JP3544186B2

JP3544186B2 - 高耐圧ローラーカッター

Info

Publication number: JP3544186B2
Application number: JP2001229251A
Authority: JP
Inventors: 保徳近藤; 博一摩湯; 暁高倉
Original assignee: Kawasaki Jukogyo KK
Current assignee: Kawasaki Motors Ltd
Priority date: 2001-07-30
Filing date: 2001-07-30
Publication date: 2004-07-21
Anticipated expiration: 2021-07-30
Also published as: JP2003041889A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本願発明は、地中を掘削するトンネル掘進機のローラーカッターに関し、詳しくは、高水圧下で硬岩層を掘削できる高耐圧ローラーカッターに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、地中にトンネルを形成する機械としてトンネル掘進機（この出願に係る発明では、軟弱地層を掘削するシールド掘進機、硬岩層を掘削するトンネル掘削機、及び複合地層を掘削するトンネル掘進機等を全て含む。）が用いられている。このようなトンネル掘進機で硬岩層を掘削する場合、前面のカッターヘッドに設けられたローラーカッターを岩に押し付けて回転させることによって岩を割りながら掘削している。
【０００３】
図８はこのようなローラーカッターの一例を示す断面図である。図示するように、前記したようなローラーカッター５１は、カッターヘッド（図示略）に固定するシャフト５２と一体的に固定された固定部５３と、この固定部５３の外周で回転する回転部５４とを有している。回転部５４はシャフト５２に設けられた軸受５５で回転可能に支持されており、この回転部５４の外周にカッターリング５６が設けられている。この回転部５４と固定部５３との間にはシールが設けられており、この例では、外側にラビリンスシール５７が設けられ、その内側にメカニカルシール５８が設けられている。
【０００４】
このメカニカルシール５８は、対向する金属リング５９，６０とその外周に設けられたゴムリング６１とから構成されており、メカニカルシール５８を固定部５３と回転部５４の間に設ければ、ゴムリング６１が固定部５３と回転部５４の傾斜面に沿ってその弾性で対向する金属リング５９，６０を所定の面圧で接触させるので、固定部５３側で固定している金属リング６０と回転部５４側で回転する金属リング５９の接触面で内部と外部との間がシールされる。
【０００５】
このメカニカルシール５８でシールされたシール内部６２である潤滑油区画には、軸受５５を潤滑するための潤滑油が入れられており、前記ラビリンスシール５７とメカニカルシール５８によってこの潤滑油中に泥水や土砂が侵入しないようにシールされている。
【０００６】
ところで、近年、海底下や大深度地下のように、高水圧が作用する硬岩質の地層をトンネル掘進機で掘削する要求が高まっている。しかし、このような高水圧が作用する硬岩質地層を前記ローラーカッター５１で掘削しようとしても、前記メカニカルシール５８の耐圧能力が２〜３ｋｇ／ｃｍ^２と低いため、海底下や大深度地下のように、例えば、１０ｋｇ／ｃｍ^２以上の高圧力下では泥水や土砂が潤滑油中に浸入してしまう可能性があり使用できない。
【０００７】
そこで、例えば、この種の従来技術である特開平６−２２１０８５号公報記載のローラーカッターでは、シールの耐圧対策として、シールリングの外周側にリップ式耐圧シールを二重に設けて耐圧性能の向上を図っている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このようなリップ式シールは、単独での耐圧性能が数ｋｇ／ｃｍ^２と小さく、二重のシールで区切られた各区画の圧力差が、リップ式シールの耐圧性能以下でなければならない。そのため、前記したような高圧下で使用しようとしてもその差圧が大きいので、その使用に耐え得るものではない。また、このようなリップ式シールの場合、リップに加わる大きな外圧によって、このリップがシール部を押す押し圧力が大きくなり、大きな回転抵抗を生じてしまう。
