JPS5829379B2 - パイルハンマ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はパイルハンマの改良に関する。

土木工事等におけるパイルの打ち込みに、従来から硬質
地盤にはディーゼルパイルハンマが、また軟質地盤には
振動式杭打ち機が広く用いられているが、ディーゼルパ
イルハンマの場合は、シリンダ内で燃料を燃焼爆発させ
、その反動を利用してパイルを打ち込むよう、ドしてい
るため爆発時の騒音が非常に大きい上、地盤の状況によ
って燃料の爆発状態が変るため、完全で理想的な燃焼が
困難で黒い排煙あるいは排気ガスが発生し、それが環境
公害発生の原因となり、特に都市地域内での使用は、困
難な状況となっている。

一方振動式杭打ち機の場合は、振動が激しいため地盤が
あたかも弱い地震が発生したように振動し、近隣家屋に
物的な損害を及ぼすばかりでなく近隣住民に与える不快
感を避けることができず、そのための使用は矢張り公害
防止の見地から最近では大きな制約を受けている状況に
ある。

このように従来の有力なパイルハンマの都市地域での使
用が、環境公害上の問題から制限を受けている実情から
排気排ガス等が発生せず、騒音、振動の小さなパイルハ
ンマの出現が業界で要望されている。

本発明は係る業界の要望に応えることの可能なパイルハ
ンマを提供することを目的として提案されたもので、下
端開口に、底部シリンダを流体密に装着された外筒、同
外筒内に同心的に配設され、下端開口を上記底部シリン
ダの弁口上端部周縁に流体密に固着された内筒、同内筒
の上端開口に吸込口を連通させるように該内筒の上端に
ケーシングの一側を固定されたポンプ、同ポンプのケー
シングの他側に固定された電動機、上記内筒の外周面と
外筒の内周面間に形成された環状空間内に、その上下方
向に沿って螺旋状に配設され、上端開口を上記ポンプの
吐出管に、また下端開口を上記底部シリンダの弁室にそ
れぞれ連通された流体導管、上記底部シリンダのシリン
ダ内に装着されたプランジャ、該底部シリンダの弁室内
に配設され、通常、弁口を閉じるように付勢され、かつ
上記流体導管内に、該ポンプの吐出量が少なく吐出圧力
が高いとき、該弁口を開くように構成された開閉弁むよ
び上記内管内と流体導管内に流体を充填し、所定の圧力
を保持するため、運転前に、流体およびガスを充填する
ための部材を具備してなることを特徴とするパイル・・
ンマに係るものである。

以下添付図面を参照しながら本発明の一実施例につき具
体的に説明すると、図に釦いて１は外周に冷却用フィン
１ａを有する外筒、２は該外筒１の下端開口を流体密に
閉鎖するように外筒１の下端にこれと同心的に固着され
た底部シリンダで、同シリンダ２内にはパイルＰの打ち
込み用プランジャ３がシリンダカバー４を介して嵌入さ
れている。

また該シリンダ２の上部には後述する開閉弁１４の弁室
１４ａｂよび弁シー）１４ｂ、弁口１４ｃが設けられて
いる。

５は上記外筒１内にこれと同心的に配設された内筒で、
同内筒５の外周面と外筒の内周面との間には環状空間６
が形式されており、該内筒５の下端開口は、上記シリン
ダ２の弁口１４ｃの上端周縁部に流体密に固定されてい
る。

７は上記内筒５の上端開口の周縁部上にケーシングの一
側を固設されたポンプで、同ポンプ７の吸込口は内筒５
の上端開口に連通されてチ一り、昔た該ポンプ７のケー
シングの他端上にはその駆動用電動機８が固設されてい
て該ポンプ７は電動機８で駆動回転せしめられるように
なっている。

実施例のポンプ７の形式は遠心ポンプであるが、この形
式のポンプは吐出量が少ないときは、吐出圧力が高く、
また吐出量が多いときは、吐出圧力が低くなる特性を有
している。

