(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
インバータ制御の電動機により掘削装置を駆動するトンネル掘進機であって、インバータによるトルク電流定格値と実トルク電流値の比率を出力し、前記比率を運転部における操作盤上に表示させることを特徴とするカッタヘッドの駆動制御方法。
【請求項２】
前記比率が所定の値を超えると、電動機の回転またはトンネル掘進機の推進速度を減速もしくは停止させるようにする請求項１に記載のカッタヘッドの駆動制御方法。
【請求項３】
前記電動機の出力一定の領域において、インバータの出力周波数域によって複数の領域にわけるとともに、これら領域ごとに前記所定の値が異なるように設定されるようにする請求項２に記載のカッタヘッドの駆動制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、トンネル掘進機におけるカッタヘッドの駆動制御方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
最近、硬岩層の地山を掘削するトンネル掘進機においては、その地山対応性が向上して、より広い範囲の地質を効率よく掘削することが必要となっている。そのために、種々のカッタヘッドの駆動方法が採られるようになってきた。その代表的な駆動方法としては、インバータ制御により駆動周波数を変更して硬岩層では高速で低トルク回転させ、軟弱層では低速で高トルク回転させるように駆動する方式が採用されつつある。
【０００３】
カッタヘッドの駆動にインバータ制御を採り入れる駆動方法については、既に例えば特開平１１−２２３０８７号公報に、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、インバータ制御してカッタヘッドを駆動する方式が提案され、また特開２０００−１４５３７４号公報に、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するとともに、硬岩層を掘削する際には電動モ−タの基低周波数が高くなるようにして、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カッタヘッドを駆動する方式が提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
これらにみられるように、最近のトンネル掘進機（ＴＢＭ）では、従来と較べてカッタヘッドが大幅に高速、高トルクで駆動されるようになってきた。このために、幅広い地層を掘削することが可能になったことにより、硬岩層の掘削時には高速でカッタヘッドを駆動することから衝撃荷重を受け易くなり、軟弱層や地質の悪い地盤の掘削時には低速高トルクで駆動することから摺動抵抗が大きくなると過トルクが発生しやすくなる。
【０００５】
ところが、従来はＴＢＭを駆動する場合、オペレータは操作盤上に設けられた電流計によって駆動機に供給される電力の電流値を監視していて、過剰な電流値を検知することによってカッタヘッドの異常を察知して対応するという状態にある。このことは、とりもなおさず電気機器の保護を第一義としている。したがって、カッタヘッドの駆動が高速，高トルクで駆動されることにより、いままでより一層駆動部におけるメインベアリング（ギア）や減速電動機の破損が懸念されるようになった。このような事態を回避するにはトルクリミットをかけて過トルクの発生を予防することが考えられるが、過トルクの発生段階で、それを検知して安全域に戻すにはタイムラグが大きく現実的ではない。要するに、従来は、主に電気機器の保護に主眼点をおいて機械部での保護対策が十分でなかった。
【０００６】
トンネル掘進機のカッタヘッド駆動部は、メインベアリングや減速電動機というトンネル掘進機の最重要装置であると同時に、掘削中に破損してもその修理や交換が簡単にできない部位である。したがって、故障時の対応に際しては長期間工事を中断する必要があり、極めて不経済で、絶対に回避すべきことである。
【０００７】
本発明は、前述のような状況に鑑みてなされたもので、複雑な手段を用いることなく駆動機の制御部において許容値以上のトルクを検知すると駆動部を保護するとともに、許容範囲内のトルクを有効に利用するカッタヘッドの駆動制御方法を提供することを目的とするものである。
