(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒状をなす掘削機本体の前部にカッタヘッドが回転自在で、且つ、駆動モータによって駆動回転可能に装着される一方、該掘削機本体の後部に周辺地盤からの反力を得て該掘削機本体を前進させる推進ジャッキが装着されたトンネル掘削機において、前記駆動モータの振動レベルを検出する振動検出手段と、該振動検出手段が検出した振動レベルに基づいてモータ取付ボルトの軸力変化を推定して該モータ取付ボルトの締付異常を判定する軸力判定手段と、該軸力判定手段の判定結果に基づいて前記駆動モータを駆動を制御する制御手段とを具えたことを特徴とするトンネル掘削機の制御装置。
【請求項２】
請求項１記載のトンネル掘削機の制御装置において、前記軸力判定手段は、前記推定したボルト軸力と予め設定された基準ボルト軸力とを比較することで前記モータ取付ボルトの締付異常を判定することを特徴とするトンネル掘削機の制御装置。
【請求項３】
請求項２記載のトンネル掘削機の制御装置において、前記基準ボルト軸力は、初期ボルト締付軸力と許容ボルト締付軸力とに基づいて許容締付軸力変動量を算出し、モータ重心加速度と該許容締付軸力変動量との比例関係から前記許容締付軸力変動量に基づいてモータ重心加速度の許容値を算出し、該モータ重心加速度の許容値に対するＲＭＳ値から算出される判定値であることを特徴とするトンネル掘削機の制御装置。
【請求項４】
請求項３記載のトンネル掘削機の制御装置において、前記振動検出手段は前記駆動モータの取付部の振動レベルを検出する一方、前記基準ボルト軸力は前記ＲＭＳ値に対して前記駆動モータの重心から前記取付部への伝達関数を用いて前記判定値を算出することを特徴とするトンネル掘削機の制御装置。
【請求項５】
請求項３記載のトンネル掘削機の制御装置において、前記判定値は前記ＲＭＳ値に基づいて少なくとも２つの判定値を求め、第１判定値に基づいて前記駆動モータの運転条件の変更を判定し、第２判定値に基づいて前記駆動モータの停止を判定することを特徴とするトンネル掘削機の制御装置。
【請求項６】
請求項１記載のトンネル掘削機の制御装置において、前記振動検出手段は、前記駆動モータのモータ重心加速度を検出する加速度センサ、あるいは、該駆動モータの取付フランジに装着されてモータフランジ加速度を検出する加速度センサであることを特徴とするトンネル掘削機の制御装置。
【請求項７】
請求項６記載のトンネル掘削機の制御装置において、前記判定手段は、前記モータ重心加速度あるいはモータフランジ加速度から所定の周波数帯域でのＲＭＳ平均値を算出し、該ＲＭＳ平均値を前記ボルト軸力とすることを特徴とするトンネル掘削機の制御装置。
【請求項８】
請求項１記載のトンネル掘削機の制御装置において、前記駆動モータの電流偏差及び最大電流値に基づいて制御電流バランスを判定する制御電流バランス判定手段を設け、前記制御手段は前記軸力判定手段あるいは該制御電流バランス判定手段の判定結果に基づいて前記駆動モータを駆動を制御することを特徴とするトンネル掘削機の制御装置。
【請求項９】
請求項１記載のトンネル掘削機の制御装置において、前記駆動モータのトルク偏差及び最大トルクに基づいてトルクバランスを判定するトルクバランス判定手段を設け、前記制御手段は前記軸力判定手段あるいは該トルクバランス判定手段の判定結果に基づいて前記駆動モータを駆動を制御することを特徴とするトンネル掘削機の制御装置。
【請求項１０】
請求項１記載のトンネル掘削機の制御装置において、前記駆動モータの油温偏差及び最大油温に基づいて油温バランスを判定する油温バランス判定手段を設け、前記制御手段は前記軸力判定手段あるいは該油温バランス判定手段の判定結果に基づいて前記駆動モータを駆動を制御することを特徴とするトンネル掘削機の制御装置。
【請求項１１】
請求項８または９または１０記載のトンネル掘削機の制御装置において、前記バランス判定手段は、前記偏差値が予め設定された基準値を越えたときに第１締付異常と判定し、前記最大値が予め設定された基準値を越えたときに第２締付異常と判定することを特徴とするトンネル掘削機の制御装置。
【請求項１２】
請求項１記載のトンネル掘削機の制御装置において、前記軸力判定手段及び前記制御手段に送受信手段を設け、遠隔地に設けられた監視操作手段は受信した前記軸力判定手段の判定結果に基づいて前記制御手段に指示を送信可能としたことを特徴とするトンネル掘削機の制御装置。
【請求項１３】
掘削機本体に駆動モータによりカッタヘッドが駆動回転可能に装着されたカッタ装置において、前記駆動モータの振動レベルを検出する振動検出手段と、該振動検出手段が検出した振動レベルに基づいてモータ取付ボルトの軸力変化を推定して該モータ取付ボルトの締付異常を判定する軸力判定手段とを具えたことを特徴とする駆動モータの異常検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、トンネルボーリングマシンやシールド掘削機などのトンネル掘削機において、駆動モータの締付異常を検出する駆動モータの異常検出装置、並びにこの駆動モータの締付異常を検出してトンネル掘削機を制御するトンネル掘削機の制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、従来のトンネルボーリングマシンにおいて、掘削機本体が円筒形状をなす前胴と後胴とから構成され、この前胴の前部にはカッタヘッドが回転自在に装着され、複数の駆動モータによって駆動回転可能となっている。そして、この前胴と後胴とは揺動自在に連結しており、複数本のスラストジャッキからなるパラレルリンク機構が架設されている。このスラストジャッキは油圧の給排によって伸縮作動するものであって、前胴と後胴との相対位置を変更することができると共に、各スラストジャッキの各作動ストロークを変えることで、後胴に対する前胴、つまり、カッタヘッドの位置姿勢を変更し、トンネルボーリングマシンの掘進方向を変更することができる。
