(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の回転カッタを、カッタ中心間距離がそれぞれの回転カッタの掘削半径より大きく、掘削直径より小さくなるようにほぼ同一平面に配置し、各回転カッタを速度設定器からの速度指令信号と補助速度指令信号に基づいて独立に駆動する複数の駆動制御装置を備えた複円形シールド掘進機であって、
隣接する回転カッタ間の角度偏差を検出し、隣接する回転カッタのうち一方の回転カッタが他方の回転カッタに対して正転時に進んでいるときには前記一方の回転カッタの駆動制御装置に前記一方の回転カッタの速度を減少させるための補助速度指令信号として、また、隣接する回転カッタのうち一方の回転カッタが他方の回転カッタに対して逆転時に遅れているときには前記一方の回転カッタの速度を増加させるための補助速度指令信号として、一極性の角度偏差信号を前記一方の回転カッタの駆動制御装置に出力する偏差角度検出手段と、
前記偏差角度検出手段の出力信号を極性反転させ、前記角度偏差信号と異なる極性の信号を、前記正転時に前記他方の回転カッタの速度を増加させるための補助速度指令信号として、前記逆転時に前記他方の回転カッタの速度を減少させるための補助速度指令信号として、前記一極性の角度偏差信号を極性反転させた信号を前記他方の回転カッタの駆動制御装置に出力する逆変換器とを備えることを特徴とする複円形シールド掘進機。
【請求項２】
複数の回転カッタを、カッタ中心間距離がそれぞれの回転カッタの掘削半径より大きく、掘削直径より小さくなるようにほぼ同一平面に配置し、各回転カッタを速度設定器からの速度指令信号と補助速度指令信号に基づいて独立に駆動する複数の駆動制御装置を備えた複円形シールド掘進機であって、
隣接する回転カッタ間の角度偏差を検出し、隣接する回転カッタのうち一方の回転カッタが他方の回転カッタに対して正転時に進んでいるとき又は逆転時に遅れているとき、一極性の角度偏差信号を出力する偏差角度検出手段と、
前記偏差角度検出手段から出力された一極性の角度偏差信号の大きさを補正したい大きさに調整し、前記一方の回転カッタの駆動制御装置に補助速度指令信号として出力する補正率調整器と、
前記補正率調整器の出力信号を極性反転させ、前記角度偏差信号と異なる極性の信号を、前記他方の回転カッタの駆動制御装置に補助速度指令信号として出力する逆変換器とを備えることを特徴とする複円形シールド掘進機。
【請求項３】
複数の回転カッタを、カッタ中心間距離がそれぞれの回転カッタの掘削半径より大きく、掘削直径より小さくなるようにほぼ同一平面に配置し、各回転カッタを速度設定器からの速度指令と補助速度指令に基づいて複数の駆動制御装置を独立に駆動する複円形シールド掘進機の制御方法であって、
隣接する回転カッタ間の角度偏差を検出し、隣接する回転カッタのうち一方の回転カッタが他方の回転カッタに対して正転時に進んでいるとき又は逆転時に遅れているとき、一極性の角度偏差信号を前記一方の回転カッタの駆動制御装置に補助速度指令信号として出力すると同時に、前記角度偏差信号と異なる極性の信号を前記他方の回転カッタの駆動制御装置に補助速度指令信号として出力することで、進んでいる方の回転カッタの速度を減少させると同時に、遅れている方の回転カッタの速度を増加させることを特徴とする複円形シールド掘進機の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複円形シールド掘進機及びその制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、複数の回転カッタを、カッタ中心間距離がそれぞれの回転カッタの掘削半径より大きく、掘削直径より小さくなるように、つまり掘削軌跡がラップするようにほぼ同一平面に配置し、各回転カッタを独立に駆動する駆動装置を有する複円形シールド掘進機は知られている。このような複円形シールド掘進機においては、各回転カッタを干渉させることなく同期回転させることが必要である。
【０００３】
