JP4446367B2

JP4446367B2 - 海底使用の湿式コアドリル装置

Info

Publication number: JP4446367B2
Application number: JP2001111336A
Authority: JP
Inventors: 木恒夫熊; 山昭三犬; 子和男金
Original assignee: ジェーピーイー株式会社
Priority date: 2001-04-10
Filing date: 2001-04-10
Publication date: 2010-04-07
Anticipated expiration: 2021-04-10
Also published as: JP2002307217A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
海底等の水圧の掛かる場所で使用する小径ビット用のポンプ内蔵型湿式コアドリル装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
最近、土木・建築業界で、アンカー下穴用のコアドリルの需要が高まり、小径穿孔（８〜３０ｍｍ）専用のコアドリルの開発が進んでいる。これらのコアドリルは、ビット刃面の面圧の上昇と、主に手持式が使用される関係から軽量化と低押圧力化とが必要になる。従って、穿孔能力を上昇させるには回転数を上げる必要があるため、従来の電動機（例えば、整流子電動機）では対応できず、高速回転（例えば、８０００ｒ／ｍｉｎ）の誘導電動機を直結型として使用するコアドリルが最近開発されている。
【０００３】
本出願人は、先に、コアドリル駆動装置として、特開平８−２２４７２７号公報に提案した。この提案は、図６にその構成を示すように、誘導電動機１２１の速度を検出する速度検出器１２２と、トルク特性を決定する滑り周波数演算器１２６と、インバータ１２３の周波数を決定する周波数演算器１２４と、前記電動機の励磁インダクタンスによってつくられるギャップ磁束数が常に一定となるＶ／ｆ値が予め回路中に入力されている電圧演算器１２５とを有するコアドリルの駆動装置において、使用条件によって最高速度の周波数を設定してコアドリルの広範囲のビットサイズに対してビット刃面の適正周速に対応できる周波数設定器１２７を設け、前記電動機速度から滑り周波数演算器１２６で演算された滑り周波数と周波数に換算した電動機速度とを加え合わせる加算器１２８を設け、その加算器１２８からの加算値と前記周波数設定器１２７で設定された最高速度の周波数とを前記周波数演算器１２４と電圧演算器１２５とに入力するように構成し、前記周波数演算器１２４と電圧演算器１２５とからの演算出力を前記インバータ１２３の周波数指令値及び電圧指令値とする可変周波数インバータ１２３で駆動される高速回転の誘導電動機１２１と、その減速機１２０とが設けられているものである。
この提案では、従来型のコアドリル用として提案したので、減速機を用いて減速したが、ビット径が小さいので、減速機無しで直結にすることにより、機械効率も良く、軽量化も実現できると考えられる。
【０００４】
加えて、本出願人は、先に、コアドリルのソフト始動装置として、実願平９−３５８１号に提案した。この装置は、コンクリートに着地時のビビリ等の問題を避けるため最低速のスタートが出来るという特徴があり、高速回転ということもあり、穿孔作業の危険性は低減できると考えられる。
【０００５】
一方、最近、湾岸の海底等でもアンカー工事の必要性が多くなり、穿孔作業の効率化と簡素化等から、従来の水中銃等の代替工具が必要となった。併し、海底での水深に伴う水圧に対する本体の耐圧性の問題や、漏電による感電事故等の危険性への対応等とは別に、冷却の問題がある。即ち、コアドリル本体の冷却は、周囲の海水により可能であるが、ビット先端部への給水の問題が残る。一般に、湿式コアドリルでは、ビットの冷却と切削粉の排出とを目的として、適当量の水をビットに供給し、ビットの摩耗と穿孔効率の向上とを計ることになっているが、ビットの冷却は、穿孔長がごく短い場合は可能としても、切削粉の排出は給水がなくては、穿孔作業は進まなくなる可能性が大きいので、穿孔作業中は冷却水の供給は必須である。