(57)【要約】【課題】駆動源を一元化して駆動システムを簡略化することができるとともに、駆動時にロッドに加わるトルクの変化に即対応することが可能で、安定した運転状態を保持することができるダウンザホール掘進機を提供すること。【解決手段】ロッドの先端に接続されたエアハンマー装置と、該エアハンマー装置を作動させるための圧縮空気を供給するコンプレッサと、前記ロッドを回転させる回転駆動装置と、前記エアハンマー装置による打撃とロッドの回転を受けて地盤を掘削するビットを備えてなるダウンザホール掘進機であって、前記回転駆動装置が空気圧モーターからなり、該空気圧モーターが前記コンプレッサからエアハンマー装置に供給される圧縮空気の一部を使用して駆動されることを特徴とするダウンザホール掘進機。【選択図】  図１
2004169483.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロッドの先端に接続されたエアハンマー装置と、該エアハンマー装置を作動させるための圧縮空気を供給するコンプレッサと、前記ロッドを回転させる回転駆動装置と、前記エアハンマー装置による打撃とロッドの回転を受けて地盤を掘削するビットを備えてなるダウンザホール掘進機であって、前記回転駆動装置が空気圧モーターからなり、該空気圧モーターが前記コンプレッサからエアハンマー装置に供給される圧縮空気の一部を使用して駆動されることを特徴とするダウンザホール掘進機。
【請求項２】
前記空気圧モーター又はロッドの回転数を検知する検知手段と、空気圧モーターに供給される空気量を調整するための流量調整弁と、空気圧モーターに供給される空気圧を調整するための圧力調整弁と、前記検知手段により検知された回転数を所定範囲内に維持するように前記流量調整弁及び圧力調整弁の開度を調整するフィードバック制御手段を備えてなることを特徴とする請求項１記載のダウンザホール掘進機。
【請求項３】
前記空気圧モーターが複数個備えられるとともに、これら空気圧モーターの上流側に各空気圧モーターに供給される空気量を等しくするための流量均等化弁を備え、前記フィードバック制御手段は、前記検知手段により検知された回転数を所定範囲内に維持するように前記流量調整弁、圧力調整弁及び流量均等化弁の開度を調整することを特徴とする請求項２記載のダウンザホール掘進機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はダウンザホール掘進機に関し、より詳しくは空気圧モーターにより駆動されるダウンザホール掘進機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、硬質岩盤を掘削するための掘削工法として、ダウンザホール掘削工法と呼ばれる工法が知られている。
ダウンザホール掘削工法を行うための掘進機は、一般的に、ロッドの先端に接続されたエアハンマー装置と、エアハンマー装置を作動させるための圧縮空気を供給するコンプレッサと、ロッドを回転させる油圧モーターと、エアハンマー装置による打撃とロッドの回転を受けて、打撃と回転の相乗作用により地盤を掘削するビットとから構成されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平５−２８７９７５号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の掘進機は、コンプレッサと油圧モーターの二種類の駆動源を必要とするため、駆動システムが複雑化・高コスト化してしまうとともに、山中の急傾斜地等では設置スペースを確保することが困難であるという問題があった。
かかる問題を解決するための方法としては、油圧モーターに代えて空気圧モーターを使用することが考えられるが、空気は圧縮性流体であるために、駆動力を伝達する際にタイムラグが発生し、ロッドに加わるトルクの変化に即対応して安定した運転状態を保持することが困難であった。
