シールド掘進機及びそのカッタ駆動用電動機の制御方法
【課題】カッタヘッドを複数の電動機で駆動するタイプにおいて、切羽の切削抵抗の変動に拘わらず、各電動機を定格出力に近い状態で運転させることができ、以て各電動機の効率を向上させて消費電力の改善を図る。
【解決手段】カッタヘッド４を切羽の切削抵抗の変動に拘わらず一定回転数で駆動させて切羽を切削しているときに、電動機５１の全数の使用電力を検出する電力検出手段９と、電力検出手段９で検出された使用電力の変動に応じて、電動機５１の使用台数を変化させる制御手段１１とを備えた。使用電力が小さくなっていくときには、電動機５１の使用台数を、カッタヘッド４を切羽の切削抵抗に打ち勝って一定回転数で駆動させることができる範囲で減少させていき、電動機５１の使用台数が全数ではない状態で、使用電力が大きくなっていくときには、カッタヘッド４が切羽の切削抵抗に負けて停止する前に電動機５１の使用台数を増加させていく。
【解決手段】カッタヘッド４を切羽の切削抵抗の変動に拘わらず一定回転数で駆動させて切羽を切削しているときに、電動機５１の全数の使用電力を検出する電力検出手段９と、電力検出手段９で検出された使用電力の変動に応じて、電動機５１の使用台数を変化させる制御手段１１とを備えた。使用電力が小さくなっていくときには、電動機５１の使用台数を、カッタヘッド４を切羽の切削抵抗に打ち勝って一定回転数で駆動させることができる範囲で減少させていき、電動機５１の使用台数が全数ではない状態で、使用電力が大きくなっていくときには、カッタヘッド４が切羽の切削抵抗に負けて停止する前に電動機５１の使用台数を増加させていく。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、カッタヘッドを複数の電動機で駆動するシールド掘進機及びそのカッタ駆動用電動機の制御方法に係り、特に、消費電力の低減を図ったシールド掘進機及びそのカッタ駆動用電動機の制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、切羽を切削するカッタヘッドを、複数の電動機で駆動するようにしたシールド掘進機が知られている（特許文献１、２等）。通常この種のシールド掘進機は、常に全ての電動機を使用し、カッタヘッドを切羽の切削抵抗の変動に拘わらず一定回転数（ｒｐｍ）で駆動させて切羽を切削している。
【０００３】
このようにカッタヘッドの駆動速度を切羽の切削抵抗の変動に拘わらず一定回転数で制御した場合、切羽の切削抵抗が小さくなると、カッタヘッドを駆動するために必要なトルクが小さくなって各電動機に供給される電力が小さくなり、切羽の切削抵抗が大きくなると、カッタヘッドを駆動するために必要なトルクが大きくなって各電動機に供給される電力が大きくなる。
【０００４】
【特許文献１】特開平７−１０２８８５号公報
【特許文献２】特開２００１−２００６８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、電動機は、一般に、定格出力に近い出力（大出力）で使用する方が、定格出力から離れた出力（小出力）で使用するよりも、効率が高いという特性を有する。
【０００６】
ここで、上述のように全ての電動機を常に使用し、カッタヘッドを切羽の切削抵抗の変動に拘わらず一定回転数で駆動させて切羽を切削する場合、切羽の切削抵抗が小さくなってカッタヘッドを上記一定回転数で駆動するために必要な力が小さくなると、各電動機が定格出力よりも小さい小出力で運転される状態となる。このため、効率が悪化し、必要以上に電力を消費してしまう。
【０００７】
切羽の切削抵抗は、切羽の土質、掘削速度等の施工条件で変動し、特に地盤改良区間通過時、大礫出現時、障害物の出現時等の地山を掘削するときに必要なトルクは、通常の地山を掘削するときに必要なトルクよりも遙かに大きくなる。その結果、地盤改良区間等で必要とされる電動機の出力は、通常地山を掘削するときに必要な電動機出力よりも遙かに大きくなる。よって、シールド掘進機に装備される電動機の定格出力と台数は、地盤改良区間等の大きな出力を必要とする場合を想定して算出された所用出力に、所定の割増係数（安全率）を乗じて決定されている。
【０００８】
すなわち、シールド掘進機に装備される電動機の定格出力と台数は、掘削経路上における通常地山（平均的な切削抵抗の切羽）を掘削するときに必要な出力よりも、遙かに大きな値となるように設定されている。よって、かかる電動機は、掘削経路にて通常地山を切削するときには、定格出力よりも遙かに小さい出力で運転される状態となる。この結果、効率が悪化し、必要以上に電力を消費してしまうことになる。
【０００９】
以上の事情を考慮して創案された本発明の目的は、カッタヘッドを複数の電動機で駆動するシールド掘進機及びそのカッタ駆動用電動機の制御方法において、切羽の切削抵抗の変動に拘わらず、各電動機を定格出力に近い状態で運転させることができ、これにより各電動機の効率が向上して電力消費量を改善できるシールド掘進機及びそのカッタ駆動用電動機の制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために第１の発明は、カッタヘッドを複数の電動機で駆動して切羽を切削するシールド掘進機であって、上記電動機の使用電力の総和を検出する電力検出手段と、該電力検出手段で検出された上記使用電力の変動に応じて、上記電動機の使用台数を変化させる制御手段とを備えたものである。
