JPH0518866A - 遠心力載荷実験装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 供試体の質量変化による回転体の動不つりあ
いの除去を簡単かつ迅速におこなえるようにすることに
ある。 【構成】 回転腕が、サブウェイト、サブウェイトを回
転腕の長手方向にそって移動させる手段およびサブウェ
イトに移動をなさせる駆動機構とを具備し、回転腕を回
転させたあと、回転軸の振動が最小になるようにサブウ
ェイトを手動あるいは自動的に移動させることによっ
て、回転体の動不つりあいの調整をおこなえるようにさ
せている。 【効果】 回転腕を回転させたまま、回転体の動不つり
あいの調整をおこなえるので、作業が簡単かつ迅速であ
るばかりか、流体を供給しながらの実験も容易におこな
え、しかも、供試体を破壊することなしに実験をおこな
える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、遠心力載荷実験装置
にかかわり、さらに詳しくは、地盤などの縮尺モデルに
たいするシュミレ−ションを行うのに好適な遠心力載荷
実験装置の改良に関している。

【０００２】

【従来の技術】地盤のような縮尺モデルを作成し、実験
を行う際に、通常の重力場において実験をおこなうと、
自重による応力を再現することは困難であるため、遠心
力載荷実験装置が使用されている。

【０００３】この遠心力載荷実験装置は、たとえば特願
昭６２−１５７７２５号に記載されているように、垂直
な回転軸と、回転軸に固定された回転腕と、回転腕の両
端付近に揺動可能に取り付けられた保持器と、回転軸を
回転させる駆動機構とを具備し、保持器の各々に供試体
である地盤等の縮尺モデルとバランスウェイトを取り付
け、回転腕を高速で回転させて、供試体に大きな遠心加
速度を加え、１／Ｎの縮尺モデルにたいして、Ｎ倍の重
力加速度を与えるようになっている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】このような遠心力載荷
実験装置では、実験を開始するとき、片方の保持器に供
試体を取り付けたあと、もう片方の保持器に供試体の質
量に相当する一定量のバランスウェイトを取り付けて、
供試体の質量による回転体の動不つりあいによって振動
が増大するのを防止している。しかしながら、バランス
ウェイトの量を決定するときに、回転腕を回転させ、回
転軸の振動を計測したあと、回転軸および回転腕の回転
をとめ、バランスウェイトを増減し、ふたたび回転腕を
回転させるという作業をくり返しておこなわなければな
らない、つまり、回転軸、回転腕、保持器、供試体、バ
ランスウェイトなどからなる回転体の動不つりあいを調
整する作業を試行錯誤しながらおこなわなければなら
ず、実験にかなりの手間を要するばかりか、回転腕を停
止させるごとに生じるショックが供試体に加わり、供試
体を破壊する恐れもある。さらに、供試体に水などの流
体を送り込みながら実験をおこなうときにも、送り込む
流体の質量によって回転体に動不つりあいを生じるた
め、供試体の取り付けによる回転体の動不つりあいの調
整作業に加えて、流体を一定量を供給するたびに、回転
腕の回転をとめ、バランスウェイトを調整する作業をく
り返しておこなわなければならない。

【０００５】本発明の目的は、回転体の動不つりあいの
調整を短い時間で、容易におこなうことができる、改良
された遠心力載荷実験装置を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明は、垂直な回転軸と、回転軸に固定された
回転腕と、回転腕の両端付近に揺動可能に取り付けられ
た保持器と、回転軸を回転させる駆動機構とをもち、保
持器の各々に供試体およびバランスウェイトを取り付
け、バランスウェイトを増減することによって、回転
軸、回転腕、保持器などによって構成される回転体の動
不つりあいを調整している遠心力載荷実験装置におい
て、回転腕がサブウェイトと、サブウェイトを回転腕の
回転中心軸からバラウンスウェイトあるいは保持器にむ
かって回転腕上にて移動させる案内機構と、サブウェイ
トに前記移動をなさせる第二の駆動機構とを具備させら
れていることを特徴としている。

