JPH11223087A - カッタヘッドの駆動方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 例えば弱層部では地山を乱さないように低回
転高トルクでカッタヘッドを回転させ、例えば硬岩部で
は高速掘進のために高回転低トルクでカッタヘッドを回
転させることができ、これによって地山状況に応じた掘
削が可能となるカッタヘッドの駆動方法を提供する。 【解決手段】 ６ポールもしくは８ポールのインバータ
電動機の出力トルクによりカッタヘッドを回転させ、低
回転高トルクから高回転低トルクを連続的に制御する。
また、４ポールのインバータ電動機のコイル巻数を増や
すとともに、基底周波数を低くして低回転高トルクから
高回転低トルクを連続的に制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、トンネル掘削機に
おけるカッタヘッドの駆動方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、トンネル掘削機におけるカッタヘ
ッドの駆動方法には、電動モータによる駆動方法と油圧
モータによる駆動方法とがある。このうち、油圧モータ
による駆動方法の場合は、油圧モータが図１０（ａ）の
矢印Ｐで示されるように高トルク，低回転での使用に適
する特性を有していることから、高速回転までをその油
圧駆動でカバーしようとすると、油圧モータ自身が大き
くなるとともに、タンク，パワーユニット，バルブ，配
管などの後続装置が大がかりになったり、油圧ロスが発
生するために総合効率が悪い等の問題がある。

【０００３】一方、電動モータによる駆動方法として
は、インバータ制御電動機（４ポールインバータ電動
機）によって回転数を無段階に変速させる駆動方法と、
極数変換電動機（ポールチェンジモータ）とクラッチと
を用いて回転数を２段階に切り換える駆動方法とが挙げ
られる。前記４ポールインバータ電動機のトルク−回転
数特性は図１０（ａ）の矢印Ｑで示されるように、低回
転数領域においてトルクが一定となるようにされてい
る。また、図１０（ｂ）には、前記ポールチェンジモー
タ（４Ｐ，８Ｐ）のトルク−回転数特性が示されてい
る。この図１０（ｂ）に示されるように、ポールチェン
ジモータ（４Ｐ，８Ｐ）による駆動方法では、図１０
（ａ）の矢印Ｑの２倍のトルクが発生可能であるという
利点を有する反面、回転数は倍数関係にある２種類
（Ｎ，２Ｎ）にしか変えることができないという問題点
がある。また、前記ポールチェンジモータ（４Ｐ，８
Ｐ）はソフトに起動させることができないため、起動電
流制御のためのクラッチが必要となり、駆動ユニットが
大きくなるとともに、メンテナンスが困難になるという
問題点がある。

【０００４】これに対して、図１０（ａ）に示されるよ
うに前記インバータ制御電動機（４ポールインバータ電
動機）による駆動方法では、起動電流を抑えることがで
きるとともに、回転数を多段に変更でき、さらにクラッ
チが不必要なため修理メンテナンスが比較的容易である
という利点を有する。しかし、この４ポールインバータ
電動機を岩盤掘削用トンネル掘削機（ＴＢＭ）に用いる
場合、カッタヘッドの回転数を上げて硬岩層の掘削を行
っているときには、小さなトルクで掘進させることがで
きるが、この掘進時に軟弱層のように高トルクが必要な
地山に差しかかったときには、回転数を下げてもトルク
上限Ｔａ（図１０（ａ）参照）を越えるトルクを発生さ
せることができないという問題点がある。また、近年、
ＴＢＭの全地質対応性向上に伴い、従来ではＴＢＭで掘
削することのなかったレベルの弱層部まで掘削する必要
性がある。

【０００５】このような問題点に対処するために、本出
願人は特願平９−１０３０６８号（特開平１０−３０３
９５号公報）において、油圧モータと電動モータとを設
け、特性に応じて低トルク高速回転と高トルク低速回転
とに使い分けられるカッタヘッドの駆動方法を提案して
いる（図１０（ａ））。この方法においては、通常掘削
時には電動モータが使用され、軟弱層に遭遇したときに
は油圧モータに切り替えられて高トルク低速回転の掘削
が行われるようにされている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記先
願に記載のカッタヘッドの駆動方法では、油圧モータと
電動モータとが設けられているため取付けスペースが大
きくなるとともに、油圧モータと電動モータとの切替え
操作が必要となり、作業工程が増えるという問題点があ
る。また、図１０（ａ）にも示されるように、油圧モー
タと電動モータとを切り替える際にトルクが連続的に変
更されないという問題点もある。

