JP5891032B2 - カッターヘッド駆動装置 - Google Patents

Description

本発明は、トンネル掘削機のカッターヘッド駆動装置に関し、特にカッターヘッド駆動装置の複数の回転駆動装置の各ピニオンの支持構造に関する。

トンネル掘削機は、通常、カッターヘッドと、カッターヘッドの背面側のチャンバーと、チャンバーを仕切る隔壁と、掘削機本体と、胴部材（前部胴、後部胴）と、カッターヘッドを回転駆動するカッターヘッド駆動装置と、掘削物をチャンバー内から排出する排出装置と、複数のシールドジャッキと、複数の中折れジャッキと、トンネル内面をセグメンドなどの覆工部材で覆工するエレクタ等を備えている。

前記カッターヘッド駆動装置は、リングギヤと、このリングギヤを回転駆動する複数の回転駆動装置とで構成されている。各回転駆動装置は、リングギヤの内歯又は外歯に噛合したピニオンと、このピニオンを回転駆動する電動式又は油圧式の回転駆動機とを有する。一般に、回転駆動機の出力部から延びた出力軸部材の先端部にピニオンが固定され、回転駆動機のケース部材を掘削機本体に含まれるフレーム部材に固定することにより、ピニオンは回転駆動機の出力部に片持ち状に支持された状態で、リングギヤに噛合している。

例えば、特許文献１に記載のトンネル掘削機のカッターヘッド駆動装置においては、リングギヤの外歯に噛合するピニオンをカッター旋回モータで回転駆動するように構成し、カッター旋回モータのケース部材を掘削機本体に含まれるフレーム部材に固定し、ピニオンが片持ち状に支持されている。

特許文献２に記載のシールドマシン１００においては、図５に示すように、そのシールドフレーム１０２の前端側にカッタ１０４が装備され、カッタ１０４の背面側に隔壁１０３で仕切ったチャンバー１０８が設けられている。カッタ駆動装置１０５のリングギヤ１１０は、中間ビーム１２２を介してカッタ１０４に連結され、このリングギヤ１１０は旋回環１０６により回転自在に支持されている。この例でもカッタ駆動装置１０５の駆動モータ１０９の出力軸にピニオン１２９が片持ち状に支持され、リングギヤ１１０に噛合している。

一方、特許文献を見つけることはできなかったが、ピニオン２０３を両端支持するように構成したカッターヘッド駆動装置２００も実用化されている。図６に示すように、カッターヘッド駆動装置のリングギヤを回転駆動する複数のモータユニット２００の各々において、モータユニット２００は、駆動モータ２００ａと減速機２００ｂとピニオン２０３とを有している。そして、減速機２００ｂのケース部材２０１にピニオン２０３の外周側の約半分と先端側半分とを覆う延長ケース部材２０２を設け、ピニオン２０３の前端軸部を支持する前端軸受部材を延長ケース部材２０２の前端壁部２０２ａに支持させている。

このカッターヘッド駆動装置２００においても、ケース部材２０１については掘削機本体に含まれるフレーム部材に固定される。モータユニット２００のケース部材２０１を掘削機本体側のフレーム部材に固定する構造としては、ケース部材２０１にフランジ部２０１ａを形成し、このフランジ部２０１ａを介して掘削機本体側のフレーム部材にボルトで固定するのが一般的である。

特開２００７−３２７２４６号公報 特開２０１０−７７６５０号公報

カッターヘッド駆動装置において、ピニオンを片持ち支持する従来の構造では、リングギヤに駆動力を伝達する際に、軸受内部の隙間やピニオン軸の撓みを考慮し、歯当たりが全体に及ぶようにピニオンに対してクラウニングを考慮しなければならなかった。また、ピニオン軸の撓みを極力小さくするためにピニオンの軸の剛性を高める必要があり、ピニオンの軸の径を大きくする必要があった。そのため、回転駆動装置、ピニオンをコンパクトにできず、小径で強力な駆動力を有するカッターヘッド駆動装置を設計する上で問題となっていた。また、それらの製作費が高価になる上、ピニオン歯面や減速機の耐久性も低くなる等の問題もある。

