JP3892445B2 - 鋼管杭トルク伝達装置 - Google Patents

Description

本願発明は、建築基礎杭として地中に回転埋設する円筒状の鋼管杭の埋設施工に用いるトルク伝達装置であって、特に外部の回転駆動装置に連結して、鋼管杭に回転力の伝達を可能とする鋼管杭トルク伝達装置に関する。

従来、建築物の基礎構築において、地盤支持力を確保するため又は増強するため、図８に示すように、コンクリート基礎Ｂの下部に基礎杭として鋼管杭Ｐの埋設が行われている。

かかる鋼管杭Ｐの埋設工法には、ハンマーや流体圧シリンダによる打込工法、セメントミルク注入工法、回転埋設工法等の種々の方法がある。近年は施工時の振動や騒音又は施工コスト等を考慮して、回転埋設工法が主流となっている。

この回転埋設工法による施工は、例えば、油圧ショベル、クレーン又はアースオーガ用作業機等に油圧モータ等の回転装置や連結装置をアタッチメントし、これを介して保持した鋼管杭を回転駆動させることにより行われている（例えば、特許文献１。）。
特開２０００−６４２８２号公報（第４−７頁、第２−４図）

特許文献１の装置は、鋼管杭の連結（保持）を内周面側から行うようにしているが、装置本体にクランプ機構の油圧駆動による拡開／縮径する支持爪や回転駆動機構を配置しているため、油圧の動力源や油圧路等を配置（又は形成）する必要があった。そのため、装置が上下方向に大型化し、部品点数が増えて構造が複雑化するため、その装置の価格や保守費用が高額となってしまうという問題があった。

また、鋼管杭の外形寸法が小さい、例えば１１０〜１２０ｍｍ程度の場合には、この小径の鋼管杭に挿入する部位の容積が小さいため、内蔵させる複雑なクラッチ機構を構成するのは難しく、構成できたとしても十分な摩擦係合力を発生させることが難しく大トルクを十分に伝達できないばかりか、自身が破壊する危険性もあった。

そこで、本願発明は、上記課題に着目してその解決を図るべく、その構造を小型化及び簡略化すると共に、確実かつ効率的に鋼管杭へ回転力（「トルク」）の伝達を可能とし、特に小径の鋼管杭に対応する鋼管杭トルク伝達装置を提供するものである。

上記課題を解決するため、本願発明に係る鋼管杭トルク伝達装置（以下、「本装置」と称する。）は、以下のように構成している。

すなわち、鋼管杭（Ｐ）の上端開口に上方から外嵌させるための円筒状の嵌合空間（２２）を有する被冠部（２１）と、この被冠部（２１）を鋼管杭（Ｐ）と同軸上で軸回転させるために連結する外部のトルク駆動装置、例えば、油圧モータの出力軸を連結する継手部（２３）とを配設して成るハウジング（２）を形成し、該ハウジング（２）の被冠部（２１）を外嵌させた鋼管杭（Ｐ）の外側周面と当接すると共に軸回転付加によって当該外側周面と摩擦係合するクラッチ機構（４）を配設して本装置を構成する。油圧モータと継手部（２３）の連結は、フランジ、キー、ピン等の連結方法から適宜なものを採用している。

上記クラッチ機構（４）は、特に、鋼管杭（Ｐ）の外周面に対向して略横断面上を揺動する摩擦体（４１）の複数個を嵌合空間（２２）の内周面側に円周状に配置すると共に、ハウジング（２）の軸回転に起因する摩擦体（４１）個々の揺動を中立状態で保持させるための付勢手段を配置して構成している。

また、被冠部（２１）の嵌合空間（２２）内に、鋼管杭（Ｐ）の上端開口から挿入して内嵌させる中子体（３）を配設している。この中子体（３）が、鋼管杭（Ｐ）のハウジング（２）への挿入時において、いわばガイドとして機能し、鋼管杭（Ｐ）の被冠部（２１）への嵌入を容易にしている。

