JP2017095951A - 掘削機 - Google Patents

Abstract

【課題】様々な縦横比の矩形断面の孔を掘削することが可能になる掘削機を提供する。
【解決手段】断面略長方形の筒外殻１と、筒外殻の内周面に固定された隔壁２ａ、２ｂ、２ｃの開口部３ａ、３ｂ、３ｃ内に回転自在に配置された回転体４と、回転体の駆動装置８と、回転体４の軸線に対して偏心した位置において軸線と平行な軸線廻りに回転自在に支持された偏心軸１０と、偏心軸の先端部に固定されたカッタディスク１１と、カッタディスクの前面の外周に配列された複数のカッタビット１２と、筒外殻の内周面に固定された内歯ギヤ１４と、偏心軸の外周面に固定されて内歯ギヤと螺合する外歯ギヤ１５とを備え、外歯ギヤ１５と内歯ギヤ１４の歯数が１対２に設定され、かつ複数のカッタビット１２は、各々偏心軸が自転しつつ回転体の軸線廻りに回転した際に形成される楕円軌道が掘削する矩形断面の外形線と接する位置に配置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、地中に矩形断面の孔を掘削するための掘削機に関するものである。

一般に、地中に横孔を掘削する掘削機としては、円筒状の外殻の先端部に円盤状のカッタディスクを回転自在に設け、このカッタディスクの前面に取り付けた複数のカッタビットによって地中を断面円形状に掘削するものが広く用いられている。

ところが、近年においては、新たな横孔を構築しようとするに際して、上記横孔の周囲に錯綜する既設の地下構造部の存在や、当該横孔自体の用途によって、方形断面の横孔を掘削する必要が生じている。このような場合に、断面円形状の横孔を掘削する従来の掘削機によって方形断面の横孔を掘削するには、未掘削となる四隅の掘削を他の掘削機構を用いて補う必要があった。

そこで、例えば下記特許文献１においては、断面略正方形状のスキンプレートの中心に円形の回転隔壁を回転自在に設け、この回転隔壁の中心に対して偏心した位置に回転軸を回転自在に支持するとともに、この回転軸の先端に略正三角形を構成するカッタヘッドを固定し、上記回転軸の他端に固定した外歯ギヤをスキンプレートの内周にその中心と一致するように固定した内歯ギヤに螺合させて駆動装置によって上記回転軸をスキンプレートの中心に対して公転させる駆動装置を備え、外歯ギヤと内歯ギヤとの歯数を３対４にした矩形シールド掘削機が提案されている。

上記掘削機は、一般にルーロの三角形と呼ばれる定理を応用したもので、カッタヘッドの略正三角形を構成する掘削部が遊星運動し、この略正三角形の掘削部の軌道が略正方形になるために、スキンプレートが略正方形断面を有することと相俟って、断面略正方形の横孔を掘削することができるという効果を奏する。

また、下記特許文献２においても、外歯ギヤと内歯ギヤとの歯数を１対４にすることにより、略正方形の断面の横孔を掘削し得る地中掘削機が提案されている。

特許第２８１５７８３号公報 特許第３４２２７１４号公報

しかしながら、これらの掘削機は、何れも断面略正方形の横孔を掘削するものであるために、断面が矩形（長方形）の横孔を掘削する場合には、上述した円形断面に掘削する掘削機の場合と同様に、正方形に掘削した残りの未掘削部分を他の掘削機構で補う必要があるという問題点があった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、様々な縦横比の矩形断面の孔を掘削することが可能になる掘削機を提供することを課題とするものである。

