(57)【要約】【課題】リーダのガイドパイプと作業装置のガイドギブとの間に生じる摩擦力を減少させるラック昇降機構及び作業装置付杭打機を提供すること。【解決手段】リーダ１０１に形成された両歯のラック１０と、そのラック１０に噛合する一対のピニオンギア２，３を有し、ラック１０に噛合したピニオンギア２，３が回転することにより、リーダ１０１のガイドパイプ１０３にガイドギブ１１１，１１２を摺動可能に嵌め合わせた作業装置１をリーダ１０１に沿って昇降させるものであって、ピニオンギア２，３がはすば歯車であり、ラック１０がはすば形状にラック歯が形成されたはすばラックであることを特徴とするラック昇降機構。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
リーダに形成された両歯のラックと、そのラックに噛合する一対のピニオンギアを有し、ラックに噛合したピニオンギアが回転することにより、リーダのガイドパイプにガイドギブを摺動可能に嵌め合わせた作業装置をリーダに沿って昇降させるラック昇降機構において、
前記ピニオンギアがはすば歯車であり、前記ラックがはすば形状にラック歯が形成されたはすばラックであることを特徴とするラック昇降機構。
【請求項２】
請求項１に記載するラック昇降機構において、
前記一対のピニオンギアは、リーダに向かって右側のピニオンギアが左に捩れ、リーダに向かって左側のピニオンギアが右に捩れて形成されたものであることを特徴とするラック昇降機構。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載するラック昇降機構において、
前記ピニオンギアは、前記作業装置に設けられたガイドギブの上方に配置されたものであることを特徴とするラック昇降機構。
【請求項４】
ベースマシンに立設されたリーダに対し、そのガイドパイプにガイドギブを摺動可能に嵌め合わせた作業装置を昇降可能に装着し、リーダに形成されたラックにピニオンギアを噛合させ、そのラックに噛合したピニオンギアを回転させることにより作業装置を昇降させるラック昇降機構を備えた作業装置付杭打機において、
前記ラック昇降機構は、前記ピニオンギアがはすば歯車であり、前記ラックがはすば形状にラック歯が形成されたはすばラックであることを特徴とする作業装置付杭打機。
【請求項５】
請求項４に記載する作業装置付杭打機において、
前記一対のピニオンギアは、リーダに向かって右側のピニオンギアが左に捩れ、リーダに向かって左側のピニオンギアが右に捩れて形成されたものであることを特徴とする作業装置付杭打機。
【請求項６】
請求項４又は請求項５に記載する作業装置付杭打機において、
前記ピニオンギアは、前記作業装置に設けられたガイドギブの上方に配置されたものであることを特徴とする作業装置付杭打機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、リーダのガイドパイプに対してガイドギブを嵌め合わせた作業装置をリーダに沿って昇降させるため、リーダに形成されたラックにピニオンギアを噛み合わせて回転させるラック昇降機構及び、そのラック昇降機構を備えた作業装置を装着した作業装置付杭打機に関し、特にリーダのガイドパイプと作業装置のガイドギブとの間の摩擦力を減少させるラック昇降機構及び作業装置付杭打機に関する。
【背景技術】
【０００２】
掘削ロッドによって地盤を掘削するような作業には杭打機が使用される。図７は、掘削作業を行うため、作業装置を装着した作業装置付杭打機を簡略化して示した図である。自走式の作業装置付杭打機（以下、単に「杭打機」という）１００は、リーダ１０１がバックステ１０２の支えによって立設されている。そのリーダ１０１には、左右前方に２本のガイドパイプ１０３が設けられ、その間には両歯のラック１０５が取り付けられている。そして、杭打機１００のリーダ１０１には、掘削ロッド２００に回転を与えるオーガ１１０などの作業装置が装着され、そのオーガ１１０に連結されたラック昇降装置１２０によってリーダ１０１に沿った昇降が可能になっている。
【０００３】
