(57)【要約】【課題】従来公知のシールド掘削機では、カッターを回転駆動する液圧シリンダーが上死点や下死点になると、液圧シリンダーの推力による回転方向への分力の発生がないため回転トルクが発生せず、このため、液圧シリンダーの上死点、下死点、及び上下死点の領域付近で液圧シリンダーは押し引きができなくなり、カッターによる掘削ができなかった。【解決手段】複数の駆動用油圧シリンダーにより偏心多軸カッターの回転駆動力を得る偏心多軸カッター式シールド掘削機において、該駆動用油圧シリンダーのそれぞれに油圧シリンダーのストローク位置検出手段と、偏心多軸カッターの回転位相位置検出手段とを備え、一方の検出手段の検出値を主なる動作制御のパラメータとして用い、他方の検出手段の検出値を補助制御のパラメータとして用いて駆動制御を行う。【選択図】              図３
2004190282.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の油圧シリンダーにより揺動回転する偏心多軸カッターを備えた偏心カッター式シールド掘削機において、前記複数の油圧シリンダーのそれぞれに設けた油圧シリンダーのストローク位置検出手段と、前記偏心多軸カッターの回転軸に設けた回転位相位置検出手段とより前記油圧シリンダーの死点を検出し、前記油圧シリンダーが死点近傍から死点に到達し、死点を脱するまでは、前記ストローク位置検出手段と前記回転位相位置検出手段の少なくとも一方によりその油圧シリンダーを解放状態となるように制御することを特徴とする偏心多軸カッター式シールド掘削機。
【請求項２】
前記ストローク位置検出手段と前記回転位相位置検出手段のいずれか一方を、前記油圧シリンダーを解放状態とする制御の主パラメータとし、もう一方を補助のパラメータとすることを特徴とする請求項１に記載の偏心多軸カッター式シールド掘削機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、油圧シリンダーにより偏心多軸カッターの回転駆動を制御する偏心多軸カッター式シールド掘削機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
【特許文献１】特開２００１−１１６０１２号公報
従来、シールド掘削機本体の前部に設けられた隔壁に回転自在に貫設された複数のクランク機構の前部に軸支されて回転駆動されるカッター部と、これら複数のクランク機構の後部に連結された複数の液圧ジャッキの伸縮運動により、これら複数のクランク機構をクランク運動させ、このクランク運動によりカッター部が揺動しながら切羽面を掘削するシールド掘削機として、上記特許文献１に記載されたシールド掘削機が知られている。
【０００３】
前記従来公知のシールド掘削機は、カッター部を駆動する複数本の液圧シリンダーの複数の死点が互いに重ならないように、しかも複数の押しと複数の引きが位相がずれながら重なるように取付けた状態で、押し側から引き側へ、または引き側から押し側へスムーズに切り換えることができ、その切り換え時において衝撃の発生を防止するために、液圧シリンダーのピストンロッドが死点または死点近傍にある際は、その液圧シリンダーへ供給される液圧の方向を制御する方向制御弁を中立位置にしてその液圧シリンダーを解放状態とし、他の液圧シリンダーの力により移動させるように制御している。このため、上記従来公知のシールド掘削機では、カッター部を合成トルクが大きく且つ変動が小さいトルクで、スムーズに揺動回転することができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来公知のシールド掘削機は、以下のような問題点がある。すなわち、液圧シリンダーの死点の検出方法として、液圧シリンダーに位置検出手段（センサー）を設け、この位置検出手段（センサー）の検出結果に基づいて液圧シリンダーを制御している。このため、仮に該位置検出手段（センサー）の故障や破損、信号線の断線といった不測の事態が生じた場合には、液圧シリンダー自体を本来意図した状態で制御できなくなり、その結果、カッター駆動部に不要な応力を発生させ、カッター部の回転トルクの低下や回転不能といった事態を引き起こす恐れがあった。
【０００５】
