JP6963436B2 - 掘削機 - Google Patents

Description

本発明は、掘削機に関する。

土圧式シールド工法に用いられる掘削機にあっては、スキンプレートと称される筒状の外殻と、外殻内に設けた隔壁と、隔壁に球面軸受を介して装着されるブームと、ブームの先端に設けたカッタヘッドと、スクリューコンベヤとを備えるものがある。

このように構成された掘削機では、カッタヘッドを球面軸受の中心を回転中心にして駆動できるので、切削できない箇所を減らせて任意断面に対応できるようになっている（たとえば、特許文献１参照）。

特開２００１−１９３３８７号公報

従来の掘削機では、球面軸受にカッタヘッド駆動軸を設けて、この駆動軸に伸縮方向が互いに直行する二つの油圧シリンダを連結し、油圧シリンダを伸縮させてブームの姿勢を変更するようにしている。

従来の掘削機では、油圧シリンダを伸縮させてカッタヘッドの位置を変えながら切羽を掘削するのであるが、カッタヘッドの位置を把握しつつ油圧シリンダの伸縮を制御する必要がある。

このように従来の掘削機では、カッタヘッドの位置を正確に把握するために位置センサが必要となり、また、カッタヘッドの位置を監視しつつ油圧シリンダの伸縮を制御する必要があるため、制御が煩雑となるとともにコストが高くなる問題がある。

そこで、本発明の目的とするところは、複雑な制御が不要で、かつ、コスト削減できる掘削機の提供である。

前記した目的を達成するため、本発明の掘削機は、カッタヘッドを有して隔壁に設けた球面軸受に支持されて首振運動が可能であって周方向へ回転駆動されるブームと、球面軸受のブームの反対側に突出される突出部と、突出部の周囲を取り囲んでカッタヘッドの移動限界を規制するブームガイドと、突出部に連結されて球面軸受の中心を支点としてブームを二自由度で駆動する駆動部と、突出部に設けられカッタヘッドが移動限界に位置する際にブームガイドに接触可能なローラを有する複数のガイドローラとを備え、カッタヘッドはガイドローラのいずれかがブームガイドに接触した状態で常に掘削断面の中心点を掘削する。

このように構成された掘削機では、突出部の周囲に設けたブームガイドでカッタヘッドの移動限界を規制しつつ切羽を掘削すれば、切羽を所望する断面形状で掘削できる。したがって、本発明の掘削機では、カッタヘッドの位置を検知するためのセンサが不要であって、カッタヘッドの位置を制御するために複雑な制御を行わずに済む。

また、本発明の掘削機では、ブームガイドと突出部とが直接接触せず、カッタヘッドの移動を円滑に案内できる。

さらに、本発明の掘削機は、カッタヘッドが移動限界に位置する際にブームガイドに接触可能なローラを有する複数のガイドローラを備えているため、ガイドローラがカッタヘッドの移動を案内する際に、より円滑にカッタヘッドを移動させ得る。

本発明の掘削機によれば、複雑な制御が不要で、かつ、コスト削減できる。

一実施の形態における掘削機の側面図である。 一実施の形態における掘削機の正面図である。 一実施の形態における掘削機の平面図である。 一実施の形態における掘削機の背面図である。

以下、図に示した実施の形態に基づき、本発明を説明する。一実施の形態における掘削機１は、図１から図４に示すように、カッタヘッド５を有して隔壁２に設けた球面軸受３に支持されて首振運動が可能であって周方向へ回転駆動されるブーム４と、球面軸受３のブーム４の反対側に突出される突出部としてのハウジング１０と、ハウジング１０の周囲を取り囲んでブーム４の移動限界を規制するブームガイド１４と、球面軸受３の中心を支点としてブーム４を二自由度で駆動する駆動部としての油圧シリンダ１１，１２，１３とを備えて構成されている。また、本例の掘削機１にあっては、ブーム４には、カッタヘッド５の他、スクリュー６およびアジテータ７が同軸に装着されている。

以下、掘削機１の各部について詳細に説明する。掘削機１は、シールド工法に適するよう、外殻８を備えており、本例では、切削断面を矩形とするため外殻８は角筒状とされている。

外殻８内には、外殻８内を前後（図１中では左右）に仕切る隔壁２を備えており、隔壁２は、カッタヘッド５側の切羽との間にカッタヘッド５で切羽を掘削した際に発生する掘削土を泥土に変換する作泥土室Ｗを形成している。

