JP2002004772A - 駆動軸のスラスト荷重検出方法と検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 掘削反力によりカッタ駆動軸に発生する軸ス
ラスト力の実働荷重を検出することができ、かつ軸受部
の剛性を高く維持でき、更に軸スラスト力の実働荷重の
分布をも検出することができ、これにより、軸力を定量
的に表示し記録して経験に頼らないシールド掘進機の操
業ができ、シールド機の完全自動化の実現に近づけるこ
とができる駆動軸スラスト荷重の検出方法と検出装置を
提供する。 【解決手段】 カッタ駆動軸３のスラスト軸受４の外輪
後部に中空円筒形に形成された一体の荷重検出器５を装
着し、回転軸系の静止部においてカッタ駆動軸に作用す
るスラスト荷重を検出する。荷重検出器５は、カッタ駆
動軸と同心にスラスト軸受の外輪後部と回転軸系の静止
部との間に挟持された中空円筒形の本体５ａを備える。
この本体は周方向に間隔を隔てかつ軸方向に貫通した複
数の貫通孔５ｂを有し、その内面に本体に生じる歪みを
検出するように荷重センサー６が取付けられている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、駆動軸のスラスト
荷重検出方法と検出装置に係わり、更に詳しくは、シー
ルド掘進機において掘進作業時の前面荷重（掘削面反
力）によりカッタ駆動軸に発生する実働スラスト荷重を
逐次検出できる駆動軸スラスト荷重の検出方法と検出装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】シールド工法は、軟弱な地盤に適用する
トンネル工法の１つであり、シールド掘進機（又はシー
ルド機）と呼ばれる掘進機を、地中における周囲の土砂
の崩壊を防ぎながら地盤を掘削しつつ推進させ、シール
ド機の内部で安全に、掘削した土砂の取込み・搬出作
業，覆工作業を行い、トンネルを構築してゆくものであ
る。

【０００３】かかるシールド掘進機は、主に、カッタ、
シールドジャッキ、土砂取込み装置及びエレクターで構
成されている。ここで、カッタは回転しながら地盤を掘
削する装置であり、シールドジャッキはシールド掘進機
を前進させる装置であり、土砂取込み装置は掘進速度に
合せて、掘削した土砂を取出す装置であり、エレクター
は掘進する背後で、鋳鉄或はコンクリート製のブロック
（シールドセグメント）を組み立て、トンネル壁を構築
する装置である。

【０００４】上述したシールド掘進機を使用するシール
ド工法の掘削作業計画において、掘進の経路となる地盤
の土質に関しては、予め、事前に調査が行われ、工事の
目的と土質の性状に適応したシールド機とカッタ形状が
経験的に選定される。さらに掘削作業においては、土質
の性状に応じたカッタ回転数と、シールドジャッキの油
圧（推進速度）が経験値をもとに設定され、経験と勘を
もとにした掘進操作が行われてきた。しかし、従来、シ
ールド機の掘進操作は、経験を主体とした操作方法と熟
練者の勘に依存するところが多かった。すなわち、掘進
作業中の各場面において、前面荷重（掘削面反力）は、
極めて重要であり、常時定量的に把握されているべきも
のである。しかし、従来は、実測する方法が無いため、
前面荷重の把握なしに経験に頼って掘進操作をせざるを
得ず、時として、シールドジャッキの推進力と前面荷重
（掘削面反力）とのバランスが崩れ、カッタ駆動軸のス
ラスト軸受に過大なスラスト荷重の発生を招くことがあ
った。言い換えれば、シールド機の完全自動化が進まな
い理由の１つに、制御対象のモデル化が難しいことが指
摘されている。元来、土の種類そのものが千差万別であ
り、仮に、土の組成が特定できたとしても、機械的特性
を単純に決定できないところが、この分野における常識
とされていた。

【０００５】ここで、シールド工法における掘削・掘進
工程を列記すると以下のようになる。 （１）まず、円弧状のシールドセグメントを組立て、さ
らにこれを結合して構築した円筒剛体（トンネル壁）か
ら反力をとり、シールドジャッキ・ピストンのストロー
クにより、シールド機全体を前進する。 （２）この前進により、シールド機前面の土層は、回転
するカッタにより掘削され、掘り出した土砂はスクリュ
ウコンベアでシールド機内に取込まれ、さらにベルトコ
ンベアでトンネル外に排除される。 （３）シールド機が前進しその後方にシールドセグメン
トの組立てに要する空間（ジャッキのストローク）が確
保された時点で、シールドジャッキのピストンを収納
し、得られた空間で新たにセグメントを組立て、前段階
で構築した円筒部と結合し、トンネル壁を延長する。 以上のサイクルを繰り返すことにより、シールドセグメ
ントを順次継ぎ足し、トンネル壁は更に長さを増すこと
になる。

