JP2002147173A - カッタ回転制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明はシールド掘削機のカッタ回転制御装
置に関する。従来カッタヘッドの定常回転後は、モータ
の定格負荷が小さくなり力率が低下し、駆動用電力が無
駄になっていた。本発明は、この不具合を解消するカッ
タ回転制御装置の提供を課題とする。 【解決手段】 本発明のカッタ回転制御装置は、地盤掘
削を行なう複数のカッタ旋回モータの負荷と力率とを検
出し、この検出値でカッタ旋回モータを１００％定格負
荷状態で地盤掘削を行う台数にし、モータ力率を向上さ
せ運転するものにした。カッタ旋回モータは、カッタヘ
ッド定常運転時には１台当たりの負荷が低下し、モータ
力率が低下し電源供給に対し運転効率が低下するが、電
力計で検出したカッタ旋回モータの負荷と力率の検出値
により台数を選択し、カッタ旋回モータのモータ負荷、
モータ力率を略１００％にしてカッタヘッドを回転させ
運転効率を向上させて、地盤掘削が少ない電源供給で行
える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はシールド掘削機及び
ＴＢＭ（Ｔｕｎｎｅｌ Ｂｏｒｉｎｇ Ｍａｃｈｉｎ
ｅ）において、地盤の掘削を行うカッタヘッドの回転制
御を行う回転制御装置に係り、特に、掘削を行うための
カッタを回転させる誘導電動機を効率良く運転するた
め、誘導電動機の負荷を常時定格１００％の近傍にし
て、運転できるようにしたカッタ回転制御装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】図５に示すシールド掘削機２０及びＴＢ
Ｍ等において、地盤を掘削するために、先端に取り付け
たカッタヘッドを回転させて掘削するようにしたカッタ
回転掘削装置は、図に示すように、円筒形状をなす前胴
１と後胴２とから構成され、前胴１の前端部に回転駆動
自在なカッタヘッド３が装着される一方、後胴２部分に
は円周方向に複数のシールドジャッキ１１が並設される
と共に、掘進後の外周にセグメントＳを順次配置してい
くセグメントエレクタ１７が装着されている。

【０００３】複数個のカッタ旋回モータ６は、駆動ギヤ
７とリングギヤ５を介してカッタヘッド３に連結されて
おり、カッタ旋回モータ６を回転させることによりカッ
タヘッド３が回転し、地盤の掘削を行うようにしてい
る。なお、カッタ回転掘削装置には前述した機器の外に
図５に、図示する種々の機器が装備されているが、本発
明との関連が薄いものについては、本発明の説明が散漫
になることを防止するために名称を示すのみにしてそれ
らの設置目的、構成、作用、効果については、説明を省
略することにした。

【０００４】また、このようなカッタ回転掘削装置を具
えるようにしたシールド掘削機２０は、後方に操作台車
４０と数台のパワーユニット・動力台車４１を牽引し
て、設定された方向に地盤を掘削しながら掘進する。操
作台車４０は、シールド掘削機２０の地盤掘削状況が見
渡せる牽引される台車の最前列に配置され、操作台車４
０内では操作員４２が操作盤３３の操作によりシールド
掘削機２０を運転するようにしている。このため、操作
台車４０の後方に連結されたパワーユニット・動力台車
４１には、シールド掘削機２０に搭載された前述した、
若しくは名称のみを示し説明を省略した油圧機器、アク
チュエータ、電動モータを駆動するための動力及び油圧
を供給するようにしている。

【０００５】操作台車４０内で操作員４２が操作する操
作盤３３による、これまでのカッタ回転制御では、図７
に示すように、ユニットパワー・動力台車４１から供給
される電源供給３２を行うカッタ旋回モータ６の選択を
行うのみで、通常は装備されているカッタ旋回モータ６
全てを使用することによって、カッタヘッド３を回転さ
せ地盤掘削を行うようにしていた。このカッタ旋回モー
タ６には、一般的に２２０Ｖまたは４４０Ｖの誘導電動
モータが使用されており、４Ｐモータでは、周波数５０
Ｈｚ地域で１５００ｒｐｍ、周波数６０Ｈｚ地域で１８
００ｒｐｍの定格回転数で回転するようにしている。