一方、上述のとおり、前記モータユニットのケース部材の延長ケース部材を介してピニオンを両端支持する構造も実用化されている。この場合はピニオン軸の径を大きくする必要はないが、延長ケース部材やフランジ部の形成が別に必要になる。そのため、回転駆動機の出力部の構造は複雑となり、回転駆動装置をコンパクトに設計することはできない。

従って、本発明の目的は、小径で強力な駆動力を有するカッターヘッド駆動装置の設計を可能とすべく、回転駆動装置全体のコンパクト化を図り、回転駆動機出力部の構造のコンパクト化を図ることである。

請求項１のカッターヘッド駆動装置は、トンネル掘削機の前端部に装備されるカッターヘッドを回転駆動するカッターヘッド駆動装置において、前記カッターヘッドに回転力を伝達するリングギヤと、前記リングギヤに噛合した複数のピニオンと、これらピニオンを夫々回転駆動する複数の回転駆動機とを有する複数の回転駆動装置とを備え、前記各ピニオンを掘削機本体に含まれるフレーム部材で両端支持するように構成し、前記各回転駆動機からピニオンへ回転駆動力を伝達する出力軸部材の前端部分が、前記ピニオンに分離可能に連結され、前記各ピニオンの前端軸部を回転自在に支持する前端軸受部材と、後端軸部を回転自在に支持する後端軸受部材とを、前記フレーム部材で直接支持するように構成し、前記各ピニオンにおける後端軸受部材を保持する軸受保持部材であって、外径がピニオンの外径よりも大径の軸受保持部材を前記フレーム部材に設け、前記回転駆動機と出力軸部材とを取り外した状態において、前記軸受保持部材を後方へ取り外すことにより、前記ピニオンを後方へ取り外し可能に構成したことを特徴としている。

このカッターヘッド駆動装置においては、複数の回転駆動装置を回転駆動すると、複数のピニオンが回転駆動され、その回転駆動力がリングギヤに伝達されてカッターヘッドが回転駆動され、カッターヘッドにより切羽が掘削される。各ピニオンを掘削機本体に含まれるフレーム部材で両端支持するように構成したため、前記フレーム部材を有効活用してピニオンを両端支持することができる。そのため、回転駆動装置の回転駆動機からピニオンに駆動力を伝達する出力軸部材に曲げモーメントが作用しなくなり、ピニオンにクラウニングを形成する必要もなくなる。

請求項２のカッターヘッド駆動装置は、請求項１の発明において、前記出力軸部材が回転駆動機の出力部から分断された軸部材に構成され、この出力軸部材の後端部分が前記出力部に分離可能に連結されたことを特徴としている。

請求項３のカッターヘッド駆動装置は、請求項１の発明において、前記回転駆動機は、駆動モータと駆動モータの回転駆動力を減速する減速機とを備え、前記フレーム部材は、前記リングギヤ及び複数のピニオンの内周側と外周側に配設された内周側フレームと外周側フレームとを有し、前記減速機のケース部材に挿通させた複数の連結部材であって前記減速機の軸心と平行な複数の連結部材により、前記回転駆動機を前記内周側フレーム及び外周側フレームの後端部に固定したことを特徴としている。

請求項４のカッターヘッド駆動装置は、請求項３の発明において、前記リングギヤと複数のピニオンと内周側フレームと外周側フレームとを含む駆動力伝達ユニットが構成されていることを特徴としている。

請求項１の発明によれば、各ピニオンをフレーム部材で直接両端支持するため、ピニオンに回転駆動力を伝達する出力軸部材に曲げモーメントが作用しなくなる。よって、出力軸部材を小径化することができる上、ピニオンにクラウニングを形成する必要がなくなるから、ピニオンと回転駆動機からなる回転駆動装置を小型化することができ、その製作費を低減でき、耐久性を高めることができる。

しかも、ピニオンを掘削機本体に含まれるフレーム部材で両端支持する構造にしたため、回転駆動機のケース部材の構造が複雑化することがなく、前記フレーム部材を有効活用してピニオンを両端支持することができる上、回転駆動機のカバー部材の構造が複雑化せず、回転駆動機の出力部周辺のコンパクト化を図ることができる。

