構成されている。このくさび装置９においては、駆動部１３の作動にてくさび１４を一対のくさびガイド１５に対して摺動させることにより、くさびシリンダ１２からくさび１４に付与される推力をそれらくさびガイド１５によって横方向拡幅力に変換し、この横方向拡幅力により岩盤Ｗを破壊して割岩作業を行えるようにされている。なお、符号１７で示されるのは、くさびガイド１５に対し復元力を付与するための板バネである。
【００２４】
以上に述べたように構成される作業機械１を用いた岩盤破砕工事の施工について図３を参照しつつ以下に説明する。
【００２５】
まず、旋回装置３、ブーム５、アーム６およびスイング機構の操作により、岩盤破砕機７を所定の位置に位置決めする。位置決め後、装置交換機構１１の操作により、ドリル装置８を固定ガイドセル１０にセットし、そのドリル装置８の穿孔動作にてくさび工具部１６を挿入するための孔Ｈを岩盤Ｗに形成する（図３（ａ）参照）。装置交換機構１１の操作により、ドリル装置８とくさび装置９とを交換し、固定ガイドセル１０にくさび装置９をセットする（同図（ｂ）参照）。次いで、移動手段の操作にてくさび装置９を下降させてくさび工具部１６を前記孔Ｈに挿入し、その孔Ｈの孔壁にそのくさび工具部１６が当るところでその挿入動作を停止させる（同図（ｃ）参照）。次に、くさびシリンダ１２の伸長操作によりくさび１４を一対のくさびガイド１５に対して摺動させてその一対のくさびガイド１５を左右に拡幅し、くさび工具部１６周りの岩盤Ｗを割岩する（同図（ｄ）参照）。割岩後、くさびシリンダ１２の収縮操作により一対のくさびガイド１５を狭めた後、移動手段の操作にてくさび装置９を所定の高さ位置まで引き上げる（同図（ｅ）参照）。再度、装置交換機構１１の操作により、ドリル装置８を固定ガイドセル１０にセットする（同図（ｆ）参照）。以上の工程を繰り返して岩盤Ｗを破砕する。なお、本実施形態で説明した作業機械１は一連の作業が機械化された装置の例であるが、その他の例としては、くさび装置９単体をクレーンで操作してそのくさび装置９のくさび工具部１６を孔Ｈに挿入し以後のくさび装置９による割岩動作を行う例や、くさび装置９が小型のものである場合には人力によりくさび装置９のくさび工具部１６を孔Ｈに挿入し以後のくさび装置９による割岩動作を行う例などがある。
【００２６】
次に、前記くさび装置９における摺動部構造について図２、図４および図５を用いて以下に詳述する。ここで、図４には、図２におけるＡ−Ａ視図（ａ）およびＢ−Ｂ視図（ｂ）がそれぞれ示されている。また、図５には、図２におけるＣ−Ｃ視断面図が示されている。
【００２７】
前記くさび装置９においては、前述した割岩作業時にくさび１４とくさびガイド１５とが高面圧下で摺動するため、くさび１４−くさびガイド１５間の摩擦係数の増大は、一対のくさびガイド１５の拡幅力、言い換えれば割岩力に大きく影響してその割岩力を弱めるだけでなく、摩擦熱による寿命低下や、焼付き等の不具合を招く原因となる。このような不具合を防止するために、本実施形態では、図４および図５に示されるように、くさび１４の摺動面に摺動材２０が、くさびガイド１５の摺動面に摺動材２１がそれぞれ摺動範囲の全面に設けられている。なお、くさび１４に設けられる摺動材２０の表面中央部には、潤滑油を摺動面の全体に行き渡らせるための潤滑油供給用溝２２が、摺動方向に延びるように刻設されている。以下において、この摺動材２０，２１の組成や特性等についての説明を行うが、この説明においてくさび１４およびくさびガイド１５のことを単に「摺動体２３」と称することとする。
【００２８】
図６には摺動材の構造説明図が、図７には含有硬質粒子の面積率の算出に係わる説明図がそれぞれ示されている。
【００２９】
前記摺動材２０，２１は、図６に示されるように、マトリックス金属２５に硬質粒子２６が分散されてなる複合組織２７を有している。ここで、硬質粒子２６の粒径は０．２ｍｍ以上にされるとともに、硬質粒子の含有率は３０〜８０体積％にされる。また、この摺動材２０，２１の摺動面において、互いに隣接する硬質粒子２６の間には凹部２８が形成されている。
【００３０】
前記マトリックス金属２５としては、比較的融点が低く（１０００℃前後）、延性に優れるとともに、表１に示されるように、Ｆｅ基、Ｎｉ基、Ｃｏ基およびＴｉ基と比較して熱伝導率が高い銅（Ｃｕ≧９９．９６）または銅合金が用いられる。ここで、銅合金としては、例えばリン青銅（Ｃ５１９１Ｐ−Ｈ，Ｓｎ：５．５〜８，Ｐ：０．０３〜０．３５，Ｃｕ＋Ｓｎ＋Ｐ≧９９．５）、アルミニウム青銅、７／３黄銅（Ｃｕ−３０Ｚｎ）、６／４黄銅（Ｃｕ−４０Ｚｎ）等が挙げられる。
【表１】
【００３１】
また、前記硬質粒子２６としては、炭化物系、硼化物系、窒化物系、珪化物系、酸化物系等の各種セラミックが挙げられる。特に炭化物系、硼化物系、窒化物系セラミックは、高硬度を有するとともに、摺動性に優れている点で好適である。ここで、前記炭化物系セラミックの例としては、ＷＣ，Ｗ２Ｃ，ＴｉＣ，ＮｂＣ，ＶＣ，Ｍｏ２Ｃ，Ｃｒ３Ｃ２，ＴａＣ，ＺｒＣ等が挙げられる。また、前記硼化物系セラミックの例としては、ＭｏＢ，ＴｉＢ２，ＣｒＢ，ＶＢ２，ＮｂＢ２，ＴａＢ２，ＷＢ等が、前記窒化物系セラミックの例としては、ＴｉＮ，ＣｒＮ等がそれぞれ挙げられる。なお、当該硬質粒子として、前記炭化物系セラミックをＦｅ，Ｎｉ，Ｃｏ、Ｃｒ等の金属で結合してなる超硬合金、もしくはサーメットを用いても良い。
【００３２】
こうして、銅または銅合金が持つ延性によりもたらされる衝撃荷重や曲げ荷重に対するねばり強さを、また硬質粒子が持つ特性によりもたらされる高抗圧力や、耐摩耗性・耐焼付き性等を、それぞれ良好に確保するようにされるとともに、摺動時に発生する摩擦熱の吸収・放熱をスムーズに行わせることで、摩擦熱の影響による寿命低下を抑制するようにされている。
【００３３】
