JP2005264651A - 回転杭の施工制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 杭の回転駆動による出力トルクを、モータ回転数を増加することなく設定トルク以下に増加を抑える。
【解決手段】 杭９を回転させながら被掘削体に圧入する回転圧入手段１３，１４と、回転圧入手段１３，１４による杭９の回転駆動トルクＴを検出するトルク検出手段２１と、トルク検出手段２１により検出された回転駆動トルクＴが所定値（０．８×Ｔ０）以上になると、杭９と被掘削体との間に生じる掘削抵抗が小さくなるように回転圧入手段１３，１４を制御する制御手段３６，３７，４２とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、建築・土木の基礎工事等における回転杭の施工を制御する回転杭の施工制御装置に関する。

従来より、過大な出力トルクによる回転杭の破損を防止するため、回転杭に作用する出力トルクの許容値を設定し、この設定トルクを越えないように出力トルクを制御するようにした装置が知られている（例えば特許文献１参照）。これによれば可変容量形油圧モータにより回転杭を回転させるとともに、出力トルクが設定トルクに達すると油圧モータのモータ容量を減少させて、出力トルクを設定トルク以下に抑える。

特開２００１−２１４４４３号公報

上記特許文献記載の装置では、出力トルクが設定トルクに達するとモータ容量を減少させるので、モータ回転数が増加する。その結果、杭の回転数も増加し、掘削時の抵抗が大きくなって燃費の悪化を招く。

本発明による回転杭の施工制御装置は、杭を回転させながら被掘削体に圧入する回転圧入手段と、回転圧入手段による杭の回転駆動トルクを検出するトルク検出手段と、トルク検出手段により検出された回転駆動トルクが所定値以上になると、杭と被掘削体との間に生じる掘削抵抗が小さくなるように回転圧入手段を制御する制御手段とを備えることを特徴とする。
杭を回転させる回転用油圧モータと、杭を被掘削体に圧入方向に向けて押し付ける押付用油圧モータとにより回転圧入手段を構成し、トルク検出手段により検出された回転駆動トルクが所定値以上になると、押付用油圧モータの回転数および押付用油圧モータの駆動圧力の少なくとも一方を減少させるようにすることもできる。
トルク検出手段により検出された回転駆動トルクが上述した所定値（第１の所定値）より大きい第２の所定値以上になると、さらに回転用油圧モータの回転数を減少させることもできる。
トルク検出手段により検出された回転駆動トルクが第２の所定値より大きい第３の所定値以上になると、さらに回転用油圧モータの駆動圧力を減少させることもできる。
杭を引き抜く引き抜き手段を有し、トルク検出手段により検出された回転駆動トルクが所定値以上になると、杭を所定量引き抜いた後、杭を再圧入するように引き抜き手段および回転圧入手段を制御することもできる。

本発明によれば、トルク検出手段により検出された杭の回転駆動トルクが所定値以上になると、杭と被掘削体との間に生じる掘削抵抗が小さくなるように杭の回転圧入を制御するようにしたので、杭回転用モータの回転数を増加することなく出力トルクの増加を抑えることができる。

以下、図１〜図４を参照して本発明による回転杭の施工制御装置の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係る施工制御装置を有する建設機械の側面図である。この建設機械は鋼管杭の回転圧入工法を行う施工機であり、走行体１と、走行体上１に旋回可能に搭載された旋回体２と、旋回体２の前部に運転室３に面して取り付けられた作業装置４とを有する。

作業装置４は次のように構成される。旋回体２の前方に設けられたリーダ７は油圧シリンダ５を介して旋回体２から支持され、油圧シリンダ５の駆動により鉛直方向に立設される。リーダ７には回転駆動装置としての油圧モータ１４を有するオーガ駆動装置８が上下動可能に支持されている。オーガ駆動装置８には先端にスクリュー部９ａを有する鋼管杭９の上端部が支持され、油圧モータ１４の駆動により鋼管杭９が回転する。リーダ７の上下端部には一対のスプロケット１０，１１が設けられ、このスプロケット１０，１１にチェーン１２が掛け回されている。下部のスプロケット１１は油圧モータ１３により回転し、油圧モータ１３の回転によりチェーン１２を介してオーガ駆動装置８が昇降する。オーガ駆動装置８の移動量はスプロケット１１の回転量に比例するので、スプロケット１１の回転量とスプロケット１１の直径とにより杭深度を演算することができる。

