(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
掘進機の切削ヘッドに取り付けられるディスクローラーカッターであって、鋼鉄製ディスク或いは超硬合金チップを含んだディスクの摩耗状態を検出する磨耗センサと、前記ディスクの回転状態を検出する回転センサと、切削切り羽からローラーカッターの回転軸に対して垂直又は傾斜した方向へ作用する荷重を検出する荷重センサとを備えたディスクローラーカッターであって、切削ヘッドに固着されたハウジング内に応力歪み計を内蔵した前記荷重センサとしての支持架台を設け、この支持架台でディスクローラーカッターの左右軸部をそれぞれ支持するとともに、この支持架台又はハウジングの下部に、上面に前記摩耗センサと回転センサが設置されたセンサ支持体を着脱自在に設けた構成を有するディスクローラーカッター。
【請求項２】
各センサは少なくとも３バールの耐水圧性を備えた請求項１に記載のディスクローラーカッター。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のディスクローラーカッターと、ディスクローラーカッターの各センサの出力信号を処理する管理コンピュータとを備え、ディスクの摩耗量、回転数、ディスクに作用する荷重の状態が、切り羽の掘削と同時に表示出力されるように構成されたディスクローラーカッターモニタリングシステム。
【請求項４】
各センサの検出信号は、切削ヘッド回転の中心に位置する掘進機の回転軸端部に設置された非接点信号伝達装置を介して掘進機の固定部に取り込まれ、さらに信号増幅されて管理コンピュータに入力されるように構成された請求項３に記載のディスクローラーカッターモニタリングシステム。
【請求項５】
各センサの検出信号を０.０１秒程度の間隔で収集して処理するように構成された請求項３又は４に記載のディスクローラーカッターモニタリングシステム。
【請求項６】
掘進機の切削ヘッドに取り付けられていてディスクローラーカッターの摩耗及び回転とディスクローラーカッターに作用する荷重をそれぞれ検出する手段と、切削ヘッドの回転角度を検出する手段と、切削ヘッドの回転角度に対応したディスクローラーカッターの摩耗及び回転と荷重の変位をそれぞれ表示出力する手段を備えた請求項３〜５の何れかに記載のディスクローラーカッターモニタリングシステム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鉱山やトンネル工事に利用される坑道掘進機のディスクローラーカッター（以下、カッターと略称する）と、ディスクの摩耗量や回転数、作用する荷重を検出し、カッターの使用状況を監視し評価するとともに、切り羽の状況を把握し得るように構成されたモニタリングシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
坑道掘進機のカッターの寿命は、切削時におけるディスクの摩耗量や摩耗の仕方、ディスクの回転状態、ディスクに作用する荷重などと深く関係するが、掘進機を安全に且つ切削効率を高めて稼働させるには、これらを正確に測定してカッターの使用状況を的確に把握するとともに、切り羽の状況も正確に把握する必要がある。
【０００３】
ディスクの摩耗や回転、荷重を測定する手段は、従来、様々な方式のものが提案されているが、何れの手段も正確性に欠けるものであった。例えば、カッターの回転状態を測定する手段として、切削ヘッドの回転数を測定し、これからディスクの回転数を演算によって求めるものがあるが、この手段ではディスクの回転を直に測定していないので、回転数のばらつきが大きく、正確なデータを得ることはできない。また、従来、ディスクの摩耗や回転、作用する荷重を各々測定することはあっても、測定データの相関がとれていないため、カッター全体の使用状況を切削中にリアルタイムで把握することも、同時に切り羽の状況を正確に把握することもできなかった。
【０００４】
また、掘進機前方の岩石の状態を探索するため、超音波や電磁波などを利用して切り羽の岩石状態を調べたり、切削時の推進シリンダーの押付力や切削ヘッドのトルクなどを基にディスクに作用する押し付け力を算出し、ヘッド前方の岩石強度を求めたりするシステムが知られているが、これらも測定誤差が大きく、正確な判断基準とはならない。超音波を利用したシステムでは、超音波の発振に大きなエネルギーを必要とするが、このエネルギーを掘進機の後方固定部から前方回転部へ伝達させる機構が複雑となり、全体のシステムが構築しにくいという問題もある。
