JP6273140B2 - ローラーカッター機構 - Google Patents

Description

本発明は、トンネル掘進機のカッターヘッドに装備したローラーカッターの刃先の摩耗状態とローラーカッターに切羽から作用する荷重を検知可能にしたローラーカッター機構に関する。

従来、トンネル掘進機においては、胴体の前端側にカッターヘッドが装備され、複数のシールドジャッキにより胴体及びカッターヘッドを前進駆動しながら、カッターヘッドを回転駆動して、前方の地山（切羽）を掘削してトンネルを掘削していく。固い地盤を掘削するトンネル掘進機では、複数のローラーカッターを前面部に装備したカッターヘッドが適用される。このローラーカッターは、地山に押圧した状態でカッターヘッドを回転させることによって切羽の岩石を圧砕し掘削していく。

ところで、トンネルの掘削途中に、ローラーカッターが摩耗して掘削能力が低下した場合、その摩耗したローラーカッターを新しいローラーカッターに交換する必要が生じる。特に、長いトンネルを連続的に掘削する場合には、ローラーカッターを交換する頻度が多くなる。

ローラーカッターを交換するためには、先ずは、ローラーカッターの刃先の摩耗量を把握する必要がある。従来では、作業者がチャンバー内に入ってローラーカッターの摩耗量を手作業で測定していたが、チャンバー内は圧力バランスのために泥水や泥土が充満しているので、刃先の摩耗量を測定するためには、これらを排出する必要がある。このため、チャンバー内での摩耗量測定には時間がかかり、また、チャンバー内に作業者が入ることになるが出水の発生等の危険を伴う作業となっていた。

そこで、特許文献１に示すような、ローラーカッターの刃先の摩耗量測定技術が実用に供されている。例えば、その摩耗量測定技術では、ローラーカッターの回転側面に検出部材（ストライカー）を設け、この検出部材の通過を検知可能な近接スイッチをカッターヘッドに設け、近接スイッチの検出信号からローラーカッターの回転速度変化を算出してローラーカッターの摩耗状態を検知する制御装置を掘削機本体に設けている。

また、特許文献２には、ローラーカッターの刃先の摩耗量を測定する技術と、ローラーカッターに切羽から作用する荷重を検知する技術とを組み込んだローラーカッターが開示されている。このローラーカッターには、ローラーカッターの回転を検出する回転センサと、ローラーカッターの摩耗を検出する摩耗センサと、荷重を検出する荷重センサとが設けられている。これら回転センサと摩耗センサと荷重センサとはローラーカッターの後面側（背面側）に配置されている。

ローラーカッターを支持するハウジングの後面部（背面部）にセンサ支持体が取り外し可能に装備され、このセンサ支持体に回転センサを付設し、ローラーカッターのハブの外周面部に磁石を付設し、回転センサにより磁石を検出することで、ローラーカッターの回転を検出する。また、センサ支持体にローラーカッターの刃先に対向する摩耗センサを付設し、この摩耗センサにより刃先の摩耗による磁場の変化から刃先の摩耗を検出する。
また、ハウジングにローラーカッターの１対の軸部を支持する１対の支持架台を固定的に設け、これら支持架台に夫々荷重センサ（応力歪み計）を設けている。

本願の出願人が採用していたローラーカッター機構においては、図１０に示すように、ローラーカッター７３を回転自在に支持するカッターホルダー９３は、ローラーカッター７３の１対の角軸部７３ｄを支持する１対のロータリーリング９７と、１対のカッター押え９９と、角軸部７３ｄを後方へ取り出し可能な開口部９８ａを有する１対のリング支持部９８等を備え、ローラーカッター７３の交換の際には、工具７４により角軸部７３ｄを１８０°回動させて、ロータリーリング９７及びそのスペーサ９７ａと共に角軸部７３ｄを開口部９８ａから後方へ取り外してローラーカッター７３を交換していた。

特許３５４４１９０号公報 特許第３９１９１７２号公報

特許文献１の技術では、カッターヘッドの回転駆動時におけるローラーカッターの回転速度変化から摩耗状態を算出しているが、前方の切羽の岩盤の状況によってローラーカッターの回転速度は変動するため常時一定になるとは限らず、また、刃先が全周に亙って均一に摩耗しているとは限らないので、ローラーカッターの回転速度変化からローラーカッターの摩耗状態を安定的に検知することは難しい。

特許文献２の回転センサや摩耗センサはローラーカッターの背面側に配置されているが、ローラーカッターの背面側へは切削した土砂や岩石片が流入するため、その土砂や岩石片により回転センサや摩耗センサが破損する虞があること、摩耗センサの前面側に付着する土砂により摩耗センサの検出精度が低下する虞があること、等の問題がある。

特許文献１，２の摩耗検出技術では、ローラーカッターが偏摩耗した場合には特に、摩耗検出時にローラーカッターの回転の動作にバラツキが発生するため、ローラーカッターの刃先の全周に亙る摩耗状態を、ローラーカッターの回転位相と関連付けて精密に検出することができない。

