JPS62312B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は泥水工法における揚泥装置としての水
中サクシヨンポンプ等の水中アクチユエータの回
転軸部の軸封装置に関する。

リバースサーキユレーシヨンドリル等の泥水工
法において、掘削した土砂を水と共に地上に排出
するためのサクシヨンポンプを水中に入れたもの
が実用化されている。これらのものは掘削ビツト
の直上に取り付けられ、掘削の進捗に伴つて掘削
ビツトと共に地中深く進行する。ここで問題とな
るのは、深度が増すにつれ掘削孔内の水圧が高く
なり、外圧と水中ポンプの内圧との圧力差が大き
くなつて水中ポンプの回転軸シールの性能向上が
要求されることである。通常サクシヨンポンプは
陸上に設置されているが、これを水中に入れる目
的としては、ポンプの性能が吸込揚程に制限され
ることなく、全揚程を吐出揚程におきかえること
ができる点を利用し、含泥率を高めるねらいと掘
削深度が深くなつた場合の揚水を可能にすること
をねらいとしている。従つて水中ポンプ式の竪孔
掘削機にとつては非常に高い性能をもつ回転軸シ
ールが必要となる。

このため回転軸シール性能を高めなくても使用
できるようにするものとして、地上からハウジン
グの内部に圧力媒体を送り込んで循環させ、その
作用圧力を外圧より高める方法が考え出されてい
る。これに類したものとしてすでに実公昭48−
21521、特開昭51−155005、特公昭52−7644、実
開昭49−9003、実開昭49−10307号公報等が開示
されている。しかしこれらは圧力媒体を送り込む
手段を別途準備せねばならない欠点を有する。

この圧力媒体を別途送り込まずに回転駆動源と
して油圧を採用することにより、油圧モータのド
レーン油を途中から分岐し、回転軸封室に導き、
地上のオイルタンクまでのヘツド圧が軸封室にか
かるようにして、内・外圧差を油と外部の泥水の
比重差分に限定させ、特別な圧力負荷手段を排除
し内・外圧差調整機構の簡素化を図つたものとし
て、特公昭52−9921号公報が開示されている。

この装置は、掘削機におけるカツタを回転駆動
する油圧モータのドレーン油の圧力を利用したも
のである。カツタの回転数は土質によつて異な
り、従つて油圧モータのドレーン油量も変化す
る。このため油量が変化しても常にヘツド圧のみ
作用させるようにして圧力が一定となるような配
慮がなされたものである。従つて作動油と泥水の
比重差分の圧力差はかならず生じるわけで、深度
が増すにつれこの圧力差は増加し、常に外圧より
内圧が低くなる。このためかならず僅かの洩れを
避けることのできないメカニカルシールを使用し
た場合や使用中にシールが寿命等により破損した
場合は、かならず圧力の高い側から低い側へ洩れ
が生じるので、ペアリングや油圧モータひいては
地上の油圧機器にトラブルが発生する懸念があ
る。

本発明は、上記した特公昭52−9921号公報の改
良に関するもので、油圧モータのドレーン圧をヘ
ツド圧として利用するのでなく動圧として利用す
ることにより、、掘削深度が増加しても軸封部が
回転している時には常に内圧が外圧より高くなる
ようにして、軸封部から外部へ洩れることはあつ
てもこの逆は生じないようにすると共に、外圧と
直接接する軸シールに洩れが生じても、ペアリン
グ等の被軸封体のある油圧ドレーンに満たされた
液室に被害が及ぶことを防止した水中軸封装置を
提供することを目的としたものである。

この目的を達成するために、本発明は、油圧モ
ータによつて駆動される水中アクチユエータの軸
シールを、上下２段に配設し、その上下シール間
に作動油等の液体を封入した空間室を形成すると
共に、その空間室内の液体と外圧とが常にバラン
スする均圧器を取付け、前記上部シールの上側に
設けた被軸封部空間に、前記油圧モータのドレー
ン油を流入充満させると共に、オイルタンクへの
ドレーン配管の途中に、掘削深度が変つても常に
被軸封部空間の内圧が外圧より高くなるような圧
力負荷手段を設けたことを特徴とするものであ
る。

