JP2002004773A - カッタ駆動軸の変位検出方法と装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 掘削作業をする際の基本となる前面荷重を測
定するためカッタ駆動軸に発生する変位を計測する方法
と装置を提供する。 【解決手段】 先端にカッタ２を設けこれより所定距離
はなれた位置をスラスト軸受４で支持した駆動軸１の内
部にほぼ先端よりスラスト軸受取付け位置まで軸方向に
伸びる空間１０を設け、この空間１０に軸方向の変位を
測定する変位測定機構１２を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、シールド掘進機の
カッタ駆動軸に作用する前面荷重を測定するため駆動軸
に発生する変位を計測する方法と装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】シールド工法は軟弱な地盤に適用される
トンネル工法の一つで、シールド掘進機を地中に進入さ
せ、周囲の土砂の崩壊を防ぎ地盤を掘削しながら前進
し、掘削した土砂を取り込み、後方に排出しながら、 掘
削したところを鋳鉄またはコンクリート製のブロックで
トンネル壁を構築してゆく工法である。この工法を実施
するシールド掘進機は前面に回転しながら地盤を掘削す
るカッタと、シールド掘進機を前進させるジャッキと、
掘進速度に合わせて掘削した土砂を取り出す土砂取り込
み装置と、掘進した背後で鋳鉄またはコンクリート製の
ブロックでトンネル壁を構築するエレクターを備えてい
る。

【０００３】図８は従来のセンターシャフトタイプのシ
ールド掘進機のカッタ駆動軸を示す図である。カッタ駆
動軸１は先端にカッタ２が取付けられ, 中央部には駆動
する歯車３が固定されており、この歯車３の後端ａの位
置で段差を設け径を縮小している。この位置ａの段差位
置にスラスト軸受４を設け、カッタに加わる前面荷重Ｆ
を支持する。スラスト軸受４はハウジング５に取付けら
れている。ハウジングには球面コロ軸受６が設けられ縮
径部を支持する。また駆動軸１の中央部もコロ軸受７で
支持されている。かかる構成によりカッタ２を回転し前
面荷重をスラスト軸受４で受けながらジャッキによりシ
ールド掘進機は前進して行く。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】このようなシールド掘
進作業での掘進機の操作は経験を主体とした熟練者の勘
に依存して行われていた。掘進作業においては、掘進経
路の土砂の性質に応じて掘削面の反力である前面荷重を
予測し、ジャッキの推力を定める必要があるが、前面荷
重が不明のため、前面荷重とジャッキの推力とのバラン
スが崩れ, カッタ駆動軸に過大なスラスト荷重が発生す
ることがあった。また前面荷重に応じてカッタ軸駆動ト
ルク等を調整し土質の変化に応じて掘削作業を行う必要
があるが、前面荷重を常時計測していないため、適切な
操作ができなかった。

【０００５】本発明は上述の問題点に鑑みてなされたも
ので、掘削作業をする際の基本となる前面荷重を測定す
るためカッタ駆動軸に発生する変位を計測する方法と装
置を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本方法の発明は、先端にカッタを設けこれより所定
距離はなれた位置をスラスト軸受で支持した駆動軸の内
部に空間を設けこの空間の軸方向の変位を測定する。カ
ッタに加わる駆動軸方向の荷重はスラスト軸受で受ける
ので駆動軸の先端からスラスト軸受までの駆動軸は圧縮
により変化し、この駆動軸内に設けられた空間も変化す
る。この空間の軸方向の変位を測定する。この変位は荷
重に対応した値なので、加わる荷重を算出することがで
きる。

【０００７】本装置の発明は、先端にカッタを設けこれ
より所定距離はなれた位置をスラスト軸受で支持した駆
動軸の内部にほぼ先端よりスラスト軸受取付け位置まで
軸方向に伸びる空間を設け、この空間に軸方向の変位を
測定する変位測定機構を設ける。

【０００８】カッタに加わる荷重は駆動軸を伝わりスラ
スト軸受に伝達されるので, この間の軸は変形し, 駆動
軸の先端からスラスト軸受までの軸内の空間も軸方向に
変形する。この空間の軸方向の変位を変位測定機構で測
定する。この変位は荷重に対応した値なので、荷重も算
出できる。

【０００９】装置の発明の好ましい実施形態では、前記
変位検出機構は間隔を有して相反発するように付勢され
た２個の部材からなり、一方の部材にはその間隔の変位
を測定する変位計が設けられている。かかる構成により
２個の部材は空間の両端に押し付けられるので、両部材
の間隔に空間の軸方向の変位が発生する。この変位を変
位計で測定する。なお付勢力はカッタに加わる荷重に対
して十分小さいものとする。