【０００７】また、従来のインバータ制御電動機（４ポ
ールインバータ電動機）の減速機の減速比を２倍にし
て、トルクアップを図ることが考えられるが、このよう
にした場合には、できる限りコンパクトにしたい減速機
がさらに大きくなってしまうという問題点がある。ま
た、この場合、減速比を２倍にする以前の回転数と同じ
回転数を得るためにはモータを２倍の速度で回転させる
必要がある。しかし、モータの回転速度には限界があ
り、２倍の回転数で硬岩部の高速掘削に対応することは
困難であるという問題点がある。

【０００８】本発明は、このような問題点を解決するた
めになされたもので、例えば弱層部では地山を乱さない
ように低回転高トルクでカッタヘッドを回転させ、例え
ば硬岩部では高速掘進のために高回転低トルクでカッタ
ヘッドを回転させることができ、これによって地山状況
に応じた掘削が可能となるカッタヘッドの駆動方法を提
供することを目的とするものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段および作用・効果】前記目
的を達成するために、第１発明によるカッタヘッドの駆
動方法は、岩盤掘削用のディスクカッタを装備したカッ
タヘッドと、このカッタヘッドを支持するカッタヘッド
サポートと、グリッパジャッキにより坑壁に対して接離
自在のグリッパと、このグリッパとカッタヘッドおよび
カッタヘッドサポートとが相対的に近離移動するための
スラストジャッキとを備えるトンネル掘削機におけるカ
ッタヘッドの駆動方法であって、商用電源の周波数で最
大トルクを発生する６ポールもしくは８ポールの電動モ
ータを用いて、これら各モータをインバータ制御して前
記カッタヘッドを駆動することを特徴とするものであ
る。

【００１０】本発明においては、商用電源の周波数（以
下、商用周波数という。）で最大トルクを発生する６ポ
ールもしくは８ポールの電動モータをインバータ制御し
てトンネル掘削機の前端部に配されるカッタヘッドを回
転駆動するようにしている。このように電動モータをイ
ンバータ制御するようにされているので、カッタヘッド
の回転数を無段階に設定することができる。また、商用
周波数で最大トルクを発生する６ポールもしくは８ポー
ルの電動モータを用いることにより低回転数域で高トル
クを得ることができる。

【００１１】このように電動モータのみで低回転数域で
高トルクが得られるため、例えば切羽が自立しない程の
弱層部においては、地山を乱さないようにカッタヘッド
を低速回転させることができるとともに、カッタヘッド
に倒れ込んでくる切羽による抵抗やスクリュー排土する
場合のカッタヘッド内にずりを貯めて掘削するための抵
抗等に高トルクにより打ち勝つことができる。一方、硬
岩部では高速掘進のために高速回転させることができ
る。こうして、地山状況に応じた掘削が可能となるとい
う効果を奏する。また、岩盤等の硬岩部から切羽が自立
しない程の弱層部まで掘削することができるようにな
り、ＴＢＭの地質対応性を向上させることができるとい
う効果を奏する。

【００１２】次に、第２発明によるカッタヘッドの駆動
方法は、岩盤掘削用のディスクカッタを装備したカッタ
ヘッドと、このカッタヘッドを支持するカッタヘッドサ
ポートと、グリッパジャッキにより坑壁に対して接離自
在のグリッパと、このグリッパとカッタヘッドおよびカ
ッタヘッドサポートとが相対的に近離移動するためのス
ラストジャッキとを備えるトンネル掘削機におけるカッ
タヘッドの駆動方法であって、商用電源の周波数より低
い周波数で最大トルクを発生する電動モータを用いて、
この電動モータをインバータ制御して前記カッタヘッド
を駆動することを特徴とするものである。

【００１３】本発明においては、商用周波数より低い周
波数で最大トルクを発生する電動モータがその商用周波
数より低い周波数を基底周波数としてインバータ制御さ
れ、トンネル掘削機のカッタヘッドが回転駆動される。
このように基底周波数を商用周波数より低い周波数とす
ることにより、極数の少ない電動モータであっても基底
周波数を商用周波数とする多極数の電動モータと同等の
大きなトルクを得ることができる。すなわち、前記カッ
タヘッドの回転駆動を前記電動モータにより低回転高ト
ルクから高回転低トルクまで連続的に制御することがで
きる。

