JP4635241B2 - 多重ビット - Google Patents

Description

本発明は、トンネル掘進機のカッタヘッドに取り付けられて切羽を切削するカッタビットに係り、特に、長距離施工に対応すべく長寿命化を図った多重ビットに関する。

トンネル掘削機は、一般に、掘進方向に沿った軸廻りに回転駆動されるカッタヘッドを備えており、そのカッタヘッドには、切羽を切削するためのカッタビットが取り付けられている。かかるカッタビットは、切羽を切削することで摩耗するため、長距離施工においてはビット交換等の対策が必要となる。長距離施工に対応すべく長寿命化を図ったカッタビットとして、図６、図７に示す二重ビットが知られている（特許文献１）。

図６に示す二重ビット１１は、カッタヘッド２０に取り付けられた内側ビット３０と、内側ビット３０に熱溶融性接着剤を介して接着され、内側ビット３０を保護しつつ切羽を切削する外側ビット４０と、熱溶融性接着剤を加熱するために内側ビット３０の内部に設けられたヒータ８０とを備えている。この二重ビット１１によれば、外側ビット４０が摩耗した後、ヒータ８０をオンすることで熱溶融性接着剤を溶かし、外側ビット４０を切羽からの切削反力によって内側ビット３０から外し、内側ビット３０を露出させることができる。

図７に示す二重ビット１２は、カッタヘッド２０に取り付けられた内側ビット３０と、内側ビット３０を覆うように形成された外側ビット４０と、外側ビット４０を内側ビット３０に強固に接着すると共に各ビット３０、４０よりも破断し易い金属材料からなる接着剤と、外側ビット４０を内側ビット３０から押し剥がすためにカッタヘッド２０の内部に設けられたシリンダ９０とを備えている。この二重ビット１２によれば、外側ビット４０が摩耗した後、シリンダ９０を伸長させることで接着剤の層を破断して外側ビット４０を内側ビット３０から押し剥し、内側ビット３０を露出させることができる。

特開２００３−３７８８号公報

図６、図７に示す二重ビット１１、１２によれば、外側ビット４０が摩耗した後に、ヒータ８０やシリンダ９０を作動させてその外側ビット４０を取り外すことで、それまで外側ビット４０によって防護されていて全く摩耗していない内側ビット３０によって切羽を切削でき、全体として寿命が伸び、長距離施工に対応できる。

しかし乍ら、摩耗した外側ビット４０を取り外すために、ヒータ８０やシリンダ９０等のアクチュエータを用いているため、ヒータ８０を作動させるための電線やシリンダ９０を作動させるための油圧ラインをカッタヘッド２０の内部に配設する必要が生じ、また、回転するカッタヘッド２０内に配設された電線や油圧ラインに、坑内から電流や油圧を供給するためのロータリージョイントが必要となる。よって、構造が複雑となってコストアップとなる。

以上の事情を考慮して創案された本発明の目的は、外側ビットが所定量摩耗したとき、アクチュエータを用いることなく外側ビットが外れ、内側ビットが露出する多重ビットを提供することにある。

上記目的を達成するために本発明に係る多重ビットは、トンネル掘進機のカッタヘッドに取り付けられた内側ビットと、該内側ビットを覆うように形成された外側ビットと、上記カッタヘッドに取り付けられ、上記外側ビットを上記内側ビットとの間に挟みつけて支持する固定金具とを備え、上記外側ビットの、上記固定金具に対する挟持面と上記内側ビットに対する挟持面とが、外広がりに形成されたものである。

上記外側ビットは、所定量摩耗したとき破損することで該外側ビットを複数のピースに分割する破損部と、これらピースにおける上記固定金具に対する挟持面と上記内側ビットに対する挟持面との間に形成された挟持部とを有し、上記内側ビットは、上記挟持部が当接される係合部を有し、上記固定金具は、上記挟持部を上記係合部に押し付けるように上記カッタヘッドに取り付けられ、上記挟持部の、上記固定金具に対する挟持面と上記係合部に対する挟持面とが、外広がりに形成されてもよい。