オーガ１１０は、上下のガイドギブ１１１，１１２がガイドパイプ１０３に左右から摺動可能に嵌め合わされ、ラック昇降装置１２０は、左右一対のピニオンギア１２１がリーダのラック１０５と噛み合っている。そこで、地盤を掘削する場合には、オーガ１１０を駆動させて掘削ロッド２００に回転を与え、ラック昇降装置１２０がピニオンギア１２１を回転させることにより、押込みながら掘削していく。一方、掘削ロッド２００を引き抜く場合には、ラック昇降装置１２０のピニオンギア１２１を逆回転させてオーガ１１０を上昇させ、掘削ロッド２００を地盤から引き抜く。
【特許文献１】特公平６−７８６１７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、掘削ロッド２００の引抜きを行う場合、ラック１０５に噛み合ったピニオンギア１２１を回転させることで引抜き力を発生させるが、地盤内にくい込んだ掘削ロッド２００には引抜き反力が作用する。そして、押込み時にはピニオンギア１２１の回転により押込み力を発生させる一方で、掘削ロッド２００には押込み反力が作用する。従って、引抜き力などを発生させるラック１０５とピニオンギア１２１との噛み合い位置と、引抜き反力などが作用する掘削ロッド２００の掘削中心とが杭打機１００の前後方向にオフセットしているため、その間のオーガ１１０にモーメントが生じる。
【０００５】
杭打機１では、オーガ１１０などの作業装置がリーダ１０１に沿って昇降する場合は、ガイドパイプ１０３を摺動するガイドギブ１１１，１１２が摩擦抵抗を受けている。そのため、作業装置にモーメントが発生すると、上下のガイドギブ１１１，１１２に生じる横方向の、しかもこじるように逆向きに作用する力によって摩擦抵抗を大きくしてしまう。従って、作業中に生じるガイドパイプ１０３とガイドギブ１１１，１１２との摩擦力が大きくなることによって、ラック昇降装置１２０が出力する引抜き力や押込み力が減少してしまう他、作業装置のガイドギブ１１１，１１２が摩耗しやすくなって寿命を短くしてしまう。
【０００６】
そこで、本発明は、かかる課題を解決すべく、リーダのガイドパイプと作業装置のガイドギブとの間に生じる摩擦力を減少させるラック昇降機構及び作業装置付杭打機を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係るラック昇降機構は、リーダに形成された両歯のラックと、そのラックに噛合する一対のピニオンギアを有し、ラックに噛合したピニオンギアが回転することにより、リーダのガイドパイプにガイドギブを摺動可能に嵌め合わせた作業装置をリーダに沿って昇降させるものであって、前記ピニオンギアがはすば歯車であり、前記ラックがはすば形状にラック歯が形成されたはすばラックであることを特徴とする。
また、本発明に係るラック昇降機構は、前記一対のピニオンギアのうち、リーダに向かって右側のピニオンギアが左に捩れ、リーダに向かって左側のピニオンギアが右に捩れて形成されたものであることが好ましい。
また、本発明に係るラック昇降機構は、前記ピニオンギアが前記作業装置に設けられたガイドギブの上方に配置されたものであることが好ましい。
【０００８】
本発明に係る作業装置付杭打機は、ベースマシンに立設されたリーダに対し、そのガイドパイプにガイドギブを摺動可能に嵌め合わせた作業装置を昇降可能に装着し、リーダに形成されたラックにピニオンギアを噛合させ、そのラックに噛合したピニオンギアを回転させることにより作業装置を昇降させるラック昇降機構を備えたものであって、前記ラック昇降機構は、前記ピニオンギアがはすば歯車であり、前記ラックがはすば形状にラック歯が形成されたはすばラックであることを特徴とする。
また、本発明に係る作業装置付杭打機は、前記一対のピニオンギアのうち、リーダに向かって右側のピニオンギアが左に捩れ、リーダに向かって左側のピニオンギアが右に捩れて形成されたものであることが好ましい。
また、本発明に係る作業装置付杭打機は、前記ピニオンギアが前記作業装置に設けられたガイドギブの上方に配置されたものであることが好ましい。
【発明の効果】
【０００９】