隔壁２の下方には、掘削土を排出する排出口２ａが設けられており、この排出口２ａからスクリューコンベヤ９の先端が作泥土室Ｗへ突出している。スクリューコンベヤ９は、作泥土室Ｗ内の掘削土を隔壁２の後方へ搬送する。スクリューコンベヤ９により搬送された掘削土は、図示しないベルトコンベヤ等によってさらに掘削機１の後方へ送られ、適宜の手段によって坑外へ搬出される。

隔壁２と切羽との間の作泥土室Ｗとスクリューコンベヤ９内に掘削土を充満させた状態で、外殻８を図外のシールドジャッキで押し進めると、作泥土室Ｗ内の掘削土に泥土圧を付加でき、地下水圧と切羽側からの土圧に対抗して切羽の安定を図れる。

また、隔壁２には、球面軸受３が設けられている。球面軸受３は、隔壁２の中央に設けた外輪３ａと、外輪３ａ内に設けた内輪３ｂとを備えており、外輪３ａと内輪３ｂとが球面で接触しており、内輪３ｂ内にはブーム４が挿入されている。ブーム４は、図１中左端側となる先端側が作泥土室Ｗ内に延びており、内輪３ｂに保持されていて、球面軸受３によって支持されるために、球面軸受３の内輪３ｂの球面の曲率中心を中心として先端の首振り運動が可能となっている。

ブーム４は、内輪３ｂに対して軸周りに回転自在に装着されている。また、ブーム４の作泥土室Ｗ側には、先端から掘削部としてのカッタヘッド５と、スクリュー６と、アジテータ７とがそれぞれ設けられている。

他方、球面軸受３の内輪３ｂの後端側となる反作泥土室側には、突出部としての筒所のハウジング１０が突出しており、ハウジング１０内には、ブーム４を軸周りに回転駆動するモータＭが設けられている。モータＭは、電動機とされているが、液圧モータであってもよい。

カッタヘッド５は、基端がブーム４の先端に取り付けられる複数のスポーク５ａと、スポーク５ａの先端から延びる円弧状のブレード５ｂと、スポーク５ａに保持されるビット５ｃとを備えている。

スポーク５ａは、基端がブーム４の先端に取り付けられており、ブーム４から放射状に延び、隔壁２側へ向かって傾斜している。また、スポーク５ａには、多数のビット５ｃが装着されており、ブーム４がモータＭによって駆動されるとスポーク５ａも回転してビット５ｃで切羽を切削できるようになっている。

他方、ブレード５ｂは、図２に示すように、各スポーク５ａの先端から図２中で右方へ湾曲しつつ隔壁２側へ傾斜して延びるビット保持部５ｄと、ビット保持部５ｄの先端からブーム４側へ湾曲して延びる先端部５ｅとを備えている。また、ブレード５ｂは、全体としてブーム４の軸方向に対して傾斜する姿勢でスポーク５ａから延長されており、ブーム４が図２中で反時計回りに回転すると、ブレード５ｂがスクリューのように機能して、カッタヘッド５によって掘削された掘削土を隔壁２側へ移送できる。なお、ブレード５ｂのビット保持部５ｄには、複数のビット５ｃが装着されており、ブーム４の首振運動に伴ってカッタヘッド５の側方の掘削が可能となっている。

スクリュー６は、ブーム４のカッタヘッド５と球面軸受３との間に設けられている。具体的には、スクリュー６は、二条のブーム４の周回りに螺旋状に取り付けられた羽で構成されており、ブーム４が図２中反時計回りに回転駆動されると、掘削土を隔壁２側へ移送するようになっている。また、スクリュー６の先端側となる図１中左端側から後端側となる図１中右端側へ向うほど外径が大きくなっており、ブーム４が首振運動を呈しても外殻８に干渉しないようになっている。なお、スクリュー６は、本例では、二条の羽で構成されているが、羽の条数については掘削土の質に適するように変更できる。