【０００６】掘進作業中に直面する土固有の特性に起因
する事象について次に列記する。 （１）シールド機の掘進作業において、シールドジャッ
キが発生する推力は、シールド機本体が周囲の土層から
常時受ける土圧による摩擦力、およぴ、掘削時に前方土
層から受ける反力等にロス成分として消費され、残りの
成分（推力の一部）のみが、カッタ軸において掘削に寄
与する。 （２）これらのロス成分は、必ずしも一定値をとるもの
ではなく、時々刻々変化する土質の性状に左右される。 （３）土層の機械的性質が、掘削経路について必ずしも
一定でないため、掘削条件を一定値に設定することがで
きず、土質の性状に応じ、逐次、条件の設定を変えるこ
とを必要とする。 （４）土の組成を特定しても、機械的性質を単純に決定
することが難しいため、掘削条件を一定に設定すること
ができない。 （５）掘削前面の土層に土圧分布がある場合、或いは、
圧力勾配が存在する場合にも、掘削条件を一定に設定す
ることができない。 （６）掘削前面の土層に密度差が存在し、掘削反力が部
分的に異なる場合にも、掘削条件を一定に設定すること
ができない。 （７）掘削前面の土層の性状が不均質の場合、掘進量に
部分的な差が生じ、シールド機に横力（サイドフォー
ス）が作用し、首振り・蛇行に移行することが懸念され
る。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】シールド掘進機の理想
的な姿としての完全自動化が進まない理由は、上述のよ
うに、土の性質そのものが不確定で、機械的特性を特定
できないことに起因している。また、シールド掘進機の
完全自動化を図る手段の第一歩として、掘削に関連する
諸情報、例えば、カッタの掘削トルク、ジャッキの掘進
速度（ストローク）、カッタ軸の掘削反力等の実働デー
タ、及びこれら事象の相関関係の把握が不可欠である。
しかし、従来技術には、これら物理量を検出し、測定・
記録する装置が装備されていないため、前記事象の挙動
に関するデータの蓄積は皆無であり、全くの未知数であ
った。

【０００８】すなわち、従来のシールド掘進機には、以
下の問題点があった。 （１）シールド掘進機による掘削作業時には、掘進経路
において刻々変化する土質の性状に逐次対応し、適切な
処置が盛込まれた掘削・掘進操作が要求される。したが
って、掘削中における各時点での前面荷重の値が把握さ
れていなければ、適切な処置が行えないことになる。従
来のシールド掘進機においては、掘進時における前面荷
重の値を検出し、表示するための荷重検出器と測定装置
が装備されていないため、適切な掘削・掘進操作が行わ
れていなかった。 （２）従来の掘削作業において、推進力の荷重管理の指
標となるものは、シールドジャッキの油圧から経験的に
推定された荷重値であって、掘削作業状態下における真
の前面荷重、即ち、カッタ駆動軸に作用するスラスト荷
重ではなかった。 （３）掘削時に直面している前面荷重値に対し、シール
ドジャッキの油圧ははるかに高いが、土層周辺の摩擦に
よるロス成分が加わったことでバランスが保たれ、掘進
操作が行われている。従って、何らかの原因で摩擦力が
急激に減少し、さらに、掘削する土砂の量が変化しない
場合、カッタ駆動軸に過大な推力が作用する可能性があ
った。 （４）シールドジャッキ油圧、ジャッキピストンのスト
ローク量、カッタ軸の駆動トルク、及びカッタ駆動軸の
スラスト荷重、等の検出方法、さらに、これらの物理量
の相関を関連付ける掘削理論の確立が未成立であった。 （５）推進力の制御手段が未成立であった。 （６）摩擦力等の不確定要因が内在するため、過大推力
発生を防止するためのシールドジャッキ推力の制限値を
確定し難かった。

【０００９】上述した問題点を解決するために、本発明
の発明者等は、先に軸受のスラスト荷重測定装置を創案
し出願した（特公平３−１４１２９号、特公平３−１５
１３６号、特公平３−１５１３８号、特公平３−２１８
５５号、等）。しかし、これらの装置では、複数のロー
ドセルやひずみゲージを軸受部に組み込むため、軸受部
の剛性が低下する問題点があった。また、複数のロード
セルの当たりを均等に保持することが困難であり、駆動
軸スラスト荷重を分布を検出することが困難であった。

【００１０】本発明は、上述した従来の問題点を解決す
るために創案されたものである。すなわち本発明の目的
は、掘削反力によりカッタ駆動軸に発生する軸スラスト
力の実働荷重を検出することができ、かつ軸受部の剛性
を高く維持でき、更に軸スラスト力の実働荷重の分布を
も検出することができ、これにより、軸力を定量的に表
示し記録して経験に頼らないシールド掘進機の操業がで
き、シールド機の完全自動化の実現に近づけることがで
きる駆動軸スラスト荷重の検出方法と検出装置を提供す
ることにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、カッタ
駆動軸（３）のスラスト軸受（４）の外輪後部に中空円
筒形に形成された一体の荷重検出器（５）を装着し、該
荷重検出器により回転軸系の静止部においてカッタ駆動
軸に作用するスラスト荷重を検出する、ことを特徴とす
る駆動軸のスラスト荷重検出装置が提供される。この構
成により、中空円筒形の一体の荷重検出器（５）によ
り、静止部でスラスト荷重を検出できるので、掘削反力
によりカッタ駆動軸に発生する軸スラスト力の実働荷重
を直接検出することができ、かつ軸受部の剛性を高く維
持できる。

