JP2982897B2 - トンネル掘削機のローラカッター - Google Patents

トンネル掘削機のローラカッター

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JP2982897B2 JP10018078A JP1807898A JP2982897B2 JP 2982897 B2 JP2982897 B2 JP 2982897B2 JP 10018078 A JP10018078 A JP 10018078A JP 1807898 A JP1807898 A JP 1807898A JP 2982897 B2 JP2982897 B2 JP 2982897B2
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  • Excavating Of Shafts Or Tunnels (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】 本発明は岩盤を掘削してト
ンネルを形成するトンネル掘削機のローラカッターに関
し、特にカッターリングを周方向の複数個所で分割した
構造にして、カッターリングの破損を防止し耐久性を高
めたものに関する。
【0002】
【従来の技術】 従来、岩盤層を掘削してトンネルを形
成するトンネル掘削機の前端部には、切羽の岩盤を掘削
するためのカッターディスクが回転可能に設けられ、カ
ッターディスクを正逆回転駆動するカッター駆動機構が
設けられ、カッターディスクは中心部から径方向に延び
る複数のカッターフレームを有し、カッターディスクの
前面には多数のローラカッターが回転可能に設けられて
いる。
【0003】複数のスラストジャッキ又はシールドジャ
ッキによりトンネル掘削機の推力を発生させ、カッター
ディスクを切羽の岩盤に押圧しつつ、カッター駆動機構
でカッターディスクを回転駆動し、多数のローラカッタ
ーにより岩盤を圧砕しながら岩盤を掘削し、トンネルを
掘削していく。通常のトンネル掘削機のローラカッター
は、軸部材と、この軸部材にベアリングを介して外嵌さ
れたカッターボディと、カッターボディに外嵌固定され
た工具鋼製のカッターリングと、カッターリングの軸方
向位置を固定する固定リング等を有し、カッターリング
はいわゆる焼嵌めによりカッターボディに外嵌固定され
ている。それ故、カッターリングには焼嵌めに起因する
周方向引張応力が内在しているため、岩盤掘削時の衝撃
等でカッターリングにクラックが発生したり、破損して
カッターボディから離脱してしまうことが少なくない。
【0004】そこで、本願出願人は、特開平8─170
491号公報に示すように、カッターリングの取付け構
造を改善したローラカッターを提案した。この公報のロ
ーラカッター50は、図8、図9に示すように、シャフ
ト51、このシャフト51にベアリングを介して外嵌さ
れたカッターボディ52、環状一体型のカッターリング
53を有し、カッターリング53の両側部にはカッター
リング53を保持するための1対の保持リング54,5
5が設けられ、カッターリング53の軸方向位置を固定
する固定リング56も設けられている。
【0005】このカッターリング53はカッターボディ
52に対して焼ばめによって固定され、固定リング56
の周方向1か所が溶接接合されている。カッターリング
53が径方向内側程厚くなるようにカッターリング53
の両端面は部分コーン面に形成され、その両側の部分コ
ーン面が1対の保持リング54,55で保持され、1対
の保持リング54,55でカッターリング53を軸心側
へ押圧することでカッターリング53の内部の引張応力
を緩和して破損しにくくし、仮に破損してもカッターリ
ング53がカッターボディ52から離脱しないように構
成してある。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】従来の通常のカッター
リングは、環状の一体品であるため、カッターリングが
摩耗しても、その外周面が常に凹凸の少ない形状に保た
れるため、カッターディスクが回転してもカッターリン
グの外周面が切羽の岩盤から受ける摩擦力が小さく、カ
ッターボディを回転させる力が小さいので、岩盤掘削時
にカッターボディの回転不良が発生し、カッターリング
に偏摩耗が生じ、カッターリングの交換頻度が高くな
り、コスト面で不利である。
【0007】ところで、最近カッターリングの掘削力と
耐久性向上の為に、タングステンカーバイト(WC)等
の超硬合金製のカッターリングを適用することが検討さ
れている。超硬合金は靱性に乏しく、また熱膨張係数も
小さいので、超硬合金製のカッターリングを焼嵌めによ
りカッターボディに装着することは好ましくない。そこ
で、前記公報に記載のカッターリング取付け構造によ
