JP7260151B2 - 削孔力発生装置及び削孔機 - Google Patents

Description

本発明は、土木作業用の削孔力発生装置と、この削孔力発生装置を備える削孔機に関するものである。

土木作業用の削孔機は、地盤改良用の杭等を打ち込むための孔を地面や壁面等に形成する装置である。この削孔機を構成する削孔力発生装置として、ばね力を利用したものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

ばね力を利用する削孔力発生装置は、ウエイトハンマと、このウエイトハンマに付勢力を付与するばねと、ウエイトハンマへの係止部を有する回転体と、この回転体を回転駆動する打撃用モータと、ウエイトハンマによって打撃される出力軸（被打撃体）と、この出力軸を軸線回りで回転駆動する出力軸回転用モータと、を備える。

回転体は、打撃用モータで回転駆動されることによって前記係止部にてウエイトハンマに係止し、ウエイトハンマを原位置からばねの付勢力が増大する方向に移動させる。回転体がさらに回転することにより、所定位置で係止部によるウエイトハンマへの係止が解除される。これにより、ウエイトハンマがその重力とばねの付勢力とによって原位置方向に移動し、ウエイトハンマの重力とばねの付勢力との加重力により出力軸を打撃する。そして、回転体の連続回転によって、ウエイトハンマによる出力軸の打撃が繰り返される。

出力軸は、出力軸回転用モータによって回転駆動されながら、前述のようにウエイトハンマで繰り返し打撃される。このため、出力軸に削孔ロッドを連結し、この削孔ロッドを地面や壁面等の削孔対象に押し当てながら出力軸回転用モータと打撃用モータとを作動させることで、地面や壁面等に孔を効率的に形成することができる。

特開２００５－２３５５１号公報

前記従来の削孔力発生装置においては、ウエイトハンマとばねと回転体と打撃用モータとで打撃部が構成され、出力軸と出力軸回転用モータとで回転部が構成される。そして、打撃部と回転部の双方にそれぞれ駆動用のモータが配設されるので、高出力が得られる反面、装置全体として大型化、重量化、高コスト化等の傾向がある。

これに対し、作業現場の状況によっては、出力は多少低くても、小型で軽量な削孔機が好ましい場合もある。よって、出力を多少犠牲にしてでも、削孔力発生装置及び削孔機を小型化及び軽量化できれば実用上のメリットが大きい。

本発明は、前記のような事情に鑑みてなされたもので、小型で軽量な削孔力発生装置及び削孔機を提供しようとするものである。

前記課題を解決するため、本発明に係る削孔力発生装置は、土木作業用の削孔機を構成する削孔力発生装置であって、出力軸と、該出力軸を回転駆動するモータと、前記出力軸を打撃するハンマと、該ハンマに打撃用の付勢力を付与するばねと、前記出力軸の回転運動が前記ばねの蓄力運動及び出力運動となるように繰り返し伝動する伝動機構と、を備え、該伝動機構が、互いに接触する出力軸側カム部材とハンマ側カム部材とで構成され、前記出力軸側カム部材と前記ハンマ側カム部材のいずれか一方が、前記出力軸の中心軸線を中心として周方向に延在するカム面を備え、該カム面は、前記出力軸の中心軸線に沿う方向への急落面と、該急落面の底部から上向きに延びる傾斜面と、を備えることを特徴とする（請求項１）。

本発明に係る削孔力発生装置は、土木作業用の削孔機を構成することによって削孔力を発生する。モータによって出力軸が回転駆動されると、伝動機構によって、出力軸の回転運動がばねの蓄力運動及び出力運動となるように繰り返し伝動される。出力軸の回転運動中に、蓄力されたばねが出力へと転ずると、ハンマによって出力軸が打撃される。これにより、出力軸は、回転しながら繰り返し打撃される。このため、出力軸に削孔ロッドを連結し、削孔機によって掘削ロッドを地面や壁面等の削孔対象に押し付けながらモータを作動させることにより、出力軸の回転と打撃とにより削孔対象に孔を効率的に形成することができる。