【００１４】本発明によれば、前記発明と同様に、弱層
部においては地山を乱さないように大きなトルクでカッ
タヘッドを低速回転させて、硬岩部では高速掘進のため
に低トルクで高速回転させて効率よく掘削できる。こう
して、広範囲な地山状況に応じた掘削を効率よく行なう
ことができるという効果を奏する。

【００１５】また、本発明において、前記電動モータ
は、４ポールの電動モータであるのが好ましい。こうす
ることにより、モータの極数が少なくても基底周波数を
商用周波数とする多極数の電動モータと同等のトルクを
得ることができ、低回転高トルクから高回転低トルクま
で連続的に制御することができる。また、極数が少ない
ため、前記多極数の電動モータに比べてその効率が良い
という効果を奏する。

【００１６】

【発明の実施の形態】次に、本発明によるカッタヘッド
の駆動方法の具体的な実施の形態について、図面を参照
しつつ説明する。

【００１７】図１には、本発明の第１実施例に係るカッ
タヘッド駆動方法を実施するカッタヘッド駆動部の背面
図が示されている。

【００１８】第１実施例のトンネル掘削機においては、
岩盤掘削用のディスクカッタを前面に装備するカッタヘ
ッドが前面側に設けられ、このカッタヘッドの後方には
これを支持するカッタヘッドサポートが設けられてい
る。また、このカッタヘッドサポートの後方側には、ト
ンネル坑壁に対して伸縮自在なグリッパジャッキとこの
グリッパジャッキを伸長させることによりトンネル坑壁
に掘進反力をとるようにされるグリッパとが設けられる
とともに、前記グリッパとカッタヘッドおよびカッタヘ
ッドサポートとの間には、それぞれを相対的に近離移動
させるスラストジャッキが設けられている。なお、この
ように構成されるトンネル掘削機はそれ自体公知の構造
であるので図示は省略する。

【００１９】第１実施例においては、カッタヘッド駆動
部１の支持体２に４個の８ポールインバータ電動機３が
取り付けられ、これら８ポールインバータ電動機３によ
って前面側に設けられるカッタヘッド（図示省略）が回
転駆動されるように構成されている。この８ポールイン
バータ電動機３の前部（カッタヘッド側）には、減速機
（図示省略）が配され、この減速機の出力軸がカッタヘ
ッドの駆動歯車（図示省略）に連結されるようになって
いる。なお、本実施例の電動機は、本発明における電動
モータに対応する。

【００２０】前記８ポールインバータ電動機３のトルク
−回転数の特性が図２に示されている。これら８ポール
インバータ電動機３は、商用電源の周波数２ｆ（５０Ｈ
ｚもしくは６０Ｈｚ；以下、商用周波数という。）で最
大トルク２Ｔを発生するものである。図示されるよう
に、前記８ポールインバータ電動機３は、図１０（ａ）
の矢印Ｑで示される従来の４ポールインバータ電動機
（商用周波数で最大トルクを出力する４ポールインバー
タ電動機）に比べて、低速回転数域で２倍のトルクを得
ることができ回転数に応じてトルクを連続的に変更させ
ることができるとともに、前記従来の４ポールインバー
タ電動機の場合と同様の利点を引き継ぐものである。し
たがって、例えば切羽が自立しない程の弱層部を掘削す
る際にカッタヘッドを高トルク低速回転させることがで
き、硬岩部ではカッタヘッドを低トルク高速回転させる
ことができるという効果を奏する。また、このようなカ
ッタヘッド駆動部１を岩盤掘削用のトンネル掘削機（Ｔ
ＢＭ）に用いることにより、主に硬岩部の掘削に用いら
れるＴＢＭの地質対応性を向上させることができる。

【００２１】ところで、図３には、ＴＢＭ（φ５．０
ｍ）におけるカッタヘッド駆動部１により掘削される地
山圧縮強度σ（ｋｇ／ｃｍ^２）と前記カッタヘッドの前
面に設けられるディスクカッタ（図示省略）の貫入量Ｐ
ｅ（ｃｍ／ｒｅｖ）との関係図が示されている。一方、
図４には、図３に示されるような地山圧縮強度σに対す
るカッタヘッドの貫入量Ｐｅを得るために必要なカッタ
ヘッドのトルクＴ（ｔｆｍ）と地山圧縮強度σとの関係
図が示される。なお、この図４で表されるトルクＴは、
図５に示される前記カッタヘッドの貫入量Ｐｅを得るた
めの岩盤掘削に必要なトルクＴ_１と、図６に示される地
山との摩擦により必要なトルクＴ_２との合計により求め
られる。