図１０に示すローラーカッター機構においては、１対のリング支持部９８にロータリーリング９７から繰り返し大荷重が作用するため、リング支持部９８の荷重受け面がへたって塑性変形しやすく、その場合には、カッターホルダーの全体を交換しなければならず、多大の労力とコストがかかっていた。
また、従来の技術では、カッターヘッドに装備したセンサ類からの検出信号を、有線方式にて掘進機本体側の制御ユニットへ送信していたため、ロータリジョントに設けるロータリコネクタ等の構造が複雑化していた。

本発明の目的は、ロードセルによりローラーカッターに作用する荷重を検出可能にし、摩耗センサが土砂で破損するのを防止し且つ土砂で検出精度が低下するのを防止し、ローラーカッターの全周に亙る摩耗を検出可能にしたローラーカッター機構を提供すること等である。

請求項１のローラーカッター機構は、トンネル掘進機のカッターヘッドに装備したローラーカッターとその周辺機器を含むローラーカッター機構において、前記ローラーカッターの半径方向における刃先の先端位置を検出してローラーカッターの摩耗状態を検知可能な摩耗検知手段と、前記ローラーカッターに作用するカッターヘッド回転軸心と平行方向の荷重を検知するロードセルとを備え、前記摩耗検知手段は、前記ローラーカッターに対して、前記カッターヘッドの回転によりローラーカッターが周回する周回方向の前進側又は追従側においてカッター支持部材に装備され、前記ロードセルは、前記ローラーカッターを支持するロータリーリングと、このロータリーリングを支持するリング支持部材を介してカッターホルダーに支持され、且つ前記カッターホルダーの切羽と反対側の後側壁部と前記リング支持部材の間に挟着されたことを特徴としている。

請求項２のローラーカッター機構は、請求項１の発明において、前記カッター支持部材は、前記ローラーカッターを支持するカッターホルダーを有し、前記カッターホルダーは、ローラーカッターを切羽と反対側の後方へ取り外し可能にローラーカッターの軸部材の両端部の角軸部を支持する軸支持機構を備え、前記軸支持機構は、前記１対の角軸部をその軸心直交方向に出し入れ可能な軸支持穴を夫々有する１対のロータリーリングと、これら１対のロータリーリングを回転可能に支持すると共に前記角軸部を後方へ取り外し可能な開口部を有する１対のリング支持部と、１対のロータリーリングの前面を押える１対のカータ押えとを備え、前記各リング支持部は、前記開口部の両側においてロータリーリングを支持すると共に前記カッターホルダーに着脱可能に固定される１対のリング支持部材を備えたことを特徴としている。

請求項３のローラーカッターは、請求項１又は２の発明において、前記摩耗検知手段が、前記ローラーカッターの刃先の先端位置を検出する変位センサを備えたことを特徴としている。

請求項４のローラーカッター機構は、請求項３の発明において、前記ローラーカッターが予め設定された回転方向原点位置に位置したことを検出可能で且つ前記変位センサと異なる原点センサと、前記ローラーカッターが前記原点位置から全周を複数等分した設定角度の整数倍回転した位置を検出可能で且つ前記変位センサ及び前記原点センサと異なる位相センサとを有し且つ前記原点位置を基準とする前記ローラーカッターの回転位相を検知可能な位相検知手段を更に備え、前記位相検知手段で検知した複数の回転位相において前記摩耗検知手段で刃先の先端位置を夫々検知することで、前記ローラーカッターの全周に亙る摩耗状態を検知可能に構成したことを特徴としている。

請求項５のローラーカッター機構は、請求項４の発明において、前記原点センサが、前記カッターホルダーに装備された第１近接スイッチと、この第１近接スイッチに対向可能にローラーカッターに装備された第１磁石片とを有し、前記位相センサが、前記カッターホルダーに装備された第２近接スイッチと、この第２近接スイッチに対向可能に前記ローラーカッターの前記複数等分した位置に装備された複数の第２磁石片とを有することを特徴としている。

請求項６のローラーカッター機構は、請求項５の発明において、前記カッターヘッド側に装備された前記変位センサ及び前記荷重検知手段と前記第１，第２近接スイッチと、前記トンネル掘進機本体側に装備された制御ユニットとの間で無線にて通信する無線通信手段を備えたことを特徴としている。

請求項１の発明によれば、ローラーカッターの摩耗状態を検知する摩耗検知手段を、ローラーカッターの周回方向の前進側又は追従側においてカッター支持部材に装備したため、摩耗検知手段の検知部（例えば、変位センサなど）が、土砂で破損しにくくし、耐久性を高めることができ、土砂により検出精度が低下するのを防止できる。また、ローラーカッターに作用する荷重を検知するロードセルをカッターホルダーの切羽と反対側の後側壁部とリング支持部材の間に挟着して設けたため、ローラーカッターに作用する荷重を安定的に検知することができ、ローラーカッターの定格荷重の範囲内で掘削するようにシールドジャッキによる推進力を制限することができる。

