JP2017096071A - 円形掘進機 - Google Patents

Abstract

【課題】 地下地盤を円形に掘削する掘進機の前面に設けた掘削の回転カッタに取付けたビットの摩耗進行がそのビットの位置で大きく異なることで回転カッタの使用期間が短くなり、又ビットの補修・交換作業回数を多くなる欠点があった。これを解消し、ビットの均一な摩耗を可能とし、回転カッタの使用寿命を長くし、補修・ビット交換回数を少なくできるようにする。又、回転カッタの中心部の掘削も充分にできるようにする。【解決手段】 回転ビットを回転盤の回転中心から偏心した位置に自転軸を複数設け、同自転軸の先端の軸端に掘進機の胴管の略半径程の長さのビット取付アームをその中間位置で軸着するとともに、同ビット取付アームにビットを自転軸まわり左右対称的に取付け、自転軸を自公転させて掘削する。【選択図】図２

Description

本発明は、地盤を断面円形に掘削する掘進機であって、掘削の回転カッタに用いるビットの磨耗の均一化と、回転カッタの面盤との付着力によるスリット（取込み部）閉塞を発生を少なくし、又スポーク式回転カッタにおけるセンター付近の掘削が極端に悪くなる点を解決する回転カッタの構造・機構の改良技術に関する。

従来の推進工法又はシールド工法に使用される円形掘進機の駆動方式としては、下記ａ，ｂ，ｃのものが存在し、それぞれ長所・欠点がある。
ａ．センタ支持駆動方式（センタ主軸からスポークアームを張出したカッタ駆動方式）は、堆積地盤・軟弱地盤が中心で硬質地盤の掘進には不向きである。
ｂ．中間支持駆動方式（掘進機の中心と最外周の丁度中間付近の半径のところに駆動回転部を設け、その回転体から前方に支持アームを突き出して、前面のカッタを支える構造）は構造的なバランスが最良であり、大口径で広範囲の地盤に適する。
ｃ．外周駆動支持方式は最外周が回転する構造で、硬質土や玉石地盤には適するが、粘性土には付着が著しく不向きである。カッタ室内の空間が広い。

上記の既存駆動支持方式は、構造上の長所や利点はそれぞれの駆動方式には特徴があるものの、掘削に関して根本的な問題は解決されていない。
すなわち、上記ａ，ｂ，ｃの支持方式で構造上の違いはあるものの、どの構造においても常にカッタ回転軸は同心円（中心点）を中心としているため、最外周と内周に配置されたカッタビット周速度が半径の違いによって極端に変化する難点がある（最外周速度：概ね２５ｍ／分〜中心は０ｍ／分）。

そのために、どの構造を使用したとしても常に掘進機の中心部は掘削−攪拌−混合のメカニズムが効果的に作用せず、中心部は地山のままの「生掘削（生地盤のままの掘削土砂）」が生じることには変わりはない。又、ビットの稼働距離は最外周ビットが内周に配置されたビットより必然的に長くなり、磨耗度に違いが発生する。
すなわち、ビット磨耗は外周ほど周速が速い分仕事量が大きく、磨耗が大きく、内周の稼働距離は短い分周側も遅くなり、磨耗量が少なくなるのが一般的である。
すなわち、内周、外周のビット回転速度差に著しい違いがあるために、掘削トルクや喰い込み量、その結果発生するビット磨耗度に大きな違いが生じていた。
本出願人が過去に開発した特許文献１の三軸自転公転式の掘進機は、当初駆動部はカッタを取り付けたまま発進側に管内通路として引戻しを行うリターン方式で特許を取得している。又、矩形断面の掘進機でも公転・自転のギア比から偏芯カッタで隅部を掘削可能にしていることで、総称名では「ボックス推進工法」と称している。

上記ｂの駆動方式として、本出願人は開発した特許文献２の発明が存在する。この駆動方式は、公転する複数本の自転軸を遊星ギア機構で自転公転させる機構である。この自転軸に直線的なアームをその中間位置で固着し、同アーム前面にビットを複数取付けるが、アームの自転軸中心からの左右のアーム長さが異にすること及び各自転軸とに所定の自転回転位相差を遊星歯車機構で設けることで矩形状に掘削させることができ、又掘削効率と混合撹拌効果が向上できるようにした。又、センタ付近の掘削も充分にできるようにできた。

