JPS622112B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、ワイヤロープあるいはシリンダ等を
介して懸架装置に懸架させた掘削具により地盤を
掘削する掘削機における、掘削具の降下自動制御
装置に関するものである。

竪孔掘削機、例えばリバースサーキユレーシヨ
ンドリル等により地盤を掘削する機械では、一般
にウインチに巻付けたワイヤロープで掘削具を吊
り、掘削の進行に伴つてワイヤロープを巻下げて
ゆく。掘削孔が深く、この垂直度が要求される場
合には、ワイヤロープに適当な張力をかけて、掘
削具を振り子のように吊り下げ保持を行つて、ケ
リーバが傾斜しないように操作している。従つ
て、ウインチの操縦者は、常にワイヤロープの張
り具合いを注視しながら、掘削具の巻下げ動作を
制御しなければならない。このワイヤロープの張
り具合いを手動によつて常に一定に保つには、振
削地盤の様々な変化を考慮しなければならないの
でかなりむずかしく熟練を要する。

このためこれの自動化を考えたものとして、特
開昭54−82803号公報及び特開昭54−118601号公
報が開示されている。前者は土質性状に関係な
く、掘削具を吊つている荷重を常にある範囲の値
に保つように制御するものであり、後者は掘削ト
ルクを常に一定に保つように制御するものであ
る。

しかし前者の場合は、あくまでも検出している
ものは掘削具を吊つている荷重、即ち、見方を変
えればビツトにかかる荷重だけである。従つて、
このビツト荷重を一定に保つということは、当然
軟らかい地盤では掘削具の下降速度は速く、硬い
地盤では遅くなる。軟らかい地盤の掘削には、通
常ブレード型ビツトを用いるため、掘削具の下降
速度が速くなると、カツタの喰い込み量やビツト
の回転数が大きくなり、掘削トルクは増大してビ
ツト回転が停止してしまう。従つてビツト荷重の
大きさだけを検出して掘削具を下降させたので
は、ビツト回転の停止及び作動を頻繁に繰り返す
ことになり、掘削作業効率が低下してしまう欠点
がある。

また後者の場合は、地盤が均質であれば掘削ト
ルクの変動はあまり大きくないが、礫層や軟、硬
土質が互層になつている場合やローラビツトによ
る硬土質掘削の場合には、掘削トルクの変動は非
常に大きく、条件によつてはその値の最小値に対
して最大値が２〜３倍に達することもあり、この
値を基に掘削速度を制御することは実用上不可能
である。従つて掘削トルクだけによつて掘削具を
下降させたのでは、ローラビツトによる硬地盤掘
削の制御に供し得ない欠点がある。

本発明は、ワイヤロープあるいはシリンダ等を
介して懸架装置に懸架させた掘削具により地盤を
掘削する竪孔掘削機において、土質条件やビツト
回転数が変化しても、常に使用されるビツトにと
つて適切なビツト荷重や掘削トルクが作用するよ
うに自動制御を行うことができる掘削具の降下自
動制御装置を提供することを目的とするものであ
る。

以下、本発明の一実施例を第１図乃至第５図に
より説明する。第１図は竪孔掘削機を示し、下記
のように構成されている。本体１の後部にはウイ
ンチ２が設置され、中央部にはリーダ３が取付け
られている。ウインチ２とリーダ３の中間部に
は、ウインチ２や掘削具を駆動するための油圧ポ
ンプを含む制御装置４が設置され、リーダ３の前
部には、掘削具を駆動するロータリテーブル５が
係合可能に設置され、ロータリテーブル５の駆動
反力を本体１で取ることができるようになつてい
る。

