CN107109938A - 隧道掘进机 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种隧道掘进机(1)，其具备：刀盘(11)、刀具支承部(12)、刀具驱动部(14)、旋转位置检测部(20)、应变传感器(22)、和数据处理部(23)。该数据处理部(23)基于应变传感器以及旋转位置检测部的检测结果，而取得与刀盘在旋转方向上的位置相对应地作用在刀盘上的力。

Description

隧道掘进机
技术领域
本发明涉及一种隧道掘进机，尤其涉及一种具备刀盘的隧道掘进机。
背景技术
以往，已知具备刀盘的隧道掘进机。例如，在日本专利第2738897号公报中公开有这样的隧道掘进机。
在日本专利第2738897号公报中，公开有具备刀盘、支承刀盘的中间梁、和驱动刀盘以及中间梁旋转的刀具驱动部的隧道掘进机。隧道掘进机通过用刀具驱动部使刀盘旋转，并用推进千斤顶的推力前进，来进行掘进。
在使用隧道掘进机的挖掘中，能够通过事先的钻孔探测等来粗略掌握掘进路径的地质情况，但难以预先准确地知道意外的埋设物、和地层的变化。因此，一边对刀具扭矩(刀具驱动部的旋转扭矩)、千斤顶推力(推进千斤顶的推力)和掘进速度等进行监测，一边进行掘进。
在挖掘中，隧道掘进机可能会跨越不同种的地层之间而进行掘进，或遭遇埋设物和砾石，在该情况下，在刀盘上会产生偏负载(作用在刀盘上的力的分布的偏移)。偏负载的产生主要会引起刀盘以及刀具驱动部的损伤、和刀头(挖掘刃)的异常磨损等。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利第2738897号公报
发明内容
(一)要解决的技术问题
然而，以往即使根据千斤顶推力等来推定作用在刀盘上的力的分布，也无法准确估算隧道掘进机的机体与天然地基(日语：地山)的阻力，即使偏负载作用在刀盘上，也因为机体被天然地基支撑而难以在推进千斤顶的推力上反映出偏负载，由于如上等理由，难以高精度地推定力的分布。因此，以往，存在无法高精度地检测作用在刀盘上的力的分布的问题。
本发明是为解决如上所述的问题的而完成的，其一个目的在于，提供一种能够高精度地检测作用在刀盘上的力的分布的隧道掘进机。
(二)技术方案
为了实现上述目的，本发明的一个方面的隧道掘进机具备：刀盘；刀具支承部，其支承刀盘，并与刀盘一同旋转；刀具驱动部，其驱动刀盘以及刀具支承部旋转；旋转位置检测部，其检测刀盘在旋转方向上的位置；应变传感器，其设置在刀盘或刀具支承部；以及数据处理部，其基于应变传感器以及旋转位置检测部的检测结果，而取得与刀盘在旋转方向上的位置相对应地作用在刀盘上的力。
在本发明的一个方面的隧道掘进机中，如上所述，通过在刀盘或刀具支承部上设置应变传感器，能够不同于根据千斤顶推力等来推定作用在刀盘上的力的情况，而是根据在刀盘或刀具支承部上产生的应变，来更直接地、高精度地检测实际上作用在刀盘上的力。而且，通过设置检测刀盘在旋转方向上的位置的旋转位置检测部、和基于应变传感器以及旋转位置检测部的检测结果，而取得与刀盘在旋转方向上的位置相对应地作用在刀盘上的力的数据处理部，能够将从应变传感器所获得的作用在刀盘上的力，作为例如在刀盘旋转一周(360度)的旋转方向上的分布来取得。由此，根据本发明，能够高精度地检测作用在刀盘上的力的分布。其结果为，能够根据所获得的力的分布，来判断刀盘上是否产生偏负载以及偏负载产生在旋转方向上的位置，因此能够在早期掌握地层的变化、埋设物的存在以及位置，并能够实现对地层的变化、埋设物的存在所引起的刀盘以及刀具驱动部的损伤、刀头的异常磨损等的预防。
在上述一个方面的隧道掘进机中，优选地，数据处理部构成为：基于应变传感器以及旋转位置检测部的检测结果，来取得作用在刀盘上的旋转轴线方向上的力的旋转方向分布。如果这样进行构成，则能够取得作为伴随掘进的推力的反作用力的、作用在刀盘上的旋转轴线方向上的力的分布。其结果为，能够基于旋转轴线方向上的力的分布中是否存在偏负载，来掌握现在正在挖掘的掘进方向前方的地层的急剧变化、遭遇了埋设物等状况，且能够掌握地层的变化处、埋设物相对于挖掘面的位置。另外，在旋转轴线方向上的力的分布中，即使整体(平均)处于容许范围内，却在局部产生大的负载的情况下等，能够掌握对刀盘的轴承、密封部的局部负荷的产生。通过掌握这些状况，能够有助于对隧道挖掘工程中的问题进行预防。
在上述一个方面的隧道掘进机中，优选地，应变传感器以规定的旋转角度间隔在刀盘或刀具支承部上设置有三处以上。如果这样进行构成，则能够以更小的旋转角度来取得刀盘旋转一周的力的分布。例如若间隔120度设置三个应变传感器，则旋转1/3周就能取得旋转一周的力的分布，因此能够在早期检测对刀盘的偏负载的产生。另外，通过三处以上的应变传感器，即使刀盘处于停止状态，也能够在一定程度上掌握作用在刀盘上的力的分布。因此，也能够有助于在隧道掘进机停止的情况下掌握状况。
在上述一个方面的隧道掘进机中，优选地，还具备设置在应变传感器附近的温度传感器，数据处理部构成为：基于由温度传感器检测到的应变传感器附近的温度，对应变传感器的检测结果进行温度补偿。如果这样进行构成，则能够通过温度补偿来消除伴随掘进而产生的挖掘热所引起的刀盘内部的温度变化的影响。其结果为，能够更高精度地检测作用在刀盘上的力的分布。
