JP2004263396A - 回転掘削ヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】ピックやピックボックスの摩耗を低減することによって、交換頻度を低くすることができ、しかも交換時間の短縮化により掘削時間の短縮化を実現することのできる回転掘削ヘッドを提供する。
【解決手段】回転掘削ヘッド１０は、回転ドラム１１と、多数のピック１３Ａ〜１３Ｄ，…と、多数のピックボックス１２，…と、摩耗防止板１４Ａ〜１４Ｂ，…とを備えている。そして、回転ドラム１１の先端部近傍に位置する摩耗防止板１４Ａは、その上端部が、ピックボックス１２の上端部にほぼ沿っており、前記ピック１３Ａ、１３Ｂの上端部１３ａ、１３ｂが摩耗防止板１４Ａの上端部から突出している。
【選択図】 図４

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、トンネル切羽面における岩盤等を掘削する掘削機の先端に備えられる回転掘削ヘッドに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、例えばトンネルにおける掘削工事等では、トンネル切羽面における岩盤等を掘削する自由断面掘削機を使用している。この自由断面掘削機は、一般に、回転させながら切羽面の岩盤等に当接させて岩盤を掘削する回転掘削ヘッド（カッターヘッド）と、この回転掘削ヘッドを回転させる回転装置等を備えている。
【０００３】
回転掘削ヘッドとしては、先端に円錐台形を有する断面六角形の回転可能な回転ドラム（ヘッド本体）と、回転ドラムの先端部の中心から外周面の基端部まで螺旋状配列して突設した多数のラウンド型ピックとを備えている。各ピックは、先端にチップが埋設された円錐台形のピック本体と回転軸部とを有し、その回転軸部が、回転ドラムの外周面に設けられたピックボックス内に挿通されることによって回転ドラムに固着されている（例えば、特許文献１にも記載されている）。そして、ピックを地盤に圧接させつつ回転させることにより、ピックが地盤に食い込み、掘削が行われる。
また、例えば、図６（ａ）、（ｂ）に示すように、回転ドラム１０１の外周面には、螺旋状に配置されたピック１０２，…及びピックボックス１０３，…に沿って、前記外周面から突出するように多数の扇形状の摩耗防止板１０４，…が所定間隔に固着されている。なお、互いに周方向に沿って隣接する摩耗防止板１０４、１０４によって形成される隙間１０４ａには、ピックボックス１０３と回転ドラム１０１とが接合する接合部分が位置している。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−３４８９００号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記摩耗防止板は回転ドラムの外周面から突出し、ピックボックスの下端部のみを覆うようにピックボックスに溶接されている。そのため、摩耗防止板によって覆われている部分は、その摩耗が防止されるが、摩耗防止板によって覆われていない部分、例えば、ピックボックスの上端部やピックの上端部は摩耗し易い。特に、回転ドラムに設けられた多数のピックのうち、回転ドラムの先端部分近傍に設けられたピック及びピックボックスは、地盤に圧接されて地盤に食い込むため、最も摩耗し易かった。また、このようにピックやピックボックスが摩耗することにより交換頻度が高くなるので、これらの観点からもピックやピックボックスの摩耗の低減が要望されている。
さらに、回転ドラムの先端部近傍において、互いに周方向に隣接する摩耗防止板同士の間に形成される隙間には、掘削した土砂（以下、ずりと言う）が積もり易く、ピックを交換する際にその交換に時間がかかる。その結果、掘削時間の遅延を招くことがあった。