【０００７】本発明において、サブウェイトの移動は、
回転腕の回転中心および保持器あるいはバランスウェイ
トの重心をとおる直線上をあるいはこの直線に平行な直
線上を移動をサブウェイトになさせることによっておこ
なっても、回転腕の回転中心軸を中心とする回転および
回転中心軸をとおる直線にそう移動をサブウェイトにな
させることによっておこなってもよい。直線移動のみさ
せる場合、ふたつのサブウェイトが回転腕の短手方向に
回転腕の回転中心の両側に配置され、同時に回転腕の長
手方向に移動されるようにしても、ひつのサブウェイト
が回転腕の回転中心および保持器の重心をとおる直線上
を移動するようにさせてもよく、また、回転腕の回転中
心からバランスウェイトあるいは保持器にむかってのみ
移動させても、回転腕の回転中心の両側にわたって移動
させてもよい。

【０００８】さらに、回転軸の回転角度を検出する手段
と、回転体の振動変位を検出する手段と、これらの検出
手段からの信号によって回転体の動不つりあいを最小に
する位置にサブウェイトを移動させるように、第二の駆
動機構を作動させる制御手段とを具備させて、回転体の
不つりあいを自動調整するようにさせてもよい。

【０００９】

【作用】回転体の動不つりあいの調整は、供試体および
バランスウェイトを保持器の各々に取り付けて、回転腕
を回転させたあと、実験者が回転軸の振動を計測しなが
ら、サブウェイトを移動させて、軸振動が最小になった
ところで、サブウェイトの移動を停止することによって
なされる、つまり、回転腕の回転をとめることなしに、
供試体の質量とバランスウェイトのそれとの差にもとづ
く回転体の動不つりあいの調整をおこなえる。供試体に
流体を送り込みながらおこなう実験に際しても、回転腕
を回転させ、流体を供試体に送り込みながら、軸振動が
最小になるように、軸振動を計測およびサブウェイトの
移動をおこなうことによって、同様に、回転腕の回転を
とめることなく、流体の質量による回転体の動不つりあ
いの調整をおこなえる。

【００１０】このときに、サブウェイトが回転腕の回転
中心の前後にわたって移動をおこなえるようにさせてあ
ると、バランスウェイトの質量が供試体のそれにたいし
て小さくても、あるいは、大きくても、回転体の動不つ
りあいの調整をおこなえる。サブウェイトの移動がサブ
ウェイトの移動方向にそって回転腕上に配置された部材
によって案内されていると、回転腕が回転されたとき
に、サブウェイトに負荷される遠心力をこの部材によっ
てうけさせることができ、しかも、サブウェイトを送り
ねじによって移動させたときに、サブウェイトあるいは
ナットの回転を止める手段を不用にさせられる。

【００１１】回転軸の回転角度を検出する手段と、回転
体の振動変位を検出する手段と、これらの検出手段から
の信号によって回転体の動不つりあいを最小にする位置
にサブウェイトを移動させるように、第二の駆動機構を
作動させる制御手段を具備していると、供試体およびバ
ランスウェイトを保持器の各々に取り付け、回転腕を回
転させると、制御手段が回転軸の回転角度に関連する信
号と回転軸の振動変位に関連する信号とから回転体の動
不つりあいを最小にする位置にサブウェイトを移動させ
るように第二の駆動機構を作動させるため、回転体の動
不つりあいの調整を自動的におこなえる。

【００１２】

【実施例】本発明の遠心力載荷実験装置の実施例は、以
下に、図面とともに説明する。

【００１３】この遠心力載荷実験装置は、地盤などの縮
尺モデルにたいするシュミレ−ションをおこなうための
もので、図１に示すように、垂直に配置された回転軸１
０、回転軸１０に直角に配置されかつこれに固定された
回転腕１５、回転腕１５の両端付近に揺動可能に取り付
けられた供試体およびバランスウェイトを載荷するため
の保持器１６、１７、それに、回転軸１０を回転させる
駆動機構とを具備している。装置全体は地下に構築され
た実験室に設置されている。

