JPS6159234A - 壁面摩擦応力計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （ａ）　　技術分野 本発明は、壁面に取付けられ、該壁面に沿って流動する
流動土砂、泥水、粒状の穀物等の流動物が該壁面に及ぼ
す摩擦力を検出するための壁面摩擦応力計に関するもの
である。

（ｂ）　　従来技術 トンネルや下水道等の掘進を行う場合、掘進機と地盤と
の間あるいは掘進と同時に挿入されるシールドと地盤と
の間には、掘進力（掘進速度）や地盤またはシールドの
材質等に応じた摩振力が生じる。また１粒状の穀物等を
収納するサイロの内壁面や、土砂、石炭等を移送する管
路の管壁等にもこれら流動物による摩擦力が生じる。こ
のような摩擦力の計測は、土木工事や構築物等の管理あ
るいは種々の実験、研究等を行う際に必要となる重要な
要素である。

ところで、上記摩擦力を検出するためには、測定壁面と
同一の状態に形成した摩擦面が物体から受ける摩擦応力
（ａ振部に生じるすベリ方向の剪断応力）を検出すれば
よい、しかしながら、この摩擦面には、測定しようとす
る摩擦力のみならずこの面に垂直な力も同時に作用する
ため、この垂直力が摩擦力の検出に影響を及ぼさないよ
うに構成する必要がある６ 従来、摩擦力を検出する装置としては、特開昭５１−１
２４４８１号に開示された「物体間の接触面に作用する
摩擦力を直接検出する摩擦力測定装置」　（以下「従来
装置」という）があった、この従来装置は、ケーソンや
ウェル等の沈設時に地盤と構造物間の周辺に生じる摩擦
力を検出するためのもので、第２図（ａ）、（ｂ）に示
すような構成となっている。

即ち、同図（ａ）は、従来装置の正面中央横断面図であ
り、構造物に一体的に固定される外箱１と、外箱１内に
所定の間隔を存して収納された内箱２とからなっている
。３，４は内箱２に固定され外箱ｌに設けられた次述す
るボールブツシュにより支持された２本の８捧、５，６
は圧縮型のロードセルである。８捧３，４は、外箱１に
取付けられたボールブツシュ７によって同図上下方向に
のみ自由に移動できる状態に支持されている。８，９は
外箱１に固定されロードセル５，６の受圧面に当接され
た支圧部材である。同図（ｂ）は、上記従来装置の構成
を示す同図（ａ）のＡ−Ａ線矢視方向断面図である。

内箱２内にはコンクリートｌＯが充填されており、その
表面は構造物と同じ物理特性を有するように形成された
摩擦面１１となっている。

このような構成の従来装置は１例えば構造物と面一の状
態に配設された摩擦面１１に地盤等が当接し同図上下方
向に摩擦力が付与されたとき、内箱２はその摩擦力の方
向に移動される。

これに対し、外箱１は構造物に固定されているため各ロ
ードセル５，６は支圧部材８，９に押し付けられ摩擦力
に応じた圧縮荷重が検出されることとなる。

しかしながら、この従来装置では、内箱２がボールブツ
シュ７によって支持されているため、地盤から第２図の
上下方向のみの力を受ける場合には、ボールブツシュ７
の部分の摩擦力の影響を僅かに受けるが比較的誤差の少
ない状態で摩擦力を検出することができるものの、この
上下方向以外の力の成分を有する場合には測定すべき摩
擦力の一部がボールブツシュ７と８捧３゜４あるいは外
箱１との間に生ずる摩擦力と相殺（吸収）されてしまう
ため誤差が生じ易かった。

また、摩擦面１１の物理特性は構造物と同一であること
が望ましいが、この場合摩擦面１１を簡単に交換し難く
、殆んどの場合各測定対象たる構造物に応じ個々に装置
を製作しなければならず、また、同図で上下両方の摩擦
力を検出するためには少なくとも２台のロードセル５，
６が必須である等のためにコストが高くつくという難点
があった。また、その原理構成よりみて装置の軽量小型
化が難しく、管路内等における流動体による摩擦力を検
出するには不向きなものであった。さらにまた、上記従
来装置は、摩擦面上での感度方向（最も鋭敏に感応する
方向）に対し任意のベクトル方向からの摩擦応力が生じ
た場合、そのベクトルに対応する正確な出力が出にくい
という難点もあった。