【００１１】
上記制御手段は、上記電力検出手段で検出された上記使用電力が小さくなっていくときには、上記電動機の使用台数を、上記カッタヘッドを切羽の切削抵抗に打ち勝って駆動させることができる範囲で減少させていき、上記電動機の使用台数が全数ではない状態で、上記使用電力が大きくなっていくときには、上記カッタヘッドが切羽の切削抵抗に負けて停止する前に上記電動機の使用台数を増加させていくものであってもよい。
【００１２】
上記制御手段は、上記カッタヘッドを始動させる際に上記電動機を全数使用し、その後、所定の制御時刻ごとに、その制御時刻から過去に所定の検出時間遡ってその検出時間内における上記使用電力の最大値を求め、その最大値を基準として上記制御時刻における上記電動機の使用台数を変化させるものであってもよい。
【００１３】
第２の発明は、カッタヘッドを複数の電動機で駆動して切羽を切削するシールド掘進機のカッタ駆動用電動機の制御方法であって、上記電動機の使用電力の総和を検出し、検出された上記使用電力が小さくなっていくときには、上記電動機の使用台数を、上記カッタヘッドを切羽の切削抵抗に打ち勝って駆動させることができる範囲で減少させて、上記カッタヘッドの駆動を確保しつつ個々の電動機の掘削出力を個々の電動機の定格出力に近付け、上記電動機の使用台数が全数ではない状態で、上記使用電力が大きくなっていくときには、上記カッタヘッドが切羽の切削抵抗に負けて停止する前に上記電動機の使用台数を増加させて、上記カッタヘッドの駆動を確保しつつ個々の電動機の掘削出力を個々の電動機の定格出力に近付けるようにしたものである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、カッタヘッドを複数の電動機で駆動するシールド掘進機及びそのカッタ駆動用電動機の制御方法において、切羽の切削抵抗の変動に拘わらず、各電動機を定格出力に近い状態で運転させることができ、これにより各電動機の効率が向上して電力消費量を改善できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明の好適実施形態を添付図面に基づいて説明する。
【００１６】
図１は、本実施形態に係るシールド掘進機の概略説明図である。このシールド掘進機には、後述するように、本発明に係るカッタ駆動用電動機の制御方法を実施する装置が組み込まれている。
【００１７】
シールド掘進機１は、筒状のシールドフレーム２と、シールドフレーム２内に設けられた隔壁３と、隔壁３に回転可能に支持されたカッタヘッド４と、カッタヘッド４を回転駆動するための複数のモータユニット５とを有する。カッタヘッド４にはセンターシャフト６が設けられ、センターシャフト６は隔壁３に回転可能に支持され、隔壁３よりも後方のセンターシャフト６にはカッタギヤ７が設けられている。カッタギヤ７には、モータユニット５のピニオン５４が噛合されている。
【００１８】
モータユニット５は、電動機５１と、電動機５１にクラッチ５２を介して接続された減速機５３と、減速機５３の出力軸に設けられたピニオン５４とで構成され、減速機５３がシールドフレーム２の図示しない部位に固定されている。電動機５１の出力軸の回転は、クラッチ５２を切ったときには減速機５３及びピニオン５４に伝達されることはなく、クラッチ５２を繋いだときに減速機５３で減速されてピニオン５４に伝達される。なお、上記クラッチ５２を省略し、電動機５１に減速機５３を直結してもよい。
【００１９】
電動機５１とそれを駆動する電源８との間には、電動機５１の使用電力の総和を検出する電力検出装置（電力検出手段）９が設けられている。電源８には一定電圧（例えば４００Ｖ）のものが用いられ、電力検出装置９には例えば電流計が用いられる。各電動機５１にはそれぞれ起動回路１０が接続されており、各電動機５１は個々に使用又は停止ができるようになっている。
【００２０】
これら電動機５１は、カッタヘッド４を切羽の切削抵抗の変動に拘わらず一定回転数で駆動する。よって、切羽の切削抵抗が小さくなると、カッタヘッド４を上記一定回転数で駆動するために必要な力が小さくなって各電動機５１に供給される電力が小さくなり、逆に、切羽の切削抵抗が大きくなると、カッタヘッド４を上記一定回転数で駆動するために必要な力が大きくなって各電動機５１に供給される電力が大きくなる。
【００２１】
このシールド掘進機１は、電力検出装置９で検出された上記使用電力（全電動機５１の使用電力）の変動に応じて、電動機５１の使用台数を変化させる制御手段１１を備えている。制御手段１１は、本実施形態においては、各電動機５１に夫々接続された起動回路１０と、これら起動回路１０に接続された制御回路１２とから主に構成される。制御回路１２は、モータユニット５のクラッチ５２を断接するアクチュエータにも接続されている。
【００２２】
制御手段１１（制御回路１２）は、電力検出装置９で検出された上記使用電力が経時的に小さくなっていくときには、電動機５１の使用台数を、カッタヘッド４を切羽の切削抵抗に打ち勝って上記一定回転数で駆動させることができる範囲で減少させる。詳しくは、運転停止対象となる電動機５１のクラッチ５２を切った後、その電動機５１を停止する。クラッチ５２を切ることで、使用を停止した電動機５１がカッタヘッド４の回転によって連れ回されることがなくなり、引き摺りトルクの発生や使用停止された電動機５１で発電された電流が起動回路１０に悪影響を与える事態を回避できる。
