JPH0765472B2 - シールド掘進機のカッタシール装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、シールド掘進機のシールド本体とカッタホイ
ールとの間に、切羽側から機内への土砂、地下水の侵入
を防止するために配置されるカッタシール装置に係り、
特に5kgf/cm²を超える高土圧に、高水圧下での使用に適
したカッタシール装置に関する。

〔従来の技術〕

従来技術として、カッタシールを備えたシールド掘進機
の例を第９図に示し、そのカッタシール部の詳細構造を
第10図に示す。１はシールド本体、２はカッタホイー
ル、３はカッタベアリング、４はカッタ駆動装置、5,6
はカッタホイール２に駆動力を伝達するピニオンおよび
旋回ギヤ、７はカッタホイール２の外周部とシールド本
体１のフード部1aとの間に設置されたカッタシール、８
はカッタホイール２の内周部とシールド本体１の隔壁1b
との間に設置されたカッタシールであり、カッタシール
7,8としては、一般に第11図に示すように複数のリップ
を持つゴム製のシールを用い、複数段のシールをシール
押え12によりカッタホイール２側に装着している。9,10
はカッタシール7,8の段間に形成されたグリース注入部
で、ここにグリースを注入してシール摺動面の潤滑を行
っている。11は掘削土砂を取り込むカッタチャンバであ
り、カッタシール7,8は、それぞれ周辺地山およびカッ
タチャンバ11からカッタ駆動部への土砂や泥水の侵入を
防止する土砂シールとして働く。

〔発明が解決しようとする課題〕

現在、シールド工事において対象とされる切羽土圧なら
びに切羽水圧は、ほとんどが5kgf/cm²以下である。しか
し、シールド工事が多様化し、土かぶりの高い高深度ト
ンネルや海底下トンネル建設の需要が増えるに従い、シ
ールド工事における土圧、水圧も5kgf/cm²を超える高圧
となる場合が増えつつある。一般に使用されているカッ
タシールは、このような高土圧、高水圧下では、第12図
に示すようにリップ同士が接触し重なり合った状態に変
形してシール性能の低下を来たしたり、シール摺動面圧
の高まりによる異常発熱のためシール材質が劣化する等
の問題が生じる。

この問題に対処するため、本発明者の一人は、本出願人
が先に出願した実願昭63−25925号において、カッタシ
ールの最終段にのみリップ厚、リップ間隔を大きくした
高圧用シールを使用し、シール間のグリース注入圧力を
切羽水圧より高い圧力に保持して、そのグリース注入圧
力で最終段以外の各段シールの背圧を立てることによ
り、最終段以外は比較的耐圧の低い一般用シールを用い
て、スペースを大きくせずに高土圧、高水圧下でのシー
ル機能を確保することを提案した。

しかし、グリース注入圧力による背圧によって最終段以
外の各段シールの受ける圧力は軽減されるものの、背圧
のない最終段シールは最も高い圧力を受けるため、切羽
圧力が高くなった場合、最終段シールに高圧用シールを
使用しても、その耐圧には限度があり、もしも最終段シ
ールが劣化し、グリースが抜けると、前段シールの背圧
を維持できなくなる恐れがある。

また、シールド本体とカッタホイールとの間に配置され
た複数段のシールによって形成された複数の圧力室のう
ち、切羽側の圧力室の圧力が最も高く、次降の圧力室の
圧力を順次減圧させて所定の圧力に保持するようにする
ことが知られている（特開昭60−148996号公報など参
照）。しかし、このように構成すると、２段目以降のシ
ールのリップと摺動面、あるいはリップ同士が直接接触
して、摺動面圧の高まりによる異常発熱を生じ、シール
性能の低下を来すおそれがある。

