JP2941660B2 - Steering and propulsion device for tunnel machine - Google Patents
Steering and propulsion device for tunnel machineInfo
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Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、トンネル掘進機の操向
・推進装置に関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a steering and propulsion device for a tunnel machine.
【0002】[0002]
【従来の技術】従来のトンネル掘進機の操向・推進装置
は、カッタトルク反力を圧縮で受ける複数本の第1推進
シリンダとカッタトルク反力を引張りで受ける複数本の
第2推進シリンダとのそれぞれをV字状に構成し、後方
ベースフレームと前方ベースフレームとの間に、V字状
の夾角の2等分線がトンネル掘進機の長手方向の中心線
に平行になるように設置する。2. Description of the Related Art A conventional steering and propulsion device for a tunnel machine comprises a plurality of first propulsion cylinders receiving a cutter torque reaction force by compression and a plurality of second propulsion cylinders receiving a cutter torque reaction force by tension. Are formed in a V-shape, and are installed between the rear base frame and the front base frame such that the bisector of the V-shaped included angle is parallel to the longitudinal center line of the tunnel machine. .
【0003】そして掘進時には、前方ベースフレームに
より支持したカッタヘッドフレームを回転させる一方、
推進シリンダを制御する油圧制御装置により、作動油を
各推進シリンダの全てへ同量だけ送り、同各推進シリン
ダを伸長方向に同量だけ伸長させ、カッタヘッドフレー
ム及び前方ベースフレームをカッタトルク反力に抗し前
進させて、トンネルを掘進する。また操向時には、各推
進シリンダに異なった量の作動油を送って、トンネル掘
進機の操向を行うようにしている(必要ならば米国特許
第4548443号明細書を参照されたい)。At the time of excavation, while rotating the cutter head frame supported by the front base frame,
Hydraulic oil control device that controls the propulsion cylinders sends hydraulic oil to all the propulsion cylinders by the same amount, extends each propulsion cylinder by the same amount in the extension direction, and applies cutter torque reaction force to the cutter head frame and front base frame. And dig through the tunnel. At the time of steering, a different amount of hydraulic oil is sent to each propulsion cylinder to steer the tunnel machine (see US Pat. No. 4,548,443 if necessary).
【0004】[0004]
【発明が解決しようとする課題】前記従来のトンネル掘
進機の操向・推進装置では、カッタトルク反力を圧縮で
受ける複数本の第1推進シリンダとカッタトルク反力を
引張りで受ける複数本の第2推進シリンダとのそれぞれ
をV字状に構成し、後方ベースフレームと前方ベースフ
レームとの間に、V字状の夾角の2等分線がトンネル掘
進機の長手方向の中心線に平行になるように設置してい
るので、カッタトルク反力に抗して推進する際、カッタ
トルク反力を圧縮で受ける複数本の第1推進シリンダと
カッタトルク反力を引張りで受ける複数本の第2推進シ
リンダとでは、後者は負荷推力が小さいが、前者は負荷
推力が大きいため、大型の推力シリンダを必要として、
機構部が大型化する。また機体内が狭くなる上に、後方
ベースフレーム及び前方ベースフレームの強度を大きく
する必要がある。さらに曲掘進及び操舵の操作が複雑に
なるという問題があった。In the conventional steering and propulsion device for a tunnel excavator, a plurality of first propulsion cylinders receiving a cutter torque reaction force by compression and a plurality of first propulsion cylinders receiving a cutter torque reaction force by tension. Each of the second propulsion cylinders is configured in a V-shape, and between the rear base frame and the front base frame, a V-shaped included angle bisecting line is parallel to the longitudinal center line of the tunnel machine. When propelled against the cutter torque reaction force, the plurality of first propulsion cylinders that receive the cutter torque reaction force by compression and the plurality of second propulsion cylinders that receive the cutter torque reaction force by pulling With the propulsion cylinder, the latter has a small load thrust, but the former has a large load thrust, so a large thrust cylinder is required.
The mechanism becomes larger. In addition, it is necessary to increase the strength of the rear base frame and the front base frame in addition to the narrowing of the body. Further, there is a problem that the operations of excavation and steering are complicated.
