JP2019119998A

JP2019119998A - 多軸式掘削撹拌装置および多軸式掘削撹拌方法

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Publication number: JP2019119998A
Application number: JP2017253497A
Authority: JP
Inventors: 木村　暁; Akira Kimura; 暁木村
Original assignee: Sanwa Kizai Co Ltd
Current assignee: Sanwa Kizai Co Ltd
Priority date: 2017-12-28
Filing date: 2017-12-28
Publication date: 2019-07-22
Anticipated expiration: 2037-12-28
Also published as: JP6999165B2

Abstract

【課題】従来の多軸掘削撹拌装置では、各掘削軸を歯車等を噛み合わせて、複数の掘削軸を同期回転させる構成を採用しており、構成が複雑で重量が嵩むという課題がある。【解決手段】オーガー４から複数の掘削軸８を互に平行状態で垂下するように設け、各掘削軸８の下部には撹拌翼９を回転方向に複数設けた掘削ヘッド１０を設け、平行状態に設けた各掘削軸８の撹拌翼９は、隣接する各掘削軸８の撹拌翼９と平面視それぞれ位相を相違させて回転中に互いに当たらないように配置することにより、隣接する各掘削軸８の撹拌翼９の回転軌跡を、平面視において一部重なるように配置し、各掘削軸８の撹拌翼９は、各掘削軸８を駆動させる個別電動機１５を、各個別電動機１５の回転軸１８の回転情報をフィードバックさせて演算する制御部１６の回転同期制御を実行して、位相を相違させた配置状態を維持して同期回転する構成とした多軸式掘削撹拌装置。【選択図】図７

Description

本発明は、複数の掘削軸の掘削体により掘削する多軸式掘削撹拌装置および多軸式掘削撹拌方法に係るものである。

従来、複数の掘削軸の下端に夫々掘削ヘッドを取付けて多軸式掘削撹拌装置を構成し、各掘削軸の撹拌翼の回転軌跡を、平面視において一部重なるように配置した構成は、公知である（特許文献１）。
また、従来二本の回転軸をそれぞれ電動機により同期回転させ、一対の電動機の回転軸の両方に螺合させた移動体を移動させる構成は、公知である（特許文献２）。

特開２０１３−２２２６号公報特開平１１ー２５９１３４号公報

前記公知例のうち前者のものは、撹拌翼が平面視において一部重なるように配置した構成は開示されているが、それ以外の記載はなく、撹拌翼をどのように回転させるか不明である。
実際の多軸掘削撹拌装置では、各掘削軸を歯車等を噛み合わせて、複数の掘削軸を同期回転させる構成を採用しており、構成が複雑で重量が嵩むという課題がある。
前記公知例のうち後者のものは、一対の回転軸を個別の電動機により同期させる構成が開示されているが、一対の回転軸のうちの一方の回転軸の回転情報により他方の回転軸を回転制御させる構成のため、土砂抵抗等作業条件が相違する掘削作業では、一方の回転情報のみで複数軸を同期回転制御するのは困難であるという課題がある。
本願は、複数の掘削軸をモータで同期回転させる構成でありながら、精度の高い同期回転を実現し、軽量な多軸式掘削撹拌装置を提供するものである。

