(57)【要約】【課題】遠心力載荷装置について、より簡易な構造で連れ回り空気の摩擦抵抗をより効果的に低減できるようにする。【解決手段】垂直に設けられた回転軸３に接続されて水平面内で回転する回転腕６を備え、この回転腕に取り付けられている揺動架台８に保持させた供試体に回転腕の回転により遠心力を載荷するようになっている遠心力載荷装置本体２と、この遠心力載荷装置本体を設置するピット１からなる遠心力載荷装置について、回転腕の回転によりピット内で連れ回される空気の摩擦力を受けることで、回転腕の回転軸芯と同じ回転軸芯で回転するようにされた側部、上部、下部の各回転体２１、２２、２３を回転腕の周囲に設けるようにしている。【選択図】        図１
2005030794.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
遠心力載荷装置本体と、この遠心力載荷装置本体が設置されるピットからなり、前記遠心力載荷装置本体は、垂直に設けられた回転軸に接続されて水平面内で回転する回転腕を備え、この回転腕に取り付けられている揺動架台に保持させた供試体に前記回転腕の回転により遠心力を載荷するようになっている遠心力載荷装置において、
前記回転腕の回転により前記ピット内で連れ回される空気の摩擦力を受けることで、前記回転腕の回転軸芯と同じ回転軸芯で回転するようにされた回転体を前記回転腕の周囲に設けたことを特徴とする遠心力載荷装置。
【請求項２】
前記回転体が前記回転腕と前記ピットの内面との間で複数の空気層を画するように複数層で設けられている請求項１に記載の遠心力載荷装置。
【請求項３】
前記回転体は、前記回転腕を包み込む状態の円筒形筐体状に形成されている請求項１または請求項２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】
本発明は、例えば地盤の縮尺モデルなどの供試体に遠心力を作用させて、その挙動を試験するなどのために用いられる遠心力載荷装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
大深度地下空間の開発には地盤特性を把握することが大切であるが、地盤の特性は作用する土圧力に大きく影響を受ける。例えば、地震発生時の地盤挙動を把握するために、地盤の縮尺モデルを用いて試験を行う場合、通常の重力場では大深度における土圧力を再現することは困難である。このため遠心力（遠心加速度）を利用して大きな力を加えられるようにした遠心力載荷装置が用いられる。
【０００３】
そのような遠心力載荷装置の従来における代表的な構成は図４に示すようになっている（例えば特許文献１、特許文献２）。遠心力載荷装置は、全体として円筒状の空間を形成するようにして地中に構築されるなどして設けられるピット１の内部に遠心力載荷装置本体２を設置して構成される。その遠心力載荷装置本体２は、ピット１の中心部で垂直に設けられた回転軸３、回転軸３にその回転駆動力を与える電動機４、電動機４と回転軸３の間に介在する減速機５、回転軸３に接続されて水平面内で回転するようにされた回転腕６、この回転腕６にピン７で揺動可能に取り付けられている左右の揺動架台８、８などを主な要素としている。そして試料容器９に入れた供試体（図示せず）を揺動架台８に保持させ、その供試体に回転腕６の回転により遠心力を加える。より具体的には、回転腕６が停止した状態では図に示すように揺動架台８が回転腕６から吊り下がった状態にある。この状態で試料容器９に入れた供試体を一方の揺動架台８に保持させ、他方の揺動架台８にはバランスウエイト１０を保持させる。それから回転腕６を回転させる。すると揺動架台８が振れ上がって水平状態になり、この状態で回転腕６の回転により重力加速度のＮ倍の遠心力が供試体に加わる。この際、ピット１内の空気が回転腕６の回転に伴って連れ回され、この連れ回される空気にピット１の内面などとの間で摩擦抵抗を生じる。このため回転腕６の下側に仕切り板１１を設け、回転腕６に連れ回られる空気の量をこの仕切り板１１によりできるだけ少なくするようにしている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平９−２１０８７１号公報
【特許文献２】
特開２０００−２５８３２０号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
近年、遠心力載荷装置による試験において大深度実験の要求が高まってきており、それにつれて従来よりも大型の遠心力載荷装置が求められるようになってきている。より大きな遠心力を供試体に加えるには、回転腕の回転数を増すか、あるいは回転径を大きくする必要がある。いずれの方法にせよ、回転腕に連れ回られる空気の速度が増してその空気のピット内における摩擦抵抗が増えることになる。そのため、遠心力の増強分に加えてこの連れ回り空気の摩擦抵抗の増大分によっても回転腕の駆動力が増大することになる。