【０００５】
本発明は従来技術の有するこのような問題点に鑑み、カッターの使用状況をリアルタイムで正確に把握することによってカッターの交換時期を予測できるようにするとともに、掘削のトラブルとなる要因をいち早く見つけ出し、すなわちカッターと切り羽の状況を的確に把握して対応し、安全且つ効率的に掘進機を稼働できるようにすることを課題とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するため本発明は、掘進機の切削ヘッドに取り付けられるカッターであって、鋼鉄製ディスク或いは超硬合金チップを含んだディスクの摩耗状態を検出するセンサと、前記ディスクの回転状態を検出するセンサと、切削切り羽からローラーカッターの回転軸に対して垂直又は傾斜した方向へ作用する荷重を検出するセンサとを備えて構成した。
この構成によれば、カッターにセンサを装備させることにより、正確な測定データを得ることができ、ディスクの摩耗、回転及び作用する荷重の状態を同時に測定することで相関性の有るデータが得られ、カッターの使用状況を正確に把握することが可能となる。また、本発明のカッターを切削ヘッドに複数設置し、より好ましくは切削ヘッド全体にくまなく設置することにより、例えば切削ヘッドの中心側と周辺側のように各々の設置位置におけるカッターの使用状況を把握できるとともに、各位置のカッターの回転や作用する荷重の測定データから、切削ヘッド面内の切り羽の状況も正確に把握することが可能となる。
前記構成において、摩耗センサは、鋼鉄製ディスク或いは超硬合金チップを含んだディスク周縁の摩耗状態を磁化物質の減少に伴う磁場の変化としてとらえ、その変位を信号出力するセンサが用いられる。回転センサは、カッターの回転部分に取り付けられた磁石の通過を磁場の変化としてとらえ、その変化を検知した都度に信号出力するセンサが用いられる。また、荷重センサは、応力歪み計が用いられ、これをカッターの回転軸の左右軸部を支持する部分にそれぞれ設置し、回転軸の左右両方の計測値から、カッターの回転軸に対して垂直な方向や傾斜した方向から作用する荷重の大きさとその向きが測定され得るよう構成される。
【０００７】
前記構成のカッターにおいて、切削ヘッドに固着されたハウジング内に応力歪み計を内蔵した荷重センサとしての支持架台を設け、この支持架台でカッターの左右軸部をそれぞれ支持するとともに、この支持架台又はハウジングの下部に、上面に摩耗センサと回転センサが設置されたセンサ支持体を着脱自在に設けて構成することができる。
この構成によれば、カッターの設置は、カッターの左右軸部をハウジング上或いはハウジング内に設置された支持架台に乗せて固定し、さらに上面に摩耗センサと回転センサが設置されたセンサ支持体を、切り羽と反対側となる支持架台又はハウジングの下部に取り付けて行われる。カッターの回転軸を介して支持架台に伝わる荷重を測定するから、切削中にカッターに作用する荷重を高精度で計測することができる。また、センサの点検や交換は、摩耗センサと回転センサはセンサ支持体を支持架台から取り外し、荷重センサはハウジングから取り外して容易に行うことができる。なお、センサのメンテナンスが容易であれば、カッター部品やハウジングの中、或いはカッターやハウジングに付加的に取り付けられる他の部品にセンサを設置してもよい。
【０００８】
前記構成のカッターにおいて、掘進機で切り羽を切削中、切り羽の崩れを防止するため、掘進機の隔壁と切り羽の間には泥水が充填されることがある。従って、各センサは少なくとも３バールの耐水圧性を備えた構造のものが用いられる。
【０００９】
また、本発明のカッターモニタリングシステムは、前記構成のカッターと各センサの出力信号を処理する管理コンピュータとを備え、ディスクの摩耗量、回転数、ディスクに作用する荷重の状態が、切り羽の掘削と同時に表示出力されるように構成される。
