JP2000131201A

JP2000131201A - 着弾衝撃実験可能な遠心力載荷装置

Info

Publication number: JP2000131201A
Application number: JP10303930A
Authority: JP
Inventors: Tetsuro Haraguchi; 哲朗原口; Seiki Onishi; 清貴大西
Original assignee: Sumikin Kansai Industries Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel and Sumikin Kansai Industries Ltd
Priority date: 1998-10-26
Filing date: 1998-10-26
Publication date: 2000-05-12

Abstract

(57)【要約】【課題】着弾衝撃実験が可能な遠心力載荷装置を開発
する。【解決手段】遠心力載荷装置のアーム３に飛翔体１０
（モデル弾）をガス圧にて射出する装置８を取り付け、
該飛翔体１０を、遠心力付加時の外方へ略水平に傾斜し
たスウィングプラットホーム４ａ上の実験土槽６に向け
て撃ち込むようにする。上記の射出装置８は、飛翔体１
０をサボー１８に装着して装填するとともに、銃口１１
先端部にサボー受け２２と、ガス抜き孔２５を設けて、
銃口１１内の噴射ガスをブロックし、実験土槽６の土
６’が吹き飛ばないように構成する。また、飛翔体１０
の射出速度を光学的手段により計測可能に構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、地盤の強度実験を
室内規模で実現する遠心力載荷装置に係り、特に該装置
にモデル弾の射出装置を組み込んで着弾衝撃実験を可能
とした遠心力載荷装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】地盤の強度実験を室内規模で実現する装
置として、従来より遠心力載荷装置が使用されている。
この遠心力載荷装置は、図９に示すように、架台１に支
持された鉛直な回転軸２と、回転軸２によって中央部が
支持された水平なアーム３と、アーム３の回転中心位置
から等距離の位置に対称的に取り付けられた一対のスウ
ィングプラットホーム４ａ，４ｂとを備えている。スウ
ィングプラットホーム４ａ，４ｂは、いずれもアーム３
に直角な水平軸５によって揺動自在に吊り下げてある。

【０００３】実験に際しては、上記スウィングプラット
ホームの一方４ａに、実際の地盤を所定の尺度に縮尺し
た実験土槽６を載せ、他方４にダミーのウエイトを載せ
る。この状態で、架台１内の駆動装置により回転軸２を
回転させる。すると、アーム３が水平回転し、その遠心
力によりスウィングプラットホーム４ａ，４ｂが外方へ
ほぼ直角に傾き、やがて実験土槽６内の土６’に所定の
遠心力が付加される。この状態で、実験土槽６内に生じ
る現象をデータ信号として回転系外部（地上側）に取り
出すことにより、地盤強度のモデル実験が行われるので
ある。なお、回転側と外部とのデータ信号のやり取り
は、回転軸２に取り付けてあるスリップリングを介して
行うようになっている。

【０００４】このような遠心力載荷装置によれば、地盤
強度に関する種々のモデル実験、例えば実験土槽６に振
動板を取り付けておき、遠心力を付加した実験土槽に振
動を与えて地盤の流動化現象を観測したり、あるいは実
験土槽６に火薬玉を仕掛けておいて、遠心力付加時に爆
発させ、地盤が受ける衝撃を観測するといったモデル実
験が可能であり、貴重な観測データを収集することがで
きる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た従来の遠心力載荷装置では、砲弾等の高速飛翔体が地
盤に激突した際に生じる衝撃やクレーター等を観測する
実験、いわゆる着弾衝撃実験を実施することが不可能で
あった。すなわち、高速で回転する遠心力付加時の実験
土槽６に向けて、モデル弾を射出するような装置が全く
開発されていなかったからである。

【０００６】本発明は、このような問題を解決するため
になされたものであり、従来不可能であった着弾衝撃実
験の実施を可能とした遠心力載荷装置の提供を目的とす
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明の遠心力載荷装置は、水平回転アームの先端部に吊り
下がるスウィングプラットホームに実験土槽を載せ、上
記アームの回転により実験土槽に所定の遠心力を付加し
て土槽内の現象を観測する遠心力載荷装置の上記アーム
部に、遠心力を付加した状態の実験土槽の土表面に向け
てモデル弾である飛翔体を射出する装置を組み込んでな
る。