作業装置４には、杭深度の演算のためのスプロケット１１の回転量を検出する深度センサ２１と、オーガ駆動用油圧モータ１４の圧力を検出するトルクセンサ２２と、油圧モータ１４の回転数およびこのモータ回転数と相関のある杭９の回転数を検出する回転センサ２３と、オーガ昇降用油圧モータ１３の回転による杭９の押込力を検出する押込力センサ２４（図１では不図示）が設けられている。運転室３には施工管理用の表示モニタ４０が設けられている。油圧モータ１３，１４の駆動は施工制御装置により制御される。

図２は、本実施の形態に係る施工制御装置の全体構成を示す図である。施工制御装置は、図示しないエンジンにより駆動される可変容量形油圧ポンプ３１および油圧ポンプ３２と、油圧ポンプ３１からの圧油により回転するオーガ駆動用の可変容量形油圧モータ１４と、油圧ポンプ３２からの圧油により回転するオーガ昇降用の油圧モータ１３と、油圧ポンプ３１から油圧モータ１４への圧油の流れ、すなわち油圧モータ１４の回転方向を制御する正逆転切換弁３３と、油圧ポンプ３２から油圧モータ１３への圧油の流れ、すなわち油圧モータ１３の回転方向を制御する正逆転切換弁３４と、油圧モータ１４の駆動回路圧を制限する可変リリーフ弁３５と、油圧モータ１３の駆動回路圧を制限する可変リリーフ弁３６と、油圧ポンプ３２から油圧モータ１３への圧油量を制御する流量制御弁３７と、油圧ポンプ３１の容量を制御するポンプレギュレータ３１ａと、油圧モータ１４の容量を制御するモータレギュレータ１４ａと、これら油圧回路を電気的に制御する制御装置４１とを有する。

制御装置４１は、汎用性のあるプログラマブル・シーケンサ（以下、単にシーケンサと呼ぶ）を備える。シーケンサは、電源、メモリカード、シーケンサＣＰＵ等からなるＣＰＵユニット４２と、入出力インターフェイスとしての入力ユニット４３と、出力ユニット４４とを有する。ＣＰＵユニット４２には表示モニタ（タッチパネルディスプレイ）４０が接続され、施工に関する各種情報が表示されるとともに、タッチパネルの操作に応じた信号がＣＰＵユニット４２に入力される。

入力ユニット４３には作業装置４の駆動指令を入力する操作盤４５と、上述したセンサ２１〜２４が接続され、出力ユニット４４にはリリーフ弁３５，３６，流量制御弁３７，およびレギュレータ１４ａ，３１ａの各ソレノイドが接続されている。操作盤４５には回転杭９の正逆回転を指令する回転指令スイッチ４５ａと、回転速度を指令する速度ダイヤル４５ｂと、回転杭９の昇降動作を指令する昇降指令スイッチ４５ｃと、昇降速度を指令する速度ダイヤル４５ｄとが設けられている。

スイッチ４５ａ，４５ｃは例えばトグルスイッチであり、これらスイッチ４５ａ，４５ｃの信号は正逆転切換弁３３，３４のソレノイドにそれぞれ入力され、スイッチ操作に応じて正逆転切換弁３３，３４が切り換わる。すなわち、回転指令スイッチ４５ａ，４５ｃが中立位置から正転または逆転位置に操作されると正逆転切換弁３３、３４がそれぞれ正転または逆転位置に切り換わり、油圧モータ１４，１３が正転または逆転する。油圧モータ１３，１４が正転すると鋼管杭９の回転圧入動作が開始され、鋼管杭９が地中に進入する。この際、杭９にかかる出力トルクが予め定められた設定トルクを越えないように、ＣＰＵユニット４２からの制御信号により出力トルクを制御しながら圧入動作を行う。