上記外側ビットは、所定量摩耗したとき破損することで該外側ビットを切削方向の前後に複数のピースに分割する破損部と、該破損部よりも切削方向前方の上記ピースに形成された挟持部と、上記破損部よりも切削方向後方の上記ピースに形成され上記カッタヘッドに固定された固着部とを有し、上記内側ビットは、上記挟持部が当接される係合部を有し、上記固定金具は、上記挟持部を上記係合部に押し付けるように上記カッタヘッドに取り付けられ、上記挟持部の、上記固定金具に対する挟持面と上記係合部に対する挟持面とが、外広がりに形成されてもよい。

本発明に係る多重ビットによれば、外側ビットが所定量摩耗したとき、アクチュエータを用いることなく外側ビットが外れ、内側ビットが露出する。アクチュエータが不要なので、それを作動するための電線、油圧ライン、ロータリージョイント等が不要となり、カッタヘッド周りの構造が簡単となってコストダウンを推進できる。

本発明の好適実施形態を添付図面に基づいて説明する。

図１に示すように、本実施形態に係る二重ビット１０は、トンネル掘進機のカッタヘッド２０に取り付けられた内側ビット３０と、内側ビット３０を覆うように形成された外側ビット４０と、カッタヘッド２０に取り付けられ、外側ビット４０を内側ビット３０との間に挟みつけて支持する固定金具５０（５４、５５）とを備えている。そして、外側ビット４０の、固定金具５４に対する挟持面４１ａと内側ビット３０に対する挟持面４２ａとを、外広がりに形成し、外側ビット４０の、固定金具５５に対する挟持面４１ｂと内側ビット３０に対する挟持面４２ｂとを、外広がりに形成したものである。

上記カッタヘッド２０は、トンネル掘削機の掘進方向に沿った軸廻りに回転駆動され、スポーク状のものや面板状のもの等、種々のタイプが用いられる。図１中の矢印Ａはカッタヘッド２０の回転方向（切削方向）を示す。なお、カッタヘッド２０は矢印Ａとは反対方向にも回転駆動される。

上記内側ビット３０は、カッタヘッド２０に溶接された台金としてのシャンク３１（ＳＳ材等からなる）と、シャンク３１にロー付けされた切削刃としての超硬チップ３２（タングステンカーバイト等の超硬合金からなる）とから構成される。図１中３３は、シャンク３１をカッタヘッド２０に溶接したときの溶接ビードである。また、内側ビット３０には、切削方向Ａの前部と後部とに位置させて、前側係合部３４と後側係合部３５とが夫々形成されている。これら前側係合部３４と後側係合部３５とには、上記外側ビット４０に後述のように形成された前側挟持部４４と後側挟持部４５とが夫々当接される。

上記外側ビット４０は、内側ビット３０を覆うように形成されたシャンク４６（ＳＳ材等）と、シャンク４６にロー付けされた超硬チップ４７（タングステンカーバイト等）とから構成される。また、外側ビット４０は、切羽Ｋと接触して摩耗し所定量摩耗したとき破損することで外側ビット４０を切削方向Ａの前側のピース４８（図２参照）と後側のピース４９とに分割する破損部４３と、前側のピース４８に形成された前側挟持部４４と、後側のピース４９に形成された後側挟持部４５とを有する。前側挟持部４４と後側挟持部４５とは、夫々内側ビット３０の側に爪状に延出されており、内側ビット３０に形成された前側係合部３４と後側係合部３５とに夫々当接される。

上記固定金具５０（ＳＳ材等）は、外側ビット４０の挟持部４４、４５を内側ビット３０の係合部３４、３５に押し付けて挟み込むようにしてカッタヘッド２０に溶接される角材であり、前側挟持部４４を前側係合部３４に押し付けるようにしてカッタヘッド２０に溶接された前側固定金具５４と、後側挟持部４５を後側係合部３５に押し付けるようにしてカッタヘッド２０に溶接された後側固定金具５５とからなる。図１中５３は、固定金具５４、５５をカッタヘッド２０に溶接したときの溶接ビードである。