【００１２】本発明の好ましい実施形態によれば、前記
荷重検出器（５）は、カッタ駆動軸と同心にスラスト軸
受の外輪後部と回転軸系の静止部との間に挟持された中
空円筒形の本体（５ａ）を備え、該本体は周方向に間隔
を隔てかつ軸方向に貫通した複数の取付孔（５ｂ）を有
し、該取付孔の内面に本体に生じるひずみを検出するよ
うに荷重センサー（６）が取付けられている。この構成
により、荷重検出器（５）を中空円筒形に一体に形成す
ることができ、かつ複数の荷重センサー（６）により、
軸スラスト力の実働荷重の周方向の分布を検出すること
ができる。

【００１３】また、カッタ駆動軸（３）のスラスト軸受
（４）の内輪前部に中空円筒形に形成された一体の荷重
検出器（５）を装着し、該荷重検出器により回転軸系の
回転部においてカッタ駆動軸に作用するスラスト荷重を
検出する、ことを特徴とする駆動軸のスラスト荷重検出
装置が提供される。この構成により、中空円筒形の一体
の荷重検出器（５）により、回転部でスラスト荷重を検
出できるので、掘削反力によりカッタ駆動軸に発生する
軸スラスト力の実働荷重を直接検出することができ、か
つ軸受部の剛性を高く維持できる。

【００１４】本発明の好ましい実施形態によれば、前記
荷重検出器（５）は、カッタ駆動軸と同心にスラスト軸
受の内輪前部と回転軸系の回転部との間に挟持された中
空円筒形の本体（５ａ）を備え、該本体は周方向に間隔
を隔てかつ軸方向に貫通した複数の取付孔（５ｂ）を有
し、該取付孔の内面に本体に生じるひずみを検出するよ
うに荷重センサー（６）が取付けられている。この構成
により、荷重検出器（５）を中空円筒形に一体に形成す
ることができ、かつ複数の荷重センサー（６）により、
軸スラスト力の実働荷重の周方向の分布を検出すること
ができる。

【００１５】また、カッタ駆動軸の軸端中心部に設けら
れ前記各荷重センサーの出力を無線で静止部に伝送する
信号伝送機（７）と、カッタ駆動軸の軸端中心の後方静
止部に設けられた信号受信機（１０）とを備える。この
構成により、信号伝送機（７）と信号受信機（１０）に
より、各荷重センサーの出力を無線で静止部に伝送する
ことができる。

【００１６】また、前記荷重検出器の本体と一体に設け
られ各荷重センサーの出力を無線で静止部に伝送するテ
レメータ（７）と、該テレメータと対向する後方静止部
に設けられたテレメータ受信機（１０）とを備えてもよ
い。この構成によっても、テレメータ（７）とテレメー
タ受信機（１０）により、各荷重センサーの出力を無線
で静止部に伝送することができる。

【００１７】また、本発明の方法によれば、カッタ駆動
軸と同心にスラスト軸受の外輪後部と回転軸系の静止部
との間に挟持された中空円筒形の荷重検出器本体の周方
向Ｎ等分（Ｎは整数）の位置にそれぞれに独立した荷重
センサーを備え、各荷重センサーからの出力を加算平均
し、この出力に等価する荷重値を表示・収録・出力す
る。この方法により、軸力を定量的に表示し記録して経
験に頼らないシールド掘進機の操業ができる。

【００１８】更に、複数の荷重センサーの一部が欠損し
た場合に、残された健全な荷重センサーの出力を加算平
均することで、計測を続行する。この方法により、シー
ルド掘進機は一旦稼働状態にはいると長期にわたる操業
を余儀なくされるが、この操業により荷重センサーに劣
化等による欠損が生じた場合でも、計測の続行が可能と
なる。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好ましい実施形態
を図面を参照して説明する。なお、各図において共通す
る部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略す
る。図１は、本発明の第１実施形態を示す全体構成図で
あり、（Ａ）は側面図、（Ｂ）はその背面図と計測シス
テム図である。

【００２０】図１の全体システム・構成図において、従
来の技術における欠点を補うためにカッタ・掘削面２に
作用する前面荷重１により、カッタ駆動軸３に発生する
軸方向のスラスト荷重は、スラスト軸受４の後部に装着
した荷重検出器５に伝わり、荷重検出器５の底面を反力
点として力のバランスが保たれる。荷重検出器５に加え
られたスラスト荷重は、荷重検出器５に構築した複数個
の荷重センサ６で電気信号に変換され、各荷重センサ６
の出力は、信号ケーブル保護管８内に内装されたセンサ
ケーブル７を介して、全密閉・防水型保護ケース９内に
格納されたプリアンプ１０に入力される。荷重センサ６
の構築数と同数のプリアンプ１０は、荷重センサ６の電
圧入力を電流出力に変換し、変換された電流信号は、信
号ケーブル保護管１１内に内装した信号線を介して荷重
監視・記録装置１２に入力される。