【０００３】
また、前胴にはフロントグリッパが装着されており、このフロントグリッパを外方に張り出して既設トンネルの内壁面に圧接することで、前胴を位置保持することができる。一方、後胴にはリヤグリッパが装着されており、このリヤグリッパを外方に張り出して既設トンネルの内壁面に圧接することで、後胴を位置保持することができる。更に、後胴の後部には支保やセグメントを組み付けるエレクタ装置が搭載されている。
【０００４】
従って、リアグリッパにより後胴を移動不能に保持した状態で、駆動モータによりカッタヘッドを回転駆動させながら、パラレルリンク機構の各スラストジャッキを伸長して前胴を前進されると、旋回するカッタヘッドが岩盤をせん断破壊して掘削する。そして、各スラストジャッキを所定ストローク伸長すると、フロントグリッパにより前胴を移動不能に保持する一方、リアグリッパを収納して後胴を移動自在とし、各スラストジャッキを収縮することで前胴に対して後胴を引き寄せる。そして、再びリアグリッパにより後胴を移動不能に保持する一方、フロントグリッパにより前胴を移動自在とし、カッタヘッドを旋回させながら各スラストジャッキを伸長して前胴を前進させると、カッタヘッドが岩盤を掘削する。この作動の繰り返しによって連続してトンネルを掘削していく。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述したトンネルボーリングマシンでは、回転するカッタヘッドを岩盤に押し付けることで、カッタヘッドの前面に装着された多数のローラカッタがこの岩盤をせん断破壊して掘削する。そのため、このローラカッタが岩盤をせん断破壊するときには、振動や衝撃が発生して掘削機本体側に作用する。特に、カッタヘッドのリングギヤには駆動モータの出力ギヤが噛み合っているため、各駆動モータには過大な重心加速度が発生する。すると、この振動の大きさによっては駆動モータのモータ取付ボルトを緩めてしまい、ギヤや軸受などで構成されるトルク伝達部が破損してしまう虞がある。
【０００６】
また、カッタヘッドによる地盤の掘削条件によっては、駆動モータに作用する反力が異なり、振動だけでなく各駆動モータを制御する電流、トルク、減速機の油温などのバランスが崩れてしまうことがある。この電流、トルク、油温のバランスが大きく崩れると、特定の駆動モータに負荷が集中して作用し、地盤を適正に掘削することができなくなる虞がある。
【０００７】
更に、トンネルボーリングマシンによるトンネル掘削現場は、遠隔地である場合が多いが、トンネル掘削作業時における各種の計測データや掘削状況のデータを遠隔監視する方法がなく、不具合の兆候把握によるトラブル未然防止やトラブル発生後の即時分析によるマシン停止時間の短縮化が困難であった。
【０００８】
本発明はこのような問題を解決するものであって、トンネル掘削機における安全性の向上並びに作業能率の向上を図ったトンネル掘削機の制御装置及び駆動モータの異常検出装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するための請求項１の発明のトンネル掘削機の制御装置は、筒状をなす掘削機本体の前部にカッタヘッドが回転自在で、且つ、駆動モータによって駆動回転可能に装着される一方、該掘削機本体の後部に周辺地盤からの反力を得て該掘削機本体を前進させる推進ジャッキが装着されたトンネル掘削機において、前記駆動モータの振動レベルを検出する振動検出手段と、該振動検出手段が検出した振動レベルに基づいてモータ取付ボルトの軸力変化を推定して該モータ取付ボルトの締付異常を判定する軸力判定手段と、該軸力判定手段の判定結果に基づいて前記駆動モータを駆動を制御する制御手段とを具えたことを特徴とするするものである。
【００１０】
請求項２の発明のトンネル掘削機の制御装置では、前記軸力判定手段は、前記推定したボルト軸力と予め設定された基準ボルト軸力とを比較することで前記モータ取付ボルトの締付異常を判定することを特徴としている。
【００１１】
請求項３の発明のトンネル掘削機の制御装置では、前記軸力判定手段は、前記基準ボルト軸力は、初期ボルト締付軸力と許容ボルト締付軸力とに基づいて許容締付軸力変動量を算出し、モータ重心加速度と該許容締付軸力変動量との比例関係から前記許容締付軸力変動量に基づいてモータ重心加速度の許容値を算出し、該モータ重心加速度の許容値に対するＲＭＳ値から算出される判定値であることを特徴としている。
【００１２】
請求項４の発明のトンネル掘削機の制御装置では、前記振動検出手段は前記駆動モータの取付部の振動レベルを検出する一方、前記基準ボルト軸力は前記ＲＭＳ値に対して前記駆動モータの重心から前記取付部への伝達関数を用いて前記判定値を算出することを特徴としている。
【００１３】
請求項５の発明のトンネル掘削機の制御装置では、前記判定値は前記ＲＭＳ値に基づいて少なくとも２つの判定値を求め、第１判定値に基づいて前記駆動モータの運転条件の変更を判定し、第２判定値に基づいて前記駆動モータの停止を判定することを特徴としている。
【００１４】
請求項６の発明のトンネル掘削機の制御装置では、前記振動検出手段は、前記駆動モータのモータ重心加速度を検出する加速度センサ、あるいは、該駆動モータの取付フランジに装着されてモータフランジ加速度を検出する加速度センサであることを特徴としている。
【００１５】
請求項７の発明のトンネル掘削機の制御装置では、前記判定手段は、前記モータ重心加速度あるいはモータフランジ加速度から所定の周波数帯域でのＲＭＳ平均値を算出し、該ＲＭＳ平均値を前記ボルト軸力とすることを特徴としている。
【００１６】
請求項８の発明のトンネル掘削機の制御装置では、前記駆動モータの電流偏差及び最大電流値に基づいて制御電流バランスを判定する制御電流バランス判定手段を設け、前記制御手段は前記軸力判定手段あるいは該制御電流バランス判定手段の判定結果に基づいて前記駆動モータを駆動を制御することを特徴としている。