【０００８】
【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制御方法は、
インバータ制御の電動機により掘削装置を駆動するトンネル掘進機であって、インバータによるトルク電流定格値と実トルク電流値の比率を出力し、前記比率を運転部における操作盤上に表示させることを特徴とするものである。
【０００９】
本発明においては、インバータ制御による掘削装置の駆動電動機に流れる電流値でトルク電流として取出されるその実トルク電流値の定格値に対する比率と出力トルクの定格値に対する比率とは、比例関係にあることから、トルク電流の比率を監視することで、駆動トルクを監視して、過トルクとなるのを予防しながら運転するのである。したがって、過トルクが発生する傾向を示すならば、それに対応する状態に駆動電動機や推進ジャッキ、言換えれば掘削装置の作動速度を制御して安全運転を行えるのである。
さらに詳しく説明すれば、インバータにより、図３に示すように、カッタヘッドはその回転速度によって、トルク一定領域と出力一定領域からなるように制御される。ここで、トルク一定領域（図３における回転数Ｎ３未満の領域）では実トルク値と実トルク電流値は比例関係にあるが、トルクが回転数によって変化する馬力一定領域（図３における回転数Ｎ３以上の領域）では実トルク値と実トルク電流値は比例関係にない。しかし、双方の領域とも実トルク値と実トルク電流値のそれぞれの定格値に対する比率同士は、比例関係にあるので、実トルク電流値ではなく、その定格値との比率を監視することで、回転数に関わらずすべての領域で実トルクを監視できるのである。
【００１０】
本発明によれば、インバータ制御部でトルク電流の定格値と実トルク電流値との比率を出力させて操作盤上に表示させることで、トルク電流と機械部（掘削装置）でトルクとが正比例の関係にあるトルクの大きさ（比率）が感覚的に把握し易くなり、トルク管理を容易に行うことができるという効果がある。したがって、過トルクでの運転を未然に防止できて掘削装置における重要部の安全を図ることができ、掘削作業に支障が生じることを予防できて、高速，高トルクでの掘削推進が継続して行えるという効果を奏するのである。
【００１１】
前記比率が所定の値を超えると、電動機の回転またはトンネル掘進機の推進速度を減速もしくは停止させるようにするのがよい。こうすると、所定以上のトルクが発生したとき、殆どタイムラグなく出力をカットさせることができ、機械部の破損が防止できるという効果がある。特に、視認困難な部位での損傷を未然に防止できるので、より安全に運転を継続することができ、工期の短縮を図ることができる。
【００１２】
また、本発明では、前記電動機の出力一定の領域において、インバータの出力周波数域によって複数の領域にわけるとともに、これら領域ごとに前記所定の値が異なるように設定されるようにするのがよい。このようにすると、電動機の出力一定の領域で、設定されている機械的限界に達していないにもかかわらず不必要に出力をカットさせる頻度が減少でき、効率のよい掘削ができるという効果がある。
【００１３】
【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制御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。
【００１４】
本発明による実施の形態は、トンネル掘進機（ＴＢＭ）の駆動に適用したものについて説明する。ここで説明するトンネル掘進機は公知の構成のものであるので、その具体的な構造については図示省略する。このトンネル掘進機における本体内部で、先頭部に備えるカッタヘッドの駆動部に設けられる駆動機としては、インバータ制御される周知の電動機が搭載されており、この電動機によってメインベアリング部のギアを介してカッタヘッドが駆動される。もちろん、その電動機はインバータ制御手段によって駆動制御される。
【００１５】
一般に、インバータを通じて電動機に流れる電流値は、励磁電流とトルク電流に分解することができる。そして、トルク電流の定格値に対する比率は、モータによるカッタヘッドを駆動するトルクの定格値に対する比率と比例関係にある。このようなことに着目して、そのトルク電流の比率を監視することで前記トルクの比率が監視できる。