【０００６】
本発明は、ピックやピックボックスの摩耗を低減することによって、交換頻度を低くすることができ、しかも交換時間の短縮化により掘削時間の短縮化を実現することのできる回転掘削ヘッドを提供することを課題としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１の発明は、例えば、図２〜図４に示すように、先端に円錐台形部を有し回転可能な回転ドラム１１と、該回転ドラム１１の外周面上で回転ドラム１１の先端部から周方向に沿って螺旋状に配列された多数のピック１３Ａ〜１３Ｄ，…と、前記回転ドラム１１の外周面上に傾斜して設けられて前記ピック１３Ａ〜１３Ｄの上端部（ピック本体１３ｂ及びチップ１３ｃ）が突出するようにピック１３Ａ〜１３Ｄを内部に抱持する多数のピックボックス１２，…と、前記回転ドラム１１の外周面から突出するとともに前記ピックボックス１２の外周面のうちの前記回転ドラム１１の基端部側に設けられた摩耗防止板１４Ａ〜１４Ｂ，…とを備えた回転掘削ヘッド１０であって、
前記摩耗防止板１４Ａ、１４Ｂのうちの、前記回転ドラム１１の先端部近傍に位置する摩耗防止板１４Ａは、その上端部が、前記ピックボックス１２の上端部にほぼ沿っており、前記ピック１３Ａ、１３Ｂの上端部１３ｂ、１３ｃが前記摩耗防止板１４Ａの上端部から突出していることを特徴とする。
【０００８】
請求項１の発明によれば、摩耗防止板のうちの、回転ドラムの先端部近傍に位置する摩耗防止板は、その上端部が、ピックボックスの上端部にほぼ沿っており、ピックの上端部が摩耗防止板から突出しているので、ピックの上端部以外が摩耗防止板によって覆われることになる。そのため、特に掘削時に摩耗しやすい回転ドラムの先端部近傍のピック及びピックボックスの摩耗を低減することができる。よって、摩耗によるピック及びピックボックスの交換頻度も低くなり、コスト削減を図ることができる。
また、ピックの上端部は摩耗防止板の上端部から突出しているので、このピックの上端部が切羽面に対して確実に当たり、掘削効率に優れる。
【０００９】
請求項２の発明は、例えば、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、請求項１に記載の回転掘削ヘッド１０において、
前記摩耗防止板１４Ａ、１４Ｂのうちの、前記回転ドラム１１の先端部近傍に位置する摩耗防止板１４Ａは、互いに周方向に沿って隣接するピックボックス１２、１２同士の間で下に凸となる下側凸部１４ａと、前記ピックボックス１２の上端部で上に凸となる上側凸部１４ｂとを有しており、
前記下側凸部１４ａと前記上側凸部１４ｂとが連続した波形状に形成されていることを特徴とする。
【００１０】
請求項２の発明によれば、回転ドラムの先端部近傍に位置する摩耗防止板は、下側凸部と上側凸部とを有し、これら下側凸部と上側凸部とが連続した波形状に形成されているので、従来のように摩耗防止板が所定間隔に配置されていないことから、摩耗防止板同士の間に形成される隙間にずりが積もることがない。したがって、ピックを交換する際にその交換時間を短縮することができ、このことから掘削時間の短縮にもつながる。
【００１１】
請求項３の発明は、例えば、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、請求項１又は２に記載の回転掘削ヘッド１０において、
前記摩耗防止板１４Ａの上端部に硬化肉盛り層１５が形成されていることを特徴とする。
【００１２】
