JP2020094432A - トンネル掘進機および軸受部の疲労度計測方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】装置構成を複雑化することなく軸受部の疲労度を計測可能なトンネル掘進機を提供する。【解決手段】このトンネル掘進機1は、筒状の胴体2と、中心軸線回りに回転して土砂を掘削するカッタヘッド3と、カッタヘッド3を回転可能に支持する軸受部4と、カッタヘッド3を推進させる推進ジャッキ5と、推進ジャッキ5の推力に基づいて軸受部4に作用する荷重を取得し、取得した荷重に基づいて軸受部4の疲労度Deを取得する制御部14と、を備える。【選択図】図1
Description
本発明は、トンネル掘進機に関し、特に、トンネル掘進機におけるカッタヘッドの軸受部の疲労度計測に関する。
従来、トンネル掘進機における軸受部の余寿命を計測することが知られている(たとえば、特許文献1参照)。
上記特許文献1には、シールド掘進機のカッタ支持構造に歪み計を複数設置し、掘進時に歪み計により応力を検出し、検出した応力値と構造解析結果の応力値とを対比してカッタ前面荷重を演算し、カッタ前面荷重からカッタ軸受(軸受部)の余寿命を算出することが開示されている。また、カッタ支持構造には、変位計が設けられ、変位計からの変位信号により構造解析結果の応力値と検出した応力値との裏付けを行うようになっている。
なお、特許文献1ではカッタ軸受の余寿命の意義について明示されていない。
上記特許文献1では、カッタ軸受の余寿命を算出するための専用の計測機器として、カッタ前面荷重を計測する複数の歪み計や変位計を設ける必要がある。そのため、カッタ軸受の余寿命を算出するためにトンネル掘進機の装置構成が複雑化するという問題点がある。
そのため、トンネル掘進機の装置構成を複雑化することなく、軸受部の寿命に関わる情報を取得できるようにすることが望まれている。
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の1つの目的は、装置構成を複雑化することなく軸受部の疲労度を計測可能なトンネル掘進機および軸受部の疲労度計測方法を提供することである。
上記目的を達成するために、この発明の第1の局面におけるトンネル掘進機は、筒状の胴体と、中心軸線回りに回転して土砂を掘削するカッタヘッドと、カッタヘッドを回転可能に支持する軸受部と、カッタヘッドを推進させる推進ジャッキと、推進ジャッキの推力に基づいて軸受部に作用する荷重を取得し、取得した荷重に基づいて軸受部の疲労度を取得する制御部と、を備える。
なお、本明細書において、「トンネル掘進機」とは、シールド工法に用いられるシールド掘進機、およびTBM(トンネルボーリングマシン)工法に用いられるトンネルボーリングマシンを含む広い概念である。シールド掘進機は、胴体およびカッタヘッドにより地山からの土圧、泥水圧に対抗しつつセグメントの組み立てを行い、組み立てられたセグメントから推進反力を得て掘進する装置である。トンネルボーリングマシンは、主として岩盤などの比較的硬い地山の掘進に用いられ、土圧、泥水圧に対抗する切羽保持機能を持たず、グリッパによって地山(坑壁)から推進反力を得て掘進する装置である。また、本明細書において軸受部の「疲労」とは、荷重を支えながら転がり接触を繰返す転動体と軌道において、金属疲労が進行し、最終的に疲労破壊(例えば、はく離)に至る現象を意味する。軸受部の「疲労度」とは、軸受部が疲労破壊に至るまでに蓄積した疲労の度合いである。疲労度は、「寿命時間に対する稼働時間の比(割合)」であり、荷重条件が変化する場合は、各荷重条件における「寿命時間に対する稼働時間の比(割合)」の線形和として表現されうる。
この発明の第1の局面によるトンネル掘進機では、上記のように、推進ジャッキの推力に基づいて軸受部に作用する荷重を取得し、取得した荷重に基づいて軸受部の疲労度を取得する制御部を設ける。これにより、トンネル掘進機が通常備える推進ジャッキの推力に基づいて、軸受部に作用する荷重を取得することができ、得られた荷重から軸受部の疲労度を取得することができる。そのため、軸受部に作用する荷重を取得するために歪み計や変位計などの専用の計測機器を設ける必要がない。これにより、装置構成を複雑化することなく軸受部の疲労度を計測することができる。
上記第1の局面によるトンネル掘進機において、好ましくは、胴体の隔壁に作用する圧力を計測する圧力センサをさらに備え、制御部は、推進ジャッキの推力と、圧力センサの計測値とに基づいて軸受部に作用する荷重を取得するように構成されている。ここで、推進ジャッキの推力は、掘進時の地山からの反力としてカッタヘッドを介して軸受部に作用する力の成分だけでなく、地山からの土圧(または水圧)に対抗する力の成分を含む。そのため、上記のように構成すれば、圧力センサの計測値に基づいて、推進ジャッキの推力のうちの軸受部の荷重以外の地山からの土圧(または水圧)に対抗する成分を把握することが可能となる。その結果、推進ジャッキの推力に加えて圧力センサの計測値を考慮することにより、軸受部に作用する荷重をより正確に取得することができる。
上記第1の局面によるトンネル掘進機において、好ましくは、胴体は、前胴部と後胴部とを含み、推進ジャッキは、セグメントを押圧して胴体を推進させるシールドジャッキと、後胴部から前胴部へ荷重を伝達する中折れジャッキとを含み、制御部は、シールドジャッキおよび中折れジャッキのうち中折れジャッキの推力に基づいて、軸受部に作用する荷重を取得するように構成されている。ここで、胴体全体を推進するシールドジャッキの推力には、胴体全体の摩擦力に相当する成分が含まれるのに対して、中折れジャッキの推力には、胴体のうち前胴部の摩擦力の成分だけが含まれる(後胴部の摩擦力が含まれない)ため、その分だけ摩擦力の成分が小さくなる。そのため、上記のように、中折れジャッキの推力に基づいて軸受部に作用する荷重を取得することにより、摩擦抵抗に起因する誤差を低減して、軸受部に作用する荷重をより正確に取得することができる。
上記第1の局面によるトンネル掘進機において、好ましくは、所定数のセグメントリングを組み立てる際に掘進する距離を単位掘進量とし、制御部は、単位掘進量の掘進におけるカッタヘッドの回転数と、単位掘進量の掘進における軸受部に作用する荷重の代表値と、に基づいて、単位掘進量毎の軸受部の疲労度を取得するように構成されている。このように構成すれば、所定数のセグメントリングを単位として、軸受部の疲労度を取得することができる。ここで、トンネル掘進機は、所定数のセグメントリング分の掘進と、セグメントリングの組立とを交互に反復して行うことによってトンネルを構築していくため、組み立てたセグメントリングの数により工事の進行度が把握できる。すなわち、たとえば「カッタヘッドが所定回数だけ回転した時点」での軸受部の疲労度を取得しても、工事の全工程において何回転するかが未知であるため、その回転数からは工事がどこまで進行したかを把握することは困難である。これに対して、セグメントリングの総数は既知であるため、現在のセグメントリングの数から、工事の進行度と軸受の疲労度とを対応させて把握することができる。その結果、疲労度を評価する上でユーザにとっての利便性が向上する。
この発明の第2の局面における軸受部の疲労度計測方法は、トンネル掘進機の掘進時における推進ジャッキの推力を取得するステップと、取得した推進ジャッキの推力に基づいて、トンネル掘進機のカッタヘッドを回転可能に支持する軸受部に作用する荷重を取得するステップと、取得した荷重に基づいて、軸受部の疲労度を取得するステップと、を備える。