り、焼嵌めすることなく、圧入等の方法によりカッター
リングをカッターボディに装着することも不可能ではな
いが、カッターリング取付けに多大の労力を要する。
【0008】しかも、カッターリングが環状の一体品で
あるため掘削時の衝撃によって大きな内部応力が発生し
易いので、また、超硬合金は靱性に乏しいため、トンネ
ル掘削時の衝撃によりカッターリングに亀裂が発生した
り破損したりしやすく、耐久性が低く、高価なカッター
リングの交換頻度が高くなり、カッターリングの為の費
用が高価になる。また、破損したカッターリングがカッ
ターボディから離脱した場合には、掘削を停止し離脱し
たカッターリングを回収しないと掘削できなくなる等の
問題もある。
【0009】本発明の目的は、ローラカッターのカッタ
ーリングを破損しにくくし耐久性を高めること、カッタ
ーリングを回転しやすくして偏摩耗を防止し耐久性を高
めること、カッターリングの掘削性能を高めること、等
である。
【0010】
【課題を解決するための手段】請求項に係るトンネル
掘削機のローラカッターは、カッターボディと、カッタ
ーボディに外嵌されるカッターリングと、カッターリン
グをカッターボディに固定するリング部材とを備えたト
ンネル掘削機のローラカッターにおいて、前記カッター
リングが周方向の2n(但し、nは2以上の正の整数)
個所で分割された2n個のカッターリング分割体で構成
され、1つおきに配置される第1群のn個のカッターリ
ング分割体と、その他の第2群のn個のカッターリング
分割体とが、異なる硬さの金属材料で構成されたことを
特徴とするものである。尚、このカッターリングの材料
として工具鋼やタングステンカーバイト等の超硬合金を
適用してもよい。
【0011】カッターリングが周方向の複数の2n個所
で分割された2n個のカッターリング分割体で構成され
ているので、掘削時の衝撃により発生する内部応力が大
きくなりにくいので、また、掘削時にカッターリングに
作用する衝撃が複数の分割個所で吸収されるので、一体
型のカッターリングに比べて各カッターリング分割体に
発生する内部応力が小さく、カッターリング分割体が破
損しにくくなる。
【0012】異なる硬さの金属材料で構成されたカッタ
ーリング分割体が1つおきに配置されているので、トン
ネル掘削を行っている間に、硬度の低い方の金属材料製
のカッターリング分割体が、硬度の高い方の金属材料製
のカッターリング分割体より摩耗量が多くなり、カッタ
ーリングの外周面が凹凸状になるので、カッターリング
の掘削性が良好に維持され、また、カッターリングの外
周面が切羽の岩盤から受ける摩擦力が大きくなり、カッ
ターボディが回転しやすくなり、カッターリングの偏摩
耗が少なくなる。
【0013】しかも、仮に何れかのカッターリング分割
体が破損しても、そのカッターリング分割体だけを交換
すればよい。摩耗した場合にも、一部の摩耗の著しいカ
ッターリング分割体だけを交換すればよい。
【0014】請求項に係るトンネル掘削機のローラカ
ッターは、請求項の発明において、前記第1群のカッ
ターリング分割体が工具鋼で構成され、第2群のカッタ
ーリング分割体が超硬合金で構成されたことを特徴とす
るものである。第2群のカッターリング分割体のみを高
価な超硬合金で構成したので、第2群のカッターリング
分割体の掘削性能と耐久性を格段に高めることができ、
カッターリング全体を超硬合金で構成した場合に比べて
製作コストが安価になる。その他請求項と同様の作用
を奏する。
【0015】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して説明する。本実施形態のトンネル掘削
機のローラカッターは、岩盤や砂礫層を掘削するトンネ
ル掘削機のカッターディスクに取付けられたローラカッ
ターに関するものである。最初に、トンネル掘削機1に
ついて簡単に説明する。図1、図2に示すように、トン
ネル掘削機1は、切羽を掘削するカッターディスク2
と、チャンバ3と、円筒状の前胴4と、カッターディス
ク2を回転駆動させるためのカッター回転駆動機構5
と、前胴4の後端に連結された後胴6と、掘進推力を発
生させるための複数のスラストジャッキ14及び複数の
シールドジャッキ7と、トンネル坑壁をグリッスするグ
リッパー装置15と、トンネル坑壁にセグメントSを組
付けるためのエレクタ装置8と、掘削した岩片や砂礫を
外部に排出するための排泥設備9等を備えている。
【0016】図1、図2に示すように、カッターディス
ク2は、カッターフレーム10と、ローラカッター1
8,19,20と、外周リング11と、環状フレーム1
2等を有する。4本のカッターフレーム10がカッター
ディスク2の中央部から外周部まで延び、カッターディ
スク2の外周部には外周リング11が設けられ、カッタ
