JP2011522140A - トンネル掘削効率を監視するための装置および方法 - Google Patents

Abstract

複数のカッタアセンブリ（１０）を回転可能に支持する回転カッタヘッド（９３）を有する、トンネル掘削機（９０）。複数の計器パッケージ（５０）は、回転カッタヘッドに取り付けられ、各計器パッケージは、関連付けられたカッタアセンブリと接触する遠位端を有する。計器パッケージは、関連付けられたカッタアセンブリを監視するために、加速度計（３２）と、磁力計（３３）と、温度センサ（３４）とを含む、複数のセンサを含む。センサは、計器パッケージの遠位端に装着され、カッタアセンブリと接触したままとなるように偏向される。計器パッケージは、無線送信機を含み、メッシュまたはピアツーピアネットワーク内で相互接続される。バッテリパック等の電力供給装置（１７６）は、各計器パッケージに対して提供される。センサからのデータを使用して、トンネル掘削機の動作の制御および／またはカッタアセンブリの状態の監視を行なってもよい。

Description

（技術分野）
本発明は、概して、機械的掘削の分野に関し、より具体的には、トンネル掘削機の効率を監視および制御するための装置およびプロセスに関する。

（背景）
トンネル掘削機（「ＴＢＭ」）は、通常は、種々の土壌および岩石層内に円形トンネルを形成するために使用される、トンネル掘削装置である。従来のＴＢＭは、通常は、最小限の付随的外乱を伴って、平滑円形トンネル壁を生成する。ＴＢＭを効率的かつ信頼性のあるものにした飛躍的進歩は、Ｊａｍｅｓ Ｓ．Ｒｏｂｂｉｎｓによって開発された回転ヘッドの発明による。当初、ＲｏｂｂｉｎｓのＴＢＭは、円形運動に回転する強固なスパイクを使用したが、スパイクは、頻繁に破損するものであった。彼は、これらの研削スパイクをより長持ちする回転カッタアセンブリと置換することによって、本問題が大幅に軽減されることを発見した。それ以来、成功を収めている最新のＴＢＭはすべて、回転カッタアセンブリを有する。

トンネル掘削機の出現以来、これらの機械の操作者および製造業者は、どのように切削デバイスが掘削される材料と相互作用するかを理解および監視することを所望してきた。リアルタイム性能データによって、操作者は、ある動作パラメータを制御し、タイムリーに整備を行なうことによって、トンネル掘削動作の効率および信頼性を改善可能となるであろう。例えば、問題を迅速に識別し、操作者に適切な補正措置を開始させるために、トンネル掘削機をリアルタイムで監視することによって、構成要素の故障による、コストのかかる遅延は、回避され得る。

加えて、機械製造業者は、本データに基づいて、構成要素の設計を調節可能である。トンネル掘削機のための合理的動作および整備スケジュールを開発するための以前の試みは、単純な力測定デバイスの有無にかかわらず、理論的数学モデルの使用と、機械本体の動作状態によって提供される補助的証拠を通じた相互作用の推測を含んでいた。例示的トンネル掘削機は、特許文献１および特許文献２に開示されており、両方とも、その全体が本明細書に参考として援用される。さらなる例示的従来技術のトンネル掘削機は、特許文献３および特許文献４に開示されており、両方とも、その全体が本明細書に参考として援用される。Ｓｕｇｄｅｎらの特許文献５は、１つ以上のローラカッタアセンブリにかかる直接荷重の測定を提供するために、カッタシャフトひずみゲージを具備するカッタを伴う、異なる種類の採掘機を開示する。カッタシャフトのうちの１つ以上は、ローラカッタアセンブリにかかる直接荷重の測定を提供するために、ひずみゲージを具備する。しかしながら、単純なひずみゲージ測定は、カッタアセンブリの動作性能および回転特性に関する所望の情報を提供しない。

米国特許第４５４８４４３号明細書 米国再発行特許発明第３１５１１号明細書 米国特許第５２０５６１３号明細書 米国特許第６４３１６５３号明細書 米国特許第５３０８１５１号明細書

個々のカッタに関する問題の早期検出を提供し、性能を最適化し、不必要な摩耗を回避するために、機械を制御するように使用され得る情報を提供し、および／または岩石または掘削される他の材料の状態を監視するために使用可能である、トンネル掘削機上の個々のカッタの性能のリアルタイム監視を提供可能なシステムの必要性が残る。

（概要）
本発明の概要は、発明を実施するための形態にさらに後述される、単純化形態における一連の概念を紹介するために提供される。本発明の概要は、請求される主題の鍵となる特徴を識別することを意図するものではなく、請求される主題の範囲を決定する補助として使用されることを意図するものでもない。

本発明のある局面では、トンネル掘削機（ＴＢＭ）上のカッタに関連付けられた複数の計器パッケージを含む、動作の間、ＴＢＭを監視するための装置が開示される。各計器パッケージは、関連付けられたカッタと接触したまま維持され、カッタを監視するセンサ、例えば、加速度計、温度センサ、磁力計等を含む。計器パッケージの遠位端は、カッタ、例えば、カッタのリテーナ部分に接触する。直接接触は、関連付けられたカッタの正確なデータ、例えば、振動、温度、および回転速度データを提供する。計器パッケージ内のセンサ制御盤は、センサからのデータを受信し、データを遠隔受信機に無線送信する。データを使用して、例えば、カッタおよび／またはＴＢＭの状態を監視し、摩耗を検出する、あるいはＴＢＭの動作パラメータを好適に調節してもよい。電力供給装置は、電力をセンサおよび制御盤に提供する。装置は、計器パッケージをＴＭＢに取り付けるための手段を含む。

装置の実施形態では、計器パッケージは、多軸加速度計、および／または第２の加速度計を含む。

装置の実施形態では、ＴＢＭ上の各カッタアセンブリは、それに関連付けられた１つ以上の計器パッケージを有する。計器パッケージは、メッシュまたはピアツーピアプロトコル内において、無線で相互接続されてもよい。