この構成によれば、切削ヘッドに一個又は複数個取り付けられた各カッターの検出信号を処理することで、互いに相関性の有るディスクの摩耗、回転、荷重の各データからカッターの正確な使用状況を観察してカッターの管理を効率的に行うことが可能となる。また、切削中の各カッターの測定データから、切り羽に対してカッターや切削ヘッドが置かれている状況や、切り羽の岩石強度或いは空洞の有無など切り羽を正確に探査したデータが得られ、このデータ（情報）から切り羽の状況を把握して掘進機を効率よく運転することができる。
前記構成において、カッターから管理コンピュータに入力され、データ処理された摩耗、回転、荷重の各データは、表示ディスプレイやプリンタなどに数値や表、グラフで表示出力する他、管理コンピュータの信号出力端子からオンラインで他のコンピュータに送信したり、処理したデータを管理コンピュータ内部のメモリに逐次取り込み、これをＣＤ焼き付け装置などの外部メモリに記録し、オフラインで他のコンピュータで取り込めるようにしたりしてもよい。
【００１０】
前記構成のシステムにおいて、各センサの検出信号は、切削ヘッド回転の中心に位置する掘進機の回転軸端部に設置された非接点信号伝達装置を介して掘進機の固定部に取り込まれ、さらに信号増幅されて管理コンピュータに入力されるように構成することができる。
この構成によれば、各センサの信号線は掘進機の回転軸内を通されて当該回転軸と一体に回転する非接点信号装置の可動部に接続される。信号は当該可動部を介して非接点信号装置の固定部に伝達され、信号増幅されて管理コンピュータに入力する。このように、非接点信号伝達装置を用いることで、システム全体を簡易に構築することが可能となる。
なお、センサから管理コンピュータまでの信号伝送路は、掘進機内外に配されたモータなどからの電磁波の影響をカットするため遮蔽ケーブルが使用され、また、掘進機のセンサから非接点信号伝達装置までを構成する各部品は、前述の通り、３バール以上の水圧下でも正常に動作する構造のものが用いられる。
【００１１】
また、前記構成のシステムにおいて、例えば掘進機の切削ヘッドの直径が１０ｍで、切削ヘッドが１５秒で１回転して切り羽を掘削したとすると、切削ヘッドの外周近傍に取り付けられたカッターディスクの回転速度は毎秒２ｍ程度となり、センサ検出信号を秒単位の間隔で収集したのでは、カッターの移動距離並びに回転速度に対してデータ収集間隔が大きくなりすぎて、高速で回転する切削ヘッド及びカッターの正確な測定データを得ることはできない。従って、各センサの検出信号は、０.０１秒程度の間隔（１００Ｈｚ）で収集して処理するように構成される。より精密なデータを得るため、さらに収集間隔を小さくすることは、切削ヘッドの直径とその回転速度に応じて適宜行われる。
【００１２】
前記構成のシステムは、掘進機の切削ヘッドに取り付けられていてカッターの回転とカッターに作用する荷重をそれぞれ検出する手段と、切削ヘッドの回転角度を検出する手段と、切削ヘッドの回転角度に対応したカッターの回転と荷重の変位をそれぞれ表示出力する手段を備えた構成することができる。
この構成によれば、前記各検出手段で検出されたデータを処理し、これを表示ディスプレイなどに切削ヘッドの回転角度に相関性を持たせて同時に表示することにより、切り羽のどの位置のカッターがどのような状況にあるのかを明瞭に判別することが可能となり、また、そのようなカッターの状況から、当該カッター位置の切り羽がどのような状況にあるのかも的確に判別することが可能となる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施形態を図面を参照して説明する。
図１はハウジング内に本発明のカッターを収容した状態を示しており、図中、符号１はカッター本体を構成するディスクカッター、４はカッター支持部、５はハウジングである。
【００１４】
ディスクカッター１は、鋼鉄製の或いはさらに鋼鉄製ディスク体の周辺部に超硬合金チップを配してなるディスク２を、ディスクカッターの左右の軸部１ａ、１ａ間に回転自在に支持されたハブ３の外周に一体に嵌めて形成されている。ディスク２とハブ３は一体に成形されていてもよい。
【００１５】
カッター支持部４は、切削ヘッドに固着されたハウジング５内に、ディスクカッター１の左右軸部１ａ、１ａを支持する支持架台６、６を設けるとともに、ディスク２の摩耗状態を検出する摩耗センサ７と、ディスク２の回転状態を検出する回転センサ８と、切削切り羽からディスクカッター１に作用する荷重を検出する荷重センサ１２とを設けて構成されている。