複円形シールド掘進機のカッタを同期制御させる従来の技術として、例えば特開平１−３１５５８９号公報（以下、第１従来例という）に示されているものがある。この第１従来例のものは、主たる回転カッタを駆動するモータ郡の親モータに対し、与えられた速度設定値と速度検出値の差が零となるように供給電力を調整する第１の速度制御手段を設けるとともに、従たる回転カッタを駆動するモータ群の中の親モータに対し、与えられた速度設定値と速度検出値の差および主たる回転カッタと従たる回転カッタの偏角検出値が共に零となるように供給電力を調整する第２の速度制御手段を設け、各速度制御手段により、主たる回転カッタと従たる回転カッタを同期回転制御するようにしている。
【０００４】
また、複円形シールド掘進機のカッタを同期制御させる他の従来技術として特開平３−７６９９６号公報（以下、第２従来例という）に示されているものがある。この第２従来例のものは、主たる回転カッタの速度制御手段と従たる回転カッタの速度制御手段の制御方式は前述の第１従来例のものと同じであるが、従たる回転カッタには、回転カッタ相互の偏差角による速度補正信号を、各回転カッタの速度制御手段のいずれに入力するかを選択できるスイッチを設けるとともに、同期運転しようとする各回転カッタの主従関係の指定に応じて、前記スイッチによりいずれか一方のみを選択的にオンする命令処理手段を設け、同期運転される回転カッタの主従関係を切り換えることができるようにしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来の複円形シールド掘進機のカッタ同期制御装置は、以上のように第１及び第２従来例のいずれの場合も、回転カッタの負荷の変動により回転速度が変動して各回転カッタ間で偏差角度が生じたとき、その偏差角度信号を従たる回転カッタの速度制御器にフィードバックして、従たる回転カッタの回転速度の同期制御を行っている。
【０００６】
また、シールド掘進機のカッタの負荷は、掘削対象の地山の性状により大きく左右される。このため、各回転カッタ間で負荷が大きく異なる場合もある。
【０００７】
主たる回転カッタの負荷が大きい場合は、その速度の低下による回転カッタ相互の偏差角度に応じて、従たる回転カッタの速度を下げることにより、同期状態を保つことが可能である。しかし、逆に主たる回転カッタの負荷が小さく、従たる回転カッタの負荷が大きい場合、主たる回転カッタは与えられた速度設定値に従って回転しているため、従たる回転カッタの速度低下による回転カッタ相互の偏差角度に応じて、従たる回転カッタの速度を上げるように速度フィードバックを行わなくてはならないが、従たる回転カッタの負荷が大きいとその速度を上げることが困難となり、主たる回転カッタの速度に追従できなくなって、同期状態を逸脱してしまう。
【０００８】
このような問題を、前述の第２従来例では、回転カッタの主従関係の切換手段を設けて、負荷の大きい方の回転カッタを主たる回転カッタとし、相対的に負荷の小さい方の回転カッタを従たる回転カッタとして、同期状態を保つようにしている。しかし、このように主従関係を切り換えるためには、各回転カッタの負荷を検出し、負荷の大小を比較し、どちらのカッタを主にするか判断し、その後、主従の関係を切り換える操作が必要となる。このため、急激な負荷変動に対しては、判断、操作の遅れにより、即座に主従関係の切り換えを行えず、同期状態を逸脱してしまい、各回転カッタが互いに干渉してしまうことが容易に予想される。
【０００９】
また、各回転カッタの負荷は程度の差はあるが、常に異なっており、同期状態の逸脱を回避するためには、主従関係の切り換え操作の頻度が高くなることが考えられる。更に主従関係の切り換え操作は、一般に回転カッタを一旦停止させてから操作するため、切り換え操作のための回転カッタ停止により、掘削作業が一時中断されてしまい、掘削作業の遅延にもつながる。
【００１０】