装置のある実施形態では、計器パッケージは、センサを支持する遠位アーム部分を有するベースプレートを含み、ベースプレートの遠位アーム部分は、関連付けられたカッタと直接接触する。バネは、ベースプレートの遠位アーム部分を関連付けられたカッタアセンブリに向かって偏向するように提供されてもよい。

ある実施形態では、装着ブラケットは、トンネル掘削機に固定装着される、例えば、カッタ筐体アセンブリに固く取り付けられ、計器パッケージは、装着ブラケットに摺動可能に係合する取り外し可能部分を含む。

また、関連付けられたカッタアセンブリ、センサからのデータを受信するセンサ制御盤、および電力供給装置を監視するためのセンサを含有する複数の計器パッケージを提供するステップであって、計器パッケージは、関連付けられたカッタアセンブリと直接接触するステップと、センサから導出されたデータを遠隔受信機に無線送信するステップと、遠隔受信機に送信されるデータを使用して、トンネル掘削機の動作を制御するステップとを含む、トンネル掘削機を動作させるための方法も開示される。

また、複数のカッタアセンブリを回転可能に支持する回転カッタヘッドであって、各カッタアセンブリは、カッタリングを回転可能に支持するシャフトを備える、ヘッドと、カッタアセンブリに関連付けられた計器パッケージと、計器パッケージをトンネル掘削機に取り付けるための手段とを含む、トンネル掘削機も開示される。

本発明の上述の局面および付帯的利点の多くは、関連付けられた図面と併せて、以下の詳細な説明を参照することによって、さらに知識が深まるのに伴って、より容易に理解されるであろう。
図１は、本発明による、いくつかの従来の構成要素を示し、トンネル掘削機カッタアセンブリを監視するためのセンサを含む、トンネル掘削機を概略的に例示する。 図２は、図１に示される、トンネル掘削機のローラ式カッタアセンブリの部分的斜視分解図である。 図３は、明確にするために、筐体装着部の一部が除去されている、図２に示される、カッタアセンブリの組み立てられた斜視図である。 図４は、図２に示される、カッタアセンブリのための計器パッケージの分解図である。 図５は、図１に示される、トンネル掘削機のためのカッタアセンブリ監視システムの動作を概略する、ブロック図である。 図６は、本発明による、計器パッケージの第２の実施形態を示す。 図７は、図６に示される、計器パッケージの分解図である。

（詳細な説明）
次に、図面を参照して、本発明による、カッタアセンブリと、カッタアセンブリを監視するための関連付けられた計器パッケージとを有する、トンネル掘削機の関連する部分の説明が提示される（同一数字は、同一部分を示す）。本発明は、種々の形態で具現化されてもよく、本明細書に開示される具体的詳細は、限定としてではなく、むしろ、本発明を製造および使用する当業者に教示するための基礎として解釈されるべきであることは、当業者によって理解されるであろう。

本発明による、カッタアセンブリ１０を有する、例示的トンネル掘削機９０の環境側面図が、図１に示される。例示的トンネル掘削機９０は、複数のローラ式カッタアセンブリ１０を回転可能に支持する、全断面回転カッタヘッド９３を有する。図中では、３つのカッタアセンブリが視認されるが、通常のトンネル掘削機が、カッタヘッド９３上に回転可能に配置される、２０、５０、１００以上のカッタアセンブリ１０を組み込んでもいことは、当業者によって理解されるであろう。

動作時、カッタヘッド９３は、カッタアセンブリ１０のうちの少なくともいくつかが、表面９１に強制的に係合するように、表面９１（例示される想像線）に対して推進される。本例示的実施形態では、１式以上の対向するアンカ輪止め９４が、油圧シリンダ９５によって、外向きに推進され、トンネル壁に係合し、それによって、トンネル掘削機９０をアンカリングする。次いで、カッタヘッド９３が、突き押しシリンダ９６によって、表面９１に対して前方に推進される。カッタヘッド９３は、カッタアセンブリ１０が表面９１に対して強制的に圧接され、表面９１に沿って転動するのに伴って、カッタアセンブリ１０が、表面９１から材料を破砕、弛緩、研削、除去、および／または破壊するように、長手方向軸を中心として回転する。

次に図２を参照すると、本発明による、カッタアセンブリ１０のうちの１つと、関連する装着および監視構成要素の部分的分解図を示す。組み立てられた斜視図は、図３に示されるが、いくつかの構成要素は、明確にするために省略される。カッタアセンブリ１０は、シャフト１３を中心とした回転のために装着される、ハブ１２上に配置される、カッタリング１５を含む。軸受アセンブリ（図示せず）は、概して、シャフト１３上に装着され、シャフト１３を中心としたハブ１２およびカッタリング１５の回転を提供する。本実施形態では、１つ以上の磁石１６（図３）が、回転ハブ１２上または内に設置されるが、その目的は、明白となるであろう。

シャフト１３の対向端は、離間された筐体装着部２０Ｌ、２０Ｒを備える、カッタ筐体内に固着され、各装着部分は、Ｌ型チャネル２１を画定する。カッタアセンブリ１０は、シャフト１３が、筐体装着部２０Ｌ、２０Ｒ内のチャネル２１に沿って摺動し、次いで、チャネル２１のＬ型脚部によって形成される陥凹内に側方に偏移されるように、カッタアセンブリ１０を摺動させることによって設置される。したがって、筐体装着部２０Ｌ、２０Ｒ間にカッタアセンブリ１０を位置付け後、カッタアセンブリ１０は、シャフト１３の成形端に係合するように適合される、楔係止システムによって固着される。カッタアセンブリを回転ヘッド掘削機に装着する種々の他の方法が存在することは、当業者によって理解されるであろう。上述の説明は、「後方装填カッタ」を装着する現在の方法について記載する。また、本発明は、「前方装填カッタ」等の他の装着システムとともに適用されてもよい。

