(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒形状のピット内の垂直中心軸上に回転可能に支持された回転軸と、前記回転軸を回転させる回転駆動手段と、前記回転軸に水平方向に固定された回転アームと、前記回転アームの先端に遠心力により揺動すると共に試験体を搭載するバケットとを備えた遠心力載荷装置において、
回転アームの回転によってピットの側面と対向するバケットの底面に、前記バケットの底面と前記ピットの側面との間をシールするシール手段を、設けたことを特徴とする遠心力載荷装置。
【請求項２】
前記シール手段は、一縁が前記バケットの底面に固定された複数枚のフレキシブル板で構成したリーフシールであることを特徴とする請求項１に記載の遠心力載荷装置。
【請求項３】
前記シール手段は、一端が前記バケットの底面に固定された多数本のフレキシブル線で構成したブラシシールであることを特徴とする請求項１に記載の遠心力載荷装置。
【請求項４】
前記リーフシールまたは前記ブラシシールの外側部分を、前記ピットの側面の円弧に倣った円弧形状としたことを特徴とする請求項２または３に記載の遠心力載荷装置。
【請求項５】
前記シール手段は、前記バケット端部からエアーを噴射することにより形成したエアーカーテンであることを特徴とする請求項１に記載の遠心力載荷装置。
【請求項６】
円筒形状のピット内の垂直中心軸上に回転可能に支持された回転軸と、前記回転軸を回転させる回転駆動手段と、前記回転軸に水平方向に固定された回転アームと、前記回転アームの先端に遠心力により揺動すると共に試験体を搭載するバケットとを備えた遠心力載荷装置において、
回転アームの回転によってバケットの底面に対向するピットの側面に、前記バケットの底面と前記ピットの側面との間をシールするシール手段を、設けたことを特徴とする遠心力載荷装置。
【請求項７】
前記シール手段は、一縁が前記ピットの側面に固定された複数枚のフレキシブル板で構成したリーフシールであることを特徴とする請求項６に記載の遠心力載荷装置。
【請求項８】
前記シール手段は、一端が前記ピットの側面に固定された多数本のフレキシブル線で構成したブラシシールであることを特徴とする請求項６に記載の遠心力載荷装置。
【請求項９】
前記回転アームは、前記回転軸から一方向に延設された片持ち構造であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一つに記載の遠心力載荷装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、試験体に遠心力を載荷して各種の試験を行うのに適したものであって、特に、回転駆動手段の容量の小型化を図ることができる遠心力載荷装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の一般的な遠心力載荷装置は、円筒形状をしたピット内の中心に支持された回転軸と、この回転軸を回転させるモータと、前記回転軸に水平方向に固定された回転アームと、回転アーム先端に設けたピンを軸として揺動可能に取り付けたバケットとを備えた構成である。
【０００３】
このような遠心力載荷装置により試験を行う場合、まず、試験体を前記バケット内に設置し、モータによって回転アームを高速回転させる。これにより、垂下状態のバケットが遠心力により振り上がり、バケットの底面がピットの側面と対向する。また、バケットが振り上げられた状態で回転アームが高速回転することにより、試験体に遠心力が載荷されて重力加速度が加えられる。このとき、実物の１／  Ｎ縮尺のモデルを試験体として用いた場合、当該試験体にＮ倍の重力加速度を加えることで、実物による実験と同じ条件下で実験データを得ることができる。
【０００４】
なお、前記試験体としては、例えば試験容器中に実物の１／Ｎ縮尺の地盤モデルを収納し、その地盤モデル中に同じく実物の１／Ｎ縮尺のシールド掘進機モデル或いは大深度立坑モデルをセットしたものや、試験容器中に実物の１／Ｎ縮尺の地盤モデルを収納し、その試験容器に加振装置を取り付けたものなどを挙げることができる。また、この種の遠心力載荷装置としては、特開平１０−１７６９７２号公報、特開平１０−３００６３９号公報などに記載のものが知られている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記遠心力載荷装置は、ピット内において回転アームおよびバケットなどの回転体を高速回転させるものであるから、当該回転体とピットの上面、側面および底面との間で風損抵抗が生じることになる。特に、回転体の先端となるバケットの底面において周速が最大となるため、当該バケットの底面とピットの側面との間で風損抵抗が最大となる。このため、従来の遠心力載荷装置では、かかる風損抵抗を考慮してモータ容量を決定する必要があり、その分、モータ容量が大きくなるという問題点があった。これは、モータ以外の回転駆動手段を用いた場合であっても同様である。