【０００５】
本発明はこのような従来技術の問題点に鑑みてなされたものであって、駆動源を一元化して駆動システムを簡略化することができるとともに、駆動時にロッドに加わるトルクの変化に即対応することが可能で、安定した運転状態を保持することができるダウンザホール掘進機を提供せんとするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、ロッドの先端に接続されたエアハンマー装置と、該エアハンマー装置を作動させるための圧縮空気を供給するコンプレッサと、前記ロッドを回転させる回転駆動装置と、前記エアハンマー装置による打撃とロッドの回転を受けて地盤を掘削するビットを備えてなるダウンザホール掘進機であって、前記回転駆動装置が空気圧モーターからなり、該空気圧モーターが前記コンプレッサからエアハンマー装置に供給される圧縮空気の一部を使用して駆動されることを特徴とするダウンザホール掘進機に関する。
請求項２に係る発明は、前記空気圧モーター又はロッドの回転数を検知する検知手段と、空気圧モーターに供給される空気量を調整するための流量調整弁と、空気圧モーターに供給される空気圧を調整するための圧力調整弁と、前記検知手段により検知された回転数を所定範囲内に維持するように前記流量調整弁及び圧力調整弁の開度を調整するフィードバック制御手段を備えてなることを特徴とする請求項１記載のダウンザホール掘進機に関する。
請求項３に係る発明は、前記空気圧モーターが複数個備えられるとともに、これら空気圧モーターの上流側に各空気圧モーターに供給される空気量を等しくするための流量均等化弁を備え、前記フィードバック制御手段は、前記検知手段により検知された回転数を所定範囲内に維持するように前記流量調整弁、圧力調整弁及び流量均等化弁の開度を調整することを特徴とする請求項２記載のダウンザホール掘進機に関する。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るダウンザホール掘進機の好適な実施形態について図面を参照しつつ説明する。
図１は本発明に係るダウンザホール掘進機の実施例を示す概略図である。
本発明に係るダウンザホール掘進機は、クレーン（１）により吊下されたロッド（２）と、該ロッド（２）の先端に接続されたエアハンマー装置（３）と、該エアハンマー装置（３）を作動させるための圧縮空気を供給するコンプレッサ（４）と、ロッド（２）を回転させる回転駆動装置（５）と、エアハンマー装置（３）による打撃とロッド（２）の回転を受けて地盤を掘削するビット（６）とから構成されている。尚、これらの基本的構成は、従来公知のダウンザホール掘進機と同じであるため、詳細な説明については省略する。
【０００８】
回転駆動装置（５）としては、ロータリーテーブルマシンが使用されており、このようなロータリーテーブルマシンを使用した施工は、杭打機が入らない山間部等の狭い場所において適している。
図２は回転駆動装置（５）として使用されるロータリーテーブルマシンの一例を示す正面図であり、図３はその平面図である。
ロータリーテーブルマシン（５）の中心には、ロッド（２）を挿通するためのボス（６）が設けられており、ボス（６）の近傍にはロッド（２）を回転駆動させるための空気圧モーター（７）が左右１台づつの計２台設けられている。このように、モーター（７）として、従来のように油圧モーターではなく空気圧モーターを使用することは本発明の大きな特徴の一つであり、これによって駆動源を一元化することが可能となる。
【０００９】
ダウンザホール掘進機は、通常、低速において高トルクを生じること、即ち起動特性の高いことが要求される。従って、空気圧モーター（７）としては、瞬発性の大きいピストン型空気圧モーターが最も好ましく使用される。