楔係止システムは、楔２２と、クランプブロック２４と、その間に配置される管状外筒２８とを含む。楔２２は、カッタアセンブリ１０のシャフト１３の一端近傍の周縁刻面に当接するように位置付けられ、クランプブロック２４は、筐体装着部２０Ｌまたは２０Ｒ上の表面２５に係合および当接する。ボルト２３は、楔２２、外筒２８、およびクランプブロック２４を通って延び、２つのナット２６およびワッシャ２７によって固着される。したがって、ボルト２３が引張されるのに伴って（ナット２６を設計仕様にトルクを与えることによって）、楔２２は、カッタアセンブリ１０を定位置に係止する。

計器パッケージ５０は、カッタアセンブリ１０（以下に詳述される）に取り付け、トンネル掘削機９０の動作の間、関連付けられたカッタアセンブリ１０を監視する。好ましい実施形態では、計器パッケージ５０は、後述のように、モジュール動作するトポロジ要素、またはさらに、例えば、半自動計算、通信、および感知デバイスを備える。本実施形態では、計器パッケージ５０は、装着ブラケット３９によって、楔係止アセンブリのうちの１つに取り付ける。

本実施形態では、計器パッケージ５０は、近位端５２と、遠位先端５３とを有する、楔型外側筐体５１を備える。計器パッケージ５０は、遠位先端５３が、カッタアセンブリ１０のリテーナ１４に対して接触し、圧力を受けながら保持されるように、定寸および位置付けられる。スペーサ等（図示せず）が、アセンブリ上に設置され、計器パッケージ５０が正確に位置付けられることを確実にしてもよい。本実施形態では、少なくとも１つのベルビルワッシャまたは同等の圧縮機構を、例えば、外筒２８と楔２２との間に使用して、所望の圧縮嵌合を確実にする。計器パッケージ５０を設置後、クランプブロック２４が、ボルト２３上に定置され、ワッシャ２７が設置され、２つのナット２６が、ボルト２３に締着され、設計仕様にトルクが与えられる。

外側筐体５１は、実質的に、計器パッケージ５０の電子機器および機械的構成要素を封入する。また、図４を参照すると、計器パッケージ５０の分解図が示される。本実施形態では、計器パッケージ５０は、処理要素３５を有し、１つ以上の加速度計３２、少なくとも１つの磁力計３３（または、磁気検出器）、および少なくとも１つの温度センサ、例えば、熱電対３４に動作可能に接続される、センサ制御盤アセンブリ３１を含む。計器パッケージ５０は、付加的センサ、例えば、ひずみゲージ、音響または光学センサ、化学物質検出器等を含んでもよいことが企図される。センサ制御盤アセンブリ３１は、アンテナ３７を通して、遠隔受信機（図示せず）へと無線周波数帯域信号を送信する、無線送受信機３６をさらに含む。電子機器センサ３２、３３、３４、および無線送受信機３６は、センサ制御盤アセンブリ３１に装着される、バッテリパック３８によって電力供給される。

センサ筐体５１は、設置されると、遠位先端５３が、リテーナ１４に対して推進される、または圧力を受けながら保持されるように、カッタアセンブリリテーナ１４に接触する。したがって、本接触点を通して、加速度計３２は、カッタアセンブリ１０の加速にさらされる。加速度計３２は、動作の間、カッタリング１５が表面９１に沿って回転するのに伴って、カッタアセンブリ１０の振動を測定する。一実施形態では、カッタアセンブリ１０と直接接触せず、システムに、トンネル掘削機９０の動作に関連付けられた非カッタ振動を除外させる、任意の参照加速度計（図示せず）が提供される。カッタアセンブリ１０と接触しない参照加速度計によって検出される振動は、参照振動と、特定のカッタアセンブリ１０に関連付けられた加速度計３２によって測定される振動との間の差異が、特に、関連付けられたカッタアセンブリ１０に伴う振動の測定を提供するように、参照振動を提供するであろう。

また、掘削動作によって、カッタアセンブリ１０上に定置される荷重の局面は、加速度計３２によって監視され得る。カッタアセンブリ１０内の軸受アセンブリは、掘削表面９１から、リング１５およびハブ１２を通して、伝達される荷重の大部分を担うことを理解されるであろう。これらの軸受は、消耗部品である。軸受の有用寿命を最大限にする一方、良好な性能を達成するために、軸受は、製造業者によって、荷重制限が指定されている。加速度計３２を使用して、荷重制限を超えないことを確実にすることが可能である。

図２では、カッタアセンブリ１０とともに、１つの計器パッケージ５０のみ示されるが、２つ以上の計器パッケージ５０が、カッタアセンブリ１０の一部または全部と併用されてもよいことは、本発明によって企図される。例えば、計器パッケージ５０が、カッタアセンブリシャフト１３の両端上に定置される場合、シャフト１３の両側の荷重の不均衡は、加速度計３２の出力を比較することによって識別され得る。カッタアセンブリ１０上の不均衡荷重は、疲労状況を生成し、カッタアセンブリ１０構成要素は、周期的荷重に曝露され、機械的構成要素の有用寿命を大幅に短縮し得る。

カッタアセンブリ１０の動作の間に生じる他の動的現象は、加速度計３２からの出力信号の出力、例えば、ボルト２３を定位置に保持するナット２６の緊張を分析することによって識別されてもよい。ゆるい取り付けのカッタアセンブリ１０の振動は、筐体装着部２０Ｌ、２０Ｒ内に堅固に固定されたカッタアセンブリ１０と大幅に異なる特性を呈するであろう。さらに、振動の性質は、計器パッケージ５０と同一側のボルト２３が弛緩される場合、計器パッケージ５０と反対側のボルト２３が弛緩される場合と異なるであろう。

