JP2018135682A

JP2018135682A - 地中掘削ヘッド

Info

Publication number: JP2018135682A
Application number: JP2017030514A
Authority: JP
Inventors: ひろし小川; Hiroshi Ogawa
Original assignee: Sansei KK
Current assignee: Sansei KK
Priority date: 2017-02-21
Filing date: 2017-02-21
Publication date: 2018-08-30

Abstract

【課題】地中掘削ヘッドの複数のカッターユニットを同時に、且つ複合運動で作動させることにより掘削作業を行い、より一層掘削動作の効率或いは掘進速度を向上させること。【解決手段】駆動源を備え地面に対して略垂直に立てられた掘削ロッドの先端に連結され、地中の岩石を破砕しながら地中に推進する、地中掘削ヘッドにおいて、前記駆動源に連結された駆動軸に結合されるジョイント軸と、ジョイント軸に作動連結されたカッター支持シャフトと、カッター支持シャフトの先端に取り付けられたカッターユニットと、前記ジョイント軸とカッター支持シャフトとを連結する軸フレームと、ジョイント軸とカッター支持シャフトとの間に配置されてジョイント軸からカッター支持シャフトへ動力を伝達する遊星歯車機構と、を備えた地中掘削ヘッドを要旨とする。【選択図】図２

Description

本発明は、地中掘削ヘッド、特に立坑などの掘削作業において掘削動作の効率或いは掘進速度を向上させることが可能な地中掘削ヘッドに関するものである。

従来から、深層地盤改良工法の一種として、硬い岩盤などを含む地盤に掘削ヘッドを使って垂直孔を掘削し、その後、形成された立坑に杭打ちを行ったり、或いは攪拌機を使用して地盤改良材（固化材）を立坑中に吐出し、撹拌機によりセメント系スラリー等の地盤改良材を原地盤に注入して土壌と撹拌することによりセメントコラムを製造する地盤改良工法がある。

このような地盤改良工法を行うための地盤掘削作業に用いられる掘削ヘッドの従来例としては、例えば特許文献１に開示されるものがある。この従来の掘削ヘッドの概略構成が図７に示されている。図７は、従来技術による掘削ヘッドが適用された先導管５０の先端部の断面を示す図である。先導管５０の先導管本管５１の先端には、先導管本管５１とともに先導管５０を構成する刃口管５２が連結されている。刃口管５２の先端には、掘削ヘッド５３が構成されている。掘削ヘッド５３は、複数のビットカッター５４が取り付けられている面板５５と、この面板５５を駆動機構（図示してない）に連結する連結軸５７とを備えている。連結軸５７は駆動機構に連結されていることから、掘削ヘッド５３にとっては駆動軸としての機能を有する。

刃口管５２の後端には、掘削ヘッド５３の面板５５を回転自在に支持するベアリング５８が設けられている。この実施形態では、ベアリング５８の外輪は、刃口管５２の内周面に固定されている。ベアリング５８の内輪は、ベアリング押さえ５９を介して４本のヘッド支持部材６０に連結されている。ヘッド支持部材６０は、刃口管５２の先端まで軸方向に延びて、面板５５にボルトを介して締結されている。

このような構成において、駆動機構により駆動軸を回転させると、先導管５０の推進とともに、駆動軸の回転を面板５５に伝達する。これにより面板５５が回転運動し、面板５５とともにビットカッター５４が旋回し、ビットカッター５４の切刃は地盤の掘削を行う。

特開２０１４−２０５９８２号公報

しかしながら、上記従来例に係る掘削ヘッドによる地盤掘進作業では、駆動機構により駆動軸を回転させると、駆動軸の回転が面板５５及びビットカッター５４に伝達され、面板５５及びビットカッター５４が駆動軸と同じ回転運動によって地盤の掘削を行うものであるため、例えばビットカッター５４の回転速度を上げたりして掘削効率を一定以上に向上させるなどの効果には限度があった。