【００１０】装置の発明の別の好ましい実施形態では、
前記空間は前記駆動軸と同一軸心を有する円筒状空間で
あり、前記変位検出機構は該円筒状空間に嵌合する２個
の円筒で、 軸方向に伸縮自在にかつ円周方向に一体とな
るよう連結しており、各円筒は軸受により回転可能に支
持され、一方の円筒が外部の静止部材に固定されてい
る。２個の円筒は駆動軸と同一軸の円筒状空間に嵌合し
軸受で回転自在に支持され、かつ円周方向には一体とな
るよう結合されているので、一方の円筒を静止部材に固
定することにより、駆動軸が回転しても２個の円筒つま
り変位検出機構は回転しない。これにより信号処理のた
めの有線による配線処理が可能になる。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下本発明の実施の形態について
図面を参照して説明する。図１は本発明の第１実施形態
のカッタ駆動軸の構成を示す図である。なお図８と同一
のものは同一の記号を付し説明を簡単にする。カッタ駆
動軸１にはカッタ２の後端より軸の段部の位置ａまで同
軸に円筒状穴１０を設け、段部の位置ａより後端までは
小径のケーブル取り出し穴１１が設けられている。この
円筒状穴１０に変位測定機構１２が嵌合している。変位
測定機構１２は長さの長い第１円筒１３と、短い第２円
筒１４よりなり、それぞれの一方の端部は円筒状穴１０
の端部に接し他方の端部は互いに向かい合って連結して
いる。

【００１２】図２は図１のＡ部詳細図で、第１円筒１３
と第２円筒の取り合い部の詳細図である。第２円筒１４
の他方の端部は縮径されておりこの部分に縦溝（軸方向
の溝）が全周に設けられている。第１円筒１３の他方の
端部は所定長さ中空のリング１３ａになっており、リン
グ１３ａの先端部内面に縦状の突起が円周方向に複数設
けられ、この縦状突起が第２円筒１４の縦溝に嵌合する
ので、両円筒１３，１４は軸方向に伸縮するが、円周方
向には一体となるように結合されている。第１円筒１３
の他方の端部のリング１３ａつけねの中実部の端面１３
ｂと第２円筒１４の他方の端面１４ａとで構成される間
隙部１５は距離Ｄ離れている。第１円筒１３のリング１
３ａのつけねは円筒状の溝１３ｃになっており、この溝
１３ｃと第２円筒１４の端面１４ａ間にバネ１６が円周
に沿って複数条設けられ、第１円筒１３と第２円筒１４
の一方の端部が常に円筒状穴１０に接するように付勢し
ている。これにより円筒状穴１０が軸方向に伸縮する
と、その伸縮量は前記距離Ｄの変位となって現れる。な
お、バネ１６の付勢力は前面荷重Ｆに対して十分小さい
ものとする。

【００１３】第２円筒１４には変位計１７が取付けら
れ、間隙部１５の距離Ｄの変位を計測する。変位計１７
にはケーブル１８が接続され、ケーブル取付け穴１１を
通り駆動軸１の端面に取付けられたスリップリング１９
に接続する。第１円筒１３及び第２円筒１４は駆動軸１
とともに回転しているので、ケーブル１８も回転してお
り、スリップリング１９により静止した側に計測データ
を取り出すことができる。なお、スリップリング１９に
代えて回転トランスを用いてもよい。回転トランスはド
ラム型スリップリング装置のブラシとリングをトランス
の１次側と２次側に置き換え、２次側が回転するもの
で、 非接触で動作するためノイズが少なく長時間安定し
た計測ができる。取り出したデータはテレメータにより
送信することもできる。

【００１４】変位は図１に示すように、カッタ駆動軸１
の円筒状穴１０の両端の距離Ｌが前面荷重ＦによりΔＬ
縮むと、これは間隙部１５の距離Ｄの変位として現れ
る。実際には、荷重はカッタの全面に必ずしも均等にか
かるのではなく、不均等にかかるときもあるが、このよ
うに１つの変位として計測することにより、カッタには
図１に示す前面荷重Ｆがその中心にかかるとして計測す
ることができる。