本発明の実施例として第１図ないし第３図に従
つて以下具体的に説明する。

まず第１図は本発明に係る竪孔掘削機で竪孔を
掘削している途中の状態を示した全体側面図であ
る。１は地上に据付けたベースで、ベース１の上
には掘削トルク供給装置であるロータリテーブル
２が固定されている。このロータリテーブル２の
中央にはケリーバ３が掘削トルクをロータリテー
ブル２の回転に伴つて受給可能な形状で係合して
いる。そしてケリーバ２の下端に順次連結された
ドリルパイプ４、クロスオーバーサブ５、スタビ
ライザ６、スタビライザ付水中ポンプユニツト
７、ビツト８を駆動するように構成されている。
そしてケリーバ３の上部にはスイベルジヨイント
９が連結され、スイベルジヨイント９の上部には
油圧ロータリジヨイント１０が連結されて、地上
に設置された油圧ポンプユニツト１１から油圧ホ
ース１２を通じて供給される圧油を水中ポンプユ
ニツト７に導く。スイベルジヨイント９にはサス
ペンシヨン９ａが取付けられており、クレーン１
２でスイベルジヨイント９をはじめとするビツト
８までのドリルストリングを吊り下げている。ビ
ツト８の下端中央には吸込口があいており、水中
ポンプユニツト７によつて掘削した土砂が水と共
に吸い上げられて各ドリルストリングの内筒を経
て、スイベルジヨイント９に取付けられたデリベ
リホース１３を経由して沈澱槽１４に放出され
る。そして上澄み液を水中ポンプ１５で吸い上げ
掘削孔内に戻す、これを繰りかえすことにより竪
孔を掘削していく。

次に第３図で水中ポンプユニツト７の駆動シス
テムについて説明する。地上に設置された油圧ポ
ンプユニツト１１のオイルタンク１６は二槽に分
かれており、一槽目のタンク１６ａからフイルム
１７を経て電動モータ１８によつて駆動される油
圧ポンプ１９によつて作動油が吸い上げられる。
そしてコントロールバルブ２０を図示の中立状態
から「油圧モータ正転」側へ倒すことにより、作
動油は油圧モータ２１を正回転させる配管に導か
れ、第１図に示すロータリジヨイント１０の固定
側のポートから、内部管路を経て中央に位置する
回転側の内部管路へ流れ、スイベルジヨイント９
の回転側の内部管路を経てケリーバ３に導かれ
る。ここで、ドリルストリングが回転しても、油
圧ポンプユニツト１１からロータリジヨイント１
０に至る油圧ホースが伴廻わりしないように、ロ
ータリジヨイント１０には固定側の回転止めスト
ツパ１０ａがついている。そしてケリーバ３から
ドリルパイプ４、クロスオーバーサブ５、スタビ
ライザ６の外部配管を経て、水中ポンプユニツト
７の油圧モータ２１に導かれる。そして油圧モー
タ２１で仕事をした作動油は同じ経路をたどつて
二槽目のオイルタンク１６ｂに戻る。そして、フ
イルタ２９を経て再び一槽目のオイルタンク１６
ａに流入する。この戻り配管の途中には目づまり
検知器及び目づまり時のバイパス回路のついたラ
インフイルタ２２、油温の高くなつた時にだけ作
動するようにしたオイルクーラ２３がついてい
る。油圧ポンプ１９は電動レギユレータ２４によ
り吐出量を可変できるようになつている。また吐
出圧の圧力設定はリリーフ弁２５によつて行われ
る。油圧モータ２１のドレーン油はドレーン配管
２６を通り、途中目づまり検知器及び目づまり時
のバイパス回路のついたラインフイルタ２７、シ
ーケンス弁２８を経て三槽目のオイルタンク１６
ｃへ流入する。三槽目のオイルタンク１６ｃをオ
ーバーフローした作動油は一槽目のオイルタンク
１６ａへ流れ込むようになつている。二槽目のオ
イルタンク１６ｂと三槽目のオイルタンク１６ｃ
のそれぞれの一槽目のオイルタンク１６ａへの流
入の仕方が違うのは、各作動油の流入量の違いに
よる。すなわち三槽目のオイルタンク１６ｃへの
ドレーン油量は油圧ポンプ１９の吐出量の２〜５
％程度であるのに対し二槽目のオイルタンク１６
ｂへの戻り油量は油圧ポンプ１９の吐出量の95〜
98％程度と非常に大きいため、もし油の中に泥水
が混入していた場合オイルタンク１６ｂ内に沈澱
せずに一槽目のオイルタンク１６ａに流れ込む恐
れがあり、この点を考慮したことによる。オイル
タンク１６ｂ，１６ｃにそれぞれ取り付けられた
静電容量式の泥水混入感知器３０，３１は、タン
ク内に泥水が混入した際、作動油の静電容量と泥
水が混入した際の静電容量の変化を検出して、油
圧ポンプの駆動を停止させるものである。同様に
ラインフイルタ２２，２７が目づまりをおこした
場合も電気的に検出し、警報を鳴らすようになつ
ている。これは掘削孔内が泥水によつて満たされ
ていることから掘削孔内部の配管や、水中軸封装
置が大きく破損し泥水が混入した場合にいち早く
現象をキヤツチし大事に至る前に対策を施すこと
ができるようにしたものである。