また、空気圧モーター（７）の数は特に限定されないが、大型の掘進機の場合には複数台設置する必要がある。
【００１０】
図４は本発明に係るダウンザホール掘進機の制御システムの構成を示すブロック図である。
コンプレッサ（４）からの圧縮空気吐出口に接続された配管は、エアハンマー装置（３）に接続されたエアハンマー用圧縮空気配管（８）と、２基の空気圧モーター（７）に接続された制御用圧縮空気配管（９）とに分岐されている。これによって、本発明においては、従来、コンプレッサ（４）からエアハンマー装置（３）に供給されていた圧縮空気の一部を、空気圧モーター（７）を駆動するために使用できるようになっている。
【００１１】
制御用圧縮空気配管（９）は、止め弁（１０）、圧縮空気の温度を所定の値に保持するための冷却器（１１）、フィルタ（１２）を順次介して圧力調整弁（１３）と接続されている。
この圧力調整弁（１３）は、空気圧モーター（７）に供給される圧縮空気の圧力を調整するために設けられている。
そして、圧力調整弁（１３）は、圧力計（１４）及びルブリケータ（１５）を順次介して流量調整弁（１６）と接続されている。
また、流量調整弁（１６）は、空気圧モーター（７）に供給される空気量を調整するために設けられている。
【００１２】
制御用圧縮空気配管（９）は、流量調整弁（１６）を通った後、分岐管（１７）により二方向に分岐され、一方は流量均等化弁（１８）を介して一方の空気圧モーター（７）へと接続され、他方は配管長が大きく遠方にあるもう一方の空気圧モーター（７）へと接続されている。
流量均等化弁（１８）は、２台の空気圧モーター（７）に供給される空気量を等しくするために設けられており、２台の空気圧モーター（７）は、圧縮空気の供給を受けて、減速機（１９）を介してダウンザホール掘進機のロッド（２）を回転駆動させる。
また、空気圧モーター（７）又はロッド（２）には、その回転数を検知するための検知手段（図示せず）が設けられている。検知手段としては、例えばエンコーダが使用されるが特に限定されない。
【００１３】
そして、圧力調整弁（１３）、流量調整弁（１６）及び流量均等化弁（１８）は、検知手段により検知された回転数が所定の範囲内に維持されるように開度が自動的に調整されるように制御されており、これによってロッド（２）にかかるトルクが変動してもロッドが安定して回転できるようになっている。
【００１４】
以下、本発明に係るダウンザホール掘進機の制御システムの作用について、空気圧モーターの特性を明らかにした上で説明する。
１．供給空気圧力（給気圧力）を一定にした場合の空気圧モーターの性能曲線
図５に供給空気圧力を一定にした場合の空気圧モーターの性能曲線を示す。
空気圧モーターは、最大出力時回転数ｎｍ以上の回転数で使用すれば寿命が短くなり、低速限度回転数（ｎｌ＝約０．２ｎｍ）以下で使用すれば回転が安定し難くなるため、推奨回転数範囲（約０．２〜１．０）ｎｍがある。
また、同じ出力がとれる回転数が最大出力回転数を中心として、低速側と高速側の２箇所にあるが、低速側で使用すれば空気消費量が節約できる。
空気消費率（空気消費量Ｑ／出力Ｌ）は最大出力時の回転数ｎｍの約８０％の点で極小値をとるので、この点の回転数を定格回転数ｎａ≒０．８ｎｍとする。
流量調整弁（１６）の開度によってトルクＴと回転数ｎとの関係は図５に示すようになる。
【００１５】
２．供給空気圧力を変化させた場合の空気圧モーターの性能変化状態
供給空気圧力を変化させた場合には、トルク、出力、回転数、空気消費量は、いずれも圧力の増加とともにほぼ直線的（比例的）に増加する。
【００１６】
３．空気圧モーターにおける空気消費量と回転数との関係
回転数はほぼ空気消費量に比例するので、通常は流量の調整によって回転数の調整が行われる。