【０００６】
そこで、この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、モータをはじめとする回転駆動手段の容量を小さくできる遠心力載荷装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するために、請求項１にかかる遠心力載荷装置は、円筒形状のピット内の垂直中心軸上に回転可能に支持された回転軸と、前記回転軸を回転させる回転駆動手段と、前記回転軸に水平方向に固定された回転アームと、前記回転アームの先端に遠心力により揺動すると共に試験体を搭載するバケットとを備えた遠心力載荷装置において、回転アームの回転によってピットの側面と対向するバケットの底面に、前記バケットの底面と前記ピットの側面との間をシールするシール手段を設けたことを特徴とする。
【０００８】
このように、風損抵抗が最大となるバケットの底面とピットの側面との間をシールすることで、バケットの底面とピットの側面との間における風損抵抗を極めて小さくすることができる。このため、回転駆動手段の容量を小型化することが可能となる。なお、回転駆動手段としては、例えばモータやタービンなどを用いることができる。
【０００９】
なお、このようなシール手段としては、一縁が前記バケットの底面に固定された複数枚のフレキシブル板で構成したリーフシール（請求項２）や、一端が前記バケットの底面に固定された多数本のフレキシブル線で構成したブラシシール（請求項３）、バケット端部からエアーを噴射することにより形成したエアーカーテン（請求項５）などを挙げることができる。特に、リーフシールやブラシシールによれば、シール手段を簡単に構成できる。
【００１０】
また、前記リーフシールまたは前記ブラシシールの外側部分を、前記ピットの側面の円弧に倣った円弧形状とすることで、さらにシール性を向上させることが可能である（請求項４）。さらに、前記シール手段を、回転アームの回転によってバケットの底面に対向するピットの側面に設けるようにしても、上記同様、バケットの底面とピットの側面との間において風損抵抗を極めて小さくすることができる（請求項６）。また、上記構成は、片持ち構造の回転アームに適用することもできる（請求項７）。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１２】
（実施の形態１）
図１は、この発明の実施の形態１にかかる遠心力載荷装置を示す構成図である。この遠心力載荷装置は、基礎に掘設された円筒形状のピット内に設置されている。また、ピット１の上面２、側面３および底面４はコンクリート製であり、その表面は粗面となる。前記ピット１の底面４の中央部には、支持台５が設置されている。この支持台５には、回転軸６の下端が回転可能に支持され、当該回転軸６は、前記ピット１内の垂直中心軸上に配置されている。また、前記支持台５には、モータ７と、このモータ７と前記回転軸との間には設けた減速機その他の回転力伝達機構（図示せず）とから構成される回転駆動手段が設けられている。
【００１３】
前記回転軸６のほぼ中間には、回転アーム８が水平方向（回転軸６に対して直交する方向）に固定されている。この回転アーム８は、回転軸６から両方向に延設された両構造であって、回転軸６回りで対称となるようなビームまたはトラス構造をなす。前記回転アーム８の両先端には、バケット９、１０がピン１１、１２によりそれぞれ揺動可能に取り付けられている。前記ピン１１、１２の軸は、前記回転軸６の垂直中心軸方向および前記回転アーム８の水平延設方向に対して直交する方向に位置する。一方のバケット９には、試験体１３が搭載されており、他方のバケット１０には、カウンターウエイト１４が搭載されている。この結果、回転軸６に対して一方側の回転アーム８、バケット９および試験体１３の重量と、他方側の回転アーム８、バケット１０およびカウンターウエイト１４側の重量のバランスが保たれる。
【００１４】