ウインチ２から繰り出され、リーダ３の頂部の
シーブブロツクを経由させたワイヤロープ１１に
は、下記の構成から成る掘削具が吊るされてい
る。掘削具は、ロータリテーブル５に上下動可能
に係合して駆動トルクを受けるケリーバ６と、ケ
リーバ６の下端側に順次接続されるドリルパイプ
８と、ドリルパイプ８の下端に接続され、土砂を
掘削するビツト７と、ビツト７によつて掘削され
た土砂を水と共に吸い上げ、ビツト７、ドリルパ
イプ８及びケリーバ６の内部を通つて地上へ排出
するにあたり、ケリーバ６の上端と非回転体であ
るサクシヨンホース９との間に介設されたスイベ
ルジヨイント１０とによつて構成される。ワイヤ
ロープ１１の端部には、一端側をリーダ３の上
部、例えばトツプシーブブロツクに取付けた荷重
計１２に連結されている。また本体１の下部に
は、地上に敷設されたレール１３上を転動する車
輪１４が設けられている。

第２図は、本発明による掘削具の降下自動制御
装置を示す。電気油圧サーボ弁１５の各ポート
は、油タンク１６の油を圧送する油圧ポンプ１７
の吐出側、油タンク１６、油圧モータ１８にそれ
ぞれ接続され、油圧モータ１８の出力軸は減速機
１９を介してドラム２′に連結されている。サー
ボ弁１５は、荷重計１２に接続された函数発生機
２０により、そのスプールを徐々に切換えること
ができるようになされ、かつそのポートＵ、Ｄを
選択するように構成されている。２２は降下自動
制御回路の駆動圧を制御するリリーフ弁である。
尚、実用上は、手動によつてもウインチ２による
巻上げ巻下げを行うことができるように構成して
おくことが便利である。

またビツト７は、ケリーバ６を介してロータリ
テーブル５と係合して、ロータリテーブル５の駆
動トルクによつて回転させられる。次に、この駆
動装置の構成について説明する。油タンク１６の
油を油圧ポンプ２３で圧送し、油圧モータ２４を
駆動する。油圧モータ２４の出力軸は減速機の歯
車群２５の駆動軸に接続されている。そして、最
終的にロータリテーブル５を回転させることにな
る。２６は油圧モータ２４の駆動圧を制限するリ
リーフ弁である。２７は油圧モータ２４の入口側
の圧力を検出し、圧力の大きさを電圧に変換する
圧力変換器である。そしてこれには、サージ圧に
よる一時的な高い電圧をカツトするフイルタ４２
を介して、その検出量により予め設定された電圧
値と比較し、タイマー２８Ａ，２８Ｂ及び継電器
２９Ａ，２９Ｂを作動させる比較器３０が接続さ
れており、継電器２９Ａは電磁切換弁５０，５１
のポートＸ，Ｙを選択する励磁部に接続されると
共に、これを励磁した場合にサーボ弁１５に接続
される函数発生器２０の回路を遮断するための接
点が、回路の途中にＢ接点として組み込まれてい
る。タイマー２８Ａは比較器３０によつて選択さ
れた電圧によつて継電器２９Ａの作動が停止して
も、設定時間励磁し続けるものである。つまり、
これは掘削トルクの変動巾が大きい時には、ドラ
ム２′を作動させる電圧を捨つても瞬時に消え、
また再び瞬時に捨うことになつて、ドラム２′を
作動させるに至らぬままこれを繰り返すというバ
タツキ現象を防ぐためのものである。同様にタイ
マー２８Ｂは継電器２９Ｂが作動した際に励磁さ
れるもので、一度励磁されると継電器２９Ｂの作
動が停止しても、設定時間励磁し続け、タイマ２
８Ｂの接点が函数発生器２０の回路にＢ接点とし
て入つているので、この回路を遮断することにな
り、サーボ弁１５は上記設定時間中図示の中立位
置に保持される。

函数発生器２０は、荷重計１２の出力電圧に対
して第３図に示すような電気油圧サーボ入力が得
られるものであり、，，のような制御パタ
ーンを複数個選択的に変えることができる。従つ
て、いづれのパターンによつてもサーボ弁１５の
スプールの動きを徐々に行わせることができるの
で、掘削具の昇降速度を徐々に増減できるように
なつている。