（ｃ）　　目的 本発明は、上述した従来の問題点に鑑みてなされたもの
で、その目的とするところは、小型。

軽量で被測定対象たる壁面に容易に取付けることができ
、流動物が壁面に及ぼす摩擦力を該壁面の種類に応じて
容易に且つ正確に検出することができ、しかも従来のも
のに比べ著しく安価な壁面摩擦応力計を提供するにある
。

（ｄ）　　構成 本発明は、流動物が壁面に及ぼす摩擦力を検出する壁面
摩擦応力計において、前記壁面と少なくとも材質および
表面の粗さが略同一の状態に形成された摩擦面を有する
ＩＢ摩擦板１着脱自在に装着された前記摩擦板の前記摩
擦面に負荷された前記流動体による力を受ける第１の受
力板と、この第１の受力板と僅かな間隙を存して略平行
に配設され中央部が前記第１の受力板の中央部と力伝達
部を介して一体または一体的に連接された第２の受力板
と、前記壁面への取付部が形成された剛性大なる取付基
体と、前記第２の受力板の中央部に対して対称となるよ
うに複数本配設され各一端が前記第２の受力板に略垂直
に固定されそれぞれの他端が前記取付基体またはこれと
一体的な部材に垂直に固定された柱状弾性体と、前記摩
擦面と膜面が直交するようにして配設されたダイヤフラ
ムを有し前記取付基体またはこれと一体的な部材に固定
された受感部と、前記第２の受力板に一端が固定され他
端が前記ダイヤフラムまたはこれと同効の前記受感部の
一部と点接触状態で当接され前記摩擦力に応じて前記ダ
イヤフラムにひずみを生ぜしぬる力伝達手段と、前記ダ
イヤフラムに添着され前記ひずみを検出するひずみゲー
ジとを備えたことを特徴とするものであり、このような
構成とすることによって上述の目的を達成することがで
きる。

以下、本発明を添付図面に示す実施例に基き詳細に説明
する。

第１図（ａ）および（ｂ）は、本発明の一実施例に係る
壁面摩擦応力計の構成を一部破断して異なる断面を示す
中央縦断面図および同図　　□（ａ）におけるＢ−Ｂ線
矢視方向断面図である。

同図（ａ）において、１２は摩擦力を測定すべき壁面と
同じ材質よりなる円板状を呈した摩擦板で、その表面は
壁面と同じ粗さに形成された摩擦面１２ａとなっており
、裏面側中央は突状に形成されて雄ネジ部１２ｂとなっ
ている。

１３は円板状に形成された剛性大なる第１の受力板で、
その一方の面の中央には雌ネジ部１３ａが形成され、周
縁部は摩擦板１２の厚さ分だけ突出した摩擦板保持部１
３ｂとなっている。摩擦板１２は、その雄ネジ部１２ｂ
が雌ネジ部１３ａに螺合することで第１の受力板１３と
連結され、さらに、摩擦板保持部１３ｂの４箇所に設け
られたネジ孔（雌ネジ）１３ｃに螺合した止めネジ１４
の先端により摩擦板１２が不用意に緩まないように固定
されている。１５は、第１の受力板１３と同じく剛性大
なる原肉円板状に形成された第２の受力板で、その一方
の面が第１の受力板１３から微小間隙りを隔てて平行に
配設されており、中央に穿設された開口部１５ａに第１
の受力板１３の中央より突設された力伝達部１３ｄが嵌
合され、他方の面側か溶接等により一体的に固着されて
いる。１６゜１７．１８．１９　（同図（ｂ）参照）は
、弾性を有し、それぞれの両端にフランジ状となった固
定座１６ａ　、１６ｂ　、１７ａ　、１７ｂ、１８ａ。