本発明は上記の点にかんがみなされたもので、その目的
は、高土圧、高水圧下において、最終段シールをも含む
各段シールの受ける圧力を軽減してシール機能を確保で
きるようにした、信頼性の高いカッタシール装置を提供
することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために請求項１記載の発明は、シー
ルド本体とカッタシールとの間に配置された複数段のシ
ールのうち、最終段以外の各段のシール間に形成された
複数の圧力室にそれぞれの前段シールの前面圧よりやや
高い背圧を生じさせるように前段より後段に至るにした
がって順次圧力の高い潤滑剤を注入する第１の潤滑剤注
入手段を設けるとともに、最終段とその前の段のシール
間に形成された圧力室に前段シールの前面圧より低い所
定圧力で潤滑剤を注入する第２の潤滑剤注入手段を設け
たことを特徴とする。

同様の目的を達成するために請求項２記載の発明は、シ
ールド本体のカッタホイールとの間に配置された複数段
のシールのうち、最終段およびその前の所定段数のシー
ル以外の各段のシール間に形成された複数の圧力室にそ
れぞれの前段のシールの前面圧よりやや高い背圧を生じ
させるように前段より後段に至るにしたがって順次圧力
の高い潤滑剤を注入する第１の潤滑剤注入手段を設ける
とともに、最終段およびその前の所定段数のシールとそ
れぞれの前の段のシールとの間に形成された複数の圧力
室に前段シールの前面圧より低い所定圧力で潤滑剤を注
入する第２の潤滑剤注入手段を設けたことを特徴とす
る。

請求項１または２記載の発明において、第１の潤滑剤注
入手段により注入される潤滑剤は半固体状のグリースで
あり、第２の潤滑剤注入手段により注入される潤滑剤は
液状の潤滑油であることが望ましい。

〔作用〕

請求項１記載の発明では、第１の潤滑剤注入手段は、そ
の潤滑剤注入圧力によって最終段以外の各段のシール間
に形成された複数の圧力室にそれぞれの前段シールの前
面圧に対抗する背圧を立て、前段シールの受ける圧力を
軽減するように働くと共に、前段シールの前面圧と背圧
との圧力差により注入された第１の潤滑剤の一部がシー
ル摺動面を通過してシールのリップとシール摺動面、お
よびリップ同士が直接接触することを防ぐ。それと同時
に第２の潤滑剤注入手段は、最終段とその前の段のシー
ル間の圧力室に注入した潤滑剤の圧力を前段シールの前
面圧より低い所定圧力に保持するように働くため、背圧
のない最終段シールの受ける圧力を切羽水圧より低く押
えることができ、高土圧、高水圧下でカッタシール全体
のシール機能を確保することが容易となる。

請求項２記載の発明も基本的には上記と同様の機能を有
するが、この発明では、第２の潤滑剤注入手段が最終段
およびその前の所定段数（１段から複数段まで）のシー
ルの受ける圧力を後の段ほど段階的に低くするように働
くため、切羽水圧が高くなった場合でも、背圧のない最
終段シールの受ける圧力を切羽水圧より十分低く抑える
ことができる。

請求項３記載の発明では、第１の潤滑剤注入手段により
注入された半固体状のグリースが切羽からの土砂や泥水
の侵入を抑える働きをし、また第２の潤滑剤注入手段に
より注入された液状の潤滑油が、背圧を受ける後段シー
ルの摺動面の潤滑を良好に行い、発熱を抑える働きをす
る。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を第１図〜第８図により説明す
る。

第１図に示す実施例は、シールド本体１とカッタホイー
ル２の間に配置するカッタシールのうち、前３段のシー
ル21,22,23には第11図に示したような複数（図では４
枚）のリップを持つシールを土砂シールとして用い、こ
れら土砂シールの背圧を維持するための背圧シールとし
て、３段目シール23の後方に１枚リップのシール24,25
を２段に配置した例であり、これらシール間に圧力室3
1,32,33、34を形成している。

最終団シール25以外の各段のシール間の圧力室31,32,33
に注入する潤滑剤としては、切羽からの土砂や泥水の侵
入を防止する点から、粘度の高い半固体状のグリースが
使用され、グリース注入手段（第１の潤滑剤注入手段）
40は、グリースタンク41から最高吐出圧力が切羽水圧よ
り十分高いグリースポンプ42により加圧されたグリース
を、分配弁43と逆流防止弁44,45,46を介して各圧力室3
1,32,33のグリース注入口47,48,49へ供給するように構
成されている。