本発明の技術的課題は、負荷の変動に拘わらず各回転カッタの干渉を主従関係を設定することなく防止し得て、確実に同期制御できるようにすることにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係る複円形シールド掘進機は、複数の回転カッタを、カッタ中心間距離がそれぞれの回転カッタの掘削半径より大きく、掘削直径より小さくなるようにほぼ同一平面に配置し、各回転カッタを速度設定器からの速度指令信号と補助速度指令信号に基づいて独立に駆動する複数の駆動制御装置を備えた複円形シールド掘進機であって、隣接する回転カッタ間の角度偏差を検出し、隣接する回転カッタのうち一方の回転カッタが他方の回転カッタに対して正転時に進んでいるときには前記一方の回転カッタの駆動制御装置に前記一方の回転カッタの速度を減少させるための補助速度指令信号として、また、隣接する回転カッタのうち一方の回転カッタが他方の回転カッタに対して逆転時に遅れているときには前記一方の回転カッタの速度を増加させるための補助速度指令信号として、一極性の角度偏差信号を前記一方の回転カッタの駆動制御装置に出力する偏差角度検出手段と、偏差角度検出手段の出力信号を極性反転させ、前記角度偏差信号と異なる極性の信号を、前記正転時に前記他方の回転カッタの速度を増加させるための補助速度指令信号として、前記逆転時に前記他方の回転カッタの速度を減少させるための補助速度指令信号として、前記一極性の角度偏差信号を極性反転させた信号を前記他方の回転カッタの駆動制御装置に出力する逆変換器とを備えたものである。
本発明の請求項２に係る複円形シールド掘進機は、複数の回転カッタを、カッタ中心間距離がそれぞれの回転カッタの掘削半径より大きく、掘削直径より小さくなるようにほぼ同一平面に配置し、各回転カッタを速度設定器からの速度指令信号と補助速度指令信号に基づいて独立に駆動する複数の駆動制御装置を備えた複円形シールド掘進機であって、隣接する回転カッタ間の角度偏差を検出し、隣接する回転カッタのうち一方の回転カッタが他方の回転カッタに対して正転時に進んでいるとき又は逆転時に遅れているとき、一極性の角度偏差信号を出力する偏差角度検出手段と、偏差角度検出手段から出力された一極性の角度偏差信号の大きさを補正したい大きさに調整し、前記一方の回転カッタの駆動制御装置に補助速度指令信号として出力する補正率調整器と、補正率調整器の出力信号を極性反転させ、前記角度偏差信号と異なる極性の信号を、前記他方の回転カッタの駆動制御装置に補助速度指令信号として出力する逆変換器とを備えたものである。
本発明の請求項３に係る複円形シールド掘進機の制御方法は、複数の回転カッタを、カッタ中心間距離がそれぞれの回転カッタの掘削半径より大きく、掘削直径より小さくなるようにほぼ同一平面に配置し、各回転カッタを速度設定器からの速度指令と補助速度指令に基づいて複数の駆動制御装置を独立に駆動する複円形シールド掘進機の制御方法であって、隣接する回転カッタ間の角度偏差を検出し、隣接する回転カッタのうち一方の回転カッタが他方の回転カッタに対して正転時に進んでいるとき又は逆転時に遅れているとき、一極性の角度偏差信号を前記一方の回転カッタの駆動制御装置に補助速度指令信号として出力すると同時に、前記角度偏差信号と異なる極性の信号を前記他方の回転カッタの駆動制御装置に補助速度指令信号として出力することで、進んでいる方の回転カッタの速度を減少させると同時に、遅れている方の回転カッタの速度を増加させることを特徴としている。
本発明においては、偏差角度検出手段により検出された進んでいる方の回転カッタの速度を減少させると同時に、遅れている方の回転カッタの速度を増加させるようにしているので、回転カッタ間の主従関係がなくなる。このため、偏差角度が発生した場合には、この偏差角度に基づいて各回転カッタが共に速度が変化させられる制御が行われる。したがって、いずれか一方の回転カッタの負荷が大きくなり速度が減少しても、主従関係の切換等の設定を行うことなく、直ちに他方の回転カッタの速度を一方の回転カッタの速度に合わせて速度制御することができ、安定した同期状態を保つことができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を２円形シールド掘進機に適用した一実施形態について説明する。図１は本実施形態に係る２円形シールド掘進機のシステム構成図、図２はその２円形シールド掘進機の一方の回転カッタを示す縦断面図、図３はそのその２円形シールド掘進機の正面図である。