【０００９】
このようなことから、前記従来技術でも、高圧下ではローラーカッターの円滑な回転が望めず、カッターに偏摩耗を生じる恐れがある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
そこで、前記課題を解決するために、本願発明は、トンネル掘進機のカッターヘッドに固定する固定部と、該固定部の外周部に軸受で支持した回転部とを有し、該回転部と前記固定部との間に前記軸受をシールするメカニカルシールを設け、該メカニカルシールを、対向するように回転部と固定部とに設けたリング部材と、該対向するリング部材を接触方向に押圧する弾性部材とで構成してリング部材間の接触面でシール内部とシール外部との間をシールするように構成し、該メカニカルシールでシールしたシール内部に軸受の潤滑油を入れ、前記固定部に、該シール内部の潤滑油圧力をシール外部の圧力とほぼ均圧化させる導圧孔を設け、該導圧孔に、シール外部の圧力を受けてシール内部の圧力を平衡にするダイヤフラムを設けてシール内部とシール外部の均圧状態を維持するように構成し、該ダイヤフラムにシール外部の圧力を作用させる入口側に外部から異物が入るのを防止する異物侵入防止部材を設けている。このように導圧孔でシール内部の圧力をシール外部の圧力とほぼ均圧化させて高圧にすることにより、シール部材の内部と外部との間の圧力差を小さくして、大きな耐圧力を要しなくても高圧下で泥水や土砂の侵入を効果的に防止できるローラーカッターを構成することができる。また、大きな回転抵抗を生じさせることもない。しかも、リング部材の接触面で効果的にシールできるメカニカルシールによってシール部材をコンパクトに形成し、ローラーカッター全体をコンパクトに構成することができる。
【００１１】
さらに、前記導圧孔に、シール外部の圧力を受けてシール内部の圧力を平衡にするダイヤフラムを設けてシール内部とシール外部の均圧状態を維持するように構成したことにより、このダイヤフラムによって、シール内部の圧力をシール外部の圧力とほぼ均圧状態に保つことができるので、長期間シール内部の圧力をシール外部の圧力と平衡に保つことができる。
【００１２】
また、直接的にシール内部の圧力をシール外部の圧力と均圧化することができるので、シール内部の圧力をシール外部の圧力に均圧化させるための構成を簡略化することができる。
【００１３】
さらに、ダイヤフラムによって複雑な構造を要することなく導圧孔へシール外部の圧力の導入し、安定した圧力平衡を保つようにできる。
【００１４】
その上、導圧孔の入口側に異物侵入防止部材を設けたので、導圧孔に石等の異物が侵入することを防止することができるので、導圧孔が閉塞することを防止することができる。
【００１５】
また、回転部と固定部との間に軸受をシールする複数のシール部材を設け、該シール部材でシールしたシール内部に軸受の潤滑油を入れ、前記固定部に、該シール内部の潤滑油の圧力をシール外部の圧力とほぼ均圧化する導圧孔をそれぞれ設けるように構成すれば、軸受を複数のシール部材で効果的にシールするとともに、これら複数のシール部材の内部と外部との間の圧力差を小さくして、耐圧力の小さいシール部材でも高圧下で泥水や土砂の侵入を効果的に防止することができる。
【００１６】
さらに、複数の導圧孔を連通させるようにすれば、どこかの導圧孔が閉塞してしまったとしても、他の導圧孔によってシール内部の圧力をシール外部の圧力と均圧化してシール部材に大きな圧力差が作用しないようにできる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本願発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本願発明の第１実施形態を示すローラーカッターの半断面図であり、図２は図１に示すＡ部拡大図、図３は同Ｂ部拡大図、図４は同ローラーカッターの装着状態を示す斜視図である。