ーディスク2の後端の環状フレーム12を介してカッタ
ーディスク2が前胴4の内側の支持フレームに回動可能
に支持されている。カッターディスク2には、複数のロ
ーラカッター18,19,20が回転自在に装備されて
いる。ローラカッター19は2つのカッターリングを有
するもの、ローラカッター18,20は1つのカッター
リングを有するものである。
【0017】カッターディスク2の後側には掘削された
岩片や砂礫を収容するためのチャンバ3が形成されてい
る。カッター回転駆動機構5について説明すると、前胴
4に固定されたフレーム13に複数のカッター駆動モー
タ5aが設けられ、各カッター駆動モータ5aの出力軸
の先端部にはピニオン5bが固定され、環状フレーム1
2の後端のリングギヤ5cに複数のピニオン5bが噛合
しており、複数のカッター駆動モータ5aによりカッタ
ーディスク2が正逆回転駆動される。前胴4の後端に後
胴6が連結され、後胴6の内部にシールドジャッキ7、
グリッパー装置15、エレクタ装置8が設けられ、チャ
ンバ3内の岩片や砂礫を泥水化してトンネル内を経て地
上へ排出する排泥設備9も設けられている。但し排泥設
備9の代わりに岩片や砂礫を泥水化することなく排出す
る排土設備を設けることもある。
【0018】次に、本願特有のローラカッターについて
説明するが、本実施形態では、1つのカッターリングを
有するローラカッター20を例として説明する。図3〜
図5に示すように、ローラカッター20は、シャフト部
材21、カッターボディ22、1対のベアリング23、
1対のレース部材24、カッターリング25、1対の保
持リング26,27、固定リング28等で構成されてい
る。
【0019】カッターボディ22は、シャフト部材21
にベアリング23を介して回転自在に外嵌装着され、1
対のベアリング23の両側はシール部材29付きの1対
のレース部材24で封鎖されている。シャフト部材21
はカッターホルダ17を介してカッターディスク2に固
定される。カッターボディ22のリング取付部31の左
端には環状係合部32が形成され、環状係合部32から
軸方向右側へ所定距離だけ離れた位置には環状嵌合溝3
3が形成されている。
【0020】カッターリング25は、周方向に16等分
した16個所で分割された16個のカッターリング分割
体34で構成され、カッターリング25は、1つおきに
配置された第1群の8個のカッターリング分割体35
と、その他の第2群の8個のカッターリング分割体36
とで全体として環状をなすように構成されている。これ
らカッターリング分割体34がカッターボディ22のリ
ング取付部31に外嵌され、1対の保持リング26,2
7と固定リング28によりカッターボディ22に固定さ
れている。第1群のカッターリング分割体35は工具鋼
で構成され、第2群のカッターリング分割体36はタン
グステンカーバイト等の超硬合金で構成されている。
【0021】各カッターリング分割体34が内周側程軸
方向に幅広となるように、各カッターリング分割体34
の両端面は部分コーン分割面に形成されている。1対の
保持リング26,27がカッターリング25の両側にお
いてカッターボディ22のリング取付部31に外嵌固定
され、カッターリング25を両側から挟持するように外
嵌固定される。左側の保持リング26は環状係合部32
に係合して位置規制されている。
【0022】左側の保持リング26の右端面と右側の保
持リング27の左端面は、16個のカッターリング分割
体34の部分コーン分割面に面接触する部分コーンに形
成されている。カッターリング25は、左右1対の保持
リング26,27により両側から強力に挟持されるの
で、カッターリング分割体34がカッターボディ22か
ら離脱することはない。
【0023】固定リング28は取付け前には周方向の1
個所が分断されており、この固定リング28は、右側の
保持リング27の右端面に当接する押圧状態にして環状
嵌合溝33に外嵌固定され、固定リング28の分断部が
溶接接合される。固定リング28により、1対の保持リ
ング26,27とカッターリング25が軸方向へ移動し
ないように位置規制されるため、それらがカッターボデ
ィ22のリング取付部31に強固に外嵌固定された状態
が維持され、カッターボディ22と一体的に回転するよ
うになっている。
【0024】以上説明したトンネル掘削機1とローラカ
ッター20の作用について説明する。図1、図2に示す
ように、通常はグリッパー装置15のグリッパージャッ
キを伸長させて後胴6をトンネル坑壁に固定した後複数
のスラストジャッキ14を進出駆動することで掘進を行
い、グリッパー装置15で十分な反力が得られない軟弱
な地山では、シールドジャッキ7のピストンロッドを進
出駆動させセグメントSを後方に押して反力をとり、掘
進推力を発生させる。カッターディスク2を切羽に押圧