【００２１】荷重監視・記録装置１２は、以下の機能を
具備するものとする。 （１）複数個の荷重センサ６の信号を加算平均し、ディ
ジタル指示計１３において、ピークホールドを設定する
ことにより最大荷重値を表示する。さらにアナログ指示
計１４においては、スラスト荷重の制限値を設定し、制
限値を超える荷重発生時にアラームを発し、操作員の注
意を喚起する。 （２）複数個の荷重センサ６の個々の信号をアナログ信
号に変換し、データレコーダ等のデータ収録装置１６に
より信号を記録し、必要に応じ頻度解析装置１７による
解析も可能となる。 （３）複数個の荷重センサ６の個々の信号、或いは、加
算平均化された荷重信号は制御信号１５として、シール
ドジャッキの油圧制御回路にインプットし、過大なスラ
スト荷重発生時における緊急停止信号として使用可能で
ある。

【００２２】図２は荷重検出器の装着説明図であり、
（Ａ）は側面図、（Ｂ）は背面図である。図２の装着概
要図において、カッタ駆動軸３（回転部）に作用するス
ラスト荷重は、スラスト軸受４の外輪（静止部）に伝わ
り、さらに、外輪の後部に装着した荷重検出器５に伝達
される。荷重検出器５には複数個の荷重センサ６が円周
に沿って等配位置に構築される。

【００２３】図３は、従来のシールド掘進機のカッタ駆
動軸の構成図である。この図に示すように、従来のシー
ルド掘進作業では、カッター掘削面２に作用する前面荷
重１により、カッタ駆動軸３に作用する軸方向のスラス
ト荷重は、スラスト軸受４からの反力を受けることによ
り、力のバランスを維持する機能を有するのみで、力の
大きさをセンシングする機能は装備されていない。

【００２４】図１及び図２に示したように、本発明の駆
動軸のスラスト荷重検出装置では、カッタ駆動軸３のス
ラスト軸受４の外輪後部に中空円筒形に形成された一体
の荷重検出器５を装着し、該荷重検出器により回転軸系
の静止部においてカッタ駆動軸に作用するスラスト荷重
を検出する。

【００２５】図４は荷重検出器の部分斜視図であり、
（Ａ）は取付孔５ｂを含む部分図、（Ｂ）はこれをＡ-
Ａ線において切断した図である。荷重検出器５は、カッ
タ駆動軸３と同心にスラスト軸受４の外輪後部と回転軸
系の静止部との間に挟持された中空円筒形の本体５ａを
備える。この本体５ａは、図に示すように内径側がスラ
スト軸受４の外輪後部と接触し、外径側が回転軸系の静
止部に接触するように段差を有している。また、この本
体５ａは、周方向に間隔を隔てかつ軸方向に貫通した複
数（図１の例では６箇所）の取付孔５ｂを有する。ま
た、この取付孔５ｂの内面には本体５ａに生じるひずみ
を検出するように荷重センサー６が取付けられている。
この荷重センサー６は、例えばひずみゲージである。な
お、ここでは取付孔５ｂとして貫通孔を用いたが、必ず
しも貫通している必要はない。

【００２６】また、図１に示すように本発明によれば、
カッタ駆動軸３と同心にスラスト軸受４の外輪後部と回
転軸系の静止部との間に挟持された中空円筒形の荷重検
出器５の本体の周方向Ｎ等分（Ｎは整数）の位置にそれ
ぞれに独立した荷重センサー６を備え、荷重監視・記録
装置１２とデータ収録装置１６により各荷重センサー６
からの出力を加算平均し、この出力に等価する荷重値を
表示・収録・出力する。更に、複数の荷重センサー６の
一部が欠損した場合には、残された健全な荷重センサー
の出力を加算平均する。

【００２７】上述したように、本発明によれば、掘削作
業時の掘削面反力を常時実測するため、図１に示した荷
重測定記録装置を装備する。この装置を装備することに
より、従来、経験と勘に依存してきた前面荷重の定量化
が可能となり、荷重の大きさとこれに対応するジャッキ
推進速度の最適条件を維持することにより、安全で適切
なシールド機の掘進操作が可能になる。

【００２８】また、カッタ駆動軸３に生じる推力を検出
するため、スラスト軸受４の後部に高剛性・高出力の荷
重検出器５を図２に示す要領で装着し、掘進作業過程に
おける実働スラスト荷重を実測するようにした。荷重検
出器５をスラスト軸受４の後部、即ち、静止部に装着す
ることにより、回転する軸系から静止系に荷重信号を伝
送するための装置が省略でき、有線による信号配線を行
うことで、全体システムの簡素化が可能となり、故障発
生の度合いを低減することができる。