上記課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、地中に矩形断面の孔を掘削する掘削機であって、上記矩形断面内に納まる略長方形の断面を有する筒外殻と、この筒外殻の内周面に固定されるとともに円形の開口部が穿設された隔壁と、この隔壁の上記開口部内に回転自在に配置された回転体と、この回転体を回転させる駆動装置と、上記回転体の軸線に対して偏心した位置に上記軸線と平行な軸線廻りに回転自在に支持された偏心軸と、この偏心軸の上記筒外殻から突出する先端部に固定されたカッタディスクと、このカッタディスクの前面の外周に配列された複数のカッタビットと、上記筒外殻の内周面に固定された内歯ギヤと、上記偏心軸の外周面に固定されて上記内歯ギヤと螺合する外歯ギヤとを備えてなり、外歯ギヤと内歯ギヤの歯数が１対２に設定されるとともに、上記複数のカッタビットは、各々上記偏心軸が自転しつつ上記回転体の上記軸線廻りに１回転した際に形成される楕円軌道が上記矩形の外形線と接する位置に配置されていることを特徴とするものである。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、上記カッタディスクの前面には、上記カッタディスクと上記偏心軸の中心との間に位置する複数の第２のカッタビットが配置されていることを特徴とするものである。

さらに、請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の発明において、上記筒外殻の内部には、複数組の上記回転体、上記偏心軸および上記複数のカッタビットが配列された上記カッタディスクが配設されていることを特徴とするものである。

請求項１〜３のいずれかに記載の発明によれば、偏心軸の外周面に固定された外歯ギヤと、筒外殻の内周面に固定されて上記外歯ギヤが螺合する内歯ギヤの歯数を１対２に設定しているために、回転体を回転させて偏心軸を自転させつつ回転体の軸線廻りに公転させた際に、カッタディスクの外周の任意の１点に楕円軌道を描かせることができる。

この結果、上記カッタディスクに複数のカッタビットを、各々の楕円軌道が掘削すべき孔における矩形断面の外形線と接する位置に配置することにより、上記矩形断面の孔を掘削することができる。

しかも、回転体の軸線に対する偏心軸の軸線の偏心量や、当該偏心軸の軸線と複数のカッタビットとの距離を適宜設定することにより、様々な縦横比の矩形断面の孔を掘削することが可能になる。

さらに、請求項３に記載の発明によれば、１つの筒外殻内に複数の回転体およびカッタディスクが固定された偏心軸を組み込むことにより、複数の矩形断面を組み合わせて、より広い形状の矩形断面の掘削を行うことができる。

本発明に係る掘削機の一実施形態を示す縦断面図である。 図１の正面図である。 図２のカッタディスクの回転位置とその外周の３点が描く楕円軌道とを示す図である。 上記掘削機におけるカッタディスクの外周の点の軌道を説明するための図である。 図２の全てのカッタビットが描く軌道を示す図である。 本発明の他の実施形態を示す縦断面図である。 図６の正面図である。

図１および図２は、本発明に係る掘削機の一実施形態を示すもので、図中符号１が筒外殻である。
この筒外殻１は、掘削する横孔の矩形断面よりも僅かに小さい略長方形の断面に形成されたもので、内部には長手方向に間隔をおいて前方側から後方側に順次第１〜第３の隔壁２ａ、２ｂ、２ｃが設けられている。

これら第１〜第３の隔壁２ａ、２ｂ、２ｃの中心には、それぞれ内径が異なる開口部３ａ、３ｂ、３ｃが同軸的に穿設されており、開口部３ａ、３ｂ内に回転体４が配置されている。
そして、この回転体４は、後端部が第３の隔壁２ｃに固定されたベアリング５によって回転自在に支承されるとともに、拡径された先端部の外周が第１の隔壁２ａの開口部３ａの内周に取り付けられたシールケース６に回転自在に収納されている。また、先端部の外周と第２の隔壁２ｂとの間には、スラストベアリング７が介装されている。

さらに、第３の隔壁２ｃの後面には、回転体４を回転駆動するためのモータ８ａおよび減速機構８ｂからなる駆動装置８が固定され、その出力軸と回転体４とが伝達軸８ｃを介して連結されている。

さらに、回転体４には、その軸線に対して偏心した位置に、偏心軸１０がその軸線を回転体４の軸線と平行にしてベアリング９を介して回転自在に設けられている。そして、この偏心軸１０の筒外殻１の先端開口から突出する先端部１０ａに、カッタディスク１１が固定されている。