なお、この中子体（３）は、鋼管杭（Ｐ）の内側空間に遊貫し得る円筒状の外観を有し、嵌合空間（２２）内の底部から垂下状にかつ着脱自在に取り付ける構成であり、その外側周面はクラッチ機構（４）と係合するものではない。この取り付け状態により鋼管杭（Ｐ）の肉厚変更により、中子体（３）も外形寸法が適合するものに変更することは可能である。取り付け方法としては、ピン、キー、または中子体（３）自体を嵌合空間（２２）内の底部にネジ込む構成から適宜に選択すれば良い。

クラッチ機構（４）の摩擦体（４１）は、鋼管杭（Ｐ）の外側周面との両翼状に形成した当接面に高摩擦手段（４１ｄ）、例えば、複数条の爪や、適度な粗面（凹凸面）を形成したものであり、鋼管杭（Ｐ）の外側周面との当接状態で高摩擦状態を発生させている。

また、付勢手段としては、摩擦体（４１）の両翼の反摩擦面側にそれぞれ配置した拡張バネ（４３）としている。なお、拡張バネ（４３）としては、例えば、圧縮コイルバネを内蔵したプランジャを採用すれば組立性も良くコンパクトな構造になるが、これに限定するものでなく板バネから構成しても良い。

なお、特許請求の範囲の書類及び上記の課題を解決するための手段の欄で記載した括弧付き符号は、発明の構成の理解を容易にするため参考として図面符号を付記したもので、この図面上の形態に限定するものでないことはもちろんである。
［作用］

上記構成により、本装置は、以下のように作用する。
先ず、作業機（例えば、油圧ショベル、クレーン又はアースオーガ用作業機等）の先端部に取り付けた外部のトルク駆動装置に本装置を連結する。次いで、本装置の被冠部を鋼管杭の上端開口側に対して若干回転させるようにしながら外嵌させる。これにより、ハウジングの被冠部に配置したクラッチ機構が鋼管杭の外側周面に摩擦係合し、回転駆動装置の起動により継手部及び被冠部が回転して鋼管杭へトルクを伝達する。

また、本装置の請求項２、又は３の構成にあるように嵌合空間内に着脱自在な中子体を配置する構成を採ることにより、本装置の鋼管杭への外嵌時に中子体がガイドとして機能し、その嵌入が容易になると共に、鋼管杭の肉厚が変更されて内径寸法が変更された場合にも、中子体をそれに合わせて変更することで容易に対応可能となる。

さらに、本装置の請求項４、５又は６に記載するクラッチ機構の構成を採ることにより、クラッチ機構を構成する１又は２以上の摩擦体が、ハウジングの回転によって周方向に揺動すると共に、どちらの方向に揺動した場合でも付勢力（外周面への押し付け力）を持って鋼管杭の外側周面に摩擦係合することになる。

本願発明は、上記のように構成しているため、鋼管杭を何らの動力源を必要とせずに、回転方向にしたがって揺動する摩擦体が所定の摩擦力をもって鋼管杭の外周面に係合し、効率的なトルク伝達を可能としている。

また、この摩擦体は外力が作用しない場合は、中立状態で停止するように付勢されているため、鋼管杭の本装置への嵌入を迅速かつスムーズに行うことができる。

さらに、本装置から鋼管杭への回転力伝達を摩擦体の摩擦係合のみで行っているため、簡易な構造でかつ小型化を図ることができ、導入コスト及び維持コスト共に低廉にすることができる。

さらにまた、本装置は既存の油圧ショベルのアタッチメントとしても利用できるため、作業性の向上が図れ、その産業への貢献度は大きなものである。

以下、本装置の実施形態例について、図面に基づき詳細に説明する。

図１は本装置の全体概観を示す一部凹部斜視図であり、図２は本装置の一部凹部組立斜視図であり、図３は本装置のハウジングにおけるクラッチ機構の配置状態を示す横断面図であり、図４は鋼管杭の本装置への嵌入時の説明図（Ａ）、（Ｂ）であり、図５及び図６は本装置のクラッチ機構の鋼管杭への作用状態を示す断面図であり、図７は本装置を使用した鋼管杭の回転埋設作業状態を示す一部凹部斜視図である。

なお、本明細書の説明において、図面上の上下方向は、本装置の使用時（鋼管杭の埋設施行時）における配置状態を捉えて方向性を特定している。

図示符号２は、ある程度の間隙をもって鋼管杭Ｐの上端開口部へ上方から覆うようにして配置するハウジングである。該ハウジング２は、本装置１の基幹要素であり、鋼管杭Ｐを外嵌可能な嵌合空間２２を有した有底筒状の被冠部２１と、該被冠部２１の上部に継手部２３を形成して成る。