そこで、本発明は、上述した課題によりなされたもので、不測の事態が発生した場合にも、カッター部を正常に回転駆動することができる偏心多軸カッター式シールド掘削機を提供することを目的とするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明の請求項１に記載の発明は、複数の油圧シリンダーにより揺動回転する偏心多軸カッターを備えた偏心カッター式シールド掘削機において、前記複数の油圧シリンダーのそれぞれに設けた油圧シリンダーのストローク位置検出手段と、前記偏心多軸カッターの回転軸に設けた回転位相位置検出手段とより前記油圧シリンダーの死点を検出し、前記油圧シリンダーが死点近傍から死点に到達し、死点を脱するまでは、前記ストローク位置検出手段と前記回転位相位置検出手段の少なくとも一方によりその油圧シリンダーを解放状態となるように制御することを特徴とするものである。また、上記の目的を達成するため、本発明の請求項２に記載の発明は、ストローク位置検出手段と前記回転位相位置検出手段のいずれか一方を、前記油圧シリンダーを解放状態とする制御の主パラメータとし、もう一方を補助のパラメータとすることを特徴とするものである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図１〜図５によって説明する。図１は、本発明の偏心多軸カッター式掘削機の側面図、図２は、本発明の油圧シリンダー駆動装置と油圧回路の概念構成図、図３は、本発明の通常動作時の油圧シリンダー制御の概念図、図４は、本発明の上死点側近接センサー故障時の油圧シリンダー制御の概念図、図５は、本発明の上、下死点両側の近接センサー故障時の油圧シリンダー制御の概念図である。
【０００８】
図１、２に示す本発明のシールド掘削機１は、シールド筒２と、シールド掘削機１の前部には、切羽面を揺動しながら回転駆動して掘削するカッター４を備えており、シールド筒２の内部には、該カッター４を回転駆動する複数本のクランク機構５と、該複数本のクランク機構５をクランク運動させる複数本のカッター駆動用油圧ジャッキ８が設けられている。カッター４の切羽面側には多数のカッタービット１６が設けられており、該カッター４の後面にはカッター４を揺動回転駆動する複数本のクランク機構５が回転可能に設けられている。各クランク機構５は、シールド掘削機１の隔壁３にクランク機構５の本数分形成された各クランク回転孔２０に遊嵌されて回転自在に設けられていると共に、各クランク機構５のクランクアーム６の後端部は連結板７に枢止されている。この連結板７とシールド筒２の内周壁に突設された取付けフランジ部１１との間に、一端と他端９が取付ピン２１と取付ピン２２で取付けられた複数本のカッター駆動用油圧ジャッキ８が取付けられている。図２に示す本発明の実施の態様では、３本のカッター駆動用油圧シリンダー８が等間隔でシールド筒２の内周壁に取付けられているタイプのものが示されている。
【０００９】
各カッター駆動用油圧ジャッキ８は、それぞれ油路２９、油路３０によりソレノイド式の三位置方向切換弁２８を介して油圧ポンプ２７に接続されて油圧回路が構成されている。各カッター駆動用油圧シリンダー８のシリンダー側には、ピストンロッド１８の下死点と上死点を検出するリミットスイッチで構成されるピストンロッドの位置検出手段であるストローク検出器２４ａとストローク検出器２４ｂが、また、ピストン１８に、該ストローク検出器２４ａとストローク検出器２４ｂと当接するストローク検出片２５がそれぞれ設けられている。
【００１０】
そして、該ストローク検出器２４ａとストローク検出器２４ｂは、ピストン１８の伸長又は縮小の際に、ピストン１８に設けられたストローク検出片２５と当接し、カッター駆動用油圧シリンダー８の上、下死点領域を検出し、ストローク検出器２４ａ又はストローク検出器２４ｂからの信号が発せられ、導線３２又は導線３３を経て制御ユニット３１に送られ、そして、制御ユニット３１から導線３５又は導線３６を経て三位置方向切換弁２８に中立位置ロへの切替動作信号が送られて該三位置方向切換弁２８を中立位置ロに切替え、カッター駆動用油圧シリンダー８を解放する。そして、他のカッター駆動用油圧シリンダー８の伸縮動作に追従することにより、縮小又は伸長動作をし、クランク機構５のクランク運動でカッター４を切羽面を揺動させるように回転させて掘削するようになっている。