ところで、延性、靭性、熱伝導率などの特性が比較的高いマトリックス金属中に、そのマトリックス金属よりもそれらの特性が低い硬質粒子を分散させると、硬質粒子分散材料の特性はマトリックス金属単体の特性から硬質粒子の特性へと近づいていき、延性、靭性、熱伝導率は低下する。一般に、互いに隣接する硬質粒子の粒子間距離λとそれら特性の変化量Ｐとは、Ｐ∝１／λの関係にあり、λが大きいほど特性変化量Ｐは少なくなる。つまり、マトリックス金属中の硬質粒子の含有率が同じならば、粒径を大きくするほどλも大きくなり、特性変化量Ｐは小さくなる。したがって、含有率が同じならば硬質粒子の粒径を大きくする方が、マトリックス金属の延性、靭性、熱伝導率の低下に及ぼす硬質粒子の影響が小さくなるので、マトリックス金属本来の特性を良好に引き出すことができる。そこで、本発明においては、前記硬質粒子の粒径が従来と比較して極めて大きな０．２ｍｍ以上とされる。
【００３４】
ここで、前記硬質粒子２６の粒径の下限が０．２ｍｍとされる理由は、本実施形態において摺動材２０，２１が、土砂粉塵が摺動面に入り込む条件下で使用されることを考慮したためである。すなわち、土砂粉塵が摺動面に入り込む条件下においては、土砂粉塵が摺動面ですり潰され、摺動面についた摩耗痕の幅や深さから考えると、摺動材２０，２１の厚みが最低０．２ｍｍは必要であることが、試験等によって確認されたので、これを基準に考えると、マトリックス金属２５に分散し得る硬質粒子２６の最小粒径は０．２ｍｍであることが導き出される。なお、摺動特性の硬質粒子依存度を多少減じても問題ないと判断される場合には、０．２ｍｍよりも若干小さな粒径（例えば０．１５ｍｍ）の硬質粒子を用いることも可能である。
【００３５】
なお、前記硬質粒子２６の粒径の上限は１０ｍｍ程度であるのが好ましい（より好ましくは６ｍｍ）。このように粒径の上限を１０ｍｍとしたのは、粒径が１０ｍｍを超えてしまうと、所望の強度・靭性並びに熱伝導率の確保が困難になるからである。また、粒径のより好ましい上限として６ｍｍに設定したのは、粒径が６ｍｍであれば、必要十分な強度・靭性並びに熱伝導率を容易に確保できるからである。
【００３６】
一方、前記硬質粒子２６の含有率の下限は、以下に述べる理論により、３０体積％とされる。すなわち、硬質粒子が分散されてなる摺動材同士の摺動を考えたとき、対向する硬質粒子が常にラップしている（重なり合っている）状態にあれば、摺動特性が硬質粒子自身の特性に近いものになると推察される。そこで、図７に示されるように、それぞれの摺動材における硬質粒子が格子状に配列されているものと仮定し、同図において実線で示されるくさび１４側の摺動材２０における硬質粒子２６Ａ，・・・および同図において点線で示されるくさびガイド１５側の摺動材２１における硬質粒子２６Ｂ，・・・のそれぞれの半径をｒとし、両硬質粒子２６Ａ，２６Ｂの平面投影上の距離をｂとすると、ｂ＜０のとき、両硬質粒子２６Ａ，２６Ｂがラップする（重なり合う）ことになり、そのときの硬質粒子２６Ａ（２６Ｂ）の面積率Ｓｆは、Ｓｆ＝π／８＝０．３９２５となる。実際には、硬質粒子２６Ａ（２６Ｂ）が同図で示されるように均一には分布しておらず、また全ての硬質粒子２６Ａ（２６Ｂ）がラップする（重なり合う）必要もないので、実用的にはＳｆ＝３０％で十分と考えられる。こうして導出された面積率Ｓｆに基づいて、前記硬質粒子２６の必要最小限の含有率が３０体積％に設定される。
【００３７】
また、前記硬質粒子２６の含有率の上限が８０体積％とされるのは、含有率が８０体積％を超えると、所望の強度・靭性並びに熱伝導率の確保が困難になるからである。
【００３８】
本実施形態の摺動材２０，２１は、消耗電極式アーク溶接法等の溶接肉盛法による溶接肉盛層として、または熱間静水圧焼結法（ＨＩＰ法）等の焼結法による焼結体として製造される。なお、その他の製造方法としては、真空炉内において溶浸を行う真空溶浸法や、含浸法などが挙げられる。
【００３９】
例えば、前記複合組織２７からなる摺動材料層を消耗電極式アーク溶接法にて摺動体２３の表面に直接形成する場合には、マトリックスとなる消耗電極ワイヤにて摺動体２３の表面に溶融プールを形成し、この溶融プールに硬質粒子を添加して凝固するようにされる。
【００４０】
なお、前記摺動材料層は、必ずしも摺動体２３の表面に直接形成する必要はなく、摺動体２３が例えば溶接肉盛に要する予熱の不可能な部材や、肉盛層形成工程での熱影響による変形や材質変化を嫌う部材で構成されている場合には、摺動体２３とは別体の適当な板材に前記摺動材料層を形成して作製された被摺動材料層板材を、場合によっては必要な形状・サイズに切り出して、切り出された被摺動材料層板材を、溶接接合、溶浸（含浸）接合、焼結接合、ろう付け、ボルト締結、圧入などの結合手段により、摺動体２３の所定の個所に取り付けるようにすることも可能である。
【００４１】
以上に述べたような摺動部構造を備える本実施形態のくさび装置９および従来のくさび装置のそれぞれについて、表２に示されるような岩盤を対象に割岩試験を実施した。その試験結果が表３および表４にそれぞれ示されている。ここで、従来のくさび装置においては、くさびおよびくさびガイドの双方が焼入れ鋼で構成されるとともに、くさびガイドの摺接部位において先端部側と基端部側のそれぞれにリン青銅製の摺動材が装着されている。
（１）対象岩盤⇒岩種：凝灰岩（硬岩）
【表２】
（２）従来のくさび装置についての試験結果
【表３】
（３）本実施形態のくさび装置９についての試験結果
【表４】
【００４２】
本実施形態によれば、耐摩耗性や耐焼付き性、抗圧力、熱拡散性能等が高められ、摩損や変形、劣化等が生じにくく、長期の使用に亘って所期の摺動特性を保持可能なものとされた摺動材２０および摺動材２１が、それぞれくさび１４およびくさびガイド１５の摺動面に設けられているので、所期の割岩力を長期に亘り安定に保持することができるとともに、メンテナンスの軽減を図ることができ、また従来必要であった防塵機構等が省略できてコストを削減することができる。
【００４３】
なお、前述した割岩試験に先立って無潤滑条件下での割岩試験も実施した。その結果、焼付きの発生や異常な摩耗が発生する兆候はまったく観察されず、無潤滑状態でも使用可能であることを確認した。ただし、無潤滑の場合は、摺動により鳴き音が発生するため、実用的には摺動面に石鹸水を供給するなどの潤滑手段によりその鳴き音を防止できる。すなわち、本実施形態のくさび装置９では、万が一、潤滑油の供給が不完全であっても継続使用が可能であり、自動で潤滑油を供給する装置を設ける場合は、装置を簡素化できるし、手作業でグリスを塗布する場合でも、その手間を省くことが可能である。また、河川での工事などでは、潤滑油の漏出は環境を汚染するため嫌われるが、石鹸水程度の潤滑でも作業可能であるから、この様な作業現場でも使用されて好適である。