【００２９】またカッタ駆動軸３は、長径の円盤を回転
させるための駆動トルクと、前面荷重に耐え得る強度を
維持するため、必然的に太い軸径の採用を余儀なくされ
る。本発明では、軸径の大きなカッタ駆動軸３における
スラスト軸受外輪４−２の静止部に、高荷重に耐えると
共に、高剛性で高出力を有する荷重検出器５を図２に示
す要領で装着し、掘進作業過程における実働スラスト荷
重の実測を可能にした。

【００３０】更に荷重検出器５には、リング状の円周に
沿ったＮ等配（Ｎは整数値）の位置に、それぞれ独立し
た荷重センサーを構築し、これら、各荷重センサーから
の出力を加算平均し、平均出力に等価する荷重値を、表
示・収録・出力する。稼動状態に入れば、長期に渡る操
業を余儀なくされるシールド掘進機において、シールド
機の中心部に位置する荷重センサー６に、劣化による欠
損が生じた場合は、修理による復旧は先ず不可能であ
る。この場合の対策として、本発明の方法では、劣化し
た荷重センサー６からの信号入力を遮断し、残された健
全な荷重センサーからの入力信号を加算平均すること
で、荷重測定の続行を可能にすることができる。

【００３１】図５は、荷重検出器の構造例を示す図であ
り、（Ａ）は部分側面図、（Ｂ）は部分正面図である。
この図に示すように、カッタ駆動軸３に付随するスラス
ト軸受４の外輪と勘合、或いは締結し合う形状・寸法を
有し、一体構造からなるリング状の構造部材において、
円周に沿ったＮ等配（Ｎは整数値）の位置に、それぞれ
独立した起歪部６−２（荷重一ひずみ受感部）を図４に
示した要領で形成し、ひずみゲージ６一１を取付け、ブ
リッジ回路を形成することにより、Ｎ個の荷重センサ６
を構築する。

【００３２】荷重検出器５の荷重一ひずみ変換作用を図
５をもとに説明する。荷重検出器５内には、Ｎ個の荷重
センサ６が構築され、それぞれの荷重センサ６に対応し
て。ｎ個（ｎは整数）のせん断梁６−４が付随して形成
される。図５に示す荷重センサ６の両側に位置するせん
断梁６−４の寸法と個数は、スラスト軸受・外輪４−２
の外径に対応した荷重検出器５の外径と定格荷重に依存
して決定される。前面荷重１に等価するスラスト荷重
は、図５（Ａ）に示すように、カッタ駆動軸３に作用
し、スラスト軸受・内輪４−１からローラーを介してス
ラスト軸受・外輪４−２に伝わり、スラスト軸受・外輪
４−２とベアリングサポート４−３に挟まれた荷重検出
器５においてひずみ量に変換される。荷重検出器５はＮ
個の荷重センサ６から構成され、荷重センサ６はｎ個の
せん断梁６−４で、定格荷重を等分した分布荷重を検出
する。

【００３３】荷重検出器５の構成要素である荷重センサ
６は、図５（Ａ）に示すように、スラスト軸受・外輪４
−２と接する荷重作用面６−３とベアリングサポート４
−３と接する反作用面６−４との中間剖こ位置する起歪
部６−２において、分布荷重に対応してせん断梁６−４
に生じたせん断ひずみをひずみゲージ６−１により検出
する。この起歪部６−２に生じるひずみは、極性の異な
る４５°方向の直ひずみであるため、一対のせん断梁６
−４に生じたひずみを一対の直交型ロゼットゲージで検
出し、４ゲージ法のブリッジ回路を形成することによ
り、荷重をひずみ量に変換することができる。

【００３４】上述した構成により、本発明の方法では、
各荷重センサからの出力は、荷重監視・記録装置におい
て加算平均化し、平均出力に等価する荷重値を、シール
ド掘進機操作盤のパネル上に表示し、必要に応じて収録
・出力する。

【００３５】図６は、本発明の第２実施形態を示す全体
構成図であり、（Ａ）は側面図、（Ｂ）はその計測シス
テム図である。また、図７は図６（Ａ）の拡大図であ
る。

【００３６】従来技術においては図３の従来図に示した
ように、カッタ駆動軸３に生じるスラスト荷重を検出す
る装置（センサなど）は具備されていないため、作業中
における前面荷重の正確な値が把握されなかった。これ
に対して、本発明では、掘進作業過程における前面荷重
（カッタ駆動軸に作用するスラスト荷重）を検出し、こ
の実測荷重値を明示するため、図６に示す、荷重検出器
５と荷重監視・記録装置１２をシールド掘進機に付加し
ている。

【００３７】すなわち、図６及び図７に示す要領でカッ
タ駆動軸３の外周上に荷重検出器５を装着し、スラスト
荷重の検出を可能にし、さらに実測荷重値を明示するた
め、図６に示す、荷重測定器を内蔵した「荷重監視・記
録装置１２」をシールド掘進機操作盤に付加し、前面荷
重を実測する方法を確立した。