背圧シールとして設けられた、最終段シール25とその前
の段のシール24の間の圧力室34に注入する潤滑剤として
は、潤滑性と圧力管理の面から粘度の低い液状の潤滑油
（以下、オイルという）を使用することが好ましい。オ
イル注入手段（第２の潤滑剤注入手段）50は、オイルタ
ンク51からオイルポンプ52により加圧されたオイルを、
逆流防止弁56を介して圧力室34のオイル注入口58へ供給
し、そのオイル注入圧力を圧力制御弁54により所定圧力
に保持する構成となっている。

第４図に本実施例における切羽水圧と各段シール間の潤
滑剤注入圧力の関係を示す。ここで、p_q1は、圧力室31
のグリース注入圧力、p_q2は圧力室32のグリース注入圧
力、p_q3あ圧力室33のグリース注入圧力。p_oは圧力室34
のオイル注入圧力、p_wは切羽水圧（本例では10kgf/c
m²）である。

各圧力室のグリース注入圧力とオイル注入圧力は、前の
段のシールに対しては背圧として働き、後の段のシール
に対しては前面圧として働くから、グリースポンプ42と
して、最高吐出圧力が切羽水圧p_wより十分高いものを用
い、p_w＜p_q1＜p_q2＜p_q3となるように圧力室31,32,33に
グリースを分配すると、 土砂シール21の受ける圧力は （p_q1−p_w）≒△ｐ 土砂シール22の受ける圧力は （p_q2−p_q1）≒△ｐ 土砂シール23の受ける圧力は （p_q3−p_q2）≒△ｐ p_q3≒p_w＋３△ｐ となる。△ｐは注入されたグリースが前段のシール摺動
面を通過して流出するときの抵抗によって生じる差圧
で、通常0.5〜1.5kgf/cm²程度である。これからわかる
ように、土砂シール21,22,23の背圧は後段シールほど高
くなる。。

圧力室34へのオイル注入圧力p_oは、予想される３段目シ
ール23の背圧p_q3の約1/2に設定するとよい。そうする
と、 背圧シール24の受ける圧力は （p_q3−p_o）≒p_q3/2 背圧シール25の受ける圧力は p_o≒p_q3/2 となり、いずれも切羽水圧p_wより低い値となる。

このように本実施例では、最終段以外の各段のシール間
に形成された複数の圧力室31,32,33にグリースを注入す
ることによりそれぞれの前段シールの前面圧よりやや高
い背圧を立て、前段の土砂シール21,22,23の受ける圧力
を軽減するとともにシール摺動面が直接接触することを
防ぎ、また、最終段とその前の段のシール間の圧力室34
に注入するオイルの圧力を前段シールの前面圧より低い
所定圧力に保持することにより、後段の背圧シール24,2
5の受ける圧力を切羽水圧より低く抑えているので、最
終段シール25の発熱による劣化を防止してシール寿命を
延ばすことができ、それによって最終段以外の各段シー
ルの背圧が維持され、高土圧、高水圧下でのシール機能
を確保できる。

圧力制御弁54として遠隔制御の可能な電磁比例リリーフ
弁などを用い、圧力センサによるグリース注入圧力p_q3
の計測値に基づいて圧力設定を行えば、オイル注入圧力
p_oのより適正な管理ができ、圧力管理を自動化すること
も可能である。

背圧シール24,25に１枚リップのシールを用いた理由
は、複数リップのものより潤滑性が良く、かつ小スペー
スでシール段数を増やせることにある。また、最終段シ
ールの潤滑にオイルを用いた場合、グリースよりも潤滑
性の向上がはかれ発熱，摩耗を抑える事ができる。

