JP5066845B2 - 油圧シリンダ - Google Patents

Description

本発明は、油圧シリンダに関するものである。

一般的に、油圧シリンダには、ピストンとシリンダとの間の環状隙間を封止するシール部材が設けられている。図５は従来例に係る油圧シリンダに備えられるシーリングシステムを示す模式的断面図である。

図５に示す従来例に係るシーリングシステムは、相対的に往復移動する２部材（図示の例では、ピストン４００とシリンダ５００）間の環状隙間を封止するものである。このシーリングシステムは、油が密封された側（Ｏ）から大気側（Ａ）に向かって、バッファリング１００，ロッドシール２００，ダストシール３００の順に配置された３つのシール部材から構成されている。バッファリング１００は、主として密封対象である油の圧力（油圧）を緩衝する機能を発揮し、ロッドシール２００は、主として油の漏れを防止する機能を発揮し、ダストシール３００は、主として外部からのダストの侵入を防止する機能を発揮する。

このようなシーリングシステムを備える油圧シリンダにおいては、ピストン４００がシリンダ５００に設けられた軸孔の内周面に対して微小なクリアランスＳを有するように挿入され、各シール部材（バッファリング１００，ロッドシール２００，ダストシール３００）は、軸孔内周に設けられた各環状溝内に配置される。

ここで、例えばブレーカーのように、ピストンとシリンダが高速で相対的な往復移動を行い、かつ油圧が高圧となる環境下で用いられる油圧シリンダにおいては、油がシール部材の配置された環状溝からクリアランスに入り込む際に、キャビテーションが発生する。図５に示すシーリングシステムにおいては、Ｘで示す部分（３箇所）にキャビテーションが発生し得る。

このようなキャビテーションが発生すると、気泡の崩壊によるキャビテーション衝撃波などにより、キャビテーションが発生する付近に瞬間的に非常に高い圧力が発生する。これにより、シール部材におけるシールリップの先端付近に虫食い状の欠損が発生し、密封性能が低下してしまう問題がある。ブレーカーのように、非常に厳しい環境下で用いられるシーリングシステムにおいては、シール部材は消耗品として適時交換されることが前提となっているものの、シール部材の耐久寿命をより長くすることが求められている。
特開２００４−０２８１６０号公報

本発明の目的は、キャビテーションを起因とするシール部材の劣化を抑制または防止することにより、耐久性の向上を図った油圧シリンダを提供することにある。

本発明は、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。

すなわち、本発明の油圧シリンダは、
軸孔を有するシリンダと、
前記軸孔内に、軸孔の内周面に対してクリアランスを有するように挿入されるピストンと、
前記軸孔の内周に形成されたバッファリング用の環状溝内に配置されるバッファリングと、前記軸孔の内周に形成されたロッドシール用の環状溝内に配置されるロッドシールと、を備え、前記軸孔内周とピストンとの間の環状隙間を封止するシーリングシステムと、を備え、
前記ピストンの動きに伴って、前記クリアランス部分でキャビテーションが発生し得る、ブレーカーに備えられる油圧シリンダにおいて、
前記バッファリング用の環状溝の側壁面のうち内周端側の一部を前記バッファリングの配置領域よりも外側に拡げ、かつその内周面と前記ピストン外周面との距離が前記クリアランスよりも大きく、前記バッファリングに備えられるリップ先端の肉厚よりも小さな拡張部を設け、該拡張部により形成された空間分だけ、キャビテーションが発生する位置から前記バッファリングまでの距離を長くすると共に、
前記ロッドシール用の環状溝の側壁面のうち内周端側の一部を前記ロッドシールの配置領域よりも外側に拡げ、かつその内周面と前記ピストン外周面との距離が前記クリアランスよりも大きく、前記ロッドシールに備えられるリップ先端の肉厚よりも小さな拡張部を設け、該拡張部により形成された空間分だけ、キャビテーションが発生する位置から前記ロッドシールまでの距離を長くしたことを特徴とする。