請求項２の発明によれば、ローラーカッターを支持するカッターホルダーは、ローラーカッターの両端部の１対の角軸部を支持する軸支持機構を有し、この軸支持機構は、１対のロータリーリングと、夫々開口部を有する１対のリング支持部と、１対のカッター押えとを備え、前記リング支持部は、開口部の両側においてロータリーリングを支持すると共に前記カッターホルダーに着脱可能に固定される１対のリング支持部材を備えている。
それ故、１対のリング支持部材がへたって塑性変形した場合には、１対のリング支持部材を取り外して新しい１対のリング支持部材と交換することができるから、カッターホルダーの全体を交換する必要がなくなり、労力とコストを大幅に低減することができる。

請求項３の発明によれば、前記摩耗検知手段が、前記ローラーカッターの刃先の先端位置を検出する変位センサを備えたため、ローラーカッターの刃先の先端位置を検出可能である。

請求項４の発明によれば、前記ローラーカッターの原点位置を検出可能な原点センサと、前記原点位置から全周を複数等分した設定角度の整数倍回転した位置を検出可能な位相センサとを有し且つ前記原点位置を基準とする前記ローラーカッターの回転位相を検知可能な位相検知手段を更に備え、前記位相検知手段で検知した複数の回転位相において前記摩な位相検知手段を備え、この位相検知手段で検知した複数の回転位相において前記摩耗検知手段により前記ローラーカッターの全周に亙る摩耗状態を検知可能に構成したので、ローラーカッターの全周に亙る摩耗状態を精度よく検知することでき、ローラーカッターの交換の要否を確実に判定することができる。

請求項５の発明によれば、前記原点センサが、前記カッターホルダーに装備された第１近接スイッチと、ローラーカッターに装備された第１磁石片とを有し、前記位相センサが、前記カッターホルダーに装備された第２近接スイッチと、前記ローラーカッターの前記複数等分した位置に装備された複数の第２磁石片とを有するため、簡単な構成の位相検知手段とすることができる。

請求項６の発明によれば、前記カッターヘッド側に装備された前記変位センサ及び前記荷重検知手段と前記第１，第２近接スイッチと、前記トンネル掘進機本体側に装備された制御ユニットとの間で無線にて通信する無線通信手段を備えたため、前記変位センサ及び第１，第２近接スイッチと、前記制御ユニットとの間で信号を授受する配線系統を簡単にすることができるから、製作費節減の面で有利である。

本発明の実施例１のトンネル掘進機の縦断面図である。 カッターヘッドの正面図である。 ローラーカッター取り付け構造の説明図である。 ローラーカッター取り外し状況を示す説明図である。 ローラーカッターに装着した荷重検知手段と摩耗検知手段と位相検知手段、ロータリコネクタ、制御ユニット等の構成図である。 ローラーカッターに装着した荷重検知手段と摩耗検知手段と位相検知手段の説明図である。 ローラーカッターの摩耗量測定制御の概略フローチャートである。 実施例２に係る図５相当図である。 変更例に係る図３相当図である。 従来技術に係る図３相当図である。

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。

本実施例は、カッターヘッド２に複数のローラーカッター３を装備したトンネル掘進機１に本発明を適用した場合の例である。尚、図１の矢印Ａが示す方向をトンネル掘進機１の前方とし、この前方に向って左右方向を左右方向として以下説明する。

図１、図２に示すように、トンネル掘進機１は、複数のローラーカッター３が装備されたカッターヘッド２と、チャンバー４の後端を仕切る隔壁５と、前胴６ａ及び後胴６ｂと、カッターヘッド２を回転自在に支持する機構および複数のカッター駆動モータ７と、ロータリジョイント８、複数のシールドジャッキ９及び複数の中折れジャッキ１０と、送水管１１及び排泥管１２と、複数のグリッパー１３と、回転自在に支持された回転リング部材１４及びこの回転リング部材１４を回転駆動する回転駆動手段１５と、回転リング部材１４ に装備され且つセグメント１６をトンネル内面に覆工するエレクタ装置１７と、後部プラットフォーム１８などを備えている。

このトンネル掘進機１では、カッターヘッド２と胴部材（前胴６ａと後胴６ｂ）を複数のシールドジャッキ９により覆工済のセグメント１６に反力をとって前進駆動しながら、複数のカッター駆動モータ７によりカッターヘッド２を回転駆動して、前方の地山（切羽）を掘削してトンネルを掘削し、掘削した岩石片を含む泥水を排泥管１２から排出し、トンネル内面にエレクタ装置１７によりセグメント１６を覆工していく。