在上述数据处理部取得作用在刀盘上的旋转轴线方向上的力的旋转方向分布的结构中，优选地，应变传感器安装在刀盘或刀具支承部中的与刀盘的旋转轴线方向大致平行的设置面。如果这样进行构成，则相较于应变传感器的设置面相对于旋转轴线方向倾斜的情况，更能够尽量抑制旋转轴线方向上的力所引起的设置面的弯曲变形等的影响，因此能够更高精度地检测旋转轴线方向上的力。
在上述一个方面的隧道掘进机中，优选地，刀盘含有在半径方向上延伸的辐条部，应变传感器设置在刀盘的辐条部的与旋转轴线方向大致垂直的设置面上，数据处理部构成为：基于应变传感器以及旋转位置检测部的检测结果，来取得作用在辐条部上的旋转方向上的力的旋转方向分布。如果这样进行构成，则能够取得作为刀具驱动部的旋转力的反作用力的、作用在刀盘的辐条部上的旋转方向上的力的分布。其结果为，能够掌握旋转方向上的力的分布中是否存在偏负载以及存在偏负载的位置，因此能够掌握掘进中的地层的急剧变化、遭遇了埋设物等状况，且能够掌握地层的变化处、埋设物相对于挖掘面的位置。由此，能够使掌握的状况有助于对隧道挖掘工程中的问题进行预防。
(三)有益效果
根据本发明，如上所述，能够高精度地检测作用在刀盘上的力的分布。
附图说明
图1是本发明的第一实施方式的隧道掘进机的示意性的纵截面图。
图2是本发明的第一实施方式的隧道掘进机的示意性的正视图。
图3是表示沿图1所示的隧道掘进机的刀具柱(日语：カッタコラム)的500－500线的截面、和B方向以及C方向的向视截面的刀具柱内部的展开图。
图4是表示用于进行应变传感器的应变测量的电桥电路的图。
图5是表示用于进行应变测量的机器的方框图。
图6是本发明的第一实施方式的隧道掘进机的数据处理装置的应变测量流程。
图7是本发明的第一实施方式的隧道掘进机的数据处理装置的运算流程。
图8是表示根据隧道掘进机的千斤顶推力而求出的刀具推力的测量结果的图。
图9是表示图8的刀具推力的测量时的刀具柱的应变测量结果的图。
图10是用于对刀具推力与刀具柱的应变的关系进行说明的图表。
图11是将图9的应变测量结果按照刀盘的旋转角度来表示的雷达图。
图12中的(A)是本发明的第二实施方式的隧道掘进机的示意性的纵截面图。(B)是(A)所示的隧道掘进机的示意性的局部正视图。
图13中的(A)是第二实施方式的变形例的隧道掘进机的示意性的纵截面图。(B)是(A)所示的隧道掘进机的示意性的局部正视图。
图14中的(A)是本发明的第三实施方式的隧道掘进机的示意性的纵截面图。(B)是(A)所示的隧道掘进机的示意性的局部正视图。
具体实施方式
以下，基于附图对本发明的实施方式进行说明。
(第一实施方式)
参照图1～图5，对本发明的第一实施方式中的隧道掘进机1的整体结构进行说明。
隧道掘进机1具备：构成挖掘面的刀盘11、刀具柱12以及回转台13、和刀具驱动部14。在第一实施方式中，示出了隧道掘进机1采用中间支承方式作为刀盘11的支承方式的中～大口径类的例子。在中间支承方式中，刀盘11通过在旋转轴线方向(X方向)上延伸的脚部(刀具柱12)安装在被旋转驱动的圆环状的回转台13上。回转台13通过设置在前机体15的隔壁(隔板)16上的轴承17，以能够围绕旋转轴旋转的方式被支承。刀具柱12是本发明的“刀具支承部”的一例。
此外，以下，仅对隧道掘进机1的刀盘11以及前机体15的各部分进行说明，省略对其他的后机体等的说明。
刀盘11从掘进方向观察形成圆形(参照图2)，以围绕旋转轴线A旋转的方式构成。刀盘11在掘进方向前方(X1方向)的挖掘面上具有刀头11a。刀头11a在多个放射状的辐条部11b(参照图2)上分别安装有多个。通过刀头11a削下的挖掘土通过贯通孔进入刀盘11的内部，若是土压盾构的情况则通过未图示的螺旋运输机运出。此外，若是泥水盾构的情况，则将泥水送入刀盘11与隔壁16之间的刀具室内，将挖掘土制成泥浆，并使制成泥浆的挖掘土从未图示的配管排出。
刀具柱12是中空筒状的梁部材(梁)，是以支承刀盘11，并且与刀盘11一同旋转的方式构成的。刀具柱12的前方(X1方向)端部安装在刀盘11的辐条部11b上，其后方(X2方向)端部安装在回转台13上。
如图2所示，刀具柱12在从旋转轴线A起在半径方向上隔开规定距离的位置上以等角度间隔配置。具体地说，在刀盘11上有8根辐条部11b以45度间隔设置，刀具柱12一个一个地在各辐条部11b上设置，总计设置有八个。因此，刀具柱12围绕旋转轴线A以45度的等角度间隔配置。刀具柱12具有棱柱形状。
回到图1，回转台13形成圆环状，在前方(X1方向)侧支承多个(8根)刀具柱12。回转台13通过设置在前机体15的隔壁16上的轴承17，以能够围绕旋转轴线A旋转的方式被支承。回转台13与隔壁16之间通过密封部18以及19被密封。密封部18以在旋转轴线方向上维持规定的密封间隙的方式设置，密封部19以在半径方向上维持规定的密封间隙的方式设置。
刀具驱动部14配置在隔壁16的后方(X2方向)，是以对回转台13施加驱动扭矩，使其围绕旋转轴线A旋转驱动的方式构成的。这样，刀盘11通过刀具柱12以及回转台13以能够围绕旋转轴线A旋转的方式被支承，刀盘11、刀具柱12、以及回转台13通过刀具驱动部14一体地旋转(回转)。另一方面，前机体15、隔壁16是不旋转的静止体。