９は該ポンプ７の吐出口に一端を接続されたポンプ吐出
管、１０は上記内筒５と外筒１間の環状空間６内に上端
部から下端部に亘って螺旋状に配設された流体導管で、
同流体導管１０の上端開口は上記ポンプ吐出管９の他端
に、またその下端開口は、上記シリンダ２の開閉弁１４
の弁室１４ａ内に連通している。

この流体導管１０の流路全長は、通常２０７５０ｍの長
さに設定される。

１１は上記電動機８のケーシングに固着されたアキュム
レータ、１２は該アキュムレータ１１に図示の如く装着
された液面計、１３は該アキュムレータ１１の上端の流
体供給口１１ａからの流体およびアキュムレータ１１内
の流体の流を開閉する弁、１１ｂは上端をアキュムレー
タ１１の下端に連通され、下端を上記外筒１の上端に連
通された連通管で、内筒１の内側むよび流体導管１０内
には、運転前に予かじめアキュムレータ１１の上端の流
体供給口１１ａから比較的粘性の小さな流体が上記液面
計１２がその液面レベルを検出する１で充填されたのち
、ガスが充填され、適当な加圧状態とする。

この目的のため、上記アキュムレータ１１に、流体供給
口１１ａｈよび弁１３が付設されている。

な釦適当な加圧状態とは、プランジャ３の上面に、パイ
ルハンマ全体の自重のため、底部シリンダ２が接してい
るが、これが開閉弁１４を開の状態で、ポンプ７を運転
したとき離れない範囲で、できるだけ高い圧力にする。

上記シリンダ２の弁室１４ａ内に上下動可能に配置され
た開閉弁１４の上面に下端を取付けられたロッド１５の
上端部は、内筒５の下部適所に、該内筒５内側壁にブラ
ケツＮｂで内筒５と同心的に支持されたシリンダ１６を
貫通して上方に延出してかり、また該ロッド１５の適所
には該シリンダ１６に嵌合するピストン１５ａが設けら
れている。

１７は該ピストン１５ａの下面とシリンダ１６の下端周
縁部間に介装された圧縮ばねで、同ばね１７はピストン
１５ａの上面に上記ポンプ７の吐出圧が作用していると
き、該吐出圧に打ち勝ってピストン１５ａを押上げ、開
閉弁１４を閉状態とするように常にピストン１５ａを付
勢シている。

１８は該ピストン１５ａの上面へのポンプ７の吐出圧導
圧孔で、同導圧孔１８は、上記ブラケット１ｂに設けら
れ、上記流体導管１０の適所とシリンダ１６のピストン
１５ａの上面側空間を連通している。

図に示す実施例では、外筒１と内筒５で作る環状空間６
を介して、ポンプ７の吐出口すなわち流体導管１００入
口部に連通している。

ピストン１５ａの直径ｄは、開閉弁１４の有効受圧面積
を決める有効直径ｄＶより大きくし、ポンプ７の吐出圧
力が所定の値より高くなったとき、ピストン１５ａの上
面に作用する圧力による力が、開閉弁１４の下面に作用
する圧力による力より太きくなり、開閉弁１４が開くよ
うにする。

１９は内筒５Ｊｉ？よび外筒１の適所を流体密に水平に
貫通し、その内端が内筒５の軸心上に位置するように装
着された開閉弁１４の手動操作杆で同操作杆１９の内端
と、上記ロッド１５の延出端との間には連杆２０がピン
連結されて釦り、該操作杆１９を適宜の手段で操作する
ことにより、開閉弁１４を手動で開閉できるようになっ
ている。

本発明のパイルハンマは上記のように構成されて釦り、
本パイルハンマによってパイルＰを打ち込むに当っては
、１ずプランジャ３の下端にパイルＰの一端を仮止めし
、モビルクレーン等の揚重機でアイポル）８ａを介して
吊上げ、ついでパイルＰを所望の打込み位置に下したの
ち電動機８を作動させてポンプ７を駆動回転させる。