請求項１の発明は、オーガー４から複数の掘削軸８を互に平行状態で垂下するように設け、各掘削軸８の下部には掘削軸８の軸心に対して放射方向に突出する撹拌翼９を回転方向に複数設けた掘削ヘッド１０を設け、平行状態に設けた各掘削軸８の撹拌翼９は、隣接する各掘削軸８の撹拌翼９と平面視それぞれ位相を相違させて回転中に互いに当たらないように配置することにより、隣接する各掘削軸８の撹拌翼９の回転軌跡を、平面視において一部重なるように配置し、各掘削軸８の撹拌翼９は、各掘削軸８を駆動させる個別電動機１５を、各個別電動機１５の回転軸１８の回転情報をフィードバックさせて演算する制御部１６の回転同期制御を実行して、位相を相違させた配置状態を維持して同期回転する構成とした多軸式掘削撹拌装置としたものである。
請求項２の発明は、前記掘削ヘッド１０は、二重軸に形成した各掘削軸８にそれぞれ撹拌翼９を上下方向に複数並設し、上下の各撹拌翼９はそれぞれ反対方向に逆回転する構成とした多軸式掘削撹拌装置としたものである。
請求項３の発明は、各個別電動機１５の回転軸１８の回転情報は、各個別電動機１５に設けた、個別電動機１５の回転軸１８の回転数を検出する回転回数検出部１９と、個別電動機１５の回転軸１８の基準位置に対する回転絶対位置を検出する回転位置検出部２０とにより取得する構成とした多軸式掘削撹拌装置としたものである。
請求項４の発明は、前記制御部１６は、複数の掘削軸８の何れかに所定以上の負荷が掛かったことを検出すると、各掘削軸８の回転を停止させる停止制御を行う構成とした多軸式掘削撹拌装置としたものである。
請求項５の発明は、オーガー４に設けた複数の掘削軸８の掘削ヘッド１０の、掘削軸８の軸心に対して放射方向に突出する撹拌翼９を、各掘削軸８の撹拌翼９の回転軌跡が、平面視において一部重なるように配置し、各掘削軸８を個別に駆動回転させる個別電動機１５の回転軸１８の回転の回転数を回転回数検出部１９により検出しつつ、個別電動機１５の回転軸１８の基準位置に対する回転絶対位置を回転位置検出部２０により検出しながら掘削ヘッド１０により掘削作業を行い、回転回数検出部１９と回転位置検出部２０の検出結果を制御部１６にフィードバックさせ、各掘削軸８の撹拌翼９の絶対位置および回転数を演算し、各掘削軸８の撹拌翼９を適正に同期回転させる多軸式掘削撹拌方法としたものである。
請求項６の発明は、前記制御部１６は、複数の掘削軸８の何れかに所定以上の負荷が掛かったことを検出すると、各掘削軸８の各個別電動機１５を同期回転制御を行いながら、制動停止制御を行って回転停止させる多軸式掘削撹拌方法としたものである。

請求項１の発明では、各個別電動機１５の回転情報をフィードバックさせて演算することにより同期回転させるので、歯車やベルト等の機械的同期機構に比し、格段に装置全体を軽量化でき、また、各個別電動機１５の回転情報を取得できればよいので、既存の多軸式掘削撹拌装置を変更することなく同期回転を実現できる。
請求項２の発明では、掘削ヘッド１０は、上下の撹拌翼９をそれぞれ逆回転させつつ同期させるので、平面視の一部重なる部分のみならず上下方向おける撹拌も良好となり、撹拌効果を向上させることができる。
請求項３の発明では、各個別電動機１５の回転情報は、回転回数検出部１９と回転位置検出部２０により取得できるので、簡素な構成にでき、制御精度を向上させることができる。
請求項４の発明では、制御部１６は、複数の掘削軸８の何れかに所定以上の負荷が掛かったことを検出すると、各掘削軸８の回転を停止させる停止制御を行うので、単に個別電動機１５の駆動で行う掘削作業では、負荷が越えると、装置全体が急停止して各部が損傷することがあるが、これを防止でき、しかも、同期回転させながら停止させるので、掘削撹拌作業に悪影響を与えるのも抑制できる。
請求項５の発明では、個別電動機１５の回転軸１８の回転の回転数を回転回数検出部１９により検出しつつ、個別電動機１５の回転軸１８の基準位置に対する回転絶対位置を回転位置検出部２０により検出しながら、回転回数検出部１９と回転位置検出部２０の検出結果を常時制御部１６にフィードバックさせて同期回転制御を行うので、各掘削軸８に掛かる微妙な土砂抵抗から、大きな土砂抵抗等の種々の作業条件に対応した同期回転制御を実現でき、歯車やベルト等の機械的同期機構に比し、格段に装置全体を軽量化でき、また、各個別電動機１５の回転情報を取得できればよいので、既存の多軸式掘削撹拌装置を変更することなく同期回転を実現できる。
請求項６の発明では、複数の掘削軸８の何れかに所定以上の負荷が掛かったことを検出すると、各掘削軸８の各個別電動機１５を同期回転制御を行いながら、制動停止制御を行って回転停止させるので、装置の急停止を回避でき、各部の損傷を防止できると共に、同期回転させながら停止させるので、掘削撹拌作業に悪影響を与えるのも抑制できる。

掘削撹拌装置の側面図。オーガー部分の概略縦断側面図および歯車ケース部分の概略断面図。オーガー部分の正面図。オーガー部分の概略縦断正面図。掘削ヘッド部分の正面図。同ー部縦断面図。同底面図。ブロック図。

