JP2010188330A - 振動制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 公知の発明（特開平１０−１８３６１９号公報）に係る外付け２重管式の振動制御装置を改良して「偏心重錘の回転を継続しつつ起振力を消失させる操作」の所要時間を著しく短縮させる技術を提供する。起振力を瞬時に消失させることができれば、杭を打設する場合、該杭の打ち込み状態（杭頭が地上に突出している高さ）を正確に制御することができる。
【解決手段】 図外の固定偏心重錘と同期回転する内軸２ｂの外周面に表面硬化処理を施すとともに、図外の可動偏心重錘と同期回転する外管２ａの内周面に表面硬化処理を施し、かつ、上記の内軸２ｂと外管２ａとの間にニードル部材１４を嵌め合わせる。
【選択図】図１

Description

本発明は、杭打抜機（杭打抜機を含む・以下同様）に適用される偏心重錘式の起振機において、偏心重錘の回転を継続した侭で、起振力を増減せしめる装置に関するものである。

図３は公知の振動制御装置の１例における模式的な断面図であって、特開平１０−１８３６１９号公報に記載されている。
符号１を付して示したのは起振機ケースであって、その中に後述する固定偏心重錘や可動偏心重錘が収納されるとともに、該起振機ケースの外側に駆動モータ３及び可逆回動機構６が取り付けられている。当業界においては、このようにケースの外側に機器を取り付けることを外付けと呼んでいる。
偏心重錘式の起振機は、固定偏心重錘５と可動偏心重錘８とを相互に同期させて回転駆動するものであって、その起振原理は公知である。
そして、同期回転する固定偏心重錘と可動偏心重錘との位相差を変化させることにより起振力を増減制御する技術も公知である。

本図３に示した公知発明（特開平１０−１８３６１９号）に係る振動制御装置において固定偏心重錘５，同５は、駆動モータ３により、駆動歯車４を介して回転駆動される。
前記２個の固定偏心重錘５と同５とは、同期歯車によって連結され、相互に同期回転するようになっている。本発明において偏心重錘が歯車で連結されるとは、歯車伝動されている意である。
内軸２ｂが外管２ａに挿通されて２重管２を形成していて、該内軸２ｂは駆動モータ３の出力軸に直結されるとともに、駆動歯車４を固着されている。符号Ｋを付して示したのはキーである。本発明の添付図面においてキーＫが描かれていることは、嵌合している二つの部材の相対的な回動が阻止されていることを表している。

この図３に示されている公知発明の制御装置付き起振機は「外付け２重管式と呼ばれて振動杭打機における主流を成している。
固定偏心重錘５，同５は、駆動モータ３の出力軸に直結された内軸２ｂと同期回転し、可動偏心重錘８，同８は、前記固定偏心重錘５と同じ回転速度で回転する。
そして、可逆回動機構６の回動軸６ａがハウジング６ｂに対して相対的に角θだけ回動すると、固定偏心重錘５と可動偏心重錘８との位相差が角θだけ変化する。
位相差が変化すると、偏心重錘の回転速度が一定であっても、起振力が増減する。

この方式の制御装置付き起振機が賞用される理由について、図３を援用して説明すると次の通りである。
いま仮に、位相差制御機能を有しない起振機を考えてみる。例えば図３の起振機において可逆回動機構６の回動軸６ａがハウジング６ｂに対する回動を係止されていて、固定偏心重錘に対する可動偏心重錘の位相差が常に一定である場合を想定する。
運転開始と共に固定偏心重錘と可動偏心重錘とが回転し始め、若干時間の後に定格回転速度に達する。この過渡期間中、起振力も次第に増加して定格起振力を発揮するに至る。
運転を停止する場合も同様であって、駆動モータ３の通電を断った後、若干の過渡期間中、回転速度が次第に低下しつつ、起振力が次第に減少して停止するに至る。
前述した過渡期において、上昇又は低下しつつある回転速度が、杭打機付近の構造物（例えばクレーンのブーム）の固有振動に同調すると、該構造物が激しく振動して危険である。
このような不具合は、図３に例示した起振力制御によって解消される。
すなわち、付近構造物と同調する恐れの有る回転速度区域は起振力ゼロの状態で通過し、定格回転速度に達してから起振力を発生させ、かつ、定格回転速度のときに起振力をゼロにしてから駆動モータ３の通電を断てば、同調に因る危険が防止される。
特開平１０−１８３６１９号公報 特開２００２−１７７８８７号公報