【００２３】
また、制御手段１１は、電動機５１の使用台数が全数ではない状態で、電力検出装置９で検出された上記使用電力が経時的に大きくなっていくときには、カッタヘッド４が切羽の切削抵抗に負けて停止する前に、停止されていた電動機５１を起動して電動機５１の使用台数を増加させていく。詳しくは、増加使用する電動機５１を起動した後にその電動機５１に連なるクラッチ５２を繋ぐ。ここで、停止されていた電動機５１を起動した後、その出力軸の回転数がカッタヘッド４の回転によって連れ回されている減速機５３の入力軸の回転数と略同じになった後にクラッチ５２を繋ぐことで、接続時のショックが軽減される。
【００２４】
なお、上記クラッチ５２を省略した場合には、制御手段１１は、電力検出装置９で検出された上記使用電力が経時的に小さくなっていくときには、電動機５１の使用台数を、カッタヘッド４を切羽の切削抵抗に打ち勝って上記一定回転数で駆動させることができる範囲で減少させていき、電動機５１の使用台数が全数ではない状態で、逆に、上記使用電力が経時的に大きくなっていくときには、カッタヘッド４が切羽の切削抵抗に負けて停止する前に電動機５１の使用台数を増加させていくことになる。
【００２５】
ところで、シールド掘進機１のカッタヘッド４を一定回転数で駆動するためのトルク（カッタトルク）は、既述のように、地盤改良区間や大礫出現時等の高トルクを必要とする場合を想定して所用トルクを算出し、それに割増係数を乗じた形で装備トルクが決定される。従って、地盤状態が良好な場合には、掘削トルクは装備トルクよりも少なくなる。一方、上記装備トルクを達成するためにカッタモータ（電動機５１）を選定するが、機内スペースの関係で複数の電動機５１を搭載することが一般的である。
【００２６】
ここで、
カッタの装備トルク Ｔｓ
カッタの掘削トルク Ｔｃ
装備トルクに対する掘削トルクの比 η（但し ０＜η＜１）
電動機の装備台数 Ｍｎ（但し Ｍｎは自然数）
電動機の削減台数 ａ（但し ａは自然数）
電動機１台当たりの定格トルク Ｔｍｓ
電動機１台当たりの掘削トルク（全数使用時） Ｔｍｃ（但し Ｔｍｃ≦Ｔｍｓ）
電動機１台当たりの定格出力 Ｑｓ
電動機１台当たりの掘削出力（全数使用時） Ｑｃ（但し Ｑｃ≦Ｑｓ）
電動機１台当たりの掘削トルク（台数削減時） Ｔｍｃａ（但し Ｔｍｃａ≦Ｔｍｓ）
電動機１台当たりの掘削出力（台数削減時） Ｑｃａ（但し Ｑｃａ≦Ｑｓ）
とすると、シールド掘進機が装備トルク未満で掘削している場合、ＴｓとＴｃとの間に以下の関係が成立する。
【００２７】
Ｔｃ＝η・Ｔｓ …（１）
電動機を全て使用した場合、式（１）はη、Ｍｎ、Ｔｍｃ、Ｔｍｓを用いて
Ｍｎ・Ｔｍｃ＝η・Ｍｎ・Ｔｍｓ …（２）
と表すことができる。式（２）の両辺に電動機の回転数を乗じ、Ｍｎを除せば
Ｑｃ＝η・Ｑｓ …（３）
と表すことができる。
【００２８】
従って、各電動機の掘削（使用）出力は、定格出力のη倍となる。
【００２９】
さて、
１≦ａ＜（１−η）・Ｍｎ
という条件を満たす自然数ａが存在する場合、装備された電動機のうちａ台を停止させて掘削を行うとする。この場合、式（１）はη、Ｔｍｃａ、Ｔｍｓ、Ｍｎを用いて
（Ｍｎ−ａ）・Ｔｍｃａ＝η・Ｍｎ・Ｔｍｓ …（４）
と表すことができる。さらに、式（４）を変形して
Ｔｍｃａ＝η・｛Ｍｎ／（Ｍｎ−ａ）｝・Ｔｍｓ …（５）
となる。式（５）の両辺に電動機の回転数を乗じれば
Ｑｃａ＝η・｛Ｍｎ／（Ｍｎ−ａ）｝・Ｑｓ …（６）
式（６）より、各電動機の掘削（使用）出力Ｑｃａは、定格出力Ｑｓのη・｛Ｍｎ／（Ｍｎ−ａ）｝倍となる。
【００３０】
また、初期条件より、Ｑｃａ＜Ｑｓなので、式（６）を変形すると
η・｛Ｍｎ／（Ｍｎ−ａ）｝＝Ｑｃａ／Ｑｓ＜１ …（７）
となる。
【００３１】
ここで、ηは初期条件より０＜η＜１であり、｛Ｍｎ／（Ｍｎ−ａ）｝＞１は自明なので、式（７）を整理すると
０＜η＜η・Ｍｎ／（Ｍｎ−ａ）＜１ …（８）
と表すことができる。式（８）の各辺にＱｓを乗じれば
０＜η・Ｑｓ＜η・｛Ｍｎ／（Ｍｎ−ａ）｝・Ｑｓ＜Ｑｓ
となり、式（３）、式（６）より
０＜Ｑｃ＜Ｑｃａ＜Ｑｓ
となる。
【００３２】
よって、各電動機の掘削（使用）出力は、電動機を一部停止した場合の出力Ｑｃａが、電動機を全数使用した場合の出力Ｑｃよりも大きく、定格出力Ｑｓに近い値となる。よって、電動機を一部停止することにより全数使用した場合よりも効率を向上させることができる。
【００３３】
式（６）を考察すると、
Ｑｃａ＝η・｛Ｍｎ／（Ｍｎ−ａ）｝・Ｑｓ
にて、台数削減時の電動機の掘削出力Ｑｃａは、電動機の定格出力Ｑｓを上回ることはできず、且つ、効率アップのために台数削減時の掘削出力Ｑｃａを定格出力Ｑｓに近付けたいという要求がある。この要求を満足するためには、η・｛Ｍｎ／（Ｍｎ−ａ）｝≦１で、且つ、η・｛Ｍｎ／（Ｍｎ−ａ）｝をなるべく１に近付ければよい。
【００３４】