【０００６】
この駆動動力の増大を抑えるために、ピット内での連れ回り空気の摩擦抵抗を低減させる方法について従来から様々な検討がなされてきている。例えば上記の特許文献１や特許文献２に開示される技術もその例である。これらの技術は連れ回り空気の摩擦抵抗を減らすという点ではそれなりに有効である。しかしそのための構造が複雑になるなどの新たな問題を招いている。
【０００７】
本発明は、以上のような事情を背景になされたものであり、より簡易な構造で連れ回り空気の摩擦抵抗をより効果的に低減できるようにした遠心力載荷装置の提供を目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的のために本発明では、遠心力載荷装置本体と、この遠心力載荷装置本体が設置されるピットからなり、前記遠心力載荷装置本体は、垂直に設けられた回転軸に接続されて水平面内で回転する回転腕を備え、この回転腕に取り付けられている揺動架台に保持させた供試体に前記回転腕の回転により遠心力を載荷するようになっている遠心力載荷装置において、前記回転腕の回転により前記ピット内で連れ回される空気の摩擦力を受けることで、前記回転腕の回転軸芯と同じ回転軸芯で回転するようにされた回転体を前記回転腕の周囲に設けたことを特徴としている。
【０００９】
また本発明では上記のような遠心力載荷装置について、前記回転体を、前記回転腕と前記ピットの内面との間で複数の空気層を画するように、複数層で設けるようにしている。
【００１０】
また本発明では上記のような遠心力載荷装置について、前記回転体は、前記回転腕を包み込む状態の円筒形筐体状に形成するようにしている。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明する。図１に第１の実施形態による遠心力載荷装置の構成を簡略化して示す。本実施形態における遠心力載荷装置は、図４に関して説明した従来の遠心力載荷装置の構造をもとにし、それに側部回転体２１、上部回転体２２、下部回転体２３を付加した構成となっている。その他の構成は図４に関して説明した従来の遠心力載荷装置と同様なので共通する要素については同一の符号を付し、それについての説明は上での説明を援用する。
【００１２】
側部、上部、下部の各回転体２１、２２、２３は何れも、例えばプラスチック材などのような軽量な材料を用いることで、回転腕６の回転によりピット１内で連れ回される空気の摩擦力を受けることで回転するように形成され、回転軸４の回転軸芯つまり回転腕６の回転軸芯と同じ回転軸芯で回転できるようにして設置されている。より具体的に説明すると、側部回転体２１は、薄くて軽量なプラスチック材などを用いて回転腕６の全長より若干大きい程度の直径を持つ円筒状に形成され、ピット１の側面などに設けられる回転支持部２１ｓでその上下の各端縁部を支持されてピット１の側面に沿って回転できるように設置される。また本実施形態では側部回転体２１を複数の層にして設けている。すなわちそれぞれ直径を異ならせた側部回転体２１を複数用い、それらを入れ子的に組み合わせることで、回転腕６とピット１の内面との間に複数の空気層を画するようしてある。
【００１３】
一方、上部回転体２２と下部回転体２３は何れも、側部回転体２１と同様な材料を用いて回転腕６の全長より若干大きい程度の直径を持つドーナツ形の円板状に形成されおり、上部回転体２２は、ピット１の側壁面などに設けられる回転支持部２２ｓなどにその端縁部を支持されてピット１の天井面に沿って回転できるように設置され、下部回転体２３は、仕切り板１１などに設けられる回転支持部２３ｓなどにその端縁部を支持されて仕切り板１１に沿って回転できるように設置されている。本実施形態ではこれらの上部回転体２２と下部回転体２３についても複数の層にして設けている。すなわち上部回転体２２と下部回転体２３の何れについても直径が同じものを複数用い、それらを上下方向で所定の間隔を開けて設置することで、回転腕６とピット１の内面との間に複数の空気層を画するようしてある。
【００１４】
これら側部、上部、下部の各回転体２１、２２、２３は、ピット１内で回転腕６に連れ回られる空気の摩擦抵抗を低減させるのに機能する。以下ではそのことについて説明する。まず側部回転体２１の場合である。図４のような従来の遠心力載荷装置における回転腕６とピット１の側面の間での連れ回り空気の摩擦抵抗Ｄｆは下記の式で表わされる。
【数１】
2005030794.tif 000003
【数２】
2005030794.tif 000004