こうして、外側ビット４０は、その前側・後側挟持部４４、４５が前側・後側固定金具５４、５５によって内側ビット３０の前側・後側係合部３４、３５に挟み込まれ、カッタヘッド２０に装着される。なお、外側ビット４０は、その前側・後側挟持部４４、４５が内側ビット３０の前側・後側係合部３４、３５に押し付けられるように僅かに弾性変形した状態で内側ビット３０に被嵌されて内側ビット３０と一体的なアッセンブリ品となっていてもよく、当初は内側ビット３０から外れており現場で内側ビット３０に図１の裏表方向からスライドさせて被嵌されるものでもよい。

外側ビット４０の前側挟持部４４の、前側固定金具５４に対する挟持面４１ａと前側係合部３４に対する挟持面４２ａとは、外広がりに形成されており、同様に、外側ビット４０の後側挟持部４５の、後側固定金具５５に対する挟持面４１ｂと後側係合部３５に対する挟持面４２ｂとは、外広がりに形成されている。すなわち、挟持面４１ａ、４２ａの挟角をθ１とし、挟持面４１ｂ、４２ｂの挟角をθ２とすると、０度＜θ１＜９０度、０度＜θ２＜９０度である。本実施形態ではθ１＝θ２＝１５度となっているが、この角度に限定されず、θ１とθ２とが異なっていてもよい。

また、本実施形態では、挟持面４１ｂの切削方向Ａ（図１の左右方向）に対する角度が４５度、挟持面４２ｂの切削方向Ａと直交する方向（図１の上下方向）に対する角度が３０度、挟持面４１ａの図１の上下方向に対する角度が４５度、挟持面４２ａの図１の左右方向に対する角度が３０度となっているが、これらの角度に限定されない。なお、各挟持面４１ａ、４２ａ、４１ｂ、４２ｂは、本実施形態では平面状となっているが、対となる面４１ａ、４２ａ（４１ｂ、４２ｂ）が外広がりであれば円筒面等の曲面状でも構わない。ここで、各挟持面４１ａ、４２ａ（４１ｂ、４２ｂ）が外広がりであるとは、内側ビット３０から離間する方向に各面４１ａ、４２ａ（４１ｂ、４２ｂ）の間隔が広がることをいう。

外側ビット４０が切羽Ｋを切削するとき応力的に最も苦しい部分は、外側ビット４０のシャンク４６に超硬チップ４７を取り付けるために形成された凹部の隅部４６ａと、内側ビット３０の超硬チップ３２の先端が対向する外側ビット４０のコーナー部４６ｂとの間の部分であるが、この部分の板厚は、外側ビット４０が切羽Ｋを切削するとき、許容応力以下となるようにシミュレーション等によって設定されている。

また、本実施形態では、外側ビット４０と内側ビット３０との間には隙間６０が設けられているが、これは各ビット３０、４０のシャンク３１、４６が鍛造品であり隙間６０なく密着させる精度を確保することが困難なことによる。よって、外側ビット４０は、その前側・後側挟持部４４、４５が前側・後側固定金具５４、５５と前側・後側係合部３４、３５との間に挟持されることによってのみ支持され、強度計算が容易となる。但し、上記隙間６０を部分的に又は全面的に略零として接触させてもよい。

本実施形態の作用を述べる。

図１に示すように、外側ビット４０は、カッタヘッド２０の回転及びトンネル掘削機の前進によって切羽Ｋを切削する。かかる外側ビット４０は、その前側挟持部４４が前側係合部３４と前側固定金具５４との間に挟持され、後側挟持部４５が後側係合部３５と後側固定金具５５との間に挟持されていて、切削反力を支持できる取付剛性を有する。また、挟持面４１ａ、４２ａが切削方向Ａの前方に対して外広がりとなっているので、挟持部４４が切削反力によって挟持面４１ａ、４２ａの間にクサビの如く嵌り込み、外側ビット４０の取付剛性が高まる。

外側ビット４０は、切羽Ｋを切削することで、超硬チップ４７及びその近傍のシャンク４６が次第に摩耗していく。摩耗が進行するに伴い、超硬チップ４７をシャンク４６に固定するロー付け部の面積が減少していくため、摩耗がある程度進行すると、超硬チップ４７に加わる切削反力をロー付け部が支持できなくなり、超硬チップ４７がシャンク４６から外れる。すると、図２に示すように、超硬チップ４７より遙かに軟らかいＳＳ材等からなるシャンク４６が速やかに摩耗し、破損部４３が破損し、外側ビット４０が切削方向Ａの前側のピース４８と後側のピース４９とに分割される。すなわち、これらのピース４８、４９は、これまで破損部４３によって一体化されていたところ、破損部４３が破損することで別部材となる。

