JP4029787B2 - Centrifugal loading device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば地盤の縮尺モデルなどの供試体に遠心力を作用させて、その挙動を試験するなどのために用いられる遠心力載荷装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
大深度地下空間の開発には地盤特性を把握することが大切であるが、地盤の特性は作用する土圧力に大きく影響を受ける。例えば、地震発生時の地盤挙動を把握するために、地盤の縮尺モデルを用いて試験を行う場合、通常の重力場では大深度における土圧力を再現することは困難である。このため遠心力(遠心加速度)を利用して大きな力を加えられるようにした遠心力載荷装置が用いられる。
【0003】
そのような遠心力載荷装置の従来における代表的な構成は図4に示すようになっている(例えば特許文献1、特許文献2)。遠心力載荷装置は、全体として円筒状の空間を形成するようにして地中に構築されるなどして設けられるピット1の内部に遠心力載荷装置本体2を設置して構成される。その遠心力載荷装置本体2は、ピット1の中心部で垂直に設けられた回転軸3、回転軸3にその回転駆動力を与える電動機4、電動機4と回転軸3の間に介在する減速機5、回転軸3に接続されて水平面内で回転するようにされた回転腕6、この回転腕6にピン7で揺動可能に取り付けられている左右の揺動架台8、8などを主な要素としている。そして試料容器9に入れた供試体(図示せず)を揺動架台8に保持させ、その供試体に回転腕6の回転により遠心力を加える。より具体的には、回転腕6が停止した状態では図に示すように揺動架台8が回転腕6から吊り下がった状態にある。この状態で試料容器9に入れた供試体を一方の揺動架台8に保持させ、他方の揺動架台8にはバランスウエイト10を保持させる。それから回転腕6を回転させる。すると揺動架台8が振れ上がって水平状態になり、この状態で回転腕6の回転により重力加速度のN倍の遠心力が供試体に加わる。この際、ピット1内の空気が回転腕6の回転に伴って連れ回され、この連れ回される空気にピット1の内面などとの間で摩擦抵抗を生じる。このため回転腕6の下側に仕切り板11を設け、回転腕6に連れ回られる空気の量をこの仕切り板11によりできるだけ少なくするようにしている。
【0004】
【特許文献1】
特開平9−210871号公報
【特許文献2】
特開2000−258320号公報
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
近年、遠心力載荷装置による試験において大深度実験の要求が高まってきており、それにつれて従来よりも大型の遠心力載荷装置が求められるようになってきている。より大きな遠心力を供試体に加えるには、回転腕の回転数を増すか、あるいは回転径を大きくする必要がある。いずれの方法にせよ、回転腕に連れ回られる空気の速度が増してその空気のピット内における摩擦抵抗が増えることになる。そのため、遠心力の増強分に加えてこの連れ回り空気の摩擦抵抗の増大分によっても回転腕の駆動力が増大することになる。
【0006】
この駆動動力の増大を抑えるために、ピット内での連れ回り空気の摩擦抵抗を低減させる方法について従来から様々な検討がなされてきている。例えば上記の特許文献1や特許文献2に開示される技術もその例である。これらの技術は連れ回り空気の摩擦抵抗を減らすという点ではそれなりに有効である。しかしそのための構造が複雑になるなどの新たな問題を招いている。
【0007】
本発明は、以上のような事情を背景になされたものであり、より簡易な構造で連れ回り空気の摩擦抵抗をより効果的に低減できるようにした遠心力載荷装置の提供を目的としている。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明では、遠心力載荷装置本体と、この遠心力載荷装置本体が設置されるピットからなり、前記遠心力載荷装置本体は、垂直に設けられた回転軸に接続されて水平面内で回転する回転腕を備え、この回転腕に取り付けられている揺動架台に保持させた供試体に前記回転腕の回転により遠心力を載荷するようになっている遠心力載荷装置において、前記回転腕を包み込むよう円筒形筐体状に形成された回転体を、前記回転腕と前記ピットの内面との間で複数の空気層を画するように複数層を設けると共に、前記回転体を、前記回転腕の上方及び下方に設けられた回転支持部に上下方向に間隔を開けて回転自在に支持され、かつ前記回転腕の全長より若干大きい直径を持つ円板状に形成された複数の上部回転体及び複数の下部回転体と、前記上部回転体及び前記下部回転体の外周部間に入れ子的に組み込まれ、かつそれぞれ直径が異なる筒状に形成された複数の側部回転体とから構成したことを特徴としている。
【0009】
前記構成により、側部、上部、下部の各回転体により、連れ回り空気の摩擦抵抗を効果的に減少させることができる。そしてしかもそのための構造は、単純な構造の側部、上部、下部の各回転体を設けるだけで済む。すなわち本発明では、簡易な構造をもって連れ回り空気の摩擦抵抗を効果的に減少させることができる。
【0011】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明する。図1に第1の実施形態による遠心力載荷装置の構成を簡略化して示す。本実施形態における遠心力載荷装置は、図4に関して説明した従来の遠心力載荷装置の構造をもとにし、それに側部回転体21、上部回転体22、下部回転体23を付加した構成となっている。その他の構成は図4に関して説明した従来の遠心力載荷装置と同様なので共通する要素については同一の符号を付し、それについての説明は上での説明を援用する。