本実施形態では、１つ以上の磁石１６が、カッタ筐体装着部２０Ｌ、２０Ｒ内におけるカッタアセンブリ１０の設置に先立って、カッタハブ１２内に設置される。カッタリング１５およびハブ１２が、シャフト１３を中心として回転するのに伴って、磁石１６は、関連付けられた計器パッケージ５０内の磁力計３３によって検出される。磁石１６の連続的通過間の時間間隔を使用して、カッタリング１５の回転速度を計算可能である。次いで、カッタヘッド９３上の特定のカッタアセンブリ１０の位置と、カッタヘッド９３の回転速度とを知ることによって、時間間隔データまたは回転速度を使用して、カッタリング１５のすべりあるいはロッキングを検出する、もしくはカッタリング１５と表面９１との間にすべりがないと想定して、カッタリング１５の現在の直径を計算可能である。カッタリング１５の現在の直径は、リング１５が、トンネル掘削動作によって摩耗または浸食されて程度の測定値を提供する。当業者によって理解されるように、カッタリング１５上の摩耗量を決定することは、非常に重要である。例えば、トンネル掘削機９０のための整備手順は、多くの場合、カッタリング１５の摩耗の割合に基づいて、カッタアセンブリ１０が交換されるべき時を指定する。

また、カッタリング１５の回転速度と、特に、回転速度の時間変動は、回転の平滑性の指標を提供するため、知ることが望ましい。カッタリング１５の一定の回転速度（カッタヘッド９３が、一定速度で回転している間）は、カッタアセンブリ軸受が、適切に機能していることを示す。不規則な回転速度は、カッタリング１５がすべっていることを示し、したがって、軸受が故障しており、構成要素を交換する必要があることを示し得る。あるいは、多数のカッタリング１５の不規則な回転速度は、最適性能を達成するために、トンネル掘削機９０の動作パラメータの修正を示唆し得る。例えば、いくつかのカッタリング１５の回転速度が不規則である場合、これは、カッタヘッド９３が表面９１に対して堅固に圧接され過ぎていることを示し得る。

カッタリング１５の温度は、カッタアセンブリ１０の機能状態の別の指標である。カッタリング１５と表面９１との間の摩擦は、熱を発生させるであろう。カッタリング１５が、回転比較的自由に回転する場合、測定される温度は、一定レベルを達成するであろう。しかしながら、カッタリング１５が、回転自由に回転せず、代わりに、表面９１上を引きずったりまたはすべる場合、カッタアセンブリ１０の温度は、実質的かつ急速に上昇する。同様に、カッタリング軸受が、過度の摩擦を被る場合、軸受の温度は、上昇し、カッタアセンブリ１０の温度を上昇させるであろう。いずれの場合も、より深刻な損傷が生じる前に、補正措置（機械の停止または整備の予定等）が取られ得るように（自動的に、またはユーザによって）、カッタアセンブリ１０の温度を監視することによって、操作者に、問題が存在することの早期指標を提供する。

本発明のある実施形態では、計器パッケージ５０のうちの１つ以上（以下、参照計器パッケージと称する）は、上述の他のセンサに加え、２軸加速度計（図示せず）を含む。２軸加速度計は、２方向、通常は、直交配向される方向における重力を含む、加速度を測定可能である。機能的に、２軸加速度計は、ほぼ水平面において、第２の加速度計に対して垂直に配向される、第１の加速度計を含み、例えば、一方の軸は、カッタヘッド９３に対して半径方向に配向され、他方は、カッタヘッド９３に対して接線方向に配向される。２軸加速度計は、カッタヘッド９３回転時に測定し、個々のカッタアセンブリ１０の位置を特定するための参照点を提供するために使用可能である。

参照計器パッケージ上の２軸加速度計は、以下のように、検出された加速度計値を分析することによって位置付け可能であることが、当業者によって理解されるであろう。カッタヘッド９３上の２軸加速度計の相対的位置は既知である。例えば、カッタアセンブリ位置の参照マップが生成されてもよい。２軸加速度計は、加速度計の特定の配向に基づいて、重力加速度の正または負の値を表示する。したがって、２軸加速度計の回転配向は、重力を参照して決定可能である。２軸加速度計の回転配向およびカッタヘッド９３上のその相対的位置は、他のカッタアセンブリ計器パッケージ５０に対するその位置を決定する。参照カッタの位置を知ることによって、他のカッタもまた、カッタアセンブリ位置の参照マップを参照することによって、位置を特定可能となる。このことは、カッタアセンブリ１０が変則動作状態を被り、カッタヘッド９３内で位置が特定され、検査されることが必要な時に望ましい。

本実施形態では、各計器パッケージ５０に対して、加速度計３２、磁力計３３、および温度センサ３４によって測定されるデータが、センサ制御盤アセンブリ３１上のプロセッサ３５によって、デジタル信号に変換される。次いで、本デジタルデータは、アンテナ３７を通して、トンネル掘削機９０上のいずれかの場所に配置され得る遠隔受信機に送信される。好ましい実施形態では、トンネル掘削機９０上の全カッタアセンブリ１０が、１つまたは２つの計器パッケージ５０を具備し、掘削状態の可能な限り明確な指標を提供する。このような多くの計器パッケージ５０集合は、センサネットワークとして知られている。