【００２２】また、図７には、ＴＢＭ（φ５．０ｍ）に
おける地山圧縮強度σ（ｋｇ／ｃｍ ^２）とカッタヘッド
回転数Ｎ（ｒｐｍ）との関係図が示される。このよう
に、カッタヘッドは弱層部では地山を乱さないように低
速回転され、硬岩部では掘進速度を稼ぐために高速回転
されるようにされる。

【００２３】図８には、ＴＢＭ（φ５．０）における地
山圧縮強度σ（ｋｇ／ｃｍ^２）と所要トルクＴ（ｔｆ
ｍ），図７に示される回転数の時の４ポールインバータ
電動機のトルクＴ_４，６ポールインバータ電動機のトル
クＴ_６，８ポールインバータ電動機のトルクＴ_８，ポー
ルチェンジモータ（４Ｐ，８Ｐ）のトルクＴ_Ｐとのそれ
ぞれの関係が示されている。この図８から明らかなよう
に、４ポールインバータ電動機のトルクＴ_４では地山圧
縮強度が低い時に必要とされる所要トルクＴに全く達し
ておらず、ポールチェンジモータのトルクＴ_Ｐは所要ト
ルクＴに比べてかなりの無駄が生じている。これに対し
て、８ポールインバータ電動機のトルクＴ _８のトルク線
図は所要トルクＴのトルク線図と一致しており、８ポー
ルインバータ電動機が硬岩部から軟岩部に対応するカッ
タヘッドの回転駆動に最適であることが分かる。なお、
前記ポールチェンジモータ（４Ｐ，８Ｐ）は、従来の図
１０（ｂ）に示されるように２段変速しか行うことがで
きず、図７に示される回転数の多段変速を行うことは不
可能である。

【００２４】ただし、図８に示されるように、６ポール
インバータ電動機のトルクＴ_６は、地山圧縮強度が低い
場合は若干トルクが足りないものの、所要トルクＴにほ
ぼ等しいトルクを得ることができる。したがって、本実
施例においては、８ポールインバータ電動機が用いられ
ているが、６ポールインバータ電動機を用いてもよい。
さらに、トンネル掘削機内のカッタヘッド駆動部のスペ
ースおよび必要なトルクに応じて１０ポールまたは１２
ポールインバータ電動機等を用いることも可能である。
また、前述の各ポールインバータ電動機は、商用周波数
（５０Ｈｚもしくは６０Ｈｚ）で最大トルクを発生する
ものであり、その商用電源の周波数が基底周波数とされ
ている。

【００２５】次に、第２実施例のカッタヘッドの駆動方
法について説明する。第２実施例においては、第１実施
例と同様に、カッタヘッド駆動部１の支持体２に４個の
４ポールインバータ電動機（以下、高トルク４ポール電
動機という。）（図示省略）が取り付けられており、こ
れら高トルク４ポール電動機により前記カッタヘッドが
回転駆動するように構成されている。なお、第２実施例
のトンネル掘削機のその他の構造は、第１実施例のトン
ネル掘削機の構造と同一である。

【００２６】これら高トルク４ポール電動機は、そのコ
イル巻き数が従来の４ポールインバータ電動機のコイル
巻数の２倍とされており、前記商用周波数２ｆより低い
周波数ｆ（本実施例では３０Ｈｚ）で最大トルク２Ｔを
発生するように構成されている。

【００２７】これら高トルク４ポール電動機のトルク−
回転数の特性が図９に示されている。このように高トル
ク４ポール電動機は前記低周波数ｆを基底周波数とする
ことにより、低速回転数域で商用周波数２ｆを基底周波
数とする従来の４ポールインバータ電動機のトルクＴに
対して２倍のトルク２Ｔを出力することができ、低速回
転高トルクから高速回転低トルクまで回転数に応じてト
ルクを連続的に制御することができる。したがって、第
１実施例と同様の効果を得ることができる。

【００２８】さらに、前記高トルク４ポール電動機は、
商用周波数２ｆを基底周波数とする８ポールインバータ
電動機３と同等のトルク−回転数特性を有しており、そ
れら高トルク４ポール電動機はその極数が少ないため前
記８ポールインバータ電動機３と比較すると効率が良い
という効果を奏する。