本発明はかかる従来の不具合に鑑みてなされたもので、その目的は、複数のカッターユニットを同時に、且つ複合運動で作動させることにより掘削作業を行い、より一層掘削動作の効率或いは掘進速度を向上させることが可能な地中掘削ヘッドを提供することである。

本発明は、上記の課題を解決するために、駆動源を備え地面に対して略垂直に立てられた掘削ロッドの先端に連結され、地中の岩石を破砕しながら地中に推進する、地中掘削ヘッドにおいて、前記駆動源に連結された駆動軸に結合されるジョイント軸と、ジョイント軸に作動連結されたカッター支持シャフトと、カッター支持シャフトの先端に取り付けられたカッターユニットと、前記ジョイント軸とカッター支持シャフトとを連結する軸フレームと、ジョイント軸とカッター支持シャフトとの間に配置されてジョイント軸からカッター支持シャフトへ動力を伝達する遊星歯車機構と、を備えた地中掘削ヘッドを要旨とする。

上述のような構成により、駆動軸とカッターユニットとの間が遊星歯車機構により動力を伝達され、カッターユニットを自転運動及び公転運動させて地中を掘削できるようにするから、掘削動作の効率或いは掘進速度を向上させることができる。

遊星歯車機構の構成としては、ジョイント軸に太陽歯車が取り付けられる一方、前記カッター支持シャフトには、前記太陽歯車に噛み合う遊星歯車が取り付けられているようにすることができる。これにより、上述のカッターユニットを自転運動及び公転運動が実現し得る。

前記カッター支持シャフトは、ジョイント軸の周りに所定の角度間隔を開けて複数個配置され、それぞれのカッター支持シャフトには遊星歯車が取り付けられ、且つそれぞれの遊星歯車はいずれも前記太陽歯車に噛み合い係合している。

これにより、ジョイント軸から複数のカッターユニットに動力が伝達され、ジョイント軸の周囲の複数の箇所で掘削操作をすることができる。

また、軸フレームは、中心部分と、中心部分から半径方向外方へ延びる複数のアーム部とを有し、中心部分においてジョイント軸と連結する一方、各アーム部においてそれぞれカッター支持シャフトに連結される。

これにより、ジョイント軸と複数のカッター支持シャフトとの間の作動連結を単一の軸フレームで実現することができ、構造のシンプル化と、ジョイント軸と複数のカッター支持シャフトとの間の位置決めを達成できる。

本発明によれば、地中掘削ヘッドの駆動軸（ジョイント軸）とカッターユニットとの間に遊星歯車機構からなる動力伝達機構を配置し、カッターユニットを自転運動及び公転運動させて地中を掘削できるようにしたため、掘削動作の効率或いは掘進速度を向上させることができる。

本発明の一実施形態における現場造成用の杭打ち機及びこれを装着した作業車の側面図である。上記実施の形態における地中掘削ヘッドの縦断面図である。上記実施の形態に係る地中掘削ヘッドの遊星歯車機構を表す図２中のＩＩＩ−ＩＩＩ線における断面図である。上記実施の形態に係る地中掘削ヘッドの軸フレームの構成を表す図２中のＩＶ−ＩＶ線における上側端面図である。上記実施の形態に係る地中掘削ヘッドのカッター部分の構成を表す図２中のＶ−Ｖ線における下側端面図である。上記実施の形態に係る図６は地中掘削ヘッドの先端に取り付けられているカッター部分を示す斜視図である。従来の地中掘削ヘッドの構成を示す断面図である。

以下に図面を参照しつつ、本発明の実施形態を説明する。図１は、本発明の一実施形態における現場造成用の杭打ち機及びこれを装着した作業車の側面図である。図１に示すように、杭打ち機１は、作業車２に、アーム３を介して支持されているガイド柱４に対して上下動可能に支持される駆動ヘッド５、前記駆動ヘッド５に上端が支持されて回転駆動される、中空円筒状の掘削ロッド６、及び、前記掘削ロッド６の下端開口部に装着される地中掘削ヘッド７から構成されている。掘削ロッド６は、地面に対して略垂直に立てられる。