隧道掘进机1具备检测刀盘11在旋转方向上的位置(旋转角度)的旋转编码器20(以下，称为编码器20)。编码器20设置在隔壁16的后方(X2方向)，提取并检测刀盘11(回转台13)的旋转角度。编码器20采用能够检测旋转角度的绝对位置的绝对型，检测从刀盘11的基准位置(例如图2所示的位置)开始的旋转角度θ(0度～359度)。编码器20是本发明的“旋转位置检测部”的一例。
隧道掘进机1通过设置在前机体15上的推进千斤顶21的推进力，向掘进方向(X1方向)推进。此外，旋转轴线方向的前方是掘进方向。多根推进千斤顶21构成一个组块，多个组块配列在圆筒形状的前机体15的内周的大致全周。推进千斤顶21的推进力(千斤顶推力)能够按组块进行控制。
这里，在第一实施方式中，隧道掘进机1具备用于测量作用在刀盘11上的力的应变传感器22、和根据应变传感器22的检测结果取得作用在刀盘11上的力的数据处理装置(数据处理部)23。应变传感器22能够设置在刀盘11或刀具柱12上，但在第一实施方式中，示出了将应变传感器22设置在刀具柱12上的例子。
应变传感器22以规定的旋转角度间隔设置三处以上。具体地说，如图2所示，应变传感器22分别(四处)设置在如下位置，即，在以约45度的等角度间隔配置的八根刀具柱12中，约90度间隔的四根刀具柱12(影线部)的内部。
通过这样将360度分成四部分(90度)地设置应变传感器22，仅使刀盘11旋转1/4周就可获得一周的应变测量值。另外，即使在使刀盘11停止时，也能够获得刀盘11的挖掘面内的4点的力的分布。此外，应变传感器22也可以仅有一个。在该情况下，若使刀盘11旋转一周则能够获得旋转方向的整周的应变测量值。另外，也可以在全部8根刀具柱上设置应变传感器。
如图3所示，应变传感器22安装在刀具柱12中的与刀盘11的旋转轴线方向大致平行的设置面12a。具体地说，刀具柱12具有矩形截面的棱筒形状，具有周向侧的一对侧面12b、和半径方向侧的一对侧面12c。而且，应变传感器22分别配置在周向侧的一对侧面12b的内侧表面，即一对设置面12a上。此外，在图3所示的例中，周向侧的侧面12b和半径方向侧的侧面12c中的任一个均与旋转轴线方向大致平行。
应变传感器22在一对设置面12a分别安装有两个。即，在一个刀具柱12上设置有总计四个应变传感器22。在各设置面12a的两个应变传感器22中，一个与旋转轴线方向(X方向)大致平行地配置，另一个与旋转轴线方向(X方向)大致垂直地配置。即，通过正交配置的四应变计法(日语：4ゲージ法)来测量旋转轴线方向的应变。作用在刀盘11上的主要的力是掘进方向的推力，因此刀具柱12的应变主要在相对于掘进方向(旋转轴线方向，X方向)进行压缩的方向上产生。因此，采用上述的正交配置的四应变计法，与通过单应变计进行的测量相比，提高了对掘进时的旋转轴线方向的应变(压缩)的检测灵敏度，消除了其他方向的应力成分的影响。通过四应变计法进行的应变测量如图4所示，通过从连接有四个应变传感器22(R1～R4)的电桥电路24提取输出电压来进行。由此，对于一个刀具柱12，通过四个应变传感器22，测量刀具柱12的旋转轴线方向(＝掘进方向，X方向)的压缩应变。
另外，在第一实施方式中，隧道掘进机1具备设置在应变传感器22附近的温度传感器25。温度传感器25在一方的设置面12a上检测应变传感器22附近的温度。在掘进时，受到挖掘时的发热(挖掘热)的影响，刀盘11、刀具柱12的温度上升。温度传感器25是为了通过温度补偿来消除挖掘热对应变测量的影响而设置的。
如图1所示，各自的应变传感器22与设置在刀盘11的中心部11c的内部的中继箱26连接。如图5所示，中继箱26具有应变传感器22用的放大器26a、温度传感器25用的放大器26b、通信设备26c、和电源装置26d。通信设备26c通过旋转接头27与数据处理装置23连接。通信设备26c对分别从放大器26a以及放大器26b输出的信号进行变换，作为检测信号输出至数据处理装置23。电源装置26d通过旋转接头27与外部的电源28连接。电源装置26d对放大器26a、放大器26b、以及通信设备26c进行电源的供给。
数据处理装置23是具备CPU以及存储器等的计算机。数据处理装置23具有基于应变传感器22以及编码器20的检测结果，而取得与刀盘11在旋转方向上的位置(旋转角度θ)相对应地作用在刀盘11上的力的功能。在第一实施方式中，数据处理装置23构成为：基于应变传感器22以及编码器20的检测结果，而取得作用在刀盘11上的旋转轴线方向(X方向)上的力的旋转方向分布。
数据处理装置23通过旋转接头27与中继箱26连接，从中继箱26的通信设备26c取得应变传感器22的检测信号。另外，数据处理装置23从编码器20取得刀盘11在旋转方向上的位置(旋转角度θ)的检测信号。数据处理装置23对通过编码器20而获得的每个旋转角度，相对应地依次计算并记录各刀具柱12的应变测量值。而且，数据处理装置23根据各刀具柱12的每个旋转角度的应变测量值，计算作用在刀盘11上的旋转轴线方向(X方向)上的力的旋转方向分布。此外，除了作用在刀盘11上的力的旋转方向分布以外，数据处理装置23也能够计算某个时间点的从四处应变传感器22所获得的旋转轴线方向上的力的平均值(作用在刀盘11上的推力)等。