請求項３の発明によれば、摩耗防止板の上端部に硬化肉盛り層が形成されているので、硬化肉盛り層によって摩耗防止板の上端部が覆われ、摩耗防止板の摩耗を低減することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の実施の形態の回転掘削ヘッドが備えられた掘削機の概略側面図、図２は、回転ドラムにおけるピック及びピックボックスの配置を示す正面図、図３は、図２における側面図、図４は、回転ドラムにおける周方向に互いに隣接する第１及び第２のピックと第１の摩耗防止板との配置を示しており、（ａ）は側断面図、（ｂ）は上断面図、図５は、回転ドラムにおける周方向に互いに隣接する第３及び第４のピックと第２の摩耗防止板との配置を示しており、（ａ）は側断面図、（ｂ）は上断面図である。
【００１４】
本発明の回転掘削ヘッドは、例えば、自由断面掘削機に備えられ、トンネル掘削工事等においてトンネルの切羽面の岩盤等を掘削するものである。
まず、本発明に好適に用いられる掘削機について概略的に説明する。図１に示すように、掘削機１は、走行装置２の上部に旋回装置３が設けられており、該旋回装置３により掘削機本体４が旋回可能とされている。掘削機本体４の前部には、ブーム５が設けられており、上下方向及び左右方向に回動自在となっている。そして、ブーム５の先端に本発明の回転掘削ヘッド１０がヘッド支持部６によって支持されている。
【００１５】
ヘッド支持部６内には、図示しない油圧モータ、減速機、回転軸、回転掘削ヘッド１０と回転軸とを連結する連結部等を備えている。そして、油圧モータが駆動すると、減速機により調整されたトルクが回転軸に与えられ、これにより回転軸と連結した連結部を介して回転掘削ヘッド１０が、ブーム５の中心軸の延長線上で回転するようになっている。
したがって、掘削作業は、回転掘削ヘッド１０を掘削機本体４の水平旋回と、ブーム５の上下の回動と、ブーム５の伸縮との組み合わせにより移動させ、回転する回転掘削ヘッド１０を掘削箇所の切羽面に押し当てることで行われる。
【００１６】
以下、本発明の回転掘削ヘッド１０について詳細に説明する。
図２〜図５に示すように、回転掘削ヘッド１０は、回転ドラム１１、ピックボックス１２，…、ピック１３Ａ〜１３Ｄ，…、摩耗防止板１４Ａ〜１４Ｂ，…等を備えている（なお、図２では摩耗防止板１４Ｂ、図３では摩耗防止板１４Ａ、１４Ｂを図面の関係上省略している）。
【００１７】
回転ドラム１１は、図２及び図３に示すように、先端に円錐台形部を有しており、側断面視六角形状である。すなわち、切羽面に当接する先端面１１ａと、該先端面１１ａに連続して設けられて先端面１１ａに対して外側に傾斜して設けられたテーパー面１１ｂと、該テーパ面１１ｂに連続して設けられて前記先端面１１ｂに対して垂直な面１１ｃとを有している。また、回転ドラム１１は、その先端を中心に軸回りに回転可能となっている。
回転ドラム１１の外周面上には、回転ドラム１１の先端部の中心から外側に向かって周方向に沿って螺旋状に多数のピック１３Ａ〜１３Ｄ，…及び各ピック１３Ａ〜１３Ｄ，…を内部に抱持する多数のピックボックス１２，…が配列されている。この螺旋状配列は、互いに対称に２列設けられている（なお、図３では、ピック１３Ａ〜１３Ｄ，…及びピックボックス１２，…の一部のみを図示している）。
【００１８】
ピックボックス１２は回転ドラム１１の外周面上に、外周面に対して所定の角度で傾斜するように溶接されている。また、ピックボックス１２の中央部分には、後述するピック１３の回転軸部１３ａが挿通される挿通孔１２ａが形成されている。
【００１９】
ピック１３Ａ〜１３Ｄは、図４及び図５に示すように、いわゆるラウンド型ピックであり、ピックボックス１２の挿通孔１２ａに挿通される円筒状の回転軸部１３ａと、この回転軸部１３ａの上端部に一体に設けられ、拡径した円錐台形状のピック本体１３ｂと、ピック本体１３ｂの先端部に埋設されたチップ１３ｃと、回転軸部１３ａの下端部に嵌着されたストッパリング１３ｄとを備えている。また、ピック１３Ａ〜１３Ｄは、回転軸部１３ａを軸として軸回りに回転自在とされている。