本発明によれば、拡張部により形成された空間分だけ、キャビテーションが発生する位置からシール部材までの距離が長くなったので、キャビテーションを起因とするシール部材の劣化を抑制することができる。

以上説明したように、本発明によれば、キャビテーションを起因とするシール部材の劣化を抑制または防止することができ、耐久性の向上を図ることができる。

以下に図面を参照して、この発明を実施するための最良の形態を、実施例に基づいて例示的に詳しく説明する。ただし、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

（実施例）
図１〜図４を参照して、本発明の実施例に係る油圧シリンダについて説明する。

＜油圧シリンダ＞
図１を参照して、本発明の実施例に係る油圧シリンダの構成について説明する。なお、ここでは、一例として油圧シリンダがブレーカーに適用された場合を例にして説明する。図１は本発明の実施例に係る油圧シリンダが適用されたブレーカーの模式的断面図である。

ブレーカー３０は、軸孔を有する筒状のシリンダ３１と、このシリンダ３１の軸孔内に、軸孔の内周面に対してクリアランスを有するように挿入されるピストン３２とを備えている。ピストン３２の先端には、コンクリートや岩盤を粉砕するためのチゼル（ロッド）３３が設けられている。

そして、シリンダ３１の先端側には筒状のフロントヘッド３４が同軸的に固定されている。このフロントヘッド３４の内側に、チゼル３３が往復移動自在に設けられており、フロントヘッド３４の内部には、チゼル３３からの衝撃を受けるため、スラストリングやスラストブッシュが組み込まれている。また、シリンダ３１の後端側には有底筒状のバックヘッド３５が同軸的に固定されている。このバックヘッド３５には、油圧の取出口やガスの吸気弁が組み込まれており、内部には窒素ガスＧが充填されている。

また、ブレーカー３０には、ピストン３２の往復移動の制御を行うためのコントロールバルブ３６や、シリンダ３１内に設けられた油圧回路の圧力補償及び脈動防止を行い、内部には高圧の窒素ガスが充填されたアキュムレータ３７も備えられている。

そして、シリンダ３１に設けられた軸孔とピストン３２との間の環状隙間を封止するために、後端側と先端側にそれぞれ第１シーリングシステム１０と第２シーリングシステム
２０が設けられている。なお、図１においては、これら第１シーリングシステム１０と第２シーリングシステム２０は簡略的に示している。そして、これら第１シーリングシステム１０と第２シーリングシステム２０の間には、油Ｏが封じ込められている。第１シーリングシステム１０は、この油Ｏの漏れを防止するとともに、上述した窒素ガスＧの漏れを防止する役割を担うものである。また、第２シーリングシステム２０は、油Ｏの漏れを防止すると共に、外部からのダストの侵入を防止する役割を担うものである。

以上のように構成されたブレーカー３０においては、油圧とガス圧により、ピストン３２と共に杭状のチゼル３３を軸方向に高速で往復移動させて、チゼル３３の先端を破壊対象（コンクリートや岩盤など）に打ち付けることで、破壊対象を粉砕することができる。なお、油圧によりガスを圧縮し、ガスの反発力を利用することによって、ピストン３２及びチゼル３３を破壊対象に向けて高速（例えば、１０ｍ／ｓ）で移動させることができる。

＜第１シーリングシステム＞
特に、図２を参照して、第１シーリングシステム１０について更に詳細に説明する。図２は本発明の実施例に係る第１シーリングシステムを示す模式的断面図である。第１シーリングシステム１０は、バッファリング１１とロッドシール１２とから構成される。バッファリング１１は、断面略Ｕ字形状のシール本体１１ａと、シール本体１１ａの低圧側（ガス側Ｇ）の内周端部のクリアランスＳへのはみ出しを防止するバックアップリング１１ｂとを備えている。ロッドシール１２も同様に、断面略Ｕ字形状のシール本体１２ａと、シール本体１２ａの低圧側の内周端部のクリアランスＳへのはみ出しを防止するバックアップリング１２ｂとを備えている。