また各ドリルパイプ４には前記の如く外部配管
がなされているが、各ドリルパイプを接続した
際、この外部配管同志をセルフシールジヨイント
３２，３３で接続する。

なお、コントロールバルブ２０を中立状態から
「油圧モータ逆転」側へ倒した場合には、油圧ポ
ンプユニツト１１のコントロールバルブ２０を出
たところの配管が、正転の場合に対し「行き」と
「戻り」が逆になる。

次に第２図に基づき水中ポンプユニツト７の構
成を具体的に説明する。

水中ポンプユニツト７はビツト８の直上に取付
けられており、掘削された土砂のかたまりがポン
プ内でつまることのないように、ポンプ吸込口径
と吐出口径が同じになつている。ポンプは遠心ポ
ンプで、ケーシング３６内のインペラ３７をシヤ
フト３８を介して油圧モータ２１で駆動するもの
である。シヤフト３８は油圧モータ２１のシヤフ
トとチエーンカツプリング３９で連結されてい
る。そしてシヤフト３８はハウジング４０に取付
けられたベアリング４１とハウジング４２に取付
けられたベアリング４３とでサポートされてい
る。油圧モータ２１とハウジング４０との間には
ケース４４があり、それらとはＯリング４５，４
６とによつてシールされた形でボルトで接続され
ている。ケース４４には左右にチエーンカツプリ
ング３９を取付けるためのフタ４７がＯリングを
介してボルトによつて取付けられている。油圧モ
ータ２１のシヤフトにはシールが設けられていな
いため、ドレーン油がケース４４に流れ込むよう
になつている。ハウジング４０の上部には複数個
の貫通孔４９があいており、ケース４４、ハウジ
ング４０の中の被軸封部空間Ｃに満たされたドレ
ーン油が容易に循環できるようになつている。ハ
ウジング４０の底には中に満たされた油を抜くこ
とができるように排出口（図示していない）が設
けられている。ハウジング４０とハウジング４２
との間はＯリング５０をはさんでボルトによつて
接続されている。ハウジング４２によつて形成さ
れた空間Ａの上部にはエア抜きの穴５１がついて
おり、プラグ５２で塞がれている。ベアリング４
３の下部には、シヤフト３８にキー５３で一体を
なつて回転するスリーブ５４とハウジング４２と
の間に上部回転シール５５と下部回転軸シール５
６が取付けられている。そして上部回転軸シール
５５と下部回転軸シール５６との間の空間はハウ
ジング４２の空間Ａと通じている。このハウジン
グ４２にはジヤバラ式均圧器５７がカバー５８と
共に掘削孔内に露出して取付けられている。カバ
ー５８の内径はジヤバラ式均圧器５７が最も加圧
された時の外径と僅かな隙間を要してほぼ等し
い。従つてジヤバラ式均圧器５７の伸縮に際して
はカバー５８の内径部分がガイドする形になるた
め、横方向に取付けることができる。またジヤバ
ラ式均圧器５７のジヤバラは渦巻形状ではなくそ
れぞれのリングの集合体によつて形成されている
点と、カバー５８の下部に排出口５８ａが複数個
あいているため、泥がジヤバラ部に付着しにく
く、かつ排出が容易であるためジヤバラの伸縮に
支障をきたしにくい構造になつている。これはハ
ウジング４２の空間Ａに満たされた作動油の熱に
よる膨張や、空間Ａの内圧と外圧とがバランスす
る上で伸縮をスムーズにする必要がある。そして
ジヤバラの伸縮量に対し余裕をもつてカバー５８
の長さが決められている。ハウジング４２の空間
Ａの底部には排出口があいておりプラグ５９でふ
さがれている。