【００１４】回転軸１０は、垂直に配置されているとと
もに、下端付近を基台１１にある軸受に、上端付近を地
下室を形成している部材１２にある軸受にそれぞれ保持
されている。

【００１５】回転腕１５は、型材、板材などを溶接組立
したもので、中央が回転軸１０の上部にかん合かつ固定
され、回転軸１０とともに回転することができる。

【００１６】保持器１６、１７は、たとえばかご状の台
の形態をもつものからなっていて、回転腕１５の回転中
心から等距離はなれて配置されているとともに、回転腕
１５の両端付近に回転可能に吊されている。取り付け
は、保持台１６、１７の一端にある軸１８、１９を回転
腕１５にある固定軸に偏心させてはめることによってな
され、軸１８、１９を中心にして保持台１６、１７を回
転させることによって、各々の保持台の自由端が回転腕
１５の端部にある部材に圧着して、保持台と回転腕とを
一体化させることができる。油圧シリンダ２０、２１
は、保持台の回転をおこなうためのもので、シリンダケ
−スを回転腕１５にある軸に、ピストンロッドを保持台
の揺動軸１８、１９に取り付けられている。なお供試体
を取り付ける保持台１６には供試体に振動を印加するた
めの手段１６ａが搭載されている。

【００１７】駆動機構は電動機１３およびギアボックス
１４を具備している。ギアボックス１４は、たがいにか
み合う一組のベベルギアをもっていて、一方のベベルギ
アが軸継手を介在して電動機１３の出力軸に、他方のベ
ベルギアが回転軸１０にそれぞれつながれている。

【００１８】この遠心力載荷実験装置においても、実験
は、片方の保持台１６に供試体を取り付け、もう片方の
保持台１７に供試体の質量に相当するバランスウェイト
を取り付けたあと、電動機１３を始動させることによっ
てなされる。電動機１３が作動すると、駆動力がギアボ
ックス１４を経由して回転軸１０に伝達され、回転腕１
５が回転軸１０といっしょに回転し、保持台１６、１７
が発生した遠心力によって軸１８、１９を中心にして水
平方向に振り上がる。振り上がったら、油圧ジャッキ１
４を作動させて、保持台１６、１７を回転腕１５に圧着
して、遠心力が保持台１６、１７に加わるようにさせ
る。回転腕１５が回転したときに、回転軸１０、回転腕
１５、保持台１６、１７、それに、供試体、バランスウ
ェイトなどからなる回転体の動不つりあいがとれていな
いと、いいかえれば、保持台１７にあるバランスウェイ
トの質量が保持台１６にある供試体のそれに精密に一致
していないと、回転腕１５および回転軸１０に振動が発
生することになる。そこで、回転腕１５の回転をとめ、
保持台１７のバランスウェイトを調整し、ふたたび回転
腕１５を回転させ、軸変位計によって回転軸１０の振動
を検出し、振動が所定値でなければ、これらをくり返し
て、回転体の不つりあいの調整をおこなうのであるが、
本発明による遠心力載荷実験装置では、回転腕１５の回
転をとめることなしに、回転体の不つりあいの調整をお
こなえるようにさせている。

【００１９】このために、本発明による遠心力載荷実験
装置では、サブウェイトと、サブウェイトを回転腕１５
の長手方向にそって移動させる手段と、サブウェイトに
前記移動をなさせる駆動機構とを具備している。

【００２０】サブウェイトは、図２において参照符号２
２、２３で示された、ふたつウェイトからなっていて、
回転軸１０の両側に配置され、回転腕１５の長手方向に
そいかつ回転腕１５の回転中心の前後にわたって移動す
ることができる、より厳密には、保持台１６、１７の重
心と回転腕１５の回転中心とをとおる直線に平行な直線
にそって移動することができる。

