JP6833021B2 - シール構造 - Google Patents

Description

本発明は、掘削機においてビット取付軸とビットとの間に設けられるシール構造に関する。

掘削機において、ビット用のシール材の寿命を向上させる技術が、たとえば、米国特許出願公開第２００８／０１１５１８号明細書（特許文献１）、米国特許出願公開第２０１２／３１２６０２号明細書（特許文献２）、中国特許出願公開第１０１６２９４７５号明細書（特許文献３）、中国特許出願公開第１０２７４７９６１号明細書（特許文献４）、中国特許出願公開第１０２７４７９６２号明細書（特許文献５）、および中国実用新案公告第２０１７８６２６２号明細書（特許文献６）に開示されている。

米国特許出願公開第２００８／０１１５１８号明細書 米国特許出願公開第２０１２／３１２６０２号明細書 中国特許出願公開第１０１６２９４７５号明細書 中国特許出願公開第１０２７４７９６１号明細書 中国特許出願公開第１０２７４７９６２号明細書 中国実用新案公告第２０１７８６２６２号明細書

上記各文献に開示されるシール構造において、潤滑性および耐摩耗性等を向上させ、シール材の寿命向上を図っているが、シール材のさらなる高寿命化が求められている。

本発明の目的は、シール材の寿命を向上させることができるシール構造を提供することである。

本発明に係るシール構造は、環状のシール材を備える。シール材は、軸と筐体との間の摺動隙間において筐体に形成されるシール溝に配置される。シール材は、高圧側と低圧側とを仕切る。筐体は、低圧側面部および溝底部を有する。低圧側面部は、シール溝の低圧側の側面を構成する。低圧側面部は、軸の軸方向に平行であって軸の中心線を通る仮想平面におけるシール構造の断面において、軸方向に直交する方向に沿って延びる。溝底部は、シール溝の底面を構成する。溝底部は、上記断面において軸方向に沿って延びる。シール材は、本体部、および第１の突出部を含む。本体部は、低圧側面部と接触する底面を有する。第１の突出部は、本体部から突出し低圧側に近づくにつれて軸に近づくように延びる形状を有する。第１の突出部は、第１の突出部において低圧側に最も近い位置に設けられている先端部を有する。シール材がシール溝に配置され軸および溝底部に押圧されている状態において、第１の突出部は、軸に接触する接触領域を有する。先端部は、接触領域よりも低圧側に近い位置に設けられている。

上記のシール構造によると、シール材と軸との間の摺動性を向上させることができ、軸とシール材との間の摺動熱を抑制することができる。これにより、シール材の寿命を向上させることができる。

上記のシール構造において、上記断面における接触領域は、接触領域の高圧側に最も近い位置に上端接触部を有する。上記断面における第１の突出部は、境界部を有する。境界部は、本体部と第１の突出部との境目であって低圧側面部に最も近い位置に設けられる。境界部は、上端接触部よりも低圧側に近い位置に設けられる。上端接触部を通り軸方向に直交する直線と、境界部を通り軸方向に直交する直線との距離をＸ［ｍｍ］とした場合、０．５５≦Ｘ≦０．６８を満たす。

上記のシール材構造によると、シール材のシール性を確保しつつ、シール材の寿命を向上させることができる。

上記のシール構造において、シール材は、本体部から突出し溝底部に接触する第２の突出部をさらに含む。これにより、軸とシール材との間に発生する摺動熱を抑制することができる。

上記のシール構造において、上記断面における本体部は、軸方向に沿う第２の中心線に関して対称な形状を有する。第１の突出部および第２の突出部は、第２の中心線に関して対称である。これにより、製造コストを抑制することができる。

本発明によれば、シール材の寿命を向上させることができるシール構造を実現することができる。

掘削機におけるビットとビット取付軸との関係を示す断面図である。 実施の形態１に従うシール溝に設けられるシール材の平面図である。 図２に示すＡ−Ａ線に沿うシール材の断面図である。 軸方向に平行であって軸の中心線を通る仮想平面における実施の形態１に従うシール構造の断面を示した概略図である。 接触領域における面圧の分布を概略的に示すグラフである。 軸方向に平行であって軸の中心線を通る仮想平面における実施の形態２に従うシール構造の断面を示した概略図である。 軸方向に平行であって軸の中心線を通る仮想平面における実施の形態３に従うシール構造の断面を示した概略図である。 軸方向に平行であって軸の中心線を通る仮想平面における実施の形態１に従うシール構造の断面のシール溝および軸の各寸法を示す概略図である。 軸方向に平行であって軸の中心線を通る仮想平面における実施の形態１に従うシール構造の断面のシール材の各寸法を示す概略図である。 各種のシール材に対する評価結果を示す表である。