この発明の第2の局面による軸受部の疲労度計測方法では、上記構成によって、上記第1の局面と同様に、軸受部に作用する荷重を取得するために歪み計や変位計などの専用の計測機器を設ける必要がないので、装置構成を複雑化することなく軸受部の疲労度を計測することができる。
本発明によれば、上記のように、装置構成を複雑化することなく軸受部の疲労度を計測することができる。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
[第1実施形態]
図1〜6を参照して、本発明の第1実施形態によるトンネル掘進機1について説明する。以下では、トンネル掘進機1が、シールド掘進機である例を説明する。
図1〜6を参照して、本発明の第1実施形態によるトンネル掘進機1について説明する。以下では、トンネル掘進機1が、シールド掘進機である例を説明する。
(トンネル掘進機の全体構成)
図1に示すように、トンネル掘進機1は、筒状の胴体2と、中心軸線回りに回転して土砂を掘削するカッタヘッド3と、カッタヘッド3を回転可能に支持する軸受部4と、カッタヘッド3を推進させる推進ジャッキ5と、を備えている。
図1に示すように、トンネル掘進機1は、筒状の胴体2と、中心軸線回りに回転して土砂を掘削するカッタヘッド3と、カッタヘッド3を回転可能に支持する軸受部4と、カッタヘッド3を推進させる推進ジャッキ5と、を備えている。
図1では、カッタヘッド3の支持方式として中間支持方式を採用した中〜大口径タイプのトンネル掘進機1を例示している。中間支持方式では、カッタヘッド3は、回転駆動される円環状の旋回台6a(図示省略)に対して、回転軸線方向(X方向)に延びる脚部(カッタコラム6)によって取り付けられる。旋回台6aは、後述する前胴部2aの隔壁(バルクヘッド)7に設けられた軸受部4により回転可能に支持される。
トンネル掘進機1の胴体2は、前胴部2aと後胴部2bとを含む。つまり、胴体2は、掘進方向の前側(図1の左側)の前胴部2aと、後側(図1の右側)の後胴部2bとに分割されている。前胴部2aおよび後胴部2bは、たとえば円筒状に形成されている。前胴部2aは、掘進方向の前側が隔壁7によって塞がれており、隔壁7に設けられた軸受部4を介して、カッタヘッド3を前胴部2aの前端面の位置に保持している。後胴部2bは、前胴部2aの掘進方向後端部に連結されている。
カッタヘッド3は、掘進方向から見て円形状に形成されており、回転軸線A回りに回転するように構成されている。カッタヘッド3は、図示しないカッタ駆動部によって旋回台6aに駆動トルクが付与されることにより、回転軸線A回りに回転駆動される。カッタ駆動部は、たとえば油圧モータである。
カッタヘッド3は、掘進方向前方の掘削面に、掘削刃であるカッタビットまたはディスクカッタなどの掘削ツールを有する。カッタビットなどによって削られた掘削土は、カッタヘッド3の内部のチャンバ部8に進入する。チャンバ部8は、カッタヘッド3、前胴部2aの周壁および隔壁7によって囲まれた空間である。チャンバ部8内の掘削土は、図示しない排土装置によって隔壁7を通って胴体2の内部に搬送され、トンネルの外部まで排出される。排土装置は、土圧シールドの場合であればスクリューコンベアなどにより構成され、泥水シールドの場合には、チャンバ部8内に送り込んだ泥水によりスラリー化した掘削土を排出する配管などにより構成される。
チャンバ部8内の掘削土は、排土装置による排出量が制御されることにより、チャンバ部8内で泥土圧を発生させる。トンネル掘進機1は、胴体2の隔壁7に作用する圧力を計測する土圧センサ9を備えている。なお、土圧センサ9は、特許請求の範囲の「圧力センサ」の一例である。チャンバ部8内の泥土圧は、土圧センサ9により計測される。土圧センサ9は、設置高さの異なる位置に複数設けられている。チャンバ部8内の泥土圧は、排土装置によって、地山側からカッタヘッド3に作用する力の土圧成分(地山を構成する土による圧力)と概ね平衡状態となるように維持される。このため、土圧センサ9の計測値に基づいて、カッタヘッド3に作用する力の土圧成分を計測することができる。
カッタコラム6は、中空筒状の梁部材(ビーム)であり、カッタヘッド3を支持し、かつ、カッタヘッド3と共に回転するように構成されている。カッタコラム6は、一方端部がカッタヘッド3に取り付けられ、他方端部が旋回台6aに取り付けられている。旋回台6aが、軸受部4によって回転可能に支持されている。これにより、カッタヘッド3が、軸受部4によって回転軸線A回りに回転可能に支持されている。
軸受部4は、旋回台6aを回転可能に支持する旋回台軸受である。軸受部4は、円環形状を有し、図2に示すように内輪4aおよび外輪4bと、転動体4cとを含む。転動体4cは、内輪4aと外輪4bとの間に設けられ、転がり(転動)によって内輪4aと外輪4bとを相対回転可能に接続している。内輪4aおよび外輪4bのうち、一方は隔壁7(図1参照)に固定され、他方がカッタヘッド3を支持する旋回台6a(図1参照)に固定されている。図2では、軸受部4は、転動体4cとしてころを備えた、ころ軸受である。
図1に示すように、推進ジャッキ5は、セグメントSGを押圧して胴体2(前胴部2aおよび後胴部2b)を推進させるシールドジャッキ5aと、後胴部2bから前胴部2aへ荷重を伝達する中折れジャッキ5bとを含む。
シールドジャッキ5aは、後胴部2bに取り付けられている。中折れジャッキ5bは、前胴部2aと後胴部2bとの間に配置されて前胴部2aと後胴部2bとを支持ピン5cを介して角度変更可能に連結している。シールドジャッキ5aおよび中折れジャッキ5bは、各々複数設けられており、それぞれ胴体2の内周面に沿って全周に亘って配列されている。トンネル掘進機1は、これらの推進ジャッキ5の推進力によって掘進方向前方に推進する。
中折れジャッキ5bは、後胴部2bに対して前胴部2a(すなわちカッタヘッド3)を前方に推進させることができる。また、複数の中折れジャッキ5bの伸縮量を異ならせることにより、前胴部2aを後胴部2bに対して傾けることができる。中折れジャッキ5bは、トンネル掘進機1を曲線経路に沿って掘進させるための推進ジャッキである。一方、シールドジャッキ5aは、セグメントSGに対して胴体2の全体を直進方向に推し進めるように設けられている。
トンネル掘進機1は、図示しないエレクタを備える。エレクタは、セグメントSGを組み立てて、環状(リング状)のセグメントリング10を構築する装置である。組み立てられたセグメントリング10は、トンネル掘進機1が構築するトンネルの壁面を構成する。なお、後胴部2bの後端部には、テールパッキン2cが設けられている。テールパッキン2cは、組み立てられたセグメントリング10の外周面と当接して、セグメントリング10と後胴部2bの後端部との間から土砂が流入することを防ぐシール部材である。
1つまたは複数のセグメントリング10に相当する所定距離の掘削が行われると、エレクタにより、所定距離分のセグメントリング10が既設のセグメントリング10の掘進方向先端部を延長するように追加構築される。
トンネル掘進機1は、図3に示すように、所定距離の掘進と、掘進を停止した状態でのセグメントSGの組み立てとを繰り返すことにより、セグメントリング10を構築しながら掘進する。以下、所定数のセグメントリング10を組み立てる際に掘進する距離を単位掘進量Luとする。所定数は、たとえば1である。この場合、トンネル掘進機1は、1リング分の単位掘進量Luの掘進と、1つのセグメントリング10の組立とを繰り返して、工事を進行させる。所定数は、2以上でもよい。