【００２１】駆動機構はボ−ルねじのような送りねじ２
４、２５からなっている。ボ−ルねじにおけるねじ軸の
各々は、中央を回転腕１５の回転中心に一致させて、回
転腕１５の長手方向にそって配置され、両端を回転腕１
５にある台にある軸受に保持されている。サブウェイト
２２、２３は、送りねじのナットにかん合かつ固定され
ている。が、これらのボ−ルねじは、ねじ軸のねじがた
がいに逆ねじになっていて、これらのねじ軸を同じ方向
に回転させたときに、サブウェイト２２、２３が回転腕
１５の回転中心から等距離の移動を、同じ方向にむかっ
ておこなえるようにさせている。さらに、ガイド３０、
３１がサブウェイト２２、２３の移動方向にそって回転
腕１５に設置され、サブウェイト２２、２３の回転をと
めているとともに、回転腕１５が回転したときに、サブ
ウェイト２２、２３にかかる遠心力をうけている。

【００２２】駆動源２６はたとえば油圧モ−タからなっ
ている。圧油の供給は、油圧シリンダ２０、２１ととも
に、この遠心力載荷実験装置から独立している油圧駆動
装置から、回転軸１０の下端にあるロ−タリジョイント
３２、回転軸内の配管および回転腕１５にある配管を経
由してなされている。

【００２３】油圧モ−タ２６からボ−ルねじ２４、２５
への駆動力の伝達は、ギアボックス２７〜２９によって
なされている。ギアボックス２７、２８は、たがいに噛
み合う一組のベベルギアをもつものからなっていて、一
方のベベルギアがねじ軸に、他方のベベルギアがギアボ
ックス２９にそれぞれつながれている。ギアボックス２
９は、一組のウォ−ムホイ−ルとをもつもので、ウォ−
ムホイ−ルがギアボックス２７、２８の他方のベベルギ
アに、ウォ−ムが油圧モ−タ２６の出力軸にそれぞれつ
ながれている。

【００２４】実験は、回転軸１０の振動変位を検出する
非接触式の変位計４９をこの遠心力載荷実験装置装置に
おける静止している部材１１、１２などに支持させ、片
方の保持台１６に供試体を取り付け、もう片方の保持台
１７に供試体の質量に関連するバランスウェイトを取り
付けたあと、電動機１３を始動させることによって開始
される。電動機１３が作動すると、駆動力がベベルギア
ボックス１１を経由して回転軸１０に伝達され、回転腕
１５が回転軸１０といっしょに回転する。回転腕１５が
回転すると、保持台１６、１７は、発生した遠心力によ
って、軸１８、１９を中心にして水平方向あるいは回転
腕１５の長手方向に振り上がる。振り上がったら、油圧
ジャッキ１４を作動させ、保持台１６、１７を回転腕１
５に圧着して、遠心力が保持台１６にある供試体に加わ
るようにさせる。

【００２５】このあと、回転体の動不つりあいを調整す
るのであるが、本発明による装置では、回転腕１５を回
転させたままにさせて、軸変位計４９によって回転軸１
０の振動を計測しながら、油圧モ−タ２６を作動させ、
回転軸１０の振動が最小になる方向にむかって、いいか
えれば、サブウェイト２２、２３を保持台１６あるいは
保持台１７にむかって移動させ、回転軸１０の振動が最
小になったところで、油圧モ−タ２６の回転をとめ、サ
ブウェイト２２、２３の移動を停止させることによっ
て、回転体の動不つりあいの調整をおこなえる。

【００２６】本発明による遠心力載荷実験装置では、こ
のように、回転腕１５を回転させながら、サブウェイト
２２、２３を動かすだけで回転体の動不つりあいをとる
ことができる、つまり、おおよその質量をもつバランス
ウェイトを保持台１７に取り付け、回転腕１５の回転を
とめずに、回転体の動不つりあいの調整をおこなえるの
で、実験をきわめて短い時間かつきわめて簡単におこな
え、しかも、供試体が盛土のようなものであっても、従
来のこの種の実験装置のように回転腕１５の回転、停止
のくり返しを必要としないので、これにともなうショッ
クなどによる供試体の破壊なしに実験をおこなえる。