【００１７】
請求項９の発明のトンネル掘削機の制御装置では、前記駆動モータのトルク偏差及び最大トルクに基づいてトルクバランスを判定するトルクバランス判定手段を設け、前記制御手段は前記軸力判定手段あるいは該トルクバランス判定手段の判定結果に基づいて前記駆動モータを駆動を制御することを特徴としている。
【００１８】
請求項１０の発明のトンネル掘削機の制御装置では、前記駆動モータの油温偏差及び最大油温に基づいて油温バランスを判定する油温バランス判定手段を設け、前記制御手段は前記軸力判定手段あるいは該油温バランス判定手段の判定結果に基づいて前記駆動モータを駆動を制御することを特徴としている。
【００１９】
請求項１１の発明のトンネル掘削機の制御装置では、前記バランス判定手段は、前記偏差値が予め設定された基準値を越えたときに第１締付異常と判定し、前記最大値が予め設定された基準値を越えたときに第２締付異常と判定することを特徴としている。
【００２０】
請求項１２の発明のトンネル掘削機の制御装置では、前記軸力判定手段及び前記制御手段に送受信手段を設け、遠隔地に設けられた監視操作手段は受信した前記軸力判定手段の判定結果に基づいて前記制御手段に指示を送信可能としたことを特徴としている。
【００２１】
請求項１３の発明の駆動モータの異常検出装置は、掘削機本体に駆動モータによりカッタヘッドが駆動回転可能に装着されたカッタ装置において、前記駆動モータの振動レベルを検出する振動検出手段と、該振動検出手段が検出した振動レベルに基づいてモータ取付ボルトの軸力変化を推定して該モータ取付ボルトの締付異常を判定する軸力判定手段とを具えたことを特徴とするものである。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００２３】
図１に本発明の第１実施形態に係るトンネル掘削機の制御装置の概略構成、図２に駆動モータ及び加速度センサの取付構造を表す概略、図３に本実施形態のトンネル掘削機の制御装置が適用されたトンネルボーリングマシンの概略断面、図４にモータフランジ加速度の判定値を設定する処理を表すフローチャート、図５にモータ取付ボルトの締付異常を判定する処理を表すフローチャート、図６にモータ取付ボルトの伸び量に対するモータ取付ボルトの締付軸力を表すグラフ、図７にモータ重心加速度に対するボルト締付軸力の変動量を表すグラフ、図８に周波数に対する振動の応答倍率を表すグラフ、図９に周波数に対するモータフランジ加速度を表すグラフを示す。
【００２４】
本実施形態のトンネルボーリングマシン（以下、ＴＢＭと称する。）において、図３に示すように、掘削機本体は円筒形状をなす前胴１１と後胴１２とから構成されており、この前胴１２の前部にはカッタヘッド１３が回転自在に装着されており、このカッタヘッド１３は前面部に岩盤をせん断破壊するローラカッタ１４が多数枢着されている。このカッタヘッド１３の後部には内歯を有するリングギヤ１５が一体に固定される一方、前胴１１には駆動モータ１６が固定されており、この駆動モータ１６の駆動ギヤ１７がリングギヤ１５に噛み合っている。また、前胴１１には掘削により発生したずりが内部に浸入しないようにバルクヘッド１８が形成されており、カッタヘッド１３とこのバルクヘッド１８との間にはチャンバ１９が形成されている。そして、このチャンバ１９にはずりを集積するホッパ２０が配設され、このホッパ２０の下部には集積したずりを外部に排出するベルトコンベヤ２１の前部が位置している。
【００２５】
従って、駆動モータ１６を駆動して駆動ギヤ１７を回転駆動すると、この駆動ギヤ１７が噛み合うリングギヤ１５が回転し、リングギヤ１５と一体のカッタヘッド１３を旋回し、ローラカッタ１４が岩盤をせん断破壊して掘削することができる。そして、カッタヘッド１３の開口部からチャンバ１９に取り込まれたずりはホッパ２０内に落下し、このホッパ２０内に集積されたずりはベルトコンベヤ２１によって外部に排出される。
【００２６】
前胴１１と後胴１２とは互いにシール部材２２を介して揺動自在に嵌合しており、両者の間には複数（本実施形態では８本）のスラストジャッキ２３が架設されている。各スラストジャッキ２３は基端部が後胴１２の前端部に固定されたベースプレート２４に玉軸受２５によって連結され、各駆動ロッドの先端部が前胴１１の前端部に固定されたエンドプレート２６に玉軸受２７によって連結されている。そして、このスラストジャッキ２３は油圧の給排によって伸縮作動するものであって、全体としてトラス状に配設されることでパラレルリンク機構２８を構成している。従って、このパラレルリンク機構２８において、各スラストジャッキ２３の各駆動ロッドを伸縮することで、後胴１２に対する前胴１１の位置を変更することができ、また、各スラストジャッキ２３の各作動ストロークを変えることで、後胴１２に対して前胴１１を屈曲し、カッタヘッド１３の姿勢を変更して掘進方向を変更することができる。
【００２７】
また、前胴１１には複数のフロントグリッパ２９が周方向にほぼ均等間隔で装着されており、各フロントグリッパ２９は内蔵された図示しない油圧ジャッキによってグリッパシュー３０を径方向に張り出すことができる。従って、この油圧ジャッキを駆動して各グリッパシュー３０を径方向に張り出すと、グリッパシュー３０が既設トンネルの内壁面に圧接して前胴１１を位置保持することができる。一方、後胴１２には複数のリヤグリッパ３１が周方向にほぼ均等間隔で装着されており、各リヤグリッパ３１は内蔵された図示しない油圧ジャッキによってグリッパシュー３２を径方向に張り出すことができる。従って、この油圧ジャッキを駆動して各グリッパシュー３２を径方向に張り出すと、グリッパシュー３２が既設トンネルの内壁面に圧接して後胴１２を位置保持することができる。
【００２８】