図1に示すように、トンネル掘進機1には、後方台車11が連結される。後方台車11は、既設のセグメントリング10によって構築されたトンネル内に配置され、連結部材12を介して後胴部2bと連結される。トンネル掘進機1は、後方台車11を牽引しながら掘進を進める。後方台車11には、トンネル掘進機1の運用に必要な各種設備が設けられるが、たとえばトンネル掘進機1のオペレーションルーム(運転室)13が設けられる。オペレーションルーム13には、トンネル掘進機1の推進ジャッキ5や、カッタ駆動部などの制御を行うための機器が設けられる。
第1実施形態では、トンネル掘進機1は、推進ジャッキ5の推力に基づいて軸受部4に作用する荷重を取得し、取得した荷重に基づいて軸受部4の疲労度Deを取得する制御部14を備える。軸受部4の疲労度Deについては、後述する。制御部14は、CPUなどのプロセッサ(図示せず)と、ROM、RAM、ハードディスクドライブなどの記憶部(図示せず)とを含むコンピュータにより構成され、たとえばオペレーションルーム13に設置されている。
制御部14は、トンネル掘進機1の運用中に、推進ジャッキ5の推力、土圧センサ9の計測値、カッタヘッド3の回転数、を含む掘進データを時系列的に蓄積記録する。図3に示したように、トンネル掘進機1の動作は、掘進と、セグメントリング10の組立(掘進停止)とを交互(間欠的に)に繰り返すため、制御部14は、組み立てられるセグメントリング10の数を時系列的な区切りとして、掘進データを記録できる。つまり、制御部14は、単位掘進量Luである1リング毎に、1リングの掘進および組立を行う間の推進ジャッキ5の推力、土圧センサ9の計測値、カッタヘッド3の回転数を取得できる。掘進データは、1番目のリング、2番目のリング、・・・、最終のリング、の各々の掘進期間毎に区分可能に記録される。
また、トンネル掘進機1は、液晶モニタなどの表示部15を備える。表示部15は、たとえばオペレーションルーム13に設置されている。制御部14は、取得した軸受部4の疲労度Deを、表示部15に表示させる制御を行う。
(軸受部の疲労度計測方法)
次に、軸受部4の疲労度Deの計測方法について説明する。疲労度Deの計測は、制御部14により行われる。
次に、軸受部4の疲労度Deの計測方法について説明する。疲労度Deの計測は、制御部14により行われる。
〈疲労度〉
軸受部4の疲労度Deは、下式(1)に基づいて算出できる。
ここで、Li(i=1〜n)は、動等価荷重Pci(i=1〜n)が作用した場合の軸受部4の推定寿命(基本定格寿命)である。推定寿命は、作用する荷重の大きさによって異なる。Ni(i=1〜n)は、軸受部4がそれぞれの動等価荷重Pciを受けた時間内のカッタ回転数である。
軸受部4の疲労度Deは、下式(1)に基づいて算出できる。
上式(1)は、荷重毎の推定寿命に対するカッタ回転数の比(N/L)の線形和が1に達したときに、軸受部4が寿命を迎えるとする経験式である。寿命を迎えるとは、疲労破壊に至ることを意味する。なお、動等価荷重Pciは、特許請求の範囲の「軸受部に作用する荷重」の一例である。
「疲労度」という用語は一般に、ある応力振幅での寿命と、その応力振幅の繰り返し回数を用いて部材・部品の疲労寿命を表すときに使われる。つまり、ある応力振幅での推定寿命をL1、L2…Li…Lnとしたとき、それぞれの応力振幅でN1、N2、…Ni…Nn回の負荷を受けた際、それぞれの寿命に対する、負荷の繰り返し回数の比の線形和が1に達したときに寿命を迎えるとする「マイナー則」において、「それぞれの寿命に対する負荷の繰り返し回数の比の線形和」が、「疲労度」である。上式(1)では、ある動等価荷重での寿命と、その動等価荷重の作用する時間内のカッタ回転数を用いているが、推定寿命に対するカッタ回転数の比の線形和が1に達したときに寿命を迎えるという式の形が、「マイナー則」と類似しているので、本明細書では、後述する式(2)の右辺のことを「疲労度」と呼ぶことにする。
第1実施形態では、制御部14は、単位掘進量Lu毎に、単位掘進量Lu当たりの軸受部4に作用する動等価荷重Pciの代表値を取得する。代表値は、たとえば平均値、中央値などでありうるが、ここでは平均値とする。したがって、動等価荷重Pciは、1リングの組立(単位掘進量Luの掘進)毎に1つの代表値が取得される。添字iは、図3に示したように、掘進開始時の1番目のリング(i=1)から順番に組み立てられるセグメントリング10の番号(以下、リング番号という)である。このとき、mは、トンネル工事における最終のリング番号とする。なお、単位掘進量Luを1リング単位としない場合、iはリング番号とは一致しない。その場合、添字iは、掘進を行うトンネル全長をm分割した時の各掘進区間の番号を表し、mが最終区間を表す。各掘進区間の長さが単位掘進量Luである。
このため、上式(1)において、Li[106回転]は、i番目のセグメントリング10についての単位掘進量Luの掘進中に受けた動等価荷重Pci(代表値)に対する推定寿命を意味し、Ni[106回転]は、i番目のセグメントリング10についての単位掘進量Luを掘進する間のカッタヘッド3の回転数を意味する。
ところで、上式(1)は、左辺の各項の線形和が1に達したときに疲労破壊(例えば、はく離)に至るとするものであるため、掘進中のある時点において、左辺の各項は、現時点までに発生した疲労と、これから発生する疲労(疲労破壊までの残りの寿命)とを含む。現時点までに発生した疲労を疲労度Deとし、(1−De)を余寿命とする。なお、トンネル工事の途中で軸受部4の交換を不要とするためには、最終(m番目)のセグメントリング10の掘進完了時点の疲労度Deが1未満となる軸受部4が採用される。そのため、上式(1)において、m+1番目以降n番目までの各項は、トンネル工事完了後、疲労破壊に至るまで軸受部4を使用し続けると仮定した場合の仮想的な項である。ただし、掘進開始から現時点までの疲労度Deを把握する上で、余寿命を考慮する必要はない。
そこで、第1実施形態では、現時点において組立が完了した最新のセグメントリング10をi番目として、現時点における軸受部4の疲労度Deを、下式(2)により取得する。
リング番号iは、1〜mまでの値をとる。このように、疲労度De(0≦De≦1)は、掘進開始時(1番目)から直前(i番目)のセグメントリング10の組立時までの、単位掘進量Lu(1リング毎)の疲労度の線形和として取得される。
言い換えると、制御部14は、各セグメントリング10を組み立てる際の掘進において発生したそれぞれの疲労度(上式(2)の右辺各項)を取得し、取得したセグメントリング10毎の疲労度の和を、軸受部4の疲労度Deとして取得する。
次に、それぞれの推定寿命Liは、下式(3)で表される。
ここで、CA[kN]は、軸受部4のスラスト方向(中心軸線方向)の基本動定格荷重であり、軸受部4の設計値(既知)である。Pci[kN]は、軸受部4に作用する動等価荷重である。上式(3)における指数(10/3)は、軸受部4の転動体4cの種類によって決まり、ころ軸受の場合に10/3となる。
上式(1)〜(3)のように、制御部14は、単位掘進量Luの掘進におけるカッタヘッド3の回転数Niと、単位掘進量Luの掘進における軸受部4に作用する荷重(動等価荷重Pci)の代表値と、に基づいて、単位掘進量Lu毎の軸受部4の疲労度Deを取得するように構成されている。
なお、カッタ軸受の余寿命は、疲労度Dの値により求めることができ、
余寿命
=軸受が寿命に達したときのカッタ軸受の疲労度(D=1)
−計測時点までに累積したカッタ軸受の疲労度(D=De)