ここで、Ｃｆは空気とピットの側面との間の摩擦抵抗係数、ρは空気の密度、ｒａは回転腕の半径、ωは回転腕の回転速度、Ｓは連れ回り空気がピットの側面と接する面積である。このようにＤｆは回転速度の２乗に比例するため、回転速度が速ければ速いほど連れ回り空気の摩擦抵抗は増大する。これを損失トルクＴで示すと下記の式となる。
【数３】
2005030794.tif 000005
ここで、Ｃ１はピットの側面における損失係数である。
【００１５】
以上のような関係において、側部回転体２１を設けてある本発明の遠心力載荷装置では、回転腕６の回転で連れ回られる空気の摩擦力を受けて側部回転体２１がある速度で回転する。図２にその様子を模式化して示してある。図２では３層の側部回転体２１がそれぞれ回転速度ω１、ω２、ω３で回転し、回転腕６の回転速度ωとそれぞれの回転速度がω＞ω１＞ω２＞ω３の関係にあることを示している。このように側部回転体２１が回転腕６に沿って回転するため、回転腕６の回転速度は相対的に小さくなる。例えば回転腕６に最も近い最内側の側部回転体２１との関係での損失トルクＴ１は、
【数４】
2005030794.tif 000006
となり、摩擦抵抗による損失トルクが減少することがわかる。そして側部回転体２１を多層で設けてあれば、上記のように外側の側部回転体２１は内側のそれよりも低速で回転することになる。したがって、より一層損失トルクを減少させることができる。
【００１６】
次に上部回転体２２の場合である。図４のような従来の遠心力載荷装置における回転腕６とピット１の天井面の間での損失トルクＴｕは下記の式で表わされる。
【数５】
2005030794.tif 000007
ここで、Ｃｆｕはピット天井面の摩擦抵抗係数、Ｃｕはピット天井面の損失係数である。このような関係において、上部回転体２２を設けてある本発明の遠心力載荷装置では、側部回転体２１の場合と同様に上部回転体２２が回転腕６に沿って回転するために回転腕６の回転速度は相対的に小さくなる。回転腕６に最も近いの上部回転体２２の回転速度をωｕ１とすると、この時の損失トルクＴｕ１は、
【数６】
2005030794.tif 000008
となり、摩擦抵抗による損失トルクが減少することがわかる。ことは下部回転体２３についても同様である。
【００１７】
以上のように本発明による遠心力載荷装置では、側部、上部、下部の各回転体２１、２２、２３により、連れ回り空気の摩擦抵抗を効果的に減少させることができる。そしてしかもそのための構造は、単純な構造の側部、上部、下部の各回転体２１、２２、２３を設けるだけで済む。すなわち本発明では、簡易な構造をもって連れ回り空気の摩擦抵抗を効果的に減少させることができる。
【００１８】
図３に、第２の実施形態による遠心力載荷装置の構成を簡略化して示す。本実施形態では、第１の実施形態における側部、上部、下部の各回転体２１、２２、２３を一体化させた構造の回転体３１を設けるようにしている。すなわち回転体３１は、回転腕６を包み込む状態の円筒形筐体状にして、回転腕６で連れ回される空気の摩擦力を受けることで回転するように形成されている。そしてピット１の天井面や仕切り板１１などに設けられる回転支持部３１ｓで支持させることで、回転腕６の回転軸芯と同じ回転軸芯で回転できるように、つまりピット１の内面に沿いつつ回転腕６の周囲を回転できるように設置されている。このような一体型の回転体３１とすることにより、構造をより簡易なものとすることができる。なお、本実施形態でも第１の実施形態と同様に、この一体型の回転体３１を複数の層にして設けるようにしている。その他の構成は第１の実施形態と同様なので共通する要素については同一の符号を付し、それについての説明は省略する。
【００１９】
【発明の効果】
以上説明したように本発明では、回転腕にピット内で連れ回される空気の摩擦力により回転腕に沿って回転する回転体を設け、この回転体の回転により回転腕の回転速度を相対的に小さくできるようにしている。この結果、連れ回り空気の摩擦抵抗を減少させ、回転腕を回転させるための駆動動力の増大を抑えることができ、しかもそのための構造を簡易なもので済ませることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態による遠心力載荷装置の構成を簡略化して示す図である。
【図２】側部回転体の回転の様子を模式化して示す図である。
【図３】第１の実施形態による遠心力載荷装置の構成を簡略化して示す図である。
【図４】従来の遠心力載荷試験装置の構成を簡略化して示す図である。
【符号の説明】
１  ピット
２  遠心力載荷装置本体
３  回転軸
６  回転腕
８  揺動架台
２１  側部回転体
２２  上部回転体
２３  下部回転体
３１  回転体
【図１】
2005030794.tif 000009
【図２】
2005030794.tif 000010
【図３】
2005030794.tif 000011
【図４】
2005030794.tif 000012