JP5379359B2 - 掘削機用カッターヘッド - Google Patents

Description

本発明は、通常カッターと称される掘削機用カッターヘッドに関する。

カッター型掘削機は、通常、１００ｍまでの非常に深く、深さに比べて幅が非常に小さい溝（trench）を地盤に掘るために用いられる。溝の範囲は一般的には５００ｍｍから１５００ｍｍまでである。係る掘削機の一つの利点は、高精度に垂直であるという要求を満たす深い溝を作ることができることである。穴の溝（trench of the hole）は、隣接するパネルを連続して掘ることによって得られる。

一般的に、カッターは、溝が形成されるように掘削機の機械的案内として機能する非常に高さのある箱構造に構成されている。箱構造の底部には、カッターヘッドがある。これら機械は周知であり、それゆえ、カッターツール（cutter tools）が取り付けられた一対のドラムを通常それぞれ支持する２つのカッターモータによってカッターヘッドが通常構成されていると言ってよい。ドラムの各対は、共通軸の回りを回り、カッターモータの２つの軸は使用時に平行且つ水平である。カッタードラムは、液圧モータによって回転駆動させられる。

様々なタイプの取り付けが可能である。供給者バウアー（Bauer）によって採用された構成では、液圧モータが、カッターヘッド上の箱構造内に配置されている。カッターモータのベアリングを形成する板の厚さ範囲内を通過する小径で実質的に鉛直なシャフトを介して力が伝達される。鉛直なシャフトは、水平シャフトに動きを伝える一対のかさ歯車（bevel gear）と係合している。遊星歯車（epicyclic gear）システムが回転速度を低下させ且つトルクを増大させるので、カッタードラムの効率的な駆動を実現できる。

供給者カサグランド（Casagrande）によって実現された別の構成では、液圧モータがカッターヘッド上の掘削機の箱構造の底部に位置しており、力が伝達チェーン（transmission chain）によってカッタードラムに伝えられる。

ソレタンシュ（Soletanche）名義によるヨーロッパ特許ＥＰ０２６２ ０５０は、内部に単一の液圧モータが取り付けられ且つ減速ギア（reduction gearing）を介してまたは直線伝動（direct transmission）によって液圧モータが接続された、カッタードラムの駆動方法を開示している。液圧力がモータに加えられるやり方は開示されていない。

上述した最初の２つのタイプの掘削機は、カッターヘッド上に液圧モータを有しており、そのためにより複雑でより高価なやり方でモータを取り付けることになるという大きな欠点を有している。特に、カッターヘッドを迅速に交換することが不可能である。

さらに、最初の２つのタイプのカッターに用いられる駆動トランスミッションシステムの要素（歯車装置、減速、チェーン）によって損失が１５％程度と非常に大きくなって、上述したソレタンシュ名義のヨーロッパ特許に記載されたような形態が生じない。

仕事及び掘削される領域（terrain）の特性に応じて、カッタードラムの回転速度及びトルクに関するパラメータが可変であることが好ましいことを追記しておく。

本発明の目的は、入手可能な従来機よりもトルク及び／又は速度の点でより優れた能力を提供する、カッター型掘削機（excavator machine）用のカッターヘッドを提供することである。能力は、カッターツールが装着されたカッタードラムの直径（通常約１．４ｍｍ）、及び、本発明に特有の形状であるカッターヘッドの厚さ（好ましくは６００ｍｍから１５００ｍｍの間である）によって決定される。

課題を解決するための手段及び効果

上記目的を達成するために、本発明によると、掘削機用のカッターヘッドは少なくとも１つのカッターモータによって構成されており、各カッターモータは、
・留め板と、
・前記留め板に固定され、且つ、中央部と留め板の中間平面の両側に配置された２つの取り付けアセンブリとを有する、留め板とは別の取り付け構造と、
・それぞれが取り付けアセンブリの一つに取り付けられた、２つの液圧モータと、
・両方の液圧モータに共通であって、留め板に実質的に直交したシャフトと、
・留め板の厚み範囲内に形成されており、液圧モータによって用いられる液体を搬送する複数の導管と、
・取り付け構造の中央部内に形成されており、複数の導管及び２つの液圧モータに接続されることによって２つの液圧モータと各導管とを接続する複数のダクトとを備えている。