なお、通常のＴＢＭは岩盤掘削用のトンネル掘削機であり、前述したリヤグリッパ３１による掘進反力を得て前胴１１を推進させるものであるが、トンネル掘削中の地盤が岩盤層から一般土砂層に変化した場合には、掘削したトンネル壁面が軟弱であり、リアグリッパ３１から掘進反力を得ることができない。そのため、シールド掘削機のようにセグメントＳによって掘進反力を得て前胴１１が推進できるようになっている。即ち、後胴１２の後部には円周方向に複数のシールドジャッキ３３が並設されており、このシールドジャッキ３３を伸長すると、掘削したトンネル内周面に構築された既設のセグメントＳに押し付けられ、その反力により前胴１１を前進させることができる。そして、このシールドジャッキ３３と共に後胴１２の後部にはトンネル内壁面にセグメントＳを組付けるエレクタ装置３４が装着されている。
【００２９】
従って、リアグリッパ３１によって後胴１２を位置保持した状態で、駆動モータ１６によってカッタヘッド１３を回転駆動させながら、パラレルリンク機構２８の各スラストジャッキ２３を伸長して前胴１１と共にカッタヘッド１３を前方へ移動させる。すると、旋回するカッタヘッド１３のローラカッタ１４が岩盤をせん断破壊してトンネルを掘削する。そして、各スラストジャッキ２３を所定ストローク伸長すると、フロントグリッパ２９によって前胴１１を位置保持する一方、リアグリッパ３１によって後胴１２を移動自在とした状態で、各スラストジャッキ２３を収縮することで前胴１１に対して後胴１２を引き寄せる。そして、再び、リアグリッパ３１によって後胴１２を位置保持する一方、フロントグリッパ２９によって前胴１１を移動自在とした状態で、カッタヘッド１３を回転駆動させながら、各スラストジャッキ２３を伸長して前胴１１と共にカッタヘッド１３を前方へ移動させ、カッタヘッド１３のローラカッタ１４がトンネルを掘削する。この作動の繰り返しによって連続してトンネルを掘削していく。
【００３０】
このように構成されたＴＢＭでは、掘削作業中にカッタヘッド１４を駆動回転する駆動モータ１６のボルト締付異常を検出することができるようになっている。即ち、上述したＴＢＭに適用された制御装置において、図１に示すように、駆動モータ１６にはこの駆動モータ１６の振動レベルを検出する振動検出手段としての加速度センサ４１が装着されている。具体的には、図２に詳細に示すように、前胴１１にはモータ取付台３５がボルト３６により取付けられ、このモータ取付台３５の取付フランジ３５ａには駆動モータ１６のフランジ１６ａが密着し、複数の取付ボルト３７及びナット３８により取付けられている。そして、互いに密着したモータ取付台３５の取付フランジ３５ａと駆動モータ１６のフランジ１６ａの端面に加速度センサ４１が取付けられている。
【００３１】
この加速度センサ４１は各フランジ３５ａ，１６ａにおけるモータフランジ加速度を計測するものであり、各駆動モータ１６の少なくとも１台に装着されており、その装着位置は装着し易い箇所でよい。加速度センサ４１は動歪み計アンプ４２に接続されて計測結果を出力しており、この動歪み計アンプ４２は加速度センサ４１からの信号を計測電圧（あるいは電流）に変換することができる。そして、動歪み計アンプ４２は異常診断装置４３に接続されており、この異常診断装置４３は、入力信号を計測値に変換する計測部４４と、異常を判定する判定部４５と、計測値や判定結果を記録する記録部４６とで構成されている。また、制御装置（シーケンサ）４７は図示しない操作パネルの操作に応じたモータ制御盤４８，４９の操作やスラストジャッキ２３、フロントグリッパ２９、リアグリッパ３１の制御弁の操作等を行うことで、ＴＢＭを駆動制御している。
【００３２】
ここで、上述したトンネル掘削機の制御装置によるボルト締付異常の検出方法について説明する。この場合、ＴＢＭによる掘削作業前にボルト締付軸力等に基づいて異常判定を行うための判定値（基準ボルト軸力）を設定する。図４のフローチャートに示すように、ステップＳ１１において、各取付ボルト３７の初期ボルト締付軸力Ｆ0 等の入力データの処理を行い、この初期ボルト締付軸力初Ｆ0 に基づいてボルト締付線図（図６）を作成し、ステップＳ１２にて、このボルト締付線図から許容締付軸力変動量ΔＦmax を設定する。即ち、図６のグラフは、駆動モータ１６の取付ボルト３７の初期ボルト締付軸力Ｆ0 を基準にした取付ボルト３７の伸び量とボルト締付軸力Ｆの関係を示したものであり、初期ボルト締付軸力Ｆ0 からボルト締付軸力Ｆが変動して上昇すると、取付ボルト３７が伸び始め、被締結体（フランジ３５ａ，１６ａ）への圧縮力が減少する。そして、ボルト締付軸力Ｆが許容ボルト締付軸力Ｆmax に達すると、この圧縮力が０になる。そこで、ステップＳ１２では、初期ボルト締付軸力Ｆ0 から圧縮力が０となる変動量ΔＦを下記数式１より許容締付軸力変動量ΔＦmax として設定する。
【００３３】
【数１】
0003848829.tif 000002
【００３４】
次に、ステップＳ１３にて、取付ボルト３７の軸力変化と駆動モータ１６の振動特性とを対応付けるために、算出した許容締付軸力変動量ΔＦmax を振動レベルの尺度に変換し、駆動モータ１６の重心点での加速度の許容値のＲＭＳ値αrms を設定する。即ち、図７のグラフは、駆動モータ１６の振動特性の評価基準点をその重心位置とした場合のモータ重心加速度（ピーク値）αp とボルト軸力変動量ΔＦとの関係を示す計測線図である。この線図より両者の関係は直線近似できることがわかる。従って、この近似直線の勾配と許容締付軸力変動量ΔＦmax よりモータ重心加速度（ピーク値）の許容値αpmaxを下記数式２より算出する。
【００３５】
【数２】
0003848829.tif 000003
【００３６】
そして、この許容値αpmaxを振動レベルの尺度に変換する。この場合、平均値、２乗平均値、ＲＭＳ（Root Mean Square）が一般的に用いられるが、ここではＲＭＳを用いた例を示す。ＲＭＳとは、パワースペクトル密度関数Φx の周波数に関する積分値（２乗平均値）の平方根で定義されるものであり、下記数式３、４で表される。
【００３７】
【数３】
0003848829.tif 000004