バッファリング１１は、主として密封対象である油の圧力（油圧）を緩衝する機能を発揮し、ロッドシール１２は、主として油の漏れを防止する機能を発揮する。そして、これらバッファリング１１とロッドシール１２により構成される第１シーリングシステム１０によって、窒素ガスが充填されている側（Ｇ）への油漏れを防止すると共に、油が封止されている側（Ｏ）への窒素ガスの漏れを防止する。

また、これらバッファリング１１とロッドシール１２は、シリンダ３１に設けられた軸孔の内周に形成された環状溝３１ａ，３１ｂ内に、それぞれ配置される。ここで、バッファリング１１が配置される環状溝３１ａにおける油が封止されている側（Ｏ）の側壁面３１ａ１の内周側端部付近には、環状の溝形状の切欠３１ａ２が設けられている。この切欠３１ａ２により、側壁面３１ａ１の内周端側の一部が、バッファリング１１の配置領域よりも外側に拡がった構成となっている（拡張部）。また、ロッドシール１２が配置される環状溝３１ｂについても同様に、油が封止されている側（Ｏ）の側壁面３１ｂ１の内周側端部付近には、環状の溝形状の切欠３１ｂ２が設けられている。この切欠３１ｂ２により、側壁面３１ｂ１の内周端側の一部が、ロッドシール１２の配置領域よりも外側に拡がった構成となっている（拡張部）。

＜第２シーリングシステム＞
特に、図３を参照して、第２シーリングシステム２０について更に詳細に説明する。図３は本発明の実施例に係る第２シーリングシステムを示す模式的断面図である。第２シーリングシステム２０は、バッファリング２１とロッドシール２２とダストシール２３とから構成される。バッファリング２１とロッドシール２２については、上述した第１シーリングシステムのものと基本的に同一の構成及び同一の機能であるので、その説明は省略する。

ダストシール２３は、オイルリップとダストリップを一体的に備えたシール本体２３ａ
と、補強環２３ｂとを備えている。このダストシール２３は、主として外部からのダストの侵入を防止する機能を発揮する。

これらバッファリング２１とロッドシール２２とダストシール２３により構成される第２シーリングシステム２０によって、外部側（Ａ）への油漏れを防止すると共に、油が封止されている側（Ｏ）へのダストの侵入を防止する。

また、これらバッファリング２１とロッドシール２２とダストシール２３は、シリンダ３１に設けられた軸孔の内周に形成された環状溝３１ｃ，３１ｄ，３１ｅ内に、それぞれ配置される。ここで、バッファリング２１が配置される環状溝３１ｃにおける油が封止されている側（Ｏ）の側壁面３１ｃ１の内周側端部付近には、環状の溝形状の切欠３１ｃ２が設けられている。この切欠３１ｃ２により、側壁面３１ｃ１の内周端側の一部が、バッファリング２１の配置領域よりも外側に拡がった構成となっている（拡張部）。また、ロッドシール２２が配置される環状溝３１ｄについても同様に、油が封止されている側（Ｏ）の側壁面３１ｄ１の内周側端部付近には、環状の溝形状の切欠３１ｄ２が設けられている。この切欠３１ｄ２により、側壁面３１ｄ１の内周端側の一部が、ロッドシール２２の配置領域よりも外側に拡がった構成となっている（拡張部）。また、ダストシール２３が配置される環状溝３１ｅについても同様に、油が封止されている側（Ｏ）の側壁面３１ｅ１の内周側端部付近には、環状の溝形状の切欠３１ｅ２が設けられている。この切欠３１ｅ２により、側壁面３１ｅ１の内周端側の一部が、ダストシール２３の配置領域よりも外側に拡がった構成となっている（拡張部）。

＜本実施例の優れている点＞
特に、図４を参照して、本実施例に係る油圧シリンダの優れている点について説明する。図４は本発明の実施例に係る油圧シリンダにおいてキャビテーションが発生する付近の様子を示す模式的断面図である。なお、上述した各シール部材（バッファリング，ロッドシール，ダストシール）におけるリップ先端付近（キャビテーションが発生する付近）の構造はほぼ同様の構成となっており、図４はこれらの構造を模式的に示したものである。