また、インペラ３７には薄い裏羽根３７ａ，３
７ｂがついている。これはインペラ３７の裏側の
圧力を下げるねらいで取付けられたものである。
インペラ３７はシヤフト３８とキー６０を介して
一体に回転するように挿嵌されており、インペラ
ナツト６１によつて抜け止めされている。またケ
ーシング３６と連結されたハウジング４２にはプ
レート６２が取付けられており、そのプレート６
２とインペラ３７とでラビリンスシール６２ａを
形成している。これにより大きな流動物がインペ
ラ３７のボス部とハウジング４２との間に形成さ
れる空間Ｂに浸入するのを防止することができ
る。またこの空間Ｂに向けられてハウジング４２
に固定羽根４２ａが設けられている。これはイン
ペラ３７の裏羽根３７ａを通じて流入した土砂
が、この空間Ｂで渦をまくことによつて生じる空
間Ｂの周囲の摩耗を防ぐ目的で取付けられたもの
である。しかし下部回転軸シール５６を冷均させ
ることも必要なため、外部へ通じる貫通穴６３を
あけて、裏羽根３７ａからの揚液を導いている。
これは通常土建用水中ポンプの全揚程は約10〜
20mであるため、ケーシング３６の内圧は外圧よ
り１〜２Kg／cm²常に高い圧力になつており、裏羽
根３７ａ及びラビリンス６２ａの効果があつたと
しても、空間Ｂの圧力は0.3〜1.3Kg／cm²程度外圧
より高いので、貫通穴６３を経て揚液が循環する
ようにしたものである。

本発明は上記のように構成されているので、第
２図に示す空間Ａはジヤバラ式均圧器５７によつ
て外圧とほぼ等しい圧力になつているため、下部
回転軸シール５６にとつてシール圧力は0.3〜1.3
Kg／cm²ということになる。従つてこの部分のシー
ルに洩れが発生した場合には揚液は空間Ａに流入
する。このためジヤバラ式均圧器５７が次第にふ
くらみ、最終的にはジヤバラの形状もくずれてカ
バー５８の内壁にピツタリとはりつくことにな
る。しかし上部回転軸シール５５が破損していな
ければ被回転軸封部にトラブルを発生させる恐れ
はない。そして１本の掘削孔を掘り終つた段階で
地上に引き上げるので、この時にジヤバラ式均圧
器５７を点検すれば異常を発見することができ
る。また上部回転軸シール５５のシール圧を考え
てみる。もし特公昭52−9921号公報で開示された
ように作動油のヘツド圧で考えるとするなら、シ
ール圧は泥水の比重1.1、作動油の比重0.85の比
重差で考えればよいから、100mの深さにおいて
は2.5Kg／cm²のシール圧となる。しかし、作動油
のドレーン圧、つまり軸封部空間Ｃの圧力を空間
Ａの圧力より高くすることが本発明のねらいであ
ることから、100mの深さでかつ空間Ａに揚液が
空間Ｂより流れ込んだ最悪の状態を考えるならド
レーン圧を2.8〜3.8Kg／cm²に高くすればよいわけ
である。ドレーン油は前記したように油圧ポンプ
吐出量の２〜５％オイルタンクへ戻るのである。
従つて水中ポンプのように作業中常時ほぼ一定回
転でまわつているものはドレーン油量もほぼ一定
であり、これから容易に配管抵抗が求まるので、
配管サイズを任意に選定すればドレーン圧も決め
られることからドレーン圧の設定は容易である
が、これも含めて、掘削ビツトのように土質によ
つて回転数が異なるようなものに本回転軸シール
機構を用いる場合は、最低の吐出量でのドレーン
油量を考慮し、この時の油量による配管抵抗がこ
れを上廻るように途中の回路２６に可変絞り等の
オリフイスを設ける方法（図示しない）や第３図
で示したように途中の回路２６にシーケンス弁２
８を設け、これの圧力を2.8〜3.8Kg／cm²に設定す
ることにより、流量の大小にかかわらず、ハウジ
ング４０，４２内の最小作動油圧を2.8〜3.8Kg／
cm²にすることができる。もちろんこの値は掘削深
さや水中ポンプの能力を仮定した場合の値である
ことはいうまでもない。