【0012】
側部、上部、下部の各回転体21、22、23は何れも、例えばプラスチック材などのような軽量な材料を用いることで、回転腕6の回転によりピット1内で連れ回される空気の摩擦力を受けることで回転するように形成され、回転軸4の回転軸芯つまり回転腕6の回転軸芯と同じ回転軸芯で回転できるようにして設置されている。より具体的に説明すると、側部回転体21は、薄くて軽量なプラスチック材などを用いて回転腕6の全長より若干大きい程度の直径を持つ円筒状に形成され、ピット1の側面などに設けられる回転支持部21sでその上下の各端縁部を支持されてピット1の側面に沿って回転できるように設置される。また本実施形態では側部回転体21を複数の層にして設けている。すなわちそれぞれ直径を異ならせた側部回転体21を複数用い、それらを入れ子的に組み合わせることで、回転腕6とピット1の内面との間に複数の空気層を画するようしてある。
【0013】
一方、上部回転体22と下部回転体23は何れも、側部回転体21と同様な材料を用いて回転腕6の全長より若干大きい程度の直径を持つドーナツ形の円板状に形成されおり、上部回転体22は、ピット1の側壁面などに設けられる回転支持部22sなどにその端縁部を支持されてピット1の天井面に沿って回転できるように設置され、下部回転体23は、仕切り板11などに設けられる回転支持部23sなどにその端縁部を支持されて仕切り板11に沿って回転できるように設置されている。本実施形態ではこれらの上部回転体22と下部回転体23についても複数の層にして設けている。すなわち上部回転体22と下部回転体23の何れについても直径が同じものを複数用い、それらを上下方向で所定の間隔を開けて設置することで、回転腕6とピット1の内面との間に複数の空気層を画するようしてある。
【0014】
これら側部、上部、下部の各回転体21、22、23は、ピット1内で回転腕6に連れ回られる空気の摩擦抵抗を低減させるのに機能する。以下ではそのことについて説明する。まず側部回転体21の場合である。図4のような従来の遠心力載荷装置における回転腕6とピット1の側面の間での連れ回り空気の摩擦抵抗Dfは下記の式で表わされる。
【数1】
【数2】
ここで、Cfは空気とピットの側面との間の摩擦抵抗係数、ρは空気の密度、raは回転腕の半径、ωは回転腕の回転速度、Sは連れ回り空気がピットの側面と接する面積である。このようにDfは回転速度の2乗に比例するため、回転速度が速ければ速いほど連れ回り空気の摩擦抵抗は増大する。これを損失トルクTで示すと下記の式となる。
【数3】
ここで、C1はピットの側面における損失係数である。
【0015】
以上のような関係において、側部回転体21を設けてある本発明の遠心力載荷装置では、回転腕6の回転で連れ回られる空気の摩擦力を受けて側部回転体21がある速度で回転する。図2にその様子を模式化して示してある。図2では3層の側部回転体21がそれぞれ回転速度ω1、ω2、ω3で回転し、回転腕6の回転速度ωとそれぞれの回転速度がω>ω1>ω2>ω3の関係にあることを示している。このように側部回転体21が回転腕6に沿って回転するため、回転腕6の回転速度は相対的に小さくなる。例えば回転腕6に最も近い最内側の側部回転体21との関係での損失トルクT1は、
【数4】
となり、摩擦抵抗による損失トルクが減少することがわかる。そして側部回転体21を多層で設けてあれば、上記のように外側の側部回転体21は内側のそれよりも低速で回転することになる。したがって、より一層損失トルクを減少させることができる。
【0016】
次に上部回転体22の場合である。図4のような従来の遠心力載荷装置における回転腕6とピット1の天井面の間での損失トルクTuは下記の式で表わされる。
【数5】
ここで、Cfuはピット天井面の摩擦抵抗係数、Cuはピット天井面の損失係数である。このような関係において、上部回転体22を設けてある本発明の遠心力載荷装置では、側部回転体21の場合と同様に上部回転体22が回転腕6に沿って回転するために回転腕6の回転速度は相対的に小さくなる。回転腕6に最も近いの上部回転体22の回転速度をωu1とすると、この時の損失トルクTu1は、
【数6】
となり、摩擦抵抗による損失トルクが減少することがわかる。ことは下部回転体23についても同様である。
【0017】
以上のように本発明による遠心力載荷装置では、側部、上部、下部の各回転体21、22、23により、連れ回り空気の摩擦抵抗を効果的に減少させることができる。そしてしかもそのための構造は、単純な構造の側部、上部、下部の各回転体21、22、23を設けるだけで済む。すなわち本発明では、簡易な構造をもって連れ回り空気の摩擦抵抗を効果的に減少させることができる。
【0018】
図3に、第2の実施形態による遠心力載荷装置の構成を簡略化して示す。本実施形態では、第1の実施形態における側部、上部、下部の各回転体21、22、23を一体化させた構造の回転体31を設けるようにしている。すなわち回転体31は、回転腕6を包み込む状態の円筒形筐体状にして、回転腕6で連れ回される空気の摩擦力を受けることで回転するように形成されている。そしてピット1の天井面や仕切り板11などに設けられる回転支持部31sで支持させることで、回転腕6の回転軸芯と同じ回転軸芯で回転できるように、つまりピット1の内面に沿いつつ回転腕6の周囲を回転できるように設置されている。このような一体型の回転体31とすることにより、構造をより簡易なものとすることができる。なお、本実施形態でも第1の実施形態と同様に、この一体型の回転体31を複数の層にして設けるようにしている。その他の構成は第1の実施形態と同様なので共通する要素については同一の符号を付し、それについての説明は省略する。