図４中、Ｒはリップ先端を示したもので、上記のバッファリング１１，２１における内周側のシールリップ先端，ロッドシール１２，２２における内周側のシールリップ先端、及びダストシール２３におけるオイルリップ先端にそれぞれ相当する。また、図中、Ｗは各シール部材が配置される環状溝における油が封止されている側（Ｏ）の側壁面を示したもので、上記の側壁面３１ａ１，３１ｂ１，３１ｃ１，３１ｄ１，３１ｅ１にそれぞれ相当する。また、図中、Ｅは側壁面の内周側端部付近に設けられる切欠を示したもので、上記の切欠３１ａ２，３１ｂ２，３１ｃ２，３１ｄ２，３１ｅ２にそれぞれ相当する。

本実施例においては、側壁面Ｗの内周側端部付近に切欠Ｅを設けたことにより、この切欠Ｅにより形成された空間分（軸方向については図中Ｌ分）だけ、キャビテーションが発生する位置（図中、Ｘで示す部分）からシール部材（特に、キャビテーションの影響を受けるリップ先端）までの距離を長くすることができる。これにより、キャビテーションを起因とするシール部材（特にリップ先端）の劣化を抑制または防止することができる。

ここで、切欠Ｅの寸法に関して、更に詳細に説明する。本実施例においては、シリンダ３１の軸孔とピストン３２との間のクリアランスをｔ１，環状の溝形状の切欠Ｅの内周面とピストン３２の外周面との間の距離をｔ２，リップ先端Ｒの先端部分の肉厚をｔ３とした場合に、ｔ１＜ｔ２＜ｔ３を満たすように設定されている。

まず、ｔ１＜ｔ２と設定する理由について説明する。キャビテーションは、流速が非常に速くなる箇所で、液体（油）の圧力が局部的に液温の飽和圧力より低くなるために発生
する。すなわち、油圧シリンダにおいては、ピストンと共に移動する油（ピストン表面付近の油）が、シール部材が配置された環状溝の部分から、シリンダの軸孔とピストンとの間のクリアランスの部分に入り込む際に、流速が急激に速くなることによって、当該部分にてキャビテーションが発生する。

本実施例において切欠Ｅを設けた目的は、上記の通り、キャビテーションが発生する位置を、リップ先端Ｒから遠ざけることにある。そのため、切欠Ｅを設けている部分でキャビテーションが発生しては意味がないので、必然的にｔ１＜ｔ２を満たす必要がある。なお、ｔ２は、単にｔ１より大きくすれば良いというわけではなく、上記の目的を達成するために、ブレーカー３０の使用状態において、キャビテーションが発生しない程度の大きさにする必要がある。これにより、図４に示すように、ピストン表面付近の油がピストンと共に矢印Ａ方向に流れる場合において、クリアランスＳに入り込む部分（Ｘ）でキャビテーションが発生する。従って、キャビテーションが発生する位置（Ｘ）からリップ先端Ｒまでの距離を少なくともＬだけ長くすることができる。

次に、ｔ２＜ｔ３と設定する理由について説明する。シーリングシステムが設けられている位置においては、油が封止されている側（Ｏ）の方が、その反対側（窒素ガスが充填されている側（Ｇ）や外部側（Ａ））に比べて高圧であるため、バッファリングやロッドシールは、図２や図３に示すように、環状溝内において、窒素ガスが充填されている側（Ｇ）や外部側（Ａ）に位置する。しかしながら、何らかの影響により、バッファリングやロッドシールが、油が封止されている側（Ｏ）に移動する場合がある。そのため、リップ先端Ｒが切欠Ｅ内に入り込んでしまわないように、ｔ２＜ｔ３と設定する必要がある。なお、図３に示すダストシール２３の場合には、補強環２３ｂが環状溝の内周面に圧入により、強固に嵌着されているため、流体圧力によりダストシール２３が移動してしまうおそれはない。従って、ｔ２＜ｔ３にしなくても特に問題はない。