=1−De
と表される。これは無次元数だが、寿命を時間またはカッタ回転数で表す場合は、(1−De)の疲労度を生じさせる荷重(計測時以降の荷重)の作用時間またはカッタ回転数が、余寿命である。
余寿命
=軸受が寿命に達したときのカッタ軸受の疲労度(D=1)
−計測時点までに累積したカッタ軸受の疲労度(D=De)
=1−De
と表される。これは無次元数だが、寿命を時間またはカッタ回転数で表す場合は、(1−De)の疲労度を生じさせる荷重(計測時以降の荷重)の作用時間またはカッタ回転数が、余寿命である。
〈動等価荷重〉
動等価荷重Pciは、下式(4)により表される。式(4)では添字iを省略している。
ここで、kは、設計上の荷重条件に応じた係数(定数)であり、既知である。PCD[m]は、軸受部4のころ(スラストころ)の中心径(直径)であり、既知である。M[kN・m]は、軸受部4に作用するモーメント荷重である。F[kN]は、軸受部4に作用するスラスト荷重である。スラスト荷重は、軸受部4の回転軸線方向(スラスト方向)の荷重である。
動等価荷重Pciは、下式(4)により表される。式(4)では添字iを省略している。
スラスト荷重Fについて、中折れジャッキ5bによりカッタヘッド3を推進している掘進中の状況下で、図4に示す前胴部2aに作用する力の釣り合いを考慮すると、下式(5)が成り立つ。
F+AB×PS+FFF=FAJ ・・・(5)
ここで、ABは、隔壁7の受圧面積(図4(B)のハッチング部参照)である。PSは、隔壁7に作用する平均土圧であり、土圧センサ9の計測値により求められる。FFFは、前胴部2aと周辺の地山との摩擦力である。FAJは、中折れジャッキ5bの推力である。中折れジャッキ5bの推力FAJは、特許請求の範囲の「推進ジャッキの推力」の一例である。
F+AB×PS+FFF=FAJ ・・・(5)
ここで、ABは、隔壁7の受圧面積(図4(B)のハッチング部参照)である。PSは、隔壁7に作用する平均土圧であり、土圧センサ9の計測値により求められる。FFFは、前胴部2aと周辺の地山との摩擦力である。FAJは、中折れジャッキ5bの推力である。中折れジャッキ5bの推力FAJは、特許請求の範囲の「推進ジャッキの推力」の一例である。
このように、第1実施形態では、推進ジャッキ5の推力として、中折れジャッキ5bの推力FAJを採用する。すなわち、制御部14は、シールドジャッキ5aおよび中折れジャッキ5bのうち中折れジャッキ5bの推力FAJに基づいて、軸受部4に作用する荷重(動等価荷重Pci)を取得するように構成されている。
上式(5)を軸受部4に作用するスラスト荷重Fについて解くと、下式(6)を得る。
F=FAJ−(AB×PS+FFF) ・・・(6)
F=FAJ−(AB×PS+FFF) ・・・(6)
ここで、直接計測できない摩擦力FFFを無視すると、下式(7)となる。
F=FAJ−AB×PS ・・・(7)
F=FAJ−AB×PS ・・・(7)
上式(7)では、スラスト荷重Fを、実際よりも摩擦力FFFの分だけ大きく見積もることになる。しかし、前胴部2aに働く摩擦力FFFは、中折れジャッキ5bの推力FAJと比べて小さいことから無視しても影響が小さい。また、スラスト荷重Fを実際よりも大きく見積もる場合、上式(2)〜(4)から、疲労度Deを大きく見積もることになる。このため、疲労度Deを過小評価して予想よりも早い段階で軸受部4が寿命に達することを防止する観点では、摩擦力FFFを無視することは、トンネル掘進機1の運用上の問題とはならないため許容できる。
上式(7)により、制御部14は、軸受部4に作用するスラスト荷重Fを取得する。
モーメント荷重Mは、掘進方向と直交する断面における、それぞれの推進ジャッキ5(中折れジャッキ5b)の位置と、それぞれの推進ジャッキ5(中折れジャッキ5b)の推力とから求められる。たとえば、各推進ジャッキ5(中折れジャッキ5b)の推力の合力を求めるとともに、断面における各推進ジャッキ5(中折れジャッキ5b)の位置から合力の作用点を求め、軸受部4の中心に対する推力の作用点の距離と合力との積により、モーメント荷重Mが取得される。
上記式(4)において、モーメント荷重Mおよびスラスト荷重Fとして、i番目のセグメントリング10(図3参照)についての単位掘進量Luを掘進する間の値を用いることにより、i番目のセグメントリング10についての動等価荷重Pciが取得される。
上式(4)および(7)から分かるように、第1実施形態では、制御部14は、推進ジャッキ5の推力(中折れジャッキ5bの推力FAJ)と、土圧センサ9の計測値PSとに基づいて、軸受部4に作用する荷重(動等価荷重Pci)を取得するように構成されている。なお、動等価荷重Pci(または軸受部4のスラスト荷重F)は、軸受部4に発生する応力を計測する専用の計測機器を用いれば直接取得することができるが、第1実施形態のトンネル掘進機1では、動等価荷重Pciを取得するための専用の計測機器を備えていない。トンネル掘進機1では、設計値などの既知の情報を除いて、推進ジャッキ5の推力および土圧センサ9の計測値PSのみに基づいて、軸受部4の動等価荷重Pciが取得される。
リング番号iで表される単位掘進量Lu毎の各区間(1番目〜i番目)における、動等価荷重Pciと回転数Niとが取得されると、制御部14は、上式(2)により、軸受部4の疲労度Deを取得する。
なお、制御部14は、トンネル掘進機1の運用中において、単位掘進量Luの掘進を行う度に、最新の単位掘進量Luの掘進による疲労度(Ni/Li)を求めて加算することにより、軸受部4の疲労度Deを更新する。すなわち、制御部14は、トンネル掘進機1の運用中において、セグメントリング10の組立を行う度に軸受部4の疲労度Deを取得および更新する処理を行う。
〈疲労度の表示処理〉
制御部14は、取得した軸受部4の疲労度Deを表示部15(図1参照)に表示させる。疲労度Deの表示は、たとえば図5に示すグラフ形式で行うことができる。図5の例では、表示部15に表示されるグラフ21は、横軸がリング番号を示し、縦軸が疲労度Deを示す。リング番号は、番号順に配列されることにより、掘進の進行度を表す。そのため、制御部14は、単位掘進量Lu毎の疲労度Deを、時系列に沿って累積することにより、掘進に伴う疲労度Deの累積変化を表示部15に表示させるように構成されている。
制御部14は、取得した軸受部4の疲労度Deを表示部15(図1参照)に表示させる。疲労度Deの表示は、たとえば図5に示すグラフ形式で行うことができる。図5の例では、表示部15に表示されるグラフ21は、横軸がリング番号を示し、縦軸が疲労度Deを示す。リング番号は、番号順に配列されることにより、掘進の進行度を表す。そのため、制御部14は、単位掘進量Lu毎の疲労度Deを、時系列に沿って累積することにより、掘進に伴う疲労度Deの累積変化を表示部15に表示させるように構成されている。
図5の例では、制御部14は、掘進開始(リング番号1)から、現在(リング番号i)までの疲労度Deを示す変化曲線22を、グラフ21にプロットする。これにより、現在までの疲労度Deの累積変化が、リング番号単位で把握できる。なお、1リング当たりの疲労度Deの変化がリング番号によって異なるのは、それぞれのセグメントリング10を組み立てる際の地山の状況やトンネル掘進機1の運転条件が異なり、状況に応じて推進ジャッキ5の推力や単位掘進量Lu当たりのカッタヘッド3の回転数Niが異なるためである。