【０００８】上記の飛翔体を射出する装置は、銃口内に
装填する球状の飛翔体をガス圧で射出するガス銃であっ
て、圧縮ガスは、銃口に連続して形成され、内部に銃口
とガスルートをガス圧にて閉塞するピストンを備える第
１加圧室と、該第１加圧室の周囲に同心で形成され、上
記ガスルートを介して第１加圧室と連通する第２加圧室
とに充填され、第１加圧室内の圧縮ガスを外部へ抜く
と、ピストンが後退して銃口とガスルートが開放され、
第２加圧室の圧縮ガスがガスルートを介して第１加圧室
から銃口内に噴出し、飛翔体が射出されるように構成さ
れる。

【０００９】また、飛翔体を射出する装置は、外周が銃
口の内面に密着する円柱状をなし、その一端面側の中心
部に飛翔体を装着する穴を備え、反対面側がすり鉢状に
凹むガス受圧面に形成された樹脂製サボーに飛翔体を装
着して銃口内に装填し、かつ銃口の先端部を、中心に飛
翔体のみを通過させる貫通孔を備えた板状のサボー受け
で閉塞するとともに、該銃口の先端部周囲に複数のガス
抜き孔を設けた構造とする。

【００１０】さらに、飛翔体を射出する装置には、飛翔
体の射出速度を検出する装置を設ける。この飛翔体の射
出速度を検出する装置には、銃口を挟んで対峙する一対
の発光側レンズと受光側レンズとよりなる飛翔体検出セ
ンサーの２組を、銃身の中央部に所定の距離を置いて取
り付け、該各センサーの発光側レンズと地上側に設置し
たレーザー光源とを、それぞれ途中に光ロータリージョ
イントを介して光ファイバーケーブルで接続するととも
に、上記各センサーの受光側レンズと地上側に設置した
タイムカウンターとを、それぞれ途中に光ロータリージ
ョイントを介して光ファイバーケーブルで接続すること
により、上記一方のセンサーが飛翔体を検出するとタイ
ムカウントを開始し、他方のセンサーが飛翔体を検出す
るとタイムカウントを停止して、そのカウント数を速度
演算器に入力するように構成したものを使用する。

【００１１】

【発明の実施の形態】図１は、本発明を実施した遠心力
載荷装置の一例であり、１は架台、２は架台に支持され
た鉛直な回転軸、３は回転軸により中央部が支持された
水平な回転アーム、４ａ，４ｂは回転アームの回転中心
から等距離位置にあって、回転アーム３に直角な水平軸
５により揺動自在に吊り下げられた懸一対のスウィング
プラットホーム、６は一方のスウィングプラットホーム
４ａに載置された実験土槽を示している。

【００１２】回転アーム３には、実験土槽６を載せる一
方のスウィングプラットホーム４ａの近傍で回転軸２寄
りの位置に、前記水平軸５と平行な梁７が設けられ、こ
の梁７に飛翔体の射出装置８が、その銃身９を上記アー
ム３と平行なほぼ水平な角度に固定して取り付けてあ
る。

【００１３】この射出装置８は、アーム３が高速で回転
する遠心力場において、想像線で示すように、スウィン
グプラットホーム４ａとともに外方へほぼ直角に傾斜す
る実験土槽６の土６’表面に対して、垂直な方向からモ
デル弾である飛翔体１０をガス圧にて撃ち込むものであ
り、図２〜図５に示すような構造となっている。

【００１４】すなわち、飛翔体の射出装置８は、内部を
銃口１１が貫通する所定長さの銃身９と、圧縮ガスを充
填しておくシリンダー１２とで構成されており、銃身９
は、その後部が、シリンダー１２の内部を密閉する円盤
型ハッチ１３の前面中央部に固着してある。ハッチ１３
には、固着された銃身９の銃口１１とシリンダー１２内
部とを連通する連通孔１４が設けてある。この連通孔１
４は、銃口１１と同径に形成してあり、ここに後述する
サボー１８に装着した飛翔体１０が装填される。このた
め、ハッチ１３は、フック１５によってシリンダー１２
に着脱可能に固定してあり、飛翔体１０を装填する場合
には、シリンダー１２の前面より取り外せるようになっ
ている。また、シリンダー１２より取り外したハッチ１
３は、銃身９とともに、一端部がシリンダー１２に固着
してある水平基盤１６上をガイド１７に沿って軸方向前
後にスライドするようにしてあり、飛翔体１０の上記装
填操作が容易に行えるようになっている。