【数４】
0003848829.tif 000005
【００３８】
ここで、モータ重心加速度のピーク許容値αpmaxの平均とＲＭＳ値の平均との比をβとすると、ピーク許容値αpmaxに対するＲＭＳ値αrmsmaxは下記数式５で表される。なお、以降、αrmsとして用いる。
【００３９】
【数５】
0003848829.tif 000006
【００４０】
そして、最後に、ステップＳ１４にて、モータ重心加速度から伝達関数Ｇω（図８）を用いてモータフランジ加速度に換算し、異常判定のための判定値Ｌ１，Ｌ２を設定するが、このとき、段階の異なる２つの判定Ｌ１，Ｌ２（Ｌ１＜Ｌ２）を設定して警報レベルを区分する。
【００４１】
この場合、対象となるＴＢＭにて、常に駆動モータ１６の重心位置に加速度センサ４１を装着して加速度を計測できれば、ＲＭＳ値αrmsmaxを判定値として異常判定に用いることができるが、機械の状況によっては重心位置に加速度センサ４１が装着しにくい場合があり、また、駆動モータ１６の重心位置に常設用の治具を取付ことは余り好ましくない。そこで、本実施形態では、上述したように、駆動モータ１６の重心点（一時的計測点）と常設箇所（フランジ３５ａ，１６ａ）に加速度センサ４１を取付けて掘削中の振動を計測し、図８のグラフに示すような周波数に対する振動の応答倍率Ｇωを表すグラフを求める。
【００４２】
【数６】
0003848829.tif 000007
【００４３】
この図７のグラフにて、伝達関数Ｇωは所定の周波数帯（例えば、40Hz）に１次振動モードがあり、その応答倍率は約１０倍となっている。そこで、この着目する周波数帯域（例えば20〜60Hz）でのＲＭＳを用い、モータ重心加速度のＲＭＳをαg＿rms、モータフランジ加速度のＲＭＳをα0＿rms、伝達関数のＲＭＳをＧ＿rmsとすると、下記数式７が成り立つ。
【００４４】
【数７】
0003848829.tif 000008
【００４５】
ここで、モータ重心加速度αg＿rmsは、前述の数式５のＲＭＳ値αrmsmaxより、下記数式８を導き出し、異常とみなす振動レベルの判定値Ｌ２を設定することができる。
【００４６】
【数８】
0003848829.tif 000009
【００４７】
なお、ここでは、着目する１つの周波数帯域に関して示したが、複数箇所設けることは可能である。例えば、０〜20Hz、20〜60Hz、60〜100Hz、100Hz〜140Hz・・・などである。これらの周波数帯域での判定値を求めた結果を図９のグラフに示す。この場合、１次振動モードがある所定の周波数帯（例えば、40Hz）に対して判定値を低くするようにしている。
【００４８】
そして、上述した数式８にて判定値Ｌ２を設定したが、計測データのばらつき、計測データの誤差等を考慮して、もう一つの判定値Ｌ１を設定するようにしてもよい。この場合、判定値Ｌ１は判定値Ｌ２よりも低い値であって、ＴＢＭによる実掘削での振動レベルを監視して設定することが望ましい。
【００４９】
また、上述した伝達関数Ｇωは、機械の構造物に関わるものであるため、ＴＢＭによる掘進状態で変化するものではない。そのため、必ずしも掘進中に上述の振動計測を行って伝達関数を求める必要はなく、例えば、ＴＢＭの製作が完成した段階で、ハンマー打撃試験で振動を計測して伝達関数Ｇωを求めることも可能である。
【００５０】
このように伝達関数Ｇωを用いることで、前述した数式８によりモータフランジの振動を計測して取付ボルト３７の軸力に着目した異常判定を行うことができる。そのため、ＴＢＭによるトンネル掘削作業には、モータ重心位置での加速度センサ等による計測作業は不要になる。
【００５１】
以下、トンネル掘削作業における駆動モータ１６の取付ボルト３７の緩み異常検出処理について説明する。図５に示すように、ステップＳ２１において、モータフランジ１６ａに装着した加速度センサ４１がモータフランジ加速度として加速度データを計測し、この入力データの処理を行い、ステップＳ２２にて、この加速度データより、モータフランジ加速度ＲＭＳの平均値αf を算出する。この場合、前述した数式２〜４を用いて加速度センサ４１が計測したモータフランジ加速度αからＲＭＳ値αi を算出する。そして、着目すべき周波数帯域をｆ１〜ｆ２と設定し、以下の処理を行う。なお、着目すべき周波数帯域は複数箇所存在しても良い。
【００５２】
即ち、周波数帯域ｆ１〜ｆ２での加速度ＲＭＳの平均値αf の算出方法において、周波数帯域ｆ１〜ｆ２をδｆ間隔に分割し、各δｆでのＲＭＳ値αi を算出し、δｆでの面積相当Ａi を求め、続いて、各面積相当Ａi の和を求めて周波数帯域で除算する。即ち、下記数式９、１０に基づいて算出する。
【００５３】
【数９】
0003848829.tif 000010
【数１０】
0003848829.tif 000011
【００５４】
このようにδｆ間隔で分割する理由は、周波数帯域ｆ１〜ｆ２の間で加速度ＲＭＳが変化している可能性が高く、ｆ１〜ｆ２間の加速度ＲＭＳを直接算出方法では、誤差が大きくなるからである。そこで、周波数間隔をδｆとして各δｆで加速度ＲＭＳを算出し、ｆ１〜ｆ２間のＲＭＳの平均値を求めることで、より精度の高い加速度ＲＭＳの平均値αf を求めることができる。なお、δｆは一定値である必要はなく、ｆ１〜ｆ２間を異なる分割幅δｆで上記演算を行うことも可能である。
【００５５】
次に、ステップＳ２３では、求めた加速度ＲＭＳの平均値αf が判定値Ｌ１を越え、且つ、その状態がＴ１秒以上継続したかどうかを判定し、加速度ＲＭＳの平均値αf が判定値Ｌ１を越えていなかったり、越えていてもその状態がＴ１秒以上継続していなければ何もせずにこのルーチンを抜ける。一方、加速度ＲＭＳの平均値αf が判定値Ｌ１を越えてＴ１秒以上継続していれば、ステップＳ２４に移行する。この継続時間Ｔ１の設定方法は、例えば、代表的な周波数での単位時間あたりのボルト締付軸力低下量εf(kgf/min)と初期ボルト締付軸力Ｆ0 (kgf) の低下制限率γ(%) よりＴ１(min) を算出する。即ち、下記数式１１より求めることができる。なお、実稼働状態によって経験的に時間Ｔ１を設定することも可能である。