ＣＰＵユニット４２には、予めラダープログラムの形式で作成された施工制御用プログラムが組み込まれている。ＣＰＵユニット４２では、表示モニタ４０から入力された信号と、操作盤４５およびセンサ２１〜２４からの信号を用いてプログラムを実行し、表示モニタ４０を制御するとともに、図示しないプリンターやメモリカードへの出力を制御し、かつ、リリーフ弁３５，３６，流量制御弁３７，レギュレータ１４ａ，３１ａをそれぞれ制御する。

鋼管杭９の圧入作業時における表示モニタ４０の表示形態の一例を図３に示す。図３では、深度センサ２１からの信号により演算される杭深度、回転センサ２３により検出される油圧モータ１４あるいは杭９の回転数、押込力センサ２４により検出される押込力、深度センサ２１からの信号により演算される杭９の昇降速度、トルクセンサ２２により検出される圧力とモータ容量制御信号とによって演算される出力トルク、杭深度と杭９の回転数とにより演算される１回転当たりの深度増加量（貫入量），出力トルクの許容値である設定トルク等の作業情報が表示されている。なお、モータ容量制御信号はモータ１４の回転速度の切換指令に応じてシーケンサから出力される。

次に、ＣＰＵユニット４２における施工制御装置としての処理の一例を、図４のフローチャートにより説明する。このフローチャートは、例えばスイッチ４５ａ，４５ｃの操作により圧入作業の開始が指令されるとスタートし、スイッチ４５ａ，４５ｃが中立位置に操作されると終了する。なお、スタート時には可変リリーフ弁３５，３６のリリーフ圧Ｐｒ１，Ｐｒ２はそれぞれ最大値に設定されている。

まず、ステップＳ１でトルクセンサ２２により検出された圧力とレギュレータ１４ａに出力されるモータ容量制御信号とにより杭９の回転駆動トルクである出力トルクＴを演算する。次いで、ステップＳ２で深度センサ２１からの信号により求まる杭深度を、回転センサ２３により検出された杭９の回転数で除算し、杭９の貫入量を演算する。

ステップＳ３では回転モードが標準モードか繰り返しモードかを判定する。ここで、標準モードとは杭９の標準的な圧入作業を行うモードであり、繰り返しモードとは地盤が堅く標準モードでの圧入が困難なときに杭９を一旦上昇させて再度圧入を試みるモードである。回転モードはスタート時には標準モードに設定され、表示モニタ４０の操作部４０ａ（図３）がタッチ操作されると繰り返しモードとなる。したがって、ステップＳ３では操作部４０ａの操作の有無を判定する。なお、操作部４０ａが操作されると操作部４０ａの表示が点滅する。これによりオペレータは標準モードか繰り返しモードかを認識することができる。

ステップＳ３で標準モードと判定されるとステップＳ４に進み、出力トルクＴが予め定めた設定トルクＴ０の８０％以上か否かを判定する。設定トルクＴ０は杭９や作業装置４（オーガ駆動装置８等）の破損を防止するための出力トルクの許容値であり、杭９の強度等を考慮して決定される。ステップＳ４が肯定されるとステップＳ５に進み、否定されるとステップＳ７に進む。ステップＳ７では速度ダイヤル４５ｂ，４５ｄの指令値に応じてレギュレータ１４ａ，流量制御弁３７にそれぞれ制御信号を出力し、油圧モータ１４，１３の回転数、すなわち杭９の回転速度と押込速度を制御する。この場合、ポンプレギュレータ３１ａにはポンプ吐出圧に応じた制御信号を出力し、ポンプ３１の吸収馬力がエンジン出力を越えないように馬力制御する。

ステップＳ５では出力トルクＴが設定トルクＴ０の９０％以上か否かを判定する。ステップＳ５が肯定されるとステップＳ６に進み、否定されるとステップＳ８に進む。ステップＳ８では流量制御弁３７に制御信号を出力し、流量制御弁３７の弁開度を所定量減少させるとともに、可変リリーフ弁３６に制御信号を出力し、設定リリーフ圧Ｐｒ２を所定量減少させる。これにより杭９の押込速度が低下するとともに、杭９の押し込み力が弱まる。