【００４４】
また、本実施形態においては、前記摺動材２０，２１による摺動機能を最大限発揮させるために、くさび１４およびくさびガイド１５の摺動面にそれぞれ摺動材２０および摺動材２１が摺動範囲の全面に設けられる例を示したが、必要とされる摺動機能を維持しつつ、材料費の削減を図るために、図８〜図１０に示されるような摺動材の各配置例を採用することも可能である。
【００４５】
ここで、図８の配置例においては、くさび１４の摺動範囲に、摺動方向Ｔに延びる帯形状の摺動材３０が２組その摺動方向Ｔと直交する方向に間隔を存して設けられるとともに、くさびガイド１５の摺動範囲に、前記摺動材３０，３０のそれぞれと相対するようにその摺動材３０と同形状の摺動材３１，３１が設けられている。この配置例では、隣接する摺動材３０，３０とくさび１４本体部分とで画成される領域Ｅ１、および隣接する摺動材３１，３１とくさびガイド１５本体部分とで画成される領域Ｅ２のそれぞれに、前記潤滑油供給用溝２２と同機能の溝が構造的に形成されるという利点がある。
【００４６】
一方、図９の配置例においては、くさび１４の摺動範囲に、摺動方向Ｔに所要の幅寸法を持たせた矩形状の摺動材３２が複数組その摺動方向Ｔに間隔を存して設けられるとともに、くさびガイド１５の摺動範囲に、摺動方向Ｔに所要の幅寸法を持たせた矩形状の摺動材３３が複数組その摺動方向Ｔに間隔を存して設けられ、くさびガイド１５に対してくさび１４が摺動する際に、くさび１４側に設けられる複数組の摺動材３２，・・・のいずれかとくさびガイド１５側に設けられる複数組の摺動材３３，・・・のいずれかとが常に摺接するように、その摺動材３２および摺動材３３のそれぞれの幅寸法と配置が設定されている。
【００４７】
他方、図１０の配置例においては、くさび１４の摺動範囲に、摺動方向Ｔに対して傾きを存する傾角方向に所要の幅寸法を持たせた平行四辺形状の摺動材３４が複数組その摺動方向Ｔに間隔を存して配置されるとともに、くさびガイド１５の摺動範囲に、前記傾角方向とは対を成す方向に所要の幅寸法を持たせた平行四辺形状の摺動材３５が複数組その摺動方向Ｔに間隔を存して配置されている。つまり、対向する摺動材３４と摺動材３５とが交差するようにそれぞれの摺動材３４，３５の配置が設定されている。こうして、摺動時において、くさび１４における複数組の摺動材３４のいずれかと、くさびガイド１５における複数組の摺動材３５のいずれかとが常に摺接するようにされている。
【００４８】
なお、図８〜図１０に示される各配置例は、くさび１４およびくさびガイド１５におけるそれぞれの摺動面の摺動範囲に、摺動材を部分的に設け、くさびガイド１５に対してくさび１４を摺動させたときに、くさび１４に部分的に設けられる摺動材の少なくとも一部が、くさびガイド１５に部分的に設けられる摺動材と常に摺接するように、それら摺動材の配置が設定されている例であるが、くさび１４およびくさびガイド１５における摺動面のうち、一方の摺動面の摺動範囲に摺動材を全面に配置し、他方の摺動面の摺動範囲に摺動材を図８〜図１０に示されるような部分配置とするような例もあり得る。
【００４９】
また、図８〜図１０に示されるような摺動材の各配置例以外の配置も可能である。すなわち、くさび１４に設けられる摺動材とくさびガイド１５に設けられる摺動材とが少なくともそれぞれの一部において摺接するようにそれら摺動材が配置されていれば、必要とされる摺動機能が維持できるので、その範囲内であれば、摺動材の配置間隔やその形状を任意に設定することができ、例えば、複数組の摺動材のそれぞれの間隔が一定でなくても良いし、摺動材の形状も矩形状、平行四辺形状に限られず、円形状、三角形状等のその他の形状であっても良い。
【００５０】
なお、本実施形態において、推力発生手段として油圧シリンダ１２を用いているが、推力発生手段としての機能、すなわちくさび１４に対して推力を与える機能を有するものであれば、これに限られるものではない。例えば、電動モータ、油圧モータ、あるいはエンジン等による回転方向の力をねじ等の機械的構造により、直線方向の力に変換し、くさび１４に推力を与えてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に係る岩盤破砕用くさび装置を備える作業機械の側面図である。
【図２】図２は、くさび装置の概略構造説明図である。
【図３】図３は、岩盤破砕工事の施工システムを説明する図である。
【図４】図４は、図２におけるＡ−Ａ視図（ａ）およびＢ−Ｂ視図（ｂ）である。
【図５】図５は、図２におけるＣ−Ｃ視断面図である。
【図６】図６は、摺動材の構造説明図である。
【図７】図７は、含有硬質粒子の面積率の算出に係わる説明図である。
【図８】図８は、摺動材の配置例を表わす図（１）で、くさびガイド側の摺動材の配置状態図（ａ）およびくさび側の摺動材の配置状態図（ｂ）である。
【図９】図９は、摺動材の配置例を表わす図（２）で、くさびガイド側の摺動材の配置状態図（ａ）およびくさび側の摺動材の配置状態図（ｂ）である。
【図１０】図１０は、摺動材の配置例を表わす図（３）で、くさびガイド側の摺動材の配置状態図（ａ）およびくさび側の摺動材の配置状態図（ｂ）である。
【符号の説明】
９ 岩盤破砕用くさび装置
１２ くさびシリンダ（推力発生手段）
１４ くさび
１５ くさびガイド
２０，３０，３２，３４ 摺動材（くさび側）
２１，３１，３３，３５ 摺動材（くさびガイド側）
２５ マトリックス金属
２６ 硬質粒子
２７ 複合組織
Ｗ 岩盤
【発明の属する技術分野】
本発明は、岩盤の破砕等の割岩作業に用いられて好適な岩盤破砕用くさび装置並びにその岩盤破砕用くさび装置に用いられるくさびおよびくさびガイドに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
