JP2004092202A - 自動貫入試験機 - Google Patents

Abstract

【課題】構成簡単にして高速かつ正確な荷重変更を実現する自動貫入試験機の提供。
【解決手段】本発明は、立設された支柱２に沿って昇降可能な昇降台３と、この昇降台３に回転可能に設けられたチャックユニット６と、このチャックユニット６に保持される貫入ロッド７と、前記チャックユニット６を回転駆動可能なチャック用モータ５と、前記昇降台３を昇降操作するように設けられかつ所定の出力トルクを発揮するように正転または逆転駆動可能な昇降用モータ８と、この昇降用モータ８を所定の出力トルクを発揮するよう正転または逆転駆動制御する制御ユニット１５とを備えている。昇降用モータ８が所定の出力トルクで駆動することにより、昇降台３の下降に抵抗が加わり、昇降台３等の重量に基づく荷重が変更されるようになっている。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、地盤の硬軟を調査するための試験を行う自動貫入試験機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
スウェーデン式サウンディング試験方法またはこれに準じた試験方法を行う従来の自動貫入試験機としては、特開平８−２９２１４１号公報、特開平９−１１１７４５号公報に示されるものが知られている。この種の自動貫入試験機は、立設された支柱に沿って昇降可能な昇降台と、この昇降台に設けられ当該昇降台の昇降にともなって前記支柱に配置された係合部材たるチェーン部材に係合して回転する係合回転部材たるスプロケットと、このスプロケットを制動可能なパウダブレーキと、前記昇降台に設けられたチャックユニットと、このチャックユニットに保持される貫入ロッドと、前記チャックユニットを回転駆動可能なモータとを備えている。この構成により、チャックユニットに保持された貫入ロッドに昇降台等の重量に基づく荷重（荷重［Ｎ］＝昇降台等の重量［ｋｇ］×重力加速度［９．８０６６５ｍ／ｓ^２］）を負荷するとともに、必要に応じてモータを駆動して貫入ロッドを回転しつつ貫入ロッドを地中に貫入し、各深度における荷重値、貫入ロッドの半回転数（貫入ロッドの一回転を２としてカウントした回転回数）等の試験データを得るものである。
【０００３】
貫入ロッドに負荷される荷重は、必要に応じてパウダブレーキを制御し、これが発揮する制動力を調整することによって変更される。すなわち、パウダブレーキが所定の制動力でスプロケットを制動することにより、貫入ロッドには、昇降台等の重量に基づく荷重［単位：Ｎ］からスプロケットの制動にともなう抵抗力［単位：Ｎ］を減じた荷重が負荷されるのである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の自動貫入試験機においては、荷重制御にパウダブレーキを用いているため、パウダブレーキ及びその制御ユニット等が必要になり、自動貫入試験機の構造が複雑になり、コストアップに繋がっていた。また、パウダブレーキ専用の制御ユニットを設けていたため、自動貫入試験機の制御が複雑になる等の問題も発生していた。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題に鑑みて創成されたものであり、従来よりも構造を簡単になしかつ貫入ロッドに負荷される荷重変更を高速で行い得る自動貫入試験機の提供を目的とするものである。この目的を達成するため、本発明は、立設された支柱に沿って昇降可能な昇降台と、この昇降台に回転可能に設けられたチャックユニットと、このチャックユニットに保持される貫入ロッドと、前記チャックユニットを回転駆動可能な回転駆動手段と、前記昇降台を昇降操作するように設けられかつ所定の出力トルクを発揮するように正転または逆転駆動可能な昇降駆動手段と、この昇降駆動手段を所定の出力トルクを発揮するよう正転または逆転駆動制御する制御ユニットとを備えている。
【０００６】