ステップＳ６では出力トルクＴが設定トルクＴ０に達したか否かを判定する。ステップＳ６が肯定されるとステップＳ１０に進み、否定されるとステップＳ９に進む。ステップＳ９ではレギュレータ３１ａに制御信号を出力し、ポンプ容量を所定量減少させる。これにより杭９の回転速度が低下する。ステップＳ１０では、リリーフ弁３５に制御信号を出力し、出力トルクＴがこれ以上大きくならないように設定リリーフ圧Ｐｒ１を減少させる。これにより出力トルクＴが設定トルクＴ０以下に抑えられる。

一方、ステップＳ３で繰り返しモードと判定されるとステップＳ１１に進み、出力トルクＴが設定トルクＴ０の９０％以上で、かつ、貫入量Ｌが所定量Ｌ０（例えば２ｃｍ）以下か否かを判定する。これは繰り返しモードを継続するか否かの判定である。すなわち出力トルクＴが高いにも拘わらず貫入量Ｌが小さい場合には、標準モードで杭９を圧入することは困難であると予想されるため、ステップＳ１１が肯定されて繰り返しモードを継続する。この場合、ステップＳ１２で正逆転切換弁３３，３４に制御信号を出力して油圧モータ１３，１４を所定時間（例えば５秒間）だけ逆転する。これにより杭９が一旦上昇する。次いで、ステップＳ１３で正逆転切換弁３３，３４に制御信号を出力し、油圧モータ１３，１４を所定時間（例えば５秒間）だけ正転する。これにより杭９が再圧入される。ステップＳ１２．ステップＳ１３の動作はステップＳ１１が否定されるまで繰り返される。ステップＳ１１が否定されるとステップＳ１４に進み、繰り返しモードを解除してステップＳ４以降の標準モードに進む。

本実施の形態に係る施工制御装置の特徴的な動作を説明する。
（１）標準モード
操作盤４５のスイッチ４５ａ，４５ｂを操作すると、正逆転切換弁３３，３４がそれぞれ中立位置から切り換わり、油圧モータ１３，１４が回転する。これにより杭９が回転しながら下方に押し付けられ、圧入作業が開始される。ここで、杭９の出力トルクＴが設定トルクＴ０の８０％以下の場合には、出力トルクＴが設定トルクＴ０に至るまで十分余裕があるため、出力トルクＴの増加を抑える必要はなく、ダイヤル４５ｂ、４５ｄの設定値に応じて杭９の回転速度と押込速度が制御される（ステップＳ７）。

圧入作業時に出力トルクＴが設定トルクＴ０の８０％以上になると、流量制御弁３７の弁開度が減少するとともに、リリーフ弁３６のリリーフ圧Ｐｒ２が減少する（ステップＳ８）。これにより油圧モータ１３への圧油供給量が減少し、杭９の押込速度が低下するとともに、杭９の押し込み力が弱まる。その結果、杭９に作用する地中からの掘削抵抗が小さくなり、出力トルクＴの増加を抑えることができる。また、掘削抵抗を減少させた分、出力トルクＴを増加させなくてもより大きな掘削力を発揮することができ、堅い地盤の掘削も容易となる。

杭９の押込速度と押し込み力を低減して掘削抵抗を低下させたにも拘わらず出力トルクＴが増加し、出力トルクＴが設定トルクＴ０の９０％以上になると、ポンプ容量が減少する（ステップＳ９）。これにより油圧モータ１４への圧油供給量が減少し、杭９の回転速度が低下する。その結果、回転速度が低下した分、掘削抵抗が減少し、出力トルクＴの増加をさらに抑えることができる。ポンプ容量の減少にも拘わらず出力トルクＴが増加し、出力トルクＴが設定トルクＴ０に達すると、リリーフ弁３５のリリーフ圧Ｐｒ１が減少する（ステップＳ１０）。これにより油圧ポンプ３１からの圧油がリリーフ弁３５からリリーフし、モータ駆動圧が減少する。その結果、油圧モータ１４の回転が停止し、出力トルクＴを設定トルクＴ０以下に抑えることができる。