図２に示すように、カッターヘッド２は、例えば、センターフレーム２０と、このセンターフレーム２０から半径方向へ延びる複数のカッターフレーム２１と、これらカッターフレーム２１の外周端に連結された外周リング２２と、チャンバー４内に配設され且つ正面視一字状で且つ閉断面構造の接続アーム２ａとを有する。各カッターフレーム２１には、複数のローラーカッター３が半径方向に適当間隔おきに装備されている。各ローラーカッター３はその軸心方向をカッターフレーム２１と平行方向（カッターヘッド２の半径方向）に向けて配置されている。各ローラーカッター３は、カッターフレーム２１に固定されたカッターホルダー２３に夫々着脱可能に装着されている。

図３、図４に基づいて、ローラーカッター３の取付け構造について簡単に説明する。
尚、図３、図４において矢印Ａ方向がトンネル掘進機１における前方である。
ローラーカッター３は、軸部材３ａと、この軸部材３ａに回転自在に装着されたローラーカッター本体３ｂとを有し、軸部材３ａの両端部には六角部３ｃと、断面ほぼ正方形の角軸部３ｄとが形成されている。カッター支持部材であるカッターホルダー２３は、カッターフレーム２１の１対のカッター取付板２１ａの間に装着されて固定されている。

カッターホルダー２３は、カッター取付板２１ａと直交状の１対の支持部材２４と、これら支持部材２４の両端を連結する１対の連結板２５であって１対のカッター取付板２１ａの内面に固定された１対の連結板２５とを有する。このカッターホルダー２３は、ローラーカッター３の交換の際に、ローラーカッター３をカッターヘッド２の後方へ取り出し可能にローラーカッター３の両端部の六角部３ｃと角軸部３ｄを支持する軸支持機構２６を有する。

前記軸支持機構２６は、カッターホルダー２３の１対の支持部材２４を主体にして構成されている。前記軸支持機構２６は、1対の角軸部３ｄをその軸心直交方向に出し入れ可能な軸支持穴２７ａを夫々有する1対のロータリーリング２７及びスペーサ２７ｂと、これら1対のロータリーリング２７及びスペーサ２７ｂを回転可能に支持すると共に角軸部３ｄを後方へ取り外し可能な開口部２８ａを有する1対のリング支持部２８と、1対のロータリーリング２７及びスペーサ２７ｂの前面を回転自在に押える1対のカッター押え２９とを備えている。

各リング支持部２８は、開口部２８ａの両側においてロータリーリング２７を支持すると共にカッターホルダー２３の支持部材２４に着脱自在に固定される１対のリング支持部材２８ｂを備えている。リング支持部材２８ｂの内側面にはロータリーリング２７の下側部に当接して支持する部分円筒面２８ｃが形成され、リング支持部材２８ｂは１対の水平なボルト２８ｄにより支持部材２４に固定される。

前記カッター押え２９が水平な１対のボルト２９ａで支持部材２４に固定されている。更に、軸部材３ａの1対の六角部３ｄに夫々係合させて軸部材３ａの回転を規制する１対のカッター回り止め３０が後方から装着されて、夫々１対のボルト３０ａでリング支持部２８に固定されている。尚、トンネル掘進時には、ロータリーリング２７が図３に示す姿勢に保持されている。

ローラーカッター３の交換の際には、図４に示すように、カッターヘッド２の後側から、カッター回り止め３０を後方へ取り外してから、工具３１で軸部材３ａの六角部３ｃを回動させることで、軸部材３ａとロータリーリング２７及びスペーサ２７ｂを１８０°回動させると、１対の角軸部３ｄが開口部２８ａに臨む状態になるので、その状態でローラーカッター３をカッターヘッド２の後方へ取り外すことができる。新規のローラーカッター３は、上記の逆の手順にて装着することができる。

次に、ローラーカッター３に切羽から作用するカッターヘッド２の軸心と平行方向の荷重を検知する荷重検知手段３４について説明する。
図３に示すように、各ロータリーリング２７において、その軸支持穴２７ａの底部には、荷重検知手段３４としてのロードセル３４ａが組み込まれ、後述するように、これら１対のロードセル３４ａの検出信号が制御ユニット６０に配線を介して供給される。

次に、ローラーカッター３の刃先の摩耗状態を検知する摩耗検知装置について説明する。
尚、カッターヘッド２には多数のローラーカッター３が装備されているが、例えば、センターフレーム２０に近い位置の１つのローラーカッター３と、外周リング２２の近くの１つのローラーカッター３と、カッターフレーム２１の半径方向中間位置の１つのローラーカッター３に、摩耗検知装置が夫々装備される。但し、本実施例では、１組の摩耗検知装置について説明する。

図５、図６に示すように、この摩耗検知装置は、ローラーカッター３の刃先の摩耗状態を検知可能な摩耗検知手段４０と、ローラーカッター３の所定の原点位置を基準とするローラーカッター３の回転位相を検知可能な位相検知手段５０とを備えている。
摩耗検知手段４０は、ローラーカッター３の半径方向における刃先の先端位置を検出してローラーカッター３の摩耗状態を検知するもので、後述の変位センサ４１と、制御ユニット６０とで構成されている。尚、図５の符号２３ａは円形穴である。