上記嵌合空間２２は、下方に開口した略円筒状の空間を有して成り、その内側周面に半円柱状の凹部２２ａを円周８等分の位置に各別に形成している。これらの凹部２２ａ、２２ａ、２２ａ・・・には、後述するクラッチ機構４を配設している。

また、上記嵌合空間２２の上部側の被冠部２１には、中子体３と共に横断方向（嵌合方向に対して直角横方向。施行持は水平方向。）にピン２４を貫通させている。このピン２４の支持により、中子体３を嵌合空間２２内に着脱可能に保持するようにしている。

この中子体３は、鋼管杭Ｐの上端開口から内部空間へ挿入し得る先端部を縮形させた略円柱状に形成している。なお、この中子体３は、ハウジング２を鋼管杭Ｐに対して外嵌状に被せる時のガイドとして機能させることを目的とするため、例えば、鋼管杭Ｐが小径である場合は省略することも可能である。また、必ずしても円柱状である必要もなく、鋼管杭Ｐの内周面に略等間隔で接し得る形態、例えば、正多角柱体、又はそのワイヤーフレーム状体、さらには垂下状のバネ体、等の適宜の形状であってもよい。また、対象鋼管杭の種々の肉厚に対応させるため、種々径の中子体３を適宜に嵌合空間２２に取り付けることにより、嵌合空間２２の内周面と中子体３の外周面とで形成される環状の空間を適宜に設定することができる。

次に被冠部２１の上部側に一体的に形成される継手部２３は、外部のトルク駆動装置、例えば油圧モータの出力軸を連結させる部分であり、図１、又は図２に示すように、油圧モータの出力軸が内嵌し得る六角柱状凹部の連結口２３ａを形成して成る。

なお、本装置１では、継手部２３を、六角柱状凹部の有底開孔としているが、これに限らず、軸回転力を伝達し得る限り、例えば、その他の三角・矩形柱体状凹部としても良く、さらには、キー、キー溝等の係合機素を使用して連結する構成としても良い。

なお、本装置１のハウジング２は組立上の都合により、図１、又は図２に示すように、継手部２３の配設側の部位とクラッチ機構４の内蔵側の部位を円周状に配置した１２個の締結ボルト２５、２５、２５・・・にて結合する構成を採用している。

クラッチ機構４は、嵌合空間２２の内周面に形成した半円柱状の凹部２２ａ内に格別に収納配置されており、摩擦体４１、揺動軸４２、及び両側上下方向の４個のプランジャ４３（拡張バネを内蔵）を１セットする総数８セットの要素から構成している。

上記摩擦体４１は、図１、図２、又は図３に示すように、上下に伸びる円柱体とその円柱体の外側に断面菱形で柱状の当接部４１ａとから成る。当接部４１ａの下端側には、鋼管杭Ｐの嵌合空間２２への嵌入を容易にするために、テーパー状の面取部４１ｂを形成している。嵌挿時に鋼管杭Ｐの外周壁Ｐａと対向する当接部４１ａの交わる２面の接触面４１ｃには、高摩擦手段として複数条の上下方向溝からなる係合爪４１ｄを刻設している。

該摩擦体４１は、当接部４１ａの接触面４１ｃの２面が交わる峰部４１ｅが鋼管杭Ｐの外周壁Ｐａと近接対向した状態を鋼管杭Ｐへの被冠前の中立状態としている。この状態で、当接部４１ａの接触面４１ｃは、鋼管杭Ｐの外周壁Ｐａに対して左右対称に拡がる両翼状態となる。

また、摩擦体４１は、円柱体を上下に貫通させた揺動軸４２の軸支により、図３に示すように、鋼管杭Ｐの外周壁Ｐａの円周接線方向に揺動自在となるように構成している。該揺動軸４２は、その上下端を嵌合空間２２の凹部２２ａの上下で回動自在に軸支して保持するようにしている。