ここで、η＝Ｔｃ／Ｔｓのうち、装備トルクＴｓは定数であるが、掘削トルクＴｃは、切羽の切削抵抗に応じて変動する変数である。よって、掘削トルクＴｃが小さくなってηが小さくなった場合、削減台数ａを増やす（使用台数を減らす）ことで、η・｛Ｍｎ／（Ｍｎ−ａ）｝を１に近い状態に保持することができる。
【００３５】
また、こうして電動機の使用台数が何台か削減された状態で、掘削トルクＴｃが大きくなってηが大きくなった場合、削減台数ａを減らす（使用台数を増やす）ことで、カッタヘッドが切羽の切削抵抗に負けて停止する事態を回避し、η・｛Ｍｎ／（Ｍｎ−ａ）｝を１に近い状態に保持することができる。
【００３６】
図２は、電動機の装備台数Ｍｎが１０のときのη・｛Ｍｎ／（Ｍｎ−ａ）｝の値を示す表である。図２にて、縦欄は１０台の電動機のうちの削減台数ａ（使用を停止する台数）であり、横欄は装備トルクＴｓに対する掘削トルクＴｃの比ηである。
【００３７】
η＝１の状態のとき、電動機の削減台数ａは０であり、このとき、η・｛Ｍｎ／（Ｍｎ−ａ）｝は１となっている。これを、式（６）に基づき考察すると、Ｑｃａ＝Ｑｓとなり、電動機の効率が最高となる。
【００３８】
この状態から掘削トルクＴｃが下がってη＝０．９となると、ａ＝０のままでは、η・｛Ｍｎ／（Ｍｎ−ａ）｝も０．９となって電動機の効率が下がってしまう。そこで、電動機を１台停止してａ＝１とすることで、η・｛Ｍｎ／（Ｍｎ−ａ）｝が１となって、電動機の効率が最高となり、且つカッタヘッドの駆動を確保できる。
【００３９】
更に、掘削トルクＴｃが下がってη＝０．８となると、ａ＝１のままでは、η・｛Ｍｎ／（Ｍｎ−ａ）｝も０．８９となって電動機の効率が下がるが、電動機を更に１台停止してａ＝２とすると、η・｛Ｍｎ／（Ｍｎ−ａ）｝が１となって、電動機の効率を最高にすることができる。
【００４０】
以下、同様に掘削トルクＴｃが下がって、η＝０．７、０．６、０．５となるに連れて、電動機の削減台数ａを３台、４台、５台と増やしていくことで、η・｛Ｍｎ／（Ｍｎ−ａ）｝を１に維持することができる。
【００４１】
逆に、η＝０．５、ａ＝５で掘削しているとき、掘削トルクＴｃが上がってη＝０．６となると、ａ＝５のままでは、η・｛Ｍｎ／（Ｍｎ−ａ）｝が１を超えてしまい、カッタヘッドが切羽の切削抵抗に負けて停止してしまうので、電動機の使用台数を１台増やし（削減台数を１台減らし）、ａ＝４とする。これにより、η・｛Ｍｎ／（Ｍｎ−ａ）｝が１となり、電動機の効率が最高となる。
【００４２】
以下、同様に掘削トルクＴｃが上がって、η＝０．７、０．８、０．９、１．０となるに連れて、電動機の削減台数ａを３台、２台、１台、０台と減らしていくことで、η・｛Ｍｎ／（Ｍｎ−ａ）｝を１に維持でき、電動機の効率を最高とできる。
【００４３】
このように、本実施形態によれば、電動機の使用台数（削減台数ａ）を、切羽の切削抵抗の変動、即ち掘削トルクＴｃの変動、即ちηの変動に応じて、上述のように変更することで、電動機を常時９０％以上の出力で使用できる。この結果、各電動機の効率が向上して消費電力を改善できる。
【００４４】
これに対し、切羽の切削抵抗が変動して掘削トルクＴｃが変動しηが変動しても、従来のように電動機の使用台数を減らすことなくａ＝０のままとすると、例えば、切羽の切削抵抗が徐々に小さくなってηが１．０、０．９、０．８、０．７、０．６、０．５と低下するに連れて、η・｛Ｍｎ／（Ｍｎ−ａ）｝の値が１．０、０．９、０．８、０．７、０．６、０．５と低下してしまうため、電動機の掘削出力Ｑｃａが電動機の定格出力Ｑｓに対して徐々に小さくなり（式（６）参照）、電動機の効率が悪化していってしまう。
【００４５】
以上述べたように、本実施形態によれば、切羽の切削抵抗の状態に拘わらず、常に電動機の発生出力を定格出力近傍で使用できるので、効率が向上し、消費電力を低減することが可能となる。
【００４６】
また、使用が停止される電動機を順位付けして定めておくことで、特定の電動機に負荷を集中させ、他の電動機を予備装備的に使用することが可能となる。この結果、全ての電動機が同時に寿命を迎えることはなく、長期間使用の場合のメインテナンススケジュールが立て易くなる。
【００４７】
また、使用が停止される電動機を全電動機に順番に割り当て、負荷電動機をローテーションさせて各電動機を均等に使用すれば、各電動機の負荷時間が減少するので、シールド掘進機全体の寿命向上に繋がる。
【００４８】
なお、本実施形態においては、ηの変動に対して電動機の削減台数ａを、η・｛Ｍｎ／（Ｍｎ−ａ）｝の値が１となるような台数にしたが、η・｛Ｍｎ／（Ｍｎ−ａ）｝が１を超えずに１に近い値（例えば１．０〜０．８のいずれかの値、０．８〜０．７のいずれかの値）となるようなａを選択してもよい。これにより、電動機の効率は多少落ちるものの、掘削トルクに多少の余裕が生じるので、カッタヘッドが切羽の切削抵抗に負けて停止する事態を回避できる可能性が高まる。
【００４９】
図３は、上述したカッタ駆動用の電動機の制御方法が適用された場合の、電動機の使用電力と使用台数との関係を表したグラフである。
【００５０】
図１に示す制御手段（制御回路、起動回路等）は、図３に示すように、カッタヘッドを始動させる際に電動機を全数使用し、その後、所定の制御時刻ｔｎごとに、その制御時刻ｔｎから過去に所定の検出時間ｔｓ遡ってその検出時間ｔｓ内における全電動機の使用電力の最大値ｔｎｉを求め、その最大値ｔｎｉを基準として上記制御時刻ｔｎにおける上記電動機の使用台数を変化させる。
