JPH0821189A - トンネル掘進機のカッタヘッド装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 ディスクカッタに加わる偏荷重を低減して、
これを支承する軸受けの寿命を向上させ、またディスク
カッタの片べりを防止する。 【構成】 カッタヘッド１の前面に、複数のディスクカ
ッタ２を回転自在に支承したトンネル掘進機において、
カッタヘッド１が回転したときにディスクカッタ２が掘
削する地山に接触して自転する際の回転軸ベクトル（右
ねじの方向にとる）をＢ、カッタヘッドの中心軸ベクト
ル（掘進機から切羽側に向かう方向にとる）をＣ、ディ
スクカッタ２の回転軸ベクトルＢとカッタヘッドの中心
軸ベクトルＣの両者に直交しカッタヘッド１の回転中心
軸１ａからディスクカッタ２の回転軸２ａに向かうベク
トルをＥとするとき、ＥとＢとの外積Ｆ＝Ｅ×Ｂとカッ
タヘッドの中心軸ベクトルＣとの内積Ｆ・Ｃ＝（Ｅ×
Ｂ）・Ｃが正の値となるようにディスクカッタ２の回転
軸２ａを配置する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明はトンネルを掘削するト
ンネル掘進機のカッタヘッド装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のトンネル掘進機には、例えば実開
昭６２−１３３７９２号公報や、特開昭６２−２７３３
９４号、実開昭６３−１７１４９６号、実開平１−１６
４３９４号公報、特開平２−２１７５９３号公報、特開
平３−１１５６９９号公報、特開平３−１８０６９０号
公報、特開平４−４７０９６号公報、特開平４−６４６
９１号公報にそれぞれ記載されているように、掘進機本
体の前部に回転自在に設けられたカッタヘッドの前面
に、複数のディスクカッタを回転自在に支承したものが
公知である。

【０００３】上記公報のうち例えば実開昭６２−１３３
７９２号公報のものは、カッタ駆動軸に対して着脱自在
なカッタ装置の前面に、回転中心が上記カッタ駆動軸の
中心と交わるように複数のディスクカッタが回転自在に
取り付けられた構造となっている。

【０００４】また実開昭６３−１７１４９６号公報で
は、カッタホイールに回転自在に支承されたローラカッ
タのチップに対向するように回転検出器を設けて、この
回転検出器で検出された信号により表示灯を点灯させる
ようにしたもので、各ローラカッタの回転中心はカッタ
ホイールの回転中心と交わるように配置されている。

【０００５】実開平１−１６４３９４号公報のものは、
カッタをそのカッタの軸線方向一端部で支持する軸を、
チャンバ側になるにつれて開口部側から外方へ拡がるよ
うに傾斜して取り付けたもので、この公報のカッタも回
転中心がカッタディスクの回転中心と交わるように配置
されている。実開平２−９３３９０号公報では、カッタ
ヘッドの前面に設けられたディスクカッタの回転軌跡上
に個々に位置させ、かつカッタヘッドの回転方向に伴い
交互に土砂を開口部へ取り込むように、カッタヘッド前
面に半径方向に等間隔に、また円周方向には任意間隔を
おいて、多数のビットを設けたもので、この公報も、デ
ィスクカッタの回転中心がカッタヘッドの回転中心と交
わるように各ディスクカッタが配置されている。

【０００６】その他の何れの公報においても、図１に示
すようにカッタヘッドｃの前面に回転自在に設けられた
ディスクカッタａの回転中心軸ｂは、カッタヘッドｃの
回転中心軸ｄと交わるように配置されていて、カッタヘ
ッドｃの回転に伴い、自転しながら切羽を掘削するよう
に構成されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし従来のディスク
カッタａでは、図２に示すようにカッタヘッドｃが矢印
ｄ方向へ回転するのに伴い、ディスクカッタａが矢印ｅ
方向へ転動して行く際に、ディスクカッタａの前半分は
回転の内側へ入って行こうとし、また後半分は回転の外
側へ出て行こうとする。このためディスクカッタａの前
半分は内周側から、そして後半分は外周側から横向きの
荷重を受けることになる。

【０００８】しかしディスクカッタａの前半分（図２の
斜線部分）は掘削対象地山と接して掘削しているが、後
半分は既にディスクカッタａの前半分が掘削した溝内を
進行するため、地山とほとんど接触していない。従って
ディスクカッタａの前半分は内周側より大きな横荷重を
受けるが、後半分はほとんど横荷重を受けることがな
く、ディスクカッタａの横荷重分布は図２の右側の線図
のようになる。すなわちトンネル掘進中はディスクカッ
タａの前半分に、常に内周側より大きな偏荷重が作用す
ることになり、その結果ディスクカッタａの軸を支承す
る軸受けの寿命が早期に低下する不具合がある。