また、供給水には、ビットに至る管路の抵抗による損失水頭と、切削粉を排出するための抵抗による損失水頭に対処するため適切な水圧と水量とが必要である。通常、水道の水圧では、２ｋｇ／ｃｍ^２程度は確保できるが、海底などで使用する場合には、海底の深度による海水圧（例えば、深度３０ｍで約３ｋｇ／ｃｍ^２）が加算されるため間に合わず、水圧に合わせた適当な揚程のポンプが必要になる。加えて、高速回転で穿孔速度を上げた場合、切削粉の排出とビットの冷却とを確保するため、冷却水量は多くなり、また、回転数を上げるほど切削粉増加のため、排出の際の損失水頭は多くなる傾向がある。更に、小径のビットの場合には、ビットを連結するシャンクとコンクリート壁との隙間の減少から、高速回転においては、損失水頭が回転数に比例して増加する傾向が、実験の結果見られ、渦巻ポンプの回転数／圧力特性にほぼ類似することが分かり、内蔵ポンプの活用が考えられる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上述の問題を解決するため、コアドリルの内部に、高速回転の駆動用誘導電動機に直結した羽根車を付けたポンプを内蔵し、コアドリルのビットに冷却水を供給することにより、地上からの冷却水の供給が必要でなく、海底の水圧に左右されないで、回転数の変化にも拘わらず、必要な水圧差と必要水量を供給できる海底使用の湿式コアドリル装置を提供することを目的とするものである。
【０００７】
また、本発明は、広範囲のビット径に対して穿孔効率がよく、軽量で機械効率の良い海底使用の湿式コアドリル装置を提供することを目的としている。
【０００８】
更に、本発明は、低電圧仕様で感電事故等もなく、始動時には低速度で運転できるので、ビビリ等なく安全な作業が出来る海底使用の湿式コアドリル装置を提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の海底使用の湿式コアドリル装置は、駆動用の高速回転誘導電動機（３）とコアドリル本体部（２）とより構成されるコアドリル装置において、該コアドリル本体部（２）は、冷却水供給部（４）とポンプ部（５）と回転接手部（６）とカバー部（７）とより形成され、該ポンプ部（５）の内部には、該誘導電動機（８）の駆動軸（９）に直結して回転する羽根車（１１）を備え、該羽根車（１１）の回転によって外部より冷却水を導入し、回転接手（１６）を介してビットに供給するように構成されている。
【００１０】
前記駆動用の高速回転誘導電動機（３）は、該誘導電動機（８）の速度を検出する速度検出器（１２２）とトルク特性を決定する滑り周波数演算器（１２６）と、インバータ（１２３）の周波数を決定する周波数演算器（１２４）と、前記電動機（８）の励磁インダクタンスによってつくられるギャップ磁束数が常に一定となるＶ／ｆ値が予め回路中に入力されている電圧演算器（１２５）とを有するコアドリルの駆動装置において、使用条件によって最高速度の周波数を設定してコアドリルの広範囲のビットサイズに対してビット刃面の適正周速に対応できる周波数設定器（１２７）を設け、前記電動機速度から滑り周波数演算器（１２６）で演算された滑り周波数と周波数に換算した電動機速度とを加え合わせる加算器（１２８）を設け、その加算器（１２８）からの加算値と前記周波数設定器（１２７）で設定された最高速度の周波数とを前記周波数演算器（１２４）と電圧演算器（１２５）とに入力するように構成し、前記周波数演算器（１２４）と電圧演算器（１２５）とからの演算出力を前記インバータ（１２３）の周波数指令値及び電圧指令値とする可変周波数インバータ（１２３）で駆動されている。
【００１１】
前記駆動用の高速回転誘導電動機（３）が、前記インバータ出力の低電圧にて駆動されていることが好ましい。
【００１２】
前記駆動用の高速回転誘導電動機（３）は、その回転数の設定を陸上に設置されているインバータ制御盤（２３）の操作パネル（２４）で行い、該設定は通常穿孔時の回転数とソフト始動時の低速回転数とをそれぞれ選定し、海底で使用する場合には、コアドリル本体付操作スイッチ（２８）で、始動時と穿孔時との２段階で操作することが好ましい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例について、図面を参照して実施の形態を説明する。
【００１４】