また、切欠Ｅにおける軸方向の長さＬについて説明する。この軸方向の長さＬを大きくすればするほど、キャビテーションの発生する位置からシール部材までの距離を長くすることができるため、長さＬは大きいほうが望ましい。そのため、シリンダの大きさや素材に応じて、各シール部材が配置される環状溝間の壁部分の強度が適正に保たれる範囲で、長さＬをできるだけ大きくするのが好適である。

ただし、キャビテーションの発生に伴って発生する圧力は非常に高いが、エネルギーは大きくないため、キャビテーションによって受ける影響は、キャビテーション発生位置の極近傍である。そのため、上述した長さＬをあまり長く確保することができない場合であっても、キャビテーションを起因とするシール部材の劣化を効果的に抑制することが期待できる。

＜その他＞
上述の実施例においては、拡張部としての切欠が、断面矩形のもの（環状の溝形状のもの）を示した。ただし、この拡張部（切欠）の形状は、これに限られるものではない。例えば、環状溝の側壁面の内周端縁にＣ面（テーパ面）やＲ面などの面取りを施すことで、断面形状が三角形や略三角形の拡張部を設けることもできる。

図１は本発明の実施例に係る油圧シリンダが適用されたブレーカーの模式的断面図である。 図２は本発明の実施例に係る第１シーリングシステムを示す模式的断面図である。 図３は本発明の実施例に係る第２シーリングシステムを示す模式的断面図である。 図４は本発明の実施例に係る油圧シリンダにおいてキャビテーションが発生する付近の様子を示す模式的断面図である。 図５は従来例に係る油圧シリンダに備えられるシーリングシステムを示す模式的断面図である。

符号の説明

１０ 第１シーリングシステム
１１ バッファリング
１１ａ シール本体
１１ｂ バックアップリング
１２ ロッドシール
１２ａ シール本体
１２ｂ バックアップリング
２０ 第２シーリングシステム
２１ バッファリング
２２ ロッドシール
２３ ダストシール
２３ａ シール本体
２３ｂ 補強環
３０ ブレーカー
３１ シリンダ
３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄ，３１ｅ 環状溝
３１ａ１，３１ｂ１，３１ｃ１，３１ｄ１，３１ｅ１ 側壁面
３１ａ２，３１ｂ２，３１ｃ２，３１ｄ２，３１ｅ２ 切欠
３２ ピストン
３３ チゼル
３４ フロントヘッド
３５ バックヘッド
３６ コントロールバルブ
３７ アキュムレータ
Ｅ 切欠
Ｇ 窒素ガス
Ｏ 油
Ｒ リップ先端
Ｓ クリアランス
Ｗ 側壁面

Claims (1)

1. 軸孔を有するシリンダと、
   前記軸孔内に、軸孔の内周面に対してクリアランスを有するように挿入されるピストンと、
   前記軸孔の内周に形成されたバッファリング用の環状溝内に配置されるバッファリングと、前記軸孔の内周に形成されたロッドシール用の環状溝内に配置されるロッドシールと、を備え、前記軸孔内周とピストンとの間の環状隙間を封止するシーリングシステムと、を備え、
   前記ピストンの動きに伴って、前記クリアランス部分でキャビテーションが発生し得る、ブレーカーに備えられる油圧シリンダにおいて、
   前記バッファリング用の環状溝の側壁面のうち内周端側の一部を前記バッファリングの配置領域よりも外側に拡げ、かつその内周面と前記ピストン外周面との距離が前記クリアランスよりも大きく、前記バッファリングに備えられるリップ先端の肉厚よりも小さな拡張部を設け、該拡張部により形成された空間分だけ、キャビテーションが発生する位置から前記バッファリングまでの距離を長くすると共に、
   前記ロッドシール用の環状溝の側壁面のうち内周端側の一部を前記ロッドシールの配置領域よりも外側に拡げ、かつその内周面と前記ピストン外周面との距離が前記クリアランスよりも大きく、前記ロッドシールに備えられるリップ先端の肉厚よりも小さな拡張部を設け、該拡張部により形成された空間分だけ、キャビテーションが発生する位置から前記ロッドシールまでの距離を長くしたことを特徴とする油圧シリンダ。

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