【００１３】
本実施形態に係る２円形シールド掘進機１は、図２及び図３に示すように前方に２つの回転カッタ３Ａ，３Ｂをそれぞれの掘削軌跡がラップするように同一平面に配置してなるスキンプレート２の内部に、各回転カッタ３Ａ，３Ｂを独立に駆動する駆動装置４（図２に一方のみ示す）を収容している。図３中のθは、回転カッタの同期中立状態からの許容偏差角度を示しており、各回転カッタ３Ａ，３Ｂが１回転する間の各回転位置で求めたθの最小値を許容偏差角度とする。各回転カッタ３Ａ，３Ｂは、この許容偏差角度以下で同期回転される。
【００１４】
回転カッタの後部には、掘削された土砂を取り込むチャンバ５が形成され、チャンバ５とそれよりも後方のシールド掘進機内空間６との間にはバルクヘッド７が設けられ、バルクヘッド７に取り付けられたスクリューコンベヤ８によって、掘削土砂をシールド掘進機後方に搬出するようになっている。
【００１５】
シールド掘進機内後方では、エレクタ９によりセグメント１１が組立られ、シールドジャッキ１２を伸長させ、セグメント１１に反力を取ることにより、シールド掘進機１の推進力を得るようになっている。
【００１６】
本実施形態装置の全体のシステムは、図１に示すような構成を有している。すなわち、回転カッタ３Ａの軸（以下、Ａ軸という）を回転させるためのギヤ１３Ａが、電動モータ１４Ａ，１４Ｂに減速機１５Ａ，１５Ｂを介して取付けられたピニオン１６Ａ，１６Ｂにより駆動されるようになっている。回転カッタ３Ｂの軸（以下、Ｂ軸という）を回転させるためのギヤ１３Ｂも同様に、電動モータ１４Ｃ，１４Ｄに減速機１５Ｃ，１５Ｄを介して取付けられたピニオン１６Ｃ，１６Ｄにより駆動されるようになっている。
【００１７】
次に、これを更に詳述しながら本実施形態装置を各電動モータの制御に動的制御特性の優れたベクトルインバータ制御を用いた場合について図１に基づき図２及び図３を参照し説明する。
【００１８】
すなわち、各回転カッタ３Ａ，３Ｂを駆動するモータ郡１４Ａ〜１４Ｄの内、それそれ１台ずつを親モータとする。ここでは、電動モータ１４ＡをＡ軸の親モータ、電動モータ１４ＣをＢ軸の親モータとする。残りの電動モータ１４Ｂ，１４Ｄは、それぞれ親モータ１４Ａ，１４Ｃに従属する子モータとする。制御装置は、親モータ１４Ａ，１４Ｃの速度制御を行うインバータユニット１７Ａ，１７Ｃと、子モータ１４Ｂ，１４Ｄのトルク制御を行うインバータユニット１７Ｂ，１７Ｄとを備えている。
【００１９】
インバータユニット１７Ａ，１７Ｃには、速度設定器１８から同一の速度指令が与えられる。インバータユニット１７Ａは、速度設定器１８からの速度指令信号と親モータ１４Ａに連結された速度発電機（ＰＧ）１９Ａの速度検出信号との偏差をとり、親モータ１４Ａの速度制御を行うとともに、入力された速度指令信号の極性により回転方向を判別して親モータ１４Ａを正逆転させる。インバータユニット１７Ｃも同様に、速度設定器１８からの速度指令信号と親モータ１４Ｃに連結された速度発電機（ＰＧ）１９Ｃの速度検出信号との偏差をとり、親モータ１４Ｃの速度制御を行うとともに、入力された速度指令信号の極性により回転方向を判別して親モータ１４Ｃを正逆転させる。速度指令信号の極性による回転方向の判別は、速度設定器１８からの速度指令信号が＋速度指令なのか、−速度指令かによって判定することができる。すなわち、本システムの場合、速度設定器１８から同一の速度指令が入力されても、回転カッタ３Ａ側の電動モータ１４Ａ，１４Ｂと、回転カッタ３Ｂ側の電動モータ１４Ｃ，１４Ｄとは、互いに逆回転するように予め設定されているため、前述のような極性により回転方向の判別が可能となる。それ以外にも、例えば各回転カッタ３Ａ，３Ｂの一方の駆動系の減速機中のギヤの組合せ等によっても、回転カッタ３Ａ側の電動モータ１４Ａ，１４Ｂと、回転カッタ３Ｂ側の電動モータ１４Ｃ，１４Ｄとを、互いに逆回転するように設定することができ、この場合には全ての電動モータ１４Ａ〜１４Ｄを同一回転方向に駆動させればよい。