【００１６】
そこで、本実施の形態では、図１にトンネル掘進機のカッタヘッド駆動制御システム図で示されるように、インバータ制御で駆動されるカッタヘッド１の駆動部２における電動機３には、インバータ制御盤４において設定される所要駆動回転速度が得られる周波数で動力が供給され、カッタヘッド１による地山の掘削に伴なう駆動トルクに対応したトルク電流がインバータ制御盤４において検出され、その駆動トルクと予め設定されたトルクの定格値との比率をインバータ制御盤４に設けられる演算部５において演算して、運転席に設けられた操作盤６において前記トルクの比率を表示するようにされる。
【００１７】
このように構成してカッタヘッド１の駆動を制御するには、予め駆動トルクの定格値を例えば１２０％に設定してインバータ制御で駆動する。図２に駆動制御のフローシートで示されるように、
Ｓ１：ＴＢＭを掘進開始して、硬岩層を掘削する場合は高速低トルクで掘進させ、地山の地質が良くない場合には低速高トルクで電動機３によりカッタヘッド１を駆動させる。
【００１８】
Ｓ２：インバータによって所要回転速度に設定して電動機３によりカッタヘッド１が駆動され、そのカッタヘッド１による地山の掘削に対応してインバータから電動機３に流れるトルク電流値Ｉｔがインバータ制御盤４で検知されて、演算部５によって定格トルク時のトルク電流値（トルク電流定格値）Ｉｔ０との比率を演算され、その比率がリアルタイムで操作盤６において表示される。したがって、オペレータは表示される比率によってカッタヘッド１による掘削状況を監視する。
【００１９】
Ｓ３：こうして掘進するうちに、トルク電流値Ｉｔが設定値（１．２Ｉｔ０）に達するかそれ以上になると、トルク電流値Ｉｔによって過トルクで駆動されていることが判る。なお、トルク電流値Ｉｔが設定値以内であれば、運転を継続させる。
Ｓ４：過トルクでの駆動であることが判れば、直ちに電動機３への電力供給を遮断してカッタヘッド１の駆動を停止させる。
このようにすることで、カッタヘッド１の駆動部２や電気機器の損傷を未然に防止することができる。なお、原因が判明すれば、それに対応する回転速度で掘進させる。
【００２０】
図３（ａ）にＴＢＭカッタヘッド駆動部の制御を表わすグラフが示されている。この図において縦軸には駆動トルクＴを、横軸には回転数Ｎを示している。そして、前述のようにインバータによる駆動では、電動機に流れる電流が励磁電流とトルク電流に分解して表わすことができ、そのトルク電流値の定格値に対する比率とトルクの定格値に対する比率とは比例関係にあることから、トルクＴをトルク電流値Ｉｔに置き換えて知ることができる。また、電動機の回転数はインバータによる周波数変換によって設定されることから周波数ｆで知ることができる。なお、図３（ｂ）にトルク電流値と回転数の関係を表す図が示されている。
【００２１】
このグラフによって表わされるように、電動機による駆動は低回転でトルク一定、高回転で出力一定によりカッタヘッドが駆動される。駆動モータが発生するトルクは、理論的にはＴ１とＮ１を結ぶ線で示されるものとなる（Ｔ１：定格トルク、Ｎ１：最高回転数）が、実際の使用時においては、岩塊砕時の衝撃荷重等によって瞬時的にＴ１を超える大きなトルクが発生することがある。カッタヘッドの駆動トルクが１．２Ｔを超えると駆動部２において歯車あるいはベアリング部に損傷が発生する状態、言換えると機械的限界となるとする。この場合、その機械的限界になる前にトルクリミットを越えないようにして運転する制御方法を採用するのである。具体的には、トルク電流値とその定格値との比率を常時監視し、その比率が１２０％に達した時に電流をカットするように制御する。このように制御することで、図３において、実トルクを常にトルクリミットとして示される線よりも低く抑えることができ、しかもその制御にはほとんどタイムラグが発生しないから、機械の損傷を未然に防ぐことができる。したがって、速度変換容易なインバータ制御によるカッタヘッドの駆動をより有効に行わせることが可能になり、作業能率を一段と向上させることができるのである。
【００２２】