そして、回転軸部１３ａがピックボックス１２の挿通孔１２ａに挿通され、ピックボックス１２の上端部からピック本体１３ｂが上側に突出しており、回転軸部１３ａのうちの挿通孔１２ａから下側に突出した部分にストッパリング１３ｄ嵌着され、これによってピック１３Ａ〜１３Ｄがピックボックス１２の内部に脱着可能に抱持されている。
【００２０】
また、ピック１３Ａ〜１３Ｄは、そのチップ１３ｄが切羽面に対して垂直に当たるようにピックボックス１２に設けられている。
すなわち、図２及び図３に示すように、ピック１３Ａ〜１３Ｄの先端部は、回転ドラム１１の先端部近傍に設けられたピック（後述する第１のピック１３Ａ）から周方向に沿って外側に順に設けられるピック（後述する第２〜第４のピック１３Ｂ〜１３Ｄ）にしたがって、回転ドラム１１の先端部の中心から周方向に沿ってそれぞれ外側を向いている。
したがって、図３に示すように、回転ドラム１１の先端部近傍、すなわち、先端面１１ａに配置されるピック（以下、第１のピック１３Ａと言う）は、そのチップ１３ｂの中心が回転ドラム１１の軸方向Ｘと略平行な方向を向いている。
また、先端面１１ａとテーパー面１１ｂとの間の円弧部分に配置されるピック（以下、第２のピック１３Ｂと言う）、テーパー面１１ｂに配置されるピック（以下、第３のピック１３Ｃと言う）、垂直な面１１ｃに配置されるピック（以下、第４のピック１３Ｄと言う）へと周方向に沿って外側に配置されるピックにしたがって、そのチップ１３ｂの中心が回転ドラム１１の軸方向Ｘに対してそれぞれ徐々に外側を向くように、軸方向Ｘと各ピックの回転軸方向とのなす角度が大きくなっている。
【００２１】
なお、ピック１３Ａ〜１３Ｄとしてはラウンド型に限らず、平型を使用しても良く、その場合はピックボックス１２も平型ピック用とする。
【００２２】
摩耗防止板１４Ａ〜１４Ｂ，…は、回転ドラム１１の外周面から上方に突出するとともにピックボックス１２の外周面のうちの回転ドラム１１の基端部側に周方向に沿って設けられており、回転ドラム１１の外周面及びピックボックス１２に溶接されている。
【００２３】
図４（ａ）、（ｂ）に示すように、摩耗防止板１４Ａ、１４Ｂのうちの、第１及び第２のピック１３Ａ、１３Ｂが挿通されるピックボックス１２の外周面に設けられる摩耗防止板（以下、第１の摩耗防止板１４Ａと言う）は、その上端部が、回転ドラム１１に対して傾斜して設けられたピックボックス１２の上端部にほぼ沿っている。
また、第１の摩耗防止板１４Ａは、互いに周方向に沿って隣接するピック１３Ａ、１３Ａ（あるいは１３Ｂ、１３Ｂ）同士の間で下に凸となる下側凸部１４ａと、回転ドラム１１の外周面に対して傾斜して設けられたピックボックス１２の上端部で上に凸となる上側凸部１４ｂとを有している。そして、これら下側凸部１４ａと上側凸部１４ｂとが連続した波形状に形成されている。
【００２４】
下側凸部１４ａは、回転ドラム１１の外周面からピック本体１３ｂの基端部（ピック本体１３ｂとピックボックス１２との境界部分）のうちの最下端部よりも若干高い位置にある。
上側凸部１４ｂは、回転ドラム１１の外周面からピック本体１３ｂの基端部のうちの最上端部と略等しい位置にある。
そのため、下側凸部１４ａと上側凸部１４ｂとからなる傾斜面から第１及び第２のピック１３Ａ、１３Ｂの上端部（ピック本体１３ｂ及びチップ１３ｃ）のみが突出するようになっている。したがって、第１及び第２のピック１３Ａ、１３Ｂのうちの、ピック本体１３ｂ及びチップ１３ｃ以外の部分や、ピックボックス１２は、第１の摩耗防止板１４Ａによって覆われた状態となっている。