しかしながら、アームのビットの取付位置が自転軸心から左右対称的でないため、各ビットの磨耗が不均一になるという問題点があった。

特開２００１−４９９９０号公報 特許第３４２２７１４号公報

本発明が解決しようとする課題は、円形掘進機において特に掘削断面が大きくなればなるほど自公転するアームに取付けたビットが均一に磨耗できてビットの使用時間を長くでき、又掘進機の中心部の掘削不足も少なくでき、円形の均一な掘削と高い掘削速度を可能とする円形掘進機を提供することにある。

かかる課題を解決した本発明の構成は、
１） 地盤を円形に掘削する回転カッタを機体の円形胴管の前方に設け、胴管内部に設けた駆動装置で同回転カッタを回動する円形掘進機において、
前記回転カッタは、円形胴管の中心軸まわりに前記駆動装置によって回動する回転盤と、同回転盤の中心軸から偏心した複数の位置に設けられた前方に突出した自転軸と、同自転軸を回転盤の回転速度より速い回転速度で回動させる前記駆動装置又は別の独立駆動源を用いて回動させる回動手段と、前記自転軸に対して直角方向に延びてその中間位置で自転軸の軸端に軸着されたビット取付アームと、同ビット取付アームの前面に固着された複数のビットとから構成されるものであり、しかもビット取付アームは自転軸の軸心に対して左右同一の長さであり、固着したビットも自転軸の軸心に対して左右対称の位置に対に設け、更に自転軸の位置が回転盤の回転中心軸から同一径の円周上にあって同じ位相差をもって配置され、自転軸の軸心の回転盤の回転中心軸の軸心からの距離ｒを胴管の半径より少し大きい余堀を含んだ掘削円の半径Ｌの半分の長さとし、しかもビット取付アームの長さを前記半径Ｌと略同じくし、更に各ビット取付アームは自転で互に接触しないように自転軸に対するビット取付アームの所要の取付角度をもって取付け、ビット取付アームが自転公転して同ビット取付アームの各ビットは均一に掘削して、ビット磨耗も均一となり、しかも回転カッタの公転中心部の未掘削部分を少なくして、ビットの掘削磨耗の均一性と混合撹拌を高めた、円形掘進機
２） 自転軸の数は３個で且つその取付けの各自転軸の位置の位相差は回転盤の回転中心軸まわりに１２０°とした、前記１）記載の円形掘進機
３） 円形掘削機の機体となる円形胴管１の管中心部に固定の排土管を設け、又前記円形胴管の内面に近い外径を有して円形胴管の中心軸まわりに回転する回転筒を設け、同回転筒の後方の筒内面にリング状の後内歯を固着し、同後内歯に噛合する駆動歯車を１２０°の位相差をもって３個軸支するとともに同駆動歯車を回動する駆動装置を設け、回転筒の前方の筒内面にはリング状の前内歯を設け、又その内側の排土管の外周にリング状の固定外歯を設け、同固定外歯と前記リング状前内歯との間に両方の内外歯と歯合する遊星歯車を同一円周で１２０°位相差をもって３個設け、同遊星歯車の回転軸を前方へ延伸して回転筒の前部に固着した回転盤で軸承してその前方に突出した軸部分を自転軸とし、同自転軸の軸先端部にその軸心方向と直角に延びたビット取付アームを固着し、同ビット取付アームの前面にビットをその軸心まわりに左右対称の位置に固設した、前記２）記載の円形掘進機
にある。