センサネットワークからのデータは、トンネル掘削機９０の操作者のためのディスプレイに中継されてもよい。カッタヘッド９３上の相互の計器パッケージ５０の位置に関する計器パッケージ５０それぞれからデータを表示することによって、操作者は、岩石の構造を推測し、動作パラメータを適宜調節し、最大限の効率を達成可能となる。例えば、センサのマッピング機能と併用される各計器パッケージ５０からの振動測定値は、岩石の硬度、破砕の程度、および何らかの局所的地質構造を含むが、それらに限定されない、岩石の状態の指標とともに、岩石面のマップの表示を可能にするであろう。本ディスプレイを効果的に使用して、個々のカッタアセンブリ１０をその設計限界により近づけて動作させることによって、トンネル掘削機９０の生産性を向上させることが可能である。本システムを伴わない場合、各カッタアセンブリ１０の動作包絡線は、機械の総荷重の平均として想定され、全体的動作パラメータを低下させる。全体的平均荷重が、唯一の利用可能データであるため、個々のカッタアセンブリ１０によって認められる岩石状態の局所的変動は、本システムを伴わない場合、考慮不可能である。個々の感知システムを使用することによって、異常現象を検出可能となり、動作パラメータを調節し、各個々のカッタアセンブリ１０の最大荷重を達成可能である。

本実施形態は、データを受信機に送信するための２つの伝送経路が可能なセンサ制御盤アセンブリ３１を使用する。伝送は、２地点間プロトコルを通して行なうことが可能であって、各計器パッケージ５０からのデータは、受信機に直接送信される、またはマルチホップメッシュネットワークプロトコルを通して行なうことが可能であって、計器パッケージ５０は、協働し、データの中継として作用可能である。本計器パッケージ５０は、アンテナ３７を通して、無線信号の送受信の両方が可能である。本二重機能によって、各計器パッケージ５０は、他の計器パッケージ５０からデータを受信し、本データを受信機に送信可能である。メッシュネットワークプロトコルの主要な利点は、受信機から最も遠隔の計器パッケージ５０が、克服できないような無線妨害の場合、受信機により近接する他の計器パッケージ５０を使用して、その測定データを中継可能なことである。メッシュネットワークプロトコルの不利点は、バッテリ消費率がより高く、潜在的に、信号通信量がより多くなることである。バッテリ消費制限を緩和するために、動的運動を使用して、電力を生成する、発電システムが実装されてもよい。これは、バッテリパック３８の必要性を排除または軽減するであろう。

図５は、本発明による、計器パッケージ５０を具備するトンネル掘削機９０の動作を概括する、ブロック図である。計器パッケージ５０は、関連付けられたカッタアセンブリ１０上に設置され７０、各計器パッケージ５０の一端は、関連付けられたカッタアセンブリ１０に直接接触する。

使用される場合、参照カッタ２軸加速度計（上述）は、設置（７０）に応じて、すなわち、カッタヘッド９３の回転の開始に先立って、初期化または監視される。２軸加速度計が、引力変化の信号を送ると、カッタヘッド９３が回転する。次いで、参照カッタ２軸加速度計を含有する計器パッケージ５０は、カッタヘッド９３が旋回していることを示す信号を受信機に送信する。次いで、送受信機としても作用可能な受信機は、初期化信号を他の計器パッケージ５０に発し、データのサンプリングを開始する。これは、ブロック図内の初期化段階（７１）である。当業者には明白となるように、参照２軸加速度計が使用されない場合、任意の他の好適な信号を使用して、カッタヘッドが旋回していることを検出または決定し、データのサンプリングを初期化（７１）してもよいことを理解されるであろう。

計器パッケージのセンサ制御盤アセンブリ３１は、受信機から送信される信号の監視のために十分な継続的電力を利用する。初期化信号が、計器パッケージ５０によって受信されると、計器パッケージ５０は、そのそれぞれのデータのサンプリングを開始する（７２）。

センサ３２、３３、３４それぞれのサンプリング（７２）論理は、異なる。例えば、計器パッケージ５０加速度計３２に加え、参照加速度計（上述のように）を使用するシステムでは、信号は、センサ制御盤アセンブリ３１に中継され、参照加速度計信号は、検出された中継カッタ加速度計信号から差し引かれる。温度センサ３４は、事前に設定された頻度において、定期的に温度の読み取りを行なう。磁力計３３は、ハブ１２内の磁石１６が磁力計３３の近傍を通過すると、磁場が検出されるように、継続的に磁場をサンプリングする。検出された磁場が、事前に確立された限度を超えると、センサ制御盤アセンブリ３１は、磁石１６の通過の以前の検出から経過時間に基づいて、カウント数を記録し、カッタアセンブリ１０の瞬時回転速度を計算する。例えば、回転速度は、以下の式：ＲＰＭ＝（ｎ／Ｔ）＊６０を使用して計算されてもよい（式中、Ｔは、磁気カウント間の経過時間（秒）であって、ｎは、ハブ１２内に埋入される磁石１６の数である）。カッタアセンブリ１０の回転速度が分かると、カッタリング１５の直径は、Ｄ＝（２＊ｒ＊ｄ）／Ｒとして計算可能である（式中、ｒは、カッタヘッド９３（ｒｐｍ）の回転速度であって、ｄは、カッタヘッド９３の中心からカッタリング１５中心面までの距離であって、Ｒは、上述の計算のように、カッタアセンブリ１０の測定された回転速度である。

センサによって測定されるデータは、センサ制御盤アセンブリ３１に中継され、そこで送受信機盤３６によって、無線信号にエンコードされ、アンテナ３７を通して送信される（７３）。バッテリ寿命を節約するために、送受信機は、継続的に動作しない。データは、指定された時間間隔で測定および記録され、送信間隔もまた、カッタの動的特性を測定するために適切な頻度で確立される。サンプリングおよび送信間隔は、静的値ではなく、センサデバイスをプログラミングすることによって調節可能である。トンネル掘削動作は、岩石特性、カッタリング１５材料、カッタ荷重定格、およびトンネル掘削機電力を含む、パラメータに基づいて、広範囲に可変であるため、単一の理想的サンプリング期間は存在しない。可能な限り最善のデータ分解能および最長センサ寿命を達成するように掘削する一方で、本無線システムに特有の柔軟性によって、サンプリング条件の変更が可能である。