【0005】本発明は前記の問題点に鑑み提案するもの
であり、その目的とする処は、機構部を小型化でき、
掘進精度及び操作性を向上できるトンネル掘進機の操
向・推進装置を提供しようとする点にある。The present invention has been made in view of the above problems, and has as its object to reduce the size of the mechanism.
An object of the present invention is to provide a steering and propulsion device for a tunnel excavator that can improve excavation accuracy and operability.
【0006】[0006]
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明のトンネル掘進機の操向・推進装置は、後
方ベースフレームとカッタヘッドフレームを回転可能に
支持する前方ベースフレームとの間にカッタトルク反力
を圧縮で受ける複数本の第1推進シリンダとカッタトル
ク反力を引張りで受ける複数本の第2推進シリンダとを
円周方向に隣合うように配設して、同各推進シリンダの
ヘッド側端部を上記後方ベースフレームに自在軸受を介
して揺動可能に取付けるとともに、同各推進シリンダの
ロッド側端部を上記前方ベースフレームに自在軸受を介
して揺動可能に取付け、上記第1推進シリンダの円周方
向への傾け角を大きくするとともに、上記第2推進シリ
ンダの円周方向への傾け角を小さくして、隣合う推進シ
リンダをハの字状まはたV字状に配置し、上記各推進シ
リンダにストローク位置検出器を取付けて、同各ストロ
ーク位置検出器をストローク位置制御装置に接続してい
る。In order to achieve the above object, a steering and propulsion device for a tunnel machine according to the present invention comprises a rear base frame and a front base frame which rotatably supports a cutter head frame. A plurality of first propulsion cylinders receiving the cutter torque reaction force by compression and a plurality of second propulsion cylinders receiving the cutter torque reaction force by tension are disposed so as to be adjacent to each other in the circumferential direction. The head end of the propulsion cylinder is swingably attached to the rear base frame via a universal bearing, and the rod end of each propulsion cylinder is swingably attached to the front base frame via a universal bearing. The angle of inclination of the first propulsion cylinder in the circumferential direction is increased, and the angle of inclination of the second propulsion cylinder in the circumferential direction is reduced. Placed Hata V-shape, it is attached to the stroke position detector above the propulsion cylinder is connected to the respective stroke position detector stroke position controller.
【0007】[0007]
【作用】本発明のトンネル掘進機の操向・推進装置は前
記のように後方ベースフレームとカッタヘッドフレーム
を回転可能に支持する前方ベースフレームとの間にカッ
タトルク反力を圧縮で受ける複数本の第1推進シリンダ
とカッタトルク反力を引張りで受ける複数本の第2推進
シリンダとを円周方向に隣合うように配設して、同各推
進シリンダのヘッド側端部を上記後方ベースフレームに
自在軸受を介して揺動可能に取付けるとともに、同各推
進シリンダのロッド側端部を上記前方ベースフレームに
自在軸受を介して揺動可能に取付ける。そして定格のス
ラスト力及びカッタトルク反力に適合するように、上記
第1推進シリンダの円周方向への傾け角を大きくし、上
記第2推進シリンダの円周方向への傾け角を小さくして
おり、機構部が小型化される。また上記各推進シリンダ
は、ストローク位置検出器と推進シリンダのストローク
位置制御装置とを具えており、操向・推進に必要な各推
進シリンダの協調したストローク位置が得られて、掘進
精度及び操作性が向上する。The steering and propulsion device for a tunnel excavator according to the present invention, as described above, receives a plurality of cutter torque reaction forces between the rear base frame and the front base frame that rotatably supports the cutter head frame. The first propulsion cylinder and a plurality of second propulsion cylinders that receive the cutter torque reaction force by pulling are disposed so as to be adjacent to each other in the circumferential direction, and the head-side end of each propulsion cylinder is connected to the rear base frame. The propulsion cylinder is mounted so as to be swingable via a universal bearing, and the rod-side end of each propulsion cylinder is swingably mounted to the front base frame via a universal bearing. Then, the tilt angle of the first propulsion cylinder in the circumferential direction is increased, and the tilt angle of the second propulsion cylinder in the circumferential direction is reduced so as to conform to the rated thrust force and cutter torque reaction force. As a result, the size of the mechanism is reduced. Each of the above-mentioned propulsion cylinders is provided with a stroke position detector and a propulsion cylinder stroke position control device, so that a coordinated stroke position of each propulsion cylinder necessary for steering and propulsion can be obtained, and excavation accuracy and operability can be improved. Is improved.