【００１１】
符号１４は、カッター４によってシールド掘削機１の前方のチャンバー１７内に取り込まれた掘削土砂をシールド掘削機１外部に搬出するためのスクリューコンベアである。また、符号１５は、掘削形成されたトンネルの内壁面にセグメント１３を配置するエレクターである。また、シールド筒２の内周に組み立てられたセグメント１３の端面で反力をとってシールド掘削機１を前方に推進する推進用油圧シリンダー１２を備えている。
【００１２】
符号２６は、カッターの回転角度を計測するカッター回転位置検出器であるロータリエンコーダで、カッター４を回転駆動するクランク機構５の軸部の回転角度を検出するように回転軸に設けられている。このロータリエンコーダ２６は、クランク機構５の軸部の回転を検出することで、クランク機構５の軸部の先端に設けらているカッター４の回転角を検出し、このときに検出されるカッター４の回転角を内部で演算処理している。そして、ロータリエンコーダ２６によって検出された検出角が、予め設定された検出角度の範囲内にあれば、カッター駆動用油圧シリンダー８を解放状態にするように制御ユニット３１に三位置方向切換弁２８を中立位置にするための信号を発する。
【００１３】
次に、上記構成を有する本発明の油圧シリンダー駆動式カッター駆動装置の基本の動作について説明する。
Ａ．基本制御動作の説明
図２にカッター駆動用油圧シリンダー８を駆動する油圧回路の概略構成図を示している。油圧シリンダー駆動式カッター駆動装置の基本動作として、カッター４を回転駆動するクランク機構５にクランク運動を行わせるため、クランク機構５のクランクアーム６の後端部とカッター駆動用油圧ジャッキ８の一端とが枢止されている連結板７を回転駆動してクランク機構５にクランク運動を付与する。
【００１４】
すなわち、３つのカッター駆動用油圧シリンダー８の伸長・縮小をそれぞれ制御することによって連結板７を揺動回転させ、そして、その揺動回転をクランク機構５に付与してカッター４を揺動回転駆動する。このとき、これらカッター駆動用油圧シリンダー８の最伸長、及び最縮小近傍に設けられた上死点、下死点では、カッター駆動用油圧シリンダー８の推力による回転方向への分力の発生がないため連結板７に回転トルクを付与することができない。また、その上下死点領域付近でも油圧シリンダー推力が小さいため余り回転トルクに寄与しない。
【００１５】
また、この上下死点は、カッター駆動用油圧シリンダー８の伸縮動作切替えとなる点であるが、連続回転中にこの上下死点上で瞬時にカッター駆動用油圧シリンダー８の伸縮動作を切り替えるのは非常に困難であり、このため、この上下死点付近では、カッター駆動用油圧シリンダー８の伸縮動作を行わせず、三位置方向切換弁２８を中立位置ロに切替えてカッター駆動用油圧シリンダー８の伸び側の油路２９と縮み側の油路３０を連通させてカッター駆動用シリンダー８の動作を解放し、他の伸縮動作状態にあるカッター駆動用油圧シリンダー８によって受動的に追従動作できるようにしておくことにより、上下死点付近での圧油による伸縮切り替えのタイミングの許容範囲をつくり、回転トルクの大幅な低下を起こさず円滑な動作制御を行っている。
【００１６】
Ｂ．通常動作時の説明
通常動作時のカッター駆動用油圧シリンダー制御の概念を図３に示す。カッター駆動用油圧シリンダー８の伸縮動作の主制御のための信号検出は、各カッター駆動用油圧シリンダー８に設けたカッター駆動用油圧シリンダー８の上、下死点を検出するリミットＳＷや近接ＳＷからなるストローク検出器２４ａ、２４ｂと、ピストン１８に設けたストローク検出片２５から構成している。該ピストン１８の伸長又は縮小の際に、ストローク検出片２５がストローク検出器２４ａ、２４ｂと当接することにより、カッター駆動用油圧シリンダー８の上、下死点領域を検出し、ストローク検出器２４ａ又はストローク検出器２４ｂからの信号が発せられ、導線３２又は導線３３から制御ユニット３１に送られる。そして、制御ユニット３１から導線３５又は導線３６を経て三位置方向切換弁２８に中立位置ロへの切替動作信号が送られて該三位置方向切換弁２８が中立位置ロに切替えられてカッター駆動用油圧シリンダー８を解放する。次に、カッター駆動用油圧シリンダー８が上、下死点領域からの脱出した時点で、上、下死点領域を検出する前のシリンダー８の動作方向と逆方向へカッター駆動用油圧シリンダー８が動作するように三位置方向切換弁２８の動作指令を行う。この繰り返し動作によりクランク機構５をクランク運動させてカッター４を正常に揺動回転させて掘削するようになっている。
