JP2007270474A - 振動ローラおよびその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】地盤の均一な締固めが可能となる振動ローラおよびその制御方法を提供する。
【解決手段】ロール２を振動させて地盤を締め固める振動ローラＲに関し、振動ローラＲの走行速度が変わった場合であっても地盤に加わる単位面積当たりのエネルギ値が一定となるように、走行速度の変化に応じてロール２の振動を制御するようにした。また、ロール２の振動状態の制御は、ロール２の起振軸の単位時間当たりの回転数を制御することにより行う構成とした。
【選択図】図１

Description

本発明は、地盤（土、アスファルト路面等の被締固対象を総称して地盤というものとする）の締固め施工に使用される振動ローラおよびその制御方法に関するものである。

振動ローラは、ロールを振動させながら地盤を締め固めていく締固め車両であり、主に盛土の締固め施工やアスファルト舗装の転圧施工等に使用される。ロールに内蔵される振動機構としては偏心錘を取り付けた起振軸を回転させるという構造が一般的であり、その一例が特許文献１に記載されている。この場合、その単位時間当たりの起振軸の回転数はロールの振動数と一致する。

通常、締固め施工では振動ローラを一定の速度で走行させ、地盤を均一に締め固めることが重要である。しかし、例えば走行中に何らかの要因により走行速度を低くせざるを得なくなった場合、従来では起振軸の回転数を常に一定として施工しているため、つまりロールの起振力を常に一定としているため、走行速度を低くしたエリアだけ振動が余計に加わり、他のエリアよりも堅く締め固まる傾向にあった。ただし、完全な一時停止については、その停止した一カ所だけ地盤が大きくへこみやすいという問題もあり、前後進操作レバーの停止位置に連動させて起振軸の回転を停止する機構を備えた振動ローラが存在する。

以上のような背景のもと、特許文献２には、単位時間当たりの振動数（起振軸回転数）と、走行油圧モータの変速段と、振動ローラのロールのインパクトスペース（加振間隔距離）とを指定して、コントローラが転圧の走行速度を制御する仕組みが記載されている。ここで、ロールが上下に振動することでロールは地盤を叩くことになるが、その叩く動作１回を１インパクトとしており、振動ローラの走行進行方向の叩く間隔をインパクトスペースと称している。そして、特許文献２には、「オペレータは、監視や制御などの他の操作に妨げられることなく、ステアリング操作に専念できる」と記載されている。なお、単位走行距離当たりの振動数：ｍとインパクトスペース（加振間隔距離）：ｎとは、「ｍ＝１／ｎ」の逆数の関係となっていて、お互いにいずれか一方を指定すれば他方も一意に値が決まる関係にあり、どちらか一方を一定とした場合は他方も一定の値となり、実質的に同様の技術的意味合いがある。本願では、従来例も含めて、その指定について「単位走行距離当たりの振動数」として、以降説明を行う。
特開平４−３５３１０３号公報 米国特許公報ＵＳ６５５８０７２Ｂ２

特許文献２において、「単位走行距離当たりの振動数」を指標値として用い、それを基準として、指定した単位時間当たりの振動数から、転圧走行速度を割り出して転圧作業を効率良く行うという解決方法の一例が示されている。ただしこの方法は、安全の観点から見ると、前方に突発的な障害物が現れた場合や人身事故を防ぐといううえで、オペレータが最も注意深くコントロールすべき走行速度をコントローラに委ねるという点で安全上好ましくないという問題がある。また、転圧作業は他の作業機械と共同して行う場合が多く、他の作業機械に遅れをとってしまった場合には、転圧走行速度を上げる場合がある。その際には、単位時間当たりの振動数を上げることにより転圧走行速度を上げなければならず、また、他の作業機械の方が遅い場合には、単位時間当たりの振動数を下げることにより転圧走行速度を下げなければならない。したがって、振動ローラのオペレータの作業が効率良く、かつ、ステアリング操作に専念できるという効果は一概に言えない。