第２図，第３図に本発明の第２、第３の実施例を示す。

第２図に示す実施例は、第１図の背圧シール24,25を一
体化して、さらにスペースの縮小を図ったもので、最終
段シールに相当するリップ25aとその前の段のシールに
相当するリップ24aの間に形成された圧力室34に、オイ
ル注入口58からリップ24aの前面圧p_q3より低い所定圧力
p_oのオイルが注入されるようになっており、機能的には
第１図に示したものと同一である。

第３図に示す実施例は、３段目の土砂シール23の後方に
１枚リップのシール24を１段設け、これを最終段の背圧
シールとして、前の段の土砂シール23との間に形成され
た圧力室33にオイル注入口58からオイルを注入し、１段
目から３段目までの土砂シール21,22,23の間に形成され
た圧力室31,32にグリース注入口47,48からグリースを注
入するようにしたものでグリース注入圧力p_q1,p_q2、オ
イル注入圧力p_o、切羽水圧p_wの関係は第４図と同様に設
定される。切羽水圧、カッタ周速などの使用条件によっ
ては、このような簡略した構成でよい場合もある。

第５図は本発明の第４の実施例を示す。本実施例では、
３段目土砂シール23の後方に配置する１枚リップの背圧
シール24,25,26の３段としてあり、最終段シール26とそ
の１つ前の段のシール25以外の各段シール21,22,23,24
の間に形成された圧力室31,32,33には、第１図の実施例
と同様に、グリースタンク41、グリースポンプ42、グリ
ース分配弁43、逆止弁44,45,46、グリース注入口47,48,
49からなるグリース注入手段40によってグリースを注入
する。つまり本実施例は、請求項２において、最終段の
前の所定段数のシールを１段とした例である。

一方、オイル注入手段50は、オイルタンク51からオイル
ポンプ52により加圧されたオイルを分流弁53、逆止弁5
6,57を介して背圧シール24,25間および25,26間に形成さ
れた圧力室34,35のオイル注入口58,59に供給し、それぞ
れのオイル注入圧力を圧力制御弁54,55により所定圧力
に保持する構成となっている。

第６図に本実施例における切羽水圧と各段シール間の潤
滑剤注入圧力の関係を示す。第４図と同様に、圧力室3
1,32,33のグリース注入圧力p_q1,p_q2,p_q3と切羽水圧p_wの
関係がp_w＜p_q1＜p_q2＜p_q3となるようにこれら圧力室に
グリースを分配する。

この場合、圧力室34のオイル注入圧力p_o1と圧力室35の
オイル注入圧力p_o2をp_o3＞p_o1＞p_o2になるように圧力制
御弁54,55で設定すると、 背圧シール24の受ける圧力は （p_q3−p_o1）≒p_q3/3 背圧シール25の受ける圧力は （p_o1−p_o2）≒p_q3/3 背圧シール26の受ける圧力は p_o2≒p_q3/3 となる。したがって、第１図の実施例に比べ、切羽水圧
が高い場合でも、背圧シール24,25,26の受ける圧力を切
羽水圧に対して十分低い値に抑えることができる。切羽
水圧がさらに高くなっても、背圧シールの段数を増や
し、各段のシール間へのオイル注入圧力を段階的に低減
させることで対応できることは第６図から明らかであ
る。

上記各実施例では、グリース注入手段40により前３段ま
たは４段のシール間の圧力室に注入されたグリースは、
少量づつではあるが切羽へ押し出され、後から注入され
るグリースと入れ換わることでシール摺動面からの放熱
を助けるが、オイル注入手段50により背圧シール部の圧
力室に注入されたオイルは循環されず、圧力室内に滞溜
するため、放熱効果が少なく、前段の土砂シールより高
い圧力を受ける背圧シールの放熱が十分でない。