【0019】
【発明の効果】
以上説明したように本発明では、回転腕にピット内で連れ回される空気の摩擦力により回転腕に沿って回転する回転体を回転腕とピットの内面との間で複数の空気層を画するように複数層を設け、この回転体の回転により回転腕の回転速度を相対的に小さくできるようにしている。この結果、連れ回り空気の摩擦抵抗を減少させ、回転腕を回転させるための駆動動力の増大を抑えることができる。
また側部、上部、下部の各回転体により、連れ回り空気の摩擦抵抗を効果的に減少させることができる。そしてしかもそのための構造は、単純な構造の側部、上部、下部の各回転体を設けるだけで済む。すなわち本発明では、簡易な構造をもって連れ回り空気の摩擦抵抗を効果的に減少させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の実施形態による遠心力載荷装置の構成を簡略化して示す図である。
【図2】側部回転体の回転の様子を模式化して示す図である。
【図3】第1の実施形態による遠心力載荷装置の構成を簡略化して示す図である。
【図4】従来の遠心力載荷試験装置の構成を簡略化して示す図である。
【符号の説明】
1 ピット
2 遠心力載荷装置本体
3 回転軸
6 回転腕
8 揺動架台
21 側部回転体
22 上部回転体
23 下部回転体
31 回転体[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a centrifugal force loading device used for, for example, testing a behavior of a specimen such as a ground scale model by applying a centrifugal force to the specimen.
[0002]
[Prior art]
It is important to understand the characteristics of the ground for the development of deep underground spaces, but the characteristics of the ground are greatly influenced by the applied earth pressure. For example, when a test is performed using a scale model of the ground in order to grasp the ground behavior when an earthquake occurs, it is difficult to reproduce the earth pressure at a large depth in a normal gravity field. For this reason, a centrifugal force loading device that uses a centrifugal force (centrifugal acceleration) to apply a large force is used.
[0003]
A typical typical configuration of such a centrifugal loading device is as shown in FIG. 4 (for example,
[0004]
[Patent Document 1]
JP-A-9-210871 [Patent Document 2]
Japanese Patent Laid-Open No. 2000-258320
[Problems to be solved by the invention]
In recent years, there has been an increasing demand for large-depth experiments in tests using a centrifugal loading device, and accordingly, a centrifugal loading device larger than the conventional one has been required. In order to apply a greater centrifugal force to the specimen, it is necessary to increase the rotational speed of the rotating arm or increase the rotational diameter. In any method, the speed of the air taken around by the rotating arm is increased, and the frictional resistance in the pit of the air is increased. Therefore, the driving force of the rotating arm is increased by the increased frictional resistance of the accompanying air in addition to the increased centrifugal force.