【００５１】
すなわち、図３に示すように、カッタヘッドを始動させる際（制御時刻ｔ０）に電動機を全数（１０台）使用し、ｔ０から所定の制御間隔ｔｍだけ時間が経過した後の制御時刻ｔ１時に、ｔ１から過去に所定の検出時間ｔｓ遡ってその検出時間ｔｓ内における上記使用電力の最大値ｔ１ｉを求め、そのｔ１ｉを基準として制御時刻ｔ１における電動機の使用台数を既述のように求め８台とする。
【００５２】
その後、制御時刻ｔ１から制御間隔ｔｍだけ時間が経過した後の制御時刻ｔ２時に、ｔ２から過去に検出時間ｔｓ遡ってそのｔｓ内における上記使用電力の最大値ｔ２ｉを求め、そのｔ２ｉを基準として制御時刻ｔ２における電動機の使用台数を既述のように求め９台とする。
【００５３】
爾後、掘削を停止した場合、掘削再開時には電動機を全数（１０台）使用し、制御間隔ｔｍ及び検出時間ｔｓの決定に際して掘削停止時間を削除して、制御時刻ｔ２からｔｍ１＋ｔｍ２＝ｔｍだけ時間が経過した後の制御時刻ｔ３時に、ｔ３から過去に検出時間ｔｓ１＋ｔｓ２＝ｔｓ遡ってそのｔｓ内における上記使用電力の最大値ｔ３ｉを求め、そのｔ３ｉを基準として制御時刻ｔ３における電動機の使用台数を既述のように求め８台とする。
【００５４】
なお、検出時間ｔｓは、制御間隔ｔｍと同じかそれ以上でなければならない。ｔｓ＜ｔｍであると未検出期間が発生してしまうため、それを回避するためである。
【００５５】
本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。
【００５６】
電動機の台数は１０台に限られず、５〜６台程度の小口径シールドにも、２０台程度の大口径シールドにも、本発明を適用できる。また、カッタヘッドの支持方式は、図１に示すようにセンターシャフト支持方式に限られず、中間ビーム支持方式や、外周リング支持方式であってもよい。また、カッタヘッドの駆動方式は、回転駆動方式に限られず、所定範囲で回転方向が反転する往復駆動方式や、平行リンクを用いてカッタヘッドを自転させることなく公転させる駆動方式であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明の一実施形態に係るシールド掘進機の概略説明図である。
【図２】電動機の装備台数Ｍｎが１０のときのη・｛Ｍｎ／（Ｍｎ−ａ）｝の値を示す表である。
【図３】本実施形態に係るカッタ駆動用の電動機の制御方法が適用された場合の、電動機の使用電力と使用台数との関係を表したグラフである。
【符号の説明】
【００５８】
１ シールド掘進機
４ カッタヘッド
５ モータユニット
１２ 制御回路
５１ 電動機
５２ クラッチ
５３ 減速機
５４ ピニオン
９ 電力検出装置（電力検出手段）
１０ 起動回路
１１ 制御手段
１２ 制御回路
ｔｎ 制御時刻（ｎ＝０、１、２、３…）
ｔｓ 検出時間
ｔｎｉ 最大値（ｎ＝１、２、３…）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、カッタヘッドを複数の電動機で駆動するシールド掘進機及びそのカッタ駆動用電動機の制御方法に係り、特に、消費電力の低減を図ったシールド掘進機及びそのカッタ駆動用電動機の制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、切羽を切削するカッタヘッドを、複数の電動機で駆動するようにしたシールド掘進機が知られている（特許文献１、２等）。通常この種のシールド掘進機は、常に全ての電動機を使用し、カッタヘッドを切羽の切削抵抗の変動に拘わらず一定回転数（ｒｐｍ）で駆動させて切羽を切削している。
【０００３】
このようにカッタヘッドの駆動速度を切羽の切削抵抗の変動に拘わらず一定回転数で制御した場合、切羽の切削抵抗が小さくなると、カッタヘッドを駆動するために必要なトルクが小さくなって各電動機に供給される電力が小さくなり、切羽の切削抵抗が大きくなると、カッタヘッドを駆動するために必要なトルクが大きくなって各電動機に供給される電力が大きくなる。
【０００４】
【特許文献１】特開平７−１０２８８５号公報
【特許文献２】特開２００１−２００６８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、電動機は、一般に、定格出力に近い出力（大出力）で使用する方が、定格出力から離れた出力（小出力）で使用するよりも、効率が高いという特性を有する。
【０００６】
ここで、上述のように全ての電動機を常に使用し、カッタヘッドを切羽の切削抵抗の変動に拘わらず一定回転数で駆動させて切羽を切削する場合、切羽の切削抵抗が小さくなってカッタヘッドを上記一定回転数で駆動するために必要な力が小さくなると、各電動機が定格出力よりも小さい小出力で運転される状態となる。このため、効率が悪化し、必要以上に電力を消費してしまう。
【０００７】
切羽の切削抵抗は、切羽の土質、掘削速度等の施工条件で変動し、特に地盤改良区間通過時、大礫出現時、障害物の出現時等の地山を掘削するときに必要なトルクは、通常の地山を掘削するときに必要なトルクよりも遙かに大きくなる。その結果、地盤改良区間等で必要とされる電動機の出力は、通常地山を掘削するときに必要な電動機出力よりも遙かに大きくなる。よって、シールド掘進機に装備される電動機の定格出力と台数は、地盤改良区間等の大きな出力を必要とする場合を想定して算出された所用出力に、所定の割増係数（安全率）を乗じて決定されている。