第４図は、油圧モータ２４の駆動油圧を圧力変
換器２７で電圧としてとらえ、この出力電圧によ
る比較器３０の作動範囲を示し、電圧がＥ_E〜Ｅ_F
の範囲では継電器２９Ａを作動させ、Ｅ_D〜Ｅ_Eの
範囲では継電器２９Ｂを作動させ、Ｏ〜Ｅ_Dの範
囲ではどちらの継電器も作動させないようになつ
ている。

第５図は、操作盤の一例を示したもので、これ
には電気抵抗を変え、掘削具を吊るロープの掛け
数を変えることができる電源スイツチ兼ロープ掛
け数切換器３１と、荷重指示計３２と、電圧値Ｅ
_A，Ｅ_B，Ｅ_D，Ｅ_Eをそれぞれ設定する電圧調整器
３３，３４，３５，３６と、電圧値Ｅ_A，Ｅ_B，Ｅ
_D，Ｅ_Eをそれぞれ指示する電圧指示計３７，３
８，３９，４０と、油圧モータ２４の入口側圧力
を表示する圧力表示計４１とが設けられている。
さらに第３図の制御パターンを選択できるように
なつており、５２は制御パターン、５３，５４，
５５は函数発生器２０の各パターン，，を
それぞれ選択する操作ボタンである。

今、本発明の制御装置によらず、ケリーバ６、
ビツト７、ドリルパイプ８、スイベルジヨイント
１０から成る掘削具を巻上げると、荷重指示計３
２には全体の重量の和が表示される。次に、本発
明の制御装置を作動させれば、上記の状態におい
て荷重計１２により検出された電圧値は最大のＥ
_Cを示し、函数発生器２０によつてサーボ弁１５
のスプールが第２図のＤの状態に切換えられ、油
圧ポンプ１７からの圧油が実線の矢印のように流
れ、ドラム２′は巻下げ方向に回転してビツト７
等を降下させる。ビツト７が孔底に到達し、ワイ
ヤロープ１１の張力が減少し、荷重計１２の出力
電圧が第３図のＥ_A〜Ｅ_Bの値になれば、函数発生
器２０によつてサーボ入力は零になつて、サーボ
弁１５が中立状態になり、ドラム２′は停止す
る。

ロータリテーブル５を駆動すれば、ビツト７が
回転して掘削を行う。掘削の進行に伴いワイヤロ
ープ１１の張力が増し、荷重計１２の出力電圧が
Ｅ_Bを超えると、再びドラム２′が回転し、ビツト
７等は降下する。また油圧モータ１８の漏れ油等
の原因によりワイヤロープ１１がゆるみ、荷重計
１２の出力電圧がＥ_Aより下がつた場合には、函
数発生器２０によつてサ−ボ入力はマイナスにな
つて、サーボ弁１５のスプールがＵの状態に切換
えられる。これにより、圧油が破線の矢印のよう
に流れ、ドラム２′は逆回転させられ、ビツト７
等が巻上げられる。尚、このビツト荷重の要素に
よつて制御する場合、この巻上げ制御を省略し
て、停止と巻下げとの二区分の制御でも、実作業
に充分供し得る。

一方、掘削トルクの変化は、油圧モータ２４の
圧力に変化を与えるので、この圧力を表示する圧
力指示計４１の値を読めば、掘削トルクの変化の
状態を知ることができる。またこの変化の頻度か
ら現在掘削している地盤の状態、即ち礫層を掘削
しているのか均質な地盤を掘削しているのかとい
つた程度のことをこの指示計４１から知ることも
できる。そして非常に硬い地盤に入り、ビツト７
の回転が停止するような状態になつた時、圧力変
換器２７によつて検出された電圧値の最大のＥ_F
であるので、第４図のＦの範囲にあり、比較器３
０は継電器２９Ａを作動させ、タイマー２８Ａを
励磁して、タイマー２８Ａの設定時間、電磁切換
弁５０，５１のスプールがそれぞれＸ，Ｙの状態
に切換えられると共に、荷重計１２による制御回
路を、タイマー２８Ａの接点が切れることによつ
て遮断してしまうので、荷重計１２の制御要素は
なくなり、サーボ弁１５のスプールは中立位置に
なる。従つて、油圧ポンプ１１からの圧油が破線
の矢印のように流れ、ドラム２′は巻上げ方向に
回転し、ビツト７等を上昇させる。ビツト７が上
昇すれば、孔底の土砂とビツト７との係合が解か
れるので、ビツト７が回転可能になり、その時の
掘削トルクも小さくなる。従つて、タイマー２８
Ａの設定時間経過後、継電器２９Ａ，２９Ｂのど
ちらも作動していなければ、電磁切換弁５０，５
１のそれぞれのスプールを動作させる信号は出な
くなり、この後は荷重計１２による函数発生器２
０の作動状態によつて、サーボ弁１５のスプール
が動作する。