次に、プランジャ４３は、拡張バネ（いわゆる、圧縮コイルバネ）から構成され、一つの摩擦体４１につき、被冠部２１の側面に形成した４箇所の配置孔２２ｂに外周側から挿入するようにして取り付けている。プランジャ４３の先端部は、配置孔２２ｂから露出するように配置すると共に、当接部４１ａのエラ部４１ｆ（峰部４１ｅの反対側）に近接するように設定して配置している。別言すると、摩擦体４１が中立状態からある程度揺動した時点でプランジャ４３の先端部がエラ部４１ｆに当接する程度の間隙をもって配置している。そして、該プランジャ４３からの付勢力（嵌合空間２２の軸心方向へ押し出す力）によって摩擦体４１は中立状態へ押し戻されることとなる。
［実施例の作用］

以上のように構成した本装置１は、鋼管杭Ｐの埋設時には以下のように作用する。なお、ここで用いる鋼管杭Ｐは、形状、サイズ、強度等、特に限定するものではないが、例えば、回転埋設時における推進速度、安定性が優れた特許第２８９３４４３号に開示されている刃付鋼管杭と同型の、特に小サイズ（φ１１０〜１２０ｍｍ程度）を使用している。また、この鋼管杭Ｐの埋設回転方向は上方視において時計回り（右回転）である。

先ず、出力軸を有する油圧モータＭを適宜な作業機に接続する。この作業機は、油圧モータＭの保持、上下動、及び鋼管杭Ｐに対する圧入能力があれば特に限定しない。なお、本実施形態においては、図７に示すように、作業性（運動性）が高い油圧ショベルＥを使用している。

本装置１と油圧モータＭの出力軸との連結は、出力軸をハウジング２の継手部２３に外嵌、又は連結口２３ａに内嵌（嵌合挿入）して行い、例えばキーやピンの結合（図止省略）油圧ショベルＥに垂下保持させている。そして、本装置１は、油圧ショベルＥの作業アームＥ１の操作により、鋼管杭Ｐの上方位置に移動させ、作業アームＥ１を下降させてハウジング２の被冠部２１を鋼管杭Ｐに外嵌させる。この時、ハウジング２に中子体３が取り付けられていれば、この中子体３が鋼管杭Ｐの上端開口から挿入されて内嵌することとなり、これが鋼管杭Ｐの嵌合空間２２への嵌入時のガイドとして機能する。

なお、鋼管杭Ｐの嵌入前におけるクラッチ機構４の摩擦体４１は、図４（Ａ）に示すように、中立状態にあるため、通常は摩擦体４１が嵌合空間２２の軸心方向へ突出した状態となり、鋼管杭Ｐの外周壁Ｐａに干渉することになる。このため、嵌入時においては、図４（Ｂ）に示すように、本装置１を所定方向（本実施例では反時計回り）に回転させ（矢印ａ）ながら本装置１の全体を押し下げ（矢印ｂ）、摩擦体４１の面取部４１ｂが鋼管杭Ｐの上端面に接触して回転方向と逆に摩擦体４１をプランジャ４３の付勢力に抗して振れ（揺動）させることにより（矢印ｃ）、鋼管杭Ｐの嵌合空間２２への嵌入を可能としている。

鋼管杭Ｐの被冠部２１への嵌入が完了したところで、油圧モータＭを起動して、出力軸からハウジング２の継手部２３を介して本装置１へ回転力を伝達させる（図５、矢印ｄ）。この回転により各摩擦体４１は、揺動軸４２に作用する慣性力（図５、矢印ｅ）とプランジャ４３の付勢力（図５、矢印ｆ）が作用して時計回りの方向に揺動し、接触面４１ｃに形成した係合爪４１ｄが鋼管内Ｐの外周壁Ｐａに食い込み（図５、矢印ｇ）、より強力に摩擦係合することになる。この摩擦係合により油圧モータＭのトルクが鋼管杭Ｐに伝わる。別言すると、横断面菱形状で接触面４１ｃを両翼状に形成した当接部４１ａが揺動することにより、鋼管杭Ｐとの間で楔（くさび）として機能し、これがハウジング２の回転に連れてより強固な接触摩擦力を発生させることとなる。これにより、より高トルクを伝達可能としていることになる。