（２）繰り返しモード
ポンプ圧油がリリーフ弁３５からリリーフして油圧モータ１４の回転が停止すると、圧入作業の継続が困難となる。この状態でオペレータが表示モニタ４０の操作部４０ａを操作して繰り返しモードを選択すると、所定時間だけ油圧モータ１３，１４が逆転し、杭９が上昇した後、油圧モータ１３，１４が正転し、杭９が再圧入される（ステップＳ１２，ステップＳ１３）。このように杭９が一旦上昇すると、杭先端のスクリュー部９ａに詰まった土砂等が除去されるので、再圧入の際の掘削抵抗は小さくなる。その結果、同一の出力トルクＴであっても標準モードに比べて大きな掘削力を得ることができ、堅い地盤の中間層の掘削が容易となる。

繰り返しモードにおける動作は、再圧入後の出力トルクＴが９０％以下となるまで、または杭９の貫入量ＬがＬ０より大きくなるまで、換言すれば杭９が堅い地盤の中間層を突破するまで繰り返される。中間層を突破すると、繰り返しモードが自動的に解除され、標準モードで作業が続行される（ステップＳ１４→ステップＳ４）。

以上の実施の形態によれば、以下のような作用効果を奏することができる。
（１）出力トルクＴが設定トルクＴ０の８０％以上に増加すると流量制御弁３７の弁開度を絞るとともに可変リリーフ弁３６のリリーフ圧Ｐｒ２を低減し、杭９の押込速度および押し込み力を減少させるようにした。これにより油圧モータ１４の回転数を上昇させることなく出力トルクＴの増加を抑えることができ、掘削抵抗の増加による燃費の悪化を防止できる。また、掘削抵抗を小さくした分、大きな掘削力を得ることができ、圧入作業が容易となる。
（２）出力トルクＴが設定トルクＴ０の９０％以上に増加すると杭回転用の駆動圧油を供給する油圧ポンプ３１の容量を減少させるようにしたので、杭９の回転速度が減少し、出力トルクＴの増加を抑えることができる。
（３）出力トルクＴが設定トルクＴ０に達すると可変リリーフ弁３５のリリーフ圧Ｐｒ１を低減し、モータ駆動圧を減少させるようにしたので、出力トルクＴが設定トルクＴ０以上に増加することなく、杭９の破損を防止できる。
（４）出力トルクＴが９０％以上で、かつ、貫入量ＬがＬ０以下のときに、操作部４０ａの操作により繰り返しモードが選択されると、油圧モータ１３，１４を所定時間だけ逆転させて杭９を上昇させた後、油圧モータ１３，１４を正転させて杭９を再圧入するようにした。これにより掘削抵抗を小さくすることができ、標準モードに比べて大きな掘削力を得ることができる。その結果、堅い地盤の中間層の打ち抜くことができる。
（５）掘削モードにおける正逆転切換弁３３，３４の切換をシーケンサからの信号により自動的に行うようにしたので、オペレータのスイッチ４５ａ，４５ｃの切換操作が不要であり、オペレータの労力を軽減できる。

なお、上記実施の形態では、出力トルクＴが設定トルクＴ０の８０％以上になると流量制御弁３７の弁開度を絞るとともに、リリーフ弁３６のリリーフ圧Ｐｒ２を下げた。また、出力トルクＴが設定トルクＴ０の９０％以上になるとポンプ容量を減少させ、出力トルクＴが設定トルクＴ０に達するとリリーフ弁３５のリリーフ圧Ｐｒ１を下げるようにした。しかし、設定トルクＴ０に対する出力トルクＴの割合が所定値以上となったときに掘削抵抗が小さくなるように油圧モータ１３，１４の駆動（圧油供給量、モータ駆動圧）を制御するのであれば、制御手段の構成は上述したものに限らない。例えば、流量制御弁３７の弁開度、リリーフ弁３５，３６のリリーフ圧、ポンプ容量のいずれか１つのみを制御するようにしてもよい。

また、出力トルクＴが所定値以上となったときに油圧モータ１３の回転数および駆動圧力の少なくとも一方を減少させるのであれば、流量制御弁３７，リリーフ弁３６以外を制御してもよい。出力トルクが所定値以上となったときに油圧モータ１４の回転数を減少させるのであれば、ポンプレギュレータ３１ａ以外を制御してもよい。出力トルクＴが所定値以上となったときに油圧モータ１４の駆動圧力を減少させるのでれば、リリーフ弁３５以外を制御してもよい。この場合の所定値（第１の所定値，第２の所定値、第３の所定値）の大きさを、上記実施の形態ではそれぞれ設定トルクの８０％，９０％，１００％に設定したが、所定値の大きさはこれに限らない。