【００１９】
図１に示すように、この第１実施形態のローラーカッター１は、カッターヘッド（図示略）に固定する軸部２と一体的に形成された固定部３と、この固定部３の外周で回転する回転部４とを有しており、この回転部４の外周にカッターリング６（この実施形態ではチップ埋込みタイプ）が一体的に形成されている。この回転部４がカッター部本体である。回転部４は固定部３に設けられた軸受５で回転可能に支持されており、この回転部４と固定部３との間には、地下水等が軸受５の部分に侵入しないようにシール部材７が設けられている。
【００２０】
図２に示すように、この第１実施形態ではシール部材７がメカニカルシールで構成されており、このメカニカルシール（以下、符号７を付す）は、対向する金属リング８，９とその外周に設けられた弾性部材たるゴムリング１０とから構成されている。このメカニカルシール７を固定部３と回転部４との間に設ければ、固定部３と回転部４に形成した内向きの傾斜面１１により、ゴムリング１０の弾性で対向する金属リング８，９が接触面１２に向けて互いに押圧される。これにより、接触面１２を所定の面圧で接触させて、固定部３側で固定している金属リング９と回転部４側で回転する金属リング８との間で安定したシール性を保つようにしている。しかも、このようなメカニカルシール７を用いることにより、接触面１２で効果的なシール作用を発揮するシール部材をコンパクトに形成している。
【００２１】
この実施形態では、メカニカルシール７におけるリング部材として金属リング８，９を用いているが、このリング部材はセラミックであっても金属とセラミックの複合材料等であってもよく、対向するリング部材（８，９）の接触面１２でシール内部とシール外部との間をシールすることができるものであればよい。また、この実施形態では、傾斜面１１に接するように設けた弾性部材たるゴムリング１０によって金属リング８，９に接触方向の押圧力を作用させているが、傾斜面１１を必要としないような他の弾性部材によって金属リング８，９に接触方向の押圧力を作用させるように構成してもよい。
【００２２】
このメカニカルシール７でシールされたシール内部１３の潤滑油区画には、軸受５を潤滑するための潤滑油が入れられており、前記したようにメカニカルシール７の金属リング８，９の接触面１２によってこの潤滑油中に泥水や土砂が侵入しないようにシールされている。なお、回転部４と固定部３との間には、土砂侵入防止用のＯリング２３が設けられている。
【００２３】
そして、図１に示すように、前記固定部３に、この潤滑油区画であるシール内部１３と、掘削地層側であるシール外部１４との間を連通させる導圧孔１５が設けられている。この導圧孔１５は、シール内部１３から半径方向に設けられた孔と、軸部２の中心から軸方向外側に向けて設けられた孔とで構成されている。しかも、この導圧孔１５の軸部２の端部側には、シール内部１３の圧力をシール外部１４の圧力と平衡にするための圧力平衡装置１６が設けられている。
【００２４】
図３に示すように、この圧力平衡装置１６は、この実施形態ではダイアフラム方式が採用されている。導圧孔１５の軸部端部には所定体積の潤滑油室１７が設けられ、この潤滑油室１７の外側にダイアフラム１８が設けられている。ダイアフラム１８は、中央部に貫通孔１９が設けられた取付部材２０によって固定部３に取り付けられている。取付部材２０は、ダイアフラム１８の周囲端部を固定部３に密着させた状態で止め輪２１によって固定部３に固定されている。この取付部材２０の周囲には止水用のＯリング２２が設けられている。
【００２５】
取付部材２０によって取付けられた状態のダイアフラム１８は、取付部材２０の貫通孔１９から入る水圧によって外面が押圧され、潤滑油室１７内の潤滑油圧力がシール外部１４の圧力とバランスするように潤滑油室１７の体積を変化させる。