上記の作用により、鋼管杭Ｐは作業アームＥ１の押し下げ圧力と相俟って地中に貫入して行くことになる。

一方、鋼管杭Ｐの埋設終了後は、油圧モータＭを切って本装置１の回転を止めることにより、摩擦体４１の外周壁Ｐａに対する摩擦力が低減するため、作業アームＥ１を上昇させれば、そのまま本装置１は鋼管杭Ｐから離脱して引き抜かれることとなる。この時、プランジャ４３の付勢力の作用により、摩擦体４１は中立状態に維持される。

なお、上述した内容は鋼管杭Ｐを埋設する場合であるが、本装置１を埋設済みの鋼管杭Ｐの上端開口から外嵌させ、上述した回転方向と逆回転を与えれば引き抜き作業にも使用することも可能である。この時の被冠部２１の鋼管杭Ｐへの外嵌時における摩擦体４１および鋼管杭Ｐへの摩擦係合状態は、図６に示すようになり、図５に示す埋設時とは逆方向に揺動させた状態である。

本装置の全体概観を示す一部凹部斜視図である。 本装置の一部凹部組立斜視図である。 本装置のハウジングにおけるクラッチ機構の配置状態を示す横断面図である。 鋼管杭の本装置への嵌入時の説明図（Ａ）、（Ｂ）である。 本装置のクラッチ機構の鋼管杭への作用状態を示す断面図である。 本装置のクラッチ機構の鋼管杭への作用状態を示す断面図である。 本装置を使用した鋼管杭の回転埋設作業状態を示す一部凹部斜視図である。 地盤支持力増強のための建築基礎を示す一部凹部斜視図である。

符号の説明

１ 本装置（鋼管杭トルク伝達装置）
２ ハウジング
２１ 被冠部
２２ 嵌合空間
２２ａ 凹部
２２ｂ 配置孔
２３ 継手部
２３ａ 連結口
２４ ピン
２５ 締結ボルト
３ 中子体
４ クラッチ機構
４１ 摩擦体
４１ａ 当接部
４１ｂ 面取部
４１ｃ 接触面
４１ｄ 係合爪（高摩擦手段）
４１ｅ 峰部
４１ｆ エラ部
４２ 揺動軸
４３ プランジャ
Ｂ コンクリート基礎
Ｅ 油圧ショベル
Ｅ１ 作業アーム
Ｍ 油圧モータ
Ｐ 鋼管杭
Ｐａ 外周壁

Claims (5)

1. 鋼管杭（Ｐ）の上端開口に外嵌させる円筒状の嵌合空間（２２）を有する被冠部（２１）と、該被冠部（２１）を鋼管杭（Ｐ）と同軸上で軸回転させるためのトルク駆動装置を連結する継手部（２３）とから成るハウジング（２）と、
   該ハウジング（２）の被冠部（２１）に内蔵され、外嵌させた鋼管杭（Ｐ）の外側周面と当接すると共に軸回転付加によって当該外側周面と摩擦係合するクラッチ機構（４）と、とから成り
   該クラッチ機構（４）は、鋼管杭（Ｐ）の外周面に対向して鋼管杭（Ｐ）の略横断面上を揺動する摩擦体（４１）と、該摩擦体（４１）を揺動の中立状態で保持させるための付勢手段とから構成したことを特徴とする鋼管杭トルク伝達装置。
2. 請求項１記載の鋼管杭トルク伝達装置の被冠部（２１）の嵌合空間（２２）内に、鋼管杭（Ｐ）の上端開口から挿入して内嵌させる中子体（３）を設けたことを特徴とする鋼管杭トルク伝達装置。
3. 中子体（３）の構成において、
   鋼管杭（Ｐ）の内側空間に遊貫し得る円筒状の外観を有し、嵌合空間（２２）の底部へ着脱自在に取り付ける構成としたことを特徴とする請求項２記載の鋼管杭トルク伝達装置。
4. 摩擦体（４１）を両翼状に形成し、該両翼における鋼管杭（Ｐ）の外側周面との当接面に高摩擦手段（４１ｄ）を形成したことを特徴とする請求項１記載の鋼管杭トルク伝達装置。
5. 付勢手段を、摩擦体（４１）の両翼の反摩擦面側にそれぞれ配置した拡張バネ（４３）としたことを特徴とする請求項１、又は４記載の鋼管杭トルク伝達装置。

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