本発明によれば、出力軸の回転とハンマによる出力軸の打撃とが共通のモータによって駆動される。このため、それらが別々のモータで駆動されていた前記従来の構成よりも、明らかに小型で軽量な削孔力発生装置及び削孔機を得ることができる。モータの数が半減することで、コスト上も有利となるほか、モータの制御も簡単となり、好適である。

また、本発明によれば、伝動機構が、互いに接触する出力軸側カム部材とハンマ側カム部材とで構成されるので、伝動機構をコンパクトにでき、削孔力発生装置及び削孔機の小型化及び軽量化への貢献度が一層高まる利点がある。

さらに、本発明によれば、カム面に急落面が含まれているので、ハンマの打撃力が強い衝撃として出力軸に伝達される。

実施の一形態として、削孔対象の固さと前記ばねのばね力との相互関係に応じて、前記伝動機構が、前記出力軸の回転運動を該出力軸の軸線方向への振動となるように繰り返し伝動する態様を例示する（請求項２）。この実施の形態は、出力軸を回転させながら打撃する、いわゆる回転・打撃式の削孔力発生装置としての機能と、出力軸を回転させながら振動させる、いわゆる回転・振動式の削孔力発生装置としての機能とを併有する。削孔力発生装置の操縦者は、削孔対象の固さによって操縦の仕方を変える必要はなく、出力軸を削孔対象へ向けて押し当てながらモータを回転させるだけでよい。削孔対象の固さとばねのばね力との相互関係に応じて、出力軸の打撃と振動とが自動的に切り替わることになるからである。

また、本発明に係る削孔機は、前記削孔力発生装置と、該削孔力発生装置の前記出力軸に連結される削孔ロッドと、該削孔ロッドを削孔対象に押圧させる押圧装置と、を備えることを特徴とする（請求項３）。本発明の削孔機によれば、前記削孔力発生装置と同様の作用効果が奏される。

本発明の実施の一形態に係る削孔力発生装置を搭載した削孔機の一例の側面図である。 図１の削孔機による地面への削孔作業状態の側面図である。 図２のＩＩＩ－ＩＩＩ矢視拡大断面図である。 図３のＩＶ－ＩＶ矢視端面図である。 図３中の伝動機構の分解斜視図である。 図３の削孔機による削孔時の伝動機構の説明図であり、（ａ）はばねが出力運動した状態の説明図、（ｂ）はばねが蓄力運動した状態の説明図である。 引き抜き時における伝動機構の状態図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。

図１には土木作業用の削孔機の一例が示されている。この削孔機１は、地盤改良用の杭等を打ち込むための孔を地面や壁面等の削孔対象に形成する装置である。

図１に示す削孔機１は、ベースマシン２上に起倒自在なリーダ３を備え、このリーダ３に沿って移動自在に削孔力発生装置４が配設される。図１の例では、ベースマシン２として定置式のものを示しているが、移動可能なクローラタイプのベースマシンであってもよい。ベースマシン２上には、パワーユニットやコントロールボックス（いずれも図示省略）等が配設される。

リーダ３は、リーダベース５を介してリフトシリンダ６とチルトシリンダ７とによって支持される。リーダ３は、リフトシリンダ６の作動によって昇降自在であり、チルトシリンダ７の作動によって図１に示す水平姿勢と図２に示す垂直姿勢との間を傾動自在である。リーダ３は、リーダベース５に沿って移動自在であり、この移動は、リーダベース５とリーダ３との間に架設されるスライドシリンダ８によって駆動される。

リーダ３には推進ベース９が摺動自在に設けられ、この推進ベース９に、本発明の実施の一形態に係る削孔力発生装置４が固定される。推進ベース９はリーダ３に沿って移動自在であり、図１の例では、推進ベース９の送り装置として、チェーン式送り装置１０が示されている。このチェーン式送り装置１０は、両端を推進ベース９に固着してリーダ３に沿って無端状態に架設されるチェーン１１と、このチェーン１１を正逆両回転方向に駆動するモータ１２と、を備える。リーダ３に沿って推進ベース９が移動することで、削孔力発生装置４もリーダ３に沿って移動する。チェーン式送り装置１０に代えて、シリンダ式のものを採用することもできる。