【０００８】
すなわち、シールド掘進機に装備される電動機の定格出力と台数は、掘削経路上における通常地山（平均的な切削抵抗の切羽）を掘削するときに必要な出力よりも、遙かに大きな値となるように設定されている。よって、かかる電動機は、掘削経路にて通常地山を切削するときには、定格出力よりも遙かに小さい出力で運転される状態となる。この結果、効率が悪化し、必要以上に電力を消費してしまうことになる。
【０００９】
以上の事情を考慮して創案された本発明の目的は、カッタヘッドを複数の電動機で駆動するシールド掘進機及びそのカッタ駆動用電動機の制御方法において、切羽の切削抵抗の変動に拘わらず、各電動機を定格出力に近い状態で運転させることができ、これにより各電動機の効率が向上して電力消費量を改善できるシールド掘進機及びそのカッタ駆動用電動機の制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために第１の発明は、カッタヘッドを複数の電動機で駆動して切羽を切削するシールド掘進機であって、上記電動機の使用電力の総和を検出する電力検出手段と、該電力検出手段で検出された上記使用電力の変動に応じて、上記電動機の使用台数を変化させる制御手段とを備えたものである。
【００１１】
上記制御手段は、上記電力検出手段で検出された上記使用電力が小さくなっていくときには、上記電動機の使用台数を、上記カッタヘッドを切羽の切削抵抗に打ち勝って駆動させることができる範囲で減少させていき、上記電動機の使用台数が全数ではない状態で、上記使用電力が大きくなっていくときには、上記カッタヘッドが切羽の切削抵抗に負けて停止する前に上記電動機の使用台数を増加させていくものであってもよい。
【００１２】
上記制御手段は、上記カッタヘッドを始動させる際に上記電動機を全数使用し、その後、所定の制御時刻ごとに、その制御時刻から過去に所定の検出時間遡ってその検出時間内における上記使用電力の最大値を求め、その最大値を基準として上記制御時刻における上記電動機の使用台数を変化させるものであってもよい。
【００１３】
第２の発明は、カッタヘッドを複数の電動機で駆動して切羽を切削するシールド掘進機のカッタ駆動用電動機の制御方法であって、上記電動機の使用電力の総和を検出し、検出された上記使用電力が小さくなっていくときには、上記電動機の使用台数を、上記カッタヘッドを切羽の切削抵抗に打ち勝って駆動させることができる範囲で減少させて、上記カッタヘッドの駆動を確保しつつ個々の電動機の掘削出力を個々の電動機の定格出力に近付け、上記電動機の使用台数が全数ではない状態で、上記使用電力が大きくなっていくときには、上記カッタヘッドが切羽の切削抵抗に負けて停止する前に上記電動機の使用台数を増加させて、上記カッタヘッドの駆動を確保しつつ個々の電動機の掘削出力を個々の電動機の定格出力に近付けるようにしたものである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、カッタヘッドを複数の電動機で駆動するシールド掘進機及びそのカッタ駆動用電動機の制御方法において、切羽の切削抵抗の変動に拘わらず、各電動機を定格出力に近い状態で運転させることができ、これにより各電動機の効率が向上して電力消費量を改善できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明の好適実施形態を添付図面に基づいて説明する。
【００１６】
図１は、本実施形態に係るシールド掘進機の概略説明図である。このシールド掘進機には、後述するように、本発明に係るカッタ駆動用電動機の制御方法を実施する装置が組み込まれている。
【００１７】
シールド掘進機１は、筒状のシールドフレーム２と、シールドフレーム２内に設けられた隔壁３と、隔壁３に回転可能に支持されたカッタヘッド４と、カッタヘッド４を回転駆動するための複数のモータユニット５とを有する。カッタヘッド４にはセンターシャフト６が設けられ、センターシャフト６は隔壁３に回転可能に支持され、隔壁３よりも後方のセンターシャフト６にはカッタギヤ７が設けられている。カッタギヤ７には、モータユニット５のピニオン５４が噛合されている。
【００１８】
モータユニット５は、電動機５１と、電動機５１にクラッチ５２を介して接続された減速機５３と、減速機５３の出力軸に設けられたピニオン５４とで構成され、減速機５３がシールドフレーム２の図示しない部位に固定されている。電動機５１の出力軸の回転は、クラッチ５２を切ったときには減速機５３及びピニオン５４に伝達されることはなく、クラッチ５２を繋いだときに減速機５３で減速されてピニオン５４に伝達される。なお、上記クラッチ５２を省略し、電動機５１に減速機５３を直結してもよい。
【００１９】
電動機５１とそれを駆動する電源８との間には、電動機５１の使用電力の総和を検出する電力検出装置（電力検出手段）９が設けられている。電源８には一定電圧（例えば４００Ｖ）のものが用いられ、電力検出装置９には例えば電流計が用いられる。各電動機５１にはそれぞれ起動回路１０が接続されており、各電動機５１は個々に使用又は停止ができるようになっている。