本発明はこのような課題を解決するために創案されたものであり、地盤の均一な締固めが可能となる振動ローラおよびその制御方法を提供することを目的としている。

前記課題を解決するため、本発明は、ロールを振動させて地盤を締め固める振動ローラに関し、振動ローラの転圧走行速度が変わっても、振動するロールが地盤に加える単位面積当たりのエネルギ値が一定となるように、転圧走行速度の変化に応じて、ロールの振動を制御することを特徴とする振動ローラの制御方法とした。

ロールが地盤に与えるエネルギと、地盤の締固め密度（締固め度）との間には良好な相関関係がある。したがって、前記エネルギ値が一定となるようにロールの振動を制御すれば、地盤の締固め度を一定にすることができ、均一な締固め施工が実現される。

また、本発明は、前記ロールの振動状態の制御は、ロールの起振軸の単位時間当たりの回転数を制御することにより行うことを特徴とする振動ローラの制御方法とした。

この制御方法によれば、簡易な構造でロールの振動を制御できる。特に、振動ローラが、偏心モーメントを可変調節できないタイプの振動装置を搭載している場合には、容易に対応可能となる。

また、本発明は、ロールを振動させて地盤を締め固める振動ローラであって、転圧走行速度を検出する走行速度検出手段と、前記走行速度検出手段からの速度信号をインプットデータとして、振動するロールが地盤に加える単位面積当たりのエネルギ値が一定となるロールの振動状態を演算する演算手段と、この演算手段からの信号に基づき、起振軸の状態を制御する起振軸制御手段と、を有することを特徴とする振動ローラとした。

ロールが地盤に与えるエネルギと、地盤の締固め密度（締固め度）との間には良好な相関関係がある。したがって、この振動ローラによれば、地盤の締固め度を一定にすることができ、均一な締固め施工が実現される。

また、本発明は、前記演算手段は、前記起振軸の回転数を演算し、前記起振軸制御手段は、前記起振軸の回転数を制御する制御手段であることを特徴とする振動ローラとした。

この振動ローラによれば、簡易な構造でロールの振動を制御できる。特に、振動ローラが、偏心モーメントを可変調節できないタイプの振動装置を搭載している場合には、容易に対応可能となる。

また、本発明は、振動するロールが地盤に加える単位面積当たりのエネルギ値を、手動操作により設定するエネルギ値設定手段を有することを特徴とする振動ローラとした。

この振動ローラによれば、施工現場ごとにその地盤にとって最適となるエネルギ値を容易に設定できる。

本発明によれば、地盤全体を精度良く均一に締め固めることができる。

図１は振動ローラの一例を示す側面説明図である。本図に示したタイプは主に土工用の締固め施工に多用される振動ローラである。振動ローラＲは、タイヤＴを左右一対に有した車体１と、車体１の前方側においてロール２を軸装する平面視四角形状の機枠３とを備えており、車体１と機枠３は連結部４によりアーティキュレート式に連結される。車体１の上部には運転席５が形成される。ロール２内には油圧モータ等により駆動する公知構造（例えば図２に示すように、偏心錘７を取り付けた起振軸８を回転させる構造等）の振動装置が収装されており、オペレータが運転席５回りの計器パネル６等に設けられたスイッチをＯＮ操作することで、当該振動装置が作動し、ロール２は振動しながら地盤９を締め固める。

本発明は、締固め施工中に振動ローラＲの走行速度が変わった場合であっても、地盤９に加わる単位面積当たりのエネルギ値が一定となるように、走行速度の変化に応じてロール２の振動を制御する構成としたことを主な特徴とする。ロールが地盤に与えるエネルギと、地盤の締固め密度（締固め度）との間には良好な相関関係があることが知られており、このことは例えば「創立２０周年記念論文集」（社団法人 日本建設機械化協会 建設機械化研究所 昭和５９年１０月発行）に掲載の論文「締固め機械の性能」（著者：根本 忠、日向 正、井上 利次）の３７頁に記載されている。同３５頁の図１−１６の（Ｌ）には、単位面積当たりのエネルギと締固め度との相関関係を示すグラフが記載されている。このグラフは、２０機種以上の振動ローラに関する土の締固め性能試験での試験結果により、横軸を単位面積当たりの締固めエネルギとし、縦軸を締固め度として、各振動ローラの実機試験結果を１つの点としてそれぞれ表記したものである。つまり、グラフにおける点の数は試験した機種の異なる振動ローラの数に相当している。曲線は、これらの点の傾向を捉えて引かれた曲線である。なお、参考としてこのグラフを図６に示した。