本発明の特徴から、共通のシャフトに取り付けられた２つのカッタードラムの組が２つの液圧モータによって同時に駆動されることが分かるであろう。これによって、カッタードラムを駆動するために利用可能な大きな力を作り出すことができる。流体の供給及び液圧モータからの流体の除去は、この流れが主に留め板の厚さ範囲内に形成された複数の導管によって、次に取り付け構造の中央部に形成されたダクトによって得られたものであるために最適化されることが理解される。つまり、カッターヘッドのどちら側においても液圧モータにアクセス可能であり、このモータは非常に容易に除去できる。

加えて、取り付け構造の中央部が留め板とは別となった部分であるため、留め板の厚みを薄くすることができる。留め板内には必要な導管だけが形成されており、それらは直線的である。一方で、液圧モータに達する接続用のダクトが、空間余裕のある位置である取り付け構造の中央部に形成されている。

さらに、留め板と液圧モータの取り付け構造とによって構成されたアセンブリは、曲げ変形力を受け止めるのに十分な剛性を有している。

好ましくは、カッターヘッドは、複数の導管のうちの１つによって搬送される液体の制御下にある液圧モータのシリンダー容積を変更するための制御システムを含んでいる。

さらに、好ましくは、液圧モータに液体を供給するためにカッターヘッドの取り付け構造の前記中央部内に形成されたダクトが、２つの液圧モータの回転子の複数の面に対して供給液体によって発生した軸推力が実質的にバランスするように作製されたものである。

この特徴により、２つの液圧モータの動作による軸推力が補償される。したがって、ベアリングのような機械的システムによって吸収されるべき軸推力は、掘削が行われる地盤においてあり得る不均一性によってカッタードラムに加えられるであろう軸推力だけに関係する。

また好ましくは、カッタードラムが、ドラムより正確にはその縁部とモーターアセンブリの外面との間に挿入されたベアリングを介して、２つの取り付けアセンブリに取り付けられている。上述した理由のために、ベアリングが曲げ力に対して耐えることができなくてよい。

本発明のその他の特徴及び利点は、制限されない例としての以下の実施の形態の記述から明らかになる。

図１Ａ及び図１Ｂは、カッター型掘削機の全体形状を示す略図である。この掘削機は、実質的に矩形である横断面のかなり長い箱構造によって構成されている。箱構造の上端１２ａには、カッター１２を支持するために滑車装置（tackle）が通過するプーリー１４が装着されている。箱構造１２の下端１２ｂには、カッターヘッドを構成する２つの同じカッターモータ１６、１８がある。各カッターモータ１６、１８は、２つのカッタードラム２２、２４が取り付けられた留め板（fastener plate）２０によって主に構成されている。２つのカッタードラム２２、２４は、留め板２０の中間平面に対して対称である。本発明は、カッターモータ１６、１８のカッタードラム２２、２４を回転駆動することに関する。

さらに、地盤の切削物を吸引するノズル１７と、吸引源としてのポンプ１９が描かれている。

図２を参照して、カッターモータを構成する一対のカッタードラム２２、２４をどのように回転駆動するかについての一般的構成について説明する。

カッターモータ１６は、留め板２０に固定され且つ軸ＸＸ’を中心とした好ましくは円形の開口２８と係合した取り付け構造を備えている。取り付け構造２６は、留め板２０の中間平面に対して好ましくは実質的に対称である中央部３０と、中央部３０の好ましくは両側に対称に延在する２つの取り付けアセンブリ（mounting assemblies）３２、３４とを有している。中央部は、留め板２０のオリフィス２８に係合している。図示された実施の形態では、取り付けアセンブリ３２、３４が、円柱型ブッシング（bushing）３６、３８によって構成されており、それによって、外側に開いた２つの実質的に円柱型の取り付け空間４０、４２が画定されている。取り付け空間４０、４２の内部には液圧モータ４４、４６が取り付けられていることが好ましいが、それは必要なことではない。各液圧モータは、固定子４４ａ、４６ａと回転子４４ｂ、４６ｂとを備えている。各回転子４４ｂ、４６ｂは、軸ＸＸ’と同軸である共通シャフト５０に取り付けられている。シャフト５０の中央部５０ａは、適切に設けられた穴を介して取り付け構造の中央部３０を通過している。シャフト５０の端部５０ｂ、５０ｃは、駆動部である縁部（rim）５２、５４に固定されている。カッタードラム２２、２４は、縁部５２、５４に取り付けられている。縁部５２、５４は、ベアリング５６、５８によって回転可能に案内及び支持されている。ベアリング５６、５８は、液圧モータの取り付けアセンブリを形成するブッシング３６、３８の外面３６ａ、３８ａに取り付けられている。ベアリング５６、５８の機能は、切断動作時において、カッタードラムによって加えられる力を吸収することである。