アジテータ７は、ブーム４のスクリュー６と球面軸受３との間に設けられている。具体的には、アジテータ７は、ブーム４に径方向へ延びる複数の撹拌棒７ａ，７ｂを備えている。撹拌棒７ａ，７ｂは、本例では、それぞれ、ブーム４の軸方向にずらした四箇所に二つずつ設けられており、同一円周上に配置される撹拌棒７ａ，７ｂは、１３５度の位相差を以て、ブーム４に取り付けられている。そして、ブーム４に軸方向にずらして配置された撹拌棒７ａは、組をなしており、ブーム４に対して軸方向および径方向にずらして螺旋を描くように配置されている。つまり、各撹拌棒７ａは、ブーム４の先端側から後端側へ向うにしたがって、ブーム４の周方向で９０度ずつの位相差を以て設けられており、螺旋階段の踏板のように配置されている。また、ブーム４に軸方向にずらして配置された撹拌棒７ｂも組をなしており、ブーム４に対して軸方向および径方向にずらして螺旋を描くように配置されている。つまり、各撹拌棒７ｂもまた、撹拌棒７ａと同様に、ブーム４の先端側から後端側へ向うにしたがって、ブーム４の周方向で９０度ずつの位相差を以て設けられており、螺旋階段の踏板のように配置されている。なお、撹拌棒７ａ，７ｂは、スクリュー６の螺旋の延長線上に倣うように配置されるとよい。

そして、アジテータ７は、ブーム４が回転駆動されると、掘削土と作泥土室Ｗに投入される作泥土材とを混練して、掘削土に不透水性と塑性流動性を持たせる。なお、撹拌棒７ａ，７ｂは、二条の螺旋を描くように配置されているが、一条或いは三条以上の螺旋を描くように設けられてもよい。また、撹拌棒７ａ，７ｂの形状は、任意であり、先端に羽を設けたパドル状とされてもよい。

つづいて、外殻８の隔壁２よりも後方には、ブーム４の先端を図２中上下左右に駆動する駆動部としての油圧シリンダ１１，１２，１３が設けられている。油圧シリンダ１１は、図３および図４に示すように、両端にボールジョイントを備えており、外殻８の側壁とハウジング１０の後端中央との間に取り付けられており、伸縮によってハウジング１０の後端を図４中左右方向へ変位させ得る。この油圧シリンダ１１の伸縮によって、ハウジング１０を図４中左右方向へ変位させると、球面軸受３を挟んで反対側に突出するブーム４を図２中左右方向へ変位させられる。また、油圧シリンダ１２は、図３および図４に示すように、両端にボールジョイントを備えており、外殻８の図４中下方左角部とハウジング１０の後方の図４中左側壁との間に取り付けられている。さらに、油圧シリンダ１３は、図３および図４に示すように、両端にボールジョイントを備えており、外殻８の図４中下方右角部とハウジング１０の後方の図４中右側壁との間に取り付けられている。よって、油圧シリンダ１２，１３は、伸縮によって、ハウジング１０の後端を図４中上下方向へ変位させ得る。この油圧シリンダ１２，１３の伸縮によって、ハウジング１０を図４中上下方向へ変位させると、球面軸受３を挟んで反対側に突出するブーム４を図２中上下方向へ変位させられる。よって、油圧シリンダ１１，１２，１３を伸縮させると、カッタヘッド５は図２中上下左右に変位できる。なお、油圧シリンダ１２，１３については、いずれか一方を省略してもよい。また、ブーム４の駆動については、二自由度で駆動できればよいので、油圧シリンダ１１，１２，１３のブーム４の駆動方向は上下左右に限られない。また、駆動部は、油圧シリンダ１１，１２，１３以外にも、電動シリンダ等、他のアクチュエータで構成されてもよい。

さらに、ハウジング１０の後端は、図１、図３および図４に示すように、外殻８内に設置される四角に組んだ枠で構成されるブームガイド１４によって取り囲まれる。具体的には、ブームガイド１４は、四角の枠型としていて外殻８に取り付けられており、内方にハウジング１０の後端が挿通されている。そして、ハウジング１０の後端側の上下の壁と左右の側壁には、それぞれ、ガイド部材としてのガイドローラ１５が複数取り付けられている。なお、各ガイドローラ１５は、ハウジング１０に取り付けたブラケット１５ａと、ブラケット１５ａの先端に回転自在に装着されるローラ１５ｂとを備えている。そして、ガイドローラ１５は、ハウジング１０に対して斜めに取付けてあって、ハウジング１０が移動限界まで首振運動すると、ローラ１５ｂがブームガイド１４の内壁に直角に接触するようになっている。このように、ガイドローラ１５がローラ１５ｂをブームガイド１４の内壁に当接させてブーム４の移動限界を規制するので、ガイドローラ１５がブームガイド１４に当接した状態でも移動可能な方向へは滑らかに移動できる。たとえば、ハウジング１０の後端が下方へ移動して下方のガイドローラ１５がブームガイド１４の底辺の内壁に当接させた状態でも、ブーム４を図２中左右方向へ滑らかに移動させ得る。