ところで、前述のような駆動制御によると、インバータ制御によるカッタヘッドの回転数が可変速で、これにともないトルクも変化する場合（出力一定）には、限界トルク電流値の比率をすべて回転数（周波数）において一定に設定すると（前述の場合１．２）、高速回転域では低速回転領域と比べてトルクの限界値が低くなり、運転中にトルク限界での停止頻度が多くなって、機械的限界に対して十分余力があるにもかかわらず駆動を停止させねばならないという問題点が生じる。そこで、図４（ａ）にＴＢＭカッタヘッド駆動部の他の制御手段を表わすグラフに示されるように、前記実施の形態で述べた機械的限界までの使用不可領域を、出力一定の領域で周波数ｆを複数段階に分割して別にトルク電流値の限界値（例えば回転数Ｎ２以上の領域で定格値の１５０％とする）を設定可能とすることにより、トルクを有効に利用できるのである。なお、図４（ｂ）は図４（ａ）に対応するトルク電流値と回転数の関係を表わす図である。
【００２３】
このようなカッタヘッドの駆動を制御するには、図５に駆動制御のフローシートで示されるように、
Ｔ１：ＴＢＭを掘進開始して、硬岩層を掘削する場合は高速低トルクで掘進させ、地山の地質が良くない場合には低速高トルクで電動機によりカッタヘッドを駆動させる。
Ｔ２：運転に伴い操作盤上で電動機のトルク電流値Ｉｔおよびカッタヘッドの回転数Ｎ（操作盤上に前記比率と回転数を表示させておく）を監視する。
【００２４】
Ｔ３：操作盤上でカッタヘッドの回転数Ｎがトルク限界値の変更を行う回転数Ｎ２に達しているか、または超えているか否かを判断する。回転数Ｎ２以下（ｙｅｓ）であれば次のステップＴ４に移行し、Ｎ２に達しそれを超えていると（ｎｏ）ステップＴ６に移行する。
Ｔ４：回転数Ｎがトルク限界値変更を行う回転数Ｎ２以下であると、トルク電流値Ｉｔ（トルクＴ）が設定されている設定値１．２Ｉｔ０以下であるか否かを判断する。もし明確でなければ（ｎｏ）ステップＴ２に戻り監視を続ける。トルク電流の設定値１．２Ｉｔ０を超えておれば（ｙｅｓ）、直ちに電動機の駆動を停止させるようにする。
【００２５】
Ｔ５：ステップＴ４において電動機の駆動停止と判断されると電動機によるカッタヘッドの駆動を停止させる。
Ｔ６：前記ステップＴ３において、回転数Ｎ２を超えていると判断すれば、トルク電流値Ｉｔが複数段階に分割して設定された高い値のトルク電流定格値（例えば１５０％、１．５Ｉｔ０）未満かそれ以上であるかを判断して、ｎｏであればステップＴ２に戻って運転を継続する。また、そうでなければ（ｙｅｓ）ステップＴ５に移行して運転を停止する。
【００２６】
このようなカッタヘッドの駆動制御を行うようにすれば、前記実施の形態で述べた制御手段を出力一定の領域において不必要に掘進を停止させることがなく、高機能を要求されるトンネル掘進機において駆動部が受ける悪条件を巧みに交わして、より作業性の向上を図ることが可能になる。
なお、以上に説明してきた実施例においては、トルク電流値が設定値以上に達した時に電動機の駆動を停止させることとしたが、これに限らずトンネル掘進機の推進を停止させることによっても、同様の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、トンネル掘進機のカッタヘッド駆動制御システム図である。
【図２】図２は、駆動制御のフローシートである。
【図３】図３（ａ）はＴＢＭカッタヘッド駆動部の制御を表わすグラフであり、（ｂ）はトルク電流値と回転数の関係を表す図である。
【図４】図４（ａ）はＴＢＭカッタヘッド駆動部の他の制御手段を表わすグラフであり、（ｂ）は（ａ）に対応するトルク電流値と回転数の関係を表わす図である。
【図５】図５は、駆動制御のフローシートである。
【符号の説明】
１                    カッタヘッド
２                    駆動部
３                    電動機
４                    インバータ制御盤
５                    演算部
６                    操作盤
【図１】
0004043185.tif 000002
【図２】
0004043185.tif 000003
【図３】
0004043185.tif 000004
【図４】
0004043185.tif 000005
【図５】
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