以下、図面に基づいて、各実施の形態におけるシール構造について説明する。以下に示す実施の形態において、同一または実質的に同一の構成については、同一の符号を付して、重複した説明は繰り返さない。以下で説明される実施の形態の各構成は、適宜選択的に組み合わされてもよい。

（実施の形態１）
＜ビット２＞
図１を参照して、本実施の形態１におけるシール構造１が採用される掘削機の先端に設けられるビット２とビット取付軸３Ａについて説明する。図１は、掘削機におけるビット２とビット取付軸３Ａとを示す断面図である。ビット取付ベース３に設けられたビット取付軸３Ａに、ビット２が高速回転可能に装着されている。ビット２には、筒状の挿入孔９が設けられている。挿入孔９には、球状ベアリング６が設けられている。ビット取付軸３Ａは、球状ベアリング６に挿入されている。挿入孔９とビット取付軸３Ａとの間には、潤滑油４，５が保持されている。

ビット取付軸３Ａの根本近傍領域においては、ビット２の挿入孔９の内周面に環状に設けられ、シール材１０が配置されるシール溝３１が設けられている。

ビット２には、泥水の流力を動力としてビット２を回転中心軸ＣＬ１を中心軸として回転させる、いわゆるダウンホール・モーター（マッド・モーター）機構が採用されている。

たとえばビット取付軸３Ａの直径がφ５５ｍｍ程度の場合、ビット２の回転領域は、低速域回転（１００〜２００ｒｐｍ）、中速域回転（２００〜５００ｒｐｍ）、および、高速域回転（５００ｒｐｍ以上）に分けることができる。本実施の形態においては、中速域回転用（２００〜５００ｒｐｍ）の構成を想定している。

（シール材１０）
図２は、実施の形態１に従うシール溝３１に設けられるシール材１０の平面図である。図３は、図２に示すＡ−Ａ線に沿うシール材１０の断面図である。図２および図３を参照しシール材１０について説明する。

シール材１０は、環状の形状を有している。シール材１０は、本体部１２、第１の突出部１１および第２の突出部１７を含む。図３中の２点鎖線はそれぞれ、本体部１２と第１の突出部１１との境目および本体部１２と第２の突出部１７との境目を示している。

Ａ−Ａ線に沿う断面における本体部１２は、略矩形状であり、第２の中心線Ｃ２に関して対称な形状である。本体部１２は、底面１３を有する。シール材１０がシール溝３１に配置されている状態において、底面１３は、シール溝３１と接触している。

第１の突出部１１および第２の突出部１７は、本体部１２から突出する形状を有している。第１の突出部１１および第２の突出部１７は、第２の中心線Ｃ２に関して対称である。第１の突出部１１および第２の突出部１７の詳細については後述する。

シール材１０は、たとえば水素添加ニトリルゴム（ＨＮＢＲ）で構成される。シール材１０には、ＨＮＢＲ以外にも、エラストマー材料にナノ材料を混合しエラストマー自体の特性を向上させた材料を用いてもよい。シール材１０のショアＡ硬さは、たとえば９０である。

実施の形態１におけるシール材１０は、後述する軸２０と筐体３０との間の摺動隙間において、筐体３０に形成されたシール溝３１に配置される。

図４は、軸方向ＤＲ１に平行であって軸２０の中心線Ｃ１を通る仮想平面における実施の形態１に従うシール構造１の断面を示した概略図である。実施の形態１において軸２０は、ビット取付軸３Ａである。実施の形態１において筐体３０は、ビット２である。軸方向ＤＲ１は、軸２０が延びる方向であって、図４の紙面上における上下方向である。

軸２０と筐体３０との摺動隙間において、シール溝３１よりも上側が泥水および砂等が侵入しようとする高圧側、シール溝３１よりも下側が球状ベアリング６が配置されている低圧側である。シール材１０は、高圧側と低圧側とを仕切っている。シール材１０は、高圧側からの泥水および砂等の侵入を抑制し、球状ベアリング６の破損を抑制する。