第７図、第８図に示す実施例は、このような背圧シール
の放熱不足の解消を図ったものである。

第７図に示す本発明の第５実施例では、土砂シールとし
て４枚リップシール３段、背圧シールとして１枚リップ
シール２段を装備している。

ここで、グリース注入手段40は、グリースタンク41から
グリースポンプ42により加圧されたグリースを分配弁4
3、逆止弁44,45を介して、土砂シール21,22,23の間に形
成された圧力室31,32のグリース注入口47,48へ供給す
る。グリース注入は連続または間欠的に行い、注入され
たグリースが、少量づつではあるがシール摺動面を通っ
て切羽へ流出するようにする。このようにすれば、切羽
水圧の変動を考慮し、グリースポンプ42の最高吐出圧力
を切羽水圧より十分高く設定しておくだけで、圧力室3
1,32のグリース注入圧力p_q1,p_q2はp_w＜p_q1＜p_q2（p_q1−
p_w≒Δｐ、p_q2−p_q1≒Δｐ）の関係に安定に維持され
る。

一方、オイル注入手段50は、オイルタンク51からオイル
ポンプ52により加圧されたオイル（作動油、タービン油
等）を分流弁53、逆止弁56,57を介して、３段目土砂シ
ール23と背圧シール24の間および背圧シール24と25の間
に形成さた圧力室33,34下部のオイル注入口58,59へ供給
する。注入されたオイルは、圧力室33,34の最上部に設
けられたオイル排出口60,61から戻り管路62によりオイ
ルタンク51へ流出する。戻り管路62には圧力制御弁63,6
4とオイル冷却器65が介装されており、圧力制御弁63,64
により圧力室33,34のオイル注入圧力p_o1、p_o2を、 p_q2＞p_o1＞p_o2 p_q2−p_o1≦土砂シール耐圧 p_o1−p_o2≦背圧シール耐圧 p_o2≦背圧シール耐圧 になるように調整するとともに、排出されたオイルをオ
イル冷却器65で冷却する。そして、オイルタンク51に戻
ったオイルをストレーナ66により清浄化し、オイルポン
プ52により再びオイル注入口58,59へ供給する。このよ
うなオイル循環経路を構成することでオイルの放熱効果
が高まるため、背圧シール24,25の熱劣化を防止でき
る。

また、本実施例のように、オイル注入口58,59を圧力室3
3,34の下部に、オイル排出口60,61を圧力室33,34の最上
部に設けておくと、オイルの循環と同時に圧力室からの
エア抜きが行われるので、困難なエア抜き作業を要せず
に、残留空気によるシール摺動面の潤滑不良を防止でき
るという効果もある。

第８図に示す本発明の第６実施例は、第５実施例と同様
に土砂シールとして４枚リップシール３段、背圧シール
として１枚リップシール２段を装備したものであるが、
背圧シール24と25の間に形成された圧力室34にのみオイ
ルを循環供給して背圧調整を行っている。切羽水圧が5k
gf/cm²程度と比較的低い場合には、このような簡略した
構成でよい。

〔発明の効果〕

請求項１記載の発明では、最終段以外の各段のシール間
に形成された複数の圧力室に注入する潤滑剤の圧力によ
りそれぞれの前段シールの前面圧よりやや高い背圧を立
てるとともに、最終段とその前の段のシール間に形成さ
れた圧力室に注入する潤滑剤の圧力を前段シールの前面
圧より低い所定圧力に保持し、最終段シールの受ける圧
力を低く抑えたことにより切羽水圧の変動シールのたわ
み変動などによってシール摺動面に土砂や泥水を呼び込
むことなく、かつ最終段シールの発熱による劣化を防止
してシール寿命を延ばすことができ、それによって最終
段以外の各段シールの背圧を維持し、高土圧、高水圧下
でのカッタシール全体のシール機能を確保することがで
きる。

また、請求項２記載の発明では、最終段およびその前の
所定段数（１段から複数段まで）のシールとそれぞれの
前の段のシールとの間に形成された複数の圧力室に前段
シールの前面圧より低い所定圧力で潤滑剤を注入するこ
とにより、後段シールの受ける圧力を段階的に低くして
いるので、切羽水圧がさらに高くなった場合でも最終段
シールの受ける圧力を切羽水圧より十分低い値に保ち、
カッタシール全体のシール機能を確保することができ
る。