削孔力発生装置４には、連結部材１３を介して削孔ロッド１４が結合される。したがって、地面や壁面等の削孔対象に対して削孔ロッド１４が直角となるようにリーダ３の姿勢を定め、押圧装置として機能するチェーン式送り装置１０によって削孔ロッド１４を削孔面に押し当てながら削孔力発生装置４を駆動させることで、削孔対象に孔を形成することができる。地面Ｓに削孔を行う場合には、図２に示すようにリーダ３及び削孔ロッド１４を地面Ｓに垂直に立てて削孔力発生装置４を駆動させればよい。リーダ３は水平姿勢と垂直姿勢との間を９０度傾動可能であるので、作業現場の状況に応じた多様な削孔作業を行うことができる。

次に、削孔力発生装置４について詳細に説明する。図３に示すように、削孔力発生装置４は、出力軸１５と、この出力軸１５を回転駆動するモータ１６と、出力軸１５を打撃するハンマ１７と、このハンマ１７に打撃用の付勢力を付与するばね１８と、出力軸１５の回転運動がばね１８の蓄力運動及び出力運動となるように繰り返し伝動する伝動機構１９と、を備える。

出力軸１５は、削孔機１の推進ベース９に固定される出力軸ハウジング２０内に、複数の軸受２１，２２によって正逆回転自在且つ軸線方向に所定量Ｌだけ移動可能に支持されている。出力軸ハウジング２０には、出力軸１５を正逆両方向へ回転駆動するための回転駆動装置２３が配設されている。この回転駆動装置２３は、駆動ギア２４と、この駆動ギア２４を回転駆動する油圧式等のモータ１６と、駆動ギア２４と噛合する従動ギア２５と、を備える。

駆動ギア２４と従動ギア２５は、出力軸ハウジング２０内に正逆回転自在に支持されている。従動ギア２５のボス部２５ａには、出力軸１５がスプライン嵌合されている。すなわち、従動ギア２５のボス部２５ａの内周面にスプライン溝２５ｂが形成され、出力軸１５の軸線方向の一部の外周面にスプライン１５ｂが形成される。これらのスプライン溝２５ｂとスプライン１５ｂとが嵌合することで、モータ１６の回転駆動力が出力軸１５に伝達されると共に、従動ギア２５上での出力軸１５の軸線方向への所定量Ｌの移動が可能となる。

なお、図３において、従動ギア２５上での出力軸１５の上方への移動（ハンマ１７側への移動）は、従動ギア２５のスプライン溝２５ｂの上端部２５ｃと、出力軸１５のスプライン１５ｂの上端部１５ｃとが当接することによって規制される。

出力軸１５の前端部（図３で見て下端部）１５ａには削孔ロッド１４が連結される。出力軸１５の回転により削孔ロッド１４が回転し、この削孔ロッド１４によって削孔対象Ｓに孔が形成される。

ハンマ１７は、出力軸ハウジング２０に固着される筒状のハンマケース２６内に収容され、このハンマケース２６に固着される蓋体２７でハンマケース２６が閉じられる。ハンマケース２６内にはばね１８が配設され、このばね１８によってハンマ１７が出力軸方向（図３では下方）へと付勢される。図示例では、ばね１８として圧縮コイルばねを採用しているが、これには限定されない。ばね１８の一端側（図３で見て上端側）１８ａは蓋体２７に圧接する。

ハンマ１７は中空の筒状の部材であり、軸受け２８を介して出力軸１５の後端側（図３で見て上端側）の所定の長さ領域１５ｅを受け入れ、出力軸１５の軸線方向に移動可能である。ハンマ１７の出力軸１５側の端部には外向きのフランジ１７ａが形成され、反出力軸側の端部は閉じられて閉鎖部１７ｂとなっている。この閉鎖部１７ｂが出力軸１５の後端面（図３で見て上端面）１５ｄを打撃するための打撃部である。ハンマ１７のフランジ１７ａは、ばね１８の他端側１８ｂを受け止めるばね受け部として作用するとともに、ハンマケース２６内に形成される段部２６ａに当接してハンマ１７の出力軸方向へのそれ以上の移動を規制する。