位相検知手段５０は、ローラーカッター３が予め設定された回転方向原点位置に位置したことを検出可能な原点センサ５１と、ローラーカッター３が原点位置から全周を複数等分した設定角度（本実施例では３０°）の整数倍回転した位置を検出可能な位相センサ５２と、前記制御ユニット６０とで構成されている。

前記制御ユニット６０は、トンネル掘進機本体側に装備されるもので、後方台車（図示略）の制御室に設置されている。この制御ユニット６０は、入出力インターフェイスとコンピュータを内蔵した制御部６１と、その前面のディスプレイ６２と、操作盤６３とを有する。この摩耗検知装置は、位相検知手段５０で検知した複数の回転位相において摩耗検知手段４０で前記刃先の先端位置を夫々検知することで、ローラーカッター３の刃先の全周に亙る摩耗状態を検知可能に構成してある。

最初に、摩耗検知手段４０について説明する。
摩耗検知手段４０は、ローラーカッター３の刃先の先端に対向するように、カッターフレーム２１のカッター取付板２１ａ（カッター支持部材に相当する）に付設された変位センサ４１と、この変位センサ４１に電気的に接続された制御ユニット６０とで構成されている。

図５、図６に示す変位センサ４１は、例えばカッターフレームの前進側（カッターヘッド２の回転によりローラーカッター３が周回する周回方向の前進側、図５の矢印Ｌ方向）のカッター取付板２１ａに付設された接触型の変位センサ４１であり、この変位センサ４１は、例えば、差動トランス式変位センサまたはポテンショメータ式変位センサであり、ローラーカッター３の半径方向における刃先の先端位置を精密に検出可能である。尚、変位センサ４１を保護する保護ケース（図示略）もカッター取付板２１ａに付設される。また、変位センサ４１は、例えばローラーカッター３の周回方向の追従側においてカッター取付板２１ａに付設してもよい。

変位センサ４１のセンサ本体４１ａは、鍔付きスリーブ４１ｂを介してカッター取付板２１ａに装着され、その検出ロッド４１ｃがカッターホルダー２の連結板２５に形成したロッド挿通孔に進退自在であり、ローラーカッター３の摩耗状態を検出する際には、検出ロッド４１ｃの先端をローラーカッター３の刃先の先端に当接させ、検出ロッド４１ｃの移動量から刃先の先端位置を検出するようになっている。

但し、上記以外の接触型の変位センサでもよく、又は非接触型の変位センサ（例えば、レーザー方式の変位センサ、超音波式の変位センサ、その他）も採用可能である。この変位センサ４１に接続された配線４２は、接続アーム２ａ内に導入後ロータリジョント８の筒部材内に導入され、ロータリジョント８の後端部に連結されたロータリコネクタ８ａを介して制御ユニット６０に接続されている。

前記位相検知手段５０の原点センサ５１は、カッターホルダー２３に装備された第１近接スイッチ５１ａと、この第１近接スイッチ５１ａに対向可能にローラーカッター３に装備された１つの第１磁石片５１ｂとを有する。第１近接スイッチ５１ａは磁気検知形近接スイッチであり、第１磁石片５１ｂに対向した時の磁束変化から第１磁石片５１ｂを検出する。第１近接スイッチ５１ａは、ローラーカッター３の軸心と平行方向に向けて、カッターホルダー２３の１対の支持部材２４のうちの外周側の支持部材２４とそのカッター押え２９に貫通状に装着されている。第１磁石片５１ｂは、細い円柱状の磁石であり、Ｓ極からＮ極へ向う磁界の方向を第１近接スイッチ５１ａの方に向けた状態にして、ローラーカッター３のうちの軸心と直交状の回転側面に開口する装着穴に装着されている。

前記位相検知手段５０の位相センサ５２は、カッターホルダー３に装備された第２近接スイッチ５２ａと、この第２近接スイッチ５２ａに対向可能にローラーカッター３の全周を複数等分（例えば、１２等分）した位置に装備された複数（例えば、１２個）の第２磁石片５２ｂとを有する。第２近接スイッチ５２ａは第１近接スイッチ５１ａと同様の磁気検知形近接スイッチであり、ローラーカッター３の軸心と平行方向に向けて、カッターホルダー３の１対の支持部材２４のうちの内周側の支持部材２４とそのカッター押え２９に貫通状に装着されている。

前記複数の第２磁石片５２ｂは、第１磁石片５１ｂと同様のもので、ローラーカッター３のうちの軸心と直交状の回転側面の全周を複数等分した複数位置に開口する複数の装着穴に、Ｓ極からＮ極へ向う磁界の方向を第２近接スイッチ５２ａの方に向けた状態にして装着されている。第１近接スイッチ５１ａと複数の第２近接スイッチ５２ａに接続された配線は、十字フレーム２ａ内に導入されてからロータリジョンイント８の筒部材内に導入され、ロータリジョンイント８の後端部に連結されたロータリコネクタ８ａを介して制御ユニット６０に接続されている。１対のロードセル３４ａに接続された配線は、十字フレーム２ａ内に導入されてからロータリジョンイント８の筒部材内に導入され、ロータリジョンイント８の後端部に連結されたロータリコネクタ８ａを介して制御ユニット６０に接続されている。