【0008】[0008]
【実施例】次に本発明のトンネル掘進機の操向・推進装
置を図1、図2に示す一実施例により説明すると、10
1が後方ベースフレーム、102がカッタヘッドフレー
ムを回転可能に支持する前方ベースフレーム、103が
複数の自在軸受、104がカッタトルク反力を圧縮で受
ける複数本の第1推進シリンダ、105がカッタトルク
反力を引張りで受ける複数本の第2推進シリンダで、こ
れらの第1、第2推進シリンダ104、105を後方ベ
ースフレーム101と前方ベースフレーム102との間
に隣合うように配設する。なお本実施例では、第1、第
2推進シリンダ104、105が合計10本ある。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Next, a steering and propulsion device for a tunnel machine according to the present invention will be described with reference to an embodiment shown in FIGS.
1 is a rear base frame, 102 is a front base frame that rotatably supports the cutter head frame, 103 is a plurality of universal bearings, 104 is a plurality of first propulsion cylinders that receive a cutter torque reaction force by compression, and 105 is a cutter torque. The first and second propulsion cylinders 104 and 105 are arranged between the rear base frame 101 and the front base frame 102 by a plurality of second propulsion cylinders receiving the reaction force by pulling. In this embodiment, there are a total of ten first and second propulsion cylinders 104 and 105.
【0009】そして第1推進シリンダ104を円周方向
への傾け角を大きく、第2推進シリンダ105を円周方
向への傾け角を小さくして、これらの第1、第2推進シ
リンダ104、105のヘッド側端部及びロッド側端部
を各自在軸受103を介して後方ベースフレーム101
と前方ベースフレーム102とに取付けて、ハの字状ま
はたV字状に配置している。The first and second propulsion cylinders 104 and 105 have a large inclination angle in the circumferential direction and a small inclination angle in the second propulsion cylinder 105 in the circumferential direction. The head-side end and the rod-side end of the rear base frame 101
And a front base frame 102, and are arranged in a C-shape or a V-shape.
【0010】次に前記トンネル掘進機の操向・推進装置
の作用を具体的に説明する。各第1推進シリンダ104
及び各第2推進シリンダ105が前記のように配置され
ている。図4では、説明を簡略化するため、第1推進シ
ンダ104と第2推進シンダ105とを各1本とし、各
自在軸受103a〜103dを同一平面内に配置し、こ
の平面とトンネル掘進機の長手方向中心線7とを平行に
配置している。第1推進シリンダ104は、円周方向へ
の傾け角10αを大きくし、第2推進シンダ105は、
円周方向への傾け角12βを小さくしている。第1推進
シリンダ104の推力をF1、第2推進シリンダ105
の推力をF2とすると、これらの第1、第2推進シリン
ダ104、105が前方ベースフレーム102に与える
カッタトルク反力は、 第1推進シリンダ104: F1・SINα・R 第2推進シリンダ105: −F2・SINβ・R になり、α>βになるように推進シリンダ群を配置する
ことにより、前方ベースフレーム102にカッタトルク
反力がより大きく作用する。Next, the operation of the steering and propulsion device of the tunnel machine will be described in detail. Each first propulsion cylinder 104
And each second propulsion cylinder 105 is arranged as described above. In FIG. 4, in order to simplify the description, the first propulsion sinder 104 and the second propulsion sinder 105 are each one, and the universal bearings 103a to 103d are arranged on the same plane. The longitudinal center line 7 is arranged in parallel. The first propulsion cylinder 104 increases the inclination angle 10α in the circumferential direction, and the second propulsion cylinder 105
The inclination angle 12β in the circumferential direction is reduced. The thrust of the first propulsion cylinder 104 is F1, the second propulsion cylinder 105
Assuming that the thrust force of the first and second propulsion cylinders 104 and 105 is F2, the cutter torque reaction force applied to the front base frame 102 by the first and second propulsion cylinders 104 and 105 is as follows. By arranging the propulsion cylinder group so that F2 · SINβ · R and α> β, the cutter torque reaction force acts more on the front base frame 102.