よって、本発明によれば、ラック昇降機構のピニオンギアをはすば歯車とし、そのピニオンギアが噛み合うラックをはすばラックとしたことにより、回転するピニオンギアには回転軸方向にアキシャル荷重が働き、作業装置に作用するモーメントを打ち消すため、ガイドギブがガイドパイプから受ける反力を減少させることで両者の間に生じる摩擦力を減少させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
次に、本発明に係るラック昇降機構及び作業装置付杭打機の一実施形態について図面を参照しながら以下に説明する。図１は、本実施形態のラック昇降機構を示した図であり、リーダに装着された作業装置をラック昇降装置によって昇降させる状態を示した側面図である。また、図２は、図１のＡ−Ａ断面を簡略化して示した図であり、図３は、図１のＢ−Ｂ断面を簡略化して示した図である。
このラック昇降装置１及びオーガ１１０は、図７に示したものと同様に杭打機１００のリーダ１０１に装着され、掘削ロッド２００を連結して掘削作業などを行う作業装置付杭打機を構成するものである。図７のものと同じ構成については同じ符号を付して説明する。
【００１１】
作業装置であるオーガ１１０は、下方に突設された回転軸１１５に不図示の掘削ロッドなどが連結され、その掘削ロッドに対して回転を与えるものである。リーダ１０１は、図２及び図３に示すように円筒体であって、杭打機前方側に取付台１０６を介して２本のガイドパイプ１０３が設けられている。更に、その取付台１０６の中心には支持台１０７が突設され、そこに両歯のラック１０が固定されている。オーガ１１０は、その本体に対して上下に左右一対のガイドギブ１１１，１１１とガイドギブ１１２，１１２がネジ止めして固定される。円筒体のガイドパイプ１０３に対し、ガイドギブ１１１，１１２は、そのガイドパイプ１０３の外周面にならうような半円筒体形状をしている。従って、ガイドギブ１１１，１１２がガイドパイプ１０３を左右から挟み込んだ状態でして固定され、オーガ１１０が摺動可能に装着される。
【００１２】
オーガ１１０には、上方にブラケット１１６が突設され、そのブラケット１１６にピン結合してラック昇降装置１が取り付けられている。ラック昇降装置１は、両歯のラック１０に対して左右両側から噛み合うように、一対のピニオンギア２，３が本体から突き出して設けられている。そして、ラック昇降装置１の本体内には、一対のピニオンギア２，３が各々独立して回転するように、２台の昇降用油圧モータが減速機を介して組み込まれている。本実施形態ではピニオンギア２，３の歯形に特徴を有し、はすば歯車によって形成されている。特に図２に示すように、リーダ１０１に向かって右側のピニオンギア２が左捩れで形成され、ラック１０を挟んで左側のピニオンギア３が右捩れで形成されている。そして、ラック１０は、左右の歯がピニオンギア２，３の向きに合わせて形成されたはすばラックになっている。
【００１３】
本実施形態のラック昇降機構では、ピニオンギア２，３やラック１０をこうした構成にすることで、押込みや引抜きの際にピニオンギア２，３がラック１０を転動することにより、その回転軸方向にスラスト力が生じるようにした。そして、従来のラック昇降装置でオーガ１１０による作業を行う場合と比べて、上方のガイドギブ１１１とガイドパイプ１０３との間に生じる摩擦力を減少させるようにした。そこで、平歯車のピニオンギア１２１とラック１０５を備える従来のラック昇降機構と、はすば歯車のピニオンギア２，３とラック１０とを備える本実施形態のラック昇降機構とを比較する。
【００１４】
ここで、図４は、本実施形態の作業装置付杭打機において引抜き時の力のかかり方を示した図であり、図５は、従来の作業装置付杭打機において引抜き時の力のかかり方を示した図である。
そこで先ず、図５に示す従来のラック昇降装置１２０で掘削ロッド２００を引き抜く場合について検討する。この場合、ラック昇降装置１２０では、ラック１０５に噛み合ったピニオンギア１２１が回転することにより上方に接線力（上昇力）Ｆ22が発生する。一方で、ラック昇降装置１２０の上昇に対して、地盤からの抵抗を受けた掘削ロッド２００には反力Ｆ21が発生する。
【００１５】