次に、ローラーカッター３の刃先の摩耗量を測定する摩耗量測定制御について、図７のフローチャートに基づいて説明する。この摩耗量測定制御の制御プログラムは、制御ユニット６０に予め格納されている。尚、図中の符号Ｓｉ（ｉ=１，２，・・）は各ステップを示す。操作盤６３の操作を介して測定モードが設定されると、この制御が開始され、最初にカウンタＣを「０」にする等の初期設定が実行される（Ｓ１）。

次に、Ｓ２ではカッターヘッド２を低速回転させ、複数のシールドジャッキ９の推力を通常掘削時の推力より小さい適当な推力に設定して胴部材（前胴６ａと後胴６ｂ）及びカッターヘッド２を前進駆動する。次に、Ｓ３では原点センサ５１の検出信号（原点信号）を読み込み、第１近接スイッチ５１ａが第１磁石片５１ｂを検出したか否かを判定する。第１近接スイッチ５１ａが第１磁石片５１ｂを検出して原点信号が検出されると（Ｓ３：Ｙｅｓ）、Ｓ４において第２近接スイッチ５２ａにより位相信号が検出された否か判定し、その判定がＮｏのうちはＳ４を繰り返し、その判定がＹｅｓになると、Ｓ５においてカッターヘッド２の回転を停止し、位相カウンタＣを「１」だけインクリメントする（Ｓ６）。

次に、Ｓ７において、ローラーカッター３の刃先の先端位置の測定を行ってその測定データをメモリに格納する。この測定の際には変位センサ４１に駆動制御信号を送信して検出ロッド４１ｃを進出動作させ、検出ロッド４１ｃの先端がローラーカッター３の刃先に当接した時の刃先先端位置に関する測定データを送信させる。次に、Ｓ８において、予めメモリに格納している初期値（ローラーカッター３が新品の時の刃先の先端位置）と、今回の測定データとに基づいて刃先摩耗量を演算し、回転位相の情報と対応つけてメモリに格納する。

次に、Ｓ９では、位相カウンタＣのカウント値が１２より大きいか否か判定し、その判定がＮｏのときはＳ１０へ移行し、Ｓ１０においてカッターヘッド２の低速回転を再開させてからＳ４へ移行し、Ｓ４以降を実行するのを繰り返す。Ｓ４〜Ｓ８を１２回繰り返すことで、ローラーカッター３の全周に亙る摩耗量測定データが蓄積され、全周に亙る摩耗量を演算することができる。その後、位相カウンタＣのカウント値が１２より大きくなった場合にはＳ９の判定がＹｅｓとなるため、Ｓ１１においてはＳ８において演算してメモリに格納していた回転位相情報（カウンタＣのカウント値）と刃先摩耗量のデータに基づいて、ローラーカッター３の全周に亙る摩耗量を演算する。

Ｓ１２では、ローラーカッター３の全周に亙る摩耗量に基づいて、ローラーカッター３の交換が必要否か判定する。この場合、例えば、ローラーカッター３の軸心から刃先までの平均半径を演算し、その平均半径が所定のしきい値以下である場合には、ローラーカッター３の交換が必要と判定したり、或いは、刃先の摩耗量が所定値以上になっている箇所（回転位相）の数が所定数（例えば、４）以上になっている場合にローラーカッター３の交換が必要と判定したりする。Ｓ１２の判定がＹｅｓの場合には、Ｓ１３においてローラーカッター３の交換が必要である旨をディスプレイ６２や音声を介して報知し、この摩耗量測定制御を終了する。

ロードセル３４ａによる荷重検出は、トンネル掘進機１でトンネルを掘削する通常の掘削時に適当なタイミング（例えば、１時間おき）毎に行うものとする。この場合、ロードセル３４ａの検出信号を所定短時間の間読み込んでメモリに格納し、その検出信号に所定のデータ処理を施すことで、所定短時間の間の平均荷重を算出する。

次に、前記摩耗検知手段４０、位相検知手段５０、荷重検知手段３４、リング支持部材２８ｂ等を備えたローラーカッター機構の作用、効果について説明する。
カッターヘッド３を回転させながら、原点センサ５１の検出信号からローラーカッター３の原点位置を把握し、その後位相センサ５２の検出信号を検出する毎にカッターヘッド２の回転を停止させて、摩耗検知手段５０によりローラーカッター３の摩耗状態を検知し、摩耗状態の検知後に再度カッターヘッド２を回転させることを繰り返すことにより、ローラーカッター３の全周の回転位相（設定角度おきの複数の回転位相）における刃先の摩耗状態を検知することができる。

それ故、ローラーカッター３の刃先が偏摩耗している場合を含めて、ローラーカッター３の摩耗状態を的確に把握して、ローラーカッター３を適切な時期に交換することができ、トンネル掘進機１を効率的に稼動させることができる。