另外，数据处理装置23从中继箱26的通信装置26c取得温度传感器25的检测信号。而且，数据处理装置23构成为：基于由温度传感器25检测到的应变传感器22附近的温度，而对应变传感器22的检测结果进行温度补偿。温度补偿是使用事先算出的将温度传感器25的检测温度和应变传感器22的补偿量相关联的温度补偿函数而进行的。在本实施方式中，数据处理装置23是以在刀具柱12的温度上升到规定温度以上的情况下进行温度补偿的方式构成的。例如，数据处理装置23在温度传感器25的检测温度上升到50℃以上的情况下进行温度补偿。此外，也可以以始终进行温度补偿的方式构成数据处理装置23。
如图1所示，数据处理装置23与隧道掘进机1的操作室(运转室)29的计算机、地面的监控室(未图示)的计算机连接，能够输出所取得的测量数据。例如，数据处理装置23能够输出作用在刀盘11上的旋转轴线方向上的力(推力)的时间变化或应变的时间变化(参照图8～图9)、作用在刀盘11上的旋转轴线方向上的力或应变的对应于旋转角度的曲线图(雷达图，参照图11)。
在图11的雷达图中，从中心起的半径方向表示作用在刀盘11上的旋转轴线方向上的力的大小(应变的大小)，旋转方向表示刀盘11的旋转角度θ。力(负载)的分布越平均，则曲线图的轨迹越接近以图中心为中心的正圆，在产生偏负载的情况下则曲线图的轨迹为偏离正圆而歪曲的形状。因此，例如在图11的图中在规定的旋转角度下成为过负载的情况下等，数据处理装置23能够向操作室29发送提醒注意的通知。例如，若负载的容许范围不随旋转角度变化而是不变的，则能够在图11的雷达图上描绘出正圆的界限值范围，数据处理装置23能够在产生超过界限值的偏负载的情况下进行通知。另外，也可以以如下方式构成，即，在产生超过界限值的偏负载的情况下，数据处理装置23发送停止信号，使隧道掘进机1自动停止，或控制推力以使偏负载不超过设定值。
接着，参照图6以及图7，对第一实施方式的隧道掘进机1的数据处理装置23进行的处理进行说明。图6所示的测量流程表示在每个规定的取样周期(例如，0.1秒)从各应变传感器22取得测量结果的处理。另外，图7所示的运算流程表示在每个规定的周期(例如，1秒)，根据每个所获得的旋转角度的应变测量数据，求出作用在刀盘11上的力(刀具推力)和力的旋转角度方向的分布的处理。
在图6的测量流程中，在步骤S1中，数据处理装置23确认是否存在传感器的异常。数据处理装置23检测设置在四处刀具柱12上的各应变传感器22以及温度传感器25(称为温度1～温度4)的异常。此外，四个应变传感器22通过四应变计法测量一个刀具柱12的应变，因此，以下将每个刀具柱12的四个应变传感器22作为一个单位，称为应变计1～应变计4。数据处理装置23在存在断线、短路等异常的情况下，作为表示各传感器的状态的检测值，赋值为0，在无异常的情况下，作为检测值，赋值为1。对于应变计1～应变计4，对各自的检测值EG1～检测值EG4赋予0或1的值。对于温度1～温度4，也能够获得各自的检测值ET1～检测值ET4。
在步骤S2中，数据处理装置23引入各测量值。具体地说，从编码器20取得相对于刀盘11的规定的基准旋转位置的旋转角度(刀具位置)的测量值θ。旋转角度θ以例如0度～359度之间的1度刻度取得。另外，从应变计1～应变计4的各应变传感器22取得应变测量值G1a～G4a。某旋转角度θ的应变计1～应变计4的应变测量值是在旋转方向上相位以每90度隔开后的位置的测量结果。另外，从温度1～温度4的各温度传感器25取得各个应变传感器22附近的温度测量值T1a～T4a。各传感器的取样时间点的瞬时值作为测量值而引入。
在步骤S3中，数据处理装置23对所获得的测量值(应变测量值G1a～G4a以及温度测量值T1a～T4a)进行低通滤波处理，除去高频成分(干扰)。低通滤波处理是通过对测量值适用移动平均、窗函数等规定的低通滤波函数f1来进行的。由此，低通滤波处理后的应变测量值以及温度测量值分别作为GNb＝f1(GNa)以及TNb＝f1(TNa)(N为1～4)而取得。此外，在测量值的干扰不大的情况下，也可以不进行低通滤波处理。
在步骤S4中，数据处理装置23对低通滤波处理后的应变测量值G1b～G4b使用温度测量值T1b～T4b进行温度补偿处理，进行对掘进时的温度变化的温度补偿。如上所述，温度补偿处理使用预设的温度补偿函数f2来进行。由此，温度补偿处理后的应变测量值作为GNc＝f2(GNb，TNb)(N为1～4)而取得。
在步骤S5中，数据处理装置23对于温度补偿处理后的各应变传感器22的应变测量值G1c～G4c，进行使各自的旋转角度的相位一致的处理(数据的排序)，作为相对于基准角度的每个旋转角度θ的数据来整理。
即，数据处理装置23将这次取得的应变计1～应变计4的温度补偿处理后的各应变测量值G1c～G4c作为四个旋转角度的数据如下所示那样进行排序。
G1(θ)＝G1c
G2(θ+90°)＝G2c
G3(θ+180°)＝G3c
G4(θ+270°)＝G4c
因此，若一边使刀盘11旋转，一边继续测量，则在刀盘11旋转一周的情况下，每个旋转角度θ(θ＝0°～359°)，记录四个应变测量值G1(θ)～G4(θ)。
通过在每个规定的取样周期循环以上的测量流程，依次取得每个旋转角度的应变测量值。