（筐体３０）
筐体３０に設けられるシール溝３１は、低圧側面部３２、高圧側面部３４および溝底部３３を有する。低圧側面部３２は、シール溝３１の低圧側の側面を構成する。低圧側面部３２は、上記断面において軸方向ＤＲ１に直交する方向に沿って延びる。高圧側面部３４は、シール溝３１の高圧側の側面を構成する。高圧側面部３４は、上記断面において軸方向ＤＲ１に直交する方向に沿って延びる。

溝底部３３は、シール溝３１の底面を構成する。溝底部３３は、軸方向ＤＲ１に沿って延びる。溝底部３３は、溝底部３３の一方の端部において、高圧側面部３４と繋がっている。溝底部３３は、溝底部３３の他方の端部において、低圧側面部３２と繋がっている。

シール材１０は、軸２０とシール溝３１との間に囲われるように配置される。シール材１０がシール溝３１に配置されている状態において、シール溝３１の低圧側面部３２とシール材１０の底面１３とが接触している。

（第１の突出部１１）
図３に示すように、シール材１０がシール溝３１に配置されていない状態において、第１の突出部１１は、図４に示す低圧側に近づくにつれて軸２０に近づくように延びる形状を有する。

図４に示すように、シール材１０がシール溝３１に配置されている状態において、軸２０と第１の突出部１１とは接触している。第１の突出部１１は、軸２０に押圧されている。

シール材１０がシール溝３１に配置されている状態において、第１の突出部１１は、軸２０と接触する接触領域Ｓを有する。接触領域Ｓは、第１の突出部１１が軸２０より押圧されることで形成される。接触領域Ｓは、軸方向ＤＲ１において、接触領域Ｓの高圧側に最も近い位置に上端接触部１６を有する。接触領域Ｓは、上端接触部１６から図４中の下方向に延びている。

第１の突出部１１は、湾曲状の先端部１４を有する。先端部１４は、第１の突出部１１において、低圧側に最も近い位置に設けられている。先端部１４は、接触領域Ｓよりも低圧側に近い位置に設けられている。

第１の突出部１１は、本体部１２と第１の突出部１１との境目であって低圧側面部３２に最も近い位置に境界部１５を有する。境界部１５は、接触領域Ｓよりも、低圧側に近い位置に設けられる。

図５は、接触領域Ｓにおける面圧の分布を概略的に示すグラフである。図５の横軸は図４中の下方向における上端接触部１６からの距離を示す。図５の縦軸は第１の突出部１１と軸２０との間の面圧を示す。

グラフの原点は、上端接触部１６の位置であり、上端接触部１６から図４中の下方向に向かうにつれて上端接触部１６からの距離は大きくなる。上端接触部１６における面圧の大きさは０であり、上端接触部１６からの距離が大きくなるほど面圧は大きくなる。

第１の突出部１１は、低圧側に近づくにつれて軸２０に近づくように延びる形状を有しているため、低圧側に近くなるほど、軸２０によって押圧されることによる第１の突出部１１の撓み量が大きくなる。撓み量が大きいほど第１の突出部１１が元の形状に戻ろうとする反発力も大きくなる。そのため、低圧側に近くなるほど（上端接触部１６からの距離が大きくなるほど）、第１の突出部１１と軸２０との間の面圧が大きくなる。

上端接触部１６付近の面圧は小さいため、高圧側から泥水が上端接触部１６付近に侵入する。しかし、上端接触部１６から低圧側に近づくにつれて、軸２０と第１の突出部１１との間の面圧が大きくなるため、上端接触部１６からの距離が一定値の位置において、高圧側の圧力と面圧とが等しくなる。そのため、上端接触部１６からの距離が一定値を超えた接触領域Ｓにおいて、泥水の侵入を抑制する。

接触領域Ｓにおける一定の位置（上端接触部１６からの距離が一定値以下の位置）まで泥水を侵入させることにより、シール材１０と軸２０との間の摺動性を向上させることができる。さらに、泥水によりシール材１０が冷却されるため、軸２０とシール材１０との間の摺動熱を抑制することができる。これにより、シール材１０の寿命を向上させることができる。

（第２の突出部１７）
図３に示すように、シール材１０がシール溝３１に配置されていない状態において、第２の突出部１７は、図４に示す低圧側に近づくにつれて軸２０から離れるように延びる形状を有する。