このカッタディスク１１は、環状の外周部１１ａと、この外周部１１ａと上記先端部１０ａとを連結する５本のアーム部１１ｂとからなる板状の部材で、その外周部１１ａの前面側に、複数（図では１８個）のカッタビット１２が周方向に間隔をおいて配列されている。また、アーム部１１ｂの前面側にも、複数（図では合計７個）の第２のカッタビット１３が配列されている。さらに、先端部１０ａの前面には、カッタヘッド１６が設けられている。

他方、筒外殻１の内周面であって偏心軸１０の後端部に臨む位置には、内歯ギヤ１４が固定されている。そして、偏心軸１０の外周面には、上記内歯ギヤ１４と螺合する外歯ギヤ１５が固定されている。ここで、外歯ギヤ１５と内歯ギヤ１４の歯数は、１対２に設定されている。

これにより、モータ８によって回転体４を回転駆動すると、偏心軸１０も回転体４と一体的に回転体４の軸線廻りに公転するとともに、これに伴って筒外殻１の内歯ギヤ１４と螺合する外歯ギヤ１５により当該偏心軸１０の軸線廻りに自転するようになっている。この際に、この掘削機においては、外歯ギヤ１５と内歯ギヤ１４の歯数が１対２に設定されている結果、図３に示すように、カッタディスク１１の外周の任意の点が、上記回転に伴って楕円軌道を描くようになっている。

以下、上記任意の点が楕円軌道を描く原理について詳述する。
先ず、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、回転体４の中心（軸線）Ｃ_１に対する偏心軸１０の中心（軸線）Ｃ_２の偏心量をｅ、回転体４の角速度をω、偏心軸１０の角速度をω´、偏心軸１０の中心を通って筒外殻１の長辺と直交する直線をｘ軸、これと直交する直線をｙ軸とする。

そして、偏心軸１０の中心Ｃ_２とカッタディスク１１の外端の任意の点Ｐを結ぶ直線とｘ軸のなす角を初期位相φ、カッタディスク１１の位相φに於ける偏心軸１０の中心Ｃ_２から上記点Ｐまでの距離をｒ、偏心軸１０の回転開始時点からの経過時間をｔとする。

ここで、外歯ギヤ１５と内歯ギヤ１４の歯数が１対２であることから、ω＝−ω´となる。

Ｐ点における軌道を求めるために、ｘ軸およびｙ軸をφ／２回転させたｘ´軸とｙ´軸とすると、座標変換後のＰ点の座標（ｘ´、ｙ´）は、元の座標（ｘ、ｙ）を用いて下式（１）、（２）で表すことができる。
ｘ´ ＝ｘ・cosφ/2＋ｙ・sinφ/2 ・・・・・・・・・・（１）
ｙ´ ＝ｙ・cosφ/2−ｘ・sinφ/2 ・・・・・・・・・・（２）

一方、Ｐ点を元の座標（ｘ、ｙ）で表すと下式（３）、（４）になる。
ｘ ＝ｅ・cosωt＋ｒ・cos(−ωt＋φ) ・・・・・・・・（３）
ｙ ＝ｅ・sinωt＋ｒ・sin(−ωt＋φ) ・・・・・・・・（４）
そこで、（１）、（２）式に（３）、（４）式を代入してｘ、ｙを消去すると、
ｘ´ ＝ｅ・cosωt・cosφ/2＋ｒ・cos(−ωt＋φ)・cosφ/2
＋ｅ・sinωt・sinφ/2＋ｒ・sin(−ωt＋φ)・sinφ/2
＝e・(cosωt・cosφ/2＋sinωt・sinφ/2)
＋r・(cos(ωt−φ)・cosφ/2−sin(ωt−φ)・sinφ/2)
＝ｅ・cos(ωt−φ/2)＋ｒ・cos(ωt−φ/2)
＝(e+r)・cos(ωt−φ/2) ・・・・・・・・・・・・・（５）