【００２７】供試体に流体を送り込みながらおこなう実
験は、このようにして、供試体の質量にもとづく回転体
の動不つりあいを調整したあと、流体を供試体に送り込
みつつ、回転軸１０の振動変位をみながら、油圧モ−タ
２６を作動させ、軸振動が最小になるように、サブウェ
イト２２、２３の移動をおこなうことによって、流体の
質量が加わることによる回転体の動不つりあいの除去を
おこなえる。

【００２８】この遠心力載荷実験装置では、これらの一
連の作業が自動化されている。図３はこのための装置を
示していて、回転軸１０の回転を検出する手段４１、回
転軸１０の振動変位を検出する手段４２および制御手段
４３とをもっていて、制御手段４３がこれらの検出手段
４１、４２からの出力信号によって回転体の不つりあい
の方向と大きさとを検出し、サブウェイト２２、２３を
移動方向を決定し、回転軸１０の振動の大きさが最小に
なると、サブウェイト２２、２３を移動をとめることに
よって、回転体の動不つりあいを自動的に除去するよう
にしている。

【００２９】回転軸１０の回転を検出する手段４１は、
回転軸１０にある基準位置表示部材およびこの基準位置
を読み取るセンサからなっている、基準位置表示部材は
たとえば図２に示すように反射テ−プ４５から、センサ
は光学式のセンサ４８からなり、反射テ−プ４５を回転
軸１０に貼り付け、光学式センサ４８を基台１１、部材
１２のような静止部材に取り付けて、反射テ−プ４５が
センサ４８を通過するごとに、つまり、回転軸１０が一
回転するごとに、センサ４８にパルス状の信号を出力さ
せるようにさせている。回転軸１０の振動を検出する手
段４２は、非接触式の変位計４９からなっていて、回転
軸１０の回転を検出する手段４１と同じ位置に配置され
ているとともに、静止部材に取り付けられている。

【００３０】図４は検出手段４１、４２から出力される
信号の一例を示している。光学センサ４８は回転軸１０
が一回転するごとにパルス状の信号５１を、変位計４９
はこの回転における回転軸１０の振動変位に関連する信
号５２をそれぞれ出力する。制御手段４３は、基準位置
信号５１と振動変位信号５２におけるピ−クとの位相差
が角度±９０°をこえているかどうかで、サブウェイト
２２、２３の移動方向を決定し、油圧制御回路５０にあ
る油ポンプから油圧モ−タ２６に供給される圧油のなが
れを制御している電磁式方向制御弁のスプ−ルを移動さ
せ、圧油を油圧モ−タ２６に供給し、油圧モ−タ２６に
よって送りねじ２４、２５を回転させ、サブウェイト２
２、２３を移動させ、そして、信号５２の大きさがサブ
ウェイト２２、２３の移動によって許容範囲になると、
油圧モ−タ２６にたいする圧油の供給をとめる方向に電
磁式方向制御弁２６のスプ−ルを移動させ、サブウェイ
ト２２、２３の移動を停止させ、回転体の動不つりあい
を自動調整している。この装置では、さらに、ボ−ルね
じのねじ軸の回転角度を検出するポテンションメ−タや
サブウェイト２２、２３のストロ−クエンドを検出する
リミットスイッチなどからなる手段４４を具備してい
て、サブウェイト２２、２３がストロ−クエンドに到達
しても調整をおこなえないときに、制御手段４３は手段
４４からの信号によって油圧モ−タ２６にたいする圧油
の供給をとめるように電磁方向制御弁のスプ−ルを移動
させるとともに、調整範囲をこえていることを警告する
ようにしている。

【００３１】以上説明した実施例において、サブウェイ
ト２２、２３は送りねじ２４、２５によって移動させら
れているが、チェ−ンやラックアンドピニオンギアのよ
うな他の直線移動手段によってもおこなって、油圧シリ
ンダや空気圧シリンダなどによっておこなうようにさせ
てもよく、また、回転体の不つりあいの自動調整も回転
軸１０の回転角度に関連する信号、回転軸の振動変位の
大きさおよび角度、サブウェイト２２、２３の現在位置
に関連する信号によって、回転体の動不つりあいが最小
になるサブウェイトの位置を演算し、演算結果にしたが
って油圧モ−タ２６を電気油圧サ−ボ制御することによ
っておこなうようにさせるようにしてもよい。