１８ｂ　、１９ａ　、１９ｂを有する柱状弾性体である
。これらの柱状弾性体１６〜１９は、第２の受力板Ｉ５
の他方の面（図においては下面）に略垂直に、第２の受
力板１５の中心部に対称となるようにそれぞれ３本の固
定ネジ２０によって固定されている。２１は、円板状に
形成された剛性大なる固定板であり、この固定板２１に
は、第１図（ｂ）に示すように３本の固定ネジ２２によ
り柱状弾性体１６〜１９の固定座１６ｂ〜１９ｂが固定
されている。また、この固定座１６ｂ〜１９ｂの座面側
には凹状溝１６ｃ〜１９ｃが形成されており、固定ネジ
２２の外周から侵入する水分や湿気を遮断するためのＯ
リ　　　′レグ２３が各固定座１６ｂ〜１９ｂと固定板
２１との間に介挿されている。２４は、剛性大なる柱状
体の一端にフランジ状の固定座２４ａを有しＪＩ！擦面
振部交する方向に伸びる力伝達部材であり、この固定座
２４ａが４本の固定ネジ　２５により柱状弾性体１６．
ｔ９の間の第２の受力板１５の面上に固定されてν；る
。この力伝達部材２４の他端側には、摩擦面に沿う方向
のネジ孔２４ｂが形成されており、そのネジ孔２４ｂに
は摩擦面１２ａと平行に力伝達ピン２６が螺合され、緩
み止めナツト２７によりその位置が固定されている。２
８は、箱形を呈しその底面がダイヤフラム２８８とされ
た受感部であり、その側壁の一つが固定Ｆｉ２１の中央
に穿設された開口部２１ａの外側近傍に固定ネジ２９に
より固定され、ダイヤフラム２８ａの膜面が摩擦板１２
の摩擦面１２ａと直交するように配設されている。また
、ダイヤフラム２８ａの膜面は、さらに力伝達ピン２６
の軸とも直交するように配設されており、ダイヤフラム
２８ａの中央に突出形成された受座２８ｂに力伝達ピン
２６の先端部２６ａが当接されている。

受感部２８内のダイヤフラム２８ａの面上にはひずみゲ
ージ３０が接着、蒸着、等の手段により添着されている
。そして、この受感部２８は溶接等で固定された蓋部材
３１により密閉されており、蓋部材３１に穿設された貫
通孔に絶縁封止材としてのガラス等により封止固定され
た気密端子３２とひずみゲージ３０とがリード線３３に
より電気的に接続されている。固定板２１は、中央の開
口部２１ａの周縁が受感部２８と反対の方向に突出し、
中空円筒状の雄ネジ部２１ｂが形成されており、その開
口端には蓋部材３４と弾性を有したカバ一部材３５が取
付けられ、さらにその間に気密リング３Ｇ内を貫通して
気密状態で保持された気密端子３７が挿通されている。

そして、この気密端子３７と気密端子３２とは、開口部
２１８を介してリード線３８により接続されている。ま
た、雄ネジ部２１ｂより突出した気密端子３７はリード
線３９を介してケーブル４ｏと接続されている。

このケーブル４０は外部の計測ｉｓ　＜図示せず）と接
続している。４１は、中空円筒状を呈し一端（図におい
ては上端）側内層に雌ネジ部４１ａを有したシーリング
キャップであり、この雌ネジ部４１ａが固定板２１の雄
ネジ部２１ｂに螺合され、その一端が固定板２１の面に
当接している。シーリングキャップ４１の他端側内周に
は１段部４１ｂが形成されており、この段部４１ｂに当
接して座金４２８、次いで耐水圧用のゴムブツシュ４３
、さらに座金４２ｂの順で嵌挿され、最後に他端側内周
に形成された雌ネジ部４１ｃにケーブルグランド４４が
螺合され、それによってケーブル４０を密閉保持してい
る。