【００１６】
摩耗センサ７は、磁化物質により形成されたディスク２の外周が摩耗し或いは割れて質量が減少することに伴う磁場の変位を検知し、これを電気信号に変換して信号出力するセンサであり、ディスク２の周縁に近接させてハウジング５の下部中央の位置に設置されている。また、回転センサ８は、ハブ３の外周面に取り付けられた磁石９による磁場をディスクカッター１が回転する毎に検知し、これを電気信号に変換して信号出力するセンサであり、ハブ３の外周面に近接させてハウジング５の下部の位置に設置されている。
両センサは、ハウジング５の下部で支持架台６、６間に横架していてネジ１０で両支持架台に取り付けられたセンサ支持体１１の上面に固定されており、ネジ１０を緩めてセンサ支持体１１とともに支持架台６から取り外し、点検や交換などのメンテナンスを容易に行えるようになっている。
【００１７】
荷重センサ１２は、構造物の伸び縮みを検知し、信号出力する応力歪み計よりなり、ディスクカッター１の左右軸部１ａ、１ａに当接しこれを支持する支持架台６、６の内部に設置され、両支持架台６内部の伸縮状態を検知し、それぞれの検出信号からディスクカッター１に作用する荷重の大きさと方向が検出されるように設けてある。つまり、応力歪み計を内蔵した支持架台６、６自体が荷重センサ１２としての機能を備えている。
詳しくは、支持架台６はその上下両面の対応位置に凸段部がそれぞれ一対設けられ、ディスクカッター１の軸部１ａの下面に上面の凸段部が接合し、ハウジング５の内面で下面の凸段部が支持されるように設置されている。そのため、ディスクカッター１に荷重が作用した場合に、接合面を介してその荷重が上下の凸段部間に集中的に伝わって支持架台６内部に作用する応力を荷重センサ１２で正確に測定できるようになっている。
【００１８】
また、支持架台６は、ネジ１３でディスクカッター１の軸部１ａに取り付けられ、さらにネジ１４でハウジング５との間に挟持状態で固定されており、これらネジを緩めて容易に取り外しができるようになっている。また、前記各ネジやカッター部品の緩みや互いの食い込みなどによってネジの締め付け力によるプレテンションの変化を小さく抑えるため、ネジ１４とハウジング５との間にスリーブ１５を挿入し、スリーブ１５の弾性によってプレテンションの変化を吸収し、荷重の変化を正確に測定できるように設けてある。
【００１９】
さらに、支持架台６の下部とハウジング５の内面間には、支持架台６とハウジング５との互いの接合面部の形状の違いによるずれを吸収するため金属製のプレートが挿入されており、支持架台６をハウジング５内に安定的に支持して、再現性のある荷重測定を行えるようになっている。
【００２０】
これら各センサと接続した信号ケーブル（図示せず）は、切削岩石などの外部衝撃から保護するため、センサ支持体１１内を通して切削ヘッド内の保護部に引き入れられている。また、各センサと信号ケーブルは、少なくとも３バール以上の水圧下においても正常に動作する仕様に設けてある。
【００２１】
図２は、本発明のディスクカッターモニタリングシステムの構成を示している。図中、符号２０は掘進機、２１は掘進機の回転部である切削ヘッド、２２は掘進機の固定部、２３は切削ヘッド２１の回転の中心に位置する回転軸、２４は固定部２２と切削ヘッド２１を隔てる隔壁、３６は管理コンピュータである。なお、掘進機２０で切り羽を掘削中、切り羽と掘進機２０の隔壁２４までの間は、切り羽の崩落を防ぐために３バール程度の圧力で泥水が充填される。
【００２２】
図において、ディスクカッター１はカッター支持部４に回転自在に支持されて切削ヘッド２１に複数取り付けられ、各支持部４に設置された前記各センサの信号ケーブル２５は各々切削ヘッド２１内に引き入れられる。各信号ケーブル２５は、必要に応じ、延長ケーブル２６と中継器２７とを介して接続され、回転軸２３内を通されて、掘進機の固定部２２内であって回転軸２３の端部に設置された非接点信号伝達装置２８に接続されている。
【００２３】