【００３８】カッタ駆動軸３は、長径の円盤を回転させ
るための駆動トルクと、前面荷重１に耐え得る強度を維
持するため、必然的に太い軸計の採用を余儀なくされ
る。本発明のこの実施形態では、軸径の大きなカッタ駆
動軸３とスラスト軸受内輪４−１との間に、高荷重に耐
えると共に、高剛性で高出力を有する荷重検出器５を図
３に示す要領でを装着し、掘進作業過程における実働ス
ラスト荷重の実測を可能にした。

【００３９】図８は図７の部分拡大図であり、（Ａ）は
側面図、（Ｂ）は荷重検出器の正面図である。図８に示
すように、荷重検出器５のカッタ駆動軸３への取付け
は、カッタ駆動軸３の段差部とスラスト軸受・内輪４−
１に対し、勘合・締結し合う形で両者の中間部に装着さ
れる。この場合、荷重検出器５は回転するカッタ駆動軸
３の外周上に位置するため、各荷重センサ６から出力信
号を伝達するリード線は、カッタ駆動軸３の中心部に穿
ったリード線配線孔８−１を貢通して、カッタ駆動軸３
の端部まで導かれる。

【００４０】カッタ駆動軸３の端部には、回転体から静
止部に信号を伝えるための信号伝送機７（例えば、スリ
ップリング７一１，テレメータ７一２，或いは、回転ト
ランス７一３）を設け、各荷重センサ６から出力信号を
有線状態と変りなく伝送する。

【００４１】図９は、本発明の第３実施形態を示す部分
構成図であり、（Ａ）は側面図、（Ｂ）はその計測シス
テム図である。なお、この第３実施形態における計測シ
ステム図は、図６（Ｂ）と同一である。図９に示すよう
に、荷重検出器５のカッタ駆動軸３への取付けは、荷重
検出器５とテレメータ７−２を一体化し、減速機の車室
内で信号の伝送を行う。このため、カッタ駆動軸３の中
心部にリード線配線孔８−１を穿つ必要がなくなる利点
がある。さらに、本装置の特徴は、非接触方式による、
テレメータ送信機７−２への電力供給及びテレメータ送
信機７−２による信号の送一受信により、長期にわたる
連続測定を可能にしたもので、土木機械の連続稼動に十
分対応し得る機能を有するものである。

【００４２】動作例を詳述すると、テレメータ送信機７
−２と、これに近接する受信アンテナ・セット７−２．
５において、テレメータ送信機７−２が内蔵する受電コ
イル７−２．４には、これに電気的に近接する給電コイ
ル７−２．３が配される。給電コイル７−２．３には、
テレメータ受信機１０−１に付随する高周波交流電源部
からの高周波電流が供給され、両コイル間における電磁
誘導により、テレメータ送信機７−２に電力が供給され
動作状態となる。テレメータ送信機７−２は、給電が維
持される期間、信号の送信を持続し、送信アンテナ７−
２．１から受信アンテナ７−２．２に伝送され、受信ア
ンテナ・セット７−２．５を経てテレメータ受信機１０
−１に伝わり荷重信号に等価する電気信号に変換され
る。

【００４３】図１０は、第２実施形態及び第３実施形態
に適用する荷重検出器の構成図であり、（Ａ）は正面
図、（Ｂ）は側面図、（Ｃ）は部分拡大図である。この
図に示すように、カッタ駆動軸３及びスラスト軸受・内
輪４−１と勘合、及び締結し合う形状・寸法を有し、一
体構造からなるリング状の構造部材において、円周に沿
ったＮ等配（Ｎは整数値）の位置に、それぞれ独立した
起歪部６−２（荷重一ひずみ受感部）を形成し、ひずみ
ゲージ６−１を取付け、ブリッジ回路を形成することに
より、Ｎ個の荷重センサ６を構築している。

【００４４】荷重検出器５の荷重一ひずみ変換作用を図
１０をもとに説明する。荷重検出器５には、Ｎ個の荷重
センサ６が構築され、それぞれの荷重センサ６に対応し
て。ｎ個（ｎは整数）のせん断梁６−４が付随して形成
される。図１０（Ａ）に示す荷重センサ６の両側に位置
するせん断梁６−４の寸法と個数は、スラスト軸受・外
輪４一２の外径に対応した荷重検出器５の外径と定格荷
重に依存して決定される。前面荷重１に等価するスラス
ト荷重は、図１０（Ｂ）の拡大図に示すように、カッタ
駆動軸３に作用し、スラスト軸受・内輪４−１からロー
ラーを介してスラスト軸受・外輪４−２に伝わり、スラ
スト軸受１外輪４−２とベアリングサポート４−３に挟
まれた荷重検出器５においてひずみ量に変換される。荷
重検出器５はＮ個の荷重センサ６から構成され、荷重セ
ンサ６はｎ個のせん断梁６−４で、定格荷重を等分した
分布荷重を検出する。