計器パッケージ５０の本実施形態では、選択される加速度計は、感知要素と、スイス国ジュネーブに拠点を置くＳＴＭｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｃｏｍｐａｎｙから市販されるＬＩＳ３０２ＤＬ等のＩＣインターフェースとを含む、超小型低電力３軸線形加速度計である。選択される加速度計は、Ｉ２Ｃ／ＳＰＩ直列インターフェースを介して、測定された加速度データを外部アプリケーションに提供可能である。選択される温度センサ３４は、例えば、米国ニュージャージー州モリスタウンに拠点を置くＨｏｎｅｙｗｅｌｌ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ， Ｉｎｃ．から市販されるＨＥＬ−７００シリーズＴｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｐｌａｔｉｎｕｍ ＲＴＤ等の薄膜白金抵抗温度検出器である。選択される温度センサは、優れた線形性、安定性、互換性を提供する。選択される磁力計３３は、例えば、同様に、Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ，Ｉｎｃ．から市販される位置センサ２ＳＳ５２Ｍ等の磁気抵抗センサである。

本加速度計は、安価かつ非常に低電力であって、デジタルインターフェースを有し、信号処理が内蔵されているため、選択された。より一般向けかつより高電力デバイスが代替として使用されることが、または機械的緩衝器がセンサの制約内において加速度値をもたらすために考案されてもよいことが企図される。本温度センサは、その温度範囲および低電力要件のために選択された。しかしながら、これらの種類のデバイスは、容易に互換可能であって、あるいは、他の温度センサが使用されてもよい。

本システムのために企図される種々の遠隔センサ通信トポロジは、本発明に従って実装されてもよい。

例えば、計器パッケージ５０は、無線送受信機３６が、受信機と直接通信不可能である場合、信号が、他の計器パッケージ５０を通して、受信機に中継可能であるように、メッシュネットワーク内で相互接続されてもよい。例えば、メッシュネットワーキングプロトコルは、２０、５０、および９９ノード（各ノードは、計器パッケージ５０を具備または代表する）と、単一基地局または受信機とを有する、ネットワークサイズ内で試験された。試験では、ノードは、他のノードから約１．５フィートと、受信機から約３０フィート離間された。サービスの質またはネットワークの信頼性の制御の能力を向上させるために、ネットワークは、メッセージ確認応答（ＡＣＫ）有効で動作されてもよく、ノードは、ＡＣＫメッセージが返されるまで、その信号を継続して送信する。ネットワークトポロジは、より小数のノードに対して合理的に順調に動作したが、ノードの数が９９まで増加したのに伴って、通信問題は、深刻となり、当然ながら、ＡＣＫが有効化されると、より顕著となる。

別のトポロジ実装では、無線データネットワークは、ピアツーピア（Ｐ２Ｐ）トポロジを備え、無線送受信機３６は、受信機とのみ直接通信する、すなわち、各センサノードは、基地局に直接レポートする。試験された実装では、各センサノードは、レポーティングウィンドウ内のレポーティングタイムスロットが割り当てられる。これによって、各ノードは、他のレポーティングノードとの最小限の衝突機会を伴って、受信機または基地局にメッセージを送信可能となる。送受信機３６は、継続的に送／受信する必要はないため、Ｐ２Ｐトポロジによって、遥かに長いバッテリ寿命が可能となることが、当業者によって理解されるであろう。また、Ｐ２Ｐトポロジは、非ＡＣＫモードまたはＡＣＫ有効モードで実行されてもよい。Ｐ２Ｐトポロジは、特に、より多数のノードでは、メッシュネットワークトポロジより遥かに信頼性があることが証明された。しかしながら、ノードまたは計器パッケージ５０がＲＦ難受信地帯にある場合、そのような個々のノードの機能は不良となり得ることを理解されるであろう。

非常に低い平均パケット損失率は、受信機（例えば）による受信が確認されない場合、最大６回まで、各ノードがメッセージを再送信可能であるように、ＡＣＫ有効でのＰ２Ｐトポロジに対して達成された。ある試験では、９９ノードＡＣＫ有効Ｐ２Ｐトポロジは、わずか３．５％の平均パケット損失率をもたらした。

試験は、メッシュネットワークが、最大５０ノードまでの展開に対して、時間同期Ｐ２Ｐネットワークに優る明確な信頼性の利点を示すが、エネルギーは、約２６倍かかることを示唆した。５０ノードを上回る場合、Ｐ２Ｐネットワーク信頼性は、非常に良好なままであるが、メッシュネットワークは、大幅に悪化する。さらに、Ｐ２Ｐネットワークの信頼性を妨害する「難受信地帯」は、トンネル掘削機の運動によって緩和されることが予想される。

本発明による、カッタアセンブリ１０を監視するための計器パッケージまたはセンサパッケージ１５０の別の代替実施形態は、図６に示され、外側筐体１５１は、想像線で示される。計器パッケージ１５０の部分的分解図は、図７に示される。

本実施形態では、カッタアセンブリ１０上に設置される計器パッケージ１５０は、上述のセンサパッケージ１５０と同一または類似センサパッケージを含むことが企図される。例えば、いくつかの実施形態では、参照２軸加速度計を使用せず、カッタヘッド９３が回転すると測定し、センサの位置を特定するための参照点を提供する。代わりに、回転測定および参照点は、例えば、２つの付加的センサをシステム内に定置することによって決定されてもよい。センサは、ＴＢＭ駆動モータ（図示せず）のうちの１つ上に定置され、モータのシャフト回転速度を測定してもよい。回転速度測定は、駆動シャフト上に磁石を設置し、磁力計を使用して、光学センサの使用によって、または当技術分野において周知の任意の他の手段によって、達成されてもよい。機械のギア比情報を使用し、モータシャフト回転速度を測定することによって、カッタヘッド９３の回転速度を決定可能である。