ハンマ１７は、出力軸１５の正逆回転から自由である。すなわち、出力軸１５が正逆どちらに回転しても、ハンマ１７は回転しない。ハンマ１７の出力軸１５との共回りを防止するための構成として、図示例では、ハンマ１７を蓋体２７に対して軸線方向へは移動可能であるが軸線を中心とした回動は不能となるように結合させている。すなわち、図３に示すように、蓋体２７の内面に、ハンマ１７の閉鎖部１７ｂ側の端部を軸線方向に移動可能に受け入れるハンマ受入筒２９を形成し、図４に示すように、このハンマ受入筒２９の内周形状とハンマ１７の閉鎖部１７ｂ側の端部の外周形状とを、互いに対応する非真円形状としてある。

伝動機構１９は、出力軸１５の回転運動がばね１８の蓄力運動及び出力運動となるように繰り返し伝動するためのものである。図５及び図６に示すように、伝動機構１９は、互いに接触する出力軸側カム部材３０とハンマ側カム部材３１とで構成される。

図５及び図６の例では、出力軸側カム部材３０は、出力軸１５に固定される筒体３２の外周面に、該筒体３２の半径方向外方へと突出するように形成される。限定はされないが、図５及び図６の例では、二つの出力軸側カム部材３０，３０が筒体３２の外周面上の１８０度の位置に形成されている。各出力軸側カム部材３０のハンマ１７側の端面が、ハンマ側カム部材３１に接触するカム面３０ａとなる。筒体３２は、出力軸１５に装着された状態で連結ピン３３によって出力軸１５に固着される。出力軸１５の、筒体３２からの突出部１５ｅが、ハンマ１７内への挿入部となる。

図５に示すように、ハンマ側カム部材３１は、ハンマ１７の出力軸１５側の端部に一体に形成される。ハンマ側カム部材３１は、出力軸１５の中心軸線Ｘを中心として周方向に延在するカム面３１ａを備える。このカム面３１ａは、出力軸１５の中心軸線Ｘに沿ってハンマ１７側へ急落する急落面３１ｂと、この急落面３１ｂの底部から上向きに延びる傾斜面３１ｃと、この傾斜面３１ｃの終端に連なる頂面３１ｄと、を備える。限定はされないが、図５の例では、ハンマ側カム部材３１の全周上に、急落面３１ｂと傾斜面３１ｃと頂面３１ｄとからなる一セットのカム面３１ａが等角度間隔で四セット形成される。隣接する二セットのカム面３１ａ，３１ａにおいては、急落面３１ｂと頂面３１ｄとが連続する。削孔時には、出力軸１５が図５及び図６の矢印方向に正回転することで、ハンマ側カム部材３１のカム面３１ａ上を出力軸側カム部材３０のカム面３０ａが擦りながら移動する。

伝動機構１９は次のように作用する。削孔作業は、図３に示すように、削孔機１によって出力軸ハウジング２０を削孔対象Ｓ側へと接近させ、削孔ロッド１４の先端の削孔刃１４ａを削孔対象Ｓに押し当てながら行う。このため、削孔作業中には常時、出力軸１５を出力軸ハウジング２０に対して図３で見て上向きに押し上げる力が作用する。この上向きの力は、前述の通り、図３において、従動ギア２５のスプライン溝２５ｂの上端部２５ｃと、出力軸１５のスプライン１５ｂの上端部１５ｃとが当接することによって受け止められる。出力軸ハウジング２０に対する出力軸１５のこの位置が、出力軸１５の削孔時位置である。出力軸１５が削孔時位置にあるときには常時、図６（ａ）、（ｂ）に示すように、伝動機構１９を構成する出力軸側カム部材３０とハンマ側カム部材３１が互いに接触している。

削孔ロッド１４を削孔対象Ｓに押し当てた状態（出力軸１５が削孔時位置にある状態）でモータ１６を正回転出力方向へと作動させると、出力軸１５が正回転駆動され、削孔ロッド１４の先端の削孔刃１４ａが削孔対象Ｓを削孔する。同時に、出力軸１５の正回転により、図６（ａ）、（ｂ）に示すように、出力軸側カム部材３０のカム面３０ａがハンマ側カム部材３１のカム面３１ａ上を周方向に移動し、出力軸１５の回転運動がばね１８の蓄力運動及び出力運動となるように繰り返し伝動される。