油圧シリンダ１１，１２，１３の伸縮駆動は、図示はしないが、油圧ポンプと伸縮方向の切換える切換弁と推力を調節する制御弁を備えた油圧回路ユニットを制御するコントローラによって行われる。しかしながら、ブームガイド１４とガイドローラ１５によってカッタヘッド５の移動限界が規制されるため、コントローラ側で複雑なカッタヘッド５の位置制御を行わなくて済む。コントローラでは、ハウジング１０の四辺に設置されるガイドドーラ１５のいずれかがブームガイド１４に接触した状態として、カッタヘッド５を図２中で四角を描くように駆動すれば、切羽の掘削断面Ｄを略四角に掘削できる。なお、カッタヘッド５を回転させるとスポーク５ａの掘削断面Ｄは、図２に示すように、カッタヘッド５の直径と移動範囲は、前述のようにカッタヘッド５を四角の軌跡で移動させても、掘削断面Ｄの中心点を必ず掘削できるように設定されている。つまり、コントローラでは、ブームガイド１４とガイドローラ１５によってカッタヘッド５の移動軌跡を案内できるので、カッタヘッド５の位置制御を行わなくともよいのである。なお、コントローラでは、たとえば、油圧シリンダ１１，１２，１３内の圧力を監視してブームガイド１４とガイドローラ１５との接触を検知すれば足り、複雑な位置制御は不要である。また、本例では、切羽の断面を四角形とするため、ブームガイド１４の形状も四角形としているが、切羽の断面を三角形や多角形、円形、楕円形といった他の形状と場合には、ブームガイド１４の形状も断面形状に一致する形状とすればよい。また、突出部は、本例でモータＭを収容するハウジング１０とされていたが、ハウジング１０以外を突出部としてもよい。

なお、ブームガイド１４に接触してブームガイド１４とともにブーム４の移動限界を規制するガイド部材は、ガイドローラ１５のようにローラ１５ｂを備える構成ではなく、たとえば、ブームガイド１４の内壁に接触しても滑らかに滑るシューを備えるものでもよい。ただし、ローラ１５ｂを備えるガイドローラ１５を用いると、より円滑にカッタヘッド５が移動できるようになる。

つづいて、このように構成された掘削機１の作動について説明する。切羽を掘削するには、モータＭを駆動してブーム４を図２中反時計回りに回転駆動し、回転するカッタヘッド５で切羽を切削する。そして、ガイドローラ１５をブームガイド１４に接触させつつカッタヘッド５を図２中時計回りに四角を描くように駆動すると、図２に示した掘削断面Ｄのように、切羽を略四角形に掘削できる。なお、本例では、カッタヘッド５のブレード５ｂのビット保持部５ｄにもビット５ｃが装着されており、カッタヘッド５の側方も掘削できるので、掘削しつつカッタヘッド５の上下左右方向への移動が可能である。

カッタヘッド５が掘削した掘削土は、回転するカッタヘッド５のブレード５ｂがスクリューコンベヤのように機能して、隔壁２側へ押されて、スクリュー６側へ移送される。

さらに、ブレード５ｂによって隔壁２側となる後方側へ移送された掘削土は、ブーム４とともに回転駆動されるスクリュー６によって、さらに、隔壁２側のアジテータ７側へ移送される。

このようにアジテータ７が設けられる範囲に移送された掘削土は、作泥土材とともにアジテータ７によって混練されて泥土化されて、不透水性と塑性流動性を持つ掘削土が生成される。なお、撹拌棒７ａ，７ｂは、必ずしも螺旋を描くように配置されなくともよい。本例では、アジテータ７における撹拌棒７ａ，７ｂは、前述のように螺旋状に配置されているので、スクリュー６によって移送されてくる掘削土を万遍なく撹拌および混練可能であるとともにブーム４に過剰な捩じり方向の抵抗を与えない。