本発明回転カッタは、円形掘進機の円形胴管の前部で円形胴管の管中心まわりに回転する回転盤の回転中心から所定距離ｒ離れた位置で自転する自転軸を複数設け、同自転軸の軸先端にビット取付アームを直角に取付けるとともに、ビット取付アームの自転軸の軸心からアーム先端までの長さ（Ｌ／２）を同じにし、
ビット取付アームの自転軸の軸心からの長さ（Ｌ／２）と自転軸の円形胴管の管中心までの長さｒの合計長さ（ｒ＋Ｌ／２）を円形胴管の半径（Ｄ／２）より少し長くし、更に同ビット取付アームに掘削用ビットを左右対称（自転軸対称）に取付けたことで掘削ビットは円形胴管の管中心まわりに公転しながら自転軸まわりに自転することで、ビットは円形胴管の直径から少し大きな径（余堀）を均一に掘削・撹拌・混合し、高効率で地山を掘削できる。
しかも、ビットも対称配置され且つ自公転することで各ビットの磨耗も均一になり、ビット交換時期が長く且つ少ない回数で済むようにできる。

図１は、本発明の実施例の内部構造を示す説明図である。 図２は、実施例の前面を示す正面図である。 図３は、実施例のビット取付アームのビットの取付状態を示す拡大正面図である。 図４は、実施例の自転軸の自転公転の回動機構を示す説明図である。 図５は、実施例の回転筒の回動機構と自転軸の自転機構を示す説明図である。

本発明で自転軸の回動は、回転筒及び回転盤の回動を駆動するモータと別のモータでもって自転軸を独立して回動させてもよいし、実施例の如く回転盤回転筒を駆動するモータで自転軸の自転回転を生起させてもよい。

自転軸の先端に取付けるビット取付アームは、一文字状の一本の長いアームであってもよいし、十文字状の二本の長いアームであってもよい。アームの本数を多くすると回転トルクが大きくなるので、一本アームで回転数を増やす方が回転トルクを小さくできるので好ましい。

（符号の説明）
図１〜５に示す実施例の図中の符号についてまず説明する。
Ｇは本発明の実施例の円形掘進機であり、１は機体の直径Ｄを１２００ｍｍ程の円形胴管、１ａは円形胴管１の前胴部、１ｂは円形胴管１の後胴部、２は回転カッタ、３は胴管１のやや内側の位置で回転自在に支持された筒状の回転筒、３ａは同回転筒の前面に取付けた回転盤、３ｂは回転筒３の後方内側に設けたリング状の後内歯、３ｃは回転筒３の前方内側に設けたリング状の前内歯、３ｄは回転筒３の軸受部材、３ｅは回転盤３ａの３個に設けた下記の自転軸８を貫通させる軸孔とその外周の軸承部である。４は胴管１の中心部に固設された２００ｍｍ直径程の排土管、４ａは同排土管の外周に設けたリング状固定外歯、５は回転筒３の内側のリング状の後内歯と噛合した駆動遊星歯車、６は同駆動遊星歯車を回動させる減速機付モータ、７は回転筒３の内側の前内歯３ｃと排土管４の外周のリング状外歯４ａとの間に噛合した遊星歯車、８は同遊星歯車の中心回転軸ＪＣを前方へ長く延伸した自転軸、９は同自転軸の先端に軸心線ＪＣと直角に取付けた長さＬのビット取付アーム、１０は同ビット取付アームの前面に固着したビット、１１はビット取付アームの中央前端に取付けた中央ビット群、１２は円形胴管１の前記前胴部１ａと後胴部１ｂとを少量の前後摺動と傾きを許容するように水密状に連接するシーリング部、１３は前胴部１ａと後胴部１ｂとを連結する方向修正ジャッキ、１４は中央部の排土管４からの排土を後方へ送る後続排土管、１５は排土管４の終端に設けたゲートバルブ、１６は排土管４の内部の排土の詰り防止の進退自在で回転する削孔ビット軸、１７は削孔ビット軸を回動する削孔モータ、１８はビット取付アーム９の背面に取付けた撹拌混合用羽根である。
実施例の回転カッタ２は３個の自転軸８，その自転軸８の先端部に直角に取付けられたビット取付アーム９，そのアーム前面に取付けられたビット１０，中央ビット群１１とからなる。ＫＣは円形胴管１の管中心線で回転盤３ａの中心線でもある。ＪＣは自転軸８の軸心線である。