前記バケット９、１０は、遠心力載荷装置停止時において、図１中の二点鎖線にて示すように、垂下状態にある。前記試験体１３には、試験状態を計測するＣＣＤカメラおよびそのカメラ照明１５が設けられている。また、ピット１の上面２には、試験状態を計測するストロボカメラ１６が設けられている。このピット１の上面２には、遠心力載荷装置を監視する監視カメラ１７およびそのカメラ照明１８も設けられている。さらに、ピット１の側面３には、遠心力載荷装置を非常停止させるスイッチ１９が設けられている。
【００１５】
前記回転軸６のほぼ中間には、電子機器搭載部２０が設けられている。この回転軸６の上端とドーム２１とには、無線ＬＡＮ送信アンテナ２２と無線ＬＡＮ受信アンテナ２３とが設けられている。このドーム２１は、前記ピット１の上面２を構成する上蓋２４に設けられている。前記回転軸６の上端には、ロータリージョイント２５およびスリップリング２６が設けられている。このロータリージョイント２５は、外部の油圧供給装置２７、試験水供給装置２８、エアー源装置２９から圧油、試験水、空気を前記試験体１３に供給するものである。
【００１６】
また、スリップリング２６は、外部の制御装置（図示せず）と、前記ＣＣＤカメラ１５、実物の１／Ｎ縮尺の機器モデルとを接続するものである。前記回転アーム８には、自動バランス装置３０が内蔵されている。この自動バランス装置３０は、モータ３１と、当該モータ３１の駆動により回転する送りねじ棒３２と、その送りねじ棒３２の送り作用により進退するバランスウエイト３３とから構成されている。以上が一般的な遠心力載荷装置の構造である。
【００１７】
つぎに、この発明の遠心力載荷装置では、図２および図３に示すように、バケット９、１０の底面にシール手段が設けられている。このシール手段は、複数枚のフレキシブル板、例えば、アルミ薄板などの金属薄板（いわゆる、板バネ）からなるリーフシール３４から構成されている。リーフシール３４は、図１乃至図３に示すように、複数枚のフレキシブル板をほぼ等間隔に垂直に立て、その一縁を前記両バケット９、１０の底面に固定し、他縁をフリーとした構成である。また、このリーフシール３４のフリー側の縁（先端）は、前記ピット１の側面３の円弧に倣った円弧形状となる。さらに、遠心力載荷装置の駆動時において、リーフシール３４の先端と前記ピット１の側面３との間の隙間（図示せず）がミクロンオーダーで浮上するように、適宜、リーフシールの弾性力や面積などを決定する。
【００１８】
つぎに、遠心力載荷装置の作動について説明する。モータ７を駆動することで、回転軸６を介して回転アーム８が回転する。それに伴って、垂下状態の両バケット９、１０が遠心力によりピン１１、１２を中心として振り上がり、両バケット９、１０の底面がピット１の側面３と対向する。そして、振り上がった両バケット９、１０および回転アーム８などの回転体を引き続き高速回転させ、これによって一方のバケット９に搭載された試験体１３に遠心力が載荷され、所定の重力加速度が加えられる。
【００１９】
また、回転アームが高速回転することにより、リーフシール３４に風圧が加わり、その先端が撓んでピット１の側面３との間にミクロンオーダーの隙間が形成される。このため、ピット１の側面３が粗面であっても、リーフシール３４により好適にシールすることが可能になる。
【００２０】
このように、この実施の形態１における遠心力載荷装置は、リーフシール３４により、風損抵抗が最大となる両バケット９、１０の底面とピット１の側面３との間をシールすることができるので、両バケット９、１０の底面とピット１の側面３との間の風損抵抗を限りなく小さくすることができる。このため、風損抵抗を従来の遠心力載荷装置と比較して大幅に小さくすることができ、その分、同一の重力加速度が加えられる場合において、モータ７の容量を小型化することが可能となる。また、バケット９、１０の底面とピット１の側面３との間のシールを簡単な構成によって行うことができる。
【００２１】
さらに、この実施の形態１におけるリーフシール３４は、その先端がピット１の側面３の円弧に倣った円弧形状をなすので、バケット９、１０の底面とピット１の側面３との間のシール性がさらに向上し、風損抵抗をさらに小さくできる。
【００２２】
（実施の形態２）