図４に示すように、シール材１０がシール溝３１に配置されている状態において、溝底部３３と第２の突出部１７とが接触している。第２の突出部１７は、溝底部３３に押圧されている。

第２の突出部１７を設けることで、シール材１０が軸２０に押圧されても、領域Ｙの存在により、シール材１０が溝底部３３に向かう方向に動くことが可能となる。シール材１０の逃げ代を確保することにより、軸２０がシール材１０を押圧する力が大きくなることを抑制することができる。これにより、軸２０とシール材１０との間に発生する摺動熱を抑制することができる。したがって、シール材１０の寿命を向上させることができる。

実施の形態１において、第１の突出部１１および第２の突出部１７は、軸方向ＤＲ１に沿う第２の中心線Ｃ２に関して対称である。実施の形態１においては、第１の突出部１１が泥水等をシールするシール部として機能しているが、第２の突出部１７が第１の突出部１１と同様の形状を有していることから、たとえばピストンに用いられるシール構造に、第２の突出部１７をシール部として機能するように用いることもできる。

第２の突出部１７を第２の中心線Ｃ２に関して第１の突出部１１と対称に設けることで、複数の用途でシール材１０を使用することができるため、製造コストを抑制することができる。

（実施の形態２）
図６は、軸方向ＤＲ１に平行であって軸２０の中心線Ｃ１を通る仮想平面における実施の形態２に従うシール構造１の断面を示した概略図である。実施の形態１と異なり、実施の形態２に従う第２の突出部１７は、第１の突出部１１と線対称に設けられていない。

実施の形態２に従うシール材１０においても、実施の形態１に従うシール材１０と同様に、軸２０とシール材１０との間の摺動性を向上させ、シール材１０を冷却して摺動熱を抑制させることによる、シール材１０の寿命向上効果が得られる。

（実施の形態３）
図７は、軸方向ＤＲ１に平行であって軸２０の中心線Ｃ１を通る仮想平面における実施の形態３に従うシール構造１の断面を示した概略図である。実施の形態１と異なり、第２の突出部１７が設けられていない。

実施の形態３に従うシール材１０においても、実施の形態１に従うシール材１０と同様に、軸２０とシール材１０との間の摺動性を向上させ、シール材１０を冷却して摺動熱を抑制させることによる、シール材１０の寿命向上効果が得られる。

発明者は研究を進めていく中で、シール材１０の寸法とシール溝３１の寸法との関係がシール材１０のシール性および寿命に大きく影響を与えることを見出した。寸法の異なる各種のシール材１０を用いて、それぞれのシール材１０に対する性能評価を実施した。

図８は、軸方向ＤＲ１に平行であって軸２０の中心線Ｃ１を通る仮想平面における実施の形態１に従うシール構造１の断面のシール溝３１および軸２０の各寸法を示す概略図である。溝底部３３から軸２０までの長さをＷ［ｍｍ］、溝底部３３の軸方向ＤＲ１における長さをＧ［ｍｍ］、軸２０の直径をＤ［ｍｍ］とする。

図９は、軸方向ＤＲ１に平行であって軸２０の中心線Ｃ１を通る仮想平面における実施の形態１に従うシール構造１の断面のシール材１０の各寸法を示す概略図である。上端接触部１６を通り軸方向ＤＲ１に直交する直線と、境界部１５を通り軸方向ＤＲ１に直交する直線との距離をＸ［ｍｍ］とする。シール材１０の軸方向ＤＲ１における高さをＨ［ｍｍ］、第１の突出部１１が延びる方向と第２の突出部１７が延びる方向とが成す角をθ［°］とする。

上端接触部１６を通り軸方向ＤＲ１に直交する直線と第２の突出部１７とが交わる点Ｐから上端接触部１６までの軸方向ＤＲ１における長さＷは、図８に示すＷに相当する。Ｗが小さくなるほど、Ｘは大きくなる。Ｘは、Ｗに依存している。

実施の形態１に従うシール材１０において、寸法の異なる各種のシール材１０（実施例１から実施例３、比較例１）に対するシール材１０の発熱性、摩耗性、シール性、およびシール寿命についての評価を実施した。良好レベルのものを「良」、許容レベルのものを「可」、不可レベルのものを「不可」で示している。