在图7的运算流程中，数据处理装置23在步骤S11中计算作用在刀盘11上的推力(刀具推力)。刀具推力根据同时刻取得的各应变传感器22的应变测量值的平均值来求出。某时刻t的作用在刀盘11上的力(刀具推力F)如下式(1)所示。
F(t)＝K×Kave(t)
Gave(t)＝(G1c×1c。+G2c×EG2+G3c×EG3+G4c×EG4)/(EG1+EG2+EG3+EG4)···(1)
K是用于将应变变换为推力(应力)的系数。Gave(t)是应变计1～4的应变测量值中，通过是否存在异常的确认而判断为正常的应变测量值的平均。因此，例如在图6的步骤S1中仅应变计4被判定为异常的情况下，EG4＝0，因此计算除去判断为异常的应变计4剩下的应变计的应变测量值的平均。
在步骤S12中，数据处理装置23计算作用在刀盘11上的力在旋转方向上的分布。即，数据处理装置23对每个旋转角度θ计算作用在刀盘11上的旋转轴线方向上的力。某旋转角度θ的力F(θ)如下式(2)所述。
F(θ)＝K述。ave(θ)
Gave(θ)＝(G1(θ)×EG1+G2(θ)×EG2+G3(θ)×EG3+G4(θ)×EG4)/(EG1+EG2+EG3+EG4)
···(2)
Gave(θ)是图6的步骤S5中获得的同一旋转角度θ下的应变测量值的平均。数据处理装置23通过在θ＝0°～359°的范围内反复计算力F(θ)，而取得作用在刀盘11上的旋转轴线方向上的力在旋转方向上的分布。
通过在每个规定的周期循环以上的运算流程，取得各时刻t的推力F(t)、和每个旋转角度θ的作用在刀盘11上的旋转轴线方向上的力的分布F(θ)。
在第一实施方式中，能够获得如下所述的效果。
在第一实施方式中，如上所述，通过在刀具柱12上设置应变传感器22，与根据千斤顶推力等来推定作用在刀盘11上的力的情况不同，能够根据在刀具柱12上产生的应变，而更直接地、高精度地检测实际作用在刀盘11上的力。而且，通过设置检测刀盘11在旋转方向上的位置(旋转角度θ)的编码器20、和基于应变传感器22以及编码器20的检测结果而取得与刀盘11在旋转方向上的位置相对应地作用在刀盘11上的力的数据处理装置23，能够将由应变传感器22获得的作用在刀盘11上的力作为例如在刀盘11旋转一周(360度)的旋转方向上的分布而取得。由此，根据第一实施方式的隧道掘进机1，能够高精度地检测作用在刀盘11上的力的分布F(θ)。其结果为，能够根据所获得的力的分布来判断在刀盘11上是否产生偏负载以及偏负载在旋转方向上的产生位置，因此能够在早期掌握地层的变化、埋设物的存在以及位置，并能够实现对地层的变化、埋设物的存在所引起的刀盘11以及刀具驱动部14的损伤、刀头的异常磨损等的预防。
在第一实施方式中，如上所述，以基于应变传感器22以及编码器20的检测结果，而取得作用在刀盘11上的旋转轴线方向(X方向)上的力的旋转方向分布F(θ)的方式，构成数据处理装置23。由此，能够取得作为伴随掘进的推力的反作用力的、作用在刀盘11上的旋转轴线方向上的力的分布F(θ)。其结果为，基于在旋转轴线方向上的力的分布F(θ)中是否存在偏负载，能够掌握现在正在挖掘的掘进方向前方的地层的急剧变化、遭遇了埋设物等状况，并能够掌握地层的变化处、埋设物相对于挖掘面的位置。另外，在旋转轴线方向上的力的分布F(θ)中即使整体(平均)在容许范围内，却在局部产生了较大负载的情况下等，能够掌握对刀盘11的轴承17、密封部18以及19的局部负荷的产生。通过掌握这些状况，能够有助于对隧道挖掘工程中的问题进行预防。
即，通过取得旋转轴线方向上的力的分布F(θ)，能够判断在隧道掘进机1的支承部(刀具柱12以及回转台13)、轴承17、密封部18以及19等上是否产生局部过负荷，因此能够进行运转控制以抑制偏负载。其结果为，能够抑制对支承部、轴承17的过负载，并将密封间隙维持在适当范围内。
另外，基于旋转轴线方向上的力的分布F(θ)，能够进行各推进千斤顶21的推力分配的调整、油缸行程(单位推进距离)的调整，在产生偏负载的情况下进行警告、紧急停止等，而将测量结果利用于自动运转。进一步地，通过连续记录旋转轴线方向上的力的分布F(θ)的测量结果，能够将测量结果利用于：通过掌握偏负载的产生倾向而进行的对故障的产生的预防、产生故障时的原因查找等。
在第一实施方式中，如上所述，在刀具柱12中，以规定的旋转角度间隔在三处以上设置应变传感器22。由此，能够以更小的旋转角度来取得刀盘11旋转一周的力的分布。若像第一实施方式那样设置90度间隔的四个应变传感器22，则能够旋转1/4周即取得旋转一周的力的分布。其结果为，能够在早期检测对刀盘11的偏负载的产生。另外，通过四处应变传感器22，在刀盘11的停止状态下也能够在一定程度上(根据4点的数据)掌握作用在刀盘11上的力的分布。因此，能够有助于对检测到偏负载而使隧道掘进机1停止的情况等的状况进行掌握等。
在第一实施方式中，如上所述，以基于由温度传感器25检测到的应变传感器22附近的温度，对应变传感器22的检测结果进行温度补偿的方式，构成数据处理装置23。由此，能够通过温度补偿，来消除伴随掘进产生的挖掘热引起的刀盘11内部的温度变化的影响。其结果为，能够更高精度地检测作用在刀盘11上的力的分布。