４５は、一端が開口された有底円筒状を呈し、他端にフ
ランジ部４５ａを有する取付基体であり、その底面中央
にはシーリングキャップ４１の外径と略同径の開口部４
５ｂが穿設されている。そして、この取付基体４５の円
筒状を呈する内部に、固定板２１が内底面と当接される
まで嵌挿され、順にこれに取付けられた柱状弾性体１６
〜１９、第２の受力板１５、第１の受力板１３．摩擦板
１２が収容される。このとき取付基体４５の開口端が摩
擦板１２の摩擦面１２ａと面一の状態となるように設定
されている。そして、この取付基体４５の円筒状をなす
内面部と第１の受力板１３との間隙Ｈには樹脂が充填さ
れる。取付基体４５と固定板２１とは、取付基体４５側
から螺入された４本の固定ネジ４６により固定されてい
る。また、固定板２１上には２つの同心円状の凹状溝２
１ｃが形成されており、この凹状溝２１ｃに嵌挿された
Ｏリング４７により固定板２１と取付基体４５間の気密
が保持されている。取付基体４５とシーリングキャップ
４１間の気密は、シーリングキャップ４１の一端側の外
周に形成された凹状溝４］ｄに嵌挿された０リング４８
により保持されている。また、取付基体４５の円筒部内
周に形成された凹状溝４５ｃに嵌挿したＯリング４９は
、第２の受力板１５の周縁と密着しており、受感部２８
の周辺部の気密を保持している。取付基体４５の他端側
（図においては上端側）周縁には、４箇所の作業孔４５
ｄが第１の受力板１３のネジ孔１３ｃの位置に対応して
穿設されており、この作業孔４５ｄを介して止めネジ１
４を締め付けたりあるいは緩めたりできるように構成さ
れている。この作業孔４５ｄには、止めネジ１４の締め
付けが終了された後、メクラネジ５０を螺合し作業孔４
５ｄからの土砂等の流入を防止している。４５ｅは、取
付基体４５のフランジ部４５ａに４箇所設けられ、摩擦
面１２ａを壁面と面一の状態となるようにして取付基体
４５を壁面に取付けるための取付部としての取付ボルト
挿通孔であり、４５ｆは、壁面または後述する取付治具
と取付基体４５との間の気密を保持するための０リング
を嵌挿させる凹状溝である。

第３図は、第１図（ａ）、（ｂ）のように構成された壁
面摩擦応力針を壁面に取付けた状態を一部破断して示す
側面図である。

同図において、５１はこの壁面摩擦応力針が取付けられ
たタンクまたは管路等の取付壁である。５２は、摩擦板
１２の摩擦面１２ａが取付壁５１の壁面５１ａと面一の
状態となるような厚さを調整する取付治具であり、溶接
等により取付壁５１に固着される。そして、この壁面摩
擦応力針は、取付基体４５のフランジ部４５ａに穿設さ
れた取付ボルト挿通孔４５ｅに挿通された取付ボルト５
３を取付治具５２に形成された雌ネジに嵌合することに
よって固定される。

５４は、凹状溝４５ｆに嵌挿され、取付治具５２と取付
基体４５間の気密を保持するＱリングである。

次に、以上のように構成され且つ被測定対象たる壁面に
取付けられた壁面摩擦応力針の動作を説明する。

第３図の状態で壁面５１ａ上を例えば土砂が流動したと
する。そのとき、第１図において。

摩擦板１２は、流動土砂が摩擦面１２ａに及ぼす摩擦力
により同図の水平方向に変位せられる。

このとき、第１の受力板１３は摩擦板１２と一体的に変
位し、その変位が中央部の小径の力伝達部１３ｄを介し
て第２の受力板１５に伝達される。第２の受力板１５は
、正四角形状に配設された４本の柱状弾性体１６〜１９
により支持されており、第１の受力板１３の変位を受は
各柱状弾性体１６〜１９が側方よりみた場合平行四辺形
を押しつぶすごとく曲げられるため、固定板２１に対し
て常に平行に変位する。そして、第２の受力板１５に固
定された力伝達部材２４は、第２の受力板１５とともに
変位し、その端部に螺合した力伝達ピン２６の先端部２
６ａが受感部２８におけるダイヤフラム２８ａの受座２
８ｂを押圧する。その結果、ダイヤフラム２８ａは、第
２の受力板１５の変位量に応じて撓むことどなる。ダイ
ヤフラム２８ａの変状（ひずみ）は、それに添着された
ひずみゲージ３０の抵抗値変化として検出されリード線
３３、気密端子３２．リード線３８、気密端子３７およ
びケーブル４０を介して外部の計８＋ｑ　ａ器に電気信
号として伝達される。