作業車２は、キャタピラー走行装置により走行移動が可能で、作業内容に応じて、様々な作業装置を取り付けて使用可能な車両である。ガイド支柱４には、その上下の端部に一対のガイドシーブ８Ａ、８Ｂが設けられており、これらのガイドシーブ８Ａ、８Ｂ間に昇降チェーン９が掛け渡されている。前記昇降チェーン９には駆動ヘッド５が連結されていて、当該昇降チェーン９をチェーン駆動装置（図示してない）により駆動することによって、駆動ヘッド５がガイド柱４に沿って昇降移動する構造になっている。駆動ヘッド５には上記杭打ち機１の動力源（例えば駆動モータ）が設けられている。駆動ヘッド５の下面には、正逆両方向に回転可能な駆動軸５Ａが下方に突出して設けられている。前記駆動軸５Ａは、掘削ロッド６の上端に連結部６Ａを介して設けられている被駆動軸１０と切り離し可能に連結されていて、駆動軸５Ａが駆動されると、被駆動軸１０と掘削ロッド６は一体となって回転されるようになっている。掘削ロッド６は、上端の連結部６Ａで被駆動軸１０と切り離し可能に連結されている。また、掘削ロッド６には、その長手方向の複数箇所にも連結部が設けられていて、必要に応じてこれらの連結部でその上下の部分が切り離し可能に構成されている。

地中掘削ヘッド（以下、単に「掘削ヘッド」という）７は実際の杭打ち作業を行うよりも前に地中の障害物（岩石等）を破砕しつつ立坑を掘削する装置である。本実施の形態に係る掘削ヘッド７は複数のカッターユニットを持ち、駆動モータの動力が、ヘッド先端に取り付けられた複数のカッターユニットへ遊星歯車機構により駆動伝達され、複数のカッターユニット自体が回転（自転）しつつ、しかも複数（３個）の遊星歯車が駆動軸の周りを周回（公転）することにより、地中を掘進するもので、かかる掘削動作により掘削効率が上がる。

図２乃至図６は本実施の形態に係る掘削ヘッド７を説明する図である。これらの図において、図２は地中掘削ヘッドの縦断面図、図３は図２中のＩＩＩ−ＩＩＩ線における断面図で遊星歯車機構を表す。図４は図２中のＩＶ−ＩＶ線における上側端面図で上側軸フレームの構成を表す。図５は図２中のＶ−Ｖ線における下側端面図でカッターユニットの構成を表す。図６は掘削ヘッド７の先端に取り付けられているカッターユニットを示す斜視図である。

図２において、符号１１は掘削ヘッド７の中心となるジョイント軸で、上端部分は上記被駆動軸１０に連結されて駆動モータに接続されている。したがって、ジョイント軸１１は掘削ヘッド７の中においては駆動軸としての機能を持つ。１２は第１の軸フレーム、１３は第２の軸フレームで、それぞれ複数（この実施の形態では３本）のカッター支持シャフト１４，１５，１６を支持している。１７はジョイント軸１１からカッターユニット側へ駆動モータの動力を伝達する機構である遊星歯車機構で、図２に示されるように、太陽歯車１８と複数（本実施の形態では３個）の遊星歯車１９、２０、２１とから成る。太陽歯車１８はジョイント軸１１に取り付けられている一方、遊星歯車１９、２０、２１はそれぞれカッター支持シャフト１４，１５，１６に一体一対応で取り付けられている。カッター支持シャフト１４，１５，１６の先端にはそれぞれカッターユニット２２，２３，２４が一体一対応で取り付けられている。