本発明は、この相関関係を考慮発展させて、同じ１つの振動ローラであっても、転圧走行速度が変わった際、「走行する地盤の単位面積当たりに加えるエネルギが一定となるように、ロールの振動を制御できれば、地盤の締固め度が均一となる」として、その方法および装置を実現させたものである。

ロール２の振動の制御に関する具体例としては、図２に示した起振軸８の単位時間当たりの回転数を制御する方法が挙げられる。図２に示した構造の場合における起振力Ｆは、「Ｆ＝ｍｒω^２」（ｍは偏心質量、ｒは起振軸８の軸心と偏心錘７の重心との距離、ωは起振軸８の角速度）の式で示され、また「ω＝２πｎ」（ｎは起振軸８の単位時間当たりの回転数）の関係にあるから、起振力を制御する場合、ｍｒ（これを偏心モーメントという）を制御するか、ωの値、すなわち起振軸８の単位時間当たりの回転数を制御するかの２通りに大別される。後者の制御方法によれば簡易な構造で起振力を制御できる。また、偏心モーメントｍｒを可変調節できないタイプの振動装置を搭載した振動ローラの場合には、勿論後者の制御方法が適用される。

以上の制御方法を実施するに当たり好適となる制御装置の一例を説明する。図３はこの制御装置の構成を示すブロック図である。図１〜図３を適宜に参照して、制御装置は、振動ローラＲの転圧走行速度を検出する走行速度検出手段１１と、走行速度検出手段１１からの速度信号をインプットデータとして、振動するロール２が地盤に加える単位面積当たりのエネルギ値が一定となるロール２の振動状態を演算する演算手段１２と、この演算手段１２からの信号に基づいて、前記エネルギ値が一定となるように起振軸８の状態を制御する起振軸制御手段１３と、を備える。図３では、起振軸制御手段１３として、ロール２の起振軸８の回転数を制御する起振軸回転数制御手段１４とした場合を示している。この起振軸回転数制御手段１４は、例えば起振軸８を回転させる油圧モータに作動油を供給する油圧ポンプの吐出量の制御を担うアクチュエータと油圧ポンプ自体とから構成される。この場合、油圧モータが起振軸回転駆動源１５に相当する。

「走行速度検出手段１１」
走行速度検出手段１１の具体例としては、回転しているロール２に設けられた複数の突起物が近づいたときにこれを検出して、パルス信号を発生する近接センサが挙げられる。近接センサは光学式や磁気式等、特に限定されるものではない。パルス信号からロール２の回転数を検出することで、振動ローラＲの走行速度が割り出される。

「演算手段１２」
本実施形態における演算手段１２は、振動ローラＲの転圧走行速度に関する値と起振力に関する値とを変数として含む、振動しているロール２が地盤９に加える単位面積当たりのエネルギ値に関する演算式に基づき、走行速度検出手段１１より入力した速度信号から、前記エネルギ値を一定とした場合の振動に関する値を割り出す。ロール２が地盤９に加える単位面積当たりのエネルギ値Ｅに関する演算式の一例としては、次の式（１）が挙げられる。この式（１）は前記論文「締固め機械の性能」の３４頁における表１−３に記載の式において、振動ローラＲの締固め回数Ｎを１とした場合のものである。
Ｅ＝（Ｅ_０・ｎ）／（Ｖ・Ｂ） …式（１）
ただし、Ｅ_０：振動１サイクル当たりのエネルギ、ｎ：単位時間当たりの振動数、Ｖ：振動ローラの走行速度、Ｂ：ロールの幅寸法、である。