非接点信号伝達装置２８は、回転軸２３と一体に回転する信号増幅器２９及び回転リング３０と、この回転リング３０と向かい合わせに且つ適宜な間隔を開けて固定部２２内に固定された固定リング３１とを備えて構成されている。各信号ケーブル２５や延長ケーブル２６から装置に入力される信号は、信号増幅器２９において送信データとして整理され且つ増幅された後、回転リング３０から固定リング３１に伝送され、切削ヘッド２１が回転中であっても、非接触でセンサ検出信号が掘進機２０の固定部２２に取り込まれるようになっている。なお、センサの駆動電流は、固定リング３１から回転リング３０に伝送されて、切削ヘッド表面の各センサへと供給されるように設けてある。
また、非接点信号伝達装置２８は、両リング３０、３１に回転部位の位置を検知するセンサを内蔵しており（図示せず）、切削ヘッド２１の回転角度と検出信号を前記固定リング３１で受信したセンサ検出信号とともに信号出力するように設けてある。
【００２４】
そして、非接点信号伝達装置２８の出力信号は、信号ケーブル３２を介して管理コンピュータ３６に入力される。なお、非接点信号伝達装置２８から管理用コンピュータ３６の設置位置まで距離がある場合は、中継器３３や延長ケーブル３４、信号増幅器３５を介し、信号を適宜適正な大きさに維持して管理コンピュータ３６まで伝送される。
【００２５】
管理コンピュータ３６は、信号を解析・演算処理するデータ処理手段、キーボードやマウスなどのデータ入力手段、処理されたデータを表示するディスプレイやプリンタなどの表示出力手段、データを記憶する記憶手段、信号の入出力手段などの各処理手段を有して構成される。
【００２６】
図２の管理コンピュータ３６は、これら処理手段をそれぞれユニット化し、前記信号増幅器３５とともにコンソールボックス３７内に収納した形態を示し、この形態では、信号増幅器３５より入力される各信号を解析処理する解析部３８と、キーボード及びマウス３９と、表示モニタ４０と、記憶部を備えた演算部４１により構成されている。
【００２７】
管理コンピュータ３６のデータ処理は、演算部４１に格納された動作プログラムに従って演算部４１が各処理部の動作制御することにより行われ、キーボード及びマウス３９又はコンソールボックス３７に設けられたスイッチ４２、４３からの入力される処理指示信号に基づいて、解析部３８から演算部４１にデータを逐次取り入れて処理し、処理結果を表示モニタ４０に表示出力するとともに記憶部にも記憶するようになっている。なお、各センサの測定データの取り込みは、０.０１秒間隔で収集するように設定されている。
【００２８】
また、演算部４１は外部入出力インターフェイスを備えており、処理したデータをＣＤ焼付け装置に送信して処理データを記録したＣＤを作成し、処理データをオフラインで他のコンピュータ４４に取り込み、処理できるようになっている。演算部４１にデータ出力端子を設け、この端子を介して他のコンピュータ４４とオンライン接続し、前記各センサで検出し処理されたデータを出力するよう構成してもよい。
【００２９】
なお、前記各センサから非接点信号伝達装置２８までの信号伝送路を構成する各部品には、少なくとも３バールの水圧下で正常に動作するよう耐圧シールが施してある。また、各センサから管理コンピュータ３６までを接続する各信号ケーブルは、外部電磁場の影響を除去するため遮蔽ケーブルが好適に用いられる。
【００３０】
図３は、前記各センサの検出信号を管理コンピュータ３６で処理し、処理データを表示モニタ４０に表示出力したときの、表示画面レイアウトの一例を示している。この画面は、回転状態を表示したいディスクカッター１を、コンソールボックス３７に設けられたスイッチ４２又は４３を操作・選択して表示され、同画面内には、該当のディスクカッター１の番号、位置、摩耗量や回転数、切り羽から作用する荷重などの情報が表示される。
【００３１】
同図において、符号５０は選択したディスクカッター１の番号表示部であり、５１は該当のディスクカッター１の切り羽に対する位置の表示部である。この表示部５１は、円形の表示盤全体が切り羽を表し、切削ヘッド２１の回転に伴って切り羽に対して逐次変位するディスクカッター１の位置が表示盤内の矢印５２の先端で特定して表示されるようになっている。また、切削ヘッド２１が停止している状態では、矢印５２が３６秒間で表示盤内を一回転するように設定してある。
【００３２】