【００５６】
【数１１】
0003848829.tif 000012
【００５７】
そして、ステップＳ２４では、加速度ＲＭＳの平均値αf が判定値Ｌ２を越えたかどうかを判定する。そして、ここで加速度ＲＭＳの平均値αf が判定値Ｌ２を越えていなければ、ステップＳ２５に移行して警報レベル１とし、運転条件を変更する指示をオペレータに出力する。即ち、カッタヘッド１４の回転速度を低下したり、パラレルリンク機構２８により推進速度を低下したりする。また、ステップＳ２４にて、加速度ＲＭＳの平均値αf が判定値Ｌ２を越えていれば、ボルト軸力が０に近づくほどの振動であるため、ステップＳ２６に移行して警報レベル２とし、ＴＢＭを停止させる指示をオペレータに出力し、停止指示後に各部の緩み等の点検を指示する。
【００５８】
このように本実施形態のトンネル掘削機の制御装置にあっては、駆動モータ１６の取付ボルト３７の初期ボルト締付軸力初Ｆ0 、伸び量、ボルト締付軸力Ｆから許容締付軸力変動量ΔＦmax を設定し、この許容締付軸力変動量ΔＦmax を振動レベルの尺度に変換して駆動モータ１６の重心点での加速度の許容値のＲＭＳ値αrms を設定し、伝達関数Ｇωを用いてモータフランジ加速度に換算することで、予め異常判定のための判定値Ｌ１，Ｌ２を設定しておき、ＴＢＭによるトンネル掘削作業中に、カッタヘッド１４を駆動する駆動モータ１６のフランジ１６ａにおけるモータフランジ加速度αを加速度センサ４１で計測し、モータフランジ加速度ＲＭＳの平均値αf を算出し、この加速度ＲＭＳの平均値αf が判定値Ｌ１を越え、且つ、その状態がＴ１秒以上継続したら、警報レベル１として運転条件を変更し、更に、加速度ＲＭＳの平均値αf が判定値Ｌ２を越えたら、警報レベル２としてＴＢＭを停止させるようにしている。
【００５９】
従って、ＴＢＭの主要部位の一つであるカッタヘッド１４を駆動回転する駆動モータ１６の取付ボルト３７の健全性（緩み度合い）を掘削中に発生する振動レベルで容易に判定できる。また、駆動モータ１６の重心位置等の代表点での振動レベルとボルト軸力変化のデータベース、この代表点とセンサ常設計測点（任意位置）間の加速度伝達関数を用いることで、この任意位置の常設計測点の振動レベルで駆動モータ１６の取付ボルト３７の軸力緩み度合いが判定でき、異常を検出することが可能になる。
【００６０】
なお、上述の実施形態では、トンネル掘削作業中における駆動モータ１６のモータフランジ加速度αをＲＭＳの平均値αf として算出し、取付ボルト３７の初期ボルト締付軸力初Ｆ0 などから予め設定した判定値Ｌ１，Ｌ２と比較して駆動モータ１６の異常検出を行ったが、判定値は一つでもよく、あるいは判定値をなくしてモータフランジ加速度αの変化または変化率等により異常を判定してもよい。
【００６１】
図１０に本発明の第２実施形態に係るトンネル掘削機の制御装置の概略構成、図１１に駆動モータの異常を判定する処理を表すフローチャート、図１２に本発明の第３実施形態に係るトンネル掘削機の制御装置の概略構成を示す。なお、前述した実施形態で説明したものと同様の機能を有する部材には同一の符号を付して重複する説明は省略する。
【００６２】
駆動モータ１６の異常兆候の初期段階では、第１実施形態で示した振動や、発熱、回転トルク変動などが生じるため、この第２実施形態では、異常振動の判定と共に、各駆動モータ１６間の電流バランス、トルクバランス及び減速機の油温バランスを異常判定とする。
【００６３】
第２実施形態のトンネル掘削機の制御装置において、図１０に示すように、駆動モータ１６には加速度センサ４１が装着され、動歪み計アンプ４２を介して異常診断装置４３に接続されており、この異常診断装置４３は計測部４４と判定部４５と記録部４６とから構成されている。また、駆動モータ１６にはモータ減速機内の油温を計測する温度計５１が装着されており、この温度計５１は温度変換器５２を介して異常診断装置４３に接続されている。従って、この異常診断装置４３には、駆動モータ１６に装着した加速度センサ４１の計測データと、この温度計５１の計測データとしての油温Ｔi と、モータ制御盤４７からの制御電流Ｉi 及びトルクＴriが入力される。また、制御装置（シーケンサ）４７には加速度センサ４１の計測データを除く、温度計５１の計測データ、モータ制御盤４７からの制御電流Ｉi 及びトルクＴriが入力される。
【００６４】
ここで、上述したトンネル掘削機の制御装置によるトンネル掘削作業中における駆動モータ１６の異常検出処理について説明するが、この駆動モータ１６の異常検出処理は、前述した第１実施形態での異常検出処理と選択的に、あるいは並行して行うものであり、重複する説明は省略する。
【００６５】
図１１に示すように、ステップＳ３１において、温度計５１から油温Ｔi とモータ制御盤４７から制御電流Ｉi 及びトルクＴriが入力される。そして、ステップＳ３２にて、各駆動モータ１６の電流バランスを判定する。即ち、各駆動モータ１６の電流Ｉi の平均値Ｉ0 と電流偏差δＩi を算出する。この場合、
電流の平均値Ｉ0 ：モータ最大、最小電流を除いた平均値
電流偏差δIi    ：δＩi ＝Ｉi −Ｉ0 
最大電流値      ：Ｉm
となる。そして、電流偏差の判定値をδｌLMT 、最大電流の判定値をＩmLMT   とする。なお、この判定値は実稼働中のデータをもとに設定する。
【００６６】
従って、このステップＳ３では、各駆動モータ１６の電流偏差δIiが判定値δｌLMT を越えておらず、且つ、最大電流値Ｉm が判定値ＩmLMT を越えていなければ、ステップＳ３３に移行し、一方でも越えていれば駆動モータ１６の異常と判定し、ステップＳ３６に移行して駆動モータ１６を制御してカッタヘッド１４の回転を停止する。
【００６７】