第２のセンサが提供され、保護筐体内に封入される磁力計の使用によって、カッタヘッド９３上に設置された磁石の通過を検出してもよい。これらの２つの付加的センサの両方とも、基地局にデータを返信することが企図される。

センサパッケージ１５０は、関連付けられたカッタアセンブリ１０のためのカッタ筐体アセンブリに直接装着されるように適合される。直接装着の利点は、センサパッケージ１５０が、カッタを設置および除去するための標準的手順に干渉しないことである。装着ブラケット１３９は、カッタアセンブリ１０上の計器パッケージ１５０を支持し、固定的または解放可能に、筐体装着部２０Ｌ、２０Ｒ（図２）のうちの１つに直接取り付けられてもよい。例えば、装着ブラケット１３９は、筐体装着部２０Ｌ、２０Ｒのうちの１つに溶接される、または従来のハードウェアによって取り付けられてもよい。

装着ブラケット１３９は、裏面表面１４０と、対向して配置される側壁１４１と、係止開口１４３を有する保定タブ１４２とを含む。保護離間要素１１０は、装着ブラケット１３９の裏面表面１４０上に配置される。保定ブラケット１３２は、装着ブラケット１３９の近位端近傍に取り付け、バネ要素１３４は、装着ブラケット１３９の遠位端近傍に取り付ける。

計器パッケージ１５０の取り外し可能部分は、関連付けられたカッタアセンブリ１０に係合するように適合される上方に延びる鼻部１６４を伴う、遠位アーム１６２を有する、ベースプレート１６０を含む。遠位アーム１６２は、加速度計３２、磁力計３３、および温度センサ３４等のカッタアセンブリセンサを支持する。センサは、上述のように、センサデータを受信し、遠隔受信機にそれを送信する、センサ制御盤アセンブリ３１に協働しうるように接続される。

ベースプレート１６０は、保定タブ１４２内の係止開口１４３に係合するように定寸および位置付けられる、位置決めタブ１６３をさらに含む。座部１７２は、ベースプレート１６０を装着ブラケット１３９内の所望の位置に向かって推進し、摺動クランプ１７０は、保定ブラケット１３２に解放可能に係合する。ベースプレート１６０は、複数のネジ１７４によって、外側筐体１５１に固着される。筐体１５１は、バッテリ開口１５６を画定する主要本体部分１５４と、ベースプレート１６０の遠位アーム１６２上にある遠位アーム部分１５２とを含む。遠位アーム部分１５２は、ベースプレート１６０から上方に延びる鼻部１６４を摺動可能に受容する、端部チャネル１５８を含む。

ここでは、装着ブラケット１３９に取り付けられる上述のバネ要素１３４は、ベースプレートアーム１６２の遠位端に当接または係合する、角度付けられたアーム部分１３３を含むことが分かる。バネ要素１３４は、ベースプレート１６０の鼻部１６４が、関連付けられたカッタリテーナ１４（図３）に向かって弾性的に推進されるように、遠位アーム１６２上に弾性力を提供するように定寸および設計される。したがって、遠位アーム１６２の弾性変形によって、鼻部１６４は、カッタが、摩耗パターンの範囲にわたって、摩耗を受ける場合でも、関連付けられたカッタリテーナとの接触を維持可能となるであろう。

バッテリホルダ１７５は、端子１７８を通して、センサ３２、３３、３４、センサ制御盤アセンブリ３１、および関連電子機器に電力を提供するための１つ以上のバッテリ１７６（２つが示される）を保持するように適合される。

本実施形態では、外側筐体１５１は、プラスチック材料から成り、装着ブラケット１３９およびベースプレートは、金属であるが、例えば、合成材料等を含む、他の材料が使用されてもよい。計器パッケージ１５０は、カッタアセンブリ１０近傍の非常に厳しい環境にも耐えるような頑丈な材料から構築されなければならないことを理解されるであろう。全センサ電子機器は、センサ封入体内に振動緩衝材料を使用して、定位置に装入される。金属ベースプレート１６０は、外側筐体１５１上に組み立てられ、外側カバーの先端は、ベースプレート１６０上の金属鼻部１６４によって保護される。封入体は、取り外し可能バッテリコンパートメント１７５を含み、現場でのバッテリ１７６の交換を可能にする。本バッテリコンパートメント１７５は、バッテリを並列または直列に構成するためのスイッチを含んでもよく、それによって、アルカリまたはリチウム金属バッテリのいずれかの使用が可能となる。

本実施形態では、ベースプレート１６０（および、そこに装着される種々の構成要素）を含む、センサパッケージ１５０の取り外し可能部分および外側筐体１５１は、摺動可能に摺動クランプ１７０を解放し、取り外し可能部分を装着ブラケット１３９から摺動させることによって除去されてもよい。

例示的実施形態が、例示および記載されたが、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、種々の変更が成され得ることを理解されるであろう。

排他的特性または特権が請求される本発明の実施形態は、以下に規定される。

Claims (27)

