(57)【特許請求の範囲】
【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を相対的に近離移動させ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も低い周波数で最大トルクを発生する電動モータをインバータ制御するとともに、硬岩層を掘削する際には電動モータの基底周波数が高くなるように、軟弱層を掘削する際には基底周波数が低くなるようにインバータの設定を変更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。
【請求項２】
前記電動モータは、４ポールの電動モータである請求項１に記載のカッタヘッドの駆動方法。
【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】
岩盤掘削用トンネル掘削機（ＴＢＭ）においては、その地山対応性が向上し、より広い範囲の地質（硬岩層から軟弱層）を効率よく掘削することが必要とされているため、種々のカッタヘッド駆動方法が採られている。例えば、特開平１０−３０３９５号公報に、油圧モータとインバータ制御電動モータとを設け、硬岩層を掘削する際にはカッタヘッドをインバータ制御電動モータにより高速低トルク回転させ、軟弱層を掘削する際にはカッタヘッドを油圧モータにより低速高トルク回転させて、インバータ制御電動モータと油圧モータとを切替えつつ広い範囲の地質を効率よく掘削させるカッタヘッドの駆動方法が提案されている。
【０００３】
前記公報に記載のカッタヘッドの駆動方法では、油圧モータとインバータ制御される電動モータとが設けられているため、大きな取付けスペースが必要であるという問題点があるとともに、油圧モータとインバータ制御される電動モータとを切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がある。
【０００４】
このような問題点に対処するために、本出願人は特願平１０−３２１５９６号において、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インバータ制御して、低回転高トルクから高回転低トルクまでを連続的に制御するカッタヘッドの駆動方法を提案している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、インバータ制御は周波数を変化させることによって電動モータの回転速度を変化させるが、一般的に高い効率で制御できる周波数の範囲は基底周波数の３倍程度までであり、周波数がその範囲を超えると出力トルクの効率低下が生じる（図３）。したがって、前記先願のカッタヘッド駆動方法では、商用電源周波数より低い周波数で最大トルクを発生するモータを使用し、その周波数を基底周波数としてインバータ制御することにより低回転域で高トルクを得ることができる反面、高回転域では効率が低下してトルクが低下してしまうという問題点がある。
【０００６】
本発明は、このような問題点を解消するためになされたもので、高回転域でトルクを低下させることなく低速高トルク回転から高速低トルク回転まで高い効率でカッタヘッドを駆動させ、広い範囲の地山状況に応じた掘削を可能とす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。
【０００７】
【課題を解決するための手段および作用・効果】
前述された目的を達成するために、本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を相対的に近離移動させ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も低い周波数で最大トルクを発生する電動モータをインバータ制御するとともに、硬岩層を掘削する際には電動モータの基底周波数が高くなるように、軟弱層を掘削する際には基底周波数が低くなるようにインバータの設定を変更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。
【０００８】
本発明においては、商用電源の周波数（商用周波数）よりも低い周波数で最大トルクを発生する電動モータをインバータ制御することによって、トンネル掘削機の前端部に配されるカッタヘッドが回転駆動される。前記電動モータのインバータによる基底周波数は切替可能であり、硬岩層を掘削する際には基底周波数が高い周波数に設定され、軟弱層を掘削する際には基底周波数が低い周波数に設定される。このように基底周波数を高い周波数に設定することにより、高回転域において出力トルクの効率が低下するのを回避できる。一方、基底周波数を低い周波数に設定することにより、低回転域において高トルクを得ることができる。なお、前記基底周波数は商用周波数よりも低い周波数であるのが好ましい。こうすることにより、低回転域でより高いトルクを得ることができる。
【０００９】
本発明によれば、地山状況に応じて基底周波数を切替えることにより、軟弱層を掘削する際には地山を乱さないように高トルクで低速回転させることができ、硬岩層を掘削する際に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することができる。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。
【００１０】
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、前述と同様の効果が得られるとともに、電動モータの極数が少なくても商用周波数を基底周波数（最大トルク発生周波数）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、極数が少ないため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。
【００１１】
【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き、図面を参照しつつ説明する。
【００１２】
図１には、本実施例の一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が示されている。