【００２５】
また、図５（ａ）、（ｂ）に示すように、摩耗防止板１４Ａ、１４Ｂのうちの、第３及び第４のピック１３Ｃ、１３Ｄが挿通されるピックボックス１２の外周面に設けられる摩耗防止板（以下、第２の摩耗防止板１４Ｂと言う）は、従来と同様に回転ドラム１１の外周面に沿った扇形状であって、所定間隔に回転ドラム１１の外周面上に突出して設けられている。そして、周方向に隣接する摩耗防止板１４Ｂ、１４Ｂ同士の間に形成される隙間１４ｃに、ピックボックス１２と回転ドラム１１との接合部分が位置している。
また、第２の摩耗防止板１４Ｂは、第１の摩耗防止板１４Ｂの下側凸部１４ａと略等しい高さである。そのため、第２の摩耗防止板１４Ｂの上端部からピックボックス１２の一部や第３及び第４のピック１３Ｃ、１３Ｄの上端部であるピック本体１３ｂやチップ１３ｃが突出するようになっている。
【００２６】
また、第１の摩耗防止板１４Ａ及び第２の摩耗防止板１４Ｂは、圧延鋼材又は高張力鋼板により形成されている。
第１の摩耗防止板１４Ａの上端部には、摩耗防止板１４Ａの波形状に沿って耐摩耗性の高い溶接棒からなる硬化肉盛り層１５が形成されている。
第２の摩耗防止板１４Ｂの上端部にも同様に、硬化肉盛り層１５が形成されている。
【００２７】
次に、上述した構成をなす回転掘削ヘッド１０の動作について掘削機１の動作とともに説明する。
まず、掘削機１を走行装置２によりトンネルの切羽面まで移動させて、回転掘削ヘッド１０の軸方向が水平方向になるようにブーム５を動作させる。
次に、ブーム５内の油圧モータを駆動させて、回転軸に減速機により調整されたトルクを与える。これによって回転軸及び連結部を介して回転掘削ヘッド１０がその軸回りに回転する。
そして、ブーム５を先方へ伸長させるか掘削機１を前進させて回転掘削ヘッド１０を切羽面に当接させる。すると、回転掘削ヘッド１０のピック１３Ａ〜１３Ｄ，…がその回転軸１３ａ，…を中心に回転することによって、先端のチップ１３ｂ，…が切羽面の岩盤に対してそれぞれ垂直に当たって食い込み、圧接して掘削が行われる。
【００２８】
以上、本発明の実施の形態の回転掘削ヘッド１０によれば、回転ドラム１１の先端部近傍に位置する第１の摩耗防止板１４Ａは、その上端部が、ピックボックス１２の上端部にほぼ沿っており、第１、第２のピック１３Ａ、１３Ｂのピック本体１３ｂ及びチップ１３ｃが摩耗防止板１４Ａから突出しているので、ピック本体１３ｂ及びチップ１３ｃ以外が摩耗防止板１４Ａによって覆われることになる。そのため、特に掘削時に摩耗しやすい回転ドラム１１の先端部近傍のピック１３Ａ、１３Ｂ及びピックボックス１２の摩耗を低減することができる。よって、ピック１３Ａ、１３Ｂ及びピックボックス１２の交換頻度も低くなり、コスト削減を図ることができる。また、チップ１３ｃが切羽面に対して確実に当たり、掘削効率に優れる。
【００２９】
第１の摩耗防止板１４Ａは、下側凸部１３ａと上側凸部１３ｂとを有し、連続した波形状に形成されているので、ずりが積もりにくい。したがって、ピック１３Ａ、１３Ｂの交換時間を短縮することができ、このことから掘削時間の短縮にもつながる。
第１及び第２の摩耗防止板１４Ａ、１４Ｂの表面に硬化肉盛り層１５が形成されているので、摩耗防止板１４Ａ、１４Ｂの摩耗を低減することができる。
【００３０】
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、本実施の形態における回転掘削ヘッド１０は、油圧モータで回転駆動するとしたが、電動モータで回転駆動するように構成しても良い。
【００３１】
【発明の効果】