図４および図５は、この発明の実施の形態２にかかる遠心力載荷装置を示す一部構成図である。なお、図中、実施の形態１と同一の構成要素には同一の符号を付しその説明を省略する。この実施の形態２におけるシール手段は、多数本のフレキシブル線、例えばアルミ細線などの金属細線からなるブラシシール３５から構成されている。このブラシシール３５は、多数本（無数）のフレキシブル細線の一端を両バケット９、１０の底面に固定し、その他端をフリーにしたものである。また、このブラシシール３５のフリー側の端（先端）は、ピット１の側面３の円弧に倣った円弧形状をなす。さらに、遠心力載荷装置の駆動時において、リーフシール３４の先端と前記ピット１の側面３との間の隙間（図示せず）がミクロンオーダーで浮上するように、適宜、リーフシールの弾性力や面積などを決定する。このようにブラシシール３５を用いるようにしても、上記実施の形態１と同様の効果を得ることができる。
【００２３】
（実施の形態３）
図６および図７は、この発明の実施の形態３にかかる遠心力載荷装置を示す一部構成図である。なお、図中、実施の形態１と同一の構成要素には、同一の符号を付し、その説明を省略する。この実施の形態３におけるシール手段は、エアー噴射機構３６により形成されたエアーカーテン３７（図６中の実線矢印にて示す）から構成されている。すなわち、前記エアー噴射機構３６は、前記両バケット９、１０に搭載されたコンプレッサ３８と、前記両バケット９、１０の底面に垂直方向に形成された噴射口３９と、その噴射口３９とコンプレッサ３８との間に設けたエアー供給路４０とから構成されている。なお、前記噴射口３９は、回転方向に対して垂直な方向に細長いスリット形状をなす。また、このスリットを同図に示した方向から若干傾けて形成するようにしてもよい。
【００２４】
前記コンプレッサ３８を駆動させると、圧縮エアーがエアー供給路４０を経て噴射口３９からピット１の側面３に噴射され、両バケット９、１０の底面とピット１の側面３との間にエアーカーテン３７が形成される。このために、バケット９、１０の底面とピット１の側面３との間は、エアーカーテン３７により好適にシールされることとなる。
【００２５】
例えば、バケット９、１０の底面の周速が２０ｍ／ｓ〜４０ｍ／ｓの場合、噴射口３９からの圧縮エアーの噴射速度を２００ｍ／ｓとすれば、そのエアーカーテン３７により、バケット９、１０の底面とピット１の側面３との間は好適にシールされることが理論上および実験上判明されている。そして、噴射口３９からの圧縮エアーの噴射速度を２００ｍ／ｓとするには、噴射口３９の幅を１０ｍｍとすればよく、当該幅にて前記速度を得るためには小さなコンプレッサ圧力（例えば、２〜３ｋｇ／ｃｍ2 ）のコンプレッサ３８で十分である。なお、コンプレッサ３８を使用せずに、ロータリージョイント２５を介して外部のエアー源装置２９と前記噴射口３９とを連結してもよい。このようにエアーカーテン３７のシール手段を用いるようにしても、上記実施の形態１と同様の効果を得ることができる。
【００２６】
（実施の形態４）
図８は、この発明の実施の形態４にかかる遠心力載荷装置を示す一部構成図である。なお、図中、実施の形態１と同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。この遠心力載荷装置は、バケット９、１０の底面と対向する前記ピット１の側面３に、複数枚のフレキシブル板、例えばアルミ薄板などの金属薄板（いわゆる、板バネ）からなるリーフシール４１を設けた点に特徴がある。このリーフシール４１は、複数枚のフレキシブル板をほぼ等間隔に垂直に立て、その一縁を前記ピット１の側面３に固定し、その他縁（先端）をフリーとなした構成である。かかる構成によっても、バケット９、１０の底面とピット１の側面３との間を好適にシールすることができるから、上記実施の形態１の遠心力載荷装置とほぼ同様の効果を得ることができる。
【００２７】
（実施の形態５）
図９は、この発明の実施の形態５にかかる遠心力載荷装置を示す一部構成図である。なお、図中、実施の形態１と同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。この遠心力載荷装置は、バケット９、１０の底面と対向する前記ピット１の側面３に、多数本のフレキシブル線、例えばアルミ細線などの金属細線からなるブラシシール４２を設けた点に特徴がある。このブラシシール４２は、多数本（無数）のフレキシブル細線の一端をピット１の側面３に固定し、その他端（先端）をフリーとした構成である。かかる構成によっても、バケット９、１０の底面とピット１の側面３との間を好適にシールすることができるから、上記実施の形態１の遠心力載荷装置とほぼ同様の効果を得ることができる。