させた状態で、複数のカッター駆動モータ5aを駆動し
て、リングギヤ5bを介してカッターディスク2を回転
駆動して掘削する。このとき、複数のローラカッター1
8,19,20が切羽との摩擦接触により回転しながら
切羽の岩盤を圧砕し掘削する。
【0025】図3、4に示すように、カッターリング2
5は、1つおきに配置される第1群の8個の工具鋼製の
カッターリング分割体35と、これらのカッターリング
分割体35と交互に配置される第2群の8個の超硬合金
製のカッターリング分割体36とで構成されており、使
用開始前には図6のようにカッターリング25の外周が
円形をなしている。しかし、切羽の岩盤を長時間にわた
って掘削していく間に、工具鋼の方が超硬合金よりも硬
度が低いため、工具鋼製のカッターリング分割体35の
方が超硬合金製のカッターリング分割体36よりも摩耗
しやすいから、図7のようにカッターリング25の外周
面が凹凸状になる。その結果、カッターリング25が岩
盤に対してスリップしにくくなってカッターリング25
の掘削性能が高く維持される。そして、カッターリング
25を回転させるトルクも大きくなってカッターボディ
22が回転しやすくなるから、カッターボディ22の回
転不良に起因する偏摩耗が発生しなくなる。
【0026】カッターリング分割体35,36が摩耗し
たり破損したりした場合には、その摩耗したり破損した
りしたカッターリング分割体34のみを交換する。その
場合、ローラカッター20をカッターディスク2から取
り外した状態で、固定リング28、右側の保持リング2
7を取外し、交換すべきカッターリング分割体34に代
えて新しいカッターリング分割体を装着し、その後右側
の保持リング27を装着し、固定リング28を装着して
溶接接合すればよい。
【0027】以上のトンネル掘削機のローラカッター2
0においては、カッターリング25が周方向の複数個所
で分割され、16個のカッターリング分割体34で構成
されているので、一体型のカッターリングに比べて各カ
ッターリング分割体34に発生する内部応力(特に周方
向の引張応力)が小さくなり、カッターリング25に作
用する衝撃がカッターリング25の分割個所で吸収され
るため、カッターリング分割体34が破損しにくくな
り、カッターリング25の耐久性が著しく改善される。
カッターリング25が16個に分割されているため、製
作時点において内部引張応力が生じていないし、また、
掘削時の衝撃により発生する内部引張応力が大きくなる
こともないので、一体型のカッターリングと比較して格
段に破損しにくいものとなる。
【0028】カッターリング25を保持リング26,2
7で両側から強力に挟持し、固定リング28で位置規制
するので、仮にカッター分割体34のどれかが破損した
としても、カッターリング25がカッターボディ22か
ら離脱することがない。しかも、仮に何れかのカッター
リング分割体34が破損しても、カッターリング25全
体を交換する必要がなく、その破損したカッターリング
分割体34だけを交換すればよい。カッターリング25
が摩耗したときにも、一部の摩耗の著しいカッターリン
グ分割体34のみを交換すればよくなる。従って、カッ
ターリング25の製作や交換に要する費用を格段に低減
することができ、特に高価な超硬合金製のカッターリン
グ分割体36を適用する上で有利である。
【0029】工具鋼製のカッターリング分割体35が1
つおきに配置され、それら工具鋼製のカッターリング分
割体35の間に超硬合金製のカッターリング分割体36
が配置されているので、前述のように、長時間掘削して
いく間に、カッターリング分割体36よりもカッターリ
ング分割体35が多く摩耗し、カッターリング25の外
周面が凹凸状になり、岩盤に対してスリップしにくくな
るためカッターリング25が掘削性能が高く維持され、
カッターボディ22が回転しやすくなって、カッターボ
ディ22の回転不良に起因する偏摩耗が少なくなり、カ
ッターリング25の耐久性が向上する。
【0030】第1群のカッターリング分割体35を工具
鋼で構成し、第2群のカッターリング分割体36を超硬
合金で構成したので、カッターリング25全体を高価な
超硬合金で構成した場合に比べて製作コストを安価にす
ることができ、しかも、前記のようにカッターリング2
5の掘削性能や耐久性を格段に高めることもできる。
【0031】ここで、前記実施形態を部分的に変更する
変更形態について説明する )前記カッターリング25では、16個の周方向に同
じ長さのカッターリング分割体34で構成してあるが、
16個に限定される訳ではなく、2n個(但し、nは2
以上の正の整数)のカッターリング分割体34で構成し
てもよい。また、工具鋼製のカッターリング分割体35
の周方向長さと、超硬合金製のカッターリング分割体3