図１は、本発明を実施した海底使用の湿式コアドリル１の全体図を示し、図２は、コアドリル本体部２の断面詳細図を示す。これらの図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。
【００１５】
これらの図において、コアドリル１は、コアドリル本体部２とモータ本体部３に大別される。コアドリル本体部２は、冷却水供給部４、ポンプ部５、回転接手部６及びカバー部７より構成され、それぞれ、海水の水圧に耐えるようにシールの上、一体とされ、図示しないボルトにて固着されている。モータ本体８の駆動軸９は、先端部で中間軸１０にキー等を介して相互の回転不能に接続され、また、中間軸１０の後端部には、羽根車１１がキー等を介して相互の回転不能に固着されて、ポンプ部５の内部で、羽根車１１が駆動軸９と共に回転出来る構造となっている。羽根車１１の形式は、コアドリルの仕様に対して、適切な吐出量と吐出圧とを引き出すことが出来るものであればよいが、特性上渦巻式が好ましい。次に、冷却水の流れについて説明する。冷却水は、破線の矢印に従ってビットへ供給される。即ち、冷却水の供給部４の供給口１２には、フィルタ１３が設けられ、海中の異物等の侵入を防止する事が出来る。羽根車１１の入口は、カラー１４により冷却水入口流速を適正に保つ構造となっている。羽根車１１の回転により昇圧された水は、排水孔１５を通って回転接手１６に送られ、回転接手１６で中間軸１０の中空孔に導入され、次いで、中間軸１０に螺接されるシャンク１７の前端に取り付けられた図示しないビットに冷却水を供給する様になっている。尚、上記の軸には軸受１８が設けられ漏洩防止のためのオイルシール１９が設けられている。
【００１６】
モータ本体部３は、モータ本体８と取手２０とから構成される。モータ本体８は低電圧（例えば、４８Ｖ）で駆動される密閉型の高速誘導電動機であり、海底使用のため冷却装置は付設されていないが回転数制御のためエンコーダ２１を付設している。ケーブル２２は、モータ本体８から取手２０の内部を通って、図示しない陸上設置の入力電源が単相１００Ｖのインバータ制御盤２３の低電圧の出力側（３相４８Ｖ）に接続される。インバータ制御盤２３の正面には、図３に示す操作パネル２４が設けられ、電源スイッチ２５、電源ランプ２６及び回転数設定ツマミ２７が付設されている。取手２０には、コアドリル１の操作の為の操作スイッチ２８が取り付けられている。
【００１７】
次に、冷却水による流体損失水頭とポンプの回転数特性との関係について説明する。図４は、本発明のコアドリルを使用して穿孔テストを行ったときの回転数（横軸）と流体損失水頭（縦軸：ビット元圧）との関係をプロットしたものであり、実線Ｌ１は比例関係を示す直線を示す。このテストでは、ビットは１０．５ｍｍの小径ビットを使用し、冷却水量は１０００ｃｃ／ｍｉｎで一定に保ち、回転数を４０００、５０００、６０００、７０００及び８０００ｒ／ｍｉｎに変化して測定した。また、穿孔速度も、ほぼ一定に保った。従って、このデータは、回転数の変化による流体損失水頭の変化と見て差し支えないと思う。このデータから分かるように、冷却水量が一定の場合、回転数とビット元圧との関係は、ほぼ、比例関係にあると云うことが出来る。
【００１８】
次に、請求項２に係る発明において実現出来た特性について説明する。図５は、回転数（横軸）と負荷トルク（縦軸）との特性曲線を示す。図で、実線Ｌ２は特性曲線を示し、破線Ｌ３は、入口電流を設定した場合の点を結ぶ曲線で、コアドリルの理想的な特性曲線と云われる出力一定の曲線にほぼ近い。更に、連続運転できる誘導電動機の定格電流以下の点でもある。
【００１９】
次に、動作について説明する（図３参照）。陸上に設置されるインバータ制御盤の操作パネル２４の電源スイッチ２５を入れ電源ランプ２６の点灯を確認し、回転数設定ツマミ２７で、穿孔作業に適した回転数とソフト始動時の目盛とをそれぞれ設定する。同時に、海底において、作業者が取手の操作スイッチ２８を引いてＯＮにすると、ソフト始動時の低速回転（例えば４００ｒ／ｍｉｎ）で回転する。尚、この機能は、予め、回路に記憶されている。ソフト始動を終了するには再び操作スイッチ２８を引いてＯＦＦにする。次に、再び操作スイッチ２８を引いてＯＮにして本格的な穿孔作業に入る。尚、ビットの先端にはコアドリルの運転中、常に冷却水が供給される。