そして、各回転駆動機からピニオンへ回転駆動力を伝達する出力軸部材の前端部分が、ピニオンに分離可能に連結されたため、回転駆動機を取り外すことで、ピニオンだけを交換・修理したり、回転駆動機だけを交換・修理したりすることが可能になった。しかも、トンネル掘削機の組み立て時、回転駆動装置のうちのピニオンだけを、予め掘削機本体側に組み込んでおくことで、カッターヘッド駆動装置の組み立て作業の作業能率を高めることができる。
更に、軸受保持部材を後方へ取り外すことにより、前記ピニオンを後方へ取り外し可能に構成したため、ピニオンの交換やピニオンの周辺のメンテナンスが容易になる。

請求項２の発明によれば、前記出力軸部材が回転駆動機の出力部から分断された軸部材に構成され、この出力軸部材の後端部分が前記出力部に分離可能に連結されたため、出力軸部材だけを交換・修理することも可能になった。

請求項３の発明によれば、前記減速機のケース部材に挿通させた複数の連結部材であって前記減速機の軸心と平行な複数の連結部材により、前記回転駆動機を前記内周側フレームの後端部と外周側フレームの後端部とに固定するため、駆動ユニットの取付け用フランジが不要となり、外形の小型化（コンパクト化）を図ることができる。

請求項４の発明によれば、前記リングギヤと複数のピニオンと内周側フレームと外周側フレームとを含む駆動力伝達ユニットが構成されているため、掘削機本体とは別個に駆動力伝達ユニットを製作し、その駆動力伝達ユニットを掘削機本体に組み付けることも可能になるうえ、その駆動力伝達ユニットを使用済みのトンネル掘削機から取り外して別のトンネル掘削機に再利用することも可能になる。

本発明の実施例に係るトンネル掘削機の概略縦断面図である。 図１の矢印Ａから視たトンネル掘削機の背面図である。 カッターヘッド駆動装置の拡大断面図である。 カッターヘッド駆動装置の駆動力伝達ユニットの拡大断面図である。 特許文献２のシールドマシンのカッタ駆動装置等の側断面図である。 先行技術に係る駆動ユニットの側面図である。

以下、本発明を実施するための形態について実施例に基づいて説明する。

本実施例に係るトンネル掘削機１は、一般的なシールド掘削機と同様のものであり、本実施例では、主として本発明に直接関係する構成について説明する。
図１〜図４に示すように、このトンネル掘削機１は、カッターヘッド２、カッターヘッド２の背面側のチャンバー３、このチャンバー３を仕切る隔壁３ａ、この隔壁３ａを含む掘削機本体（図示略）、胴部材（前胴５のみ図示、後胴は図示略）、カッターヘッド２を回転駆動するためのカッターヘッド駆動装置４、複数のシールドジャッキ（図示略）、複数の中折れジャッキ（図示略）、掘削した土砂等を排出するスクリューコンベア式の排出装置６など有する。尚、スクリューコンベア式の排出装置６の代わりに泥水式の排出装置を設けてもよい。

前記カッターヘッド２は、複数のカッタースポーク２ａと、これらカッタースポーク２ａに装備された複数のローラーカッター（図示略）とを有する。但し、複数のローラーカッターに代えて複数のカッタービットを設けてもよい。複数のカッタースポーク２ａは、ヘッド駆動装置４のリングギヤ３０に固定されたリング部材３３に連結部材２２を介して連結され、カッターヘッド２はカッターヘッド駆動装置４により回転駆動される。

掘削機本体は、前胴５を含む胴部材、カッターヘッド駆動装置４、排出装置６、複数のシールドジャッキ、複数の中折れジャッキなどが取り付けられた構造体であり、後述する内周側フレーム８と外周側フレーム９とを備えている。内周側フレーム８は、リングギヤ３０と複数のピニオン３５等の内周側に配設されている。外周側フレーム９は、リングギヤ３０と複数のピニオン３５等の外周側に配設されている。