（実施例の構造）
本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
実施例の円形掘進機Ｇは１２００ｍｍ外径程の円形胴管１の中心部に固定された２００ｍｍ直径の排土管４があり、同排土管の外側で円形胴管１の内側に外径が近い回転筒３が配置されている。同回転筒３の後方の筒内側にリング状の後内歯３ｂが固着され、同後内歯に駆動歯車５が１２０°の位相差をもって３個定位置で噛合している。同駆動歯車５は円形胴管１に固定された３個のモータ６でもって回動されている。
そして、回転筒３の前方の筒内側にはリング状の前内歯３ｃが設けられ、又その対向した排土管４の外周にはリング状の固定外歯４ａが設けられ、同固定外歯４ａと前記回転筒３とともに回転する内側のリング状の内歯車３ｃとの間に遊星歯車７が前記の前内歯３ｃと固定外歯４ａともに噛合するように１２０°位相差をもって３個取付けられている。この遊星歯車７の回転軸を前方に長く延伸して、自転軸８としている。そして、前記回転筒３の前面に３つの前記自転軸８を軸支するように連結する回転盤３ａが取付けられている。

更に、この３個の自転軸８の先端で円形胴管１の先端より少し前方に突出した位置で自転軸８の軸心線ＪＣと直交する方向にビット取付アーム９を取付け、又そのビット取付アーム９は自転軸８の軸心からアーム先端までの左右の長さ（Ｌ／２）は同じにし、又ビット取付アーム９の前面には左右対称にビット１０を固着させている。又、ビット取付アーム９の軸心前面部にも中央ビット群１１を配置している。そして、ビット取付アーム９の自転軸８の軸心線ＪＣからアーム先端までの長さ（Ｌ／２）と、自転軸の軸心線ＪＣと円形胴管１の中心軸線ＫＣ（排土管４の外周の固定外歯４ａの中心）までの長さｒの径の合計長さ（ｒ＋Ｌ／２）の径、即ちビット取付アーム９の先端の回転軌跡の外側包絡線（削孔線）Ｋ_１の径が円形胴管１の外径より長くしていて、余掘できるようにしている。この３個のビット取付アーム９にビット１０が複数左右対称的に取付けることで回転カッタ２を構成している。

（動作）
このビット取付アーム９の回転は、モータ６で回動される駆動歯車５が回転筒３の筒内側の後内歯３ｂの歯合によって回転筒３が所定の回転数で回転する。一方、回転筒３の内側の前内歯３ｃと排土管４外周に固設した固定外歯４ａの間に噛合する遊星歯車７は回転盤３ａ（回転筒３）の公転（円形胴管１又は排土管４の管中心軸ＫＣまわりの回転）するとともに、回転する回転筒３の内側の前内歯３ｃと排土管４外周の固定外歯４ａとの歯合で、自転軸８は所定の回転数で回転する（自転する）。

よって、各自転軸８の先端に取付けて回転盤３ａで軸承されて胴管１の管中心まわりに回転（公転）するビット取付アーム９のビット１０は自転軸８まわりに自転しながら回転盤３ａの胴管中心（排土管中心）まわりの公転を行うこととなって、３基の自公転するビット取付アーム９に固着したビット１０は、円形胴管１の外径より少し外側まで掘削し、又円形胴管１の内側は自公転する３個のビット取付アーム９のビット１０で均一に掘削・撹拌・混合する。円形胴管１の中心部分域を直接掘削せずに残すが、これも３基のビット取付アームの先端での地山掘削でその未掘削の中央個所も崩れて全て掘削され、地山・泥土は中心の排土管４へ送り込まれて掘進機内から外部へ搬送される。

ビット取付アーム９に取付けられたビット１０及び中央ビット群１１は自公転することで、地山に対し同じような均一の削孔を行うことになり、ビットの磨耗が均一になり、特定位置に取付けられたビット１０が強く削孔して速く磨耗する等の偏りが生じることがなくなり、均一に各ビット１０は削孔して磨耗することで各ビットの磨耗が逆に少なくなって、長時間交換せずにビットを使用できるようになる。