【０００９】またディスクカッタａは内周面側から大き
な横荷重を受けながら地山によってこじられ、ディスク
カッタａの刃先と地山の間には、相対的な横すべり運動
が生じるので、ディスクカッタａは内周側と外周側とで
摩耗が均等ではなくなり、いわゆる片べりが発生する。
この片べりによりディスクカッタａの寿命が短いと共
に、このような現象はカッタヘッドｃの中心付近に設け
られた回転半径の小さなディスクカッタａに顕著に現れ
る。外周側のディスクカッタａは、直線掘削に近い状態
になるため、偏荷重による片べりは発生しにくい。

【００１０】この発明はかかる事情に鑑みなされたもの
で、ディスクカッタの回転中心軸をカッタヘッドの回転
中心軸よりずらす（オフセットする）ことによりディス
クカッタに作用する偏荷重を低減させたトンネル掘進機
のディスクカッタ装置を提供して、ディスクカッタの寿
命向上を図ることを目的とするものである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】この発明は上記目的を達
成するために、掘進機本体の前部に回転自在に設けられ
たカッタヘッドの前面に、複数のディスクカッタを回転
自在に支承したトンネル掘進機において、上記カッタヘ
ッドが回転したときにディスクカッタが掘削する地山に
接触して自転する際の回転軸ベクトル（右ねじの方向に
とる）をＢ、カッタヘッドの中心軸ベクトル（掘進機側
から切羽側に向かう方向にとる）をＣ、ディスクカッタ
の回転軸ベクトルＢとカッタヘッドの中心軸ベクトルＣ
の両者に直交しカッタヘッドの中心軸からディスクカッ
タの回転軸に向かうベクトルをＥとするとき、ＥとＢと
の外積Ｆ＝Ｅ×Ｂとカッタヘッドの中心軸ベクトルＣと
の内積Ｆ・Ｃ＝（Ｅ×Ｂ）・Ｃが正の値となるように少
なくとも１つ以上のディスクカッタの回転軸を配置する
ようにしたものである。

【００１２】

【作用】上記構成によりディスクカッタの内側に加わる
横荷重が減少し、かつ内側と外側で横荷重がほぼバラン
スすると共に、分布する荷重自体の大きさも小さくなる
ため、横荷重によりディスクカッタを支承する軸受けが
早期に破損したり、ディスクカッタに片べりが発生する
のを防止することができる。

【００１３】

【実施例】この発明の一実施例を図３以下に示す図面を
参照して詳述する。図３はトンネル掘進機の正面図で、
この図で１は図示しない掘進機本体の前部に矢印Ａ方向
へ回転自在に設けられたカッタヘッド、２はカッタヘッ
ド１の前面に回転自在に支承された複数のディスクカッ
タを示す。

【００１４】これらディスクカッタ２は、外周部がほぼ
山形に形成されたソロバン玉状をなしていて、カッタヘ
ッド１の前面に次のように配置されている。すなわち図
４及び図５に示すように、カッタヘッド１が矢印Ａ方向
へ回転したときディスクカッタ２が掘削する地山に接触
して自転する際の回転軸ベクトル（右ねじの方向にと
る）をＢ、カッタヘッド１の中心軸ベクトル（掘進機側
から切羽に向う方向にとる）をＣ、ディスクカッタ２の
回転軸ベクトルＢとカッタヘッドの中心軸ベクトルＣの
両者に直交しカッタヘッド１の中心軸１ａからディスク
カッタ２の回転中心軸２ａに向うベクトルをＥとすると
き、ＥとＢの外積Ｆ＝Ｅ×Ｂとカッタヘッド１の中心軸
ベクトルＣとの内積Ｆ・Ｃ＝（Ｅ×Ｂ）・Ｃが正の値と
なるようにディスクカッタ２の回転中心軸２ａが配置さ
れている。

【００１５】すなわち図３に示すようにカッタヘッド１
の回転中心軸１ａにディスクカッタ２の回転中心軸２ａ
が交わらないよう回転方向Ａに対して後方へαだけオフ
セットされて図示しない軸受けに回転自在に支承されて
いる。ここでオフセット量αはカッタヘッド１の中心軸
１ａを通る直線とディスクカッタ２の回転中心軸２ａを
通る直線の間の最短距離であり、ディスクカッタ２の回
転軸ベクトルＢとカッタヘッド１の中心軸ベクトルＣの
両者に直交しカッタヘッド１の中心軸１ａからディスク
カッタ２の回転中心軸２ａに向かうベクトルＥの長さに
等しい。このオフセット量αは大きくするほどディスク
カッタの内側に作用する横荷重は減少し、外側の横荷重
は増加する。従って左右横荷重をバランスさせるため、
ディスクカッタ２の外径をＤとした場合、０．０１≦α
／Ｄ≦０．２程度（αを外径Ｄの１％〜２０％とする）
が最適である。