また、図5の例では、制御部14は、掘進計画に基づいて予め設定された想定疲労度23を取得し、疲労度Deの累積変化(変化曲線22)と、想定疲労度23とを対比可能に表示部15に表示させるように構成されている。想定疲労度23は、トンネル掘進機1の設計時に掘進計画を元に予め取得される。制御部14は、グラフ21において、想定疲労度23が計画値であることを区別するため、たとえば線種や表示色を異ならせたり、計画値であることを示す凡例を付したりする。想定疲労度23と実際の疲労度Deとを比較することにより、軸受部4の疲労度Deが計画通りに変化しているのかが把握される。逆に、疲労度Deが想定よりも高値または低値である場合、たとえば掘進中の地山が想定よりも硬いまたは脆弱であるか否かを判定する材料にもなり得る。
想定疲労度23は、たとえばリング番号mの最終リングの組立が完了した際の計画上の最終疲労度PVを含む。制御部14は、グラフ21において、リング番号mにおける最終疲労度PVを、現在の疲労度Deとともに表示する。
また、想定疲労度23は、たとえば最終リングに至るまでの計画上の疲労度変化を示す予想線を含みうる。グラフ21において、予想線は、複数パターンを描くことができる。たとえば、予想線PLaは、掘進経路における地山の状況が一定で、疲労度Deが線形に変化するパターンである。
また、図5の予想線PLbおよびPLcは、2種類の動等価荷重を想定し、全掘進区間(i=1〜m)を、2種類の動等価荷重のいずれかに所定の割合で割り当てたものである。具体的には、トンネル掘進機1の全掘進区間における荷重変動は、常用荷重と最大荷重という2種類の動作条件を想定することによって代表させることができる。常用荷重は、掘進中に通常発生させる平均的な荷重値を代表する値とされ、最大荷重は、例えば、地山に当接したカッタヘッド3の回転が停止してしまう値(上限値)として設定される。この場合、全掘進区間における全ての荷重変動は、常用荷重と最大荷重との任意の割合によって代表できる。一例として図5では、全掘進区間における8割の掘進区間では軸受部4に常用荷重が作用し、残り2割の掘進区間では軸受部4に最大荷重が作用するケースを仮定する。
このとき、予想線PLbは、全掘進区間のうち最初の2割に最大荷重による掘進区間が存在したケースにおける疲労度変化を示し、予想線PLcは、全掘進区間のうち最後の2割に最大荷重による掘進区間が存在したケースにおける疲労度変化を示す。
最大荷重で掘進を行う区間が全掘進区間のうちのどの時点で発生するかは不明であるため、実際のケースは、予想線PLbと予想線PLcとにより囲まれるエリア24に含まれると考えることができる。
これにより、実際の疲労度Deの変化曲線22が、エリア24内に収まっているか否かを確認することにより、掘進中の任意の時点で、軸受部4の疲労度Deが想定の範囲内に収まっているか、想定以上の疲労が発生しているかを掘進中にリアルタイムで確認できる。
制御部14は、たとえば実際の疲労度Deの変化曲線22がエリア24を外れた場合に、表示部15に想定外であることを示す表示を行う。たとえば図6(A)に示すように、制御部14は、疲労度De(変化曲線22)がエリア24を越えて上昇する場合に、軸受部4の疲労度Deが想定より増大しているため、推進ジャッキ5の推力を低減することを推奨する表示をすることができる。また、たとえば図6(B)に示すように、制御部14は、疲労度Deがエリア24を越えて下回る場合に、軸受部4の疲労度Deが想定より低いため、推進ジャッキ5の推力を増大させて掘進ペースを上げることができる旨の表示をすることができる。
〈疲労度計測方法〉
以上説明したように、第1実施形態の疲労度計測方法は、主として、以下のステップ(A)〜(C)を備える。
(A)トンネル掘進機1の掘進時における推進ジャッキ5の推力を取得するステップ
(B)取得した推進ジャッキ5の推力に基づいて、トンネル掘進機1のカッタヘッド3を回転可能に支持する軸受部4に作用する荷重(動等価荷重Pci)を取得するステップ
(C)取得した荷重に基づいて、軸受部4の疲労度Deを取得するステップ
以上説明したように、第1実施形態の疲労度計測方法は、主として、以下のステップ(A)〜(C)を備える。
(A)トンネル掘進機1の掘進時における推進ジャッキ5の推力を取得するステップ
(B)取得した推進ジャッキ5の推力に基づいて、トンネル掘進機1のカッタヘッド3を回転可能に支持する軸受部4に作用する荷重(動等価荷重Pci)を取得するステップ
(C)取得した荷重に基づいて、軸受部4の疲労度Deを取得するステップ
なお、ステップ(B)において、軸受部4に作用する荷重(動等価荷重Pci)は、上記の通り、軸受部4に作用するスラスト荷重Fと、軸受部4に作用するモーメント荷重Mとに基づいて取得されうる。
次に、図7および図8を参照して、制御部14による軸受部4の疲労度Deの取得に関わる制御を説明する。図7は、掘進中の掘進データの取得処理を示す。
ステップS1において、制御部14は、掘進中における各推進ジャッキ5の推力、土圧センサ9の計測値を取得し、記憶部に記録する。
ステップS2において、制御部14は、単位掘進量Luの掘進が完了したか否かを判断する。単位掘進量Luの掘進が完了しない場合、制御部14は、ステップS1に処理を戻して掘進データを取得および記録する。
単位掘進量Luの掘進が完了すると、トンネル掘進機1は、単位掘進量Luに応じた所定数のセグメントリング10の組立作業を開始する。制御部14は、ステップS3において、単位掘進量Luの掘進の間におけるカッタヘッド3の回転数Niを取得し、記録する。
トンネル掘進機1によるトンネルの掘進中は、常時、上記のステップS1〜S3の処理が行われる。
次に、図8を参照して軸受部4の疲労度Deの取得処理を説明する。図8のステップS11において、制御部14は、推進ジャッキ5の推力、土圧センサ9の計測値を記憶部から読み出し、現在(直前に組み立てたセグメントリング10のリング番号i)までの各単位掘進量Luにおける動等価荷重Pci(上式(4)参照)をそれぞれ取得する。また、制御部14は、リング番号iまでの各単位掘進量Luにおけるカッタヘッド3の回転数Niをそれぞれ取得する。
ステップS12において、制御部14は、現在(リング番号i)における軸受部4の疲労度Deを取得する。まず、制御部14は、上式(3)により、各単位掘進量Luにおける推定寿命Liをそれぞれ取得する。制御部14は、取得した各単位掘進量Luにおける推定寿命Liと、各単位掘進量Luにおけるカッタヘッド3の回転数Niとにより、上式(2)に基づいて、現在(リング番号i)における軸受部4の疲労度Deを算出する。
ステップS13において、制御部14は、取得した疲労度Deを表示部15に表示させる。すなわち、制御部14は、取得した疲労度Deを、過去の疲労度Deとともにグラフ21にプロットすることにより、表示部15に疲労度Deの累積変化を表示させる。また、制御部14は、軸受部4の疲労度Deとともに、図5に示した想定疲労度23をグラフ21に表示させる。
制御部14は、たとえば単位掘進量Luの掘進が行われる毎に、軸受部4の疲労度Deを取得し、表示部15に表示したグラフ21を更新する。これにより、制御部14は、掘進に伴う疲労度Deの累積変化を表示部15にリアルタイムで表示させる。なお、ここでいう「リアルタイム」とは、厳密に実時間であることではなく、単位掘進量Luの掘進が行われる毎に即時に行うことである。
(第1実施形態の効果)
第1実施形態では、以下のような効果を得ることができる。
第1実施形態では、以下のような効果を得ることができる。