在第一实施方式中，如上所述，将应变传感器22安装在刀具柱12中的与刀盘11的旋转轴线方向大致平行的设置面12a。由此，能够尽量抑制旋转轴线方向上的力所引起的设置面12a的弯曲变形等的影响，因此能够更高精度地检测旋转轴线方向上的力。
(实验结果的说明)
接着，对针对第一实施方式的隧道掘进机1进行的实证试验的结果进行说明。为了能够根据推进千斤顶21的推力正确地求出作用在刀盘11上的旋转轴线方向上的力(刀具推力)，实证实验在隧道掘进机1未进入地下的出发时进行，事先测量隧道掘进机1的自重所引起的摩擦力并进行校准。而且，将同时取得的刀具柱12的应变测量值与所获得的刀具推力进行了比较。
图8表示根据推进千斤顶21的推力计算的作用在刀盘11上的推力(刀具推力)的时间变化。测量中，将推力的大小变更为3阶段(P1、P2、以及P3)。图9是根据安装在四处刀具柱12上的应变传感器22通过上述式(1)获得的刀具柱12的应变测量值的平均的时间变化。图9的刀具柱12的应变中，也测量了反映与图8的P1、P2、以及P3相对应的3阶段的推力变化的应变Q1、Q2、以及Q3。对比图8与图9可知，刀具柱12的应变的时间变化获得了与作用在刀盘11上的推力(刀具推力)的时间变化近似的测量结果。
图10是表示根据推进千斤顶21的推力计算的刀具推力(参照图8)与由应变传感器22所获得的刀具柱12的应变(参照图9)的关系的图。作用在刀盘11上的刀具推力在横轴上表示，相对应的刀具柱12的应变在纵轴上表示。刀具推力与刀具柱12的应变具有线性关系，因此可以说能够基于刀具柱12的应变测量值，以充分的精度求出作用在刀盘11上的力(刀具推力)。
图11是关于图9所示的应变测量结果，表示根据上述式(2)算出的每个旋转角度θ(0°～359°的一周)的刀具柱12的应变的雷达图。如上所示，半径方向表示应变的大小，画出的点离中心越近则表示应变(作用在刀盘11上的力)越小，离中心越远则表示应变越大。刀盘11旋转一周的曲线图轨迹越接近以图中心为中心的正圆，则表示在刀盘11上作用有越均匀的分布负载，轨迹越偏离正圆，则表示在刀盘11上作用有偏负载。
在图11中，伴随在3阶段使推力上升，轨迹在半径方向上扩大，图中右上部分的轨迹向半径方向外侧突出。根据该结果，可知在刀盘11的右上部分产生了以更大的力偏向作用的偏负载。
如上所述，根据第一实施方式，确认了能够根据刀具柱12的应变测量值而取得作用在刀盘11上的旋转轴线方向上的力在旋转方向上的分布F(θ)。另外，根据第一实施方式，确认了能够基于作用在刀盘11上的力的分布F(θ)是否偏离正圆，来判断在刀盘11上是否作用有偏负载、以及偏负载作用在刀盘11的哪个部位上。
(第二实施方式)
接着，参照图12中的(A)以及图12中的(B)，对本发明的第二实施方式的隧道掘进机进行说明。在第二实施方式中，与表示测量中间支承方式的隧道掘进机1的刀具柱12的应变的例子的上述第一实施方式不同，对测量中心轴支承方式的隧道掘进机1a的中心轴112的应变的例子进行说明。此外，在第二实施方式中，对与上述第一实施方式相同的结构标注相同的符号，并省略其说明。
在第二实施方式中，隧道掘进机1a如图12中的(A)以及图12中的(B)所示，示出了采用中心轴支承方式作为刀盘111的支承方式的小～中口径类的例子。在中心轴支承方式中，刀盘111安装在以旋转轴线A为中心的中心轴112上。在第二实施方式的隧道掘进机1a上未设置刀具柱。中心轴112是本发明的“刀具支承部”的一例。
中心轴112是中空圆筒状的轴，是以支承刀盘111，并且与刀盘111一同旋转的方式构成的。中心轴112的前方(X1方向)端部安装在刀盘111的中心部11c上，中心轴112的后方(X2方向)端部通过设置在前机体15的隔壁16上的轴承17，以能够旋转的方式被支承。中心轴112被刀具驱动部14驱动，绕旋转轴线A(中心轴线)旋转，从而使刀盘111以及中心轴112一体地旋转(回转)。中心轴112的旋转角度通过编码器20来检测。
在第二实施方式中，应变传感器22设置在中心轴112的内周面上。应变传感器22与上述第一实施方式同样地，以等分360度的方式，以90度等的规定的角度间隔(参照图12中的(B))设置有多个。这里，应变传感器22在中心轴112上以90度间隔设置有四处。另外，应变传感器22安装在中心轴112中的与旋转轴线方向(X方向)大致平行的设置面(内周面)113。若是中心轴112的圆筒内周面，则在旋转方向上的任意位置都与旋转轴线方向大致平行。
中继箱26与应变传感器22一同配置在中心轴112的内部。中继箱26通过设置在中心轴112的后方端部上的旋转接头27，向数据处理装置(数据处理部)123输出应变传感器22以及温度传感器(未图示)的温度测量值。
数据处理装置123根据中心轴112的四处应变传感器22的应变测量值，算出刀具推力F、和作用在刀盘111上的旋转轴线方向(X方向)上的力的旋转方向分布F(θ)。刀具推力F以及每个旋转角度θ的力F(θ)的计算与上述第一实施方式相同。
根据这样的结构，在第二实施方式中，即使在中心轴支承方式中，也能够基于中心轴112的应变，取得作用在刀盘111上的旋转轴线方向(X方向)上的力的旋转方向分布F(θ)。此外，第二实施方式的其他的结构与上述第一实施方式相同。
在第二实施方式中，能够获得如下所述的效果。