【００２６】
この実施形態では、このような圧力平衡装置１６を導圧孔１５に設けてシール内部１３とシール外部１４の均圧状態を維持するようにしているので、他の加圧装置等を要することなく、導圧孔１５の部分で直接的にシール内部１３の圧力をシール外部１４の圧力とほぼ平衡にすることができる。
【００２７】
また、この第１実施形態では、導圧孔１５に外部圧力を作用させるダイアフラム１８に通じる貫通孔１９に、異物侵入防止部材２４が設けられている。この異物侵入防止部材２４は、例えば、金網や金属製織布等が用いられ、外部から石塊等の異物（貫通孔を閉塞させてしまうような物）が貫通孔１９に入るのを防止している。
【００２８】
図４に示すように、前記ローラーカッター１をカッターホルダー２５に装着した状態では、ローラーカッター１の軸部２に設けられた導圧孔１５に外部圧力を作用させる取付部材２０の貫通孔１９にシール外部１４の圧力が作用するので、カッターホルダー２５に装着した状態では、シール外部１４の圧力が常に導圧孔１５に作用している。
【００２９】
以上のように構成された高耐圧ローラーカッター１によれば、潤滑油区画であるシール内部１３と、シール部材７の外部であるシール外部１４との間に設けた導圧孔１５により、シール外部１４であるカッター外部の圧力が貫通孔１９から圧力平衡装置１６のダイアフラム１８に作用し、このダイアフラム１８がその圧力によって内側に変形することにより潤滑油室１７内の油圧をシール外部１４の圧力とほぼ均圧化するまで上昇させるので、導圧孔１５によってこの潤滑油室１７と同じ圧力となるシール内部１３の軸受潤滑油区画内の圧力をシール外部１４とほぼ均圧化させることができる。
【００３０】
このようにしてシール内部１３の圧力を上昇させてシール外部１４の圧力とほぼ均圧化することにより、シール部材７に加わる内外の圧力がほぼ同程度となるまで圧力差を小さくできるので、カッター外部の圧力が高圧であっても、技術的に困難な耐圧シールを用いることなく一般的なシール部材で泥水や土砂の侵入を効果的に防止することが可能となる。つまり、シール部材７に作用する外圧のみを受けるのではなく、内圧を外圧のように高圧にすることによってシール部材７の内外に作用する圧力差を小さくし、これによって高圧下でも泥水や土砂の侵入を効果的に防止できるようにしている。
【００３１】
なお、図１に示す構成で本出願人が行った耐圧実験では、耐圧力が２〜３ｋｇ／ｃｍ^２のメカニカルシールであっても、シール外部１４の泥水圧力が１０ｋｇ／ｃｍ^２の条件で、５００時間以上の連続運転が可能であり、効果的なシール効果を発揮できることを確認している。
【００３２】
図５は本願発明の第２実施形態を示すローラーカッターの半断面図である。なお、上述した第１実施形態と同一の構成には同一符号を付して、その説明は省略する。
【００３３】
図示するように、この第２実施形態は、複数のシール部材７の内側に形成されたシール内部１３の潤滑油区画にそれぞれ設けられた導圧孔１５を、軸部２の中心で連通させたものである。このように導圧孔１５を連通させることにより、一方の導圧孔１５が、閉塞したりダイアフラム１８に動作不良が生じてシール外部１４の圧力とほぼ均圧化するように圧力を上げることができなくなった場合でも、もう一方の導圧孔１５から両方の潤滑油区画となるシール内部１３にシール外部１４の圧力を作用させることができる。
【００３４】
このように構成された高耐圧ローラーカッター２６によっても、潤滑油区画であるシール内部１３と、シール部材７の外部であるシール外部１４との間に設けた導圧孔１５により、シール外部１４であるカッター外部の圧力が貫通孔１９から圧力平衡装置１６のダイアフラム１８に作用し、このダイアフラム１８がその圧力で変形することによって潤滑油室１７内の油圧をシール外部１４の圧力とほぼ均圧化するまで上昇させるので、導圧孔１５によってこの潤滑油室１７と同じ圧力となるシール内部１３の軸受潤滑油区画内の圧力をシール外部１４とほぼ均圧化させることができる。