【００１５】図３は変位計として用いる渦電流形変位セ
ンサの形状と原理を示す。図３Ａは渦電流形変位センサ
の形状とこのセンサに対して変位するターゲットを示
す。センサは先端にコイルを有する円筒状の形状で、高
周波電流を供給するケーブルと変位を出力する信号線が
接続されている。ターゲットは導電体で構成され、渦電
流形変位センサと非接触で変位が計測される。

【００１６】図３Ｂは渦電流形変位センサの作動原理を
示す。２ＭＨｚ程度の高周波電流をコイルに流し、コイ
ルに発生する磁束にターゲットを近づけるとターゲット
に渦電流が発生し、この渦電流により発生する磁束はコ
イルの磁束と反対方向なので、コイルのインダクタンス
が減少し、コイルの電流が変化する。この電流変化はコ
イルとターゲットとの距離に依存するので、電流変化を
電圧として取り出しターゲットの変位量を得ることがで
きる。

【００１７】図４はこのようにして計測された変位デー
タを処理する装置を示すブロック図である。電圧の変化
として出力された変位データはプリアンプで増幅され、
電流値として荷重監視・記録装置に入力される。荷重監
視装置では変位を荷重に変換し、前面荷重Ｆを得て、こ
れを常に監視し、この荷重に応じたカッタ駆動トルク等
の制御信号を出力する。またこの荷重を記録装置で記録
する。記録データはデータ蓄積装置に蓄積され、さらに
頻度解析装置で発生荷重の頻度分布等の解析が行われ
る。また計測した変位から算出した荷重はデジタル表示
計に数値で示され、アナログ表示計にはメータの針で指
示される。

【００１８】次に第２実施形態について説明する。図５
は第２実施形態のカッタ駆動軸の構成を示す図である。
なお図８と同一のものは同一の記号を付し説明を簡単に
する。第２実施形態はカッタの駆動軸１が回転しても変
位計測機構１２を静止させておくようにして、スリップ
リング１９等を不要としたもので、他は第１実施形態と
同じである。第１円筒１３と第２円筒１４にはそれぞれ
軸受２０が設けられ、カッタの駆動軸１が回転しても後
述するように静止できるようになっている。駆動軸１の
段部の位置ａより後端までは駆動軸１と同軸にロッド用
穴２１が設けられ、このロッド用穴２１を貫通して設け
られたロッド２２の一端は第２円筒１４に固定され、他
端はフランジ２３に結合されている。このフランジ２３
はハウジング５に固定されているので、第２円筒１４は
静止部材に固定されたことになる。変位計１７のケーブ
ル１８はフランジ２３の外まで伸び、プリアンプ等に直
接接続できるようになっている。

【００１９】図６は図５のＡ部の詳細図で第１円筒１３
と第２円筒１４の取り合い部を示す。図２と同一なもの
は同一符号で表し、説明を省略または簡略化する。図２
で説明したように、第２円筒１４の第１円筒１３側の端
部は縮径されており、この部分に縦溝（軸方向の溝）が
全周に設けられている。第１円筒１３の第２円筒側の端
部は所定長さ中空のリング１３ａになっており、リング
１３ａの先端部内面に縦状の突起が円周方向に複数設け
られ、この縦状突起が第２円筒１４の縦溝に嵌合するの
で、両円筒１３、１４は軸方向に伸縮するが、円周方向
には一体となるように結合されている。第２円筒１４は
図５で説明したように、ロッド２２、フランジ２３を介
して静止部材のハウジンク５に固定されているので、第
１円筒１３も回転が拘束される。一方駆動軸１が回転し
ても、軸受２０で滑ってその回転力は両円筒１３、１４
に殆ど伝達されない。かかる理由により、第２円筒１４
を静止部材に固定しておけば、両円筒１３、１４、つま
り変位計測機構１２を静止状態に保持することができ
る。

【００２０】図６と図２との相違点は変位計１７として
接触式の差動変圧器型変位センサを用いた点である。こ
の変位計１７は接触子２７を有し、この接触子２７の先
端が第１円筒１３の中実端面１３ｂに常に接触するよう
にし、間隙部１５の距離Ｄの変位をこの接触子２７の変
化として取り出し計測するようにしている。

【００２１】図７は変位計として用いる差動変圧器型変
位センサの形状と原理を示す。図７Ａは差動変圧器型変
位センサの形状とこのセンサに対して変位するターゲッ
トを示す。センサはトランス２５の中心にコア２６を配
置し、このコア２６に接続した接触子２７が常にターゲ
ットに接触するようにしている。これによりターゲット
の変位をコア２６に伝えるようにしている。ターゲット
は導電体でなくてもよく、差動変圧器型変位センサの接
触子２７と接触して変位を伝達するものであればよい。