ｙ´ ＝ｅ・sinωt・cosφ/2＋ｒ・sin(−ωt＋φ)・cosφ/2
−ｅ・cosωt・sinφ/2−ｒ・cos(−ωt＋φ)・sinφ/2
＝e・(sinωt・cosφ/2−cosωt・sinφ/2)
−r・(sin(ωt−φ)・cosφ/2＋cos(ωt−φ)・sinφ/2)
＝ｅ・sin(ωt−φ/2)−ｒ・sin(ωt−φ/2)
＝(e−r)・sin(ωt−φ/2) ・・・・・・・・・・・・・（６）

上記（５）、（６）式より、次式が成り立ち、よってＰ点の軌道は楕円になる。
ｘ´^２／(e+r)^２＋ｙ´^２／(e−r)^２＝１ ・・・・・・・・・（７）

そして、カッタディスク１１上のカッタビット１２は、それぞれ偏心軸１０の中心Ｃ_２までの距離ｒが、偏心軸１０廻りに自転しつつ回転体４の軸線廻りに１回転した際に形成される各々の上記楕円軌道が、掘削する横孔の矩形断面の外形線に内接する位置に配置されている。

より具体的には、各々のカッタビット１２における距離ｒは、当該カッタビット１２を一回転させてできる楕円曲線の極値、すなわちdy/dx=0、またはdx/dy=0となる点が上記矩形断面の外形線に重なるように決定されている。

これらを計算結果で示せば、矩形掘削断面の短辺の長さ寸法を２ａ、長辺の長さ寸法を２ｂとし、
（a^２−e^２・sin^２φ）^１／２−（b^２−e^２・sin^２φ）^１／２=2e・cosφ
を満足するφをφ_ｍ としたときに、上記距離ｒは、
０≦φ＜φ_ｍ、２π−φ_ｍ≦φ＜２πのとき、
ｒ＝（a^２−e^２・sin^２φ）^１／２−e・cosφ
φ_ｍ≦φ＜２π−φ_ｍのとき、
ｒ＝（b^２−e^２・sin^２φ）^１／２＋e・cosφ
になるように決定されている。

以上の構成からなる掘削機によれば、偏心軸１０の外周面に固定された外歯ギヤ１５と、筒外殻１の内周面に固定されて外歯ギヤ１５が螺合する内歯ギヤ１４の歯数を１対２に設定しているために、駆動装置８によって回転体４を回転させて偏心軸１０を自転させつつ回転体４の軸線廻りに公転させた際に、カッタディスク１１の外周に設けた複数のカッタビット１２に楕円軌道を描かせることができる。

そして、カッタディスク１１に設けた複数（本実施形態においては１８個）のカッタビット１２を、各々の楕円軌道が掘削すべき孔における矩形断面の外形線と接する位置に配置しているために、図５に示すように、これらカッタビット１２が描く軌道の合成によって上記矩形断面の孔を掘削することができる。加えて、アーム部１１ｂの前面側に配列したカッタビット１３によって、未掘削箇所を減じて円滑な掘削を実現することができる。

また、上記掘削機によれば、上記（７）式に見られるように、回転体４の軸線Ｃ_１に対する偏心軸１０の軸線Ｃ_２の偏心量ｅや、偏心軸１０の軸線Ｃ_２と各々のカッタビット１２との距離ｒを適宜設定することにより、様々な縦横比の矩形断面の孔を掘削することが可能になる。

なお、上記実施形態においては、筒外殻１の内部に、１組の回転体４および先端にカッタビット１２、１３が配列されたカッタディスク１１が固定された偏心軸１０を設けた場合についてのみ説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。

すなわち、図６および図７は、本発明の掘削機の他の実施形態を示すものである。なお、以下、図１および図２に示したものと同一構成部分については同一符号を付してその説明を簡略化する。