分割された前側ピース４８は、挟持部４４の係合部３４に対する挟持面４２ａと固定金具５４に対する挟持面４１ａとが外広がりになっているため、カッタヘッド２０の回転に伴って生じる細かな振動や横力（図２の裏表方向の力）或いはカッタヘッド２０を逆回転させること等によって、挟持部４４が矢印Ｘの方向に外れ、カッタヘッド２０から脱落する。また、後側ピース４９は、挟持部４５の係合部３５に対する挟持面４２ｂと固定金具５５に対する挟持面４１ｂとが外広がりになっているため、カッタヘッド２０の回転に伴って切羽Ｋから受ける摩擦力や振動や横力等によって、挟持部４５が矢印Ｙの方向に外れ、カッタヘッド２０から脱落する。

すると、図３に示すように、これまで外側ビット４０に覆われていて全く摩耗していない内側ビット３０が露出し、この新品状態の内側ビット３０によって切羽Ｋを切削できる。このように、本実施形態によれば、摩耗限界となった外側ビット４０が自動的にカッタヘッド２０から脱落し、それまで外側ビット４０によって摩耗から防護されていた内側ビット３０によって切削を継続できるので、ビット全体としての寿命が伸び、長距離施工に対応できる。

また、本実施形態によれば、外側ビット４０が所定量（摩耗限界）まで摩耗したとき、破損部４３が摩耗によって破損することで、アクチュエータ（文献１のヒータやシリンダ等）を用いることなく自動的に外側ビット４０が外れ、内側ビット３０が露出する。アクチュエータが不要なので、それを作動するためにカッタヘッド２０に配設される電線や油圧ラインが不要となり、更にそれら電線や油圧ラインに電流や油圧を供給するためのロータリージョイントが不要となるため、カッタヘッド２０周りの構造が簡単となってコストダウンを推進できる。

なお、図２に示す破損部４３の摩耗破損時に、超硬チップ４７（図１）がシャンク４６（図１）から外れていなくても構わない。この場合、外側ビット４０の超硬チップ４７による切削に続けて直ちに内側ビット３０の超硬チップ３２による切削を開始できる。

また、図１において、外側ビット４０を覆うように形成された別の外側ビット
（図示せず）を更に備え、別の外側ビットの一端を前側固定金具５４との間に挟み込んで支持する別の前側固定金具（図示せず）をカッタヘッド２０に溶接し、別の外側ビットの他端を後側固定金具５５との間に挟み込んで支持する別の後側固定金具（図示せず）をカッタヘッド２０に溶接してもよい（三重ビット）。

この三重ビットにおける別の外側ビットは、図１の外側ビット４０と同様に、破損部（４３相当）と前側挟持部（４４相当）と後側挟持部（４５相当）を有する。また、前側挟持部の前側固定金具５４に対する挟持面と別の前側固定金具に対する挟持面とが外広がりとなっており、後側挟持部の後側固定金具５５に対する挟持面と別の後側固定金具に対する挟持面とが外広がりとなっている。

この三重ビットによれば、別の外側ビットの破損部が所定量摩耗すると、別の外側ビットが前後に分割されて外側ビット４０から脱落し、以降図１の状態となって切削を続行できる。なお、同様にして四重ビット以上も可能である。

本発明の別の実施形態を図４及び図５を用いて説明する。

図４に示すように、この実施形態は、外側ビット４０の後側ピース４９となる部分の形状及びその部分のカッタヘッド２０への装着構造が図１に示す前実施形態と異なっており、その他は同様の構成となっているので、前実施形態と同一の部品には同一の符号を付して説明を省略し、相違点を主に説明する。

図４に示すように、外側ビット４０は、切羽Ｋと接触して摩耗し所定量摩耗したとき破損することで外側ビット４０を切削方向Ａの前後に前側ピース４８と後側ピース４９とに分割する破損部４３と、前側ピース４８に形成された挟持部４４とを有する点では前実施形態と同様であるが、後側ピース４９にカッタヘッド２０に溶接された固着部７０を備えている点が前実施形態と異なる。図４中７１は溶接ビードである。