【００１５】飛翔体１０は、直径７ｍｍ程度の鋼球でで
きており、これがサボー１８に装着されて、前記ハッチ
１３の通連孔１４内に装填される。サボー１８は、図６
に示すように、横方向に長い円柱状の樹脂体でできてお
り、その一端面中央部に、飛翔体１０を装着する（指に
て押し込む）ための穴１９を設け、反対面側をすり鉢状
に凹むガス受圧面２０に形成したものである。図示例で
は、サボー１８の外径Ｔは、これを装填する上記連通孔
１４および銃口１１の径（１６ｍｍ）内に密着する大き
さの１６．１ｍｍに形成してあり、胴長さＷは２０ｍｍ
程度に形成してある。

【００１６】前記銃身９の銃口１１は、その先端部が、
中心部に飛翔体１０のみを通過させる貫通孔２１を備え
た板状のサボー受け２２で閉塞してある。図示例のサボ
ー受け２２は、その内面側の貫通孔２１周囲に沿って楔
状に突出する突起２３を設けている。この突起２３は、
サボー１８が衝突した際に、該サボーの飛翔体装着穴１
９周囲にくい込んでサボーを固定し、銃口１１内への跳
ね返りを防止するものである。サボー受け２２は、ボル
ト２４で銃身９先端部に着脱可能に取り付けてあり、こ
れを外すことによって、サボー受け２２に受け止められ
たサボー１８を銃口１１内より取り出せるようになって
いる。また、銃身９の先端部には、銃口１１の周囲に貫
通する複数のガス抜き孔２５が設けてあり、飛翔体１０
の射出にともなう銃口１１内のガスが銃口１１周囲へ分
散排気されるようになっている。

【００１７】シリンダー１２は，ピストン２６を備えた
第１加圧室２７と、その周囲に同心に形成された第２加
圧室３３との二重室構造になっている。

【００１８】第１加圧室２７は、軸が銃口１１および連
通孔１４の軸延長線Ｚ上に一致する円筒状に形成してあ
る。この第１加圧室２７のハッチ１３と接する前面壁２
７ａ中央部には、ハッチの連通孔１４に連続するガス噴
射口２８が設けてあり、反対側の後面壁２７ｂ部には、
シリンダー１２外部に通じる給気口２９と排気口３０、
それに加圧ゲージ口３１が設けてある。また、第１加圧
室２７の周面壁２７ｃには、ガス噴射口２８の至近部
に、第２加圧室３３に通じる複数のガスルート３２が設
けてある。

【００１９】第１加圧室２７のピストン２６は、第１加
圧室２７内に給気口２９からガスを供給すると、その圧
力によってガス噴射口２８およびガスルート３２を同時
に閉塞する方向に前進移動し、該加圧室２７内のガスを
排気口３０から排出すると、ガスルート３２を介する第
２加圧室３３内の充填ガスの圧力により、ガスルート３
２およびガス噴射口２８を開放する方向へ後退移動する
ように設けられている。

【００２０】第１加圧室２７の周囲に形成された第２加
圧室３３は、シリンダー１２の外郭を形成する前面壁１
２ａ、後面壁１２ｂ、周面壁１２ｃによって密閉されて
おり、その周面壁１２ｃ部に、給気口３４と加圧ゲージ
口３５とが設けてある。

【００２１】なお、第１加圧室２７の給気口２９、排気
口３０、加圧ゲージ口３１および第２加圧室３３の給気
口３４、加圧ゲージ口３５は、いずれもシリンダー１２
外部において、図８に示すように、半導体リレー（ＳＳ
Ｒ）により開閉操作される電磁弁（ＳＯＬ）に接続して
ある。そして、その操作信号は、遠心力載荷装置の回転
軸２に取り付けたスリップリング３６を介して地上側に
設置したコントローラからスイッチ操作で送れるように
なっている。