極めて強度の高い岩盤の割岩作業に用いられて好適な装置として、例えば岩盤破砕用くさび装置（以下、単に「くさび装置」という。）が知られている。このくさび装置は、油圧シリンダの推力を受けるくさびと、このくさびを挟む２組のくさびガイドを備え、油圧シリンダの駆動にてそのくさびをそれらくさびガイドに対して摺動させることにより、その油圧シリンダの推力をそれらくさびガイドによって横方向拡幅力に変換し、この横方向拡幅力にて岩盤を破壊して、割岩作業を行えるように構成されている。
【０００３】
このくさび装置において、くさびとくさびガイドとは高面圧下で摺動するため、くさび−くさびガイド間の摩擦係数の増大は、前記横方向拡幅力、言い換えれば割岩力に大きく影響してその割岩力を弱めるだけでなく、摩擦熱による寿命低下や、焼付き等の不具合を招く原因となる。
【０００４】
従来、このような不具合を防止するように図られたくさび装置として、くさびガイドの摺接部位にリン青銅からなる摺動材を装着するとともに、摺動面に土砂粉塵が入り込むのを防止する防塵機構を設け、かつ潤滑油供給機構により摺動面に潤滑油を供給するといった低摩擦化手段（Ａ）を具備するくさび装置（例えば、特許文献１参照）や、くさびおよびくさびガイドの双方を焼入れ鋼で構成し、摺動面にグリスを手作業で供給するといった低摩擦化手段（Ｂ）を具備するくさび装置などが実用に供されている。
【０００５】
【特許文献１】
実開平１−９８２９７号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記低摩擦化手段（Ａ）を具備するくさび装置では、リン青銅の抗圧力が低いため、非常な高面圧下（１０〜５０ｋｇ／ｍｍ２、場合によっては１００ｋｇ／ｍｍ２を超える）の摺動によって摺動材が塑性変形してしまい、早期に機能不全に陥って割岩力の低下を招くという問題点がある。また、防塵機構や潤滑油供給機構を具備するため、構造が複雑になり、コストアップを招くという問題点がある。さらに、防塵機構によっても防ぎきれない土砂粉塵もしくは防塵機構の損傷部分から摺動面に侵入した土砂粉塵によって、摺動材が早期に摩耗するという問題点もある。
【０００７】
一方、前記低摩擦化手段（Ｂ）を具備するくさび装置では、前記低摩擦化手段（Ａ）を具備するくさび装置と比較して構造が簡単であるため、比較的低コストであるという利点は有するも、十分なグリスの供給がない限り焼付きが生じてしまうことから、１割岩動作毎に摺動面に大量のグリスを手作業で供給しなければならず、面倒であり、作業者の労力増を招くという問題点がある。また、防塵機構が省略されることから、土砂粉塵による早期摩耗は免れないという問題点もある。
【０００８】
本発明は、このような問題点を解消するためになされたもので、所期の割岩力を長期に亘り安定に保持することができるとともに、メンテナンスの軽減やコストダウン等を図ることのできる岩盤破砕用くさび装置並びにそれに用いられるくさびおよびくさびガイドを提供することを目的とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段および作用・効果】
前記目的を達成するために、第１発明による岩盤破砕用くさび装置は、
推力発生手段からの推力を受けるくさびと、このくさびを挟むように配される一対のくさびガイドを備え、前記推力発生手段の駆動にて前記くさびを前記くさびガイドに対して摺動させることにより、その推力発生手段からの推力をそれらくさびガイドによって横方向拡幅力に変換し、この横方向拡幅力により岩盤を破壊して割岩作業を行えるように構成される岩盤破砕用くさび装置において、
前記くさびおよびくさびガイドのそれぞれの摺動面に、銅または銅合金マトリックスに硬質粒子が分散されてなる複合組織を備える摺動材を設けてなり、前記硬質粒子は、その粒径が０．２ｍｍ以上６ｍｍ以下で、その含有率が３０体積％以上８０体積％以下であることを特徴とするものである。
【００１０】
本発明においては、くさびおよびくさびガイドのそれぞれの摺動面に摺動材が設けられることにより、それら摺動材の摺動特性によってくさび−くさびガイド間の摩擦係数が効果的に減じられる。また、各摺動材は、銅または銅合金マトリックスに硬質粒子が分散されてなる複合組織を備えることで、耐摩耗性や耐焼付き性、抗圧力、熱拡散性能等が高められ、摩損や変形、劣化等が生じにくく、長期の使用に亘って所期の摺動特性を保持可能なものとされる。したがって、本発明によれば、所期の割岩力を長期に亘り安定に保持することができるとともに、メンテナンスの軽減を図ることができ、また従来必要であった防塵機構等が省略できてコストダウンを図ることができる。
【００１１】
第１発明において、前記くさびおよびくさびガイドにおけるそれぞれの摺動面の摺動範囲には、前記摺動材が全面に配置されているのが好ましい（第２発明）。このようにすれば、摺動材による摺動機能を最大限発揮させることができるので、前記作用効果を最大限得ることができる。
【００１２】
第１発明において、前記くさびおよびくさびガイドにおける摺動面のうち、一方の摺動面の摺動範囲には、前記摺動材が全面に配置されるとともに、他方の摺動面の摺動範囲には、前記摺動材が断続的に配置されているのが好ましい（第３発明）。
【００１３】
また、第１発明において、前記くさびおよびくさびガイドにおけるそれぞれの摺動面の摺動範囲には前記摺動材が部分的に設けられ、前記くさびガイドに対して前記くさびが摺動する際に、前記くさびに部分的に設けられる前記摺動材の少なくとも一部が、前記くさびガイドに部分的に設けられる前記摺動材と常に摺接するように、それら摺動材の配置が設定されているのが好ましい（第４発明）。
【００１４】
第３発明および第４発明のいずれの発明によっても、必要とされる摺動機能を維持しつつ、材料費を削減することができる。
【００１５】
次に、第５発明による岩盤破砕用くさび装置に用いられるくさびは、
推力発生手段からの推力を受けるくさびと、このくさびを挟むように配される一対のくさびガイドを備え、前記推力発生手段の駆動にて前記くさびを前記くさびガイドに対して摺動させることにより、その推力発生手段からの推力をそれらくさびガイドによって横方向拡幅力に変換し、この横方向拡幅力により岩盤を破壊して割岩作業を行えるように構成される岩盤破砕用くさび装置に用いられるくさびであって、