【０００６】しかしながら、従来からカッタ回転掘削装
置に使用され、カッタヘッドを旋回させるカッタ旋回モ
ータとして、一般的に使用されている誘導電動機の特性
としては、負荷が定格１００％のときが最も力率の良い
（効率の良い）運転ができるが、負荷が低い場合には、
力率（効率）が悪く、電流は流れるが仕事をしていない
運転効率の悪いものになり、供給動力に対する稼動効率
の悪いものとなっている。この種のカッタ回転掘削に使
用されている２２ｋｗ４Ｐの誘導電動機では、モータ負
荷が低下するとモータ力率が低下し、例えば、モータ負
荷が１００％負荷に到達した後に５０％負荷迄低下する
場合では、力率が約７％も低下し、負荷の低下につれ稼
動効率の悪いものとなっている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上述した負
荷の低下に対応して力率が低下し、稼動効率の悪くなる
従来のカッタ回転掘削装置に使用されているカッタ旋回
モータの力率の低下に伴う稼動効率低下を防止するため
に、常時カッタ旋回モータの負荷が定格の１００％近く
なるようにしてカッタ旋回運転を行い、カッタ旋回モー
タの力率を向上させ、稼動効率を向上させた状態でカッ
タ旋回モータを駆動して、地盤の掘削ができるようにし
たカッタ回転制御装置の提供を課題とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】このため、本発明のカッ
タ回転制御装置は、次の手段とした。シールド掘削機等
に設けたカッタヘッドを回転させ、地盤掘削を行なって
いる複数からなるカッタ旋回モータの負荷と力率とをそ
れぞれ検出し、この検出値に基づき、それぞれのカッタ
旋回モータが、１００％定格負荷状態で地盤掘削を行な
う台数にされて、カッタ旋回モータそれぞれの力率を向
上させて運転するものにした。なお、地盤掘削を行なっ
ているカッタ旋回モータの負荷と力率の検出は、電源供
給された電力をそれぞれのカッタ旋回モータに供給する
ようにした、モータ駆動コントローラに設置された電力
計で検出するようにすることが好ましい。

【０００９】カッタヘッド起動時には、装備されている
もの全体の駆動を必要としていたカッタ旋回モータは、
カッタヘッドが定速回転に到達した後、即ち定常運転時
には回転負荷が低下してくるので、カッタ旋回モータ１
台当たりの負荷が小さくなり、これに伴いモータ力率が
低下し、電源供給量に対するカッタ旋回モータの稼動効
率が低下する。

【００１０】しかし、本発明のカッタ回転制御装置で
は、上述の構成にしたことにより、モータ駆動コントロ
ーラの電力計等で検出されたカッタ旋回モータの負荷と
力率の検出値に基づき、カッタ旋回モータの台数が選択
され、選択されたカッタ旋回モータのモータ負荷、モー
タ力率をともに、略１００％になるようにしてカッタヘ
ッドを回転させるようにしたので、電源供給量に対する
カッタ旋回モータの稼動効率が向上し、大きな動力を必
要とする地盤掘削が少ない電源供給で効率よく行なうこ
とができる。

【００１１】また、本発明のカッタ回転制御装置は、次
の手段とした。シールド掘削機等のカッタヘッドを回転
させ、地盤掘削を行なっている複数からなるカッタ旋回
モータの負荷と力率とをそれぞれ検出し、この検出値に
もとづき、カッタ旋回モータに接続するコンデンサを、
カッタ旋回モータのブロック単位で選択制御して、カッ
タ旋回モータの力率を向上させ運転するものにした。

【００１２】なお、地盤掘削を行なっているカッタ旋回
モータの負荷と力率の検出は、電源供給された電力を、
ブロック化されたカッタ旋回モータに供給するようにし
た、モータ駆動コントローラに設置された電力計で検出
するようにすることが好ましい。

【００１３】一般に誘導電動機の力率は、コンデンサと
並列接続することによっても向上させることができる
が、この場合コイルの遅相電流による無効電流が生じ有
効電流の損失が生じ、カッタ旋回モータ１台当たりの負
荷が小さくなり、これに伴いモータ力率が低下し電源供
給量に対するカッタ旋回モータの稼動効率が低下する。
しかし、上述の構成にしたことにより、モータ駆動コン
トローラの電力計等で検出されたカッタ旋回モータの負
荷と力率の検出値に基づき、カッタ旋回モータに接続す
るコンデンサをカッタ旋回モータのブロック単位で選択
制御して、コンデンサによる進相電流によりコイルの遅
相電流による無効電流を相殺させて、カッタ旋回モータ
の力率を向上させ選択制御されるカッタ旋回モータのモ
ータ負荷、モータ力率をともに、略１００％にしてカッ
タヘッドを回転させるようにしたので、電源供給量に対
するカッタ旋回モータの運転効率が向上し、地盤掘削が
少ない電源供給で効率よく行なうことができる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明のカッタ回転制御装
置の実施の一形態を、シールド掘削機およびＴＢＭのカ
ッタ回転制御に適用した実施の形態にもとづき説明す
る。なお、図において従来のカッタ回転装置を示す図５
に示したものと同一部材については、同一符号を付して
詳細説明は省略する。図１は、本発明のカッタ回転制御
装置の実施の第１形態を示す図である。図に示すよう
に、モータ駆動コントローラ３１にはカッタ旋回モータ
６を旋回させるための電源供給３２が、図６に示すパワ
ーユニット・動力台車４１からなされており、操作盤３
３からの指令によりカッタヘッド３を旋回させるカッタ
旋回モータ６への電源供給３２の制御を行うことによ
り、カッタ旋回モータ６の起動・停止は制御される。