【0011】その際、各推進シリンダの位置制御が次の
要領で行われる。即ち、カッタヘッドの中心の目標位置
・姿勢Pr〔Xr、Yr、Zr、ψr、θr、φr〕T
から逆キネマティクスを解いて、目標推進シリンダスト
ローク位置Lr〔11 r、1 2 r、13 r・・・1
n r〕T (n: 推進シリンダ設置数)をリアムタイムで
演算するので、この目標位置・姿勢Prと各推進シリン
ダに取付けたストローク位置検出器のフィードバック信
号で位置サーボ系を組むことにより、操向・推進に必要
な各推進シンダの協調した動作が行われる。At this time, the position control of each propulsion cylinder is performed as follows.
It is done in the way. That is, the target position of the center of the cutter head
-Attitude Pr [Xr, Yr, Zr, Δr, θr, φr]T
Solve reverse kinematics from
Loke position Lr [11r, 1 Twor, 1Threer ... 1
nr]T(N: Number of propulsion cylinders installed) in real time
Since the calculation is performed, the target position / posture Pr and each propulsion cylinder
Feedback signal from the stroke position detector
Necessary for steering and propulsion by building a position servo system with
The cooperative operation of each propulsion synd is performed.
【0012】次に上記作用をさらに具体的に説明する。
上記第1推進シリンダ104及び上記第2推進シリンダ
105の定格のスラスト力及びカッタトルク反力に適合
した円周方向の傾け角等は、後記式に示す静力学の式
を基に計算機シミュレーションを行って見出したもので
ある。 C=J# F・・・・・ ここで、C〔C1 、C2 、・・・C10〕T は、各推進シ
リンダの必要推力、J#は、配置ヤコビ行列の擬似逆行
列、F〔Fx 、Fy 、Fz 、Tx 、Ty 、Tz 〕 T は、
前方ベースフレームが受ける定格のスラスト力、カッタ
トルク反力、重力からなる力6成分を表す。Next, the above operation will be described more specifically.
The first propulsion cylinder 104 and the second propulsion cylinder
Compatible with 105 rated thrust force and cutter torque reaction force
The angle of inclination in the circumferential direction is calculated by the static equation
Was found through computer simulation based on
is there. C = J#F ..... where C [C1, CTwo, ... CTen]TAre each promotion system.
Linda's required thrust, J#Is the pseudo-reverse of the Jacobi matrix
Row, F [Fx, Fy, Fz, Tx, Ty, Tz] TIs
Rated thrust force and cutter received by the front base frame
Represents six components of torque reaction force and gravity.
【0013】図3は、各推進シリンダ104、105の
ストローク位置制御装置の詳細を示し、各推進シリンダ
104、105に取付けたストローク位置検出器201
の検出信号をサーボアンプ202にフィードバックし、
インタフェース203を介して制御演算器(ストローク
位置制御装置)204に取込み、選択した代表6本の推
進シリンダのリンク長さLaからカッタヘッドの位置・
姿勢が一意的に決まることから、後記式を用いて繰り
返し近似計算を行い、順キネマティクス(205参照)
を解くことにより、リンク長さからカッタヘッドの初期
位置・姿勢Paを求める。FIG. 3 shows the details of a stroke position control device for each of the propulsion cylinders 104 and 105, and a stroke position detector 201 attached to each of the propulsion cylinders 104 and 105.
Is fed back to the servo amplifier 202,
It is taken into the control computing unit (stroke position control device) 204 via the interface 203, and the position and position of the cutter head are determined based on the selected representative six propulsion cylinder link lengths La.
Since the posture is uniquely determined, the approximate calculation is repeatedly performed using the following expression, and forward kinematics (see 205)
, The initial position / posture Pa of the cutter head is obtained from the link length.