前記くさびガイドに摺接する摺動面に、銅または銅合金マトリックスに硬質粒子が分散されてなる複合組織を備える摺動材を設けてなり、前記硬質粒子は、その粒径が０．２ｍｍ以上６ｍｍ以下で、その含有率が３０体積％以上８０体積％以下であることを特徴とするものである。
【００１６】
本発明によれば、くさびガイドに摺接する摺動面に、銅または銅合金マトリックスに硬質粒子が分散されてなる複合組織を備える摺動材が設けられるので、摩損や変形、劣化等が生じにくく、長期の使用に耐え得るくさびを提供することができる。
【００１７】
さらに、第６発明による岩盤破砕用くさび装置に用いられるくさびガイドは、
推力発生手段からの推力を受けるくさびと、このくさびを挟むように配される一対のくさびガイドを備え、前記推力発生手段の駆動にて前記くさびを前記くさびガイドに対して摺動させることにより、その推力発生手段からの推力をそれらくさびガイドによって横方向拡幅力に変換し、この横方向拡幅力により岩盤を破壊して割岩作業を行えるように構成される岩盤破砕用くさび装置に用いられるくさびガイドであって、
前記くさびに摺接する摺動面に、銅または銅合金マトリックスに硬質粒子が分散されてなる複合組織を備える摺動材を設けてなり、前記硬質粒子は、その粒径が０．２ｍｍ以上６ｍｍ以下で、その含有率が３０体積％以上８０体積％以下であることを特徴とするものである。
【００１８】
本発明によれば、くさびに摺接する摺動面に、銅または銅合金マトリックスに硬質粒子が分散されてなる複合組織を備える摺動材が設けられるので、摩損や変形、劣化等が生じにくく、長期の使用に耐え得るくさびガイドを提供することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
次に、本発明による岩盤破砕用くさび装置並びにそれに用いられるくさびおよびくさびガイドの具体的な実施の形態につき、図面を参照しつつ説明する。
【００２０】
図１には、本発明の一実施形態に係る岩盤破砕用くさび装置を備える作業機械の側面図が示されている。また、図２には、くさび装置の概略構造説明図が示されている。
【００２１】
本実施形態に係る作業機械１は、図１に示されるように、クローラ式の下部走行体２上に旋回装置３を介して上部旋回体４が設けられるとともに、この上部旋回体４に起伏自在にブーム５が、このブーム５の先端部に屈曲自在にアーム６が、このアーム６の先端部に図示省略されるスイング機構を介して岩盤破砕機７がそれぞれ設けられ、旋回装置３、ブーム５、アーム６およびスイング機構の操作により、岩盤破砕機７の位置決めを広い範囲で行えるように構成されている。
【００２２】
前記岩盤破砕機７は、岩盤Ｗを穿孔するドリル装置８と、このドリル装置８による穿孔動作によって形成された孔Ｈ（図３（ａ）参照）を起点に岩盤Ｗを割岩する岩盤破砕用くさび装置９（以下、単に「くさび装置９」という。）と、上下方向に延設される固定ガイドセル１０と、作業内容に応じてドリル装置８とくさび装置９とを交換する装置交換機構１１を備えて構成されている。この岩盤破砕機７においては、装置交換機構１１の操作によって、ドリル装置８およびくさび装置９のうち、これから使用される装置が固定ガイドセル１０にセットされ、この固定ガイドセル１０にセットされた装置が図示省略される移動機構の作動によりその固定ガイドセル１０に沿って移動されるようになっている。
【００２３】
前記くさび装置９は、図２に示されるように主に、推力発生手段としての油圧シリンダ１２（以下、「くさびシリンダ１２」という。）を備えてなる駆動部１３と、くさび１４およびそのくさび１４を挟むように配される一対のくさびガイド１５を備えてなるくさび工具部１６とから構成されている。このくさび装置９においては、駆動部１３の作動にてくさび１４を一対のくさびガイド１５に対して摺動させることにより、くさびシリンダ１２からくさび１４に付与される推力をそれらくさびガイド１５によって横方向拡幅力に変換し、この横方向拡幅力により岩盤Ｗを破壊して割岩作業を行えるようにされている。なお、符号１７で示されるのは、くさびガイド１５に対し復元力を付与するための板バネである。
【００２４】
以上に述べたように構成される作業機械１を用いた岩盤破砕工事の施工について図３を参照しつつ以下に説明する。
【００２５】
まず、旋回装置３、ブーム５、アーム６およびスイング機構の操作により、岩盤破砕機７を所定の位置に位置決めする。位置決め後、装置交換機構１１の操作により、ドリル装置８を固定ガイドセル１０にセットし、そのドリル装置８の穿孔動作にてくさび工具部１６を挿入するための孔Ｈを岩盤Ｗに形成する（図３（ａ）参照）。装置交換機構１１の操作により、ドリル装置８とくさび装置９とを交換し、固定ガイドセル１０にくさび装置９をセットする（同図（ｂ）参照）。次いで、移動手段の操作にてくさび装置９を下降させてくさび工具部１６を前記孔Ｈに挿入し、その孔Ｈの孔壁にそのくさび工具部１６が当るところでその挿入動作を停止させる（同図（ｃ）参照）。次に、くさびシリンダ１２の伸長操作によりくさび１４を一対のくさびガイド１５に対して摺動させてその一対のくさびガイド１５を左右に拡幅し、くさび工具部１６周りの岩盤Ｗを割岩する（同図（ｄ）参照）。割岩後、くさびシリンダ１２の収縮操作により一対のくさびガイド１５を狭めた後、移動手段の操作にてくさび装置９を所定の高さ位置まで引き上げる（同図（ｅ）参照）。再度、装置交換機構１１の操作により、ドリル装置８を固定ガイドセル１０にセットする（同図（ｆ）参照）。以上の工程を繰り返して岩盤Ｗを破砕する。なお、本実施形態で説明した作業機械１は一連の作業が機械化された装置の例であるが、その他の例としては、くさび装置９単体をクレーンで操作してそのくさび装置９のくさび工具部１６を孔Ｈに挿入し以後のくさび装置９による割岩動作を行う例や、くさび装置９が小型のものである場合には人力によりくさび装置９のくさび工具部１６を孔Ｈに挿入し以後のくさび装置９による割岩動作を行う例などがある。
【００２６】
次に、前記くさび装置９における摺動部構造について図２、図４および図５を用いて以下に詳述する。ここで、図４には、図２におけるＡ−Ａ視図（ａ）およびＢ−Ｂ視図（ｂ）がそれぞれ示されている。また、図５には、図２におけるＣ−Ｃ視断面図が示されている。