また、本発明は、立設された支柱に沿って昇降可能な昇降台と、この昇降台に回転可能に設けられたチャックユニットと、このチャックユニットに保持される貫入ロッドと、前記チャックユニットを回転駆動可能な回転駆動手段と、前記昇降台に設けられ当該昇降台の昇降にともなって前記支柱に配置された係合部材に係合して回転する係合回転部材と、この係合回転部材を回転駆動可能に設けられかつ所定の出力トルクを発揮するように正転または逆転駆動可能な昇降駆動手段と、この昇降駆動手段を所定の出力トルクを発揮するよう正転または逆転駆動制御する制御ユニットとを備えているものでもある。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。
図１ないし図５において、１は本発明の第一実施形態に係る自動貫入試験機であり、立設された支柱２に沿って昇降可能に構成された昇降台３を有する。この昇降台３には、所定重量の錘４ａ，４ｂと、回転駆動手段の一例であるチャック用モータ５と、このチャック用モータ５の駆動を受けて回転可能なチャックユニット６と、このチャックユニット６に保持されて一体に回転可能に構成された貫入ロッド７と、昇降台３を昇降動作させるための昇降駆動手段の一例である昇降用モータ８と、前記支柱２の背面長手方向に配置された係合部材の一例であるチェーン部材２ａに噛合して回転可能な係合回転部材の一例であるスプロケット９と、このスプロケット９と一体に回転する支持軸１０とが配置されている。この昇降台３および昇降台３に配置された前述の装備の総重量により、前記貫入ロッド７には１ＫＮの荷重が負荷できるように構成されている。
【０００８】
前記貫入ロッド７は、チャックユニット６に保持されるロッド部７ａと、このロッド部７ａの先端に連結されたスクリューポイント７ｂとから成る。このスクリューポイント７ｂは、日本工業規格Ａ１２２１に従って構成されるものであり、長さ２００ｍｍに対して１回の捻りが加えられた尖鋭なドリル形状を成すものである。
【０００９】
前記チャック用モータ５とチャックユニット６とは、チャック用モータ５の出力軸５ａに連結されたスプロケット２４とチャックユニット６下部に一体に連結されたスプロケット２５とに無端チェーン２６を巻き掛けることにより連結されている。また、前記チャック用モータ５の出力軸５ａとスプロケット２４とは一方向クラッチ２７を介して連結されており、この一方向クラッチ２７は、前記スクリューポイント７ｂを捻りに合わせて地中にねじ込む方向に回転させるようチャック用モータ５が駆動した時（以下、便宜上、このチャック用モータ５の駆動を正転駆動という）、その駆動をスプロケット２４に伝達するように構成されている。よって、貫入ロッド７はチャック用モータ５が正転駆動するのを受けて回転する。逆に、スクリューポイント７ｂを捻りに合わせて地中にねじ込む方向の回転がスプロケット２４側から入力された時、一方向クラッチ２７は出力軸５ａに対して空転する。このため、スクリューポイント７ｂが土の抵抗を受けて捻りに従って回転した時、一方向クラッチ２７は出力軸５ａに対して空転することとなり、貫入ロッド７はチャック用モータ５に内蔵の減速機構の抵抗を受けることなく回転することができる。つまり、貫入ロッド７はチャック用モータ５が駆動していない貫入状態において、土の抵抗を受けて回転可能となっているのである。なお、チャックユニット６の詳細な構造は、特開平８−２９２１４１号公報に記載されたものと同様である。
【００１０】
前記昇降用モータ８は、出力トルクを制御可能に構成されたＡＣサーボモータであり、この昇降用モータ８と前記支持軸１０とは、ベベルギア１２，１３の噛合によって連結されている。このベベルギア１３と支持軸１０との間には一方向クラッチ１４が介在しており、この一方向クラッチ１４の働きにより、昇降台３が上昇する方向にスプロケット９を回転させるよう昇降用モータ８が駆動（説明の便宜上、この駆動を正転駆動とする）した時だけ、昇降用モータ８の駆動がベベルギヤ１２，１３、支持軸１０を通じてスプロケット９に伝達されるようになっている。これとは逆に昇降用モータ８が駆動（説明の便宜上、この駆動を逆転駆動とする）した時には、一方向クラッチ１４の作用でベベルギヤ１３が支持軸１０に対して空転する。このため、昇降用モータ８の減速機構の減速抵抗が支持軸１０に伝達されない状態を創出でき、よって、貫入ロッド７に昇降台３等の重量に基づく１ＫＮの荷重を負荷することが可能になる。
【００１１】