請求項３の記載発明では、第１の潤滑剤注入手段により
注入する潤滑剤として半固体状のグリースを用いること
により、切羽からの土砂や泥水の侵入を抑えてシールの
損傷を防止するとともに、第２の潤滑剤注入手段により
注入する潤滑剤として、より潤滑性が優れ、圧力管理の
容易な液状の潤滑油を用いることにより、背圧シール部
の摺動面の摩擦を軽減し、かつ前段シールの背圧を常に
所定値に保持することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の一部断面で示した構成説明
図、第２図は本発明の第２実施例の部分断面図、第３図
は本発明の第３実施例の一部断面で示した構成説明図、
第４図は本発明の一実施例における切羽水圧と各段シー
ル間の潤滑剤注入圧力の関係を示す説明図、第５図は本
発明の第４実施例の一部断面で示した構成説明図、第６
図は本実施例における切羽水圧と各段シール間の潤滑剤
注入圧力の関係を示す説明図、第７図、第８図はそれぞ
れ本発明の第5,第６の実施例を一部断面で示した構成説
明図、第９図は従来のカッタシールを備えたシールド掘
進機の例を示す断面図、第10図はそのカッタシール部詳
細図、第11図は一般用カッタシールの断面図、第12図は
カッタシールの変形状態を示す断面図である。 １……シールド本体、２……カッタホイール、21,22,23
……土砂シール、24,25,26……背圧シール、24a,25a…
…背圧シールのリップ、31,32,33,34,35……圧力室、40
……グリース注入手段（第１の潤滑剤注入手段）、41…
…グリースタンク、42……グリースポンプ、43……分配
弁、47,48,49……グリース注入口、50……オイル注入手
段（第２の潤滑剤注入手段）、51……オイルタンク、52
……オイルポンプ、53……分流弁、54,55……圧力制御
弁、58,59……オイル注入口、60,61……オイル排出口、
62……戻り管路、63,64……圧力制御弁、65……オイル
冷却器。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ▲高▼野 文哉 茨城県土浦市神立町650番地 日立建機株 式会社土浦工場内 (72)発明者 土屋 清 茨城県土浦市神立町650番地 日立建機株 式会社土浦工場内 (56)参考文献 特開 昭60−148996（ＪＰ，Ａ) 実開 昭63−56793（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭56−25798（ＪＰ，Ｕ)

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】シールド本体とカッタホイールとの間に配
   置された複数段のシールのうち、最終段以外の各段のシ
   ール間に形成された複数の圧力室にそれぞれの前段シー
   ルの前面圧よりやや高い背圧を生じさせるように前段よ
   り後段に至るにしたがって順次圧力の高い潤滑剤を注入
   する第１の潤滑剤注入手段を設けるとともに、最終段と
   その前の段のシール間に形成された圧力室に前段シール
   の前面圧より低い所定圧力で潤滑剤を注入する第２の潤
   滑剤注入手段を設けたことを特徴とするシールド掘進機
   のカッタシール装置。
2. 【請求項２】シールド本体とカッタホイールとの間に配
   置された複数段のシールのうち、最終段およびその前の
   所定段数のシール以外の各段のシール間に形成された複
   数の圧力室にそれぞれの前段シールの前面圧よりやや高
   い背圧を生じさせるように前段より後段に至るにしたが
   って順次圧力の高い潤滑剤を注入する第１の潤滑剤注入
   手段を設けるとともに、最終段およびその前の所定段数
   のシールとそれぞれの前の段のシールとの間に形成され
   た複数の圧力室に前段シールの前面圧より低い所定圧力
   で潤滑剤を注入する第２の潤滑剤注入手段を設けたこと
   を特徴とするシールド掘進機のカッタシール装置。
3. 【請求項３】第１の潤滑剤注入手段により注入される潤
   滑剤は半固体状のグリースであり、第２の潤滑剤注入手
   段により注入される潤滑剤は液状の潤滑油であることを
   特徴とする請求項１または２記載のシールド掘進機のカ
   ッタシール装置。