原点センサ５１が、カッターホルダー２３に装備された第１近接スイッチ５１ａと、この第１近接スイッチ５１ａに対向可能にローラーカッター３に装備された第１磁石片５１ｂとを有するので、第１近接スイッチ５１ａによってローラーカッター３の原点の位置を確実に検知することができる。

位相センサ５２が、カッターホルダー２３に装備された第２近接スイッチ５２ａと、この第２近接スイッチ５２ａに対向可能にローラーカッター３の全周を複数等分した位置に装備された複数の第２磁石片５２ｂとを有するので、簡単な構成の位相検知手段５０を実現でき、第２近接スイッチ５２ａによってローラーカッター３の全周を複数等分した位置(複数の回転位相)を確実に検知することができる。また、変位センサ４１ａを、ローラーカッター３の周回方向の前進側又は追従側に装備するため、土砂や岩石片で変位センサ４１ａが破損しにくく、耐久性を高めることができるうえ、土砂や岩石片で検出精度が低下するのを防止できる。

同様に、第１，第２近接スイッチ５１ａ，５２ａもローラーカッター３の後側ではなく、側方に配置したため、第１，第２近接スイッチ５１ａ，５２ａも土砂や岩石片で破損しにくく、耐久性に優れる。

ロードセル３４ａをロータリーリング２７の軸支持穴２７ａの底部に装着したため、ロードセル３４ａが故障した場合には、ロータリーリング２７と共に取り外して容易に交換することができる。ロードセル３４ａによりローラーカッター３に作用する荷重を検知できるため、そのローラーカッター３に作用する荷重が、ローラーカッター３の定格荷重（ローラーカッター３を支持するベアリングの許容最大荷重よりも小さい）の範囲内で掘削するように複数のシールドジャッキ９の出力を制限することができ、過大荷重によるローラーカッター３の破損を防止することができる。

また、リング支持部材２８ｂの部分円筒面２８ｃがへたって塑性変形した場合には、ローラーカッター３と、カッター押え２９と、ロータリーリング２７を取り外してからリング支持部材２８ｂを簡単に交換することができる。

次に、前記実施例１を部分的に変更した実施例２について説明する。
尚、前記実施例１の構成要素と同様の構成要素に同様の符号を付して説明を省略する。
図８に示すように、このローラーカッター３の摩耗検知装置は、前記実施例と同様の荷重検出手段３４と摩耗検知手段４０と位相検知手段５０とを有し、カッターヘッド２側に装備されたロードセル３４ａ及び変位センサ４１及び第１，第２近接スイッチ５１ａ，５２ａと、トンネル掘進機本体側に装備された制御ユニット６０Ａとの間で無線にて通信する無線通信手段７０が設けられている。尚、制御ユニット６０Ａは前記実施例の制御ユニット６０と同様のものである。

この無線通信手段７０は、接続アーム２ａの中心部内に配置された通信用制御器７１と、ロータリジョント８の筒部材の後端部に付設された送受信機７２であって制御ユニット６０Ａに接続された送受信機７２とを備えている。

前記ロードセル３４ａや変位センサ４１や第１，第２近接スイッチ５１ａ，５２ａに接続された配線は、接続アーム２ａ内に導入されて前記通信用制御器７１に接続されている。この通信用制御器７１は、ロードセル３４ａや変位センサ４１や第１，第２近接スイッチ５１ａ，５２ａからの検出信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換器や変位センサ４１へ出力する駆動信号を生成する駆動回路等を含む入出力インターフェイスと、コンピュータと、無線通信回路などを備えている。無線通信回路から制御ユニット６０Ａへの送信信号はロータリジョント８の筒部材内の空間を伝播して送受信機７２に送信される。

以上のように、前記ロードセル３４ａや変位センサ４１や第１，第２近接スイッチ５１ａ，５２ａと、制御ユニット６０Ａの間で前記無線通信手段７０を介してデータの送受信が可能であるため、前記実施例１において採用したロータリコネクタ８ａを省略できるから、ロードセル３４ａや変位センサ４１や第１，第２近接スイッチ５１ａ，５２ａと制御ユニット６０Ａとの間で信号を授受する配線系統が非常に簡単になるから、製作費の節減を図ることができる。

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）前記ロードセル３４ａに代えて、図９に示すように、１対のリング支持部材２８ｂの下面側に装着した１対のロードセル３４ｂ（計４組のロードセル）を採用してもよい。
前記ロードセル３４ｂは、前記ローラーカッター３を支持するロータリーリング２７と、このロータリーリング２７を支持するリング支持部材２８ｂを介してカッターホルダー２３に支持され、且つ前記カッターホルダー２３の切羽と反対側の後側壁部と前記リング支持部材２８ｂの間に挟着されている。
２）ローラーカッター３の取り付け構造は図３、図４に示す構造に限定されるものではなく、種々のローラーカッター取り付け構造の場合にも本発明を適用可能である。