この場合、ポンプ７の吐出管９内の圧力は、流体導管１
０内釦よび環状空間６内すなわち流体導管１０の外側に
作用する。

流体導管１０の外側は、底部シリンダ２の部分で閉回路
となっているため、圧力は、はとんどポンプ７の吐出圧
力に等しい。

またポンプ７の吐出管９から吐出される流体の流れは、
ポンプ吐出管９→螺旋状流体導管１０→弁室１４ａ→弁
ロ１４ｃ→内筒５→ポンプ吸込ロ→ポンプＴ→ポンプ吐
出管９の流体回路を形成するが、ポンプ７の運転前は、
開閉弁１４は圧縮ばね１７で閉しられて釦り、この状態
でポンプ７の運転を開始するとポンプ７は締切運転状態
となり、その吐出圧力が高くなってピストン１５ａの上
面と、開閉弁１４の下面に作用する流体圧力が作る差の
ため、開閉弁１４が開かれ、流体導管１０内の流体の流
速は時間の経過とともに増大し高速となる。

このときポンプ７の吐出圧力は、流量の増大とともに低
下するので、ピストン１５ａに作用する圧力と、開閉弁
１４の下面に作用する圧力による力の差は、該圧力より
も圧縮ばね１７の力の方が強くなり、開閉弁１４は閉と
なる。

開閉弁１４は閉となる。これをもう少し詳細に説明する
と、第２図は、ポンプの吐出量と吐出圧力の関係を示し
たものであるが、ポンプ７の運転した瞬間は、開閉弁１
４が閉となっているため、吐出量がゼロであり、ポング
ーの吐出圧力は最も高く、第２図Ａ点となる。

前述のように、ピストン１５ａの上面にはポンプ７の吐
出圧力Ｐｄが作用するので、ここの力Ｆ１は となる。

一方、開閉弁１４の下から上向きの力Ｆ２は、流体導管
１０の圧力損失はほとんど無視できるので、同様に と表わされる。

開閉弁１４には圧縮ばね１７の力Ｆが作用してむり、開
閉弁１４が開く条件は、２図に示すように、吐出圧力Ｐ
ｄが・・・・・・・・・で示すＰｍの線より大きいとき
は開閉弁１４が、開くことになる。

したがって、ポンプ７運転とほとんど同時に、開閉弁１
４が開になる。

なｐ吐出圧力Ｐｄが、大きいときは、ポンプの吐出量Ｑ
は少なく、ポンプ７の吐出量Ｑはほとんどすべて流体導
管１０内を流れるので、流体導管１０内の流速も低い。

開閉弁１４が開となり、ポンプ７の吐出量が徐々に増大
し、Ａ点からＢ点に達する。

Ｂ点に来ると、前述のように力のバランスから開閉弁１
４が閉となる。

そのため流体導管１０の流体の流れが突然に開閉弁１４
でせき止められるため、流体導管１０内の流体には、そ
の慣性力に基づ〈所謂水撃作用が発生し、開閉弁１４の
上流側（下側）には１００〜２００に１／ｃｒ／ｌ と
いう大きな圧力が瞬間的に発生する。

これをもう少し詳細に圧力発生のメカニズムを説明する
。

第３図に本願のパイル・・ンマをモデル化した図を示す
。

図に釦いて、部品の符号は第１図と同じにした。

流体導管１０は便宜上直管として表わしであるが、長さ
ｔが２０〜５０ｍと長いものとする。

その断面積をａとする。

また内筒５は長さは短かく、断面積ａ′は大きく、この
内の流体の慣性力は無視できるものとする。

シリンダ２内に高い圧力が発生すると、シリンダ２や流
体導管１０が弾性変形により、容積がわずかに大きくな
り、またここの流体も、圧縮されてわずかに容積が小さ
くなるが、計算を簡単にするため、流体導管１０内では
流体は非圧縮性であると仮定し、シリンダ２内の流体が
圧縮されるとする。