第1実施形態におけるトンネル掘進機1および軸受部4の疲労度計測方法では、上記のように、推進ジャッキ5の推力に基づいて軸受部4に作用する荷重(動等価荷重Pci)を取得し、取得した荷重に基づいて軸受部4の疲労度Deを取得する。これにより、トンネル掘進機1が通常備える推進ジャッキ5の推力に基づいて、軸受部4に作用する荷重(動等価荷重Pci)を取得することができ、得られた荷重(動等価荷重Pci)から軸受部4の疲労度Deを取得することができる。そのため、軸受部4に作用する荷重(動等価荷重Pci)を取得するために歪み計や変位計などの専用の計測機器を設ける必要がない。これにより、装置構成を複雑化することなく軸受部4の疲労度Deを計測することができる。
また、第1実施形態では、上記のように、制御部14は、推進ジャッキ5の推力と、土圧センサ9の計測値とに基づいて軸受部4に作用する荷重(動等価荷重Pci)を取得するように構成されている。ここで、推進ジャッキ5の推力は、掘進時の地山からの反力としてカッタヘッド3を介して軸受部4に作用する力の成分だけでなく、地山からの土圧(または水圧)に対抗する力の成分(AB×PS)を含む。そのため、土圧センサ9の計測値に基づいて、推進ジャッキ5の推力のうちの軸受部4の荷重(動等価荷重Pci)以外の地山からの土圧(または水圧)に対抗する成分(AB×PS)を把握することが可能となる。その結果、推進ジャッキの推力に加えて土圧センサ9の計測値を考慮することにより、軸受部4に作用する荷重(動等価荷重Pci)をより正確に取得することができる。
また、第1実施形態では、上記のように、制御部14は、シールドジャッキ5aおよび中折れジャッキ5bのうち中折れジャッキ5bの推力FAJに基づいて、軸受部4に作用する荷重(動等価荷重Pci)を取得するように構成されている。ここで、胴体2全体を推進するシールドジャッキ5aの推力FSJ(図4参照)には、胴体2全体の摩擦力に相当する成分(FFF、FFR、FFT)が含まれるのに対して、中折れジャッキ5bの推力FAJには、胴体2のうち、前胴部2aの摩擦力(FFF)に相当する成分だけが含まれる(後胴部2bの摩擦力が含まれない)ため、その分だけ摩擦力の成分が小さくなる。そのため、中折れジャッキ5bの推力FAJに基づいて動等価荷重Pciを取得することにより、摩擦抵抗に起因する誤差を低減して、より正確に動等価荷重Pciを取得することができる。
また、第1実施形態では、上記のように、所定数のセグメントリング10を組み立てる際に掘進する距離を単位掘進量Luとし、制御部14は、単位掘進量Luの掘進におけるカッタヘッド3の回転数と、単位掘進量Luの掘進における軸受部4に作用する荷重(動等価荷重Pci)の代表値と、に基づいて、単位掘進量Lu毎の軸受部4の疲労度Deを取得するように構成されている。このように構成すれば、所定数のセグメントリング10を単位として、軸受部4の疲労度Deを取得することができる。これにより、工事の進行度(組み立てたリング数)と軸受の疲労度Deとを対応させて把握することができるので、疲労度Deを評価する上でユーザにとっての利便性が向上する。
[第2実施形態]
次に、本発明の第2実施形態について説明する。第2実施形態では、中折れジャッキ5bの推力FAJに基づいて軸受部4の荷重(動等価荷重Pci)を取得した上記第1実施形態とは異なり、シールドジャッキ5aの推力に基づいて軸受部4の荷重(動等価荷重Pci)を取得する例について説明する。なお、第2実施形態において、軸受部4の荷重(動等価荷重Pci)の取得方法以外については、上記第1実施形態と同様であるので、説明を省略する。
次に、本発明の第2実施形態について説明する。第2実施形態では、中折れジャッキ5bの推力FAJに基づいて軸受部4の荷重(動等価荷重Pci)を取得した上記第1実施形態とは異なり、シールドジャッキ5aの推力に基づいて軸受部4の荷重(動等価荷重Pci)を取得する例について説明する。なお、第2実施形態において、軸受部4の荷重(動等価荷重Pci)の取得方法以外については、上記第1実施形態と同様であるので、説明を省略する。
第2実施形態では、制御部14は、シールドジャッキ5aおよび中折れジャッキ5bのうち、シールドジャッキ5aの推力FSJ(図4参照)に基づいて、軸受部4に作用する荷重(動等価荷重Pci)を取得する。
具体的には、シールドジャッキ5aによりカッタヘッド3を推進している掘進中の状況下で、図4に示した胴体2の全体に作用する力の釣り合いを考慮すると、下式(8)が成り立つ。
F+AB×PS+FFF+FFR+FFT+FBC=FSJ ・・・(8)
FFRは、後胴部2bと周辺の地山との摩擦力である。FFTは、テールパッキン2cとセグメントSGとの摩擦力である。FBCは、トンネル掘進機1による後方台車11の牽引力である。FSJは、シールドジャッキ5aの推力である。シールドジャッキ5aの推力FSJは、特許請求の範囲の「推進ジャッキの推力」の一例である。
F+AB×PS+FFF+FFR+FFT+FBC=FSJ ・・・(8)
FFRは、後胴部2bと周辺の地山との摩擦力である。FFTは、テールパッキン2cとセグメントSGとの摩擦力である。FBCは、トンネル掘進機1による後方台車11の牽引力である。FSJは、シールドジャッキ5aの推力である。シールドジャッキ5aの推力FSJは、特許請求の範囲の「推進ジャッキの推力」の一例である。
上式(8)を軸受部4に作用するスラスト荷重Fについて解くと、下式(9)を得る。
F=FSJ−(AB×PS+FFF+FFR+FFT+FBC) ・・・(9)
F=FSJ−(AB×PS+FFF+FFR+FFT+FBC) ・・・(9)
ここで、直接計測できない摩擦力FFF、FFR、FFTを無視すると、下式(10)となる。
F=FSJ−(AB×PS+FBC) ・・・(10)
F=FSJ−(AB×PS+FBC) ・・・(10)
上式(10)では、軸受部4に作用するスラスト荷重Fを、実際よりも摩擦力(FFF、FFR、FFT)の分だけ大きく見積もることになる。
動等価荷重Pciは、上式(10)で得られたスラスト荷重Fおよび各シールドジャッキ5aの位置から、モーメント荷重Mを求めて、モーメント荷重Mおよびスラスト荷重Fを上式(4)に代入することにより、取得される。
第2実施形態のその他の構成は、上記第1実施形態と同様である。
(第2実施形態の効果)
第2実施形態では、以下のような効果を得ることができる。
第2実施形態では、以下のような効果を得ることができる。
第2実施形態では、上記第1実施形態と同様に、装置構成を複雑化することなく軸受部4の疲労度Deを計測することができる。
また、第2実施形態では、上記のように、制御部14は、シールドジャッキ5aおよび中折れジャッキ5bのうち、シールドジャッキ5aの推力FSJに基づいて、動等価荷重Pciを取得する。たとえば前胴部2aと後胴部2bとが旋回ピンと呼ばれる連結用の部材によって連結されている場合などでは、中折れジャッキ5bの推力FAJから軸受部4のスラスト荷重Fを取得するのが難しくなる。第2実施形態のようにシールドジャッキ5aの推力FSJを用いる場合、胴体2の全体の力の釣り合いに基づいてスラスト荷重Fを取得するため、前胴部2aと後胴部2bとが連結されていても問題なく動等価荷重Pciを取得することができる。一方、第2実施形態の場合、釣り合いの関係式において無視することとした摩擦力の成分が大きくなるため、動等価荷重Pciの算出精度の点では、第2実施形態よりも上記第1実施形態の方が高い精度で動等価荷重Pciを取得することができる。
第2実施形態のその他の効果は、上記第1実施形態と同様である。
(変形例)