このように混練された掘削土は、スクリューコンベヤ９を回転駆動すると隔壁２の排出口２ａからスクリューコンベヤ９を介して作泥土室Ｗから搬出されて掘削機１の後方へ送られる。

そして、掘削機１では、前述のように、突出部としてのハウジング１０の周囲に設けたブームガイド１４でカッタヘッド５の移動限界を規制しつつ切羽を掘削すれば、切羽を所望する断面形状で掘削できる。したがって、本発明の掘削機１では、カッタヘッド５の位置を検知するためのセンサが不要であって、コントローラがカッタヘッド５の位置を制御するために複雑な制御を行わずに済む。よって、本発明の掘削機１によれば、複雑な制御が不要となるとともに、コストを削減できる。

また、本例の掘削機１にあっては、突出部としてのハウジング１０に設けられ、カッタヘッド５が移動限界に位置する際に、ブームガイド１４に接触するガイド部材を備えて構成されてもよい。このようにすると、ブームガイド１４と突出部としてのハウジング１０とが直接接触せず、カッタヘッド５の移動を円滑に案内できる。

さらに、本例の掘削機１のように、ガイド部材をブームガイド１４に接触可能なローラ１５ｂを有するガイドローラ１５である場合には、カッタヘッド５の移動を案内する際に、より円滑にカッタヘッド５を移動させ得る。

また、掘削機１では、切羽の切削断面を略四角形に掘削できるが、カッタヘッド５で掘削された掘削土は、ブーム４と同軸に設けられたスクリュー６によって隔壁２側となる後方側に配置されたアジテータ７へ順次送られて混練されて泥土化されて、順次アジテータ７に供給される掘削土によって更に後方へ移送され、排出口２ａへ導かれる。

よって、本発明の掘削機１によれば、連続して切羽を掘削しても順次掘削土を移送および混練して泥土化して外部へスムーズに搬出できるので、切削作業を連続して行える。

また、本例の掘削機１にあっては、カッタヘッド５がブーム４から放射状に設けられてビット５ｃを保持する複数のスポーク５ａの他に、スポーク５ａの後端から隔壁側へ延びて掘削土をスクリュー６側へ移送するブレード５ｂを備えている。このように、カッタヘッド５で掘削したブレード５ｂによってスクリュー６側へ移送されるので、カッタヘッド５の周囲で掘削土が停滞せず、より効率よく掘削土を移送および混練できる。

さらに、本例の掘削機１では、アジテータ７がブーム４に径方向へ延びる複数の撹拌棒７ａ，７ｂを有し、各撹拌棒７ａ，７ｂがブーム４に対して軸方向および径方向にずらして螺旋を描くように配置されている。よって、本例の掘削機１では、スクリュー６によって移送されてくる掘削土を万遍なく撹拌および混練可能であるとともにブーム４に過剰な捩じり方向の抵抗を与えない。

また、本例の掘削機１では、スクリュー６がブーム４の先端側から後端側へ向うほど外径が大径となるようになっているので、ブーム４が移動限界まで首振運動しても外殻８と干渉しないので、ブーム４の面倒な位置制御を行わなくともよくなり、ブーム４の首振運動に際しての駆動が容易となる。

以上、本発明の好ましい実施の形態を詳細に説明したが、特許請求の範囲から逸脱しない限り、改造、変形、および変更が可能である。

１・・・掘削機、２・・・隔壁、３・・・球面軸受、４・・・ブーム、１０・・・ハウジング（突出部）、１１，１２，１３・・・油圧シリンダ（駆動部）、１４・・・ブームガイド、１５・・・ガイドローラ（ガイド部材）

Claims (1)

1. カッタヘッドを有し、隔壁に設けた球面軸受に支持されて首振運動が可能であって、周方向へ回転駆動されるブームと、
   前記球面軸受の前記ブームの反対側に突出される突出部と、
   前記突出部の周囲を取り囲んで前記カッタヘッドの移動限界を規制するブームガイドと、
   前記突出部に連結されて前記球面軸受の中心を支点として前記ブームを二自由度で駆動する駆動部と、
   前記突出部に設けられ前記カッタヘッドが前記移動限界に位置する際に前記ブームガイドに接触可能なローラを有する複数のガイドローラとを備え、
   前記カッタヘッドは、前記ガイドローラのいずれかが前記ブームガイドに接触した状態で、常に掘削断面の中心点を掘削する
   ことを特徴とする掘削機。

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