【0014】δL=JδX・・・・ ここで、δL(δ11 、δ12 、・・・δ16 〕T は、
選択した代表6本の推進シリンダのリンク長さの微小変
位、Jはヤコビ行列、δX〔δx 、δy 、δz 、δ
ψx 、δθ、δφ〕T は、カッタヘッドの位置・姿勢の
微小変位を示す。求めたカッタヘッドの初期位置・姿勢
Pa(206参照)から位置制御を開始し、制御サンプ
リング毎にカッタヘッドの中心の目標位置・姿勢Pr
(207参照)を与え、逆キネマティクス(208参
照)を解いて、10本の推進シリンダの目標リンク長さ
を求め、インタフェース(203参照)を介してサーボ
アンプに指令位置制御信号を出力し、サーボ弁を駆動し
て、位置制御を行い、操向・推進に必要な各推進シリン
ダの協調した動作を行う。[0014] δL = JδX ···· here, δL (δ1 1, δ1 2 , ··· δ1 6 ] T is,
Selected representative six propulsion cylinder link length of minute displacement, J is the Jacobian matrix, [delta] X [δ x, δ y, δ z , δ
ψ x , δθ, δφ] T indicates a minute displacement of the position / posture of the cutter head. The position control is started from the obtained initial position / posture Pa of the cutter head (see 206), and the target position / posture Pr at the center of the cutter head is obtained every control sampling.
(See 207), solve the reverse kinematics (see 208), find the target link length of the 10 propulsion cylinders, output a command position control signal to the servo amplifier via the interface (see 203), The servo valve is driven to control the position, and the propulsion cylinders necessary for steering and propulsion operate in a coordinated manner.
【0015】[0015]
【発明の効果】本発明のトンネル掘進機の操向・推進装
置は前記のように後方ベースフレームとカッタヘッドフ
レームを回転可能に支持する前方ベースフレームとの間
にカッタトルク反力を圧縮で受ける複数本の第1推進シ
リンダとカッタトルク反力を引張りで受ける複数本の第
2推進シリンダとを円周方向に隣合うように配設して、
同各推進シリンダのヘッド側端部を上記後方ベースフレ
ームに自在軸受を介して揺動可能に取付けるとともに、
同各推進シリンダのロッド側端部を上記前方ベースフレ
ームに自在軸受を介して揺動可能に取付ける。そして定
格のスラスト力及びカッタトルク反力に適合するよう
に、上記第1推進シリンダの円周方向への傾け角を大き
くし、上記第2推進シリンダの円周方向への傾け角を小
さくしており、機構部を小型化できる。As described above, the steering and propulsion device for a tunnel excavator according to the present invention receives a cutter torque reaction force between the rear base frame and the front base frame that rotatably supports the cutter head frame. A plurality of first propulsion cylinders and a plurality of second propulsion cylinders that receive the cutter torque reaction force by pulling are disposed so as to be adjacent to each other in a circumferential direction,
The head side end of each propulsion cylinder is swingably attached to the rear base frame via a universal bearing,
The rod-side end of each propulsion cylinder is swingably attached to the front base frame via a universal bearing. Then, the tilt angle of the first propulsion cylinder in the circumferential direction is increased, and the tilt angle of the second propulsion cylinder in the circumferential direction is reduced so as to conform to the rated thrust force and cutter torque reaction force. As a result, the size of the mechanism can be reduced.
【0016】また各推進シリンダは、ストローク位置検
出器と推進シリンダのストローク位置制御装置とを具え
ており、操向・推進に必要な各推進シリンダの協調した
ストローク位置を得られて、掘進精度及び操作性を向上
できる。Each propulsion cylinder is provided with a stroke position detector and a propulsion cylinder stroke position control device, so that a coordinated stroke position of each propulsion cylinder necessary for steering and propulsion can be obtained, and excavation accuracy and Operability can be improved.
【図1】本発明に係わるトンネル掘進機の操向・推進装
置の一実施例を示す縦断側面図である。FIG. 1 is a longitudinal sectional side view showing an embodiment of a steering and propulsion device for a tunnel machine according to the present invention.