即，在第二实施方式中，通过在中心轴112上设置应变传感器22，与上述第一实施方式相同地，能够更直接地、高精度地检测实际作用在刀盘111上的力。而且，通过数据处理装置123，能够将由应变传感器22获得的作用在刀盘111上的力，作为在刀盘111旋转一周(360度)的旋转方向上的分布而取得。由此，根据第二实施方式的隧道掘进机1a，也能够与上述第一实施方式同样地，高精度地检测作用在刀盘111上的力的分布F(θ)。
另外，根据第二实施方式，在具备刀具柱的中间支承方式以外的中心轴支承方式的隧道掘进机1a中，通过在中心轴112上设置应变传感器22，也能够高精度地检测作用在刀盘111上的力的分布F(θ)。
(第二实施方式的变形例)
在上述第二实施方式中，示出了在中心轴支承方式的隧道掘进机1a中，在中心轴112上设置应变传感器22的例子，而在该变形例中，将对在中心轴112以外的部位上设置应变传感器22的例子进行说明。
如图13中的(A)以及图13中的(B)所示，在第二实施方式的变形例中，应变传感器22设置在刀盘111的辐条部11b上。辐条部11b具有中空的棱筒形状，应变传感器22设置在辐条部11b的旋转轴线方向(X方向)侧的内侧面，即设置面114上。因此，应变传感器22测量由于作用在刀盘111上的旋转轴线方向(X1方向)上的力(推力)的反作用而产生的辐条部11b的X2方向的弯曲应变。此外，在图13中的(A)中，图示有应变传感器22设置在辐条部11b的X2方向侧的内侧面(设置面114)上的例子，但与上述第一实施方式同样地，优选在与X2方向侧的内侧面相对的X1方向侧的内侧面上也设置应变传感器22。
应变传感器22设置在从刀盘111的中心部11c向半径方向延伸的辐条部11b的处于中心部11c附近的根部。这是由于加在辐条部11b上的弯曲应变在中心部11c附近的根部会变大。
此外，在图13中的(B)中，表示刀盘111含有四根辐条部11b(图13中的(B)中仅图示三根)的例子，应变传感器22在四根辐条部11b上分别设置。
数据处理装置123根据四根辐条部11b各自的应变传感器22的应变测量值，算出刀具推力F、和作用在刀盘11上的旋转轴线方向(X方向)上的力的旋转方向分布F(θ)。
像该第二实施方式的变形例那样，在中心轴支承方式的隧道掘进机1a中，也可以在中心轴112以外的辐条部11b上设置应变传感器22，而取得作用在刀盘11上的旋转轴线方向(X方向)上的力。另外，也可以组合上述第二实施方式的结构与该变形例的结构，根据由在中心轴112和辐条部11b双方上分别设置的应变传感器22所获得的应变测量值，而取得作用在刀盘11上的力。
(第三实施方式)
接着，参照图14中的(A)以及图14中的(B)，对本发明的第三实施方式的隧道掘进机进行说明。在第三实施方式中，与表示测量作用在刀盘111上的旋转轴线方向(X方向)上的力的例子的上述第一以及第二实施方式不同，对测量作用在刀盘111上的旋转方向(B方向或C方向)的力的例子进行说明。此外，在第三实施方式中，对与上述第二实施方式相同的结构标注相同的符号，并省略其说明。
第三实施方式的隧道掘进机1b如图14中的(A)以及图14中的(B)所示，表示采用中心轴支承方式的例子，在结构上与上述第二实施方式相同。在第三实施方式中，应变传感器22的设置位置与上述第二实施方式不同。
在第三实施方式中，应变传感器22设置在刀盘111的辐条部11b的与旋转轴线A的方向大致垂直的设置面213上。设置面213是刀盘111的辐条部11b中的周向(旋转方向)侧的内侧面。即，应变传感器22分别设置在辐条部11b的B方向侧的内侧面以及C方向侧的内侧面上。因此，应变传感器22测量由于作用在刀盘111上的旋转方向(B方向或C方向)的力(刀具驱动部14的旋转扭矩)的反作用而产生的辐条部11b的B方向或C方向的弯曲应变。
应变传感器22设置在从刀盘111的中心部11c向半径方向延伸的辐条部11b中的处于中心部11c附近的根部。此外，在图14中的(B)中，表示刀盘111含有四根辐条部11b(图14中的(B)中仅图示三根)的例子，应变传感器22在四根辐条部11b上分别设置。四根辐条部11b以互相正交的方式在旋转方向上以90度间隔的等角度间隔设置。因此，应变传感器22以四等分(90度)360度的方式，以90度的等角度间隔设置有四处。
数据处理装置(数据处理部)223根据四根辐条部11b各自的应变传感器22的应变测量值，算出作用在刀盘111上的力的旋转方向分布。即，在第三实施方式中，数据处理装置223构成为：基于应变传感器22以及编码器20的检测结果，而取得作用在辐条部11b上的旋转方向(B方向或C方向)的力的旋转方向分布。
第三实施方式的其他的结构与上述第二实施方式相同。
在第三实施方式中，能够获得如下所述的效果。
即，在第三实施方式中，通过在辐条部11b的与旋转轴线A的方向大致垂直的设置面213上设置应变传感器22，能够与上述第一实施方式同样地，更直接地、高精度地检测实际作用在刀盘111上的力。而且，通过数据处理装置223，能够将由应变传感器22获得的作用在刀盘111(辐条部11b)上的力，作为在刀盘111旋转一周(360度)的旋转方向上的分布而取得。由此，根据第三实施方式的隧道掘进机1b，也能够与上述第一实施方式同样地，高精度地检测作用在刀盘111上的力的分布。