【００２０】
インバータユニット１７Ａ，１７Ｃからはトルク検出値が出力され、インバータユニット１７Ａからのトルク検出値がインバータユニット１７Ｂに、インバータユニット１７Ｃからのトルク検出値がインバータユニット１７Ｄに、それぞれトルク指令値として入力されるようになっている。インバータユニット１７Ｂ，１７Ｄは、トルク指令値を入力している点以外はインバータユニット１７Ａ，１７Ｃと同様の構成を有している。
【００２１】
また、偏差角度は、シンクロ発信器２１とシンクロ制御変圧器２２及び信号変換器２３からなる公知の偏差角度検出手段２４によって検出されるようになっている。つまり、偏差角度検出手段２４は、Ａ軸にシンクロ発信器２１を、Ｂ軸にシンクロ制御変圧器２２を、それぞれ連結し、シンクロ発信器２１とシンクロ制御変圧器２２を接続することにより、偏差角度に対応した信号を得る。
【００２２】
偏差角度検出手段２４により得られた偏差角度信号は、同期中立位置と比較して、正転時にＡ軸がＢ軸に対して進んでいる状態（又は逆転時にＡ軸がＢ軸に対して遅れている状態）に＋極性となり、正転時にＡ軸がＢ軸に対して遅れている状態（又は逆転時にＡ軸がＢ軸に対して進んでいる状態）に−極性となるよう零点が設定されたものである。
【００２３】
本発明の特徴は、偏差角度検出手段２４から出力された偏差角度信号により、インバータユニット１７Ａ，１７Ｃに同時に極性の異なる補助速度指令を入力する点にある。すなわち、まず偏差角度検出信号を補正率調整器２５により、信号の大きさを補正したい大きさに調整し、次いで補正率調整器２５からの出力信号を逆変換器２６により極性反転した上でインバータユニット１７Ａに補助速度指令として入力する。同時に、補正率調整器２５からの出力信号をインバータユニット１７Ｃに補助速度指令として入力する。このため、例えば正転時にＡ軸がＢ軸に対して進んでいる状態では、偏差角度検出信号は＋極性となり、インバータユニット１７Ａへは−極性、インバータユニット１７Ｃへは＋極性の補助速度指令が入力されることになる。よって、Ａ軸は速度を減少させ、Ｂ軸は速度を増加させるよう速度制御される。このようにして、偏差角度が小さくなると、補助速度指令信号の大きさも小さくなり、最終的に偏差角度が零になると、補助速度指令信号も零となり、このような状態下では、実質的にインバータユニット１７Ａ，１７Ｃは速度設定器１８の速度指令値のみによる電動モータ１４Ａ，１４Ｃの速度制御を行うことになる。
【００２４】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、偏差角度検出信号により検出された、進んでいる方の回転カッタの速度を減少させると同時に、遅れている方の回転カッタの速度を増加させるようにしたので、回転カッタ間には主従関係がなくなる。このため、偏差角度が発生した場合には、この偏差角度に基づいて各回転カッタが共に速度が変化させられる制御が行われる。したがって、いずれか一方の回転カッタの負荷が大きくなり速度が減少しても、主従関係の切換等の設定を行うことなく、直ちに他方の回転カッタの速度を一方の回転カッタの速度に合わせて速度制御することができ、安定した同期状態を保つことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施形態に係る複円形シールド掘進機のシステム構成図である。
【図２】本実施形態に係る複円形シールド掘進機の一方の回転カッタを示す縦断面図である。
【図３】本実施形態に係る複円形シールド掘進機の正面図である。
【符号の説明】
１  複円形シールド掘進機
３Ａ，３Ｂ  回転カッタ
１７Ａ，１７Ｂ，１７Ｃ，１７Ｄ  インバータユニット（駆動制御装置）
１８  速度設定器
２４  偏差角度検出手段
２６  逆変換器
【図１】
0003928212.tif 000002
【図２】
0003928212.tif 000003
【図３】
0003928212.tif 000004