【００１５】それぞれのカッタ旋回モータ６は、電力計
３０により、負荷・力率を計測し、電力計３０はモータ
駆動コントローラ３１に接続されている。先ず、操作盤
３３よりカッタヘッド３回転指令が出され、モータ駆動
コントローラ３１は、カッタヘッド３の後方に等ピッチ
に配置された複数個のカッタ旋回モータ６を全数起動さ
せ、カッタ旋回モータ６に接続された駆動ギヤ７を回転
させる。この駆動ギヤ７の回転により、駆動ギヤ７に噛
合し、カッタヘッド３の後方へ突出させた突出材に接続
されたリングギヤ５が回転して、カッタヘッド３を回転
させる。

【００１６】この場合、カッタヘッド３の回転開始の起
動時は、大きな負荷が必要であり、モータ力率も低いの
で、カッタ旋回モータ６を全数選択し回転させ、カッタ
ヘッド３の回転を増速させるが、カッタヘッド３の回転
が増速し、定速で回転するようになると回転負荷が低下
してくるので、カッタ旋回モータ６の１台当たりの負荷
が小さくなり、この負荷の低下により力率が落ちるため
に、電源供給３２量に対するカッタ旋回モータ６の稼動
効率が低下する。

【００１７】このように、カッタ旋回モータ６の力率が
落ちるとき、モータ駆動コントローラ３１はカッタ旋回
モータ６の負荷の低下と力率の検知し、カッタヘッド３
の回転を各々１００％負荷にされたカッタ旋回モータ６
で行うようにカッタ旋回モータ６のうちの数台を選択し
て停止させる。このように、カッタ旋回モータ６のうち
の数台を停止させることにより、カッタヘッド３を回転
させるカッタ旋回モータ６の台数が減るため、カッタ旋
回モータ６に負荷される全体の負荷は、すなわち地盤を
掘削しシールド掘削機２０を掘進させているカッタヘッ
ド３の負荷が変化しないときでも、さらには、カッタヘ
ッド３全体の負荷が低減するようなときでもカッタ旋回
モータ６の１台当たりの負荷が上昇し、カッタ旋回モー
タ６の定格負荷の１００％に近くなり、カッタ旋回モー
タ６の力率が改善されるため、カッタ旋回モータ６の運
転効率が向上する。

【００１８】このように、本実施の形態のカッタ回転制
御装置では、モータ駆動コントローラ３１は、電力計３
０によるカッタ旋回モータ６の負荷・力率を連続的に監
視しておき、常に、カッタ旋回モータ６が定格１００％
負荷近くで運転されるように、つまり高力率、高効率で
運転されるように、カッタ旋回モータ６の台数を自動的
に選択し、カッタヘッド３を駆動するようにし、操作員
はカッタ旋回モータ６の台数を気にすることなく、ただ
単にカッタヘッド３の回転指令を出すだけで、カッタヘ
ッド３を少ない電源供給３２で稼動させ地盤の掘削が効
率良くできるようになる。

【００１９】図２は本実施の形態のカッタ回転制御装置
の作用・効果を説明するための図で、図に示すように操
作盤３３からの運転指令により、モータ駆動コントロー
ラ３１はカッタ旋回モータ６の全数５台を起動し回転さ
せる。停止状態から起動し、操作盤３３からの運転指令
されているカッタヘッド３速度になるまでの起動時に
は、カッタ旋回モータ６に大きな負荷が作用し、殆んど
のカッタ旋回モータ６は、定格の１００％近くで運転さ
れるがモータ力率も低い状態で運転されるものになって
いる。カッタヘッド３が操作盤３３から指令されている
定速回転近くになるとモータ負荷も低下して、定常運転
となる。