液圧モータ及びその周囲の動作に必要な液体は、以下のように流れることになる。７０のような導管（conduits）は、留め板２０の厚さの範囲内に開口を有している。取り付け構造の中央部３０には、ダクト７２が形成されている。中央部の厚みは、留め板２０の厚みよりも大きい。中央部の厚みは通常４００ｍｍ程度である。複数の導管の一端にはカッターの箱構造内に配置された供給又は排出パイプがそれぞれ接続されており、他端には図２の符号７２で模式的に示されたダクトに接続されている。これらのダクトは直線状なので、十分な機械的強度を有しつつも、留め板２０は小さな厚みとなっている。留め板２０の厚みは６０ｍｍまでに制限することができる。カッタードラムは留め板２０の下方の地盤を直接掘削することができないので、このことは非常に重要である。以下に本実施の形態について説明するように、５つの供給導管７０があって、それぞれが、液圧モータへの高圧供給、液圧モータからの低圧オイルの戻り、液圧モータからの内部漏れの廃液、ボーリング泥水（drilling mud）がカッターモータ内部に浸入しないように、カッターモータの複数の密封パッキン（sealing gasket）に平衡用圧力を伝えるオイルダクト、液圧モータのシリンダー容積を変更させる装置がカッターモータに取り付けられたときに当該装置を制御するための液圧を伝えるダクトに相当する。

実際には、各液圧モータは、複数の掘削条件に適合するために２種類の互いに異なるシリンダー容積を持っていてもよい。シリンダー容積は、取り付け構造の中央部３０に取り付けられた液圧システムによって制御されることで変化する。

圧力平衡システムそれ自体は周知である。それゆえ、それについて説明する必要はない。本発明においては、平衡システムを供給するダクトが留め板２０に設けられていることに言及することで十分である。

符号７２のような複数のダクトが、取り付け構造の中央部３０に形成されている。好ましくは、これらのダクトは、両方の液圧モータ４４、４６について同じように、液体の供給または回復について対称である。

液圧モータの回転部分への供給を行うダクト７２については、これらのダクトは、供給ダクトと回転子４４ｂ、４６ｂの液圧入口又は出口との間の回転接続を実現する「面（供給面）」と称される７４、７６のような分配システムで終端する。

２つの液圧モータ４４、４６に対称に対応する面７４、７６への供給を行う各ダクト７２については、液圧モータ４４、４６の供給面に液体又はオイルによって加えられる圧力は、互いに等しくそれゆえ軸方向にバランスしている。この構成の利点の一つは、供給液体によって存在することになったであろう軸ＸＸ’の方向に沿った軸推力（axial thrust）を吸収するベアリング又は支持部材（abutments）を設置する必要がないことである。しかしながら、液圧モータの供給面７４、７６での推力を非効果的に補償するものも、本発明の範囲を越えるものではない。

図３には、導管７０及びダクト７２の詳細が描かれている。特に、留め板２０の厚み範囲内に５つの供給導管７０ａ〜７０ｅが形成されていることが示されている。この図面から分かるように、導管７０ａ〜７０ｅの内壁は層７８によって被覆されており、それによって高度の耐液漏れ性（fluid-tightness）及び優れた機械的強度が得られる。この導管７０ａ〜７０ｅの層７８による裏打ち（lining）７６があるために、上述した導管７０の直線性と協働することで、圧力下においても液体の流れの密封及び完全性（integrity）とが保たれる。それによって、留め板２０が例えば約６０ｍｍと非常に小さい厚さｅを持つことが可能となる。留め板２０の厚みはカッタードラム２２、２４が作動しない範囲を画定するので、留め板２０の厚みは非常に小さいことが重要である。留め板２０があることで、カッタードラム２２、２４によって実際に掘削される範囲の間に段差が残される。この段差は、地層（geological stratum）が非常に硬いときには、非常に破壊しにくいことがある。

導管７０ａ〜７０ｅの下端は、取り付け構造の中央部に対称となるように延在したダクト７２ａ〜７２ｅに接続されている。これらダクトの端部は、液圧モータの回転部分と連通するように面内に開口している。液圧モータ４４、４６から高圧液を供給するため及び低圧液を液圧モータ４４、４６に排出するために用いられるダクト７２ａ〜７２ｅは、中央部の軸ＸＸ’から互いに同じ距離だけ離れた位置にある。