本発明の一実施形態を図面により説明すると、１はベースマシン、２はベースマシン１の前部に設けたリーダであり、リーダ２に設けたガイドレール３に掘削撹拌装置Ｋのオーガー（回転駆動部）４を摺動自在に支持させる（図１）。
オーガー４はリーダ２の吊設部５から垂下するワイヤロープ６により昇降自在に吊設する。オーガー４には複数の掘削軸８の上部を互に平行状態に設け、各掘削軸８の下部には掘削軸８の軸心に対して放射方向に突出する撹拌翼９を有する掘削ヘッド１０を設ける。
掘削ヘッド１０の構成は任意であるが、一例を示すと、掘削軸８の軸心に対して放射方向に突出する撹拌翼９を回転方向に複数設けると共に、上下方向にも複数並設する。１１は掘削ヘッド１０の所定位置に設けた土壌改良剤の噴出ノズル、１２は噴出ノズル１１に接続した供給管である（図６）。

掘削軸８の上下の撹拌翼９は、平面視それぞれ９０度位相を相違させて配置し、さらに、各掘削軸８の撹拌翼９は、平面視それぞれ９０度位相を相違させて配置している（図５、図７）。
図７のように、各掘削軸８の撹拌翼９の回転軌跡は、平面視において一部重なるように、各掘削軸８および撹拌翼９を配置すると共に、各掘削軸８の撹拌翼９が９０度位相を相違させた配置状態を保持するように同期回転させる。
そして、本発明では、各掘削軸８にそれぞれ個別電動機１５を設け、この個別電動機１５の回転を制御部１６により同期回転制御することにより各掘削軸８を同期回転させる構成とする。

すなわち、制御部１６には、ベースマシン１の操縦部（図示省略）に設けた操作パネル１７と各掘削軸８に対応する個別電動機１５とを接続し、操作パネル１７の操作により個別電動機１５を駆動して各掘削軸８を同期回転させる。
制御部１６の構成は、任意であるが、一例を示すと、制御部１６には個別電動機１５の回転軸１８の回転回数検出部１９と、個別電動機１５の回転軸１８の回転位置検出部２０を設ける。

２１はダイナミックブレーキであり、各個別電動機１５の回転軸１８の回転に制動を付与する。２２は制御部１６に設けた速度制御ユニットであり、制動ユニット２３を有する。制御部１６のマシンコントローラ３０には、第一位置制御部３１と、位相演算部３２と、第二位置制御部３３と、トルク比較演算部３４と、制動制御部３５を設ける。
また、制御部１６は、各掘削軸８の何れかの個別電動機１５に所定以上の負荷が掛かったことを検出すると、各個別電動機１５を同期回転制御を行いながら、制動停止制御を行う。
前記操作パネル１７には表示モニタ４０を設け、表示モニタ４０には各部の信号情報を表示する信号情報表示部４１を設ける。

４２は操作パネル１７に設けた速度指令部、４３は操作スイッチである。
制御部１６の速度制御ユニット２２は、マシンコントローラ３０からの指令により、周波数制御で個別電動機１５の回転速度を変更制御する。制動ユニット２３は、マシンコントローラ３０の制動制御部３５の信号により、ダイナミックブレーキ２１を作動させて回転エネルギーを放熱して回転速度を減速させる構成としている。
マシンコントローラ３０の第一位置制御部３１は、操作パネル１７の速度指令部４２の速度指令に対する個別電動機１５Ａの位置を回転回数検出部１９や回転位置検出部２０により算出し、速度制御ユニット２２や制動ユニット２３の制御を行う。
マシンコントローラ３０の位相角演算部３２は、個別電動機１５Ａと個別電動機１５Ｂの位相角を演算したうえで、速度指令と回転同期指令のどちらかを優先するか判定し、回転同期制御を行う。

マシンコントローラ３０の第二位置制御部３３では、操作パネル１７の速度指令部４２からの速度指令に対する個別電動機１５Ｂの位置を回転回数検出部１９や回転位置検出部２０により算出し、速度制御ユニット２２と制動ユニット２３等の制御を行う。
マシンコントローラ３０のトルク比較演算部３４では、個別電動機１５Ａと個別電動機１５Ｂのそれぞれにかかるトルク信号を速度制御ユニット２２により受信し、同期制御や、速度制御を行う際の必要トルクを演算する。
なお、個別電動機１５Ａと個別電動機１５Ｂのそれぞれにかかるトルクは、一例として、速度制御ユニット２２で個別電動機１５の負荷電流、電圧、周波数などにより、負荷トルクを演算して算出する。