次に、ビツト７の回転が停止するまでには至ら
ないが、かなり苛酷な掘削状態に入つた場合、圧
力変換器２７によつて検出された電圧値がＥ_D〜
Ｅ_Eの値になれば、比較器３０は継電器２９Ｂを
作動させ、タイマー２８Ｂを励磁して、タイマー
２８Ｂの設定時間、サーボ弁１５のスプールを励
磁する回路を遮断して、ビツト７等の昇降を停止
する。

次に、ビツト７の掘削が軽負荷で行われている
時には、圧力変換器２７によつて検出された電圧
値がＯ〜Ｅ_Dの値となり、比較器３０は継電器２
９Ａ，２９Ｂの双方共作動させないため、電磁切
換弁５０，５１のそれぞれのスプールを動作させ
る信号は出ない状態となり、ドラム２′の回転は
荷重計１２の出力電圧の要素だけで動作する。

以上述べたように、掘削トルクの要素による制
御についてまとめると、ビツト７の回転が停止す
るような掘削トルクが一時的にしても発生した場
合には、ビツト７等を巻上げてビツト７を回転可
能にさせる。また、ビツト７の回転は停止しない
が、停止しそうな掘削トルクが発生した場合は、
ビツト７等の巻下げ（巻上げも含む）操作を停止
させて、ビツト７の負荷を軽減させる。また、軽
トルクの場合は、ビツト７等の巻上げ、巻下げ操
作に関与しないようになつている。即ち、ドラム
２′の巻上げ、巻下げは、ビツト荷重を主体とし
た制御によるものであり、ビツト７の掘削状態を
ビツト荷重では検出しきれない状態において、掘
削トルクで歯止めをかけるものである。従つて、
掘削トルクによるビツト７等の巻下げ制御は、こ
の制御回路に組み込まれていない。

通常の掘削においては、ビツト７の回転が停止
する段階に至る以前に、継電器２９Ｂを作動させ
る段階を経るので、かなり掘削トルクの変動の激
しい掘削条件、即ち継電器２９Ａを作動させる状
態を招かない限り、ビツト７等の下降動作が停止
してしまつて、ビツト７等を上昇させざるを得な
い状態を招くことは少ない。ビツト７が回転を停
止し、ドラム２′によつてビツト７等を巻上げる
動作が入ることは掘削能率を低下させることにな
るので、電圧値Ｅ_D〜Ｅ_Eの範囲で電圧を検出し、
ドラム２′の作動を制御することが掘削能率を高
める上で大きな効果をもたらすことになる。

軟かい地盤でブレード型ビツトを用いて掘削し
た場合、ビツト荷重は小さくて制御する値に達し
ていないが、カツタの喰い込み量が多くなつた
り、駆動トルクが不足してビツト７の回転が停止
してしまうことが起こり得る。このような場合に
は、従来のビツト荷重による制御装置では、ビツ
ト荷重が制御する値に達しない限り制御できなか
つたが、本発明の制御装置によれば、常に掘削ト
ルクを監視する回路が組み込まれているので、例
えビツト荷重が小さくてサーボ弁１５のスプール
をＤの状態に切換える信号が出ても、掘削トルク
が制御する値に達した時点で、継電器２９Ｂの作
動によつてタイマー２８Ｂの接点が開き、ドラム
２′への油圧回路が閉塞し、ドラム２′の回転は停
止するため、カツタの喰い込みがなくなり、ビツ
ト７の負荷が軽減してビツト７の回転が停止する
のを避けることができる。