【図2】図1の矢視A−A線に沿う縦断背面図である。FIG. 2 is a longitudinal rear view taken along line AA of FIG. 1;
【図3】同トンネル掘進機の操向・推進装置のストロー
ク位置検出器及び推進シリンダのストローク位置制御装
置を示す系統図である。FIG. 3 is a system diagram showing a stroke position detector of a steering and propulsion device of the tunnel machine and a stroke position control device of a propulsion cylinder.
【図4】同トンネル掘進機の操向・推進装置の作用説明
図である。FIG. 4 is an operation explanatory view of the steering / propelling device of the tunnel machine.
7 トンネル掘進機の長手方向中心線 8 カッタ回転方向 10α 第1推進シンダ104の円周方向への傾け
角 12β 第2推進シンダ105の円周方向への傾け
角 101 後方ベースフレーム 102 前方ベースフレーム 103 自在軸受 104 第1推進シリンダ 105 第2推進シリンダ 201 ストローク位置検出器 202 サーボアンプ 204 ストローク位置制御装置(制御演算器) 205 順キネマティクス演算 206 カッタヘッドの初期位置・姿勢(Pa) 207 カッタヘッドの目標位置・姿勢(Pr) 208 逆キネマティクス演算7 Longitudinal center line of tunnel machine 8 Cutter rotation direction 10α Circular angle of first propulsion cylinder 104 in the circumferential direction 12β Cline angle of second propulsion cylinder 105 in the circumferential direction 101 Rear base frame 102 Front base frame 103 Swivel bearing 104 First propulsion cylinder 105 Second propulsion cylinder 201 Stroke position detector 202 Servo amplifier 204 Stroke position control device (control calculator) 205 Forward kinematics calculation 206 Initial position / posture of cutter head (Pa) 207 Cutter head Target position / posture (Pr) 208 Reverse kinematics calculation
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 松浦 武 兵庫県神戸市兵庫区和田崎町一丁目1番 1号 三菱重工業株式会社 神戸造船所 内 (56)参考文献 特開 平5−332081(JP,A) 特開 平3−158597(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) E21D 9/06 301 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing from the front page (72) Inventor Takeshi Matsuura 1-1-1, Wadazakicho, Hyogo-ku, Kobe-shi, Hyogo Pref. Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. Kobe Shipyard (56) References , A) JP-A-3-158597 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. 6 , DB name) E21D 9/06 301
Claims (1)
ームを回転可能に支持する前方ベースフレームとの間に
カッタトルク反力を圧縮で受ける複数本の第1推進シリ
ンダとカッタトルク反力を引張りで受ける複数本の第2
推進シリンダとを円周方向に隣合うように配設して、同
各推進シリンダのヘッド側端部を上記後方ベースフレー
ムに自在軸受を介して揺動可能に取付けるとともに、同
各推進シリンダのロッド側端部を上記前方ベースフレー
ムに自在軸受を介して揺動可能に取付け、上記第1推進
シリンダの円周方向への傾け角を大きくするとともに、
上記第2推進シリンダの円周方向への傾け角を小さくし
て、隣合う推進シリンダをハの字状まはたV字状に配置
し、上記各推進シリンダにストローク位置検出器を取付
けて、同各ストローク位置検出器をストローク位置制御
装置に接続したことを特徴とするトンネル掘進機の操向
・推進装置。1. A plurality of first propulsion cylinders receiving a cutter torque reaction force by compression between a rear base frame and a front base frame rotatably supporting a cutter head frame, and a plurality of cutter cylinders receiving a cutter torque reaction force by tension. Book second
The propulsion cylinders are disposed adjacent to each other in the circumferential direction, and the head-side end of each propulsion cylinder is swingably attached to the rear base frame via a universal bearing. A side end portion is swingably attached to the front base frame via a universal bearing to increase a tilt angle of the first propulsion cylinder in a circumferential direction,
The inclination angle of the second propulsion cylinder in the circumferential direction is reduced, adjacent propulsion cylinders are arranged in a C-shape or a V-shape, and a stroke position detector is attached to each of the propulsion cylinders. A steering and propulsion device for a tunnel excavator, wherein each of the stroke position detectors is connected to a stroke position control device.
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Publication number | Publication date |
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JPH0853990A (en) | 1996-02-27 |
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