【００４５】荷重検出器５の構成要素である荷重センサ
６は、図１０（Ｃ）に示すように、スラスト軸受・外輪
４−２と接する荷重作用面６−３とベアリングサポート
４−３と接する反作用面６−４との中間６−２におい
て、分布荷重に対応してせん断梁６−４に生じたせん断
ひずみをひずみゲージ６−１により検出する。この起歪
部６−２に生じるひずみは、極性の異なる４５°方向の
直ひずみであるため、一対のせん断梁６−４に生じたひ
ずみを一対の直交型ロゼットゲージで検出し、４ゲージ
法のブリッジ回路を形成することにより、荷重をひずみ
量に変換することができる。

【００４６】また、各荷重センサからの出力は、荷重監
視・記録装置において加算平均化し、平均出力に等価す
る荷重値を、シールド掘進機操作盤のパネル上に表示
し、必要に応じて収録・出力する。

【００４７】なお、本発明は上述した実施の形態に限定
されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更でき
ることは勿論である。

【００４８】

【発明の効果】上述した本発明の駆動軸スラスト荷重の
検出方法と検出装置は、以下の効果を有する。 １．従来技術においては不可能であったカッタ駆動軸の
推力を検出し、これを荷重値として表示し、監視する装
置を装備することにより、前面荷重の定量化が可能とな
り、従来、経験と勘に依存してきた作業から、定量的に
目で見える作業に移行することで、作業の質の向上と安
全性の確保に寄与する。 ２．シールド機の操作面では、荷重の大きさとこれに対
応するジャッキ推進速度の最適条件を維持することで、
安全で適切なシールド機の掘進作業が可能になる ３．運転操作盤のスラスト荷重表示装置において、シー
ルド機に許容される荷重値を、制限値として設定するこ
とで、過大な推力発生の防止に寄与する。 ４．荷重変換器を、スラスト軸受後部の静止側に設置す
ることで、信号線の配線が簡素化し、故障の発生を低減
させる。 ５．径の大きな回転軸に作用する大スラスト荷重の検出
と、荷重値の定量的な表示と収録技術が確立され、同種
の装置に対する適用が可能となる。 ６．カッタ駆動軸推力測定に続いて、ジャッキ油圧（推
力），ピストンストローク（変位・推進速度），カッタ
駆動トルク（掘削動力），等の物理量を関連付け、各種
土質との相関性を解明することにより、シールド掘進機
における自動制御系の確立に寄与する。 ７．軸系のスラスト荷重検出に続いて、掘削動力に関連
する要素のセンシングが進み、土の性状に関する情報が
蓄積され、制御対象のモデル化が可能になり、結果的
に、シールド掘進機の自動化に近づく。

【００４９】また、第１〜第３実施形態の共通の効果と
して、 １．前面荷重１を検出し、その実測された荷重値を明示
することにより、掘削作業中における力の釣合いが常時
把握され、目に見える形で掘進操作を実施することがで
きる。 ２．前面荷重１の大きさ、及び、カッタ駆動軸３の軸径
の太さに応じて、荷重検出器５の寸法を任意に対応で
き、荷重センサ６の定格荷重と設置数の最適化により、
異なる条件に対応し得る。 ３．この効果として、稼動状態に入れぱ、長期に渡る操
業を余儀なくされるシールド掘進機において、シールド
機の中心部に位置する荷重センサーに、劣化による欠損
が生じた場合は、修理による復旧は先ず不可能である。
この場合の対策として、劣化した荷重センサーからの信
号入力を遮断し、残された健全な荷重センサーからの入
力信号を加算平均することで、荷重測定の続行を可能に
する。

【００５０】更に、第１実施形態の固有の効果として、
荷重検出器をスラスト軸受４の後部、即ち、静止部に装
着することにより、回転する軸系から静止系に荷重信号
を伝送するための装置が省略でき、有線による信号配線
を行うことで、全体システムの簡素化が可能となり、故
障発生の度含いを低減することができる。

【００５１】また、第２、第３実施形態の固有の効果と
して、荷重検出器５をスラスト軸受４の前部、即ち、回
転部に装着することは、静止部に装着する場合に比べ、
システム全体を簡素化する面では優位性に欠けるが、信
号伝送装置が介在するのみで、測定精度を阻害する要因
は見当たらない。スリップリング装置７−１を用いる場
合、カッタ駆動軸３の回転数が極めて低いため、外径の
小さなリングを有するスリップリング装置７−１を使用
することで、リングーブラシ間の相対周速度が低下し、
ブラシ・ノイズの低減、ブラシ／リングの寿命延長が可
能となる。テレメータ装置を用いる場合、送信機７−２
に対し外部給電方式を採れば、理論的には無期限のデー
タ送信が可能となる。

【００５２】従って、本発明の駆動軸スラスト荷重の検
出方法と検出装置は、掘削反力によりカッタ駆動軸に発
生する軸スラスト力の実働荷重を検出することができ、
かつ軸受部の剛性を高く維持でき、更に軸スラスト力の
実働荷重の分布をも検出することができ、これにより、
軸力を定量的に表示し記録して経験に頼らないシールド
掘進機の操業ができ、シールド機の完全自動化の実現に
近づけることができる、等の優れた効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態を示す全体構成図であ
る。