望ましくは、３個のビット取付アーム９が全て円形胴管１内部に収まる回転盤３ａ又は回転筒３の回転角度があるように各ビット取付アーム９の自転軸８との取付角度が設定できれば、ビット取付アーム９・回転盤３ａごと円形胴管１内を介して回収でき易くなる。

本発明は、掘削する削孔の小さいものでも使用でき、小径削孔でも利用できる。又、シールド工法の大口径の削孔にも使用できる技術である。

Ｇ 円形掘進機（実施例）
Ｋ_１ 削孔線
Ｋ_２ ビット取付アームのアーム先端軌跡
ＫＣ 管中心線
ＪＣ 自転軸の軸心線
１ 円形胴管
１ａ 前胴部
１ｂ 後胴部
２ 回転カッタ
３ 回転筒
３ａ 回転盤
３ｂ 後内歯
３ｃ 前内歯
３ｄ 軸受部材
３ｅ 軸承部
４ 排土管
４ａ 固定外歯
５ 駆動歯車
６ モータ
７ 遊星歯車
８ 自転軸
９ ビット取付アーム
１０ ビット
１１ 中央ビット群
１２ シーリング部
１３ 方向修正ジャッキ
１４ 後続排土管
１５ ゲートバルブ
１６ 削孔ビット軸
１７ 削孔モータ
１８ 撹拌混合用羽根

Claims (3)

1. 地盤を円形に掘削する回転カッタを機体の円形胴管の前方に設け、胴管内部に設けた駆動装置で同回転カッタを回動する円形掘進機において、
   前記回転カッタは、円形胴管の中心軸まわりに前記駆動装置によって回動する回転盤と、同回転盤の中心軸から偏心した複数の位置に設けられた前方に突出した自転軸と、同自転軸を回転盤の回転速度より速い回転速度で回動させる前記駆動装置又は別の独立駆動源を用いて回動させる回動手段と、前記自転軸に対して直角方向に延びてその中間位置で自転軸の軸端に軸着されたビット取付アームと、同ビット取付アームの前面に固着された複数のビットとから構成されるものであり、しかもビット取付アームは自転軸の軸心に対して左右同一の長さであり、固着したビットも自転軸の軸心に対して左右対称の位置に対に設け、更に自転軸の位置が回転盤の回転中心軸から同一径の円周上にあって同じ位相差をもって配置され、自転軸の軸心の回転盤の回転中心軸の軸心からの距離ｒを胴管の半径より少し大きい余堀を含んだ掘削円の半径Ｌの半分の長さとし、しかもビット取付アームの長さを前記半径Ｌと略同じくし、更に各ビット取付アームは自転で互に接触しないように自転軸に対するビット取付アームの所要の取付角度をもって取付け、ビット取付アームが自転公転して同ビット取付アームの各ビットは均一に掘削して、ビット磨耗も均一となり、しかも回転カッタの公転中心部の未掘削部分を少なくして、ビットの掘削磨耗の均一性と混合撹拌を高めた、円形掘進機。
2. 自転軸の数は３個で且つその取付けの各自転軸の位置の位相差は回転盤の回転中心軸まわりに１２０°とした、請求項１記載の円形掘進機。
3. 円形掘削機の機体となる円形胴管１の管中心部に固定の排土管を設け、又前記円形胴管の内面に近い外径を有して円形胴管の中心軸まわりに回転する回転筒を設け、同回転筒の後方の筒内面にリング状の後内歯を固着し、同後内歯に噛合する駆動歯車を１２０°の位相差をもって３個軸支するとともに同駆動歯車を回動する駆動装置を設け、回転筒の前方の筒内面にはリング状の前内歯を設け、又その内側の排土管の外周にリング状の固定外歯を設け、同固定外歯と前記リング状前内歯との間に両方の内外歯と歯合する遊星歯車を同一円周で１２０°位相差をもって３個設け、同遊星歯車の回転軸を前方へ延伸して回転筒の前部に固着した回転盤で軸承してその前方に突出した軸部分を自転軸とし、同自転軸の軸先端部にその軸心方向と直角に延びたビット取付アームを固着し、同ビット取付アームの前面にビットをその軸心まわりに左右対称の位置に固設した、請求項２記載の円形掘進機。

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