ただし、このときシリンダ２の容積としては流体導管１
０の容積の１／２を加えた等価的な容積Ｖｅを考える。

い１、パイルの貫入抵抗が無限大としたときの本パイル
ハンマの貫入力を求める。

非圧縮流体のオイルラーの式は、流体導管１０内の流速
をｕ１時間をｔ流体の密度をρとするとと表わされる。

これと、流体導管１０の長さ方向Ｘについてｘ ＝ ｌ
’！で積分しＸ＝ｏ、すなわちポンプ吐出管９に釦け
る圧力をＰｄとし、シリンダ内の圧力をＰｏとすると とｉる。

第３図で、パイルの貫入抵抗を無限とすると、プランジ
ャ３の変位がゼロで、パイルハンマ全体がｙだけ上方向
に動くものとすると、パイルハンマの質量をｍで表わし
、シリンダ２の断面積をＡとすると、 となる。

捷た流体導管１０の流量と変位ｙの間には、シリンダ２
０等価容積Ｖｅ とし、ここにトける容積変化率をβで
表わすと となる。

これをｔで微分し、 整理し、 を得る。

α０式に（９）式を代入し、これを（８）式に代入して
整理する。

但し、ｐｄ〈〈ｐｏ であり、（０式のｐｄを無視する
。

と表わされる。

Ｃ１，Ｃ２は定数である。ｔ ＝ ｏのとき、ｐｏ ：
ｏ （ｐｄ ＜＜ ｐｏとしｐｄ ｏ二としている）
とすると、Ｃ１＝ｏであり、０式は次のようになる。

α試を微分し、 とｉる。

な、Ｚ−Ｕ。は開閉弁１４が閉じる寸前の流体導管１０
内の流速である。

したがって、０（試より、定数Ｃ２は となる。

したがってシリンダ２内の圧力は と表わされる。

ｐｏの最大値すなわち最大貫入力を決める最大圧力は と々る。

このときの貫入力 となる。

圧力ｐ。はｓｉｎ波状であり、ｐ ｏ ＜ 。

には開閉弁１４が開くためｐ。

がｓｉｎカーブで穴になる部分では流体が流体導管１０
内を逆流するため負圧は存在しない。

第４図は、以上の作動状況を線図に示したものである。

捷ず、開閉弁１４が開の状態で、流体導管１０内の流速
Ｕが増加し、同時にポンプ７の吐出圧力ｐｄが低下して
いく。

ポンプ７の吐出圧力ｐｄがｐｍに達した瞬間開閉弁１４
が閉になり、ポンプ７の吐出圧力ｐｄは急激に増加する
。

流速Ｕも波状的に減小する。

シリンダ２内にはｓｉｎカーブ状の圧力が発生すること
になる。

なお・（ホ）式に具体的な数値を代入してみる。

流体導管１０の内径を０．１ｍ、長さを５０ｍ、等価容
積Ｖｅ ＝ ０．３ ｍ３パイルハンマの重量を１００
００ｋｆ、シリンダ２の内径を０．３ｍ流体を水とし、
容積変化率βをｌＸｌ０−８ｒｒ？／１．、流体導管１
０内の開閉弁１４閉寸前の流速Ｕ。

を３０ｍ／８ｏｃとすると、Ｐｏｍａｘ ＝ １７０
ｋｇ／ｃｒＡとなりＷｍａＸ＝ １２０ ｔｏｎとなる
。

以上の説明は、パイルの貫入抵抗が無限大のときの貫入
力であるが、実際にはパイルが貫入されるため、流体の
圧力と流量が貫入仕事に費やされる。

貫入抵抗が大きいときは、太き彦圧力が発生へ貫入抵抗
が小さいときには貫入量が多く圧力は前者はど大きくｉ
らない。

いずれの場合も、開閉弁１４が閉になった瞬間に生ずる
水撃作用により、波状的に圧力が発生する。

この大き彦圧力によってパイルＰの一端を取付けられた
プランジャ３には下方への圧力が、渣たシリンダ２その
他の部材には上方への圧力がそれぞれ作用する。

この場合開閉弁１４の下方に大きな圧力が発生している
ため、開閉弁１４は閉じたｉｔ開かないが次の瞬間上記
水撃作用により波状的に低圧力となる。

この場合ポンプ７は締切連転状態となっているため、再
び開閉弁１４は開かれて流体導管１０内の流体の速鹿は
増大し、上述の場合と同様にして開閉弁１４が再び閉じ
られ水撃作用を発生する。