【００３５】
このようにしてシール内部１３の圧力を上昇させてシール外部１４の圧力とほぼ均圧化することにより、シール部材７に加わる内外の圧力がほぼ同程度となるまで圧力差を小さくできるので、カッター外部の圧力が高圧であっても、技術的に困難な耐圧シールを用いることなく一般的なシール部材で泥水や土砂の侵入を効果的に防止することが可能となる。
【００３６】
しかも、この第２実施形態の場合、左右の導圧孔１５が連通孔２７によって連通しているので、一方の導圧孔１５が閉塞した場合であっても、他方の導圧孔１５から作用するシール外部１４の圧力によって、両方の潤滑油区画であるシール内部１３内の潤滑油圧力をほぼ均圧化することができる。
【００３７】
したがって、この第２実施形態の高耐圧ローラーカッター２６によっても、シール部材７に作用する外圧のみを受けるのではなく、内圧を外圧のように高圧にすることによってシール部材７の内外に作用する圧力差を下げ、これによって高圧下でも泥水や土砂の侵入を効果的に防止することができる。
【００３８】
なお、上述した第１実施形態の図１に示す左右に設けた複数の軸受５の間を連通させることにより、この第２実施形態と同様に、一方のシール内部１３の圧力をシール外部１４の圧力とほぼ均圧化すれば、他方のシール内部１３の圧力も同様にシール外部１４の圧力とほぼ均圧化することができる。
【００３９】
図６は本願発明の第３実施形態を示すローラーカッターの図面であり、（ａ）は半断面図、（ｂ）はＣ部拡大図である。なお、上述した第１実施形態と同一の構成には同一符号を付して、その説明は省略する。
【００４０】
図示するように、この第３実施形態は、上述した第１実施形態のシール部材７とカッターリング６の構成が異なったものである。この第３実施形態におけるシール部材３２もメカニカルシールで構成されているが、このメカニカルシール（以下、この実施形態では符号３２を付す）は、固定部３には金属リング９とその外周にゴムリング１０が設けられ、回転部４には回転リング３３のみが設けられている。このメカニカルシール３２によれば、固定部３の傾斜面１１に沿って設けられたゴムリング１０の弾性により、金属リング９を回転リング３３に向けて押圧して所定の面圧で接触させるので、回転部４側で回転する回転リング３３と固定部３の金属リング９との間の接触面３４でシールがなされる。
【００４１】
なお、このメカニカルシール３２におけるリング部材（９，３３）も、金属又はセラミック、もしくは金属とセラミックの複合材料等を用いることができ、その対向するリング部材の接触面でシール内部とシール外部との間をシールできるものであればよい。また、金属リング９に回転リング３３方向の押圧力を作用させている弾性部材たるゴムリング１０も、他の弾性部材で押圧力を作用させるように構成してもよい。
【００４２】
しかも、この実施形態におけるメカニカルシール３２は、回転リング３３の幅寸法を小さくしてシール部材全体の幅寸法を小さくしているので、上述した第１実施形態よりも幅寸法をよりコンパクト化したローラーカッター３５を形成することができる。なお、他の構成は上述した第１実施形態と同一である。
【００４３】
このように構成された高耐圧ローラーカッター３５によっても、カッター外部であるシール外部１４の圧力が圧力平衡装置１６のダイアフラム１８に作用し、このダイアフラム１８がその圧力で変形することによって潤滑油室１７内の油圧がシール外部１４の圧力とほぼ均圧化するまで上昇し、この潤滑油室１７と同じ圧力となるように導圧孔１５を介してシール内部１３の軸受潤滑油区画内の圧力がシール外部１４とほぼ均圧化される。その上、この第３実施形態によれば、メカニカルシール３２の幅寸法をより小さくしているので、シール部材を上述した第１実施形態よりも更にコンパクトに形成することができる。
【００４４】
なお、この第３実施形態において、上述した第２実施形態と同様に導圧孔１５を連通させてもよく、導圧孔１５を連通させることにより上述した第２実施形態と同様の作用効果を奏するようにできる。