具体的には、図６（ａ）に示すように、出力軸側カム部材３０のカム面３０ａがハンマ側カム部材３１の急落面３１ｂを通過することにより、ばね１８が出力運動してハンマ１７を出力軸方向へと高速で移動させる。これにより、ハンマ１７の打撃部（閉鎖部）１７ｂが出力軸１５の後端面１５ｄを強く打撃する。この打撃力は出力軸１５から削孔ロッド１４へと伝わり、強い衝撃として削孔ロッド１４による削孔対象Ｓの削孔に寄与する。

出力軸１５が図６（ａ）の状態から矢印方向へと正回転すると、出力軸側カム部材３０のカム面３０ａがハンマ側カム部材３１の傾斜面３１ｃ上を図６（ａ）の左方へと移動し、図６（ｂ）に示すように、ハンマ側カム部材３１の頂面３１ｄ上へと至る。この過程で、図６（ｂ）に示すように、ハンマ１７が反出力軸方向（出力軸から遠ざかる方向）へと押し戻されてばね１８が蓄力運動する。ここで、ハンマ１７が反出力軸方向へと押し戻されるのは、削孔作業時には常時削孔ロッド１４が削孔対象Ｓに強く押し当てられることで、出力軸１５が図３の削孔時位置に維持されるからである。

出力軸１５が図６（ｂ）の状態からさらに矢印方向へと正回転すると、出力軸側カム部材３０のカム面３０ａがハンマ側カム部材３１の急落面３１ｂを通過した瞬間に、図６（ａ）に示すように、ばね１８が出力運動してハンマ１７を出力軸方向へと高速で移動させる。これにより、ハンマ１７の打撃部（閉鎖部）１７ｂが出力軸１５の後端面１５ｄを強く打撃する。

出力軸１５の正回転中、伝動機構１９によって前記の動作が繰り返される。図示例では、出力軸１５の一正回転中に、ばね１８の蓄力運動と出力運動が交互に四回ずつ繰り返され、ハンマ１７によって出力軸１５が四回打撃される。出力軸１５の回転と連続的な打撃はそのまま削孔ロッド１４に伝動されるので、削孔ロッド１４の回転と、削孔ロッド１４の削孔対象Ｓへの連続的な打撃とにより、削孔対象Ｓに孔を効率的に形成することができる。

以上のように、本実施の形態では、出力軸１５の回転とハンマ１７による出力軸１５の打撃とが共通の（単一の）モータ１６によって駆動される。このため、それらが別々のモータで駆動されていた従来の構成よりも、明らかに小型で軽量な削孔力発生装置４及び削孔機１を得ることができる。モータの数が半減することで、コスト上も有利となるほか、モータの制御も簡単となり好適である。

また、本実施の形態では、伝動機構１９が、互いに接触する出力軸側カム部材３０とハンマ側カム部材３１とで構成されるので、伝動機構１９がコンパクトなものとなる。このため、削孔力発生装置４及び削孔機１の小型化及び軽量化への貢献度が一層高まる。

削孔ロッド１４の引き抜き時には、削孔機１によって出力軸ハウジング２０を引き抜き方向へと移動させる。これにより、削孔ロッド１４と出力軸１５の重みで出力軸１５が出力軸ハウジング２０内で所定量Ｌ（図３参照）だけ下降し、図７に示すように、出力軸側カム部材３０がハンマ側カム部材３１から離れる。このとき、ばね１８によるハンマ１７の出力軸１５側への移動は、ハンマ１７のフランジ１７ａがハンマケース２６内の段部２６ａに当接することによって規制される。また、出力軸ハウジング２０内での出力軸１５の下降は、例えば、出力軸側カム部材３０と軸受け２１（図３参照）との間の所定量Ｌの間隔がゼロとなり、それらが互いに接触することで規制される。

図７に示すように、削孔ロッド１４の引き抜き時には、出力軸側カム部材３０がハンマ側カム部材３１から離れることで伝動機構１９が不作動状態となるので、モータ１６を削孔時とは逆回転させることで、図７に矢印で示すように、出力軸１５及び削孔ロッド１４を削孔時とは逆回転させることができる。これにより、削孔対象Ｓからの削孔ロッド１４の引き抜きが容易に行える。