操作部４０ａの操作により繰り返しモードを選択するようにしたが、出力トルクＴの増加により杭９の回転が停止したときに繰り返しモードに自動的に移行するように構成することもできる。繰り返しモード時に、油圧モータ１３，１４を所定時間だけ逆転運転した後に正転運転するようにしたが、杭９を一旦上昇させた後に再圧入するのであれば、上述した以外に油圧モータ１３，１４を制御してもよい。トルクセンサ２２とモータ容量制御信号とにより出力トルクＴを演算するようにしたが、トルク検出手段の構成はこれに限らない。上記実施の形態では、油圧モータ１３（押付用油圧モータ）と油圧モータ１４（回転用油圧モータ）の駆動により杭９を回転させながら圧入するようにしたが、他の回転圧入手段を設けてもよい。また、油圧モータ１３，１４の回転を逆転することで杭９を引き抜くようにしたが、引き抜き手段の構成はこれに限らない。

上記実施の形態の建設機械は、チェーン１２の駆動によりオーガ駆動装置８を昇降させるように構成したが、オーガ駆動装置８をワイヤーロープなどで吊り下げるように構成した建設機械にも本発明を同様に適用可能である。すなわち、本発明の特徴、機能を実現できる限り、本発明は実施の形態の施工制御装置に限定されない。

本発明が適用される建設機械の側面図。 本発明の実施の形態に係る施工制御装置の構成を示す図。 運転室に設けられる表示モニタの表示形態の一例を示す図。 図２のＣＰＵユニットで実行される処理の一例を示すフローチャート。

符号の説明

９ 杭
１３，１４ 油圧モータ
２１ トルクセンサ
３１ 油圧ポンプ
３１ａ ポンプレギュレータ
３３，３４ 正逆転切換弁
３５，３６ 可変リリーフ弁
３７ 流量制御弁
４０ 表示モニタ
４２ ＣＰＵユニット
４５ 操作盤

Claims (5)

1. 杭を回転させながら被掘削体に圧入する回転圧入手段と、
   前記回転圧入手段による杭の回転駆動トルクを検出するトルク検出手段と、
   前記トルク検出手段により検出された回転駆動トルクが所定値以上になると、前記杭と前記被掘削体との間に生じる掘削抵抗が小さくなるように前記回転圧入手段を制御する制御手段とを備えることを特徴とする回転杭の施工制御装置。
2. 請求項１に記載の回転杭の施工制御装置において、
   前記回転圧入手段は、前記杭を回転させる回転用油圧モータと、前記杭を前記被掘削体に圧入方向に向けて押し付ける押付用油圧モータとを有し、
   前記制御手段は、前記トルク検出手段により検出された回転駆動トルクが所定値以上になると、前記押付用油圧モータの回転数および前記押付用油圧モータの駆動圧力の少なくとも一方を減少させることを特徴とする回転杭の施工制御装置。
3. 請求項２に記載の回転杭の施工制御装置において、
   前記制御手段は、前記トルク検出手段により検出された回転駆動トルクが前記所定値（第１の所定値）より大きい第２の所定値以上になると、さらに前記回転用油圧モータの回転数を減少させることを特徴とする回転杭の施工制御装置。
4. 請求項３に記載の回転杭の施工制御装置において、
   前記制御手段は、前記トルク検出手段により検出された回転駆動トルクが前記第２の所定値より大きい第３の所定値以上になると、さらに前記回転用油圧モータの駆動圧力を減少させることを特徴とする回転杭の施工制御装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１項記載の回転杭の施工制御装置において、
   前記杭を引き抜く引き抜き手段を有し、
   前記制御手段は、前記トルク検出手段により検出された回転駆動トルクが所定値以上になると、前記杭を所定量引き抜いた後、前記杭を再圧入するように前記引き抜き手段および前記回転圧入手段を制御することを特徴とする回転杭の施工制御装置。

Images