【００２８】
（実施の形態６）
図１０は、この発明の実施の形態５にかかる遠心力載荷装置を示す一部構成図である。この遠心力載荷装置は、回転アーム４３が回転軸６から一方向に延設された片持ち構造である。前記回転アーム４３の延設された先端には、試験体１３を搭載するバケット９がピン１１により揺動可能に取り付けられている。このバケット９の底面には、例えばリーフシール３４が設けられている。また、前記回転アーム４３の他端には、カウンターウエイト４４が取り付けられている。
【００２９】
この遠心力載荷装置によれば、片側の回転アーム８が省略されている分、風損抵抗を小さくできるから、モータの容量をさらに小さくすることができる。なお、上記遠心力載荷装置では、バケット９の底面にリーフシール３４を設けたが、これの代わりに、ブラシシール３５またはエアー噴射機構３６を設けるようにしてもよい。また、バケット９の底面に設けたリーフシール３４、ブラシシール３５の先端を、ピット１の側面３の円弧に倣った円弧形状としてもよい。さらに、バケット９の底面にエアーシール手段を設ける代わりに、ピット１の側面３にエアーシール手段（リーフシール４１、ブラシシール４２）を設けてもよい。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明の遠心力載荷装置（請求項１）では、回転アームの回転によってピットの側面と対向するバケットの底面に、シール手段を設けることで、風損抵抗が最大となるバケットの底面とピットの側面との間をシールすることができる。このため、バケットの底面とピットの側面との間において、風損抵抗を極めて小さくすることができ、回転駆動手段の容量を小型化することができる。また、シール手段をピット側面に設けた場合でも、同様の効果を得ることができる（請求項６）。
【００３１】
また、シール手段として、一縁が前記バケットの底面に固定された複数枚のフレキシブル板で構成したリーフシール（請求項２）や、一端が前記バケットの底面に固定された多数本のフレキシブル線で構成したブラシシール（請求項３）、バケット端部からエアーを噴射することにより形成したエアーカーテン（請求項５）などを用いることができ、特に、リーフシールやブラシシールによれば、シール手段を簡単に構成できる。
【００３２】
また、前記リーフシールまたは前記ブラシシールの外側部分を、前記ピットの側面の円弧に倣った円弧形状とすることで、さらにシール性を向上させることが可能である（請求項４）。また、これらの構成は、片持ち構造の回転アームに適用することもできる（請求項７）。片持ち構造の回転アームの場合には、さらに風損抵抗を小さくできるから、回転駆動手段の容量をさらに小さくできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の遠心力載荷装置の実施の形態１を示した全体概略側面図である。
【図２】実施の形態１の図１における駆動時のＡ矢視図である。
【図３】実施の形態１の図１における停止時のＢ矢視図である。
【図４】この発明の遠心力載荷装置の実施の形態２を示し、駆動時の図１におけるＡ矢視図である。
【図５】実施の形態２の図１における停止時のＢ矢視図である。
【図６】この発明の遠心力載荷装置の実施の形態３を示し、駆動時の図１におけるＡ矢視図である。
【図７】実施の形態３の図１における停止時のＢ矢視図である。
【図８】この発明の遠心力載荷装置の実施の形態４を示し、駆動時の図１におけるＡ矢視図である。
【図９】この発明の遠心力載荷装置の実施の形態５を示し、駆動時の図１におけるＡ矢視図である。
【図１０】この発明の遠心力載荷装置の実施の形態６を示した全体概略側面図である。
【符号の説明】
１ ピット
３ 側面
６ 回転軸
７ モータ（回転駆動手段）
８ 回転アーム（両構造）
９、１０ バケット
１１、１２ ピン
１３ 試験体
３４、４１ リーフシール（シール手段）
３５、４２ ブラシシール（シール手段）
３６ エアー噴射機構
３７ エアーカーテン
４３ 回転アーム（片構造）
【図１】
0003643765.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
0003643765.tif 000008
【図８】
0003643765.tif 000009
【図９】
0003643765.tif 000010
【図１０】
0003643765.tif 000011