なお、削孔対象Ｓには、岩盤のような固い層から土質層のような比較的柔らかい層まで硬軟様々なものがある。また、地層によって削孔中に削孔対象の固さが変化する場合もある。図６を参照して述べた伝動機構１９の作動態様は、出力軸側カム部材３０の回転によってばね１８が圧縮させられるほど削孔対象Ｓが固い場合のものである。

これに対し、削孔対象Ｓの軟度によっては、出力軸側カム部材３０が回転したときにばね１８の付勢力が勝ってハンマ１７の位置は変化せず、出力軸１５が軸線方向に進退運動する場合がある。すなわち、ハンマ１７が図６（ａ）の位置に留まり続け、この状態のハンマ側カム部材３１のカム面３１ａ上を出力軸側カム部材３０が回転することで、出力軸１５が進退運動を繰り返す。出力軸１５の小刻みな進退運動は、削孔ロッド１４を軸線方向に振動させる結果となる。このため、削孔ロッド１４を削孔対象Ｓに押し当てながらモータ１６を駆動させることで、振動式の削孔機と同じ機能が得られる。

以上のように、本実施の形態の削孔機１は、削孔ロッド１４を回転させながら打撃する、いわゆる回転・打撃式の削孔機としての機能と、削孔ロッド１４を回転させながら振動させる、いわゆる回転・振動式の削孔機としての機能とを併有する。しかし、削孔機１の操縦者は、削孔対象Ｓの固さによって削孔機１の操縦の仕方を変える必要はなく、削孔ロッド１４を削孔対象Ｓへと押し当てながらモータ１６を回転させるだけでよい。削孔対象Ｓの固さに応じて、ばね１８によって削孔ロッド１４の打撃と振動とが自動的に切り替わることになるからである。但し、打撃と振動は明確に区別されるわけではなく、両者が入り混じったような中間的な作動もあり得る。すなわち、削孔対象Ｓの固さによっては、伝動機構１９によってばね１８の蓄力運動と出力軸１５の前進運動とが僅かずつ共に起こり、直後にばね１８の小幅の出力運動によって出力軸１５の軽打が起こる場合もある。

他の実施の形態として、出力軸側カム部材３０とハンマ側カム部材３１とを入れ替えた態様を採用することもできる。すなわち、図６のハンマ側カム部材３１と同形式のカム部材を出力軸１５の側に形成し、図６の出力軸側カム部材３０と同形式のカム部材をハンマ１７の側に形成する態様である。この場合も、前記と同様の作用効果が奏される。

１ 削孔機
４ 削孔力発生装置
１０ 押圧装置
１４ 削孔ロッド
１５ 出力軸
１６ モータ
１７ ハンマ
１８ ばね
１９ 伝動機構
３０ 出力軸側カム部材
３１ ハンマ側カム部材
３１ａ カム面
３１ｂ 急落面
３１ｃ 傾斜面
Ｓ 削孔対象

Claims (3)

1. 土木作業用の削孔機を構成する削孔力発生装置であって、出力軸と、該出力軸を回転駆動するモータと、前記出力軸を打撃するハンマと、該ハンマに打撃用の付勢力を付与するばねと、前記出力軸の回転運動が前記ばねの蓄力運動及び出力運動となるように繰り返し伝動する伝動機構と、を備え、該伝動機構が、互いに接触する出力軸側カム部材とハンマ側カム部材とで構成され、前記出力軸側カム部材と前記ハンマ側カム部材のいずれか一方が、前記出力軸の中心軸線を中心として周方向に延在するカム面を備え、該カム面は、前記出力軸の中心軸線に沿う方向への急落面と、該急落面の底部から上向きに延びる傾斜面と、を備える、削孔力発生装置。
2. 削孔対象の固さと前記ばねのばね力との相互関係に応じて、前記伝動機構が、前記出力軸の回転運動を該出力軸の軸線方向への振動となるように繰り返し伝動する、請求項１に記載の削孔力発生装置。
3. 請求項１又は２に記載の削孔力発生装置と、該削孔力発生装置の前記出力軸に連結される削孔ロッドと、該削孔ロッドを削孔対象に押圧させる押圧装置と、を備える、削孔機。

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