この掘削機においては、筒外殻１内の第１〜第３の隔壁２ａ、２ｂ、２ｃに、それぞれ筒外殻１の長手方向に間隔をおいて２つの開口部３ａ、３ｂ、３ｃが穿設されており、各々の開口部３ａ、３ｂ内に回転体４が配置されて、ベアリング５、シールケース６およびスラストベアリング７により回転自在に支持されている。

他方、第３の隔壁２ｃの後面には、各々の回転体４を回転駆動するために２組のモータ８ａおよび減速機構８ｂからなる駆動装置８が固定され、各出力軸と回転体４とが伝達軸８ａを介して連結されている。

そして、各々の回転体４に、その軸線に対して偏心した位置に、偏心軸１０がその軸線を回転体４の軸線と平行にしてベアリング９を介して回転自在に設けられ、各偏心軸１０の筒外殻から突出する先端部１０ａに、カッタディスク１１が固定されるとともに、当該カッタディスク１１の外周部１１ａの前面側に、複数（図では１８個）のカッタビット１２が周方向に間隔をおいて配列され、アーム部１１ｂの前面側に、複数（図では合計７個）の第２のカッタビット１３が配列されている。

また、筒外殻１の内周面であって各々の偏心軸１０の後端部に臨む位置には、内歯ギヤ１４が固定され、各偏心軸１０の外周面には、上記内歯ギヤ１４と螺合する外歯ギヤ１５が固定されており、本実施形態においても、外歯ギヤ１５と内歯ギヤ１４の歯数は、１対２に設定されている。

そして、２組のカッタディスク１１上のカッタビット１２は、それぞれ偏心軸１０の中心Ｃ_２までの距離ｒが、偏心軸１０廻りに自転しつつ回転体４の軸線廻りに１回転した際に形成される各々の上記楕円軌道が掘削する横孔の矩形断面の外形線に内接する位置に配置されている。

上記構成からなる掘削機によれば、各々のカッタディスク１１のカッタビット１２によって矩形断面の孔を掘削することができるために、これら２組のカッタビット１２が掘削する矩形断面を組み合わせることにより、より広い形状の矩形断面の掘削を行うことが可能になる。

１ 筒外殻
２ａ、２ｂ、２ｃ 隔壁
３ａ、３ｂ、３ｃ 開口部
４ 回転体
８ 駆動装置
１０ 偏心軸
１１ カッタディスク
１２ カッタビット
１３ 第２のカッタビット
１４ 内歯ギヤ
１５ 外歯ギヤ

Claims (3)

1. 地中に矩形断面の孔を掘削する掘削機であって、
   上記矩形断面内に納まる略長方形の断面を有する筒外殻と、この筒外殻の内周面に固定されるとともに円形の開口部が穿設された隔壁と、この隔壁の上記開口部内に回転自在に配置された回転体と、この回転体を回転させる駆動装置と、上記回転体の軸線に対して偏心した位置に上記軸線と平行な軸線廻りに回転自在に支持された偏心軸と、この偏心軸の上記筒外殻から突出する先端部に固定されたカッタディスクと、このカッタディスクの前面の外周に配列された複数のカッタビットと、上記筒外殻の内周面に固定された内歯ギヤと、上記偏心軸の外周面に固定されて上記内歯ギヤと螺合する外歯ギヤとを備えてなり、
   外歯ギヤと内歯ギヤの歯数が１対２に設定されるとともに、
   上記複数のカッタビットは、各々上記偏心軸が自転しつつ上記回転体の上記軸線廻りに１回転した際に形成される楕円軌道が上記矩形の外形線と接する位置に配置されていることを特徴とする掘削機。
2. 上記カッタディスクの前面には、上記カッタディスクと上記偏心軸の中心との間に位置する複数の第２のカッタビットが配置されていることを特徴とする請求項１に記載の掘削機。
3. 上記筒外殻の内部には、複数組の上記回転体、上記偏心軸および上記複数のカッタビットが配列された上記カッタディスクが配設されていることを特徴とする請求項１または２に記載の掘削機。

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