[0006]
In order to suppress the increase in the driving power, various studies have been made on methods for reducing the frictional resistance of the accompanying air in the pit. For example, the techniques disclosed in
[0007]
The present invention has been made in the background as described above, and an object of the present invention is to provide a centrifugal force loading device that can more effectively reduce the frictional resistance of the accompanying air with a simpler structure.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention comprises a centrifugal loading device main body and a pit in which the centrifugal loading device main body is installed, and the centrifugal loading device main body is connected to a rotating shaft provided vertically. In a centrifugal force loading device comprising a rotating arm that rotates in a horizontal plane, and a centrifugal force is loaded on a specimen held by a swinging base attached to the rotating arm by the rotation of the rotating arm. A rotating body formed in a cylindrical housing so as to enclose the rotating arm, and a plurality of layers are provided so as to define a plurality of air layers between the rotating arm and the inner surface of the pit, and the rotating body Are formed in a disk shape having a diameter slightly larger than the entire length of the rotating arm, and is rotatably supported by a rotation support portion provided above and below the rotating arm with a space in the vertical direction. Upper rotating body and Of the lower rotating body, said embedded between the upper rotary body and the lower rotary body outer peripheral portion of the nested manner and was composed of a plurality of side rotating body diameter each formed on a different cylinder It is a feature.
[0009]
With the above-described configuration, the frictional resistance of the accompanying air can be effectively reduced by the side, upper, and lower rotating bodies. In addition, the structure for that purpose is only to provide each side, top and bottom rotating body of a simple structure. That is, in the present invention, the frictional resistance of the accompanying air can be effectively reduced with a simple structure.
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below. FIG. 1 shows a simplified configuration of the centrifugal loading device according to the first embodiment. The centrifugal loading device in the present embodiment is based on the structure of the conventional centrifugal loading device described with reference to FIG. 4 and is configured by adding a
[0012]
Each of the side, upper, and lower
[0013]
On the other hand, both the upper rotating
[0014]
These side, upper, and lower
[Expression 1]
[Expression 2]
Here, Cf is a coefficient of friction resistance between the air and the side surface of the pit, ρ is the density of air, ra is the radius of the rotating arm, ω is the rotational speed of the rotating arm, and S is the accompanying air in contact with the side surface of the pit. It is an area. Thus, since Df is proportional to the square of the rotational speed, the higher the rotational speed, the greater the frictional resistance of the accompanying air. When this is represented by the loss torque T, the following equation is obtained.
[Equation 3]
Here, C1 is a loss coefficient on the side surface of the pit.
[0015]
In the relationship as described above, in the centrifugal force loading device of the present invention in which the
[Expression 4]
Thus, it can be seen that the torque loss due to frictional resistance decreases. If the
[0016]
Next, the case of the upper
[Equation 5]
Here, Cfu is a friction resistance coefficient of the pit ceiling surface, and Cu is a loss coefficient of the pit ceiling surface. In this relationship, in the centrifugal force loading device of the present invention provided with the upper
[Formula 6]
Thus, it can be seen that the torque loss due to frictional resistance decreases. The same applies to the lower
[0017]
As described above, in the centrifugal force loading device according to the present invention, the frictional resistance of the accompanying air can be effectively reduced by the side, upper, and lower
[0018]
FIG. 3 shows a simplified configuration of the centrifugal loading device according to the second embodiment. In the present embodiment, a rotating
[0019]
【The invention's effect】
As described above, in the present invention , a plurality of air layers are defined between the rotating arm and the inner surface of the pit by rotating the rotating body that rotates along the rotating arm by the frictional force of the air that is rotated around the rotating arm. Thus, a plurality of layers are provided , and the rotation speed of the rotating arm can be relatively reduced by the rotation of the rotating body. As a result, reducing the frictional resistance brought Mawari air, Ru can suppress an increase in driving power for rotating the rotating arms.
Further, the frictional resistance of the accompanying air can be effectively reduced by the side, upper and lower rotating bodies. In addition, the structure for that purpose is only to provide each side, top and bottom rotating body of a simple structure. That is, in the present invention, the frictional resistance of the accompanying air can be effectively reduced with a simple structure .
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a simplified configuration of a centrifugal force loading device according to a first embodiment.
FIG. 2 is a diagram schematically showing a state of rotation of a side rotator.
FIG. 3 is a diagram showing a simplified configuration of the centrifugal loading device according to the first embodiment.
FIG. 4 is a diagram showing a simplified configuration of a conventional centrifugal load test apparatus.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (1)
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| JP2003193465A JP4029787B2 (en) | 2003-07-08 | 2003-07-08 | Centrifugal loading device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2003193465A JP4029787B2 (en) | 2003-07-08 | 2003-07-08 | Centrifugal loading device |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
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Family
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Family Applications (1)
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Country Status (1)
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| JP (1) | JP4029787B2 (en) |
Families Citing this family (1)
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| JP5067922B2 (en) * | 2006-12-26 | 2012-11-07 | 住金関西工業株式会社 | Data communication system for centrifugal loading equipment |
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2003
- 2003-07-08 JP JP2003193465A patent/JP4029787B2/en not_active Expired - Fee Related
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