【００２７】
前記くさび装置９においては、前述した割岩作業時にくさび１４とくさびガイド１５とが高面圧下で摺動するため、くさび１４−くさびガイド１５間の摩擦係数の増大は、一対のくさびガイド１５の拡幅力、言い換えれば割岩力に大きく影響してその割岩力を弱めるだけでなく、摩擦熱による寿命低下や、焼付き等の不具合を招く原因となる。このような不具合を防止するために、本実施形態では、図４および図５に示されるように、くさび１４の摺動面に摺動材２０が、くさびガイド１５の摺動面に摺動材２１がそれぞれ摺動範囲の全面に設けられている。なお、くさび１４に設けられる摺動材２０の表面中央部には、潤滑油を摺動面の全体に行き渡らせるための潤滑油供給用溝２２が、摺動方向に延びるように刻設されている。以下において、この摺動材２０，２１の組成や特性等についての説明を行うが、この説明においてくさび１４およびくさびガイド１５のことを単に「摺動体２３」と称することとする。
【００２８】
図６には摺動材の構造説明図が、図７には含有硬質粒子の面積率の算出に係わる説明図がそれぞれ示されている。
【００２９】
前記摺動材２０，２１は、図６に示されるように、マトリックス金属２５に硬質粒子２６が分散されてなる複合組織２７を有している。ここで、硬質粒子２６の粒径は０．２ｍｍ以上にされるとともに、硬質粒子の含有率は３０〜８０体積％にされる。また、この摺動材２０，２１の摺動面において、互いに隣接する硬質粒子２６の間には凹部２８が形成されている。
【００３０】
前記マトリックス金属２５としては、比較的融点が低く（１０００℃前後）、延性に優れるとともに、表１に示されるように、Ｆｅ基、Ｎｉ基、Ｃｏ基およびＴｉ基と比較して熱伝導率が高い銅（Ｃｕ≧９９．９６）または銅合金が用いられる。ここで、銅合金としては、例えばリン青銅（Ｃ５１９１Ｐ−Ｈ，Ｓｎ：５．５〜８，Ｐ：０．０３〜０．３５，Ｃｕ＋Ｓｎ＋Ｐ≧９９．５）、アルミニウム青銅、７／３黄銅（Ｃｕ−３０Ｚｎ）、６／４黄銅（Ｃｕ−４０Ｚｎ）等が挙げられる。
【表１】
また、前記硬質粒子２６としては、炭化物系、硼化物系、窒化物系、珪化物系、酸化物系等の各種セラミックが挙げられる。特に炭化物系、硼化物系、窒化物系セラミックは、高硬度を有するとともに、摺動性に優れている点で好適である。ここで、前記炭化物系セラミックの例としては、ＷＣ，Ｗ２Ｃ，ＴｉＣ，ＮｂＣ，ＶＣ，Ｍｏ２Ｃ，Ｃｒ３Ｃ２，ＴａＣ，ＺｒＣ等が挙げられる。また、前記硼化物系セラミックの例としては、ＭｏＢ，ＴｉＢ２，ＣｒＢ，ＶＢ２，ＮｂＢ２，ＴａＢ２，ＷＢ等が、前記窒化物系セラミックの例としては、ＴｉＮ，ＣｒＮ等がそれぞれ挙げられる。なお、当該硬質粒子として、前記炭化物系セラミックをＦｅ，Ｎｉ，Ｃｏ、Ｃｒ等の金属で結合してなる超硬合金、もしくはサーメットを用いても良い。
【００３２】
こうして、銅または銅合金が持つ延性によりもたらされる衝撃荷重や曲げ荷重に対するねばり強さを、また硬質粒子が持つ特性によりもたらされる高抗圧力や、耐摩耗性・耐焼付き性等を、それぞれ良好に確保するようにされるとともに、摺動時に発生する摩擦熱の吸収・放熱をスムーズに行わせることで、摩擦熱の影響による寿命低下を抑制するようにされている。
【００３３】
ところで、延性、靭性、熱伝導率などの特性が比較的高いマトリックス金属中に、そのマトリックス金属よりもそれらの特性が低い硬質粒子を分散させると、硬質粒子分散材料の特性はマトリックス金属単体の特性から硬質粒子の特性へと近づいていき、延性、靭性、熱伝導率は低下する。一般に、互いに隣接する硬質粒子の粒子間距離λとそれら特性の変化量Ｐとは、Ｐ∝１／λの関係にあり、λが大きいほど特性変化量Ｐは少なくなる。つまり、マトリックス金属中の硬質粒子の含有率が同じならば、粒径を大きくするほどλも大きくなり、特性変化量Ｐは小さくなる。したがって、含有率が同じならば硬質粒子の粒径を大きくする方が、マトリックス金属の延性、靭性、熱伝導率の低下に及ぼす硬質粒子の影響が小さくなるので、マトリックス金属本来の特性を良好に引き出すことができる。そこで、本発明においては、前記硬質粒子の粒径が従来と比較して極めて大きな０．２ｍｍ以上とされる。
【００３４】
ここで、前記硬質粒子２６の粒径の下限が０．２ｍｍとされる理由は、本実施形態において摺動材２０，２１が、土砂粉塵が摺動面に入り込む条件下で使用されることを考慮したためである。すなわち、土砂粉塵が摺動面に入り込む条件下においては、土砂粉塵が摺動面ですり潰され、摺動面についた摩耗痕の幅や深さから考えると、摺動材２０，２１の厚みが最低０．２ｍｍは必要であることが、試験等によって確認されたので、これを基準に考えると、マトリックス金属２５に分散し得る硬質粒子２６の最小粒径は０．２ｍｍであることが導き出される。なお、摺動特性の硬質粒子依存度を多少減じても問題ないと判断される場合には、０．２ｍｍよりも若干小さな粒径（例えば０．１５ｍｍ）の硬質粒子を用いることも可能である。
【００３５】
なお、前記硬質粒子２６の粒径の上限は１０ｍｍ程度であるのが好ましい（より好ましくは６ｍｍ）。このように粒径の上限を１０ｍｍとしたのは、粒径が１０ｍｍを超えてしまうと、所望の強度・靭性並びに熱伝導率の確保が困難になるからである。また、粒径のより好ましい上限として６ｍｍに設定したのは、粒径が６ｍｍであれば、必要十分な強度・靭性並びに熱伝導率を容易に確保できるからである。
【００３６】
一方、前記硬質粒子２６の含有率の下限は、以下に述べる理論により、３０体積％とされる。すなわち、硬質粒子が分散されてなる摺動材同士の摺動を考えたとき、対向する硬質粒子が常にラップしている（重なり合っている）状態にあれば、摺動特性が硬質粒子自身の特性に近いものになると推察される。そこで、図７に示されるように、それぞれの摺動材における硬質粒子が格子状に配列されているものと仮定し、同図において実線で示されるくさび１４側の摺動材２０における硬質粒子２６Ａ，・・・および同図において点線で示されるくさびガイド１５側の摺動材２１における硬質粒子２６Ｂ，・・・のそれぞれの半径をｒとし、両硬質粒子２６Ａ，２６Ｂの平面投影上の距離をｂとすると、ｂ＜０のとき、両硬質粒子２６Ａ，２６Ｂがラップする（重なり合う）ことになり、そのときの硬質粒子２６Ａ（２６Ｂ）の面積率Ｓｆは、Ｓｆ＝π／８＝０．３９２５となる。実際には、硬質粒子２６Ａ（２６Ｂ）が同図で示されるように均一には分布しておらず、また全ての硬質粒子２６Ａ（２６Ｂ）がラップする（重なり合う）必要もないので、実用的にはＳｆ＝３０％で十分と考えられる。こうして導出された面積率Ｓｆに基づいて、前記硬質粒子２６の必要最小限の含有率が３０体積％に設定される。