【００２２】また、図示例の射出装置８には、銃身９の
ほぼ中央部に、銃身を軸直交方向に貫通する２個の小孔
３７、３８が一定間隔Ｌ（５０ｍｍ）で設けてあり、そ
れぞれ図７に示すように、飛翔体１０の射出速度を検出
するセンサー３９、４０を取り付けるようになってい
る。これらのセンサー３９、４０は、いずれも銃口１１
を介して対峙する一対の発光側レンズ３９ａ，４０ａと
受光側レンズ３９ｂ，４０ｂとよりなり、受光の遮断に
よって飛翔体１０を検出するものである。前記一方の小
孔３７には、その両側にセンサー３９の発光側レンズ３
９ａと受光側レンズ３９ｂが臨ませてあり、他方の小孔
３８には、その両側にセンサー４０の発光側レンズ４０
ａと受光側レンズ４０ｂが臨ませてある。

【００２３】上記各センサー３９、４０の発光側レンズ
３９ａ，４０ａは、図８に示すように、遠心力載荷装置
の回転軸２に取り付けた無接点の光ロータリージョイン
ト（日立電線株式会社製：型番ＥＨ３７８２５４３）４
１を介して地上側に設置したレーザー光源４２と光ファ
イバーケーブル４３で接続してあり、受光側レンズ３９
ｂ、４０ｂは、同じく光ロータリージョイント４１を介
して地上側に設置したタイムカウンター４４と光ファイ
バーケーブル４３で接続してある。タイムカウンター４
４は、銃身９のハッチ１３側の小孔３７に臨むセンサー
３９が飛翔体１０を検出すると、タイムカウントを開始
し、他方のセンサー４０が飛翔体１０を検出すると、タ
イムカウントを停止して、そのカウント数を速度演算器
４５に出力するものである。速度演算器４５は、センサ
ー３９、４０の検出間距離Ｌ（５０ｍｍ）を貯蔵してお
り、タイムカウンター４４からの入力で飛翔体１０の射
出速度を演算し、その演算結果をデジタルで表示するよ
うになっている。

【００２４】なお、図示例においては、上記各センサー
３９、４０は、銃身９の中央部に上方より嵌め込むカセ
ット式のセンサーボックス４６に、予め一定の検出間隔
Ｌ（５０ｍｍ）を置いて取り付けてあり、このセンサー
ボックス４６を銃身９に嵌着すると、自動的に銃身９の
小孔３７、３８の両側に、各センサー３９、４０の発光
側レンズ３９ａ，４０ａと受光側レンズ３９ｂ，４０ｂ
が臨むようになっている。また、タイムカウンター４４
は、１００ＭＨｚという超高速水晶発振子の発生するク
ロックパルスを用いて高精度のタイムカウントを行うも
のである。

【００２５】上記構成よりなる遠心力載荷装置により着
弾衝撃実験を行うには、まず遠心力載荷装置の一方のス
ウィングプラットホーム４ａに所定の尺度に縮尺した実
験土槽６を載せ、他方のスウィングプラットホーム４ｂ
にダミーのウエイトを載せる。

【００２６】次いで、飛翔体射出装置８のハッチ１３を
開き、その連通孔１４内に、サボー１８に装着した飛翔
体１０を装填する。一方、該射出装置８のシリンダー１
２には、その内部の第１加圧室２７と第２加圧室３３と
に、それぞれ給気口２７、３４を介して圧縮ガスを供給
する。そして、各加圧室２７、３３の加圧ゲージ口３
１、３５からの信号により、第１加圧室２７と第２加圧
室３３のガス圧が所定の同一圧力に達したところで、両
室への圧縮ガスの供給を停止する。次いで、ハッチ１３
を閉じ、フック１５でシリンダー１２に固定した後、射
出速度検出装置のレーザー光源４２をＯＮにして、各セ
ンサー３９、４０の発光側レンズ３９ａ，４０ａと受光
側レンズ３９ｂ，４０ｂの光軸の一致を確認する。