この実施形態においても、外側ビット４０が摩耗して破損部４３が破損すると、外側ビット４０が前側ピース４８と後側ピース４９とに分割される。分割された前側ピース４８は、図５に示すように、前実施形態と同様に、挟持部４４が外広がりに形成された挟持面４１ａ、４２ａの間から外れ、カッタヘッド２０から脱落する。後側ピース４９は、固着部７０がカッタヘッド２０に溶接されているため、脱落することなく保持されるところ、超硬チップ３２に比べて軟らかいＳＳ材等からなるため、切羽Ｋによって速やかに背面摩耗する。

この実施形態においても、摩耗限界となった外側ビット４０の一部（切削方向Ａの前側のピース４８）が自動的にカッタヘッド２０から脱落し、それまで外側ビット４０によって摩耗から防護されていた内側ビット３０の超硬チップ３２によって切削を継続できるので、ビット全体としての寿命が伸び、長距離施工に対応できる。その他、作用・効果は前実施形態と同様であり、外側ビット４０の一部４８を取り外すためのアクチュエータが不要となるため、カッタヘッド２０周りの構造が簡単となってコストダウンを推進できる。

本発明の一実施形態に係る多重ビット（二重ビット）の断面図である。 図１の外側ビットの破損部が摩耗によって破損したときの断面図である。 図２の外側ビット（前側ピース、後側ピース）が脱落し、内側ビットが露出した断面図である。 二重ビットの別の実施形態を示す断面図である。 図４の外側ビットの破損部が摩耗によって破損し、図４の外側ビットの一部（前側ピース）が脱落し、内側ビットの超硬チップが露出した断面図である。 二重ビットの従来例を示す断面図である。 二重ビットの別の従来例を示す断面図である。

符号の説明

１０ 二重ビット
２０ カッタヘッド
３０ 内側ビット
３４ 係合部
３５ 係合部
４０ 外側ビット
４１ａ 挟持面
４１ｂ 挟持面
４２ａ 挟持面
４２ｂ 挟持面
４３ 破損部
４４ 挟持部
４５ 挟持部
４８ ピース
４９ ピース
５０ 固定金具
５４ 前側固定金具
５５ 後側固定金具
７０ 固着部
Ａ 切削方向
Ｋ 切羽

Claims (3)

1. トンネル掘進機のカッタヘッドに取り付けられた内側ビットと、
   該内側ビットを覆うように形成された外側ビットと、
   上記カッタヘッドに取り付けられ、上記外側ビットを上記内側ビットとの間に挟みつけて支持する固定金具とを備え、
   上記外側ビットの、上記固定金具に対する挟持面と上記内側ビットに対する挟持面とが、外広がりに形成されたことを特徴とする多重ビット。
2. 上記外側ビットは、所定量摩耗したとき破損することで該外側ビットを複数のピースに分割する破損部と、これらピースにおける上記固定金具に対する挟持面と上記内側ビットに対する挟持面との間に形成された挟持部とを有し、
   上記内側ビットは、上記挟持部が当接される係合部を有し、
   上記固定金具は、上記挟持部を上記係合部に押し付けるように上記カッタヘッドに取り付けられ、
   上記挟持部の、上記固定金具に対する挟持面と上記係合部に対する挟持面とが、外広がりに形成された請求項１に記載の多重ビット。
3. 上記外側ビットは、所定量摩耗したとき破損することで該外側ビットを切削方向の前後に複数のピースに分割する破損部と、該破損部よりも切削方向前方の上記ピースに形成された挟持部と、上記破損部よりも切削方向後方の上記ピースに形成され上記カッタヘッドに固定された固着部とを有し、
   上記内側ビットは、上記挟持部が当接される係合部を有し、
   上記固定金具は、上記挟持部を上記係合部に押し付けるように上記カッタヘッドに取り付けられ、
   上記挟持部の、上記固定金具に対する挟持面と上記係合部に対する挟持面とが、外広がりに形成された請求項１に記載の多重ビット。
   

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