【００３２】

【発明の効果】本発明によれば、回転腕を回転させたま
ま、回転体の動不つりあいを調整することができるの
で、従来の装置に比較して、回転体の動不つりあいの調
整作業のみならず、供試体に水などの流体を流し込みな
がらおこなう実験もきわめて容易にかつ迅速におこなう
ことができ、しかも、供試体が盛土のようなものであっ
ても、回転腕の回転および停止にともなうショックなど
による破壊なしに実験をおこなうことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の遠心力載荷実験装置の一実施例の正面
図である。

【図２】図１のＡ−Ａ線にそう回転腕の断面図である。

【図３】サブウェイトの移動を制御する装置の構成を示
す説明図である。

【図４】検出される信号の一例を示す説明図である。

【符号の説明】

１０…回転軸、１５…回転腕、１６、１７…保持器、１
３、１４…駆動機構、２２、２３…サブウェイト、２４
〜２９…第二の駆動機構。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 垂直な回転軸と、回転軸に固定された回
   転腕と、回転腕の両端付近に揺動可能に取り付けられた
   保持器と、回転軸を回転させる駆動機構とをもち、保持
   器の各々に供試体およびバランスウェイトを取り付け、
   バランスウェイトを増減することによって、回転軸、回
   転腕、保持器などによって構成される回転体の動不つり
   あいを調整している遠心力載荷実験装置において、回転
   腕がサブウェイトと、サブウェイトを回転腕の回転中心
   軸からバラウンスウェイトあるいは保持器にむかって回
   転腕上にて移動させる案内機構と、サブウェイトに前記
   移動をなさせる第二の駆動機構とを具備させられている
   ことを特徴とする遠心力載荷実験装置。
2. 【請求項２】 案内機構がサブウエウイトに回転腕の回
   転中心および保持器およびバランスウェイトの一方の重
   心をとおる直線にそう移動を前記回転中心の両側にわた
   ってなさせている請求項１に記載の装置。
3. 【請求項３】 回転軸の回転角度を検出する手段と、回
   転体の振動変位を検出する手段と、これらの検出手段か
   らの信号によって回転体の動不つりあいを最小にする位
   置にサブウェイトを移動させるように、第二の駆動機構
   を作動させる制御手段とを具備している請求項１に記載
   の装置。
4. 【請求項４】 垂直な回転軸と、回転軸に固定された回
   転腕と、回転腕の両端付近に揺動可能に取り付けられた
   保持器と、回転軸を回転させる駆動機構とをもち、保持
   器の各々に供試体およびバランスウェイトを取り付け、
   バランスウェイトを増減することによって、回転軸、回
   転腕、保持器などによって構成される回転体の動不つり
   あいを調整している遠心力載荷実験装置において、回転
   腕が、サブウェイトと、サブウェイトに回転腕の回転中
   心と保持器およびバランスウェイトの一方の重心とをと
   おる直線に平行な直線上の移動をなさせている案内機構
   と、サブウェイトに前記移動をなさせる第二の駆動機構
   と、回転軸の回転角度を検出する手段と、回転体の振動
   変位を検出する手段と、これらの検出手段からの信号に
   よって回転体の動不つりあいを最小にする位置にサブウ
   ェイトを移動させるように、第二の駆動機構を作動させ
   る制御手段とを具備させられていることを特徴とする遠
   心力載荷実験装置。
5. 【請求項５】 サブウェイトがふたつからなり、回転腕
   の回転中心をはさんで配置され、案内機構がこれらのサ
   ブウェイトに回転腕における回転中心の両側にわたって
   移動をなさせ、駆動機構がこれらのサブウェイトを同時
   に同じ方向に移動させている請求項４に記載の装置。
6. 【請求項６】 サブウェイトの移動方向にそって回転腕
   上に配置され、サブェイトの回転を阻止するとともに、
   回転腕が回転されたときに、サブウェイトに負荷される
   遠心力をうける部材を具備している請求項４あるいは請
   求項５に記載の装置。