【００２２】図７Ｂは差動変圧器型変位センサの作動原
理を示す。中央に位置する１次コイルＰとその両側に位
置する２次コイルＳ１，Ｓ２の３個のコイルと強磁性体
のコア２６から構成される。５０Ｈｚ〜２０ＫＨｚの交
流電圧を１次コイルＰに印加する。コア２６を通じて励
磁されたコイルＳ１，Ｓ２に電圧Ｅ１，Ｅ２が誘起し、
出力信号はＥ０＝Ｅ１−Ｅ２なので、コア２６がコイル
Ｓ１，Ｓ２の中央にあれば、Ｅ１＝Ｅ２でＥ０＝０とな
り、コア２６が変位すると磁気的に非対称なインダクタ
ンス分が生じ、変位量に比例した起電圧が発生する。

【００２３】なお、変位計１７としては、上記以外にイ
ンダクタンス変化型変位センサ、デジタル型変位センサ
なども使用可能である。

【００２４】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
は、次の効果を奏する。 １）カッタに加わる前面荷重を実測できるので、掘削作
業中の力の釣り合いが常に把握でき適切な掘進操作が可
能になる。 ２）前面荷重によるカッタ駆動軸の軸方向変位そのもの
を検出するので、より正確な荷重形態を把握することが
できる。また、回転する軸の変位を静止した部材から取
り出すこともできるので、有線による計測配線が可能に
なり、システム全体が簡素化され、故障発生の度合いが
少くなる。 ３）前面荷重の大きさやカッタ駆動軸の径や長さに応じ
て駆動軸内の変位計測用の空間の寸法を決めることがで
きるので、測定対象の掘進機に適合して精度よく前面荷
重を計測できる。 ４）本計測装置は原理的に単純で、構造的に簡素である
ため故障が少く、長期的な作業が行われるシールド掘進
機では大きな優位性を持つことになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態の構成を示す図である。

【図２】図１のＡ部の部分詳細図である。

【図３】渦電流型変位センサの構成と作動原理を示す図
である。

【図４】計測した変位データを解析し処理する装置のブ
ロック図である。

【図５】本発明の第２実施形態の構成を示す図である。

【図６】図５のＡ部の部分詳細図である。

【図７】差動変圧器型変位センサの構成と作動原理を示
す図である。

【図８】従来のカッタ駆動軸の構成を示す図である。

【符号の説明】

１ 駆動軸 ２ カッタ ４ スラスト軸受 ５ ハウジング １０ 円筒状穴 １２ 変位計測機構 １３ 第１円筒 １４ 第２円筒 １５ 間隙部 １６ バネ １７ 変位計

───────────────────────────────────────────────────── 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 GA06 GA42 GA65 GA81 2F069 AA06 BB40 DD08 DD30 GG04 GG06 GG18 GG39 GG52 GG56 HH09 JJ02 JJ13 JJ19 JJ25 MM04 MM11 MM26 QQ05

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 先端にカッタを設けこれより所定距離は
   なれた位置をスラスト軸受で支持した駆動軸の内部に空
   間を設けこの空間の軸方向の変位を測定することを特徴
   とするカッタ駆動軸の変位検出方法。
2. 【請求項２】 先端にカッタを設けこれより所定距離は
   なれた位置をスラスト軸受で支持した駆動軸の内部にほ
   ぼ先端よりスラスト軸受取付け位置まで軸方向に伸びる
   空間を設け、この空間に軸方向の変位を測定する変位測
   定機構を設けたことを特徴とするカッタ駆動軸の変位検
   出装置。
3. 【請求項３】 前記変位検出機構は間隔を有して相反発
   するように付勢された２個の部材からなり、一方の部材
   にはその間隔の変位を測定する変位計が設けられている
   ことを特徴とする請求項２記載のカッタ駆動軸の変位検
   出装置。
4. 【請求項４】 前記空間は前記駆動軸と同一軸心を有す
   る円筒状空間であり、前記変位検出機構は該円筒状空間
   に嵌合する２個の円筒で、 軸方向に伸縮自在にかつ円周
   方向に一体に連結しており、各円筒は軸受により回転可
   能に支持され、一方の円筒が外部の静止部材に固定され
   ていることを特徴とする請求項３記載のカッタ駆動軸の
   変位検出装置。