以上の動作説明は、摩擦面１２ａに平行な摩擦力のみが
加わった場合についてのものである。

しかしながら、実際上摩擦面１２ａに負荷される力は、
摩擦面１２ａに垂直な成分を含んでおり、しかもその垂
直成分の分布は摩擦面１２ａに対して一般には一様では
ない。

そこで、先ず、摩擦面１２ａに一様な垂直力が負荷され
たとすると、摩擦板１２．第１および第２の受力板１３
．１５は、摩擦面１２ａに直交する方向（図においては
垂直下方）に変位する。そして、力伝達ビン２６の先端
部２６ａも、受座２８ｂの面に沿って垂直下方に移動さ
れる。従って、ダイヤフラム２８ａは、この垂直力によ
って変位されることがなく、摩擦面１２ａに負荷された
力は垂直成分を含まない状態で検出されることになる。

次に、摩擦面１２ａに不均一な垂直力すなわち偏心垂直
荷重が負荷されたとする。このとき摩擦板１２および第
１の受力板１３は、第１の受力板１３に対して充分に小
径とされた力伝達部１３ｄを中心としていずれかの方向
に傾く。

しかしながら、第１の受力板１３と第２の受力板１５と
は中央部の小径の力伝達部１３ｄのみで連結されている
ため、第１の受力板１３の傾斜による第２の受力板１５
へのモーメントの伝達は極めて小さなものとなり、第２
の受力板１５は殆んど傾斜することがない、すなわち。

第１の受力板１３と第２の受力板１５との間には微小間
隙りが設けられているため、たとえ第１の受力板１３が
偏心荷重により変形（傾斜）することがあっても、第２
の受力板１５にその影響が及ぶことはない、また、ダイ
ヤフラム２８ａは、感度方向、すなわち第１図（ａ）の
状態で左右方向の摩擦力以外の力は検出しない構造とな
っているため、この壁面摩擦応力計の感度方向に生じた
摩擦力のみを純粋に検出することができる。

このように、上述した実施例においては、被測定対象た
る壁面に生じる摩擦力を垂直成分や偏心荷重による影響
を受けることなく感度方向は勿論のこと、任意方向摩擦
力の感度方向分力も検出することができる。しかも、ダ
イヤフラム２８ａを力伝達ピン２６により予めいずれか
一方向に変位、即ちバイアスさせておけば、一つの受感
部２８で双方向の摩擦力を検出することもできる。

また、摩擦板１２は、容易に交換することができるため
、一台の摩擦応力計で種々の壁面の摩擦力を検出でき極
めて汎用性が高く、従って経済的である。また、摩擦板
１２のみを取外す　　゛ことができるため、補修も容易
で、この面でも経済的である。

また、従来の如くボールブツシュ７等の支持部材を用い
ていないため摩擦力が吸収されることがなく、従ってヒ
ステリシスが極めて小さく正確な摩擦力の検出ができる
。

また、この壁面１１！擦応力計は、小型でａ量に構成す
ることができるため、大型な構造物の壁面に生じた摩擦
力のみならず、管壁等の小型で弯曲した壁面にも取付け
ることができ、その壁面に生じた摩擦力を手軽に検出す
ることができる。

さらに、上記実施例のものは、摩擦板１２を被測定対象
の壁面と同一の材質とし、しかも表面の粗さも同一の条
件に揃える方式であるから。

摩擦板１２に摩耗が生じるときは、同時に構造体等の壁
面も同様に摩耗するため、摩擦板１２の摩耗による感度
変化は生じない。

さらにまた、各固定部と可動部との間、固定ネジにより
固定された部材相互間には、それぞれ０リングにより気
密が保持さ九、受感部２８のひずみゲージ３０も気密端
子３１．３７等により防湿手段を溝ぜられているから、
防水性。

耐水圧性にも優れている。

また、複数の壁面摩擦応力計を用いることにより、最大
摩擦方向、すなわち流動物の流動方向を容易に検出する
ことができる。

尚１本発明は、上述した実施例のみに限定されるもので
はなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々の変
形実施が可能である。