３）第１，第２磁石片５１ｂ，５２ｂは、図３に示す六角部３ｃの外周近傍の回転側面３ｅであって、カッター押え２９の内側面に接近対向する１対の回転側面３ｅ（図３参照）に装着してもよい。この場合、第１，第２近接スイッチ５１ａ，５２ａは前記回転側面３ｅに対向するように支持部材２４とそのカッター押え２９に装着してもよい。

４）前記変位センサ４１として、流体圧シリンダ又は電動アクチュエータにて検出ロッドを進退させ、検出ロッドの移動量を超音波センサ又は種々の変位検出手段等で検出する方式の変位センサを採用してもよい。
５）その他、当業者ならば本発明の趣旨を逸脱することなく、種々の変更を付加した形態で本発明を実施することができる。

本発明は、トンネル掘進機のカッターヘッドとそれに装備されたローラーカッターに適用することができる。

１ トンネル掘進機
２ カッターヘッド
３ ローラーカッター
２８ リング支持部
２８ａ 開口部
２８ｂ リング支持部材
３４ 荷重検知手段
３４ａ，３４ｂ ロードセル
４０ 摩耗検知手段
４１ 変位センサ
５０ 位相検知手段
５１ 原点センサ
５１ａ 第１近接スイッチ
５１ｂ 第１磁石片
５２ 位相センサ
５２ａ 第２近接スイッチ
５２ｂ 第２磁石片
６０，６０Ａ 制御ユニット
７０ 無線通信手段
７１ 通信用制御器
７２ 送受信機

Claims (6)

1. トンネル掘進機のカッターヘッドに装備したローラーカッターとその周辺機器を含むローラーカッター機構において、
   前記ローラーカッターの半径方向における刃先の先端位置を検出してローラーカッターの摩耗状態を検知可能な摩耗検知手段と、
   前記ローラーカッターに作用するカッターヘッド回転軸心と平行方向の荷重を検知するロードセルとを備え、
   前記摩耗検知手段は、前記ローラーカッターに対して、前記カッターヘッドの回転によりローラーカッターが周回する周回方向の前進側又は追従側においてカッター支持部材に装備され、
   前記ロードセルは、前記ローラーカッターを支持するロータリーリングと、このロータリーリングを支持するリング支持部材を介してカッターホルダーに支持され、且つ前記カッターホルダーの切羽と反対側の後側壁部と前記リング支持部材の間に挟着されたことを特徴とするローラーカッター機構。
2. 前記カッター支持部材は、前記ローラーカッターを支持するカッターホルダーを有し、
   前記カッターホルダーは、ローラーカッターを切羽と反対側の後方へ取り外し可能にローラーカッターの軸部材の両端部の角軸部を支持する軸支持機構を備え、
   前記軸支持機構は、前記１対の角軸部をその軸心直交方向に出し入れ可能な軸支持穴を夫々有する１対のロータリーリングと、これら１対のロータリーリングを回転可能に支持すると共に前記角軸部を後方へ取り外し可能な開口部を有する１対のリング支持部と、１対のロータリーリングの前面を押える１対のカッター押えとを備え、
   前記各リング支持部は、前記開口部の両側においてロータリーリングを支持すると共に前記カッターホルダーに着脱可能に固定される１対のリング支持部材を備えたことを特徴とする請求項１に記載のローラーカッター機構。
3. 前記摩耗検知手段が、前記ローラーカッターの刃先の先端位置を検出する変位センサを備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載のローラーカッター機構。
4. 前記ローラーカッターが予め設定された回転方向原点位置に位置したことを検出可能で且つ前記変位センサと異なる原点センサと、前記ローラーカッターが前記原点位置から全周を複数等分した設定角度の整数倍回転した位置を検出可能で且つ前記変位センサ及び前記原点センサと異なる位相センサとを有し且つ前記原点位置を基準とする前記ローラーカッターの回転位相を検知可能な位相検知手段を更に備え、
   前記位相検知手段で検知した複数の回転位相において前記摩耗検知手段で刃先の先端位置を夫々検知することで、前記ローラーカッターの全周に亙る摩耗状態を検知可能に構成したことを特徴とする請求項３に記載のローラーカッター機構。
5. 前記原点センサが、前記カッターホルダーに装備された第１近接スイッチと、この第１近接スイッチに対向可能にローラーカッターに装備された第１磁石片とを有し、
   前記位相センサが、前記カッターホルダーに装備された第２近接スイッチと、この第２近接スイッチに対向可能に前記ローラーカッターの前記複数等分した位置に装備された複数の第２磁石片とを有することを特徴とする請求項４に記載のローラーカッター機構。
6. 前記カッターヘッド側に装備された前記変位センサ及び前記荷重検知手段と前記第１，第２近接スイッチと、前記トンネル掘進機本体側に装備された制御ユニットとの間で無線にて通信する無線通信手段を備えたことを特徴とする請求項５に記載のローラーカッター機構。