前記カッターヘッド駆動装置４は、大径のリングギヤ３０と、複数（本実施例では、６組）の回転駆動装置３１とを備えている。リングギヤ３０は、その軸心をトンネル掘削機１の軸心と一致するように隔壁３ａの後方に配設され、リングギヤ３０は内周部に内歯を有し、リングギヤ３０は外周側フレーム９の内面に固定されたベアリング受け部材３２に３組のローラベアリング３０ａ，３０ｂ，３０ｃを介して回転自在に支持されている。リングギヤ３０の前端にはカッターヘッド２に連結されてカッターヘッド２に回転駆動力を伝達するリング部材３３が複数のボルトにより固定されている。

前記各回転駆動装置３１は、リングギヤ３０の内歯に噛合したピニオン３５と、出力軸部材３６を含む回転駆動機３７とを有する。前記ピニオン３５は１対の自動調心軸受３８ａ，３８ｂにより内周側フレーム８に両端支持されている。即ち、ピニオン３５の前端軸部３５ａを支持する自動調心軸受３８ａ（前端軸受部材）は、軸受支持板８ａで支持されている。ピニオン３５の後端軸部３５ｂを支持する自動調心軸受３８ｂ（後端軸受部材）は、軸受支持板８ｂに貫通状に装着された軸受保持部材３９で支持されている。この軸受保持部材３９の外径はピニオン３５の外径よりも大径であり、その後端部のフランジ部３９ａが複数のボルト４０で軸受支持板８ｂに固定されている。

前記回転駆動機３７は、電動モータ４１（駆動モータ）と、この電動モータ４１からの回転駆動力を減速する減速機４２と、この減速機４２の出力部４２ａにスプライン結合機構を介して連結された出力軸部材３６とを有する。この出力軸部材３６は、電動モータ４１及び減速機４２からなる駆動部の回転駆動力をピニオン３５へ伝達するものである。
出力軸部材３６は、減速機４２の出力部４２ａから分断された単独の軸部材に構成され、この出力軸部材３６の前端部分と後端部分にスプライン軸部３６ａ，３６ｂが夫々形成され、前端側のスプライン軸部３６ａがピニオン３５の後部のスプライン穴３５ｃにスプライン結合にて連結され、後端側のスプライン軸部３６ｂが減速機４２の出力部４２ａに形成されたスプライン穴４２ｂにスプライン結合にて連結されている。
つまり、出力軸部材３６の前端部分が、スプライン穴３５ｃとスプライン軸部３６ａとからなるスプライン結合機構を介してピニオン３５に分離可能に連結され、出力軸部材３６の後端部分が、スプライン穴４２ｂとスプライン軸部３６ｂとからなるスプライン結合機構を介して出力部４２ａに分離可能に連結されている。

前記出力軸部材３６を含む回転駆動機３７を取り外した状態において、軸受保持部材３９を後方へ取り外すことにより、ピニオン３５が後方へ取り外し可能に構成されている。 回転駆動機３７の取り付け構造に関して、前記減速機４２のケース部材４２ｃに挿通させた複数（例えば、１２本）の通しボルト４３（連結部材に相当する）であって減速機４２の軸心と平行な複数の通しボルト４３により、回転駆動機３７を内周側フレーム８の後端部と外周側フレーム９の後端部に固定している。

図４に示すように、前記リング部材３３とリングギヤ３０と複数のピニオン３５と内周側フレーム８と外周側フレーム９とを含む駆動力伝達ユニット４５がユニット状に構成されている。この駆動力伝達ユニット４５には、リングギヤ３０と複数のピニオン３５と複数の回転軸部材３６を潤滑するオイルを収容するオイルバス４６が形成されている。

リング部材３３の内周側と外周側にはグリースにて潤滑される軸受けシールが設けられ、内周側の軸受けシールの前端を塞ぐ環状閉鎖板５３と外周側の軸受けシール５２の前端を塞ぐ環状閉鎖板５４とがリング部材３３に固定されている。