【００１６】次に作用を説明すると、カッタヘッド１を
矢印Ａ方向へ回転させながら掘進すると、カッタヘッド
１の回転中心軸１ａと交わらないようディスクカッタの
回転中心軸２ａが回転方向Ａに対して後方へαだけオフ
セットされていることにより、図６に示すようにディス
クカッタ２の内側（カッタヘッド１の中心側）に加わる
横荷重が減少すると共に、内側と外側とで横荷重がほぼ
バランスする。図６の右側にディスクカッタ２が受ける
横荷重の分布を示してあるが、図１に示す従来のものに
比べて横荷重の絶対値が小さくなっていると共に、横荷
重が左右両側でバランスしている。これによって偏荷重
によりディスクカッタ２が片べりしたり、軸受けが早期
に破損するのを防止することができる。

【００１７】図７はディスクカッタ２の刃先部に作用す
る横荷重の分布を、オフセットしたとき（本発明）と、
オフセットしないとき（従来のもの）とを比較した線
図、また図８はディスクカッタ２をオフセットしたこと
により横荷重の合力が減少したことを示す線図であり、
図８で横軸はオフセット量とディスク径の比、縦軸はオ
フセットしないときの値で正規化した横荷重の平均を示
し、ディスクカッタ２の径が３０５ｍｍ、切込み深さ８
ｍｍの場合を示してある。この図８から明らかなように
ディスクカッタ２のオフセット量αを適切に設定するこ
とにより横荷重の平均をほぼ０にできる上、横荷重の最
大値も低減することができる。

【００１８】なお上記実施例ではディスクカッタ２の全
てをオフセットしたが、一部でも勿論よく、特に片べり
が発生しやすいカッタヘッド１の中心側のディスクカッ
タ２をオフセットさせて取付け、外周側のディスクカッ
タ２は従来通りオフセットさせずに取付けてもよい。

【００１９】

【発明の効果】この発明は以上詳述したように、カッタ
ヘッドの前面に、カッタヘッドの回転中心軸とディスク
カッタの回転中心軸が交わらないようオフセットさせて
ディスクカッタを回転自在に取付けたことから、ディス
クカッタの内側に加わる横荷重が減少すると共に、内側
と外側で横荷重がほぼバランスする上、分布する荷重の
大きさ自体も小さくなる。これによってディスクカッタ
を回転自在に支承する軸受けが偏荷重により早期に破損
するのを防止することができると共に、ディスクカッタ
が片べりすることも少ないので、ディスクカッタの寿命
も向上する。また軸受けやディスクカッタの交換回数が
少なくできるため、交換に要する時間や労力の低減が図
れると共に、掘進機の稼働率が上るため、工期の短縮な
ども図れるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来のトンネル掘進機の正面図である。

【図２】従来のディスクカッタの作用説明図である。

【図３】この発明の一実施例になるトンネル掘進機の正
面図である。

【図４】この発明の一実施例になるディスクカッタ装置
のベクトル定義の説明図であり、トンネル掘進機の正面
（切羽側）から見た図である。

【図５】この発明の一実施例になるディスクカッタ装置
のベクトル定義の説明図であり、図４のＧ−Ｇ線断面図
である。

【図６】この発明の一実施例になるディスクカッタ装置
の作用説明図である。

【図７】この発明の一実施例になるディスクカッタと従
来のディスクカッタの各部に作用する横荷重を比較した
線図である。

【図８】この発明の一実施例になるディスクカッタの横
荷重の平均を示す線図である。

【符号の説明】

１ カッタヘッド １ａ 回転中心軸 ２ ディスクカッタ ２ａ 回転中心軸 α オフセット量 Ｂ ディスクカッタの回転軸ベクトル Ｃ カッタヘッドの中心軸ベクトル Ｄ ディスクカッタの外径 Ｅ カッタヘッドの回転中心軸からディスクカッタの回
転軸に向かうベクトル Ｆ ＥとＢとの外積

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 掘進機本体の前部に回転自在に設けられ
   たカッタヘッド１の前面に、複数のディスクカッタ２を
   回転自在に支承したトンネル掘進機において、上記カッ
   タヘッド１が回転したときにディスクカッタ２が掘削す
   る地山に接触して自転する際の回転軸ベクトル（右ねじ
   の方向にとる）をＢ、カッタヘッドの中心軸ベクトル
   （掘進機側から切羽側に向かう方向にとる）をＣ、ディ
   スクカッタ２の回転軸ベクトルＢとカッタヘッドの中心
   軸ベクトルＣの両者に直交しカッタヘッド１の回転中心
   軸１ａからディスクカッタ２の回転軸２ａに向かうベク
   トルをＥとするとき、ＥとＢとの外積Ｆ＝Ｅ×Ｂとカッ
   タヘッドの中心軸ベクトルＣとの内積Ｆ・Ｃ＝（Ｅ×
   Ｂ）・Ｃが正の値となるように少なくとも１つ以上のデ
   ィスクカッタ２の回転軸２ａを配置することを特徴とす
   るトンネル掘進機のカッタヘッド装置。
2. 【請求項２】 カッタヘッド１の中心軸１ａを通る直線
   とディスクカッタ２の回転中心軸２ａを通る直線の間の
   最短距離をディスクカッタ２の外径Ｄの１％〜２０％と
   してなる請求項１記載のカッタヘッド装置。