次に、今とは逆に掘削トルクの大きさだけを検
出して掘削具を下降させる従来の制御装置におい
ては、掘削トルクの変動の激しい地層やローラビ
ツトを使用した場合、頻繁に掘削具の昇降が行わ
れ、安定した下降速度が得られなかつたが、本発
明の制御装置を採用することにより、掘削トルク
の変動巾より変動巾の少ないビツト荷重を主体に
制御することになるので、安定した掘削を行うこ
とができる。また従来の掘削トルク制御では、最
適ビツト荷重を与えることができなかつた為、特
にローラビツトの場合に問題が生じていたが、本
発明により直接ビツト荷重で制御することが可能
になつたので、最適ビツト荷重を任意に選定で
き、カツタの寿命の増大が計れる。さらに、最適
ビツト荷重もさることながら、ビツト７への負荷
トルクが大きくなれば自動的に掘削できなくなる
ので、単にビツト荷重だけの制御でなく掘削トル
クの制御も加えられているので、ビツト径や土質
条件によつては掘削トルクによる制御も可能であ
る等、巾広い対応が得られるようになつた。

このようにして、掘削具は常に一定範囲のロー
プ張力によつて保持され、掘削を自動的に継続す
ることができる。

また、ワイヤロープを用いたウインチの代わり
に、油圧シリンダを用いても同様な作動が得られ
る。また、荷重計の出力信号を油圧もしくは機械
式（カムを使用する）としても良い。

上述の実施例のうち、操作盤の荷重指示計３２
について第６図を用いて詳述する。荷重指示計３
２は次の部品から構成されている。即ち、中央に
位置する荷重指示用指針４３、指針４３の可動溝
４４、溝４４の右側に位置し、かつクレーン吊り
上げ荷重を示す目盛盤と荷重計１２に発生する電
圧を示す目盛盤とを併記した銘盤４５、銘盤４５
の右側に位置した電圧指示用指針４６、指針４６
の可動溝４７、前記可動溝４４の左側に位置し、
かつ銘盤４５に対して荷重目盛が逆に示されてい
る可動式銘盤４８、可動式銘盤４８を動かす為の
ダイヤル４９から成り立つている。

次に調整方法について説明する。さず本発明の
制御装置によらずケリーバ６、ビツト７、ドリル
パイプ８、スイベルジヨイント１０から成る掘削
具を巻上げ、ロープの掛け数を例えば６本掛けで
あつた場合、ロープ掛け数切換器３１を「６」に
セツトすると、自動的に荷重計１２で検出された
電圧値に対して６倍の可動量に演算されて該当荷
重値を指針が示す。この指針位置が、即ち第６図
での２点鎖線で示した荷重１５ｔである。そして
ダイヤル４９を回して可動銘盤４８を動かし、こ
の位置の目盛盤の零位置を合わせる。次に徐々に
ビツト７を孔底に預け、制御しようとするビツト
荷重を指針４３が指すまで預ける荷重を増やして
いく。荷重計出力電圧Ｅ_Aに相当する制御荷重を
指した位置でビツト７等を孔底に預けるのを止
め、その時の荷重計の電圧値Ｅ_Aである指針４６
によつて示された値を読み、電圧調整器３３を回
して、電圧指示計３７の値を指針４６によつて示
された値に合わせる。次に、さらにビツト７等を
孔底に預け、荷重計出力電圧Ｅ_Bに相当する制御
荷重を指した位置で、ビツト７等を孔底に預ける
のを止め、その時の荷重計の電圧値Ｅ_Bである指
針４６によつて示された値を読み、電圧調整器３
４を回して、電圧指示計３８の値を、指針４６に
よつて示された値に合わせる。この荷重指示計３
２は単にクレーンの吊り上げ荷重の指示だけでな
く、ビツト荷重も読み取ることができ、さらに制
御電圧を決定する際の電圧値も読み取ることがで
きる。