【００２０】また、モータ力率は起動時低く、カッタ旋
回モータ６が定格回転になると比較的高くなるが、定格
回転になると各カッタ旋回モータ６の負荷自体が低下す
るので、このモータ負荷の低下により、モータ力率はあ
まり高くならない。従って、モータ駆動コントローラ３
１は、カッタヘッド３が定常運転になったときのカッタ
旋回モータ６のモータ負荷とモータ力率が低いことを検
知し、この検知に基づきカッタ旋回モータ６の所要台数
を停止する。

【００２１】図に示すように、定常運転になってからの
カッタ旋回モータ６のモータ負荷が６０％になった場合
には、運転中旋回モータ６が５台の場合には、４０％す
なわち２台のカッタ旋回モータ６を停止することによ
り、のこり３台のカッタ旋回モータ６のモータ負荷は、
停止させたカッタ旋回モータ６の分だけそれぞれ４０％
増加するため、選択された稼動するカッタ旋回モータ６
の各々は１００％負荷で運転され、カッタ旋回モータ６
が定格１００％負荷で運転されることにより、モータ力
率を略１００％に向上させて運転することができ、カッ
タ旋回モータ６の運転効率を向上させることができる。

【００２２】次に、図３は本発明のカッタ回転制御装置
の実施の第２形態を示す図である。実施の第１形態にお
いては、定常運転後に低下する力率をカッタヘッド３を
回転させるカッタ旋回モータ６の台数を減らし、減らさ
れて各カッタ旋回モータ６をそれぞれ定格１００％で運
転するようにしたことにより、モータ力率を略１００％
に向上させてカッタ旋回モータ６の運転効率を向上させ
るようにしたが、一般に誘導電動機の力率を向上させる
方法としては、コンデンサを並列接続することによりモ
ータ力率を向上させることができる方法がある。

【００２３】しかしながら、カッタ旋回モータ６のモー
タ力率を向上させるコンデンサ３４の容量Ｑの算出は、
カッタ旋回モータ６の負荷の容量Ｐ、現状の力率（ｃｏ
ｓθ１）、改善目標力率（ｃｏｓθ２）を決めれば次式
で算出することができる。

【００２４】Ｑ＝Ｐ（ｔａｎθ１−ｔａｎθ２） このように、適切なコンデンサ容量Ｑは、負荷の容量Ｐ
と現在のカッタ旋回モータ６の力率θ１により変化する
ことになる。

【００２５】なお、コンデンサ３４を可変にしてモータ
力率を向上させ、運転効率を上げる方法もあるが装置が
大がかりとなり、現実的なものにすることは難しい。従
って、本実施の形態のカッタ回転制御装置では、幾つか
コンデンサ３４を分割して設置し、モータ駆動コントロ
ーラ３１はカッタ旋回モータ６の負荷と力率をそれぞれ
検知して、必要量の電気容量を有するコンデンサ３４を
カッタ旋回モータ６に接続するようにしてブロック制御
を行いカッタ旋回モータ６のモータ力率を向上させるよ
うにした。

【００２６】図４は本実施の形態のカッタ回転制御装置
の作用・効果を説明するための図で、カッタ旋回モータ
６である誘導電動機はコイルからなり、このために図に
示す無効電流（コイルの遅相電流）Ｉｍ（Ｉｓｉｎθ）
を生じることにより効率が悪くなる。このため、コンデ
ンサ３４と電力計３０、カッタ旋回モータ６を連結する
ラインとの途中に、モータ駆動コントローラ３１からの
コンデンサ作動スイッチ信号線３６で作動するコンデン
サ作動スイッチ３５を設置してカッタ旋回モータ６とコ
ンデンサ３４とを接続することによりコンデンサ３４に
よる進相電流Ｉｃを生じさせ、コイルの遅相電流を相殺
させることにより無効電流がＩｍ（Ｉｓｉｎθ）を減少
させ、カッタ旋回モータ６の力率は、ｃｏｓθ’＝（Ｉ
ｍーＩｃ）／（Ｉ・ｃｏｓθ）モータ力率を向上させる
ことができるものにした。

【００２７】但し、ｃｏｓθ’＞ｃｏｓθとする。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のカッタ回
転制御装置は、シールド掘削機先端部のカッタヘッドを
回転させ、地盤掘削を行なっている複数のカッタ旋回モ
ータの負荷と力率とを検出し、検出値によりカッタ旋回
モータが、１００％定格負荷状態で地盤掘削を行なう台
数にされ、カッタ旋回モータの力率を向上させ運転する
ものにした。