6の周方向長さとを異ならせてもよい。 )前記実施形態は一例に過ぎず、前記保持リング2
6,27を焼嵌めにて装着してもよく、その他に、本発
明の趣旨逸脱しない範囲において、前記ローラカッター
の各部に適宜変更を付加した態様で実施可能であること
は言うまでもない。
【0032】
【発明の効果】請求項1に係るトンネル掘削機のローラ
カッターによれば、カッターリングが周方向の2n個所
で分割され、2n個のカッターリング分割体で構成され
いるので、掘削時の衝撃により発生する内部応力が大
きくなりにくいので、また、掘削時にカッターリングに
作用する衝撃が複数の分割個所で吸収されるので、環状
の一体型のカッターリングと比較して、各カッターリン
グ分割体に発生する内部応力が小さく、カッターリング
が破損しにくくなり、耐久性が向上する。しかも、仮に
何れかのカッターリング分割体が破損しても、カッター
リング全体を交換する必要がなく、その破損したカッタ
ーリング分割体だけを交換すればよい。カッターリング
が摩耗したときにも、一部の摩耗の著しいカッターリン
グ分割体のみを交換すればよくなる。従って、カッター
リングの製作や交換に要する費用を格段に低減すること
ができる。特に、超硬合金製のカッターリングは非常に
高価であるので、超硬合金製のカッターリングを適用す
る場合に非常に有利になる。
【0033】しかも、1つおきのn個のカッターリング
分割体と、残りのn個のカッターリング分割体とが異な
る硬さの金属材料で構成されているので、硬度の低い方
の金属材料製のカッターリング分割体が、硬度の高い方
の金属材料製のカッターリング分割体より摩耗量が多
く、カッターリングの外周面が凹凸状になり、カッター
リングが切羽の岩盤に対してスリップしにくくなるため
掘削性能を良好に維持できる。
【0034】そして、カッターリングの外周面と切羽の
岩盤との間に作用する摩擦力が大きくなり、カッターボ
ディが回転しやすくなるため、カッターリング偏摩耗し
にくくなるから、耐久性が向上しカッターリングの交換
頻度が低減する。そして、硬度の低い方の金属材料製の
カッターリング分割体を複数回交換する毎に、硬度の高
い方の高価な金属材料製のカッターリング分割体を交換
することになるので、カッターリングの為の費用を格段
に低減することができる。
【0035】請求項に係るトンネル掘削機のローラカ
ッターによれば、第1群のカッターリング分割体を工具
鋼で構成し、第2群のカッターリング分割体を超硬合金
で構成したので、第2群のカッターリング分割体の掘削
性と耐久性を格段に高めることができ、カッターリング
全体を高価な超硬合金で構成した場合に比べて製作コス
トを安価にすることができる。その他請求項と同様の
効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態に係るトンネル掘削機の縦断
側面図である。
【図2】トンネル掘削機のカッターディスクの正面図で
ある。
【図3】ローラカッターの斜視図である。
【図4】ローラカッターの分解斜視図である。
【図5】ローラカッターの部分縦断正面図である。
【図6】ローラカッター(新品状態)の側面図である。
【図7】ローラカッター(長時間使用後の状態)の側面
図である。
【図8】従来のローラカッターの斜視図である。
【図9】図8のローラカッターのカッターリングの斜視
図である。
【符号の説明】
1 トンネル掘削機 20 ローラカッター 21 軸部材 22 カッターボディ 25 カッターリング 26,27 保持リング 28 固定リング 34 カッターリング分割体 35 工具鋼製のカッターリング分割体 36 超硬合金製のカッターリング分割体

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 カッターボディと、カッターボディに外
    嵌されるカッターリングと、カッターリングをカッター
    ボディに固定するリング部材とを備えたトンネル掘削機
    のローラカッターにおいて、 前記カッターリングが周方向の2n(但し、nは2以上
    の正の整数)個所で分割された2n個のカッターリング
    分割体で構成され、 1つおきに配置される第1群のn個のカッターリング分
    割体と、その他の第2群のn個のカッターリング分割体
    とが、異なる硬さの金属材料で構成されたことを特徴と
    するトンネル掘削機のローラカッター。
  2. 【請求項2】 前記第1群のカッターリング分割体が工
    具鋼で構成され、第2群のカッターリング分割体が超硬
    合金で構成されたことを特徴とする請求項1に記載のト
    ンネル掘削機のローラカッター。
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