【００２７】このような事前の準備が完了したなら、遠
心力載荷装置の回転軸２を駆動し、アーム３を水平回転
させる。アーム３の回転が高速化するにしたがって、実
験土槽６を載置したスウィングプラットホーム４ａは遠
心力により外周側へほぼ直角に傾き、実験土槽６の土
６’表面が、飛翔体射出装置８の銃身９に対して垂直に
対峙するようになる。そうして、この実験土槽６に所定
の遠心加速度が付加されたところで、上記射出装置８の
シリンダー１２第１加圧室２７の排気口３０を地上から
の遠隔操作により開き、第１加圧室２７内の充填ガスを
外部へ排出する。すると、第１加圧室２７内のピストン
２６が、ガス噴射口２８とガスルート３２を開放し、第
２加圧室３３内の充填ガスがガスルート３２を経て第１
加圧室２７に入り、ガス噴射口２８から連通口１４内に
噴射される。これにより、連通口１４内に装填された飛
翔体１０が、サボー１８の受圧面２０に上記噴射ガスを
受けて、銃口１１内へ勢いよく射出される。

【００２８】銃口１１内にサボー１８とともに射出され
た飛翔体１０が、センサー３９の発光側，受光側両レン
ズ３９ａ，３９ｂ間を通過し、その光軸を遮ると、検出
信号が地上側にあるタイムカウンター４４に出力され
て、自動的にタイムカウントが開始される。続いて、飛
翔体１０が、センサー４０の発光側，受光側両レンズ４
０ａ，４０ｂ間を通過し、その光軸を遮ると、検出信号
がタイムカウンター４４に出力されて、タイムカウント
が自動的に停止する。このカウント数に基づいて速度演
算器４５が、飛翔体１０の射出速度を瞬時にデジタル表
示する。

【００２９】上記の如くサボー１８とともに銃口１１内
に射出された飛翔体１０は、銃口１１の先端部におい
て、飛翔体１０のみがサボー受け２２の貫通孔２１を通
過し、空中を飛翔して、実験土槽６の土６’表面に衝突
する。一方、サボー１８は、サボー受け２２に受け止め
られて、銃７１１内に留まる。また、銃口１１内の噴射
ガスは、銃口先端部の複数のガス抜き孔２５から銃身９
周囲へ分散排気される。したがって、実験土槽６の土
６’が、銃口１１からの噴射ガスで吹き飛ばされるとい
った悪影響がなく、純粋に飛翔体１０の衝突によっての
み生じるクレーター４７を観測することができる。

【００３０】

【発明の効果】以上に説明したとおり、本発明の遠心力
載荷装置は、高速回転する遠心力場の実験土槽にモデル
弾を撃ち込む飛翔体射出装置を搭載しているから、従来
の遠心力載荷装置では不可能であった着弾衝撃実験を実
施することができ、貴重な観測データを得ることができ
る。

【００３１】また、飛翔体射出装置は、圧縮ガスを充填
するシリンダーが同心の二重室構造となっているから、
コンパクトであり、遠心力載荷装置のアーム下という限
られたスペースに有効に取り付けることができる。しか
も、強力なガス噴射力が得られ、飛翔体を超高速度で射
出することができる。

【００３２】また、上記の飛翔体射出装置は、飛翔体の
射出とともに銃口内に噴射されるガスを、銃口の先端部
においてサボーでブロックし、かつ銃口周囲へ分散排気
する構造となっているから、実験土槽の土を噴射ガスが
吹き飛ばすといったことがない。したがって、純粋に飛
翔体の衝突のみにより生じるクレーターを実験土槽に形
成することができ、精度の高い実験を可能とする。

【００３３】さらに、上記の飛翔体射出装置に搭載して
ある光学式の射出速度検出装置によれば、超高速（３０
０ｍ／ｓｅｃ程度）で射出される飛翔体の速度を瞬時に
計測することができ、しかもその計測精度は、遠心力場
におけるノイズや風害等に何ら影響されず、極めて高精
度である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の遠心力載荷装置を模式的に示す図で、
（イ）は平面図、（ロ）は正面図である。