マシンコントローラ３０の制動制御部３５は、運転状況により速度制御ユニット２２Ａ又は速度制御ユニット２３Ａの制動ユニット２３を動作させて、制動ユニット２３の制御を行う。
なお、本発明の要件ではないが、掘削ヘッド１０の上下の撹拌翼９は互に反対方向に回転させる構成とすると、撹拌効果を向上させられて好適である。
各掘削軸８は、内軸４５と外軸４６の二重軸構成とし、内軸４５と外軸４６の上部は個別電動機１５の下部に設けた歯車ケース（減速機構）４７に軸装する。４８は軸受である。

歯車ケース４７内には内軸４５と外軸４６に個別電動機１５の回転を入力する歯車群を設ける。歯車ケース４７内の回転軸１８に上下一対の入力歯車５０と入力歯車５１を設け、入力歯車５０にカウンタ歯車５２を介して内軸４５に設けた出力歯車５３を噛み合わせる。
また、入力歯車５１に外軸４６に設けた出力歯車５４を噛み合わせ、入力歯車５０および入力歯車５１と、カウンタ歯車５２と出力歯車５３と出力歯車５４とを歯車ケース４７内に内蔵させる。
この場合、歯車ケース４７の構成は任意であり、各歯車は、減速比等を内軸４５と外軸４６とが互いに同速で反対回転するように設定すればよく、カウンタ歯車５２は外軸４６の出力歯車５４を噛み合わせてもよく、また、歯車の数等も本実施形態に限定されない。

（実施形態の作用）
本発明は上記の構成であり、操作パネル１７により操作指令信号を個別電動機１５に送出すると、各個別電動機１５は回転を開始し、個別電動機１５は回転しながらオーガー４と掘削軸８と掘削ヘッド１０と共に下降し、地盤を掘削し、掘削ヘッド１０の撹拌翼９により地中にセメントミルク等の土壌改良剤を流出しながら土砂と撹拌する。
掘削ヘッド１０は、掘削軸８の軸心に対して放射方向に突出する撹拌翼９を回転方向に複数設けると共に、上下方向にも複数並設し、掘削軸８の上下の撹拌翼９は、平面視それぞれ９０度位相を相違させて配置し、さらに、各掘削軸８の撹拌翼９は、平面視それぞれ９０度位相を相違させて配置させ、しかも、図７のように、各掘削軸８の撹拌翼９の回転軌跡は、平面視において一部重なるようにしているので、所謂オーバーラップ工法により掘削撹拌効果を向上させられる。

本発明の各掘削軸８はそれぞれ独立した個別電動機１５により回転し、各個別電動機１５の回転軸１８の回転数と基準位置に対する絶対位置を回転回数検出部１９と回転位置検出部２０により検出し、これを制御部１６にフィードバックさせ、各掘削軸８の撹拌翼９の絶対位置および回転数を演算し、各掘削軸８の撹拌翼９を適正に同期回転させる。
したがって、複数の撹拌翼９を有する掘削軸８を、制御部１６による同期回転制御によって、各個別電動機１５を同期回転させることができ、その結果、歯車やベルト等の機械的同期機構に比し、格段に装置全体を軽量化できる。

また、回転回数検出部１９と回転位置検出部２０をオーガー４に設けるだけでよいので、オーガー４と掘削軸８と撹拌翼９の他の構成は既存の多軸式掘削撹拌装置を変更することなく、複数の掘削軸８の同期回転を実現できる。
具体的には、一対の掘削軸８と掘削ヘッド１０を有する掘削撹拌装置Ｋの例にて説明すると、一対の掘削軸８のうち、一方の掘削軸８Ａは個別電動機１５Ａにより駆動回転させ、他方の掘削軸８Ｂは個別電動機１５Ｂにより駆動回転させて、掘削撹拌作業を行うと、掘削撹拌作業中の地盤の硬軟等の条件によって各個別電動機１５に掛かる負荷が変化しつつ相違するので、各回転回数検出部１９の検出する各回転軸１８の回転数が低下し、これらを速度制御ユニット２２で個別電動機１５の負荷電流、電圧、周波数などにより、負荷トルクを演算して算出し、トルク比較演算部３４が掘削軸８Ａと掘削軸８Ｂの回転トルクを演算し、この算出結果に基づいて、マシンコントローラ３０の第一位置制御部３１および第二位置制御部３３と位相演算部３２は掘削軸８Ａの速度制御ユニット２２Ａと掘削軸８Ｂの速度制御ユニット２２Ｂとを制御し、掘削軸８Ａと掘削軸８Ｂとが同期回転するように制御する。