５３は該当するカッターディスク１の摩耗センサ７の検出信号を処理して得られるディスクの摩耗状況の表示部であり、この表示部にはディスク全周の摩耗量の平均値をｍｍ単位の数字で表示する表示部５３ａと、摩耗の程度を緑、黄、赤の３色で色分けして表示する表示部５３ｂが配置されている。色分け表示部５３ｂは、前記摩耗量の平均値と予め設定された摩耗量との差から、摩耗が少ないときは安全圏として緑色を、摩耗が進んできたときは要注意圏として黄色を、摩耗がディスク２の使用限界に達したときは危険として赤色をそれぞれ表示し、画面を見るオペレータがディスク２の摩耗の程度を直感的に知得し判断できるようになっている。
【００３３】
５４は該当するカッターディスク１の摩耗センサ７の検出信号と回転センサ８の検出信号を処理して得られるディスクの摩耗状況と回転状況とを、切削ヘッド２１の回転角度に対応させて連続表示する表示部である。この表示部は、横軸に切り羽に向かって切削ヘッド２１が一回転するときの回転角度（０〜３６０度）をとり、縦軸にディスクの摩耗量の大きさをとったグラフにより構成されており、各回転角度に対応したディスク外周の摩耗値が出力線５４ａによって連続的に表示するとともに、この出力線５４ａと並べて、ディスク２が一回転する毎に出力されるパルス信号を出力線５４ｂによって連続的に表示し、このように上下に並べて表示された二つの出力線によって、画面を見るオペレータがディスク２のどの部分が欠けているか、或いは偏摩耗が発生しているかを判断し、同時に切り羽に対してディスクカッター１が滑って不規則な回転が起こっているか否かを判断することができるようになっている。
【００３４】
また、切削中、計算式によって求められるディスクカッター１の回転設定値は表示部５５に表示出力され、測定されたディスクカッター１の回転実測値は表示部５６に表示出力される。同様に、測定された切削ヘッド２１の回転実測値は表示部５７に表示出力される。
【００３５】
５８は、該当するカッターディスク１の左右軸支持部に設けられた荷重センサ１２の検出信号を処理して得られる、ディスクに作用する荷重の状況を、切削ヘッド２１の回転角度に対応させて連続表示する表示部である。この表示部は、横軸に切削ヘッド２１が一回転するときの回転角度をとり、縦軸にディスクに作用する荷重の大きさをとったグラフにより構成されており、前記両支持架台６、６内の荷重センサ１２、１２によって測定された荷重の変位が連続した出力線５８ａ、５８ａでそれぞれ別々に表示され、同時に切削ヘッド２１が一回転する毎に出力されるパルス信号も出力線５８ｂで、荷重出力線に並べて表示出力されるようになっている。
表示部５９、６０は、荷重センサ１２、１２の表示零点を校正するための補正バーである。
【００３６】
このように、ディスクカッター１の摩耗、回転及び荷重に関する情報が同時に表示出力されるので、切削中のディスクカッター１の使用状況を適正に監視することができるとともに、切り羽に対するディスクカッター１の位置と切削ヘッド２１の切り羽に対する回転角度も表示出力されるので、例えば切り羽に空洞や高強度の岩石があった場合に、前記回転や荷重に関する情報からその位置を把握して坑道の掘削を効率的に進めることが可能となる。
【００３７】
なお、図示した支持架台とモニタシステム、画面の表示レイアウトは一例であり、本発明は他の様々な形態で構成することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態のディスクローラーカッターをハウジングに収容した状態を、一部を破断して示した図である。
【図２】本発明の一実施形態のモニタリングシステムの構成を示した図である。
【図３】処理データを表示モニタに表示出力したときの表示画面レイアウトの一例である。
【符号の説明】
１      ディスクカッター
４      カッター支持部
５      ハウジング
６      支持架台
７      摩耗センサ
８      回転センサ
１２      荷重センサ
２０      掘進機
２１      切削ヘッド
２８      非接触信号伝達装置
３６      管理コンピュータ
【図１】
0003919172.tif 000002
【図２】
0003919172.tif 000003
【図３】
0003919172.tif 000004