【００４５】
また、この第３実施形態におけるカッターリング３６は分割タイプを示しているが、このカッターリング３６は上述した第１，第２実施形態のように、回転部の外周にチップを埋込んだカッターリングであってもよく、カッターリングの形態は掘削条件等に応じて決定すればよい。
【００４６】
図７は圧力平衡装置の参考例を示す断面図である。なお、上述した図３と同一の構成には同一符号を付して、その説明は省略する。
【００４７】
図示するように、この圧力平衡装置２８はピストン方式であり、固定部３の軸方向中心に設けられた導圧孔１５の端部に、潤滑油室１７と、この潤滑油室１７内で軸方向に移動可能なピストン２９と、この潤滑油室１７の外側を塞ぐ蓋部材３０とが設けられている。蓋部材３０には、この蓋部材３０のピストン側とシール外部１４とを連通させる貫通孔３１が設けられている。
【００４８】
このように構成された圧力平衡装置２８によれば、貫通孔３１からピストン２９に作用するシール外部圧力により、ピストン２９が潤滑油室１７側に押圧され、この潤滑油室１７内の圧力がシール外部１４の圧力とほぼ均圧となるまでピストン２９を移動させる（２点鎖線で示す状態）。これにより、導圧孔１５によって潤滑油室１７と連通するシール内部１３の圧力を、シール外部１４の圧力とほぼ均圧化させることができる。
【００５０】
なお、上述した各実施形態における構成を組合わせてもよく、使用条件等に応じて適宜構成を組合わせればよい。
【００５１】
さらに、上述した各実施形態は一実施形態であり、本願発明の要旨を損なわない範囲での種々の変更は可能であり、本願発明は上述した実施形態に限定されるものではない。
【００５２】
【発明の効果】
本願発明は、以上説明したような形態で実施され、以下に記載するような効果を奏する。
【００５３】
導圧孔によってシール内部の圧力とシール外部の圧力との間の圧力差を小さくできるので、高圧下で泥水や土砂の侵入を効果的に防止できる高耐圧ローラーカッターを構成することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本願発明の第１実施形態を示すローラーカッターの半断面図である。
【図２】図１に示すＡ部拡大図である。
【図３】図１に示すＢ部拡大図である。
【図４】図１に示すローラーカッターの装着状態を示す斜視図である。
【図５】本願発明の第２実施形態を示すローラーカッターの半断面図である。
【図６】本願発明の第３実施形態を示すローラーカッターの図面であり、(a) は半断面図、(b) はC部拡大図である。
【図７】圧力平衡装置の参考例を示す断面図である。
【図８】従来のローラーカッターを示す半断面図である。

Claims

トンネル掘進機のカッターヘッドに固定する固定部と、該固定部の外周部に軸受で支持した回転部とを有し、該回転部と前記固定部との間に前記軸受をシールするメカニカルシールを設け、該メカニカルシールを、対向するように回転部と固定部とに設けたリング部材と、該対向するリング部材を接触方向に押圧する弾性部材とで構成してリング部材間の接触面でシール内部とシール外部との間をシールするように構成し、該メカニカルシールでシールしたシール内部に軸受の潤滑油を入れ、前記固定部に、該シール内部の潤滑油圧力をシール外部の圧力とほぼ均圧化させる導圧孔を設け、該導圧孔に、シール外部の圧力を受けてシール内部の圧力を平衡にするダイヤフラムを設けてシール内部とシール外部の均圧状態を維持するように構成し、該ダイヤフラムにシール外部の圧力を作用させる入口側に外部から異物が入るのを防止する異物侵入防止部材を設けた高耐圧ローラーカッター。
回転部と固定部との間に軸受をシールする複数のシール部材を設け、該シール部材でシールしたシール内部に軸受の潤滑油を入れ、前記固定部に、該シール内部の潤滑油の圧力をシール外部の圧力とほぼ均圧化する導圧孔をそれぞれ設けたことを特徴とする請求項１記載の高耐圧ローラーカッター。
複数の導圧孔を連通させたことを特徴とする請求項２記載の高耐圧ローラーカッター。