【図２】本発明に係る飛翔体射出装置を説明する縦断正
面図である。

【図３】下半分を断面で示す図２の平面図である。

【図４】図２の右側面図である。

【図５】図２のＡ−Ａ断面図である。

【図６】本発明に係るサボーを説明する縦断正面図であ
る。

【図７】本発明に係る飛翔体射出速度検出装置のセンサ
ーを説明する要部縦断平面図である。

【図８】飛翔体射出装置の接続系統を説明する図であ
る。

【図９】従来の一般的な遠心力載荷装置を説明する正面
図である。

【符号の説明】

６実験土槽８飛翔体射出装置９銃身１０飛翔体１１銃口１２シリンダー１３ハッチ１４連通孔１８サボー１９飛翔体の装着穴２０ガス受圧面２１貫通孔２２サボー受け２５ガス抜き孔２６ピストン２７第１加圧室２８ガス噴射孔３０排気口３２ガスルート３３第２加圧室３７，３８小孔３９，４０センサー３９ａ，４０ａ発光側レンズ３９ｂ，４０ｂ受光側レンズ４１光ロータリージョイント４２レーザー光源４３光ファイバーケーブル４４タイムカウンター４５速度演算器４６センサーボックス

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 2D043 AA01 AA09 AB08 BA10 BB04 BC03 2G061 AA13 AA20 AB04 BA01 CA06 CB03 DA01 DA19 EA10 EB07

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】水平回転アームの先端部に吊り下がるス
ウィングプラットホームに実験土槽を載せ、上記アーム
の回転により実験土槽に所定の遠心力を付加して土槽内
の現象を観察する遠心力載荷装置の上記アーム部に、遠
心力を付加した状態の実験土槽の土表面に向けてモデル
弾である飛翔体を射出する装置を組み込んでなる着弾衝
撃実験可能な遠心力載荷装置。
【請求項２】飛翔体を射出する装置は、銃口内に装填
する球状の飛翔体をガス圧で射出するガス銃であって、
圧縮ガスは、銃口に連続して形成され、内部に銃口とガ
スルートをガス圧にて閉塞するピストンを備える第１加
圧室と、該第１加圧室の周囲に同心で形成され、上記ガ
スルートを介して第１加圧室と連通する第２加圧室とに
充填され、第１加圧室の圧縮ガスを外部へ抜くと、ピス
トンが後退して銃口とガスルートが開放され、第２加圧
室の圧縮ガスがガスルートを介して第１加圧室から銃口
内に噴出し、飛翔体が射出されるように構成したもので
ある請求項１に記載の着弾衝撃実験可能な遠心力載荷装
置。
【請求項３】飛翔体を射出する装置は、外周が銃口の
内面に密着する円柱状をなし、その一端面側の中心部に
飛翔体を装着する穴を備え、反対面側がすり鉢状に凹む
ガス受圧面に形成された樹脂製サボーに飛翔体を装着し
て銃口内に装填し、かつ銃口の先端部を、中心に飛翔体
のみを通過させる貫通孔を備えた板状のサボー受けで閉
塞するとともに、該銃口の先端部周囲に複数のガス抜き
孔を設けたものである請求項１又は２に記載の着弾衝撃
実験可能な遠心力載荷装置。
【請求項４】飛翔体を射出する装置には、飛翔体の射
出速度を検出する装置が設けられている請求項１、２又
は３に記載の着弾衝撃実験可能な遠心力載荷装置。
【請求項５】飛翔体の射出速度を検出する装置は、銃
口を挟んで対峙する一対の発光側レンズと受光側レンズ
とよりなる飛翔体検出センサーの２組を、銃身の中央部
に所定の距離を置いて取り付け、該各センサーの発光側
レンズと地上側に設置したレーザー光源とを、それぞれ
途中に光ロータリージョイントを介して光ファイバーケ
ーブルで接続するとともに、上記各センサーの受光側レ
ンズと地上側に設置したタイムカウンターとを、それぞ
れ途中に光ロータリージョイントを介して光ファイバー
ケーブルで接続することにより、上記一方のセンサーが
飛翔体を検出するとタイムカウントを開始し、他方のセ
ンサーが飛翔体を検出するとタイムカウントを停止し
て、そのカウント数を速度演算器に入力するように構成
したものである請求項１、２、３又は４に記載の着弾衝
撃実験可能な遠心力載荷装置。