【００２０】
これら電動機５１は、カッタヘッド４を切羽の切削抵抗の変動に拘わらず一定回転数で駆動する。よって、切羽の切削抵抗が小さくなると、カッタヘッド４を上記一定回転数で駆動するために必要な力が小さくなって各電動機５１に供給される電力が小さくなり、逆に、切羽の切削抵抗が大きくなると、カッタヘッド４を上記一定回転数で駆動するために必要な力が大きくなって各電動機５１に供給される電力が大きくなる。
【００２１】
このシールド掘進機１は、電力検出装置９で検出された上記使用電力（全電動機５１の使用電力）の変動に応じて、電動機５１の使用台数を変化させる制御手段１１を備えている。制御手段１１は、本実施形態においては、各電動機５１に夫々接続された起動回路１０と、これら起動回路１０に接続された制御回路１２とから主に構成される。制御回路１２は、モータユニット５のクラッチ５２を断接するアクチュエータにも接続されている。
【００２２】
制御手段１１（制御回路１２）は、電力検出装置９で検出された上記使用電力が経時的に小さくなっていくときには、電動機５１の使用台数を、カッタヘッド４を切羽の切削抵抗に打ち勝って上記一定回転数で駆動させることができる範囲で減少させる。詳しくは、運転停止対象となる電動機５１のクラッチ５２を切った後、その電動機５１を停止する。クラッチ５２を切ることで、使用を停止した電動機５１がカッタヘッド４の回転によって連れ回されることがなくなり、引き摺りトルクの発生や使用停止された電動機５１で発電された電流が起動回路１０に悪影響を与える事態を回避できる。
【００２３】
また、制御手段１１は、電動機５１の使用台数が全数ではない状態で、電力検出装置９で検出された上記使用電力が経時的に大きくなっていくときには、カッタヘッド４が切羽の切削抵抗に負けて停止する前に、停止されていた電動機５１を起動して電動機５１の使用台数を増加させていく。詳しくは、増加使用する電動機５１を起動した後にその電動機５１に連なるクラッチ５２を繋ぐ。ここで、停止されていた電動機５１を起動した後、その出力軸の回転数がカッタヘッド４の回転によって連れ回されている減速機５３の入力軸の回転数と略同じになった後にクラッチ５２を繋ぐことで、接続時のショックが軽減される。
【００２４】
なお、上記クラッチ５２を省略した場合には、制御手段１１は、電力検出装置９で検出された上記使用電力が経時的に小さくなっていくときには、電動機５１の使用台数を、カッタヘッド４を切羽の切削抵抗に打ち勝って上記一定回転数で駆動させることができる範囲で減少させていき、電動機５１の使用台数が全数ではない状態で、逆に、上記使用電力が経時的に大きくなっていくときには、カッタヘッド４が切羽の切削抵抗に負けて停止する前に電動機５１の使用台数を増加させていくことになる。
【００２５】
ところで、シールド掘進機１のカッタヘッド４を一定回転数で駆動するためのトルク（カッタトルク）は、既述のように、地盤改良区間や大礫出現時等の高トルクを必要とする場合を想定して所用トルクを算出し、それに割増係数を乗じた形で装備トルクが決定される。従って、地盤状態が良好な場合には、掘削トルクは装備トルクよりも少なくなる。一方、上記装備トルクを達成するためにカッタモータ（電動機５１）を選定するが、機内スペースの関係で複数の電動機５１を搭載することが一般的である。
【００２６】
ここで、
カッタの装備トルク Ｔｓ
カッタの掘削トルク Ｔｃ
装備トルクに対する掘削トルクの比 η（但し ０＜η＜１）
電動機の装備台数 Ｍｎ（但し Ｍｎは自然数）
電動機の削減台数 ａ（但し ａは自然数）
電動機１台当たりの定格トルク Ｔｍｓ
電動機１台当たりの掘削トルク（全数使用時） Ｔｍｃ（但し Ｔｍｃ≦Ｔｍｓ）
電動機１台当たりの定格出力 Ｑｓ
電動機１台当たりの掘削出力（全数使用時） Ｑｃ（但し Ｑｃ≦Ｑｓ）
電動機１台当たりの掘削トルク（台数削減時） Ｔｍｃａ（但し Ｔｍｃａ≦Ｔｍｓ）
電動機１台当たりの掘削出力（台数削減時） Ｑｃａ（但し Ｑｃａ≦Ｑｓ）
とすると、シールド掘進機が装備トルク未満で掘削している場合、ＴｓとＴｃとの間に以下の関係が成立する。
【００２７】
Ｔｃ＝η・Ｔｓ …（１）
電動機を全て使用した場合、式（１）はη、Ｍｎ、Ｔｍｃ、Ｔｍｓを用いて
Ｍｎ・Ｔｍｃ＝η・Ｍｎ・Ｔｍｓ …（２）
と表すことができる。式（２）の両辺に電動機の回転数を乗じ、Ｍｎを除せば
Ｑｃ＝η・Ｑｓ …（３）
と表すことができる。
【００２８】
従って、各電動機の掘削（使用）出力は、定格出力のη倍となる。
【００２９】
さて、
１≦ａ＜（１−η）・Ｍｎ
という条件を満たす自然数ａが存在する場合、装備された電動機のうちａ台を停止させて掘削を行うとする。この場合、式（１）はη、Ｔｍｃａ、Ｔｍｓ、Ｍｎを用いて
（Ｍｎ−ａ）・Ｔｍｃａ＝η・Ｍｎ・Ｔｍｓ …（４）
と表すことができる。さらに、式（４）を変形して
Ｔｍｃａ＝η・｛Ｍｎ／（Ｍｎ−ａ）｝・Ｔｍｓ …（５）
となる。式（５）の両辺に電動機の回転数を乗じれば
Ｑｃａ＝η・｛Ｍｎ／（Ｍｎ−ａ）｝・Ｑｓ …（６）
式（６）より、各電動機の掘削（使用）出力Ｑｃａは、定格出力Ｑｓのη・｛Ｍｎ／（Ｍｎ−ａ）｝倍となる。
【００３０】
また、初期条件より、Ｑｃａ＜Ｑｓなので、式（６）を変形すると