こうした垂直方向に作用する反力Ｆ21と上昇力Ｆ22とは、杭打機の前後方向（図面横方向）にＬ１の距離だけオフセットし、これによりオーガ１１０にモーメントが発生する。そして、このモーメントによってガイドギブ１１１には、杭打機後方側の当接位置にガイドパイプ１０３からの反力Ｒ21が作用し、ガイドギブ１１２には、杭打機前方側の当接位置にガイドパイプ１０３からの反力Ｒ22が作用する。従って、上方のガイドギブ１１１にはｆ21＝μ×Ｒ21の摩擦力が作用し、下方のガイドギブ１１２にはｆ22＝μ×Ｒ22の摩擦力が作用する。ここで、μは摩擦係数である。
【００１６】
次に、仮定した数値を代入してラック昇降装置１２０による引抜き力を求めてみる。Ｌ１＝５８０ｍｍ，Ｌ２＝６２０ｍｍ，Ｌ３＝６９０ｍｍ，Ｌ４＝１５００ｍｍ，Ｆ22＝１００ｋＮ，μ＝０．３，Ｗ＝１０ｋＮと仮定する。ここでＬ１，Ｌ２，Ｌ３は、掘削ロッド２００の軸心からの距離であり、Ｌ１はラック１０５の幅方向中央までの距離、Ｌ２はガイドギブ１１２の摩擦力が作用するガイド前方側までの距離、そしてＬ３はガイドギブ１１１の摩擦力が作用するガイド後方側までの距離である。また、Ｌ４はガイドギブ１１１，１１２の上下端の距離である。そして、Ｗはオーガ１１０及びラック昇降装置１２０の重量である。
【００１７】
水平方向の力のつり合い及び垂直方向の力のつり合いは次式の通りである。
Ｒ21＝Ｒ22    …（１）
Ｆ21＋Ｗ＋ｆ21＋ｆ22＝Ｆ22
Ｆ21＝Ｆ22−Ｗ−ｆ21−ｆ22      …（２）
また、Ｐ点回りのモーメントのつり合いは次式の通りである。
Ｆ21×Ｌ３＋Ｗ×Ｌ３−Ｆ22×(Ｌ３−Ｌ１)−Ｒ22×Ｌ４＋ｆ22×(Ｌ３−Ｌ２)＝０
…（３）
よって、（３）式に（１）式及び（２）式を代入し、数値を入れて反力Ｒ21を計算すると、Ｒ21（＝Ｒ22）＝３０．６ｋＮであり、ガイドギブ１１１，１１２に作用する摩擦力ｆ21，ｆ22は、ｆ21＝ｆ22＝９．１８ｋＮとなる。従って、掘削ロッド２００の引抜き力に相当するＦ21は、上昇力Ｆ22から自重Ｗと摩擦力ｆ21，ｆ22とを差し引いた値であり、７１．６ｋＮとなる。
【００１８】
次に、本実施形態のラック昇降装置１について、仮定した数値を代入してラック昇降装置１による引抜き力を求めてみる。ところで、本実施形態のラック昇降機構は、そのピニオンギア２，３がはすば歯車でラック１０がはすばラックであるため、歯の捩れ方向と回転方向によって回転軸方向に荷重が発生する。この回転軸方向の力、すなわちアキシャル荷重ｆａは、歯車の接線力をｆｔ、捩れ角をβとするとｆａ＝ｆｔ×ｔａｎβで表すことができる。よって、本実施形態のラック昇降機構では、前述した力の他にアキシャル荷重を加えた計算を行う。なお、具体的な数値は、前記従来例のものと同様に、Ｌ１＝５８０ｍｍ，Ｌ２＝６２０ｍｍ，Ｌ３＝６９０ｍｍ，Ｌ４＝１５００ｍｍ，Ｆ12＝１００ｋＮ，μ＝０．３，Ｗ＝１０ｋＮと仮定する。そして更に、ガイドギブ１１２の下端からピニオンギア２，３の軸心までの距離Ｌ５＝１８００ｍｍであり、ピニオンギア２，３の歯の捩れ角β＝１５°と仮定する。
【００１９】
先ず、ピニオンギア２，３の回転によって発生する上昇力は次式の通りである。
Ｆ12＝２×ｆｐｔ    …（４）
また、はすば歯車であるピニオンギア２，３それぞれに発生するアキシャル荷重は次式の通りである。
ｆｐａ＝ｆｐｔ×ｔａｎβ    …（５）
よって、両方のピニオンギア２，３に発生するアキシャル荷重は次式にようになる。
Ｆｐａ＝２×ｆｐａ＝２×ｆｐｔ×ｔａｎβ＝Ｆ12×ｔａｎβ    …（６）
【００２０】
次に、水平方向の力のつり合い及び垂直方向の力のつり合いは次式の通りである。
Ｒ12＝Ｆｐａ＋Ｒ11    …（７）
Ｆ12＝Ｆ11＋Ｗ＋ｆ11＋ｆ12
Ｆ11＝Ｆ12−Ｗ−ｆ11−ｆ12      …（８）
また、Ｐ点回りのモーメントのつり合いは次式の通りである。
Ｆ11×Ｌ３＋Ｗ×Ｌ３−Ｆ12×(Ｌ３−Ｌ１)−Ｆｐａ×（Ｌ５−Ｌ４）−Ｒ12×Ｌ４＋ｆ12×(Ｌ３−Ｌ２)＝０    …（９）
【００２１】
よって、各式に数値を入れて計算すると、先ずＦｐａ＝２６．８ｋＮである。また、（８）式に（５）式及び（６）式を代入し、数値を入れて反力Ｒ11計算するとＲ11＝２．５ｋＮである。そして、この値を（７）式に入れて計算するとＲ12＝２９．３ｋＮとなる。更に、ガイドギブ１１１，１１２に作用する摩擦力ｆ11，ｆ12は、それぞれｆ11＝０．７５ｋＮであり、ｆ12＝８．７９ｋＮである。従って、掘削ロッド２００の引抜き力に相当するＦ11は、上昇力Ｆ12から自重Ｗと摩擦力ｆ11，ｆ12とを差し引いた値であり、８０．５ｋＮとなる。