また、トルク比較演算部３４が掘削軸８Ａと掘削軸８Ｂの何れかに所定以上の負荷が掛かったことを検出すると、各速度制御ユニット２２の制動ユニット２３とダイナミックブレーキ２１を作動させて、個別電動機１５Ａと個別電動機１５Ｂとを同期回転制御を行いながら、掘削軸８Ａと掘削軸８Ｂの制動停止制御を行う。

１…ベースマシン、２…リーダ、３…ガイドレール、４…オーガー（回転駆動部）、５…吊設部、６…ワイヤロープ、８…掘削軸、９…撹拌翼、１０…掘削ヘッド、１１…噴出ノズル、１５…個別電動機、１６…制御部、１７…操作パネル、１８…回転軸、１９…回転回数検出部、２０…回転位置検出部、２１…ダイナミックブレーキ、２２…速度制御ユニット、２３…制動ユニット、３０…マシンコントローラ、３１…第一位置制御部、３２…位相演算部、３３…第二位置制御部、３４…トルク比較演算部、３５…制動制御部、４１…信号情報表示部、４３…操作スイッチ、４５…内軸、４６…外軸、４７…歯車ケース、５０…入力歯車、５１…入力歯車、５２…カウンタ歯車、５３…出力歯車、５４…出力歯車、Ｋ…掘削撹拌装置。

Claims

オーガー４から複数の掘削軸８を互に平行状態で垂下するように設け、各掘削軸８の下部には掘削軸８の軸心に対して放射方向に突出する撹拌翼９を回転方向に複数設けた掘削ヘッド１０を設け、平行状態に設けた各掘削軸８の撹拌翼９は、隣接する各掘削軸８の撹拌翼９と平面視それぞれ位相を相違させて回転中に互いに当たらないように配置することにより、隣接する各掘削軸８の撹拌翼９の回転軌跡を、平面視において一部重なるように配置し、各掘削軸８の撹拌翼９は、各掘削軸８を駆動させる個別電動機１５を、各個別電動機１５の回転軸１８の回転情報をフィードバックさせて演算する制御部１６の回転同期制御を実行して、位相を相違させた配置状態を維持して同期回転する構成とした多軸式掘削撹拌装置。
請求項１において、前記掘削ヘッド１０は、二重軸に形成した各掘削軸８にそれぞれ撹拌翼９を上下方向に複数並設し、上下の各撹拌翼９はそれぞれ反対方向に逆回転する構成とした多軸式掘削撹拌装置。
請求項１または請求項２において、各個別電動機１５の回転軸１８の回転情報は、各個別電動機１５に設けた、個別電動機１５の回転軸１８の回転数を検出する回転回数検出部１９と、個別電動機１５の回転軸１８の基準位置に対する回転絶対位置を検出する回転位置検出部２０とにより取得する構成とした多軸式掘削撹拌装置。
請求項３において、前記制御部１６は、複数の掘削軸８の何れかに所定以上の負荷が掛かったことを検出すると、各掘削軸８の回転を停止させる停止制御を行う構成とした多軸式掘削撹拌装置。
オーガー４に設けた複数の掘削軸８の掘削ヘッド１０の、掘削軸８の軸心に対して放射方向に突出する撹拌翼９を、各掘削軸８の撹拌翼９の回転軌跡が、平面視において一部重なるように配置し、各掘削軸８を個別に駆動回転させる個別電動機１５の回転軸１８の回転の回転数を回転回数検出部１９により検出しつつ、個別電動機１５の回転軸１８の基準位置に対する回転絶対位置を回転位置検出部２０により検出しながら掘削ヘッド１０により掘削作業を行い、回転回数検出部１９と回転位置検出部２０の検出結果を制御部１６にフィードバックさせ、各掘削軸８の撹拌翼９の絶対位置および回転数を演算し、各掘削軸８の撹拌翼９を適正に同期回転させる多軸式掘削撹拌方法。
請求項５において、前記制御部１６は、複数の掘削軸８の何れかに所定以上の負荷が掛かったことを検出すると、各掘削軸８の各個別電動機１５を同期回転制御を行いながら、制動停止制御を行って回転停止させる多軸式掘削撹拌方法。