【００１７】
Ｃ．ストローク検出器２４ａの異常時
上死点側近接センサー（ＬＳ１）であるストローク検出器２４ａが故障時の油圧シリンダー制御の概念図を図４に示す。カッター駆動用油圧シリンダー８の伸縮動作の主制御のための信号検出は、各カッター駆動用油圧シリンダー８に設けられたストローク位置検出手段であるストローク検出器２４ａとストローク検出器２４ｂで検出されており、仮に、この上死点側近接センサー（ＬＳ１）であるストローク検出器２４ａが故障した場合についての動作を説明する。下死点側では、下死点側近接センサー（ＬＳ２）であるストローク検出器２４ｂにより下死点領域を検出した時点（０ｒａｄ前後の範囲）で三位置方向切換弁２８の動作指令を中立位置ロにし、カッター駆動用油圧シリンダー８を解放している。
【００１８】
また、ストローク検出器２４ｂにより下死点領域からの脱出を検出した時点で、カッター駆動用油圧シリンダー８が伸長動作するように伸長位置切替動作信号が導線３５を経て三位置方向切換弁２８に送られて伸長位置イに切り換えられ、カッター駆動用油圧シリンダー８が伸長する。その次には本来、上死点側近接センサー（ＬＳ１）であるストローク検出器２４ａで上死点領域を検出した時点（πｒａｄ前後の範囲）で三位置方向切換弁２８の動作指令を中立位置ロにし、カッター駆動用油圧シリンダー８を解放するはずであるが、このセンサーであるストローク検出器２４ａが故障している場合には検出できず、三位置方向切換弁２８を中立位置ロにする動作信号を発することができない。
【００１９】
このため、ロータリエンコーダ２６によって検出されるカッター４の回転位相位置検出信号を利用してカッター駆動用油圧シリンダー８の動作を制御する。すなわち、カッター４の回転位相位置検出信号が、制御ユニット３１で定義されたバルブ動作不可範囲（ＮＡ）まで達していると、この時点で制御ユニット３１の制御プログラムによって強制的にカッター駆動用油圧シリンダー８の三位置方向切換弁２８を中立位置ロに切り換える。また、上死点領域からの脱出の検出もロータリーエンコーダ２６により行われる。ロータリーエンコーダ２６により上死点領域からの脱出を検出した場合には、三位置方向切換弁２８を縮小位置に切替え、カッター駆動用油圧シリンダー８を縮小する。この繰り返し動作により、カッター駆動用油圧シリンダー８の正常な動作を確保し、カッター４を正常に揺動回転させる。また、運転者等に対しては、近接センサーの異常を警告するようにしている。
【００２０】
Ｄ．上死点側近接センサー（ＬＳ１）であるストローク検出器２４ａと下死点側近接センサー（ＬＳ２）であるストローク検出器２４ｂの両方が異常時
上死点側近接センサー（ＬＳ１）であるストローク検出器２４ａと下死点側近接センサー（ＬＳ２）であるストローク検出器２４ｂの両方が故障時の油圧シリンダー制御の概念図を図５に示す。油圧シリンダー８の伸縮動作の主制御のための信号検出は、各油圧シリンダー８に設けられたストローク位置検出手段２４ａと２４ｂとで行われているが、ストローク検出器２４ａとストローク検出器２４ｂの両方が故障した場合について説明する。
【００２１】
本来、下死点側近接センサー（ＬＳ２）であるストローク検出器２４ｂで下死点領域を検出した時点（０ｒａｄ前後の範囲）で三位置方向切換弁２８を中立位置ロに切り換えて油圧シリンダー８を解放するはずであるが、このストローク検出器２４ｂが故障している場合には信号が検出できない。そのため三位置方向切換弁２８は縮小位置ハのままにあり、カッター駆動用油圧シリンダー８の縮小状態は最終的にロータリーエンコーダ２６により検出され、制御ユニット３１で定義されたバルブ動作不可範囲（ＮＡ）まで達した時点で制御ユニット３１の制御プログラムによって強制的にカッター駆動用油圧シリンダー８の三位置方向切換弁２８を中立位置ロに切り換える。
【００２２】