【００２２】
このような結果を表にすると図６に示すようになる。すなわち、従来のラック昇降装置１２０と本形態のラック昇降装置１について、上側ガイドの摩擦力ｆ11，ｆ21、下側ガイドの摩擦力ｆ12，ｆ22、そして掘削ロッド２００を引き抜く際の実引抜き力Ｆ11，Ｆ21の上記結果を比較した。すると、下側ガイドは本装置の摩擦力ｆ12に僅かな減少が見られた程度であったが、上側ガイドでは本装置の摩擦力ｆ11が大幅に減少した。これは、ラック昇降装置１のピニオンギア２，３が回転することによって回転軸方向にアキシャル荷重Ｆｐａが働き、オーガ１１０に作用するモーメントを打ち消すため、オーガ１１０のガイドギブ１１１がガイドパイプ１０３から受ける反力Ｒ11を減少させるからである。
【００２３】
そして、ガイドギブ１１１，１１２の摺動によって発生する摩擦力ｆ11，ｆ12の減少により、ラック昇降装置１が掘削ロッド２００を引き上げる際の実引抜き力Ｆ11を増加させることができた。すなわち、本実施形態のラック昇降機構では、ラック昇降装置１のピニオンギア２，３をはすば歯車にし、それに合わせてリーダ１０１のラック１０をはすばラックにしたことによって従来よりも大きな実引抜き力Ｆ11を得ることができるようになった。
【００２４】
なお、こうした効果は引抜きの場合だけでなく、押込み時にもピニオンギア２，３とラック１０によってアキシャル荷重が発生し、オーガ１１０に作用するモーメントを打ち消すため、ガイドギブ１１１，１１２の摺動によって発生する摩擦力ｆ11，ｆ12を減少させて押込み力を増加させることができる。
よって、本実施形態のラック昇降機構によれば、こうした実引抜き力や実押込み力を増加させた能力向上によって作業効率が上がった。そして、作業効率向上の効果の他にも、ガイドギブ１１１，１１２の摩擦力の減少により摩耗を低減させることができたため、ガイドギブ１１１，１１２やガイドパイプ１０３の寿命が延びることになる。
【００２５】
以上、本発明のラック昇降機構及び作業装置付杭打機について実施形態を説明したが、本発明はこれに限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。
例えば、前記実施形態では、ラック昇降装置と作業装置とが別のものであったが、ラック昇降装置を作業装置に一体化させるようにしたものであってもよい。その際、実施形態ではピニオンギアの位置がガイドギブの上方であったが、例えば上下に設けられたガイドギブの中間に位置するようにピニオンギアを配置させるようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】ラック昇降機構の一実施形態であって、リーダに装着された作業装置をラック昇降装置によって昇降させる状態を示した側面図である。
【図２】ラック昇降機構の一実施形態について図１のＡ−Ａ断面を簡略化して示した図である。
【図３】ラック昇降機構の一実施形態について図１のＢ−Ｂ断面を簡略化して示した図である。
【図４】実施形態の作業装置付杭打機において引抜き時の力のかかり方を示した図である。
【図５】従来の作業装置付杭打機において引抜き時の力のかかり方を示した図である。
【図６】従来装置と本装置との比較を示した図である。
【図７】掘削作業を行うため、作業装置を装着した作業装置付杭打機を簡略化して示した図である。
【符号の説明】
【００２７】
１    ラック昇降装置
２，３  ピニオンギア
１０  ラック
１００  作業用杭打機
１０１  リーダ
１０３  ガイドパイプ
１１０  オーガ
１１１，１１２  ガイドギブ
２００  掘削ロッド
【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】
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【図７】
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