第１の軸フレーム１２は遊星歯車機構１７の取り付け部位に対して上方の位置でジョイント軸１１に取り付けられており、ジョイント軸１１と第１の軸フレーム１２との間にはベアリングユニット２５が装着されジョイント軸１１と第１の軸フレーム１２とが相互に回転可能になっている。第１の軸フレーム１２は、図４に示されているように、平面形状がＹ字形状に形成されており、Ｙ字の交点部分である中心部分においてジョイント軸１１と連結する一方、中心部分から半径方向外方へ延びるＹ字の各アーム部１２ａ、１２ｂ、１２ｃにおいてそれぞれカッター支持シャフト１４，１５，１６に連結されている。第１の軸フレーム１２の各アーム部１２ａ、１２ｂ、１２ｃは、Ｙ字の中心に対して略１２０度の等角度間隔に配置されている。そのため、カッター支持シャフト１４，１５，１６もまたＹ字の中心に対して略１２０度の等角度間隔に配置されている。第１の軸フレーム１２と各カッター支持シャフト１４，１５，１６の間にもまたベアリングユニット２６、２７、２８が装着され第１の軸フレーム１２と各カッター支持シャフト１４，１５，１６とが相互に回転可能になっている。

第２の軸フレーム１３は遊星歯車機構１７の取り付け部位に対して下方の位置でジョイント軸１１に取り付けられており、ジョイント軸１１と第２の軸フレーム１３との間にはベアリングユニット２９が装着されジョイント軸１１と第２の軸フレーム１３とが相互に回転可能になっている。第２の軸フレーム１３は、第１の軸フレーム１２と同様、平面形状がＹ字形状に形成されており、Ｙ字の交点部分である中心部分においてジョイント軸１１と連結する一方、中心部分から半径方向外方へ延びるＹ字の各アーム部１３ａ、１３ｂ、１３ｃにおいてそれぞれカッター支持シャフト１４，１５，１６に連結されている。第２の軸フレーム１３の各アーム部１３ａ、１３ｂ、１３ｃは、Ｙ字の中心に対して略１２０度の等角度間隔に配置され、上述のカッター支持シャフト１４，１５，１６における略１２０度の等角度間隔に一致している。第２の軸フレーム１３と各カッター支持シャフト１４，１５，１６の間にもまたベアリングユニット３０、３１、３２が装着され第２の軸フレーム１３と各カッター支持シャフト１４，１５，１６とが相互に回転可能になっている。カッター支持シャフト１４，１５，１６は遊星歯車機構１７の取り付け部位に対して上方及び下方の位置でそれぞれ第１の軸フレーム１２及び第２の軸フレーム１３によって指示されているから、カッター支持シャフト１４，１５，１６は安定して支持され、遊星歯車機構１７の作動も安定する。

カッターユニット２２は、カッター筐体３３と、カッター筐体３３に設けられたビット３４とから成る。カッター筐体３３は、下方に開口した有底の円筒体構造を有し、底板部３５がカッター支持シャフト１４の先端に結合されている。ビット３４は、図６に示されるように、カッター筐体３３の円筒状の側壁３６の先端縁部３７に取り付けられている。先端縁部３７には、その円周方向に、ビット３４の取り付け用の凹部３８が複数個、等間隔に形成され、これらの凹部３８のそれぞれにビット３４が配置固定されている。このようなカッターユニットの構造はカッターユニット２３，２４についても同じである。なお、図６はカッターユニット２２を、カッター支持シャフト１４への取り付け状態とは逆向きの方向、すなわち、ビット３４が上向きの方向へ向けて示している。