1. 動作の間、トンネル掘削機を監視するための装置であって、該トンネル掘削機は、カッタヘッド上に装着される回転可能部分を有する、複数のカッタアセンブリを備え、該装置は、
   複数の計器パッケージであって、各計器パッケージは、該複数のカッタアセンブリのうちの１つに関連付けられ、ｉ）該関連付けられたカッタアセンブリと接触する遠位端であって、該関連付けられたカッタアセンブリを監視するための複数のセンサを含有する、計器パッケージの遠位端と、ｉｉ）該複数のセンサに動作可能に接続されるセンサ制御盤であって、該複数のセンサによって検出されたデータを遠隔受信機に無線送信するように適合される送受信機をさらに備える、センサ制御盤と、ｉｉｉ）該センサ制御盤に電力を提供するように接続される、電力供給装置とを備える、複数の計器パッケージと、
   該複数の計器パッケージの各々を該関連付けられたカッタアセンブリに取り付けるための手段と
   を備える、装置。
2. 前記複数のセンサは、加速度計と、温度センサと、前記関連付けられたカッタアセンブリの回転可能部分の回転速度を測定するためのセンサとを備える、請求項１に記載の装置。
3. 前記回転可能部分の回転速度を測定するための前記センサは、磁力計を備える、請求項２に記載の装置。
4. 前記加速度計は、多軸加速度計を備える、請求項２に記載の装置。
5. 前記複数のセンサは、第２の加速度計をさらに備える、請求項２に記載の装置。
6. 前記複数の計器パッケージは、前記複数のカッタアセンブリの各々に対して、少なくとも１つの計器パッケージを備える、請求項１に記載の装置。
7. 前記複数の計器パッケージは、前記複数のカッタアセンブリの各々に対して、２つの計器パッケージを備える、請求項１に記載の装置。
8. 前記複数の計器パッケージは、メッシュネットワークプロトコル内において無線で相互接続される、請求項１に記載の装置。
9. 前記複数の計器パッケージは、ピアツーピアネットワーク内において、無線で相互接続される、請求項１に記載の装置。
10. 前記複数のセンサは、ベースプレートの遠位アーム部分に装着され、該ベースプレートの遠位アーム部分を前記関連付けられたカッタアセンブリに向かって偏向するバネをさらに備える、請求項１に記載の装置。
11. 前記電力供給装置は、取り外し可能バッテリを備える、請求項１に記載の装置。
12. 前記複数の計器パッケージの各々を前記関連付けられたカッタアセンブリに取り付けるための手段は、前記トンネル掘削機に堅固に取り付けられる装着ブラケットを備え、該計器パッケージは、前記複数のセンサと、前記センサ制御盤とを含む、取り外し可能部分を含む、請求項１に記載の装置。
13. 前記取り外し可能部分は、前記複数のセンサを支持する遠位アーム部分を有するベースプレートを備え、該ベースプレート遠位アーム部分を前記関連付けられたカッタアセンブリと接触するように偏向するバネ要素をさらに備える、請求項１２に記載の装置。
14. 複数のカッタアセンブリを有するトンネル掘削機を動作させるための方法であって、各カッタアセンブリは、回転部分を備え、該方法は、
    複数の計器パッケージを提供するステップであって、各計器パッケージは、該複数のカッタアセンブリのうちの１つに関連付けられ、該関連付けられたカッタアセンブリを監視する複数のセンサと、該複数のセンサからデータを受信するセンサ制御盤と、電力供給装置とを備え、該計器パッケージは、該関連付けられたカッタアセンブリと直接接触する、ステップと、
    該複数のセンサから導出されたデータを遠隔受信機に無線送信するステップと、
    該トンネル掘削機の動作を制御するために、該遠隔受信機に送信されるデータを使用するステップと
    を含む、方法。
15. 前記複数のセンサは、加速度計と、温度センサと、前記関連付けられたカッタアセンブリの回転可能部分の回転速度を測定するためのセンサとを備える、請求項１４に記載の方法。
16. 前記回転可能部分の回転速度を測定するためのセンサは、磁力計を備える、請求項１５に記載の方法。
17. 前記加速度計は、多軸加速度計を備える、請求項１５に記載の方法。
18. 前記複数の計器パッケージは、前記複数のカッタアセンブリの各々に対して、少なくとも１つの計器パッケージを備える、請求項１４に記載の方法。
19. 前記複数の計器パッケージは、メッシュネットワークプロトコル内において無線で相互接続される、請求項１４に記載の方法。
20. 前記計器パッケージの遠位アーム部分を前記関連付けられたカッタアセンブリに向かって弾性的に偏向し、該計器パッケージを該関連付けられたカッタアセンブリと接触したまま維持するステップをさらに含む、請求項１５に記載の方法。
21. トンネル掘削機であって、
    複数のカッタアセンブリを回転可能に支持する回転カッタヘッドであって、各カッタアセンブリは、カッタリングを回転可能に支持するシャフトを備える、カッタヘッドと、
    複数の計器パッケージであって、各計器パッケージは、該複数のカッタアセンブリのうちの１つに関連付けられ、ｉ）該関連付けられたカッタアセンブリと接触する遠位端であって、該関連付けられたカッタアセンブリを監視するための複数のセンサを含有する、計器パッケージの遠位端と、ｉｉ）該複数のセンサに動作可能に接続されるセンサ制御盤であって、該複数のセンサによって検出されたデータを遠隔受信機に無線送信するように適合される送受信機をさらに備える、センサ制御盤と、ｉｉｉ）該センサ制御盤に電力を提供するように接続される、電力供給装置とを備える、複数の計器パッケージと、
    該複数の計器パッケージの各々を該関連付けられたカッタアセンブリに取り付けるための手段と
    を備える、トンネル掘削機。
22. 前記複数のセンサは、加速度計と、温度センサと、前記関連付けられたカッタアセンブリの回転可能部分の回転速度を測定するためのセンサとを備える、請求項２１に記載のトンネル掘削機。
23. 前記回転可能部分の回転速度を測定するためのセンサは、磁力計を備える、請求項２２に記載のトンネル掘削機。
24. 前記加速度計は、多軸加速度計を備える、請求項２２に記載のトンネル掘削機。
25. 前記複数の計器パッケージは、前記複数のカッタアセンブリの各々に対して、少なくとも１つの計器パッケージを備える、請求項２１に記載のトンネル掘削機。
26. 前記複数の計器パッケージは、メッシュネットワークプロトコルおよびピアツーピアプロトコルのうちの１つ内において無線で相互接続される、請求項２１に記載のトンネル掘削機。
27. 前記複数のセンサは、ベースプレートの遠位アーム部分に装着され、該記ベースプレートの遠位アーム部分を前記関連付けられたカッタアセンブリに向かって偏向するバネをさらに備える、請求項２１に記載のトンネル掘削機。

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