なお、今回開示された実施形態および変形例は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更(変形例)が含まれる。
なお、今回開示された実施形態および変形例は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更(変形例)が含まれる。
たとえば、上記第1および第2実施形態では、トンネル掘進機が中間支持方式のシールド掘進機である例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明のトンネル掘進機を、上記の支持方式以外のセンターシャフト支持方式、外周支持方式、中央支持方式などの各種の支持方式のシールド掘進機に適用してもよい。また、本発明は、シールド掘進機ではなく、トンネルボーリングマシンに適用されてもよい。トンネルボーリングマシンは、地山(坑壁)に対して押圧されて掘進反力を受けるグリッパと、グリッパに支持されてカッタヘッドを推進させるスラストジャッキとを備える。スラストジャッキは、特許請求の範囲の「推進ジャッキ」の一例である。このようなトンネルボーリングマシンのカッタヘッドを回転可能に支持する軸受部の疲労度算出にも、本発明を適用することができる。
たとえば、図9に示すように、OHM(Omni−sectional Hedge tunnelling Method)工法によるトンネル掘進に用いるトンネル掘進機1aに本発明を適用してもよい。OHM工法は、公転軸A1と、公転軸A1に偏心した自転軸A2とのそれぞれを中心軸線としてカッタヘッド3が回転する。公転軸A1および自転軸A2の各々の回転方向、回転数を変えることによって、矩形断面、角丸矩形、矩形の辺が膨出した形状など、様々な断面形状のトンネルを1つのカッタヘッド3によって構築できる。図9のトンネル掘進機1aでは、たとえば公転軸A1の軸受部(図示せず)について、上式(2)により疲労度Deを求めてもよい。このとき、上式(2)のLi[106回転]は、公転軸A1の軸受部の推定寿命であり、回転数は公転軸A1回りの回転数である。Ni[106回転]は、公転軸A1回りのカッタヘッド3の回転数である。
また、上記第1および第2実施形態では、推進ジャッキ5(シールドジャッキ5aまたは中折れジャッキ5b)の推力と、土圧センサ9の計測値PSとに基づいて軸受部4に作用する荷重(動等価荷重Pci)を取得する例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、土圧センサ9の計測値PSに基づくことなく、軸受部4に作用する荷重(動等価荷重Pci)を取得してもよい。つまり、上式(7)または上式(10)において土圧成分(AB×PS)を無視してもよい。
また、上記第1実施形態では、中折れジャッキ5bの推力FAJに基づいて動等価荷重Pciを取得する例を示し、上記第2実施形態では、シールドジャッキ5aの推力FSJに基づいて動等価荷重Pciを取得する例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、シールドジャッキ5aおよび中折れジャッキ5b以外に、カッタヘッド3に推進力を付与する推進ジャッキをトンネル掘進機が備える場合には、その推進ジャッキの推力に基づいて動等価荷重Pciを取得してもよい。
また、上記第1および第2実施形態では、単位掘進量Lu毎の推定寿命Liおよび回転数Niを用いて疲労度Deを取得した例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、設定した単位時間内のカッタ回転速度が一定とみなせる場合、推定寿命Liおよび回転数Niを単位時間毎に取得してもよい。具体的には、上式(1)は、下式(11)として書き換えることができる。
ここで、LHiは、i番目の掘進区間の掘進中に作用した動等価荷重Pciの代表値に対する推定寿命である。Tiは、i番目の掘進区間の掘進に要した時間(動等価荷重Pciの代表値の作用時間)である。上式(11)から、上式(2)と同様に疲労度Deを求めてもよい。この場合、それぞれの動等価荷重Pciに起因する疲労度(左辺各項)は、カッタヘッド3の回転数ではなく、荷重が作用した時間によって求められる。
さらに、上式(11)において、添字iが掘進区間を示し、LiおよびTiを、個々の掘進区間についての推定寿命および掘進時間としたが、これに代えて、掘進中に作用した動等価荷重Pciの大きさを区分した荷重区分毎に、推定寿命Liおよび掘進時間Tiを求めてもよい。この変形例では、上式(11)の添字iは、掘進中に軸受部4に作用し得る荷重の範囲(上限値と下限値との間の範囲)をn個に区分し、区分された各荷重区分の番号を表す。そして、LHi[時間]は、i番目の荷重区分に属する動等価荷重Pciが作用した場合の推定寿命である。Tiは、全掘進期間中で、i番目の荷重区分に属する動等価荷重Pciが作用した合計時間である。推定寿命Li[時間]および掘進時間Ti[時間]に代えて、上式(1)のように、i番目の荷重区分に属する動等価荷重Pciが作用した場合の推定寿命Li[106回転]および動等価荷重Pciが作用した回転数Ni[106回転]を用いてもよい。
添字iが荷重区分の番号を表す場合、動等価荷重Pciは、n個に区分された各荷重区分の中央値または平均値として代表することができる。つまり、i番目の動等価荷重Pciは、i番目の荷重区分の区分上限値と区分下限値との間の中央値としてよい。また、i番目の動等価荷重Pciは、i番目の荷重区分において実際に作用した荷重から求めた代表値としてよい。
たとえば、図10のグラフ(横軸:掘進時間、縦軸:荷重)のように掘進時間に対して荷重が変動する場合を考える。図10の例では、便宜的に荷重区分iの総数は2(n=2)である。また、荷重区分1に属するのは、荷重P1〜荷重P3、荷重P8、荷重P9である。荷重区分2に属するのは、荷重P4〜荷重P7である。各荷重が作用している間のカッタヘッド3の回転速度がw、荷重が作用した時間が回転時間tである。各荷重が作用した回転数dN=回転速度w×回転時間t(たとえば、dN1=w1×t1)である。図10のケースでは、上式(2)より、疲労度De=N1/L1+N2/L2となる。
なお、N1=dN1+dN2+dN3+dN8+dN9
=w1×t1+w2×t2+w3×t3+w8×t8+w9×t9
N2=dN4+dN5+dN6+dN7
=w4×t4+w5×t5+w6×t6+w7×t7
となる。
なお、N1=dN1+dN2+dN3+dN8+dN9
=w1×t1+w2×t2+w3×t3+w8×t8+w9×t9
N2=dN4+dN5+dN6+dN7
=w4×t4+w5×t5+w6×t6+w7×t7
となる。
このとき、i番目の荷重区分において実際に作用した荷重の代表値(動等価荷重Pci)を、下式(12)により求めてもよい。
上式(12)における指数(10/3)は、軸受部の転動体の種類によって決まり、ころ軸受の場合に10/3となる。
なお、荷重区分内の荷重のばらつきが小さい場合、上式(12)に代えて、動等価荷重Pciを平均値または中央値としてよく、平均値の場合、以下の通りである。
Pc1=(P1+P2+P3+P8+P9)/5
Pc2=(P4+P5+P6+P7)/4
Pc1=(P1+P2+P3+P8+P9)/5
Pc2=(P4+P5+P6+P7)/4
図10のグラフにおいて、それぞれの回転時間t1〜t9において回転速度wが一定と見なせる場合、上式(11)より、疲労度De=T1/LH1+T2/LH2と表せる。
なお、T1=t1+t2+t3+t8+t9、T2=t4+t5+t6+t7である。