ステップＳ３３では、各駆動モータ１６のトルクバランスを判定する。即ち、各駆動モータ１６のトルクＴriの平均値Ｔr0とトルク偏差δＴriを算出する。この場合、
トルクの平均値Ｔr0：モータ最大、最小トルク電流を除いた平均値
トルク偏差δＴri  ：δＴri＝Ｔri−Ｔr0
最大トルク      ：Ｔrm
となる。そして、トルク偏差の判定値をδＴrLMT 、最大電流の判定値をＴrLMT とする。なお、この判定値は実稼働中のデータをもとに設定する。
【００６８】
従って、各駆動モータ１６のトルク偏差δＴriが判定値δＴrLMT を越えておらず、且つ、最大トルクＴrmが判定値ＴrmLMT を越えていなければ、ステップＳ３４に移行し、一方でも越えていれば駆動モータ１６の異常と判定し、ステップＳ３６に移行して駆動モータ１６を制御してカッタヘッド１４の回転を停止する。
【００６９】
ステップＳ３４では、各駆動モータ１６の油温バランスを判定する。即ち、各駆動モータ１６の油温Ｔi の平均値Ｔ0 と油温偏差δＴi を算出する。この場合、
油温の平均値Ｔ0 ：モータ最大、最小トルク電流を除いた平均値
油温偏差δＴi   ：δＴi ＝Ｔi −Ｔ0
最大油温        ：Ｔm
となる。そして、油温偏差の判定値をδＴLMT 、最大電流の判定値をＴmLMT とする。なお、この判定値は実稼働中のデータをもとに設定する。
【００７０】
従って、各駆動モータ１６の油温偏差δＴi が判定値δＴLMT を越えておらず、且つ、最大トルクＴm が判定値ＴmLMT を越えていなければ、駆動モータ１６の正常と判定し、ステップＳ３５に移行して駆動モータ１６の回転を継続して行う。また、このステップＳ３４で、一方でも越えていれば駆動モータ１６の異常と判定し、ステップＳ３６に移行して駆動モータ１６を制御してカッタヘッド１４の回転を停止する。
【００７１】
なお、上述の実施形態では、偏差と最大値の両者が各判定値以下であるときに、駆動モータ１６を正常と判定したが、この偏差あるいは最大値の一方のみを判定に使用するようにしてもよい。また、電流バランス、トルクバランス、減速機の油温バランスのいずれか一つで異常検出を行ってもよい。
【００７２】
このように本実施形態にあっては、駆動モータ１６の振動レベルによる取付ボルト３７の締付軸力の異常判定だけでなく、モータ電流バランス、モータトルクバランス、モータ減速機温度バランスを並行して異常判定することにより、駆動モータ１６の異常兆候を初期段階で把握することができる。
【００７３】
また、第３実施形態のトンネル掘削機の制御装置において、図１２に示すように、異常診断装置４３には送受信手段としてのモデム５３が接続されており、このモデム５３は遠隔地に据え付けた監視装置手段としての監視装置５４にモデム５５を介してデータの送受信が可能となっている。なお、駆動モータ１６の異常検出処理は、前述した第１実施形態及び第２実施形態での異常検出処理と同様であり、説明は省略する。
【００７４】
そのため、駆動モータ１６の異常診断は、加速度センサ４１、温度計５１の計測データ、モータ制御盤４７からのモータ電流データ、モータトルクを用いて、異常診断装置４３の計測部４４及び判定部４５が処理する。そして、その計測結果、判定結果は記録部４６で記録され、モデム５３と遠隔地に設けたモデム５５とを用いて監視装置５４により、遠隔で掘削中の計測データや判定結果をモニタリングすることができる。モニタリングするデータは、上述した情報のみではなく、掘削・施工に関する各種データであっても構わない。また、遠隔地でのモニタリングで異常情報を把握した場合、遠隔地から現地作業員に対して、指示を促すことが可能になる。
【００７５】
従って、モデム５３，５５を用いて現地と遠隔地とのデータ送受信を可能にすることにより、遠隔地で掘削機の状態を把握することが可能になり、異常が発生した場合、現地作業員に適切な指示を促すことが可能になるため、異常発生後の機械の停止時間を短縮化することができる。
【００７６】
【発明の効果】
以上、実施形態において詳細に説明したように請求項１の発明のトンネル掘削機の制御装置によれば、駆動モータの振動レベルを検出する振動検出手段と、この振動検出手段が検出した振動レベルに基づいてモータ取付ボルトの軸力変化を推定してモータ取付ボルトの締付異常を判定する軸力判定手段と、軸力判定手段の判定結果に基づいて駆動モータを駆動を制御する制御手段とを設けたので、駆動モータの取付ボルトの緩み度合いを掘削中に発生する振動レベルで容易に判定することができ、トンネル掘削機における安全性の向上並びに作業能率の向上を図ることができる。
【００７７】
請求項２の発明のトンネル掘削機の制御装置によれば、軸力判定手段は、推定したボルト軸力と予め設定された基準ボルト軸力とを比較することでモータ取付ボルトの締付異常を判定するので、駆動モータの取付ボルトの緩み度合いを容易に、且つ、短時間で判定することができる。
【００７８】
請求項３の発明のトンネル掘削機の制御装置によれば、基準ボルト軸力は、初期ボルト締付軸力と許容ボルト締付軸力とに基づいて許容締付軸力変動量を算出し、モータ重心加速度と許容締付軸力変動量との比例関係から許容締付軸力変動量に基づいてモータ重心加速度の許容値を算出し、モータ重心加速度の許容値に対するＲＭＳ値から算出される判定値であるので、取付ボルトの緩み度合いを判定するための判定値を容易に設定することができる。
【００７９】
請求項４の発明のトンネル掘削機の制御装置によれば、振動検出手段は駆動モータの取付部の振動レベルを検出する一方、基準ボルト軸力はＲＭＳ値に対して駆動モータの重心から取付部への伝達関数を用いて判定値を算出するので、駆動モータの重心位置等の代表点での振動レベルとボルト軸力変化のデータベース、この代表点とセンサ常設計測点（任意位置）間の加速度伝達関数を用いることで、この任意位置の常設計測点の振動レベルで駆動モータの取付ボルトの軸力緩み度合いが判定でき、容易に異常を検出することが可能になる。
【００８０】