Ｅ_０には式（２）の関係がある。この式（２）も前記論文「締固め機械の性能」の３４頁における表１−３に記載されている。
Ｅ_０＝２ａ・（Ｗ_１＋Ｆ／２） …式（２）
ただし、ａ：片振幅値、Ｗ_１：ロールの荷重、Ｆ：起振力、である。このように式（２）には片振幅値ａが含まれているが、通常の締固め施工における振動ローラの使用帯域ではほぼ一定の場合が多いので、一定の値として処理して差し支えない。

ここで、「Ｗ_１＝ｍ_１ｇ」であり、「Ｆ＝ｍｒω^２」である。ただし、ｍ_１：ロールの質量、ｇ：重力加速度、ω：起振軸の角速度、である。これらを式（２）に当て嵌め、それを式（１）に代入して展開すると、次の式（３）を得る。
ω^３＋（２ｍ_１ｇ／ｍｒ）・ω−（２πＥＶＢ／ｍｒａ）＝０ …式（３）

以下の式展開は図５を参照されたい。「β＝２ｍ_１ｇ／ｍｒ」とし、「γ＝２πＥＶＢ／ｍｒａ」として、式（３）に代入して、式（４）を得る。式（５）のように「ω＝Ａ＋（−β／３）／Ａ」とすると、式（４）の３次方程式に対し、式（５）から式（６）に展開されるので、式（４）は式（７）で表せる。実数であるＡについて展開し、式（８）、式（９）、式（１０）を経て式（１１）を得る。この式（１１）で得られたＡを式（５）に代入することにより、ω（起振軸の角速度）が求められ、このωから起振軸の単位時間当たりの回転数が求められる。

以上のように、式（１）は、振動ローラＲの走行速度Ｖに関する値と、起振力Ｆに関する値（本実施例では起振軸の単位時間当たりの回転数）とを変数として含んだ、ロール２が地盤９に加える単位面積当たりのエネルギ値Ｅに関する演算式である。演算手段１２は、この式（１）を展開して、走行速度検出手段１１より入力した走行速度Ｖに関する信号から、エネルギ値Ｅを一定とした場合の振動に関する値（本実施例では起振軸の単位時間当たりの回転数）を割り出す。

「起振軸制御手段１３」
方法の説明でも既述したが、振動を制御する場合、偏心モーメントを制御するか、起振軸の単位時間当たりの回転数を制御するかに大別される。本実施例の起振軸回転数制御手段１４は後者の制御方法に対応した起振軸制御手段１３となり、演算手段１２の演算結果に基づいて、エネルギ値Ｅが一定となるように油圧モータ等の起振軸回転駆動源１５を制御する。

以上のようにして、ロール２が地盤９に加える単位面積当たりのエネルギ値Ｅを定めて、走行速度Ｖを変えた場合の起振軸８の回転数の変化の様子は図４における実線のグラフのようになる。比較として、前記特許文献２に記載の技術を用いて、起振軸の回転数を変えて走行速度を変えた場合の様子を一点鎖線にて示す。本グラフから、特許文献２に記載の技術の場合、走行速度に比例して起振軸の回転数が高くなるのに対し、本発明の場合、走行速度が上がっても起振軸の回転数はさほど高くならないことが判る。また、走行速度が低くなった場合においては、起振軸の回転数は、本発明の場合の方が高くなっていることが判る。

以上のように、振動ローラＲの転圧走行速度を検出する走行速度検出手段１１と、走行速度検出手段１１からの速度信号をインプットデータとして、振動するロール２が地盤に加える単位面積当たりのエネルギ値が一定となるロール２の振動状態を演算する演算手段１２と、この演算手段１２からの信号に基づいて、前記エネルギ値が一定となるように起振軸８の状態を制御する起振軸制御手段１３と、を備える振動ローラＲとすれば、地盤９の締固め度を一定にすることができ、均一な締固め施工が実現される。

また、転圧走行速度を通常の締固め施工の速度よりも上げた場合、地盤９の均一な締固めという点から見て、必要以上に起振軸の回転数を上げないで済むので、起振軸を支承するベアリングの使用寿命に関して有利となり、余分なエネルギ消費もなくなる。逆に転圧走行速度が通常の締固め施工の速度よりも下がった場合、単位時間当たりの起振軸の回転数の下がり方が少ないので、特許文献２に記載の技術よりも均一な締固め施工が実現できる。