また、本自動貫入試験機１の作動を制御するための制御ユニット１５は、演算処理部１６に接続された速度割出部１７、昇降モータ駆動部１８、チャックモータ駆動部１９、記憶部２１、入力部２２を備えている。前記速度割出部１７は、回転するスプロケット９の歯を検出してＯＮ−ＯＦＦするセンサ２３の出力パルス信号から単位時間当たりの発生パルスを求め、これから貫入ロッド７の貫入速度を算出するように構成されている。また、記憶部２１には、貫入ロッド７の貫入速度に対応して昇降用モータ８が発揮すべき出力トルク値、貫入ロッド７に与えられる回転速度に従って従来の技術の欄に示す式により算定された限界回転貫入速度、その他の制御用パラメータが記憶されている。
【００１２】
上記自動貫入試験機１による貫入試験は、日本工業規格Ａ１２２１のスウェーデン式サウンディング試験方法に従って行われ、まず、貫入ロッド７に回転を与えない荷重のみによる貫入（以下、自沈貫入という）が行われる。この時、貫入ロッド７に負荷される荷重は、速度割出部１７によって算出される貫入速度に応じて段階的に増減される。つまり、演算処理部１６は、速度割出部１７によって算出された貫入速度に応じた出力トルク値を記憶部２１から読み込み、これに応じた指令信号を昇降モータ駆動部１８へ送る。これに応じて昇降モータ駆動部１８は、昇降用モータ８に印加する電流値を変更する。これにより、昇降用モータ８は所定の出力トルクにより正転駆動される。このように昇降用モータ８が所定の出力トルクに制御されて正転駆動されると、一方向クラッチ１４の噛合作用が生じ、昇降台３は昇降用モータ８の出力トルクに応じた下降抵抗を受けながら下降することになる。従って、貫入ロッド７には、
昇降台３等の総重量に基づく荷重（１ＫＮ）−昇降用モータ８の出力トルクに応じた下降抵抗（単位：Ｎ）
で決定される荷重が負荷される。実際に、昇降用モータ８の制御によって貫入ロッド７に負荷される荷重は、５０Ｎ，１５０Ｎ，２５０Ｎ，５００Ｎ，７５０Ｎ，１ＫＮの６段階に増減される。この貫入ロッド７への負荷荷重は、貫入ロッド７の自沈貫入が停止する毎に１段階増加され、逆に貫入ロッド７の貫入速度が所定の基準値を越えた場合には１段階減じられる。なお、貫入ロッド７に１ＫＮの荷重を負荷する場合には、昇降モータ駆動部１８によって昇降用モータ８の駆動が逆転駆動に切り換えられる。こうすることによって一方向クラッチ１４の空転作用が生じ、貫入ロッド７には本来の昇降台３等の総重量に基づく１ＫＮの荷重が負荷されるようになっている。
【００１３】
自沈貫入の際、スクリューポイント７ｂには少なからずその土層の土の抵抗が作用する。この土の抵抗は、スクリューポイント７ｂが捻り形状であるため、スクリューポイント７ｂを回す力となって作用する。ここで、貫入ロッド７にチャック用モータ５の減速抵抗が作用するなどして、スクリューポイント７ｂが拘束されていると、スクリューポイント７ｂは土の抵抗に従って回転することができないため、土の抵抗がブレーキ抵抗となり、貫入ロッド７が本来自沈により貫入すべき土層に貫入することができなくなる。このことは土層が比較的締まっていて土の抵抗が大きい自沈発生土層においてより顕著となる。つまり、スクリューポイント７ｂが土の抵抗を受けて回転することができないと、土が比較的締まってはいるものの低速の自沈が発生する土層を判別することができないのである。
【００１４】
しかしながら、本自動貫入試験機１では、チャック用モータ６の駆動が停止した状態において、スクリューポイント７ｂが土の抵抗を受けて回転しようとする場合、一方向クラッチ２７が出力軸５ａに対して空転する。従って、スクリューポイント７ｂを含む貫入ロッド７は、スクリューポイント７ｂが受ける土の抵抗に逆らうことなく回転することができる。よって、低速域の自沈が生じる比較的締まった土層についても、正確な荷重状態で貫入ロッド７の自沈貫入を行うことができ、当該土層を正確に判別することが可能となる。
【００１５】
前述のように荷重を変更して地中に貫入ロッド７を自沈貫入していき、１ＫＮの荷重のみで貫入ロッド７が自沈貫入しなくなると、次に演算処理部１６からチャックモータ駆動部１９に指令信号が送られ、チャック用モータ５が正転駆動する。これを受けて貫入ロッド７が回転し、１ＫＮの荷重を負荷した状態での回転貫入が行われる。この回転貫入中、貫入ロッド７の貫入速度は速度割出部１７によって引き続き算出され、演算処理部１６に送られる。演算処理部１６では、この貫入速度が記憶部２１から読み込んだ限界回転貫入速度と比較される。
【００１６】