【００３７】
また、前記硬質粒子２６の含有率の上限が８０体積％とされるのは、含有率が８０体積％を超えると、所望の強度・靭性並びに熱伝導率の確保が困難になるからである。
【００３８】
本実施形態の摺動材２０，２１は、消耗電極式アーク溶接法等の溶接肉盛法による溶接肉盛層として、または熱間静水圧焼結法（ＨＩＰ法）等の焼結法による焼結体として製造される。なお、その他の製造方法としては、真空炉内において溶浸を行う真空溶浸法や、含浸法などが挙げられる。
【００３９】
例えば、前記複合組織２７からなる摺動材料層を消耗電極式アーク溶接法にて摺動体２３の表面に直接形成する場合には、マトリックスとなる消耗電極ワイヤにて摺動体２３の表面に溶融プールを形成し、この溶融プールに硬質粒子を添加して凝固するようにされる。
【００４０】
なお、前記摺動材料層は、必ずしも摺動体２３の表面に直接形成する必要はなく、摺動体２３が例えば溶接肉盛に要する予熱の不可能な部材や、肉盛層形成工程での熱影響による変形や材質変化を嫌う部材で構成されている場合には、摺動体２３とは別体の適当な板材に前記摺動材料層を形成して作製された被摺動材料層板材を、場合によっては必要な形状・サイズに切り出して、切り出された被摺動材料層板材を、溶接接合、溶浸（含浸）接合、焼結接合、ろう付け、ボルト締結、圧入などの結合手段により、摺動体２３の所定の個所に取り付けるようにすることも可能である。
【００４１】
以上に述べたような摺動部構造を備える本実施形態のくさび装置９および従来のくさび装置のそれぞれについて、表２に示されるような岩盤を対象に割岩試験を実施した。その試験結果が表３および表４にそれぞれ示されている。ここで、従来のくさび装置においては、くさびおよびくさびガイドの双方が焼入れ鋼で構成されるとともに、くさびガイドの摺接部位において先端部側と基端部側のそれぞれにリン青銅製の摺動材が装着されている。
（１）対象岩盤⇒岩種：凝灰岩（硬岩）
【表２】
【表３】
【表４】
本実施形態によれば、耐摩耗性や耐焼付き性、抗圧力、熱拡散性能等が高められ、摩損や変形、劣化等が生じにくく、長期の使用に亘って所期の摺動特性を保持可能なものとされた摺動材２０および摺動材２１が、それぞれくさび１４およびくさびガイド１５の摺動面に設けられているので、所期の割岩力を長期に亘り安定に保持することができるとともに、メンテナンスの軽減を図ることができ、また従来必要であった防塵機構等が省略できてコストを削減することができる。
【００４３】
なお、前述した割岩試験に先立って無潤滑条件下での割岩試験も実施した。その結果、焼付きの発生や異常な摩耗が発生する兆候はまったく観察されず、無潤滑状態でも使用可能であることを確認した。ただし、無潤滑の場合は、摺動により鳴き音が発生するため、実用的には摺動面に石鹸水を供給するなどの潤滑手段によりその鳴き音を防止できる。すなわち、本実施形態のくさび装置９では、万が一、潤滑油の供給が不完全であっても継続使用が可能であり、自動で潤滑油を供給する装置を設ける場合は、装置を簡素化できるし、手作業でグリスを塗布する場合でも、その手間を省くことが可能である。また、河川での工事などでは、潤滑油の漏出は環境を汚染するため嫌われるが、石鹸水程度の潤滑でも作業可能であるから、この様な作業現場でも使用されて好適である。
【００４４】
また、本実施形態においては、前記摺動材２０，２１による摺動機能を最大限発揮させるために、くさび１４およびくさびガイド１５の摺動面にそれぞれ摺動材２０および摺動材２１が摺動範囲の全面に設けられる例を示したが、必要とされる摺動機能を維持しつつ、材料費の削減を図るために、図８〜図１０に示されるような摺動材の各配置例を採用することも可能である。
【００４５】
ここで、図８の配置例においては、くさび１４の摺動範囲に、摺動方向Ｔに延びる帯形状の摺動材３０が２組その摺動方向Ｔと直交する方向に間隔を存して設けられるとともに、くさびガイド１５の摺動範囲に、前記摺動材３０，３０のそれぞれと相対するようにその摺動材３０と同形状の摺動材３１，３１が設けられている。この配置例では、隣接する摺動材３０，３０とくさび１４本体部分とで画成される領域Ｅ１、および隣接する摺動材３１，３１とくさびガイド１５本体部分とで画成される領域Ｅ２のそれぞれに、前記潤滑油供給用溝２２と同機能の溝が構造的に形成されるという利点がある。
【００４６】
一方、図９の配置例においては、くさび１４の摺動範囲に、摺動方向Ｔに所要の幅寸法を持たせた矩形状の摺動材３２が複数組その摺動方向Ｔに間隔を存して設けられるとともに、くさびガイド１５の摺動範囲に、摺動方向Ｔに所要の幅寸法を持たせた矩形状の摺動材３３が複数組その摺動方向Ｔに間隔を存して設けられ、くさびガイド１５に対してくさび１４が摺動する際に、くさび１４側に設けられる複数組の摺動材３２，・・・のいずれかとくさびガイド１５側に設けられる複数組の摺動材３３，・・・のいずれかとが常に摺接するように、その摺動材３２および摺動材３３のそれぞれの幅寸法と配置が設定されている。
【００４７】
他方、図１０の配置例においては、くさび１４の摺動範囲に、摺動方向Ｔに対して傾きを存する傾角方向に所要の幅寸法を持たせた平行四辺形状の摺動材３４が複数組その摺動方向Ｔに間隔を存して配置されるとともに、くさびガイド１５の摺動範囲に、前記傾角方向とは対を成す方向に所要の幅寸法を持たせた平行四辺形状の摺動材３５が複数組その摺動方向Ｔに間隔を存して配置されている。つまり、対向する摺動材３４と摺動材３５とが交差するようにそれぞれの摺動材３４，３５の配置が設定されている。こうして、摺動時において、くさび１４における複数組の摺動材３４のいずれかと、くさびガイド１５における複数組の摺動材３５のいずれかとが常に摺接するようにされている。
【００４８】