以上説明したトンネル掘削機１のカッターヘッド駆動装置４の作用、効果について説明する。トンネル掘削機１を工場において製作する際、駆動力伝達ユニット４５を独立に製作するのと並行して、トンネル掘削機１のその他の部分を製作し、駆動力伝達ユニット４５をユニットとして掘削機本体に組み付け、その駆動力伝達ユニット４５に複数の回転駆動機３７を組み付ける。このとき、まず複数の出力軸部材３６を組み付け、その後減速機４２及び電動モータ４１を組み付ける。

駆動力伝達ユニット４５を組み付けるとき、内周側フレーム８の環状フランジ１０を隔壁３ａに複数のボルト５５で締結すると共に外周側フレーム９の筒状体９ａの前端部を隔壁３ａの開口穴に嵌めて溶接することにより、容易に組み付けることができる。尚、駆動力伝達ユニット４５の外周側の筒状体９ａを予め隔壁３ａに溶接しておき、そこに筒状体９ａを除いた駆動力伝達ユニット４５を組み付けるようにしてもよい。

出力軸部材３６をピニオン３５に連結する際には、スプライン軸３６ａをピニオン３５のスプライン穴３５ａに挿入することにより、容易に組み付けることができる。一体的な減速機４２及び電動モータ４１（駆動部）を組み付ける際には、減速機４２のケース部材４２ｃに挿通させた複数の通しボルト４３を内周側フレーム８及び外周側フレーム９のボルト穴１６ａ，２１ａに螺合することにより容易に組み付けることができる。

しかも、減速機４２のケース部材４２ｃを固定するために取付け用フランジを形成せずに、ケース部材４２ｃに挿通させた複数の通しボルト４３により固定する構造であるから、減速機４２の外形を極力小さくして、所定のサイズのリングギヤ３０に対応付けて設置可能な回転駆動装置３１（ピニオン３５と回転駆動機３７）の設置数を増すことができ、カッターヘッド駆動装置４の駆動力を強化することができる。

ピニオン３５を内周側フレーム８で直接両端支持する構造にしたため、出力軸部材３６に曲げモーメントが作用しない。そのため、出力軸部材３６を小径化することができるうえ、ピニオン３５にクラウニングを形成する必要がない。それ故、ピニオン３５や出力軸部材３６の製作費を低減し、回転駆動装置３１をコンパクト化できると共にその耐久性を高めることができる。回転駆動機３７の出力軸部材３６の前端部分をピニオン３５にスプライン結合するため、駆動力伝達ユニット４５から回転駆動機３７を分離した状態で、複数のピニオン３５を組み込んだ駆動力伝達ユニット４５を組み付け、その駆動力伝達ユニット４５に複数の回転駆動機３７を組み付けることができるため、駆動力伝達ユニット４５と回転駆動機３７の組み付け作業が容易になる。

しかも、出力軸部材３６を回転駆動機３７の出力部４２ａ（減速機４２の出力部）から分断された単独の軸部材に構成し、出力軸部材３６の後端部分を減速機４２の出力部４２ａにスプライン結合機構を介して連結するため、駆動力伝達ユニット４５に対する減速機４２及び電動モータ４１の組み付け作業が簡単になる。

しかも、回転駆動装置３１の何れかの構成部品が故障した場合に、ピニオン３５、出力軸部材３６、減速機４２及び電動モータ４１を夫々単独に交換したり、修理したりすることが可能になる。しかも、使用済みのトンネル掘削機１から駆動力伝達ユニット４５を取り出して別のトンネル掘削機に再利用したり、複数の回転駆動装置３１のみを取り出して別のトンネル掘削機に再利用したりすることもできる。

ピニオン３５を掘削機本体側の内周側フレーム８で直接両端支持する構造にしたため、回転駆動機３７のケース部材の構造が複雑化することがなく、内周側フレーム８を有効活用してピニオン３５を支持できる。
しかも、内周側フレーム８と外周側フレーム９等でオイルバス４６を形成し、リングギヤ３０と複数のピニオン３５と複数の回転軸部材３６をオイルで潤滑し冷却することが可能になった。これにより、カッターヘッド駆動装置４の耐久性を高めることができる。また、軸受保持部材３９を後方へ取り外し可能に構成したため、ピニオン３５の交換やピニオン３５の周辺のメンテナンスが容易になる。