回転貫入中にスクリューポイント７ｂが自沈が発生する軟らかい土層に到達すると、貫入ロッド７の貫入速度が増加し、これが限界回転貫入速度を越える。これに従って、演算処理部１６は自沈の発生と判断し、チャックモータ駆動部１９に駆動停止指令信号を与える。これを受け、チャックモータ駆動部１９はチャック用モータ５の駆動を停止する。よって、貫入ロッド７は１ＫＮの荷重のみが負荷された状態で自沈貫入される。この後は、貫入ロッド７の貫入速度に応じて前述のような荷重変更あるいは回転の付与・停止が繰り返される。
貫入ロッド７が地中に貫入することで、昇降台３が支柱２に沿って下限位置まで下降すると、貫入ロッド７には延長用のロッド（図示せず）が継ぎ足される。その後、昇降台３が上限位置まで上昇し、延長用のロッドによって延長された貫入ロッド７の上端部をチャックユニット６に保持して貫入試験を再開する。この昇降台３の上昇操作に当たっては、昇降モータ駆動部１８によって昇降用モータ８が定格トルクで正転駆動制御される。なお、貫入ロッド７の延長に係る作用の詳細は、特開平８−２９２１４１号公報に記載されたものと同様である。
【００１７】
前述のように必要に応じて自沈貫入と回転貫入とを切り換え、貫入ロッド７を延長しながら、貫入試験は通常地中１０ｍ〜１５ｍの深度まで行われる。その間、自沈貫入の場合には荷重変更の経緯、回転貫入の場合には貫入ロッド７が２５０ｍｍ貫入するのに要した半回転数（貫入ロッド７の１回転を２としてカウントした貫入ロッド７の回転回数）がそれぞれ貫入深さに対応させて記憶部２１に記憶される。そして、試験終了後には、記憶部２１に試験データとして記録された各深度における荷重、回転貫入時の半回転数等から、試験を行ったポイントの地盤硬度（地盤の締まり具合）が判定される。
【００１８】
次に図６ないし図８に基づいて本発明の他の実施の形態を二例紹介する。
図６および図７に示したのは、本発明の第二実施形態に係る自動貫入試験機１′であり、昇降用モータ８′をベベルギヤ１２，１３、一方向クラッチ１４を介さずに、直接的にスプロケット９に連結した例を示すものである。この場合、制御ユニット１５′における昇降モータ駆動部１８′は、昇降用モータ８′の正転駆動および逆転駆動双方の出力トルクが所定の値となるよう、昇降用モータ８′の駆動電流制御を行うように構成されている。これにより、貫入試験において貫入ロッド７への負荷荷重の増加、減少の双方を昇降用モータ８′の出力トルクにより制御することが可能となる。
【００１９】
また、図８に示したのは、昇降用モータ８′を支柱２の上端部に据え、これによって駆動される周知のボールねじ機構２８に昇降台３を連結して構成された、本発明の第三実施形態に係る自動貫入試験機１″である。この自動貫入試験機１″においても、制御ユニット１５″における昇降モータ駆動部１８″は、昇降用モータ８″の正転駆動および逆転駆動双方の出力トルクが所定の値となるよう、昇降用モータ８″の駆動電流制御を行うように構成されている。この自動貫入試験機１″においては、スプロケット９が設けられないため、貫入速度の割出には、昇降用モータ８″に内蔵されたエンコーダ８ｃが用いられる。すなわち、上記センサ２３の代わりに速度割出部１７′にエンコーダ８ｃを接続し、昇降用モータ８″の駆動に対応してエンコーダ８ｃから発せられるパルス信号を速度割出部１７′に取り込むように構成されている。そして、速度割出部１７は、エンコーダ８ｃから得たパルス信号と、予め設定されているボールねじ機構２８のねじ軸２８ａのリードとから貫入速度を割り出すように構成されている。
【００２０】
前記構成の自動貫入試験機１″においては、昇降用モータ８″が正転駆動または逆転駆動すると、昇降用モータ８″の出力トルクはボールねじ機構２８を介し、昇降台３を下降時に加圧または制動する力となって作用する。このため、この自動貫入試験機１″の構成によっても、上述の自動貫入試験機１′同様に昇降用モータ８″の駆動電流制御（出力トルク制御）により貫入ロッド７に負荷される荷重を自由に変更することが可能となる。
【００２１】