なお、図８〜図１０に示される各配置例は、くさび１４およびくさびガイド１５におけるそれぞれの摺動面の摺動範囲に、摺動材を部分的に設け、くさびガイド１５に対してくさび１４を摺動させたときに、くさび１４に部分的に設けられる摺動材の少なくとも一部が、くさびガイド１５に部分的に設けられる摺動材と常に摺接するように、それら摺動材の配置が設定されている例であるが、くさび１４およびくさびガイド１５における摺動面のうち、一方の摺動面の摺動範囲に摺動材を全面に配置し、他方の摺動面の摺動範囲に摺動材を図８〜図１０に示されるような部分配置とするような例もあり得る。
【００４９】
また、図８〜図１０に示されるような摺動材の各配置例以外の配置も可能である。すなわち、くさび１４に設けられる摺動材とくさびガイド１５に設けられる摺動材とが少なくともそれぞれの一部において摺接するようにそれら摺動材が配置されていれば、必要とされる摺動機能が維持できるので、その範囲内であれば、摺動材の配置間隔やその形状を任意に設定することができ、例えば、複数組の摺動材のそれぞれの間隔が一定でなくても良いし、摺動材の形状も矩形状、平行四辺形状に限られず、円形状、三角形状等のその他の形状であっても良い。
【００５０】
なお、本実施形態において、推力発生手段として油圧シリンダ１２を用いているが、推力発生手段としての機能、すなわちくさび１４に対して推力を与える機能を有するものであれば、これに限られるものではない。例えば、電動モータ、油圧モータ、あるいはエンジン等による回転方向の力をねじ等の機械的構造により、直線方向の力に変換し、くさび１４に推力を与えてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に係る岩盤破砕用くさび装置を備える作業機械の側面図である。
【図２】図２は、くさび装置の概略構造説明図である。
【図３】図３は、岩盤破砕工事の施工システムを説明する図である。
【図４】図４は、図２におけるＡ−Ａ視図（ａ）およびＢ−Ｂ視図（ｂ）である。
【図５】図５は、図２におけるＣ−Ｃ視断面図である。
【図６】図６は、摺動材の構造説明図である。
【図７】図７は、含有硬質粒子の面積率の算出に係わる説明図である。
【図８】図８は、摺動材の配置例を表わす図（１）で、くさびガイド側の摺動材の配置状態図（ａ）およびくさび側の摺動材の配置状態図（ｂ）である。
【図９】図９は、摺動材の配置例を表わす図（２）で、くさびガイド側の摺動材の配置状態図（ａ）およびくさび側の摺動材の配置状態図（ｂ）である。
【図１０】図１０は、摺動材の配置例を表わす図（３）で、くさびガイド側の摺動材の配置状態図（ａ）およびくさび側の摺動材の配置状態図（ｂ）である。
【符号の説明】
９ 岩盤破砕用くさび装置
１２ くさびシリンダ（推力発生手段）
１４ くさび
１５ くさびガイド
２０，３０，３２，３４ 摺動材（くさび側）
２１，３１，３３，３５ 摺動材（くさびガイド側）
２５ マトリックス金属
２６ 硬質粒子
２７ 複合組織
Ｗ 岩盤
Claims (6)
- 推力発生手段からの推力を受けるくさびと、このくさびを挟むように配される一対のくさびガイドを備え、前記推力発生手段の駆動にて前記くさびを前記くさびガイドに対して摺動させることにより、その推力発生手段からの推力をそれらくさびガイドによって横方向拡幅力に変換し、この横方向拡幅力により岩盤を破壊して割岩作業を行えるように構成される岩盤破砕用くさび装置において、
前記くさびおよびくさびガイドのそれぞれの摺動面に、銅または銅合金マトリックスに硬質粒子が分散されてなる複合組織を備える摺動材を設けてなり、前記硬質粒子は、その粒径が０．２ｍｍ以上６ｍｍ以下で、その含有率が３０体積％以上８０体積％以下であることを特徴とする岩盤破砕用くさび装置。 - 前記くさびおよびくさびガイドにおけるそれぞれの摺動面の摺動範囲には、前記摺動材が全面に配置されている請求項１に記載の岩盤破砕用くさび装置。
- 前記くさびおよびくさびガイドにおける摺動面のうち、一方の摺動面の摺動範囲には、前記摺動材が全面に配置されるとともに、他方の摺動面の摺動範囲には、前記摺動材が断続的に配置されている請求項１に記載の岩盤破砕用くさび装置。
- 前記くさびおよびくさびガイドにおけるそれぞれの摺動面の摺動範囲には前記摺動材が部分的に設けられ、前記くさびガイドに対して前記くさびが摺動する際に、前記くさびに部分的に設けられる前記摺動材の少なくとも一部が、前記くさびガイドに部分的に設けられる前記摺動材と常に摺接するように、それら摺動材の配置が設定されている請求項１に記載の岩盤破砕用くさび装置。
- 推力発生手段からの推力を受けるくさびと、このくさびを挟むように配される一対のくさびガイドを備え、前記推力発生手段の駆動にて前記くさびを前記くさびガイドに対して摺動させることにより、その推力発生手段からの推力をそれらくさびガイドによって横方向拡幅力に変換し、この横方向拡幅力により岩盤を破壊して割岩作業を行えるように構成される岩盤破砕用くさび装置に用いられるくさびであって、
前記くさびガイドに摺接する摺動面に、銅または銅合金マトリックスに硬質粒子が分散されてなる複合組織を備える摺動材を設けてなり、前記硬質粒子は、その粒径が０．２ｍｍ以上６ｍｍ以下で、その含有率が３０体積％以上８０体積％以下であることを特徴とする岩盤破砕用くさび装置に用いられるくさび。 - 推力発生手段からの推力を受けるくさびと、このくさびを挟むように配される一対のくさびガイドを備え、前記推力発生手段の駆動にて前記くさびを前記くさびガイドに対して摺動させることにより、その推力発生手段からの推力をそれらくさびガイドによって横方向拡幅力に変換し、この横方向拡幅力により岩盤を破壊して割岩作業を行えるように構成される岩盤破砕用くさび装置に用いられるくさびガイドであって、
前記くさびに摺接する摺動面に、銅または銅合金マトリックスに硬質粒子が分散されてなる複合組織を備える摺動材を設けてなり、前記硬質粒子は、その粒径が０．２ｍｍ以上６ｍｍ以下で、その含有率が３０体積％以上８０体積％以下であることを特徴とする岩盤破砕用くさび装置に用いられるくさびガイド。
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