さらに、特許文献２に記載されているシステムとは異なり、本発明の場合は、振動ローラＲの走行速度はオペレータにより簡単に変えることができ、しかも市場に出回っている一般的な振動ローラの操作と何ら変わらない、違和感のない操作となる。特に、突発的な危険を避けるための操作も、スムーズに連続して行うことができる。また、他の作業機械と共同して締固め施工を行う場合であっても、他の作業機械の進捗状況に合わせて転圧走行速度を容易に変えられ、その場合も常に地盤は均一に締め固められる。

また、演算手段１２は、起振軸８の回転数を演算し、起振軸制御手段１３は、起振軸８の回転数を制御する制御手段（起振軸回転数制御手段１４）である構成とすれば、簡易な構造でロール２の振動を制御できる。特に、振動ローラＲが、偏心モーメントｍｒを可変調節できないタイプの振動装置を搭載している場合には、容易に対応可能となる。

さらに、図３に示すように、前記エネルギ値Ｅを手動操作により設定するエネルギ値設定手段１６を有する構成とすれば、施工現場ごとにその地盤９にとって最適となるエネルギ値Ｅを容易に設定できることとなる。エネルギ値設定手段１６は、例えば図１に示した運転席５周りに設定スイッチ等として配設される。

以上、本発明について最適な実施形態を説明した。前記エネルギ値に関する式として本実施形態では式（１）を挙げたが、これに限定されることなく他の理論に基づく式であっても良い。なお、起振軸の偏心モーメントを変える機構の代表例は、特開平７−１６６５１１号公報に記載されている。また、特許請求の範囲および明細書中には、「振動ローラ」という用語を使用したが、特開平８−３２６０１１号公報に記載されている振動タイヤローラも本発明の「振動ローラ」に含まれるものとする。その他、本発明は図面に記載したものに限定されず、その趣旨を逸脱しない範囲内で適宜に設計変更が可能である。

振動ローラの一例を示す側面説明図である。 ロールに内蔵された起振軸を示す側面説明図である。 本発明の構成を示すブロック図である。 本発明を適用した場合の走行速度と起振軸の回転数との関係を実線にて示すグラフ図である。 演算式の展開を示す。 単位面積当たりのエネルギと締固め度との相関関係を示すグラフである。

符号の説明

２ ロール
８ 起振軸
１１ 走行速度検出手段
１２ 演算手段
１３ 起振軸制御手段
１４ 起振軸回転数制御手段
１６ エネルギ値設定手段

Claims (5)

1. ロールを振動させて地盤を締め固める振動ローラに関し、
   振動ローラの転圧走行速度が変わっても、振動するロールが地盤に加える単位面積当たりのエネルギ値が一定となるように、転圧走行速度の変化に応じて、ロールの振動を制御することを特徴とする振動ローラの制御方法。
2. 前記ロールの振動状態の制御は、ロールの起振軸の単位時間当たりの回転数を制御することにより行うことを特徴とする請求項１に記載の振動ローラの制御方法。
3. ロールを振動させて地盤を締め固める振動ローラであって、
   転圧走行速度を検出する走行速度検出手段と、
   前記走行速度検出手段からの速度信号をインプットデータとして、振動するロールが地盤に加える単位面積当たりのエネルギ値が一定となるロールの振動状態を演算する演算手段と、
   この演算手段からの信号に基づき、起振軸の状態を制御する起振軸制御手段と、
   を有することを特徴とする振動ローラ。
4. 前記演算手段は、前記起振軸の回転数を演算し、前記起振軸制御手段は、前記起振軸の回転数を制御する制御手段であることを特徴とする請求項３に記載の振動ローラ。
5. 振動するロールが地盤に加える単位面積当たりのエネルギ値を、手動操作により設定するエネルギ値設定手段を有することを特徴とする請求項３または請求項４に記載の振動ローラ。

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