【００１７】
以下、上記した空気圧モーターの特性を踏まえて、本発明に係るダウンザホール掘進機の制御システムの作用（制御動作）を具体的に説明する。
１．通常の地盤から軟弱な地盤に移行した場合
ロッド（２）の先のビット（６）が軟弱地盤に当たった場合には、図５に示す通り、定格運転状態▲１▼からトルクが下がり回転数が増加するため、流量調整弁（１６）の開度１０の状態で点▲１▼から点▲２▼に移動する。
ここで、回転数が上がり過ぎれば、故障の原因となり寿命が短くなる等の支障が生じるので、直ちに流量調整弁（１６）の開度を絞り５として回転数を定格回転数ｎａまで下げるようにする。即ち点▲２▼から点▲３▼に移動させる。
そして、軟弱地盤から通常の地盤に達すれば、トルクが上がり回転数が減少するため、点▲３▼から点▲４▼まで移動する。
ここで、点▲４▼の回転数は定格回転数ｎａよりも小さいので、再び流量調整弁（１６）の開度を１０まで大きくして点▲１▼に戻るようにする、
このような運転操作を、図４に示す制御システムを用いて自動的に行う。
【００１８】
２．通常の地盤から岩盤に移行した場合
ロッド（２）の先のビット（６）が通常の地盤から岩盤に当たった場合には、トルクが増加するため、流量調整弁（１６）の開度を１０の状態に保持していても回転数が下がる。図５の状態において、点▲１▼から点▲５▼まで達すれば回転数が低速限度回転数ｎｌになり、運転状態が不安定になって脈動を生じる。従って、この場合には供給空気圧力を増加させる必要が生じる。
上述したように、供給空気圧力が増加すれば、トルク、出力、回転数、空気消費量のいずれもが直線的に増加する。このことを考慮して、岩盤を掘削するのに必要なトルクとなるまで供給空気圧力を増加させる。
図６は、供給空気圧力を増加した場合のトルク−回転数の関係を示しており、図中の点▲１▼及び▲５▼は図５中の点▲１▼及び▲５▼と対応している。
図示のように、供給空気圧力をＰ１からＰ２まで増加させると、トルクが増加して点▲５▼から点▲６▼へと移動する。
そして、再び通常の地盤に戻れば、トルクが減少して点▲６▼から点▲７▼へと移動するので、Ｐ２からＰ１まで圧力を減少させて、図５の点▲１▼へ戻すようにする。
このような運転操作を図４に示す制御システムを用いて自動的に行う。
【００１９】
３．回転数を常に推奨回転数の範囲内に保持させる場合
いま、供給空気圧力Ｐ＝Ｐ１におけるトルクＴ１、出力Ｌ１、空気消費量Ｑ１と回転数ｎとの関係を以下の通りに表す。
Ｔ１＝ａＴ＋ｂＴｎ・・・・・・・（１）
Ｌ１＝ａＬｎ２＋ｂＬｎ＋ｃＬ・・・（２）
Ｑ１＝ａＱｎ＋ｂＱ・・・・・・・（３）
また、供給空気圧力Ｐ＝Ｐ２におけるトルクＴ２、出力Ｌ２、空気消費量Ｑ２と回転数ｎとの関係を以下の通りに表す。
（Ｐ２／Ｐ１）＝ｄＰ（ｎ／ｎｍ）＋ｅＰ・・・（４）
（Ｔ２／Ｔ１）＝ｄＴ（ｎ／ｎｍ）＋ｅＴ・・・（５）
（Ｌ２／Ｌ１）＝ｄＬ（ｎ／ｎｍ）＋ｅＬ・・・（６）
（Ｑ２／Ｑ１）＝ｄＱ（ｎ／ｎｍ）＋ｅＱ・・・（７）
【００２０】
次に、Ｐ＝Ｐ１においては図７の通りに表すことができるとすれば、
ｎ＝０においてＴ１＝Ｔｍ１
ｎ＝２ｎｍにおいてＴ１＝０であるから、式（１）より、
ａＴ＝Ｔｍ１，ｂＴ＝−Ｔｍ１／２ｎｍ
また、ｎ＝０においてＬ１＝０
ｎ＝ｎｍにおいてＬ１＝Ｌｍ１
ｎ＝２ｎｍにおいてＬ１＝０であるから、式（２）より、
ａＬ＝−Ｌｍ１／ｎｍ２，ｂＬ＝２Ｌｍ１／ｎｍ，ＣＬ＝０
∴Ｔ１＝Ｔｍ１−（Ｔｍ１／２ｎｍ）ｎ＝Ｔｍ１（１−ｎ／２ｎｍ）
Ｌ１＝−（Ｌｍ１／ｎｍ２）ｎ２＋（２Ｌｍ１／ｎｍ）ｎ＝−Ｌｍ１｛（ｎ／ｎｍ）２−２（ｎ／ｎｍ）｝＝−Ｌｍ１（ｎ／ｎｍ）｛（ｎ／ｎｍ）−２｝
Ｑ１＝ａＱｎ＋ｂＱ
【００２１】
すなわち、
（Ｔ１／Ｔｍ１）＝１−（１／２）（ｎ／ｎｍ）・・・・（８）