力学的な荷重変更を実現するためにパウダブレーキを用いる従来の自動貫入試験機の場合、パウダブレーキの制動力で昇降台等の重量に基づく荷重を減らす構造となるため、貫入ロッドに最大１ＫＮの荷重を負荷するためには、昇降台およびこれに装備された部品等の総重量を最低でも約１０２ｋｇにしておく必要がある。しかしながら、上述の第二、第三の各実施形態のように、一方向クラッチ１４がなく、昇降用モータの駆動が直接的に昇降台３の昇降に反映される構造にすると、昇降用モータ８′または８″の正転駆動または逆転駆動により、貫入ロッドに負荷される荷重の増加または荷重の減少がそれぞれ可能となる。従って、昇降台３およびこれに装備された部品等の総重量は、でき得る限り軽くすることが可能となり、以て自動貫入試験機の軽量化を達成することができる。
【００２２】
【発明の効果】
本発明の自動貫入試験機によれば、昇降台の昇降用モータを制御してその出力トルクを制御することにより、昇降台を下降時に加圧または制動することが可能となる。よって、従来のようにパウダブレーキを用いずとも、昇降台等から貫入ロッドに負荷される荷重を変更することができ、パウダブレーキおよびこれに関わる機構を廃して試験機の構造を簡略化できるとともに、それにともなうコストダウンを実現することができる等の利点がある。また、昇降用モータの出力トルクの制御によるため、荷重の変更を高速かつ正確に行うことができる等の利点もある。さらに、上述の第二、第三の実施形態で紹介した構造によれば、荷重増加も昇降用モータの出力トルクを制御することによって可能となるため、昇降台を必要最小限に軽量化することができ、試験機の運搬性を高めることができる。また、昇降台の形状選択の幅が広がるため、最も重心バランスのよい構造の昇降台を構築し、試験機の安定性を向上できる等の利点がある。その上、昇降用モータの応答特性はパウダブレーキよりも優れているため、より迅速な荷重の変更が可能になる等の利点もある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一実施形態に係る自動貫入試験機のブロック形式の説明図である。
【図２】本発明の第一実施形態に係る自動貫入試験機の斜視図である。
【図３】本発明の第一実施形態に係る自動貫入試験機の要部拡大一部切欠断面図である。
【図４】本発明の第一実施形態に係る自動貫入試験機の要部拡大一部切欠断面図である。
【図５】本発明の第一実施形態に係る自動貫入試験機の要部拡大斜視説明図である。
【図６】本発明の第二実施形態に係る自動貫入試験機のブロック形式の説明図である。
【図７】本発明の第二実施形態に係る自動貫入試験機の要部拡大一部切欠断面図である。
【図８】本発明の第三実施形態に係る自動貫入試験機のブロック形式の説明図である。
【符号の説明】
１　自動貫入試験機
２　支柱
３　昇降台
４ａ　錘
４ｂ　錘
５　チャック用モータ
６　チャックユニット
７　貫入ロッド
７ａ　ロッド部
７ｂ　スクリューポイント
８　昇降用モータ
９　スプロケット
１０　支持軸
１２　ベベルギヤ
１３　ベベルギヤ
１４　一方向クラッチ
１５　制御ユニット
１６　演算処理部
１７　速度割出部
１８　昇降モータ駆動部
１９　チャックモータ駆動部
２０　ブレーキ制御部
２１　記憶部
２２　入力部
２３　センサ
２４　無端チェーン
２５　スプロケット
２６　スプロケット
２７　一方向クラッチ
２８　ボールねじ機構
２８ａ　ねじ軸

Claims (2)

1. 立設された支柱に沿って昇降可能な昇降台と、この昇降台に回転可能に設けられたチャックユニットと、このチャックユニットに保持される貫入ロッドと、前記チャックユニットを回転駆動可能な回転駆動手段と、前記昇降台を昇降操作するように設けられかつ所定の出力トルクを発揮するように正転または逆転駆動可能な昇降駆動手段と、この昇降駆動手段を所定の出力トルクを発揮するよう正転または逆転駆動制御する制御ユニットとを備えていることを特徴とする自動貫入試験機。
2. 立設された支柱に沿って昇降可能な昇降台と、この昇降台に回転可能に設けられたチャックユニットと、このチャックユニットに保持される貫入ロッドと、前記チャックユニットを回転駆動可能な回転駆動手段と、前記昇降台に設けられ当該昇降台の昇降にともなって前記支柱に配置された係合部材に係合して回転する係合回転部材と、この係合回転部材を回転駆動可能に設けられかつ所定の出力トルクを発揮するように正転または逆転駆動可能な昇降駆動手段と、この昇降駆動手段を所定の出力トルクを発揮するよう正転または逆転駆動制御する制御ユニットとを備えていることを特徴とする自動貫入試験機。

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