以上で制御荷重のセツトが完了した訳で、後は
自動降下の指示を行えば、前述したような制御に
よる掘削を行うことができる。

以上述べたように本発明によれば、掘削具の懸
架荷重により懸架装置を降下制御する制御回路を
設けて検出荷重が常に設定範囲の値になるように
すると共に、掘削トルクが過大になつた時には掘
削トルクの検出量により懸架装置を停止もしくは
巻上げる制御回路を設けたので、下記の効果が得
られる。

(1) 単にビツト荷重だけによつて掘削具を下降さ
せるのではなく、常に掘削トルクに制限を加え
るような制御も付帯させたので、特に軟かい地
盤でブレード型ビツトを用いて掘削するような
場合、カツタの喰い込み量やビツト回転数に合
わせた掘削速度を得ることができるので、ビツ
ト回転の停止、作動の頻繁な繰り返しが無くな
り、掘削作業効率を高めることができる。

(2) 掘削トルクだけによつて掘削具を下降させる
のではなく、むしろビツト荷重による制御を主
体としている為、掘削トルク制御に比べて安定
した掘削を行うことができ、掘削条件によつて
は掘削トルクによる規制も自動的に付加される
ので巾広い対応が得られる。

(3) ビツト等の掘削具の保持力を任意の一定範囲
に自動的に制御できるので、掘削孔の垂直精度
を保持できる。

(4) 運転員が常に掘削状況を監視しなくて済み省
力化できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るリバースサーキユレーシ
ヨンドリルを示す側面図、第２図は本発明による
掘削具の降下自動制御装置の一実施例を示す系統
図、第３図は第２図における荷重計の出力電圧に
より作動する函数発生器の出力図を示す図、第４
図は第２図における圧力計の出力電圧により作動
する比較器の作動範囲を示す図、第５図は第２図
の制御装置に対応する操作盤の説明図、第６図は
第５図の操作盤のうちの荷重指示計の拡大詳細図
である。 １……掘削機本体、２……ウインチ、２′……
ドラム、３……リーダ、５……ロータリテーブ
ル、６……ケリーバ、７……ビツト、８……ドリ
ルパイプ、１０……スイベルジヨイント、１１…
…ワイヤロープ、１２……荷重計、１５……電気
油圧サーボ弁、１７，２３……油圧ポンプ、１
８，２４……油圧モータ、２０……函数発生器、
２７……圧力変換器、２８Ａ，２８Ｂ……タイマ
ー、２９Ａ，２９Ｂ……継電器、３０……比較
器、５０，５１……電磁切換弁。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ ワイヤロープあるいはシリンダ等を介して懸
   架装置に懸架させた掘削具により地盤を掘削する
   竪孔掘削機において、前記掘削具の懸架荷重制御
   装置と、前記掘削具の掘削トルク制御装置とを具
   備し、かつ、前記懸架荷重制御装置は、掘削具の
   懸架荷重を検出する荷重計と、該荷重計の出力電
   圧に対応して掘削具の懸架装置を作動させる電気
   油圧サーボ弁へ入力信号を与える函数発生器とに
   よつて構成され、前記掘削トルク制御装置は、掘
   削具を駆動する油圧モータの入口側の圧力を検出
   して電圧値に変換する圧力変換器と、油圧モータ
   に作用するサージ圧をカツトするフイルタを介し
   前記圧力変換器で検出された検出値と予め設定さ
   れた値とを比較する比較器と、該比較器の出力に
   よつて掘削具の懸架装置を停止もしくは巻上げる
   電磁切換弁を作動させるタイマーおよび継電器と
   によつて構成され、前記荷重計の信号に応じて掘
   削具の懸架装置を少なくとも停止と巻上げとの二
   区分に自動的に制御するよう前記函数発生器から
   の信号をサーボ弁へ入力させ、かつ、掘削トルク
   が過大になつた時には、函数発生器への荷重計か
   らの信号を遮断すると共に掘削トルクの検出量に
   より前記比較器で信号を分別し、掘削具の懸架装
   置を停止もしくは巻上げる電磁切換弁へ入力させ
   るようにしたことを特徴とする掘削具の降下自動
   制御装置。