図４は、位相差制御機能を有する偏心重錘式起振機を備えた杭打機における起振力の変化を表す図表であって、横軸に時間をとり、縦軸に振幅をとってある。この図表に描かれている全期間において、起振機の固定偏心重錘及び可動偏心重錘は定格回転速度で回転している。
時刻ｔ_１までは起振力ゼロに操作されている。
時刻ｔ_１で起振力を発生させ始め、
時刻ｔ_２で定格の起振力を発生するようになる。
時刻ｔ_３で起振力を減少させ始め、
時刻ｔ_４で起振力がゼロになっている。
時刻ｔ_１〜ｔ_２は発進期、時刻ｔ_２〜ｔ_３は、定格運転期間、時刻ｔ_３〜ｔ_４は減衰期である。

従来技術におけるがごとく、振動杭打作業における付近構造物の同調振動を防止するという観点のみにおいては、前掲の図３に示した公知発明に係る起振力制御装置（外付け２重管式位相差制御）が完熟技術製品として満足を得ている。
しかしながら、作業条件によっては前掲の図４に示した減衰期を更に短縮して、起振力の瞬時的な消滅が要望される。以下に、そのような作業の例を説明する。
図５は、多数の杭を１本ずつ並べて打設している状態を描いた模式図である。
既設杭９ａ〜９ｆが、杭頭レベルＰＬを揃えて列設されている。符号Ｈを付して示したのは、グランドレベルＧＬからの突出寸法であって、工事設計書によって与えられる。
前記の既設杭９ａ〜９ｆに揃えて打設すべく、起振機１１に装着されたチャック１２で打設杭１０を把持して打ち込みつつある。
打設杭１０の杭頭を既設杭９ａ〜９ｆの杭頭に揃えるには、打設杭１０が打ち込まれていって、その杭頭がレベルＰＬに揃った時、瞬時に打設杭の沈下が停止することが望まれる。
本発明は上述の事情に鑑みて為されたものであって、その目的とする処は、図３に例示した公知発明に係る外付け２重管式起振力制御装置を更に改良して、起振力の消失操作に要する時間（図４に示した減衰期の時間）を短縮せしめることである。

図３に示した公知発明に係る先行技術においては、起振力を消失させるための時間を短縮させようという技術的思想は無かった。
本発明は、従来技術において考えの及ばなかった「起振力の消失に要する時間の短縮」を課題とする所から出発する。
そこで、可動偏心重錘と固定偏心重錘との位相差を変化させる力と、変化を妨げる力とを探究する。
変化させる力を大きくすれば変化時間が短縮されることは容易に想到し得るが、その為には可逆回動機構６の能力を増大させる必要が有り、起振機全体の形状寸法を増大させ、製造コストを増加させるので望ましくない。
このため本発明は、位相差を変化させる力の増加という手段を選ばず、位相差変化を妨げる力を減少させる。

（図３参照）、固定偏心重錘５と可動偏心重錘８との位相差変化を妨げる主たる力は、
イ．偏心重錘の慣性力（固定偏心重錘と可動偏心重錘との総合偏心モーメントを変化させるに要する力）と、
ロ．外管２ａと内軸２ｂとの間に作用する摩擦力とである。
ところが、偏心重錘式起振機について３０年間の技術的研究を蓄積した本発明者の知見によると、前記イ項の慣性力は、総合偏心モーメントを減少させる方向に作用し、総合偏心モーメントを増加させる方向の変化を妨げる。
（注）この原理は、誤解されている方が多いようであるが、本発明の根幹に係わる問題であるから、間違いの無いように御理解を賜わりたい。