【００２９】カッタヘッド起動時には装備されている全
体の駆動を必要とするカッタ旋回モータは、カッタヘッ
ドの定常運転時に回転負荷が低下するので、１台当たり
の負荷が小さくなり、モータ力率が低下し電源供給量に
対するカッタ旋回モータの運転効率が低下するが、上述
の構成により電力計で検出されたカッタ旋回モータの負
荷と力率の検出値に基づき、カッタ旋回モータの台数が
選択され、選択されたカッタ旋回モータのモータ負荷、
モータ力率を略１００％にし、カッタヘッドを回転させ
るので、電源供給量に対する運転効率が向上し、地盤掘
削が少ない電源供給で効率よく行える。

【００３０】また、本発明のカッタ回転制御装置は、シ
ールド掘削機先端部のカッタヘッドを回転させ、地盤掘
削を行なっている複数のカッタ旋回モータの負荷と力率
とをブロック毎に検出し、この検出値によりカッタ旋回
モータに接続させたコンデンサをブロック単位で選択制
御して、カッタ旋回モータの力率を向上させ運転するも
のにした。

【００３１】一般に誘導電動機の力率は、コンデンサと
並列接続することにより向上させることができるが、こ
の場合コイルの遅相電流による無効電流が生じ、カッタ
旋回モータ１台当たりの負荷が小さくなり、モータ力率
が低下し電源供給量に対するカッタ旋回モータの運転効
率が低下するが、上述の構成により、モータ駆動コント
ローラの電力計等で検出されたカッタ旋回モータの負荷
と力率の検出値に機づき、カッタ旋回モータに接続する
コンデンサをカッタ旋回モータのブロック単位で選択制
御して、コンデンサによる進相電流とコイルの遅相電流
とを相殺させて、無効電流を少なくしカッタ旋回モータ
の力率を向上させ、選択制御されるカッタ旋回モータの
モータ負荷、モータ力率を略１００％にしてカッタヘッ
ドを回転させ、電源供給量に対するカッタ旋回モータの
運転効率を向上させ、地盤掘削を少ない電源供給で効率
よく行なえる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のカッタ回転制御装置の実施の第１形態
を示すブロック図、

【図２】図１に示す実施の形態のカッタ回転制御装置の
作用・効果を説明するための図、

【図３】本発明のカッタ回転制御装置の実施の第２形態
を示すブロック図、

【図４】図３に示す実施の形態のカッタ回転制御装置の
作用・効果を説明するための図、

【図５】本発明のカッタ回転制御装置が適用される従来
のシールド掘削機の先端部を示す側断面図、

【図６】図５に示すシールド掘削機の全体を示す側断面
図、

【図７】図５、図６に示す従来のシールド掘削機の制御
装置ブロック図である。

【符号の説明】

１ 前胴 ２ 後胴 ３ カッタヘッド ４ カッタビット ５ リングギヤ ６ カッタ旋回モータ ７ 駆動ギヤ ８ バルクヘッド ９ チャンバ室 １０ 連結ジャッキ １１ シールドジャッキ １２ 支持壁 １３ 架台 １４ 旋回リング １５ ローラ １６ 支持アーム １７ セグメントエレクタ １８ 旋回モータ １９ 駆動ギヤ ２０ シールド掘削機 ２１ 旋回角度検出装置 ２３ インクレメントエンコーダ ２５ 平歯車 ３０ 電力計 ３１ モータ駆動コントローラ ３２ 電源供給 ３３ 操作盤 ３４ コンデンサ ３５ コンデンサ作動スイッチ ３６ コンデンサ作動スイッチ信号線 ４０ 操作台車 ４１ パワーユニット・動力台車 ４２ 操作員

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 カッタヘッドを回転させ地盤掘削を行な
   うカッタ回転制御装置において、カッタヘッドを回転さ
   せ地盤を掘削している複数からなるカッタ旋回モータの
   負荷と力率とをそれぞれ検出し、この検出値に基づき前
   記カッタ旋回モータを１００％負荷にして地盤掘削を行
   なう台数に制御して、前記カッタ旋回モータの力率を向
   上させ運転するようにしたことを特徴とするカッタ回転
   制御装置。
2. 【請求項２】 カッタヘッドを回転させ地盤掘削を行な
   うカッタ回転制御装置において、カッタヘッドを回転さ
   せ地盤を掘削している複数からなるカッタ旋回モータの
   負荷と力率とをそれぞれ検出し、検出値に対応して前記
   カッタ旋回モータに接続するコンデンサを前記カッタ旋
   回モータのブロック単位で選択制御して、前記カッタ旋
   回モータの力率を向上させ運転するようにしたことを特
   徴とするカッタ回転制御装置。