【００１３】
本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縮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。
【００１４】
本実施例においては、カッタヘッド駆動部１の支持体２に４個の高トルク４ポール電動機３が取付けられ、これら高トルク４ポール電動機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。この高トルク４ポール電動機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。
【００１５】
前記高トルク４ポール電動機３は、そのコイル巻数が商用周波数（５０Ｈｚ
もしくは６０Ｈｚ）で最大トルクを出力する一般的な４ポール電動機のコイル巻数に比べて多くされており、商用周波数より低い周波数で最大トルクを発生可能である。また、この高トルク４ポール電動機３は、インバータの設定により商用周波数より低い２種類の周波数ｆ２，ｆ２’（ｆ２＜ｆ２’）を基底周波数として設定することができる。なお、前記周波数ｆ２を基底周波数としたときのトルク−回転数特性が図２（ａ）に示され、前記周波数ｆ２’を基底周波数としたときのトルク−回転数特性が図２（ｂ）に示されている。本実施例において、周波数ｆ２は２７Ｈｚ，周波数ｆ２’は３０Ｈｚ，周波数ｆ３は８１Ｈｚおよび周波数ｆ４は９０Ｈｚとされており、前記高トルク４ポール電動機は周波数ｆ２で最大トルクＴ２を出力可能な構成とされている。
【００１６】
図２（ａ）に示されるように周波数ｆ２を基底周波数として設定した場合、回転数Ｎ２（周波数ｆ２）以下で高トルクＴ２を出力することが可能である。一方、回転数Ｎ３（周波数ｆ３）以上では基底周波数ｆ２から大きく離れて高い効率でインバータ制御できる周波数範囲を超えてしまうため出力トルクが著しく低下し、例えば回転数Ｎ４（周波数ｆ４）ではトルクＴ４を出力できず、効率の低下したトルクＴ４’を出力する。
【００１７】
図２（ｂ）に示されるように周波数ｆ２’を基底周波数として設定した場合、回転数Ｎ２以下で前記高トルクＴ２より低いトルクＴ２’しか出力できないが、回転数Ｎ３以上であってもインバータ制御可能範囲を超えないため前述のように出力トルクが低下することなく、例えば回転数Ｎ４では前記トルクＴ４を出力できる。
【００１８】
したがって、軟弱層を掘削する場合は基底周波数を周波数ｆ２に設定し、前記高トルク４ポール電動機３を低速高トルク回転させてカッタヘッドを駆動させる。また、硬岩層を掘削する場合は基底周波数を周波数ｆ２’に設定し、前記高トルク４ポール電動機３を高速低トルク回転させてカッタヘッドを駆動させる。前記周波数ｆ２を基底周波数とした場合の周波数ｆ２’〜ｆ３までのトルク曲線と、周波数ｆ２’を基底周波数とした場合の周波数ｆ２’〜ｆ３までのトルク曲線とが等しいため、基底周波数の切替えを行なっても周波数もしくは回転数に対応するトルクを連続的に制御することができる。
【００１９】
通常、カッタヘッドの回転駆動による掘削中には、そのカッタヘッドのトルクが電流値で検出されており、この電流値の変化によりカッタヘッドトルクの負荷すなわち地山状況が判断されている。この電流値によって軟弱層にさしかかったことが判断されると周波数ｆ２に基底周波数が切替えられ、地山を乱さないように低速回転され、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打ち勝つように高トルクで掘削が行なわれる。一方、前記電流値によって硬岩層にさしかかったことが判断されると前記周波数ｆ２’に基底周波数が切替えられる。硬岩層では切羽が自立して地山が乱れる恐れがないため、低トルクでかつ高速回転させ高速掘削が行なわれる。なお、前記基底周波数は、トンネル掘削機の１ストロークの掘進終了後、インバータの設定を変更して切替えられる。
【００２０】
本実施例によれば、基底周波数を切替えることにより、低回転域で高トルクが得られるとともに、高回転域でも出力トルクの効率を低下させることがないため、軟弱層から硬岩層の広範囲な地山をそれぞれの地質状態に応じた回転数およびトルクで効率よく掘削することができる。こうして、主に硬岩部の掘削に用いられるトンネル掘削機の地山対応性を向上させることができる。また、商用周波数より低い周波数ｆ２，ｆ２’を基底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商用周波数を基底周波数とする多極数の電動モータと同等の高トルクを得ることができ、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。
【００２１】
本実施例においては、高トルク４ポール電動機の基底周波数が切替えられてカッタヘッドが駆動されているが、これに限らず、例えば６ポールもしくは８ポールの電動機の基底周波数が切替えられてカッタヘッドが駆動されていても良い。
【００２２】
また、本実施例においては、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。
【００２３】
本実施例においては、カッタヘッドトルクを示す電流値によって地山状況が判断されて基底周波数が切替えられているが、これに限らず、作業者の目視による地山状況の判断により基底周波数が切替えられても良く、また前記カッタヘッドトルクの電流値により前記基底周波数が自動的に切替えられても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本実施例の一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、周波数ｆ２を基底周波数としたときのトルク−回転数特性を説明する図（ａ）および周波数ｆ２’を基底周波数としたときのトルク−回転数特性を説明する図（ｂ）である。
【図３】図３は、従来のカッタヘッド駆動方法の問題点を説明する図である。
【符号の説明】
１  カッタヘッド駆動部
２  支持体
３  高トルク４ポール電動機
【図１】
0003901368.tif 000002
【図２】
0003901368.tif 000003
【図３】
0003901368.tif 000004