以上の構成を有する掘削ヘッド７について、動作を説明する。駆動モータを作動させると、この駆動モータの動力は駆動軸５Ａから被駆動軸１０に伝えられ、この被駆動軸１０と一体となった掘削ロッド６及び掘削ヘッド７が回転される。掘削ヘッド７では、ジョイント軸１１に上記駆動モータの動力が入力され、当該ジョイント軸１１の回転は太陽歯車１８に伝えられる。太陽歯車１８には遊星歯車１９、２０、２１が噛み合い係合しているから、太陽歯車１８の回転により遊星歯車１９、２０、２１が従動回転（自転運動）する。また、遊星歯車１９、２０、２１は第１の軸フレーム１２及び第２の軸フレーム１３を介して太陽歯車１８に連結されているから、上述のように遊星歯車１９、２０、２１が従動回転すると、これらの遊星歯車１９、２０、２１はそれぞれ太陽歯車１８の周りを回転（公転運動）する。また、上記遊星歯車１９、２０、２１が従動回転することにより各カッターユニット２２，２３，２４が回転（自転運動）して地中掘削を行う。他方において、上記遊星歯車１９、２０、２１が公転運動することによりカッター支持シャフト１４，１５，１６がジョイント軸１１の周りを一体的に回転（公転）し、この回転により遊星歯車１９，２０，２１及びカッターユニット２２，２３，２４が回転（すなわち公転）して地中掘削を行う。これにより立坑の掘削作業が効率良く、且つ高速で行える。

なお、ジョイント軸１１と第１及び第２の軸フレーム１２，１３との間、及び／又はジョイント軸１１と遊星歯車１９、２０、２１との間にクラッチ機構を設けて、駆動源と従動部（遊星歯車１９、２０、２１やカッターユニット２２，２３，２４）との間の動作を接続・切り離し可能にすることもできる。

上記に本発明の実施形態を説明したが、本発明はこれらの例に限定されるものではない。前述の実施形態に対して、当業者が適宜、構成要素の追加、削除、設計変更を行ったものや、実施形態の特徴を適宜組み合わせたものも、本発明の要旨を備えている限り、本発明の範囲に含まれる。

駆動軸とカッターユニットとの間に遊星歯車機構からなる動力伝達機構を配置し、カッターユニットを自転運動及び公転運動させて地中を掘削できるようにした地中掘削ヘッドであり、掘削動作の効率或いは掘進速度を向上させることができ、有用である。

１杭打ち機
２作業車
５駆動ヘッド
６掘削ロッド
７地中掘削ヘッド
１０被駆動軸
１１ジョイント軸
１２第１の軸フレーム
１３第２の軸フレーム
１４，１５，１６カッター支持シャフト
１７遊星歯車機構（動力伝達機構）
１８太陽歯車
１９、２０、２１遊星歯車

Claims

駆動源を備え地面に対して略垂直に立てられた掘削ロッドの先端に連結され、地中の岩石を破砕しながら地中に推進する、地中掘削ヘッドにおいて、
前記駆動源に連結された駆動軸に結合されるジョイント軸と、
ジョイント軸に作動連結されたカッター支持シャフトと、
カッター支持シャフトの先端に取り付けられたカッターユニットと、
前記ジョイント軸とカッター支持シャフトとを連結する軸フレームと、
ジョイント軸とカッター支持シャフトとの間に配置されてジョイント軸からカッター支持シャフトへ動力を伝達する遊星歯車機構と、
を備えた地中掘削ヘッド。
ジョイント軸には遊星歯車機構を構成するための太陽歯車が取り付けられる一方、前記カッター支持シャフトには、前記太陽歯車に噛み合う遊星歯車が取り付けられていることを特徴とする請求項１記載の地中掘削ヘッド。
前記カッター支持シャフトは、ジョイント軸の周りに所定の角度間隔を開けて複数個配置され、それぞれのカッター支持シャフトには遊星歯車が取り付けられ、且つそれぞれの遊星歯車はいずれも前記太陽歯車に噛み合い係合していることを特徴とする請求項２記載の地中掘削ヘッド。
前記軸フレームは、中心部分と、中心部分から半径方向外方へ延びる複数のアーム部とを有し、中心部分においてジョイント軸と連結する一方、各アーム部においてそれぞれカッター支持シャフトに連結されていることを特徴とする請求項３記載の地中掘削ヘッド。