請求項１の発明によれば、ピックの上端部以外が摩耗防止板によって覆われることになり、特に掘削時に摩耗しやすい回転ドラムの先端部近傍のピック及びピックボックスの摩耗を低減することができる。よって、摩耗によるピック及びピックボックスの交換頻度も低くなり、コスト削減を図ることができる。
また、ピックの上端部が切羽面に対して確実に当たるため、掘削効率に優れる。
【００３２】
請求項２の発明によれば、請求項１と同様の効果を得ることができるのは勿論のこと、従来のように摩耗防止板同士の間に形成される隙間にずりが積もることがなく、ピックを交換する際にその交換時間を短縮することができ、このことから掘削時間の短縮にもつながる。
【００３３】
請求項３の発明によれば、請求項１又は２と同様の効果を得ることができるのは勿論のこと、硬化肉盛り層によって摩耗防止板の上端部が覆われ、摩耗防止板の摩耗を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態を示すためのもので、掘削機の概略側面図である。
【図２】同、回転ドラムにおけるピック及びピックボックスの配置を示す正面図である。
【図３】同、回転ドラムにおけるピック及びピックボックスの配置を示す側面図である。
【図４】同、回転ドラムの先端部近傍における周方向に互いに隣接するピック、ピックボックス及び摩耗防止板の配置を示しており、（ａ）は側断面図、（ｂ）は上断面図である。
【図５】同、回転ドラムの先端部近傍以外における周方向に互いに隣接するピック、ピックボックス及び摩耗防止板の配置を示しており、（ａ）は側断面図、（ｂ）は上断面図である。
【図６】従来例を示すためのもので、回転ドラムにおける周方向に互いに隣接するピック、ピックボックス及び摩耗防止板の配置を示しており、（ａ）は側断面図、（ｂ）は上断面図である。
【符号の説明】
１０ 回転掘削ヘッド
１１ 回転ドラム
１２ ピックボックス
１３Ａ 第１のピック（ピック）
１３Ｂ 第２のピック（ピック）
１３Ｃ 第３のピック（ピック）
１３Ｄ 第４のピック（ピック）
１３ｂ ピック本体（ピックの上端部）
１３ｃ チップ（ピックの上端部）
１４Ａ 第１の摩耗防止板（摩耗防止板）
１４Ｂ 第２の摩耗防止板（摩耗防止板）
１４ａ 下側凸部
１４ｂ 上側凸部
１５ 硬化肉盛り層

Claims (3)

1. 先端に円錐台形部を有し回転可能な回転ドラムと、該回転ドラムの外周面上で回転ドラムの先端部から周方向に沿って螺旋状に配列された多数のピックと、前記回転ドラムの外周面上に傾斜して設けられて前記ピックの上端部が突出するようにピックを内部に抱持する多数のピックボックスと、前記回転ドラムの外周面から突出するとともに前記ピックボックスの外周面のうちの前記回転ドラムの基端部側に設けられた摩耗防止板とを備えた回転掘削ヘッドであって、
   前記摩耗防止板のうちの、前記回転ドラムの先端部近傍に位置する摩耗防止板は、その上端部が、前記ピックボックスの上端部にほぼ沿っており、前記ピックの上端部が前記摩耗防止板の上端部から突出していることを特徴とする回転掘削ヘッド。
2. 前記摩耗防止板のうちの、前記回転ドラムの先端部近傍に位置する摩耗防止板は、互いに周方向に沿って隣接するピックボックス同士の間で下に凸となる下側凸部と、前記ピックボックスの上端部で上に凸となる上側凸部とを有しており、
   前記下側凸部と前記上側凸部とが連続した波形状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の回転掘削ヘッド。
3. 前記摩耗防止板の上端部に硬化肉盛り層が形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の回転掘削ヘッド。

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