請求項５の発明のトンネル掘削機の制御装置によれば、判定値はＲＭＳ値に基づいて少なくとも２つの判定値を求め、第１判定値に基づいて駆動モータの運転条件の変更を判定し、第２判定値に基づいて駆動モータの停止を判定するので、取付ボルトの緩み度合いを段階的に判定することで、駆動モータの制御を段階的に制御し、安全性及び作業能率を向上することができる。
【００８１】
請求項６の発明のトンネル掘削機の制御装置によれば、振動検出手段は、駆動モータのモータ重心加速度を検出する加速度センサ、あるいは、駆動モータの取付フランジに装着されてモータフランジ加速度を検出する加速度センサとしたので、簡単な構造でボルト軸力変化を算出することができる。
【００８２】
請求項７の発明のトンネル掘削機の制御装置によれば、判定手段は、モータ重心加速度あるいはモータフランジ加速度から所定の周波数帯域でのＲＭＳ平均値を算出し、ＲＭＳ平均値をボルト軸力とするので、高精度の加速度のＲＭＳ平均値を求めることができる。
【００８３】
請求項８の発明のトンネル掘削機の制御装置によれば、駆動モータの電流偏差及び最大電流値に基づいて制御電流バランスを判定する制御電流バランス判定手段を設け、制御手段は軸力判定手段あるいは制御電流バランス判定手段の判定結果に基づいて駆動モータを駆動を制御するので、駆動モータのモータ電流バランスを並行して異常判定することにより、駆動モータの異常兆候を初期段階で把握することができる。
【００８４】
請求項９の発明のトンネル掘削機の制御装置によれば、駆動モータのトルク偏差及び最大トルクに基づいてトルクバランスを判定するトルクバランス判定手段を設け、制御手段は軸力判定手段あるいはトルクバランス判定手段の判定結果に基づいて駆動モータを駆動を制御するので、駆動モータのトルクバランスを並行して異常判定することにより、駆動モータの異常兆候を初期段階で把握することができる。
【００８５】
請求項１０の発明のトンネル掘削機の制御装置によれば、駆動モータの油温偏差及び最大油温に基づいて油温バランスを判定する油温バランス判定手段を設け、制御手段は軸力判定手段あるいは油温バランス判定手段の判定結果に基づいて駆動モータを駆動を制御するので、駆動モータの油温バランスを並行して異常判定することにより、駆動モータの異常兆候を初期段階で把握することができる。
【００８６】
請求項１１の発明のトンネル掘削機の制御装置によれば、バランス判定手段は、偏差値が予め設定された基準値を越えたときに第１締付異常と判定し、最大値が予め設定された基準値を越えたときに第２締付異常と判定するので、駆動モータの制御を段階的に制御し、安全性及び作業能率を向上することができる。
【００８７】
請求項１２の発明のトンネル掘削機の制御装置によれば、軸力判定手段及び制御手段に送受信手段を設け、遠隔地に設けられた監視操作手段は受信した軸力判定手段の判定結果に基づいて制御手段に指示を送信可能としたので、異常が発生した場合、現地作業員に適切な指示を促すことが可能になり、異常発生後の機械の停止時間を短縮化することができる。
【００８８】
請求項１３の発明の駆動モータの異常検出装置によれば、駆動モータの振動レベルを検出する振動検出手段と、この振動検出手段が検出した振動レベルに基づいてモータ取付ボルトの軸力変化を推定してモータ取付ボルトの締付異常を判定する軸力判定手段とを設けたので、駆動モータの取付ボルトの緩み度合いを振動レベルで容易に判定することができ、トンネル掘削機における安全性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係るトンネル掘削機の制御装置の概略構成図である。
【図２】駆動モータ及び加速度センサの取付構造を表す概略図である。
【図３】本実施形態のトンネル掘削機の制御装置が適用されたトンネルボーリングマシンの概略断面図である。
【図４】モータフランジ加速度の判定値を設定する処理を表すフローチャートである。
【図５】モータ取付ボルトの締付異常を判定する処理を表すフローチャートである。
【図６】モータ取付ボルトの伸び量に対するモータ取付ボルトの締付軸力を表すグラフである。
【図７】モータ重心加速度に対するボルト締付軸力の変動量を表すグラフである。
【図８】周波数に対する振動の応答倍率を表すグラフである。
【図９】周波数に対するモータフランジ加速度を表すグラフである。
【図１０】本発明の第２実施形態に係るトンネル掘削機の制御装置の概略構成図である。
【図１１】駆動モータの異常を判定する処理を表すフローチャートである。
【図１２】本発明の第３実施形態に係るトンネル掘削機の制御装置の概略構成図である。
【符号の説明】
１１  前胴（掘削機本体）
１２  後胴（掘削機本体）
１３  カッタヘッド
１５  リングギヤ
１６  駆動モータ
１６ａ  モータフランジ
１７  駆動ギヤ
２３  スラストジャッキ
２８  パラレルリンク機構
３７  取付ボルト
４１  加速度センサ（振動検出手段）
４２  動歪み計アンプ
４３  異常診断装置
４４  計測部
４５  判定部（軸力判定手段）
４６  記録部
４７  制御装置（制御手段）
５１  温度計
５２  温度変換器
５３，５５  モデム（送受信手段）
５４  監視装置（監視操作手段）
【図１】
0003848829.tif 000013
【図２】
0003848829.tif 000014
【図３】
0003848829.tif 000015
【図４】
0003848829.tif 000016
【図５】
0003848829.tif 000017
【図６】
0003848829.tif 000018
【図７】
0003848829.tif 000019
【図８】
0003848829.tif 000020
【図９】
0003848829.tif 000021
【図１０】
0003848829.tif 000022
【図１１】
0003848829.tif 000023
【図１２】
0003848829.tif 000024