可動偏心重錘と固定偏心重錘との総合偏心モーメントが大きい状態で回転すると、発生する起振力も大きく、また、回転体に蓄積されている運動エネルギーも大きい。
可動偏心重錘と固定偏心重錘との総合偏心モーメントがゼロの状態で回転しても、起振力は発生せず、回転体に蓄積されている運動エネルギーは極小値となる。
偏心重錘に限らず、運動する物体の全てに適合する法則として、蓄積エネルギーを放出して、運動エネルギー最小の安定状態になろうとする（位置エネルギーの変化を無視し得る場合を考えている）。
すなわち、可動偏心重錘と固定偏心重錘とは相互の位相差を１８０度ならしめて総合偏心モーメントを最小ならしめようとする。

以上の考察に基づいて、起振力をゼロにする動作を妨げる力を減少させようとしている本発明は、前記イ項の慣性力には手を加えず、前記ロ項の摩擦力を減少させることに集中する。
元来、図３に示した公知発明には、外管２ａと内軸２ｂとの間の摩擦を無視していた。
その理由は次のとおりである。
α．外管と内軸とは、相対的に連続回転するものではなく、作業開始時と作業終了時とだけしか相互に回動しない。
β．回動する角度は１８０度未満であり、
γ．回動する速度も緩徐である。
δ．この部位の摩擦によるエネルギー損失は極めて微小である。
本発明は、上述のように従来技術では無視されていた箇所の摩擦に着目して、この摩擦を減少させる。
回転摩擦を減少させる手段そのものは公知であっても、摩擦減少の対称とする箇所は、従来技術においては思いもよらなかった箇所であるところに、本発明の新規性，進歩性が有る。決して単なる寄せ集めではない。

本発明の基本的な構成は、前記内軸の外周面と外管の内周面とに表面硬化処理を施し、両者の間にニードル部材を嵌め合わせる。
本発明においてニードル部材とは、円柱状もしくは円錐状のころがり部材であって、円柱状の場合は長さ寸法が直径寸法の３倍以上であり、円錐状の場合は長さ寸法が平均直径寸法の３倍以上である部材をいう。
前記の表面硬化処理とは、表面が高硬度を与えられている状態の全てを意味し、通例の金属材料辞典に例示されている滲炭，窒化，誘導焼入，フレーム焼入に限らず、圧延加工や、研掃・研削・切削に伴う加工硬度によって高硬度を与えられていても良い。また、本発明における表面硬化とは、表面が高硬度であることをいい、内実部の硬度に比して相対的に高硬度であることを要しない。すなわち、熱処理や素材選定の結果として、内実部も表層部も高硬度であれば本発明の技術的範囲に属する。
ここに高硬度とは、常温において飽和量の炭素を固溶したフェライトの焼準硬度以上の硬度（ビッカース）をいう。
本発明においてニードル部材を嵌め合わせるとは、外管の内周面と内軸の外周面との双方に接触しながら転動させることである。ただし接触とは、必ずしも直接的な接触であることを要せず、油膜を介して接触することも、案内部材を介して接触することも、本発明の技術的範囲に含まれる。

以上に説明した本発明の基本的な原理に基づく具体的な構成として、請求項１に係る外付２重管式の振動制御装置は、起振機ケースの外側に取り付けられた可逆回動機構のハウジングに固着され、該起振機ケースを貫通して、可動偏心重錘に比例した回転速度で回転する外管と、
前記可逆回動機構の回転軸に固着され、前記外管の中に挿通されて、固定偏心重錘に比例した回転速度で回転する内軸とが２重管を形成している外付２重管式振動制御装置において、
可動偏心重錘に固着され、又は可動偏心重錘に対して歯車で連結された外管の内周面の少なくとも一部分が表面硬化処理されるとともに、
固定偏心重錘に固着され、又は固定偏心重錘に対して歯車で連結された内軸の外周面の少なくとも一部分が表面硬化処理されていて、
前記外管の硬化処理面と内軸の硬化処理面との間に多数のニードル部材が嵌め合わされていることを特徴とする。

請求項２に記載した発明は、前述した請求項１の変形であって、可動偏心重錘と固定偏心重錘とを相互に置換した構成である。

以上に説明した請求項１の発明、又は請求項２の発明を適用すると、可動偏心重錘と固定偏心重錘との位相差変化を妨げている摩擦力が、「外管と内軸との滑り摩擦」から、「外管と内軸との間にニードル部材を介在せしめたころがり摩擦」に変換されるので、位相差変化が速やかに行なわれる。
その結果、起振機の起振力を消失させる操作の所要時間（図４参照・減衰期ｔ_３〜ｔ_４）が著しく短縮される。
本発明を実施する場合、従来例の起振機制御装置に対して付加される部材はニードル部材という公知の部材であるが、起振力の瞬時的消失という、従来には予想し得なかった効果を奏することに着目して、その新規性，進歩性を評価されたい。