（評価結果）
図１０は、各種のシール材１０に対する評価結果を示す表である。Ｘは、接触領域Ｓの長さに関係しており、Ｘが大きいほど接触領域Ｓの長さは長くなる。接触領域Ｓの長さが長くなると、シール材１０のシール性は向上する。実施例１から実施例３におけるシール材１０は、いずれも接触領域Ｓの長さが十分に長い（Ｘが大きい）ため、シール性の評価が「良」となっている。

比較例１におけるシール材１０は、接触領域Ｓの長さが短い（Ｘが小さい）ため、シール性の評価は「不可」となっている。評価開始から早い段階で漏れが発生したため、比較例１におけるシール材１０の発熱性、摩耗性、およびシール寿命の評価をすることができず、「評価不可」としている。

一方で、接触領域Ｓの長さが長い（Ｘが大きい）ほどシール性は向上するが、軸２０と第１の突出部１１との摺動熱が大きくなり、シール材１０の寿命が低下する。実施例３と実施例１とを比較すると、実施例３におけるシール材１０のＸは、実施例１におけるシール材１０のＸよりも小さい。そのため、実施例３におけるシール材１０は、実施例１におけるシール材１０よりも、寿命評価結果が良好となっている。

図１０より、シール材１０の寸法Ｘが、０．５５≦Ｘ≦０．６８の範囲内にあるときに、シール材１０のシール性を確保しつつシール材１０の寿命を向上できることがわかる。

シール材１０の寸法およびシール溝３１の寸法を適正に設定することで、シール性を確保しつつ、シール材１０の寿命を向上させることができる、シール構造１を実現することができる。

実施の形態１から実施の形態３において、先端部１４は湾曲状であったが、湾曲状でなくてもよい。

今回開示された実施の形態および実施例は全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

１ シール構造、１０ シール材、１１ 第１の突出部、１２ 本体部、１３ 底面、１４ 先端部、１５ 境界部、１６ 上端接触部、１７ 第２の突出部、２０ 軸、３０ 筐体、３１ シール溝、３２ 低圧側面部、３３ 溝底部、３４ 高圧側面部、Ｓ 接触領域、ＤＲ１ 軸方向、Ｃ１ 中心線、Ｃ２ 第２の中心線。

Claims (2)

1. 軸と筐体との間の摺動隙間において前記筐体に形成されるシール溝に配置され、高圧側と低圧側とを仕切る環状のシール材を備えるシール構造であって、
   前記筐体は、前記軸の軸方向に平行であって前記軸の中心線を通る仮想平面における前記シール構造の断面において、前記シール溝の前記低圧側の側面を構成し前記軸方向に直交する方向に沿って延びる低圧側面部、および前記シール溝の底面を構成し前記断面において前記軸方向に沿って延びる溝底部を有し、
   前記シール材は、前記低圧側面部と接触する底面を有する本体部、および前記本体部から突出し前記低圧側に近づくにつれて前記軸に近づくように延びる形状を有する第１の突出部を含み、
   前記第１の突出部は、前記第１の突出部において前記低圧側に最も近い位置に設けられている先端部を有し、
   前記シール材が前記シール溝に配置され前記軸および前記溝底部に押圧されている状態において、前記第１の突出部は、前記軸に接触する接触領域を有し、
   前記先端部は、前記接触領域よりも前記低圧側に近い位置に設けられ、
   前記断面における前記接触領域は、前記接触領域の前記高圧側に最も近い位置に上端接触部を有し、
   前記断面における前記第１の突出部は、前記本体部と前記第１の突出部との境目であって前記低圧側面部に最も近い位置に境界部を有し、
   前記境界部は、前記上端接触部よりも前記低圧側に近い位置に設けられ、
   前記上端接触部を通り前記軸方向に直交する直線と、前記境界部を通り前記軸方向に直交する直線との距離をＸ［ｍｍ］とした場合、０．５５ｍｍ≦Ｘ≦０．６８ｍｍを満たし、
   前記シール材は、前記本体部から突出し前記溝底部に接触する第２の突出部をさらに含む、シール構造。
2. 前記断面における前記本体部は、前記軸方向に沿う第２の中心線に関して対称な形状を有しており、
   前記第１の突出部および前記第２の突出部は、前記第２の中心線に関して対称である、請求項１に記載のシール構造。