（Ｌ１／Ｌｍ１）＝（ｎ／ｎｍ）｛２−（ｎ／ｎｍ）｝・・・（９）
（Ｑ１／Ｑ０１）＝（１／２）｛（Ｑｍ１／Ｑ０１）−１｝（ｎ／ｎｍ）＋１・・（１０）
したがって、
（Ｐ２／Ｐ１）＝ｄＰ（ｎ／ｎｍ）＋ｅＰ・・・（１１）
（Ｔ２／Ｔ１）＝｛ｄＴ（ｎ／ｎｍ）＋ｅＴ｝／［Ｔｍ１｛１−（１／２）（ｎ／ｎｍ）｝］・・・（１２）
（Ｌ２／Ｌ１）＝｛ｄＬ（ｎ／ｎｍ）＋ｅＬ｝／［Ｌｍ１（ｎ／ｎｍ）｛２−（ｎ／ｎｍ）｝］・・・（１３）
（Ｑ２／Ｑ１）＝２｛ｄＱ（ｎ／ｎｍ）＋ｅＱ｝／［Ｑ０１｛（Ｑｍ１／Ｑ０１）−１｝（ｎ／ｎｍ）＋１］・・・（１４）
ここで、ｄＰ，ｅＰ，ｎｍ，ｄＴ，ｅＴ，Ｔｍ１，ｄＬ，ｅＬ，Ｌｍ１，ｄＱ，ｅＱ，Ｑ０１，Ｑｍ１は、空気圧モーターの仕様によって与えられる定数（有次元）である。
【００２２】
式（８）〜式（１４）において、（ｎ／ｎｍ）＝０．２〜１となるように、Ｐ１，Ｐ２，Ｔ１，Ｔ２，Ｌ１，Ｌ２，Ｑ１，Ｑ２の値を選定する。
ダウンザホール掘進機の場合には、まずＰ１，Ｐ２の値を設定した後、Ｔ１，Ｔ２の値に対応してＱ１，Ｑ２を自動制御すればよいと考えられる。
但し、上記数式はあくまでも制御方法のモデルの一例である。
【００２３】
以上のようなフィードバック制御を用いた制御動作を行うことによって、掘削作業時においてロッドに加わるトルクの変化に即対応することができ、安定した運転状態を保持することが可能となる。
【００２４】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に係る発明によれば、従来油圧と空気圧の二種類であった駆動源を一元化することができるので、ダウンザホール掘進機の駆動システムを簡略化することができるとともに、装置コストや施工コストを低減することが可能であり、メンテナンスも容易に行うことが可能となる。また、油圧関連装置が不要となって、掘進機の設置スペースが節減されるので、山中の急斜面での掘削作業も容易に行うことが可能となる。
請求項２に係る発明によれば、フィードバック制御により、駆動時にロッドに加わるトルクの変化に即対応することが可能となり、安定した運転状態を保持することができる。
請求項３に係る発明によれば、複数台の空気圧モーターの出力を同様に制御することが可能となり、大型の掘進機であってもロッドに加わるトルクの変化に即対応することができ、安定した運転状態を保持することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るダウンザホール掘進機の実施例を示す概略図である。
【図２】回転駆動装置として使用されるロータリーテーブルマシンの一例を示す正面図である。
【図３】回転駆動装置として使用されるロータリーテーブルマシンの一例を示す平面図である。
【図４】本発明に係るダウンザホール掘進機の制御システムの構成を示すブロック図である。
【図５】供給空気圧力を一定にした場合の空気圧モーターの性能曲線を示す。
【図６】供給空気圧力を増加した場合のトルク−回転数の関係を示す図である。
【図７】供給空気圧力が一定の場合のトルク−回転数の関係を示す図である。
【符号の説明】
２      ロッド
３      エアハンマー装置
４      コンプレッサ
５      回転駆動装置
７      空気圧モーター
１３    圧力調整弁
１６    流量調整弁
１８    流量均等化弁
【図１】
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【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】
2004169483.tif 000008
【図７】
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