なお、T1=t1+t2+t3+t8+t9、T2=t4+t5+t6+t7である。
この場合、上式(12)において、N1=w×(t1+t2+t3+t8+t9)となり、N2=w×(t4+t5+t6+t7)となるので、dN=w×tより右辺からwを消去して、i番目の荷重区分において実際に作用した荷重の代表値(動等価荷重Pci)を、下式(13)として表せる。
また、上記第1および第2実施形態では、制御部14が、取得した軸受部4の疲労度Deを表示部15に表示させる例を示したが、本発明はこれに限られない。制御部14は、軸受部4の疲労度Deを表示させなくてもよい。
また、上記第1および第2実施形態では、所定数のセグメントリング10を組み立てる際に掘進する距離を単位掘進量Luとし、単位掘進量Lu当たりの軸受部4に作用する動等価荷重Pciの代表値を取得する例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、軸受部4に作用する動等価荷重Pciの代表値を取得する際の単位掘進量を、セグメントリング10を単位とする代わりに、任意の距離としてよく、その場合、単位掘進量は、例えば50mmのように、セグメントリング10の幅より小さくてもよい。
また、上記第1および第2実施形態では、制御部14が、掘進に伴う疲労度Deの累積変化を表示部15に表示させる例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、疲労度Deの数値情報を表示部15に表示させるだけでもよい。したがって、掘進計画に基づいて予め設定された想定疲労度23を表示部15に表示させなくてもよい。図5に示したグラフ21は、軸受部4の疲労度Deを表示部15に表示させる際の表示態様の一例に過ぎず、制御部14は、取得した疲労度Deをどのような表示態様で表示部15に表示させてもよい。
1、1a トンネル掘進機
2 胴体
2a 前胴部
2b 後胴部
3 カッタヘッド
4 軸受部
5 推進ジャッキ
5a シールドジャッキ
5b 中折れジャッキ
9 土圧センサ(圧力センサ)
10 セグメントリング
14 制御部
A 回転軸線(中心軸線)
A1 公転軸(中心軸線)
A2 自転軸(中心軸線)
De 疲労度
FAJ 中折れジャッキの推力(推進ジャッキの推力)
FSJ シールドジャッキの推力(推進ジャッキの推力)
Lu 単位掘進量
Ni 回転数
Pci 動等価荷重(軸受部に作用する荷重)
SG セグメント
2 胴体
2a 前胴部
2b 後胴部
3 カッタヘッド
4 軸受部
5 推進ジャッキ
5a シールドジャッキ
5b 中折れジャッキ
9 土圧センサ(圧力センサ)
10 セグメントリング
14 制御部
A 回転軸線(中心軸線)
A1 公転軸(中心軸線)
A2 自転軸(中心軸線)
De 疲労度
FAJ 中折れジャッキの推力(推進ジャッキの推力)
FSJ シールドジャッキの推力(推進ジャッキの推力)
Lu 単位掘進量
Ni 回転数
Pci 動等価荷重(軸受部に作用する荷重)
SG セグメント
Claims (5)
- 筒状の胴体と、
中心軸線回りに回転して土砂を掘削するカッタヘッドと、
前記カッタヘッドを回転可能に支持する軸受部と、
前記カッタヘッドを推進させる推進ジャッキと、
前記推進ジャッキの推力に基づいて前記軸受部に作用する荷重を取得し、取得した前記荷重に基づいて前記軸受部の疲労度を取得する制御部と、を備える、トンネル掘進機。 - 前記胴体の隔壁に作用する圧力を計測する圧力センサをさらに備え、
前記制御部は、前記推進ジャッキの推力と、前記圧力センサの計測値とに基づいて前記軸受部に作用する前記荷重を取得するように構成されている、請求項1に記載のトンネル掘進機。 - 前記胴体は、前胴部と後胴部とを含み、
前記推進ジャッキは、セグメントを押圧して前記胴体を推進させるシールドジャッキと、前記後胴部から前記前胴部へ荷重を伝達する中折れジャッキとを含み、
前記制御部は、前記シールドジャッキおよび前記中折れジャッキのうち前記中折れジャッキの推力に基づいて、前記軸受部に作用する前記荷重を取得するように構成されている、請求項1または2に記載のトンネル掘進機。 - 所定数のセグメントリングを組み立てる際に掘進する距離を単位掘進量とし、
前記制御部は、前記単位掘進量の掘進における前記カッタヘッドの回転数と、前記単位掘進量の掘進における前記軸受部に作用する前記荷重の代表値と、に基づいて、前記単位掘進量毎の前記軸受部の疲労度を取得するように構成されている、請求項1〜3のいずれか1項に記載のトンネル掘進機。 - トンネル掘進機の掘進時における推進ジャッキの推力を取得するステップと、
取得した前記推進ジャッキの推力に基づいて、前記トンネル掘進機のカッタヘッドを回転可能に支持する軸受部に作用する荷重を取得するステップと、
取得した前記荷重に基づいて、前記軸受部の疲労度を取得するステップと、を備える、軸受部の疲労度計測方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2018233754A JP2020094432A (ja) | 2018-12-13 | 2018-12-13 | トンネル掘進機および軸受部の疲労度計測方法 |
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JP2018233754A JP2020094432A (ja) | 2018-12-13 | 2018-12-13 | トンネル掘進機および軸受部の疲労度計測方法 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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JP2020094432A true JP2020094432A (ja) | 2020-06-18 |
Family
ID=71086086
Family Applications (1)
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JP2018233754A Pending JP2020094432A (ja) | 2018-12-13 | 2018-12-13 | トンネル掘進機および軸受部の疲労度計測方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
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JP (1) | JP2020094432A (ja) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN114509262A (zh) * | 2022-01-25 | 2022-05-17 | 中国铁建重工集团股份有限公司 | 一种掘进机主轴承的加速试验方法 |
-
2018
- 2018-12-13 JP JP2018233754A patent/JP2020094432A/ja active Pending
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN114509262A (zh) * | 2022-01-25 | 2022-05-17 | 中国铁建重工集团股份有限公司 | 一种掘进机主轴承的加速试验方法 |
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