另外，在第三实施方式中，如上所述，数据处理装置223构成为：基于应变传感器22以及编码器20的检测结果，而取得作用在辐条部11b上的旋转方向(B方向或C方向)的力的旋转方向分布。由此，能够取得作为刀具驱动部14的旋转扭矩的反作用力的、作用在刀盘111的辐条部11b上的旋转方向上的力的分布。其结果为，能够掌握在旋转方向上的力的分布中是否存在偏负载以及存在偏负载的位置，因此能够掌握掘进方向前方的地层的急剧变化、遭遇了埋设物等状况，并且能够掌握地层的变化处、埋设物相对于挖掘面的位置。
具体地说，例如，假设在掘进中的某时间点，是图14中的(A)的上侧的辐条部11b在挖掘相对柔软的地层、下侧的辐条部11b在挖掘相对坚硬的地层或遭遇了砾石的状况。在该情况下可知，如果通过刀具驱动部14使刀盘111围绕旋转轴线A旋转，则下侧的辐条部11b的旋转方向的应变比上侧的辐条部11b的旋转方向的应变更大，在下侧的辐条部11b上作用有偏负载。这样，在取得作用在刀盘111的辐条部11b上的旋转方向上的力的分布的情况下，也能够根据所获得的力的分布来判断是否在刀盘111上产生了偏负载。其结果为，能够在早期掌握地层的变化、埋设物的存在，并能够实现对其引起的刀盘111的损伤、刀头的磨损等的预防。
第三实施方式的其他的效果与上述第一实施方式相同。
此外，本次公开的实施方式以及变形例中的所有点均为例示，不应被视为限制性的内容。本发明的范围，不由上述的实施方式的说明表示，而是由权利要求书表示，还含有与权利要求书均等的内容以及范围内的所有变更(变形例)。
例如，在上述第一实施方式中，表示中间支承方式的隧道掘进机的例子，在上述第二实施方式中表示中心轴支承方式的隧道掘进机的例子，但本发明不限于此。也可以将本发明的隧道掘进机适用于上述的支承方式以外的外周支承方式、中央支承方式、以及偏心多轴支承方式等各种支承方式的隧道掘进机。
另外，在上述第一实施方式中，表示使用在一处设置四个应变传感器22的四应变计法来进行应变测量的例子，但本发明不限于此。应变的测量方法也可以采用单应变计法和双应变计法等四应变计法以外的测量方法。此外，也可以使用不是单轴而是具备两轴以上的多轴的检测轴的应变传感器(具备多个元件的应变传感器)。
另外，在上述第一实施方式中，表示编码器20检测回转台13的旋转角度的例子，在上述第二以及第三实施方式中表示编码器20检测中心轴112的旋转角度的例子，但本发明不限于此。在本发明中，编码器也可以检测例如刀具驱动部的输出轴的旋转角度。编码器只要能够检测刀盘的旋转角度即可，无论检测隧道掘进机的哪个部位的旋转角度均可。
另外，在上述第一实施方式中，表示以在应变传感器22附近设置温度传感器25并进行应变传感器22的测量值的温度补偿的方式构成的例子，但本发明不限于此。在本发明中，也可以不设置温度传感器。尤其是，在应变传感器的设置面的温度变化的范围落在应变传感器的使用温度范围内的情况下等，无须进行温度补偿。
附图标记说明
1、1a、1b-隧道掘进机；11、111-刀盘；11b-辐条部；12-刀具柱(刀具支承部)；14-刀具驱动部；20-旋转编码器(旋转位置检测部)；22-应变传感器；23、123、223-数据处理装置(数据处理部)；25-温度传感器；12a、113、114-设置面；112-中心轴(刀具支承部)；213-设置面；A-旋转轴线；B、C-旋转方向；X-旋转轴线方向。

Claims (6)

1.一种隧道掘进机，其具备：
刀盘(11)；
刀具支承部(12)，其支承所述刀盘，并与所述刀盘一同旋转；
刀具驱动部(14)，其驱动所述刀盘以及所述刀具支承部旋转；
旋转位置检测部(20)，其检测所述刀盘在旋转方向上的位置；
应变传感器(22)，其设置在所述刀盘或所述刀具支承部；以及
数据处理部(23、123、223)，其基于所述应变传感器以及所述旋转位置检测部的检测结果，而取得与所述刀盘在旋转方向上的位置相对应地作用在所述刀盘上的力。
2.根据权利要求1所述的隧道掘进机，其特征在于，所述数据处理部构成为：以基于所述应变传感器以及所述旋转位置检测部的检测结果，而取得作用在所述刀盘上的旋转轴线方向上的力的旋转方向分布。
3.根据权利要求1所述的隧道掘进机，其特征在于，所述应变传感器在所述刀盘或所述刀具支承部上，以规定的旋转角度间隔设置有三处以上。
4.根据权利要求1所述的隧道掘进机，其特征在于，还具备设置在所述应变传感器附近的温度传感器(25)，
所述数据处理部构成为：基于由所述温度传感器检测到的所述应变传感器附近的温度，而对所述应变传感器的检测结果进行温度补偿。
5.根据权利要求2所述的隧道掘进机，其特征在于，所述应变传感器安装在所述刀盘或所述刀具支承部中的与所述刀盘的旋转轴线方向大致平行的设置面(12a、113、114、213)。
6.根据权利要求1所述的隧道掘进机，其特征在于，所述刀盘含有在半径方向上延伸的辐条部(11b)，
所述应变传感器设置在所述刀盘的所述辐条部的与旋转轴线方向大致垂直的设置面上，
所述数据处理部构成为：基于所述应变传感器以及所述旋转位置检测部的检测结果，而取得作用在所述辐条部上的旋转方向上的力的旋转方向分布。
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