【００２０】
【発明の効果】
本発明は、コアドリルの内部に、高速回転誘導電動機の駆動軸に直結した羽根車に付けたポンプを内蔵し、コアドリルのビットに冷却水を供給することにより、地上からの冷却水の供給の必要が無く、然も、冷却水の供給を海底の水圧に左右されないで、且つ、回転数の変化にも拘わらず、必要な水圧差と必要水量を供給できるという効果がある。
【００２１】
また、本発明は、広範囲のビット径に対し、穿孔効率がよく、軽量で、機械効率の良いという効果がある。
【００２２】
更に、本発明は、インバータ出力による低電圧仕様のために感電の心配なく、始動時に低速回転が出来るので、海底作業でも安全な穿孔作業が出来るという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示すコアドリル装置の全体図。
【図２】図１のコアドリル本体の詳細断面図。
【図３】本発明の請求項２に記載の実施形態におけるインバータ制御盤の操作パネルの正面図。
【図４】本発明の穿孔時の回転数と冷却水による損失水頭との関係曲線。
【図５】本発明の請求項２に記載の実施形態における回転速度と負荷トルクとの関係曲線。
【図６】従来技術による駆動装置の構成を示すブロック図。
【符号の鋭明】
１・・・コアドリル
２・・・コアドリル本体部
３・・・モータ本体部
４・・・冷却水供給部
５・・・ポンプ部
６・・・回転接手部
７・・・カバー部
８・・・モータ本体
９・・・駆動軸
１０・・・中間軸
１１・・・羽根車
１２・・・供給口
１３・・・フィルタ
１４・・・カラー
１５・・・排水孔
１６・・・回転接手
１７・・・シャンク
１８・・・軸受
１９・・・オイルシール
２０・・・取手
２１・・・エンコーダ
２２・・・ケーブル
２３・・・インバータ制御盤
２４・・・操作パネル
２５・・・電源スイッチ
２６・・・電源ランプ
２７・・・回転数設定ツマミ
２８・・・操作スイッチ

Claims

駆動用の高速回転誘導電動機（３）とコアドリル本体部（２）とより構成されるコアドリル装置において、該コアドリル本体部（２）は、冷却水供給部（４）とポンプ部（５）と回転接手部（６）とカバー部（７）とより形成され、該ポンプ部（５）の内部には、該誘導電動機（８）の駆動軸（９）に直結して回転する羽根車（１１）を備え、該羽根車（１１）の回転によって外部より冷却水を導入し、回転接手（１６）を介してビットに供給するように構成されていることを特徴とする海底使用の湿式コアドリル装置。
前記駆動用の高速回転誘導電動機（３）は、該誘導電動機（８）の速度を検出する速度検出器（１２２）とトルク特性を決定する滑り周波数演算器（１２６）と、インバータ（１２３）の周波数を決定する周波数演算器（１２４）と、前記電動機（８）の励磁インダクタンスによってつくられるギャップ磁束数が常に一定となるＶ／ｆ値が予め回路中に入力されている電圧演算器（１２５）とを有するコアドリルの駆動装置において、使用条件によって最高速度の周波数を設定してコアドリルの広範囲のビットサイズに対してビット刃面の適正周速に対応できる周波数設定器（１２７）を設け、前記電動機速度から滑り周波数演算器（１２６）で演算された滑り周波数と周波数に換算した電動機速度とを加え合わせる加算器（１２８）を設け、その加算器（１２８）からの加算値と前記周波数設定器（１２７）で設定された最高速度の周波数とを前記周波数演算器（１２４）と電圧演算器（１２５）とに入力するように構成し、前記周波数演算器（１２４）と電圧演算器（１２５）とからの演算出力を前記インバータ（１２３）の周波数指令値及び電圧指令値とする可変周波数インバータ（１２３）で駆動されていることを特徴とする請求項１記載の海底使用の湿式コアドリル装置。
前記駆動用の高速回転誘導電動機（３）が、前記インバータ出力の低電圧にて駆動されていることを特徴とする請求項２記載の海底使用の湿式コアドリル装置。
前記駆動用の高速回転誘導電動機（３）は、その回転数の設定を陸上に設置されているインバータ制御盤（２３）の操作パネル（２４）で行い、該設定は通常穿孔時の回転数とソフト始動時の低速回転数とをそれぞれ選定し、海底で使用する場合には、コアドリル本体付操作スイッチ（２８）で、始動時と穿孔時との２段階で操作することを特徴とする請求項２記載の海底使用の湿式コアドリル装置。