【図２】荷重検出器の装着説明図である。

【図３】従来のシールド掘進機のカッタ駆動軸の構成図
である。

【図４】荷重検出器の部分斜視図である。

【図５】荷重検出器の構造例を示す図である。

【図６】本発明の第２実施形態を示す全体構成図であ
る。

【図７】図６（Ａ）の拡大図である。

【図８】図７の部分拡大図である。

【図９】本発明の第３実施形態を示す部分構成図であ
る。

【図１０】荷重検出器の構成図である。

【符号の説明】

１ 前面荷重、２ カツタ、３ カッタ駆動軸、４ ス
ラスト軸受、５ 荷重検出器、６ 荷重センサ、７ 荷
重センサ信号ケーブル、８ 信号ケーブル保護管、９
全密閉・防水型保護ケース、１０ プリアンプ（電圧／
電流変換機能付）、１１ 信号ケーブル保護管、１２
荷重監視・記録装置、１３ ディジタル指示計（ピーク
ホールド機能付）、１４ アナログ指示計（制限値設定
機能付）、１５ 制御信号出力、１６ データ収録装
置、１７ 頻度解析装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 伊藤 広幸 愛知県知多市北浜町11番１号 石川島播磨 重工業株式会社愛知工場内 Ｆターム(参考） 2D054 AC01 BA03 BB01 BB10 GA08 GA17 GA24 GA42 GA64 GA66 GA92 2F051 AA06 AB09 AC01

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 カッタ駆動軸（３）のスラスト軸受
   （４）の外輪後部に中空円筒形に形成された一体の荷重
   検出器（５）を装着し、該荷重検出器により回転軸系の
   静止部においてカッタ駆動軸に作用するスラスト荷重を
   検出する、ことを特徴とする駆動軸のスラスト荷重検出
   装置。
2. 【請求項２】 前記荷重検出器（５）は、カッタ駆動軸
   と同心にスラスト軸受の外輪後部と回転軸系の静止部と
   の間に挟持された中空円筒形の本体（５ａ）を備え、該
   本体は周方向に間隔を隔てかつ軸方向に穿孔された複数
   の取付孔（５ｂ）を有し、該取付孔の内面に本体に生じ
   るひずみを検出するように荷重センサー（６）が取付け
   られている、ことを特徴とする請求項１に記載の駆動軸
   のスラスト荷重検出装置。
3. 【請求項３】 カッタ駆動軸（３）のスラスト軸受
   （４）の内輪前部に中空円筒形に形成された一体の荷重
   検出器（５）を装着し、該荷重検出器により回転軸系の
   回転部においてカッタ駆動軸に作用するスラスト荷重を
   検出する、ことを特徴とする駆動軸のスラスト荷重検出
   装置。
4. 【請求項４】 前記荷重検出器（５）は、カッタ駆動軸
   と同心にスラスト軸受の内輪前部と回転軸系の回転部と
   の間に挟持された中空円筒形の本体（５ａ）を備え、該
   本体は周方向に間隔を隔てかつ軸方向に貫通した複数の
   取付孔（５ｂ）を有し、該取付孔の内面に本体に生じる
   ひずみを検出するように荷重センサー（６）が取付けら
   れている、ことを特徴とする請求項３に記載の駆動軸の
   スラスト荷重検出装置。
5. 【請求項５】 カッタ駆動軸の軸端中心部に設けられ前
   記各荷重センサーの出力を無線で静止部に伝送する信号
   伝送機（７）と、カッタ駆動軸の軸端中心の後方静止部
   に設けられた信号受信機（１０）とを備える、ことを特
   徴とする請求項３又は４に記載の駆動軸のスラスト荷重
   検出装置。
6. 【請求項６】 前記荷重検出器の本体と一体に設けられ
   各荷重センサーの出力を無線で静止部に伝送するテレメ
   ータ（７）と、該テレメータと対向する後方静止部に設
   けられたテレメータ受信機（１０）とを備える、ことを
   特徴とする請求項３又は４に記載の駆動軸のスラスト荷
   重検出装置。
7. 【請求項７】 カッタ駆動軸と同心にスラスト軸受の外
   輪後部と回転軸系の静止部との間に挟持された中空円筒
   形の荷重検出器本体の周方向Ｎ等分（Ｎは整数）の位置
   にそれぞれに独立した荷重センサーを備え、各荷重セン
   サーからの出力を加算平均し、この出力に等価する荷重
   値を表示・収録・出力する、ことを特徴とする駆動軸の
   スラスト荷重検出方法。
8. 【請求項８】 複数の荷重センサーの一部が欠損した場
   合に、残された健全な荷重センサーの出力を加算平均す
   ることで、計測を続行することを特徴とする請求項７に
   記載の駆動軸のスラスト荷重検出方法。