また、ロータリーエンコーダ２６により下死点領域からの脱出を検出した時点で、カッター駆動用油圧シリンダー８を伸長動作するように三位置方向切換弁２８への動作指令を行う。その次は本来、上死点側近接センサー（ＬＳ１）であるストローク検出器２４ａで上死点領域を検出した時点（πｒａｄ前後の範囲）で三位置方向切換弁２８を中立位置ロに切換えることにより、カッター駆動用油圧シリンダー８を解放するはずであるが、このストローク検出器２４ａが故障している場合には信号が検出できない。このため、三位置方向切換弁２８は伸長位置イのままであり、このカッター駆動用油圧シリンダー８の伸長状態は、ロータリーエンコーダ２６により検出され、制御ユニット３１で定義されたバルブ動作不可範囲（ＮＡ）まで達した時点で制御ユニット３１の制御プログラムによって強制的に三位置方向切換弁２８は伸長位置イを中立位置ロに切替えてカッター駆動用油圧シリンダー８を解放する。
【００２３】
このように、仮にストローク検出器２４ａ、２４ｂに異常が生じた場合にも、ロータリーエンコーダ２６により、カッター駆動用油圧シリンダー８を正常に制御するため、カッター４を正常に揺動回転することができる。なお、上述までの説明において、カッター駆動用油圧シリンダー８のストローク検出を主制御のパラメータとし、ロータリーエンコーダ２６によるカッター４の回転角の検出を補助制御のパラメータとした実施の態様を説明したが、制御のパラメータとして、ロータリーエンコーダ２６によるカッター４の回転角の検出値を主制御のパラメータとし、もう一方のカッター駆動用油圧シリンダー８のストローク検出値を補助制御のパラメータとしても良いし、双方の検出値を並行して利用しても良い。
【００２４】
このように、本発明の偏心多軸カッター式シールド掘削機では、異なる２系統の制御用信号検出手段を設け、双方の信号を利用するとにより、一方の信号検出系統の異常時にも、油圧シリンダー動作の異常動作を防ぐことができるので、カッター駆動部に不要な応力の発生や回転トルクの低下、カッターの回転不能の発生を防止することができる。
【００２５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の偏心多軸カッター式シールド掘削機によれば、本発明は、異なる２系統の制御用信号検出手段を設け、双方の信号を利用するとにより、一方の信号検出系統の異常時にも、油圧シリンダー動作の異常動作を防ぐことができるので、カッター駆動部に不要な応力の発生や回転トルクの低下、カッターの回転不能の発生を防止することができると、と云う効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の偏心多軸カッター式掘削機の側面図、
【図２】本発明の油圧シリンダー駆動装置と油圧回路の概念構成図、
【図３】本発明の通常動作時の油圧シリンダー制御の概念図、
【図４】本発明の上死点側近接センサー故障時の油圧シリンダー制御の概念図、
【図５】本発明の上、下死点両側の近接センサー故障時の油圧シリンダー制御の概念図である。
【符号の説明】
１  シールド掘削機、  ２  シールド筒、  ３  隔壁、  ４  カッター、
５  クランク機構、  ６  クランクアーム、  ７  連結板、
８  カッター駆動用油圧シリンダー、  ９  他端、  １０ピストンロッド、
１１  取付けフランジ部、  １２  推進用油圧シリンダー、
１３  セグメント、  １４  スクリューコンベア、  １５  エレクター、
１６  カッタービット、  １７  チャンバー、  １８  ピストンロッド、
１９  クランク軸、  ２０  クランク回転孔、  ２１  取付ピン、
２２  取付ピン、  ２３  軸、  ２４ａ  ストローク検出器、
２４ｂ  ストローク検出器、  ２５  ストローク検出片、
２６  ロータリエンコーダ、  ２７  油圧ポンプ、  ２８  三位置方向切換弁、
２９  油路、  ３０  油路、  ３１  制御ユニット、  ３２  導線、
３３  導線、  ３４  導線、  ３５  導線、  ３６  導線。
【図１】
2004190282.tif 000003
【図２】
2004190282.tif 000004
【図３】
2004190282.tif 000005
【図４】
2004190282.tif 000006
【図５】
2004190282.tif 000007