上記作動の自動的な繰返しが、ポンプ７の運転中に行わ
れ、パイルＰはプランジャ３に間欠的に作用する下方へ
の圧力によって順次土中へ打込１れる。

上記水撃作用により発生し、プランジャ３に作用する下
方への圧力は、流体導管１０の長さく正確には流路の長
さ）、流体密度、流体の減速度（マイナス方向への加速
度）等に比例するが、流体の減速度は、パイルＰを打込
むべき地盤の硬さにより、それが軟かい場合には、開閉
弁１４が閉じられた瞬間、弁室１４ａ内の高圧発生と同
時にプランジャ３がパイルＰとともに下方に移動するた
め、流体導管１０内の流体の流れは零にならずその流速
の減速度もそれほど大きくならない。

し６し短時間ではあるが、高い圧力が弁室１４ａ内で持
続されるため、プランジャ３はパイルＰを能率よく打込
んでいく。

一方地盤が硬い場合は、プランジャ３がその抵抗でほと
んど下方に移動しないため、上記高圧力によってシリン
ダ２その他の部材が上方向に動くこととなるが、この慣
性力は相当に大きいため、非常に高い圧力が弁室１４ａ
内に発生し、僅かづつではあるが該圧力によってプラン
ジャ３はパイルＰを打込んでいく。

このよウニ本パイルハンマによれば地盤の軟、硬の状態
に応じてプランジャ３への作用圧力が弁室１４ａ内に発
生するので、広範囲の地盤へのパイル打込みが可能とな
る。

また動力としては電動機を用いているため、排気ガス等
の発生はなく、な釦また流体圧によるパイル打込みのた
め機械的騒音や振動の発生も少ない。

なお本願のパイルハンマは長い流体導管１０内の流れを
瞬間的に止めたときに発生する波状的な高圧を利用して
、これでパイルの貫入を行なうことを要旨とするもので
あり、開閉弁１４は、実施例に示すようなポンプ７の吐
出圧力を検出して開閉することはもちろん可能であるが
、流速が早くなったりタイミングを見て、手動操作杆１
９により外部から開閉しでも、またその他の手段で、高
速流体をせき止めるための開閉弁を閉にすることによっ
て、本願の作用効果を得ることができる。

本発明のパイルハンマは、上記のような構成、作用を具
有するものであるから本発明によれば、（１）軟質から
硬質に至る広範囲の地盤へのパイル打込みが可能である
。

（匂 排気ガス等の発生がなく、しかも機械的騒音や振
動の発生が少ないので、環境公害問題を起す釦それがな
く、従って都市地域での使用を制限される釦それかない
。

などの実用的効果を挙げることができる。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明の一実施例の略示的縮断面図である。 第２図はポンプの特性図で、開閉弁１４の開閉点を示す
説明図である。 第３図は、本願のパイルハンマの作用説明のためのモデ
ル図で、第４図は作動状況の線図である。 １：外筒、２：底部シリンダ、３ニブランジヤ、５：内
筒、７：ポンプ、８：電動機、９：ポンプ吐出管、１０
：螺旋状流体導管、１１：アキュムレータ、１４：開閉
弁、１４ａ：弁室、１４ｃ：弁口、１５：連結杆、１５
ａ：ピストン、１６：開閉弁作動用シリンダ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 下端開口に、底部シリンダを流体密に装着された外
   筒、同外筒内に同心的に配設され、下端開口を上記底部
   シリンダの弁口上端部周縁に流体密に固着された内筒、
   同内筒の上端開口に吸込口を連通されるように該内筒の
   上端にケーシングの一側を固定されたポンプ、上記内筒
   の外周面と外筒の内周面間に形成された環状空間内に、
   その上下方向に沿って螺旋状に配設され、上端開口を上
   記ポンプの吐出管に連通されまた下端開口を上記底部シ
   リンダの弁室に流体密に結合された流体導管、上記底部
   シリンダのシリンダ内に装着されたプランジャ、該底部
   シリンダの弁室内に配設された開閉弁を具備してなるこ
   とを特徴とするパイルハンマ０