図１は、本発明の１実施形態における要部断面図である。
本図１に描かれている箇所は、前掲の図３（従来例）に描かれている区域の右上隅部に対応している。
本図１に描かれていない部分（図３の下半部）は、前記の従来例におけると同様ないし類似であるから図示を省略して、右上端部を拡大したものである。
２重管２を形成している内軸２ｂの外周面の一部（図において左端部付近、及び右端部付近）に表面硬化処理を施す。この硬化処理部分は、図においてニードル部材１４に対向している区域に相当する。
本実施形態においては金属溶射によって表面硬化処理を施した。これと異なる実施形態として誘導焼入など各種公知の表面硬化手段を適用することもできる。また、表面だけで内軸１２ｂの全体を焼入れ焼戻しして、内軸全体を高硬度に構成しても良く、素地全体が高硬度の圧延棒鋼を旋削して内軸を作成しても良い。高硬度については、段落００１２で定義した通りである。

一方、２重管を形成している外管２ａの内周面の一部にも表面硬化処理を施す。
一部とは、前記内軸の硬化部に対向する区域である。表面硬化処理方法については、前述した内軸２ｂの表面硬化処理方法と同様である。
以上に述べたように表面硬化処理された内軸の外周面と、同じく外管の内周面との間に多数のニードル部材１４，同１４……を嵌め合わせる。多数とは３以上の整数をいうが、本実施形態においては「ネガティブな円筒形の間隙空間」をほぼ満たすよう、内軸に対して同心を成すように配列した。

実施形態を示す本図１と前掲の図３とを対比して理解されるように、本実施形態の内軸２ｂは駆動歯車４に固着され、固定偏心重錘５に対して歯車で連結されていて、該固定偏心の回転速度に比例した回転速度で回転する（本実施形態では同じ回転速度で、すなわち同期して回転する）。
また、本実施形態の外管２ａは制御歯車７に固着され、可動偏心重錘８に対して歯車で連結されていて、該可動偏心重錘の回転速度に比例した回転速度で回転する（本実施形態では同期して回転する）。
この段落００１８において以上に説明した実施形態と異なる実施形態として、（図示を省略するが）可動偏心重錘と固定偏心重錘とを相互に置換することができる。
すなわち、外管と固定偏心重錘とを比例回転ないし同期回転させるとともに、
内軸と可動偏心重錘とを比例回転ないし同期回転させることもできる。
このように置換できる理由は次のとおりである。
偏心体の回転によって振動を発生させる場合、１対の偏心重錘の位相差を変化させると総合偏心モーメントが変化して起振力が増減する。この作動原理において前記１対の偏心重錘は等価であり、便宜上、片方を固定偏心重錘と呼び他方を可動偏心重錘と呼んでいるに過ぎない。従って、両者の呼び名を入れ替えることができる。

（図１参照）一般に、ころがり摩擦は滑り摩擦に比して摩擦係数が著しく小さい
従ってニードル部材１４の介装によって、２重管の外管２ａと内軸２ｂとの相対的な回動を妨げる力が著しく減少する。
その結果、内軸，外管にそれぞれ歯車連結されている可動偏心重錘と固定偏心重錘との相対的な進相，遅相を妨げる力が減少し、相互の位相変化が速やかに行なわれる。

図２は前記と異なる実施形態を示す断面図である。
図１の実施形態における内軸２ｂは偏心重錘に対し、駆動歯車を介して連結されていたが、図２の実施形態においては内軸２ｂに対して固定偏心重錘５が固着されている。
従って、図２の内軸２ｂは固定偏心重錘に比例した回転速度で回転するのみでなく、常に同期して回転する。
同様に、図２の実施形態における外管２ａは可動偏心重錘８に固着されて、常に同期回転する。
図２を参照して本段落００２０で説明した偏心重錘に関しても、固定偏心重錘と可動偏心重錘とを相互に置換することができる（互いに読み替えることができる）。