次に、前記実施例を部分的に変更する例について説明する。
１）カッターヘッド駆動装置４において、電動モータ４１及び減速機４２の代わりに、油圧モータを適用してもよい。
２）回転駆動装置３１の数は６組に限定されるものではなく、リングギヤ３０の径や必要な回転駆動力に応じて適宜設置数を増減してもよい。

３）リングギヤ３０に内歯を形成した例について説明したが、リングギヤ３０に外歯を形成し、その外歯に複数のピニオン３５を噛合させる構成にしてもよい。
４）前記実施例では、回転駆動機３７を組み付けない状態で駆動力伝達ユニット４５を掘削機本体に組み付ける場合を例にして説明したが、機外において駆動力伝達ユニット４５に複数の回転駆動機３７を予め組み付けた状態にしてから、それらを掘削機本体に組み付けることも可能である。
５）その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で前記実施例に種々の変更を加えて実施可能であることは勿論である。

本発明は、種々のトンネル掘削機のカッターヘッド駆動装置に利用することできる。

１ トンネル掘削機
２ カッターヘッド
３ チャンバー
３ａ 隔壁
４ カッターヘッド駆動装置
８ 内周側フレーム
９ 外周側フレーム
３０ リングギヤ
３０ａ 前端軸部
３０ｂ 後端軸部
３１ 回転駆動装置
３６ 出力軸部材
３７ 回転駆動機
３８ａ 自動調心軸受（前端軸受部材）
３８ｂ 自動調心軸受（後端軸受部材）
３９ 軸受保持部材
４１ 電動モータ（駆動モータ）
４２ 減速機
４２ａ 出力部
４２ｃ ケース部材
４３ 通しボルト
４５ 駆動力伝達ユニット

Claims (4)

1. トンネル掘削機の前端部に装備されるカッターヘッドを回転駆動するカッターヘッド駆動装置において、
   前記カッターヘッドに回転力を伝達するリングギヤと、
   前記リングギヤに噛合した複数のピニオンと、これらピニオンを夫々回転駆動する複数の回転駆動機とを有する複数の回転駆動装置とを備え、
   前記各ピニオンを掘削機本体に含まれるフレーム部材で両端支持するように構成し、
   前記各回転駆動機からピニオンへ回転駆動力を伝達する出力軸部材の前端部分が、前記ピニオンに分離可能に連結され、
   前記各ピニオンの前端軸部を回転自在に支持する前端軸受部材と、後端軸部を回転自在に支持する後端軸受部材とを、前記フレーム部材で直接支持するように構成し、
   前記各ピニオンにおける後端軸受部材を保持する軸受保持部材であって、外径がピニオンの外径よりも大径の軸受保持部材を前記フレーム部材に設け、
   前記回転駆動機と出力軸部材とを取り外した状態において、前記軸受保持部材を後方へ取り外すことにより、前記ピニオンを後方へ取り外し可能に構成したことを特徴とするカッターヘッド駆動装置。
2. 前記回転軸部材が回転駆動機の出力部から分断された軸部材に構成され、この回転軸部材の後端部分が前記出力部に分離可能に連結されたことを特徴とする請求項１に記載のカッターヘッド駆動装置。
3. 前記回転駆動機は、駆動モータと駆動モータの回転駆動力を減速する減速機とを備え、
   前記フレーム部材は、前記リングギヤ及び複数のピニオンの内周側と外周側に配設された内周側フレームと外周側フレームとを有し、
   前記減速機のケース部材に挿通させた複数の連結部材であって前記減速機の軸心と平行な複数の連結部材により、前記回転駆動機を前記内周側フレーム及び外周側フレームの後端部に固定したことを特徴とする請求項１に記載のカッターヘッド駆動装置。
4. 前記リングギヤと複数のピニオンと内周側フレームと外周側フレームとを含む駆動力伝達ユニットが構成されたことを特徴とする請求項３に記載のカッターヘッド駆動装置。