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

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１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２に係るトンネル掘削機のローラカ
ッターは、請求項１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１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。 １ ）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。２ ）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
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、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２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１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。