カッター型掘削機の全体正面図である。 カッター型掘削機の全体側面図である。 カッターモータの主要部を示す縦断面図である。 図２のＡ−Ａ線におけるカッターモータの断面図である。

Claims (15)

1. 少なくとも１つのカッターモータを含む掘削機用のカッターヘッドであって、
   各カッターモータが、
   留め板２０と、
   前記留め板に固定され、且つ、中央部３０と前記留め板の中間平面の両側に配置された２つの取り付けアセンブリ３２、３４とを有する、前記留め板とは別の取り付け構造２６と、
   それぞれが前記取り付けアセンブリの一つに取り付けられた、２つの液圧モータ４４、４６と、
   両方の液圧モータに共通であって、前記留め板に実質的に直交したシャフト５０と、
   留め板２０の厚み範囲内に形成されており、液圧モータによって用いられる液体を搬送する複数の導管７０と、
   前記取り付け構造の中央部３０内に形成されており、前記複数の導管７０及び前記２つの液圧モータに接続されることによって前記２つの液圧モータと各導管とを接続する複数のダクト７２とを備えているカッターヘッド。
2. 前記２つの液圧モータ４４、４６が実質的に互いに同じであり、前記２つの液圧モータ４４、４６が前記留め板２０の中間平面に対して実質的に対称であることを特徴とする請求項１に記載のカッターヘッド。
3. カッタードラムを取り付けるための２つの縁部５２、５４をさらに有しており、各縁部には、少なくとも回転時において、前記共通のシャフト５０の端部の一方がこれと共に移動するように接続されていると共に、前記カッタードラムが取り付けられた前記縁部を案内する前記取り付けアセンブリの外面に取り付けられた二組のベアリング５６、５８が接続されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のカッターヘッド。
4. 前記複数の導管７０のうちの１つによって搬送される液体によって制御されている、前記液圧モータのシリンダー容積を変更するための制御システムをさらに備えていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のカッターヘッド。
5. 前記液圧モータ４４、４６に液体を供給するために前記取り付け構造２６の前記中央部３０内に形成された前記ダクト７２が、前記２つの液圧モータの複数の面に対して供給液体によって発生した軸推力が実質的にバランスするように作製されたものであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のカッターヘッド。
6. 各液圧モータ４４、４６が、複数の密封パッキンと、前記複数の密封パッキンに対する圧力平衡システムとを備えており、さらに、前記留め板２０に形成された複数の前記導管７０のうちの１つが前記圧力平衡システムの供給導管であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のカッターヘッド。
7. 各取り付けアセンブリ３２、３４が、外面に前記ベアリング５６、５８が取り付けられた円柱型ブッシング３６、３８を含んでいることを特徴とする請求項３に記載のカッターヘッド。
8. 前記留め板２０が、前記取り付け構造２６の前記中央部３０が取り付けられた開口２８を含んでいることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載のカッターヘッド。
9. 各円柱型ブッシング３６、３８は、２つの前記液圧モータ４４、４６のうちの一つが取り付けられている取り付け空間を画定していることを特徴とする請求項７に記載のカッターヘッド。
10. 前記取り付け構造２６の前記中央部３０が取り付けられた前記開口２８が、円形であり、且つ、前記シャフト５０と同軸であることを特徴とする請求項８に記載のカッターヘッド。
11. 前記シャフト５０が、前記中央部３０を通過していることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載のカッターヘッド。
12. ２つの前記液圧モータ４４、４６のそれぞれが、２種類の互いに異なるシリンダー容積を有していることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載のカッターヘッド。
13. ２つの前記液圧モータ４４、４６のシリンダー容積を変更するための制御システムをさらに備えており、前記留め板２０の厚み範囲内に形成された前記複数の導管７０の一つが前記制御システムを制御するために用いられ、さらに、前記制御システムが前記取り付け構造２６の前記中央部３０に取り付けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のカッターヘッド。
14. 前記取り付け構造２６の前記中央部３０が、前記留め板２０よりも大きな厚みを有していることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか１項に記載のカッターヘッド。
15. 前記留め板２０の厚み範囲内に形成された前記複数の導管７０は５つの供給導管７０を備えており、それぞれが、前記液圧モータへの高圧供給用導管、前記液圧モータからの低圧オイルの戻り用導管、前記液圧モータからの内部漏れの廃液用導管、前記圧力平衡システムを制御する供給導管、及び、前記液圧モータのシリンダー容積を変更させる装置を制御するための導管であることを特徴とする請求項６に記載のカッターヘッド。

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