図１及び図２に示した実施形態においては、ニードル部材１４を外管２ａの内周面に対して直接的に接触させていた。
図示を省略するが、外管２ａの内周面に外輪（ころがり案内部材）を内嵌して、前記のニードル部材１４を、外輪を介在させて外管に嵌め合わせることもできる。
図１，図２のように直接的に接触させる構造が基本であり、特に図２の実施形態においては外管とニードル部材との間に外輪（図示せず）を介在させない方が、可動偏心重錘８の偏心モーメントを大きく設定することができるので好都合である。しかし、外輪を介在させた方が外管の工作が容易である。
同様に、図１，図２と異なる実施形態として、内軸２ｂの外周面とニードル部材１４との間に内軸（案内部材）を介在させることもできる。
介在させないのが基本構造であるが、介在させると内軸２ｂの工作が容易になる。

本発明の１実施形態における要部を描いた断面図である。 前記と異なる実施形態の要部を描いた断面図である。 公知発明に係る外付け２重管式振動制御装置を備えた偏心重錘式起振機の断面図である。 前記公知発明によって起振機の起振力を制御した場合の起振力変化状態を模式的に表した図表である。 本発明が解決しようとする課題を説明するために示したもので、多数の杭を打設している状態を描いた模式図である。

１…起振機ケース
２…２重管
２ａ…外管
２ｂ…内軸
３…駆動モータ
４…駆動歯車
５…固定偏心重錘
６…可逆回動機構
６ａ…回動軸
６ｂ…ハウジング
７…制御歯車
８…可動偏心重錘
９ａ〜９ｆ…既設杭
１０…打設杭
１１…起振機
１２…チャック
１３…シール付きベアリング
１４…ニードル部材
ＧＬ…グランドレベル
Ｈ…高さ寸法
Ｋ…キー
ＰＬ…杭頭レベル

Claims (4)

1. 起振機ケースの外側に取り付けられた可逆回動機構のハウジングに固着され、該起振機ケースを貫通して、可動偏心重錘に比例した回転速度で回転する外管と、
   前記可逆回動機構の回転軸に固着され、前記外管の中に挿通されて、固定偏心重錘に比例した回転速度で回転する内軸とが２重管を形成している外付２重管式振動制御装置において、
   可動偏心重錘に固着され、又は可動偏心重錘に対して歯車で連結された外管の内周面の少なくとも一部分が表面硬化処理されるとともに、
   固定偏心重錘に固着され、又は固定偏心重錘に対して歯車で連結された内軸の外周面の少なくとも一部分が表面硬化処理されていて、
   前記外管の硬化処理面と内軸の硬化処理面との間に多数のニードル部材が嵌め合わされていることを特徴とする振動制御装置。
2. 起振機ケースの外側に取り付けられた可逆回動機構のハウジングに固着され、該起振機ケースを貫通して、固定偏心重錘に比例した回転速度で回転する外管と、
   前記可逆回動機構の回転軸に固着され、前記外管の中に挿通されて、可動偏心重錘に比例した回転速度で回転する内軸とが２重管を形成している外付２重管式振動制御装置において、
   固定偏心重錘に固着され、又は固定偏心重錘に対して歯車で連結された外管の内周面の少なくとも一部分が表面硬化処理されるとともに、
   可動偏心重錘に固着され、又は可動偏心重錘に対して歯車で連結された内軸の外周面の少なくとも一部分が表面硬化処理されていて、
   前記外管の硬化処理面と内軸の硬化処理面との間に多数のニードル部材が嵌め合わされていることを特徴とする振動制御装置。
3. 前記外管の硬化処理面と前記ニードル部材との間に外輪が介装されておらず、ニードル部材が外管の硬化処理面に直接接触して転動する構造であることを特徴とする、請求項１又は請求項２の何れか一つに記載した振動制御装置。
4. 前記内軸の硬化処理面と前記ニードル部材との間に内輪が介装されておらず、ニードル部材が内軸の硬化処理面に直接接触して転動する構造であることを特徴とする、請求項１又は請求項２の何れか一つに記載した振動制御装置。

Images