また別の方法として掘削深度が深くなるにつ
れ、ドリルパイプ４を継ぎ足していかねばならな
い点を利用し、これの接続毎に配管も継ぎ足すよ
うにして、この継ぎ足しに、第３図で示したセル
フシールジヨイント３３を使用すればよい。この
ような方法でセルフシールジヨイント３３を圧損
を考えたサイズのものを選定し掘削深さが増すに
つれ、油と泥水の比重差による圧力差が増すの
で、この増分をセルフシールジヨイント３３の圧
損で補うようにすれば掘削深度が変つてもシール
圧をほぼ一定に保つことができる。また、ドレー
ン油量が少なくて所望の圧力損失の得られない場
合は、油圧モータ２１からの戻り配管の途中を分
岐し、必要な油量をドレーン配管へ流すようにし
てもよい。

上記したように、油圧モータ２１のドレーン排
出口からオイルタンク１６ｃに亘るドレーン配管
２６の任意の箇所に、可変絞り等のオリフイス、
シーケンス弁２８、圧損を考えたセルフシールジ
ヨイント３３、等の圧力負荷手段を用いれば、被
軸封部空間Ｃ内の圧力を常に外圧より高い値に設
定することができる。

なお、これらのシール圧は回転中について考慮
したが、通常シールは静止中より回転や摺動中に
おいて苛酷であり、静止中においてはかなりのシ
ール圧までもつものであつても、回転や摺動させ
た場合には僅かなシール圧でももたないことがあ
ると考えるのが一般概念である。従つて特に問題
となる回転や摺動時の軸シールについて本発明を
適用することにより、最良の効果を得ることがで
きる。

以上述べたように、本発明の水中軸封装置によ
れば、油圧モータのドレーン油を被軸封部に満た
し、ここでの圧力が軸シールを介した外圧より掘
削深度が大きくなつても常に高くなるように、ド
レーン配管の途中に圧力負荷手段を設けると共
に、前記軸シールを上下２段に配設し、その上下
シール間に作動油等の液体を封入した空間室を形
成し、その空間室内の内圧と外圧とをバランスさ
せる均圧器を取付けたので、僅かの洩れを避ける
ことのできないメカニカルシールを使用した場合
や、使用中にシールが寿命等で破損した場合僅か
の隙間が生じるだけであることからかならず被軸
封部に満たされた作動油が外部へ洩れることはあ
つても、外部から被軸封部に泥水が入り込むこと
はないので、ベアリングや油圧モータ等にトラブ
ルが発生するのを完全に回避することができる。
このため別途ポンプ等を設け、圧力媒体を被軸封
部に送り込んで循環させるような手段を設けなく
ても、常に内圧を外圧より高くすることができる
ので、高いシール性能を必要としない。また外圧
と直接接するシールに洩れが生じても、直ちにベ
アリング等の被軸封体のある油圧ドレーンに満た
された液室に被害が及ぶのを防止することができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の水中軸封装置を用いた一実施
例である竪孔掘削機の全体側面図、第２図は第１
図で示した水中ポンプユニツトの拡大断面図、第
３図は水中ポンプユニツトの駆動及び、本発明の
軸封装置の原理を説明するための油圧回路図であ
る。 ７…水中ポンプユニツト、８…ビツト、２１…
油圧モータ、２６…ドレーン配管、２８…シーケ
ンス弁、３３…セルフシールジヨイント、３６…
ケーシング、３７…インペラ、３８…シヤフト、
４０，４２…ハウジング、４４…ケース、４９…
貫通穴、５４…スリーブ、５５…上部回転軸シー
ル、５６…下部回転軸シール、５７…ジヤバラ式
均圧器、５８…カバー、Ａ…ハウジング４２の空
間、Ｂ…インペラ３７とハウジング４２との間に
形成される空間、Ｃ…被軸封部空間。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 油圧モータによつて駆動される水中アクチユ
   エータの軸シールを、上下２段に配設し、その上
   下シール間に作動油等の液体を封入した空間室を
   形成すると共に、その空間室内の内圧と外圧とが
   常にバランスする均圧器を取付け、前記上部シー
   ルの上側に設けた被軸封部空間に、前記油圧モー
   タのドレーン油を流入充満させると共に、オイル
   タンクへのドレーン配管の途中に、掘削深度が変
   つても常に被軸封部空間の内圧が外圧より高くな
   るような圧力負荷手段を設けたことを特徴とする
   水中軸封装置。