【００２９】第２実施例において、高トルク４ポール電
動機は、その基底周波数を３０Ｈｚとして商用周波数２
ｆを基底周波数とする８ポールインバータ電動機と同等
のトルクを出力可能に構成されているが、その基底周波
数およびコイル巻数を調整して６ポール，１０ポールま
たは１２ポールインバータ電動機と同等のトルクを出力
可能に構成されていてもよい。

【００３０】第１実施例および第２実施例においては、
８ポールインバータ電動機３もしくは高トルク４ポール
電動機をＴＢＭに搭載する場合を説明したが、これに限
らず、前記８ポールインバータ電動機３もしくは高トル
ク４ポール電動機をシールドトンネル掘削機に搭載する
こともできる。この場合においても、前述と同様の作用
効果を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明の第１実施例に係るカッタヘッ
ドの駆動方法を実施するカッタヘッド駆動部の背面図で
ある。

【図２】図２は、８ポールインバータ電動機のトルクと
回転数との関係図である。

【図３】図３は、ＴＢＭ（φ５．０ｍ）における地山圧
縮強度とディスクカッタの貫入量との関係図である。

【図４】図４は、ＴＢＭ（φ５．０ｍ）における地山圧
縮強度と岩盤掘削に必要なトルクとの関係図である。

【図５】図５は、ＴＢＭ（φ５．０ｍ）における地山圧
縮強度と摩擦により必要なトルクとの関係図である。

【図６】図６は、ＴＢＭ（φ５．０ｍ）における地山圧
縮強度と必要なカッタヘッドトルクとの関係図である。

【図７】図７は、ＴＢＭ（φ５．０ｍ）における地山圧
縮強度とカッタヘッドの回転数との関係図である。

【図８】図８は、ＴＢＭ（φ５．０ｍ）における地山圧
縮強度σ（ｋｇ／ｃｍ^２）と所要トルクＴ（ｔｆｍ），
図７に示される回転数の時の４ポールインバータ電動機
のトルクＴ_４，６ポールインバータ電動機のトルク
Ｔ_６，８ポールインバータ電動機のトルクＴ_８，ポール
チェンジモータ（４Ｐ，８Ｐ）のトルクＴ_Ｐとの関係図
である。

【図９】図９は、高トルク４ポール電動機のトルクと回
転数との関係図である。

【図１０】図１０は、従来の油圧モータ（矢印Ｐ）と電
動モータ（矢印Ｑ）とのトルク−回転数の特性を示す関
係図（ａ）およびポールチェンジモータ（４Ｐ，８Ｐ）
のトルク−回転数の特性を示す関係図（ｂ）である。

【符号の説明】

１ カッタヘッド駆動部 ２ 支持体 ３ ８ポールインバータ電動機

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 森岡 享一 石川県小松市八日市町地方５ 株式会社小 松製作所小松工場内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 岩盤掘削用のディスクカッタを装備した
   カッタヘッドと、このカッタヘッドを支持するカッタヘ
   ッドサポートと、グリッパジャッキにより坑壁に対して
   接離自在のグリッパと、このグリッパとカッタヘッドお
   よびカッタヘッドサポートとが相対的に近離移動するた
   めのスラストジャッキとを備えるトンネル掘削機におけ
   るカッタヘッドの駆動方法であって、 商用電源の周波数で最大トルクを発生する６ポールもし
   くは８ポールの電動モータを用いて、これら各モータを
   インバータ制御して前記カッタヘッドを駆動することを
   特徴とするカッタヘッドの駆動方法。
2. 【請求項２】 岩盤掘削用のディスクカッタを装備した
   カッタヘッドと、このカッタヘッドを支持するカッタヘ
   ッドサポートと、グリッパジャッキにより坑壁に対して
   接離自在のグリッパと、このグリッパとカッタヘッドお
   よびカッタヘッドサポートとが相対的に近離移動するた
   めのスラストジャッキとを備えるトンネル掘削機におけ
   るカッタヘッドの駆動方法であって、 商用電源の周波数より低い周波数で最大トルクを発生す
   る電動モータを用いて、この電動モータをインバータ制
   御して前記カッタヘッドを駆動することを特徴とするカ
   ッタヘッドの駆動方法。
3. 【請求項３】 前記電動モータは、４ポールの電動モー
   タである請求項２に記載のカッタヘッドの駆動方法。