例えば、摩擦面の形状は実施例のごとく平板なものに限
らず、管壁に沿って曲面状に形成されていてもよい。

また、柱状弾性体１６〜１９は、第２の受力板１５を支
持し、第２の受力板１５を固定板２１に対して平行な状
態で変位させることができるならば２本であっても、あ
るいは６本以上の偶数本であってもよい。

また、固定ネジにより固定された２つの部材は、組立１
分解等に支障がなければ、一体に構成してもよいし、溶
接等により固着してもよい。

（ｅ）　　効果 以上詳述したように本発明によれば、小型。

軽量、安価に構成できるとともに、摩擦面に沿う方向以
外の圧力に対して影響を受けずに精度よく壁面での摩擦
応力を検出することができ、摩擦板の摩擦面が摩耗して
も感度変化がなく。

摩擦面上での感度方向に対し任意のベクトル方向から摩
擦応力が、生じたとしてもそのベクトル分に対応した感
度だけを精度よく検出する（但し、感度方向に対し９０
＠方向からの摩擦応力が生じたとしてもその摩擦応力は
検出しない）ことができ、被測定対象物たる壁面に現実
に生ずる摩擦応力を容易且つ正確に検出し得る壁面１１
！擦応力計を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）および（ｂ）は、それぞれ本発明の一実施
例の構成を示す中央縦断面図および同図（ａ）のＢ−Ｂ
線矢視方向断面図、第２図（ａ）および（ｂ）は、従来
装置の正面中央横断面図および同図（ａ）のＡ−Ａ線矢
視方向断面図、第３図は、同実施例を壁面に８置した状
態を一部破断して示す側面図である。 １２・・・・・・摩擦板、　　　　１２ａ・・・・・・
摩擦面。 １３．１５・・・・・・受力板、１３ｄ・・・・・・力
伝達部、１６〜１９・・・・・・柱状弾性体、 ２１・・・・・・固定板。 ２４・・・・・・力伝達部材、　２６・・・・・・力伝
達ピン、２８・・・・・・受感部。 ２８ａ・・・・・・ダイヤフラム。 ３０・・・・・・ひずみゲージ。 ４１・・・・・・シーリングキャップ、４５・・・・・
・取付基体。 ４５ａ・・・・・・プランジ部、 ４５ｄ・・・・・・作業孔。 ４５ｅ・・・・・・取付ボルト挿通孔。 ５１・・・・・・取付壁。 ５１ａ・・・・・・壁面。 ５２・・・・・・取付治具。 ５３・・・・・・取付ボルト。 第　　　２　　図 （ａ）　　　　　（ｂ） 第　　　３　　図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）流動物が壁面に及ぼす摩擦力を検出する壁面摩擦
   応力計において、前記壁面と少なくとも材質および表面
   の粗さが略同一の状態に形成された摩擦面を有する摩擦
   板と、着脱自在に装着された該摩擦板の前記摩擦面に負
   荷された前記流動体による力を受ける第１の受力板と、
   この第１の受力板と僅かな間隙を存して略平行に配設さ
   れ中央部が前記第１の受力板の中央部に力伝達部を介し
   て一体または一体的に連接された第２の受力板と、前記
   壁面への取付部が形成された剛性大なる取付基体と、前
   記第２の受力板の中央部に対して対称となるように複数
   本配設され各一端が前記第２の受力板に略垂直に固定さ
   れそれぞれの他端が前記取付基体またはこれと一体的な
   部材に垂直に固定された柱状弾性体と、前記摩擦面と膜
   面が直交するようにして配設されたダイヤフラムを有し
   前記取付基体またはこれと一体的な部材に固定された受
   感部と、前記第２の受力板に一端が固定され他端が前記
   ダイヤフラムまたはこれと同効の前記受感部の一部と点
   接触状態で当接され前記摩擦力に応じて前記ダイヤフラ
   ムにひずみを生ぜしめる力伝達手段と、前記ダイヤフラ
   ムに添着され前記ひずみを検出するひずみゲージとを備
   えたことを特徴とする壁面摩擦応力計。