η・｛Ｍｎ／（Ｍｎ−ａ）｝＝Ｑｃａ／Ｑｓ＜１ …（７）
となる。
【００３１】
ここで、ηは初期条件より０＜η＜１であり、｛Ｍｎ／（Ｍｎ−ａ）｝＞１は自明なので、式（７）を整理すると
０＜η＜η・Ｍｎ／（Ｍｎ−ａ）＜１ …（８）
と表すことができる。式（８）の各辺にＱｓを乗じれば
０＜η・Ｑｓ＜η・｛Ｍｎ／（Ｍｎ−ａ）｝・Ｑｓ＜Ｑｓ
となり、式（３）、式（６）より
０＜Ｑｃ＜Ｑｃａ＜Ｑｓ
となる。
【００３２】
よって、各電動機の掘削（使用）出力は、電動機を一部停止した場合の出力Ｑｃａが、電動機を全数使用した場合の出力Ｑｃよりも大きく、定格出力Ｑｓに近い値となる。よって、電動機を一部停止することにより全数使用した場合よりも効率を向上させることができる。
【００３３】
式（６）を考察すると、
Ｑｃａ＝η・｛Ｍｎ／（Ｍｎ−ａ）｝・Ｑｓ
にて、台数削減時の電動機の掘削出力Ｑｃａは、電動機の定格出力Ｑｓを上回ることはできず、且つ、効率アップのために台数削減時の掘削出力Ｑｃａを定格出力Ｑｓに近付けたいという要求がある。この要求を満足するためには、η・｛Ｍｎ／（Ｍｎ−ａ）｝≦１で、且つ、η・｛Ｍｎ／（Ｍｎ−ａ）｝をなるべく１に近付ければよい。
【００３４】
ここで、η＝Ｔｃ／Ｔｓのうち、装備トルクＴｓは定数であるが、掘削トルクＴｃは、切羽の切削抵抗に応じて変動する変数である。よって、掘削トルクＴｃが小さくなってηが小さくなった場合、削減台数ａを増やす（使用台数を減らす）ことで、η・｛Ｍｎ／（Ｍｎ−ａ）｝を１に近い状態に保持することができる。
【００３５】
また、こうして電動機の使用台数が何台か削減された状態で、掘削トルクＴｃが大きくなってηが大きくなった場合、削減台数ａを減らす（使用台数を増やす）ことで、カッタヘッドが切羽の切削抵抗に負けて停止する事態を回避し、η・｛Ｍｎ／（Ｍｎ−ａ）｝を１に近い状態に保持することができる。
【００３６】
図２は、電動機の装備台数Ｍｎが１０のときのη・｛Ｍｎ／（Ｍｎ−ａ）｝の値を示す表である。図２にて、縦欄は１０台の電動機のうちの削減台数ａ（使用を停止する台数）であり、横欄は装備トルクＴｓに対する掘削トルクＴｃの比ηである。
【００３７】
η＝１の状態のとき、電動機の削減台数ａは０であり、このとき、η・｛Ｍｎ／（Ｍｎ−ａ）｝は１となっている。これを、式（６）に基づき考察すると、Ｑｃａ＝Ｑｓとなり、電動機の効率が最高となる。
【００３８】
この状態から掘削トルクＴｃが下がってη＝０．９となると、ａ＝０のままでは、η・｛Ｍｎ／（Ｍｎ−ａ）｝も０．９となって電動機の効率が下がってしまう。そこで、電動機を１台停止してａ＝１とすることで、η・｛Ｍｎ／（Ｍｎ−ａ）｝が１となって、電動機の効率が最高となり、且つカッタヘッドの駆動を確保できる。
【００３９】
更に、掘削トルクＴｃが下がってη＝０．８となると、ａ＝１のままでは、η・｛Ｍｎ／（Ｍｎ−ａ）｝も０．８９となって電動機の効率が下がるが、電動機を更に１台停止してａ＝２とすると、η・｛Ｍｎ／（Ｍｎ−ａ）｝が１となって、電動機の効率を最高にすることができる。
【００４０】
以下、同様に掘削トルクＴｃが下がって、η＝０．７、０．６、０．５となるに連れて、電動機の削減台数ａを３台、４台、５台と増やしていくことで、η・｛Ｍｎ／（Ｍｎ−ａ）｝を１に維持することができる。
【００４１】
逆に、η＝０．５、ａ＝５で掘削しているとき、掘削トルクＴｃが上がってη＝０．６となると、ａ＝５のままでは、η・｛Ｍｎ／（Ｍｎ−ａ）｝が１を超えてしまい、カッタヘッドが切羽の切削抵抗に負けて停止してしまうので、電動機の使用台数を１台増やし（削減台数を１台減らし）、ａ＝４とする。これにより、η・｛Ｍｎ／（Ｍｎ−ａ）｝が１となり、電動機の効率が最高となる。
【００４２】
以下、同様に掘削トルクＴｃが上がって、η＝０．７、０．８、０．９、１．０となるに連れて、電動機の削減台数ａを３台、２台、１台、０台と減らしていくことで、η・｛Ｍｎ／（Ｍｎ−ａ）｝を１に維持でき、電動機の効率を最高とできる。
【００４３】
このように、本実施形態によれば、電動機の使用台数（削減台数ａ）を、切羽の切削抵抗の変動、即ち掘削トルクＴｃの変動、即ちηの変動に応じて、上述のように変更することで、電動機を常時９０％以上の出力で使用できる。この結果、各電動機の効率が向上して消費電力を改善できる。
【００４４】
これに対し、切羽の切削抵抗が変動して掘削トルクＴｃが変動しηが変動しても、従来のように電動機の使用台数を減らすことなくａ＝０のままとすると、例えば、切羽の切削抵抗が徐々に小さくなってηが１．０、０．９、０．８、０．７、０．６、０．５と低下するに連れて、η・｛Ｍｎ／（Ｍｎ−ａ）｝の値が１．０、０．９、０．８、０．７、０．６、０．５と低下してしまうため、電動機の掘削出力Ｑｃａが電動機の定格出力Ｑｓに対して徐々に小さくなり（式（６）参照）、電動機の効率が悪化していってしまう。
【００４５】
以上述べたように、本実施形態によれば、切羽の切削抵抗の状態に拘わらず、常に電動機の発生出力を定格出力近傍で使用できるので、効率が向上し、消費電力を低減することが可能となる。
【００４６】
また、使用が停止される電動機を順位付けして定めておくことで、特定の電動機に負荷を集中させ、他の電動機を予備装備的に使用することが可能となる。この結果、全ての電動機が同時に寿命を迎えることはなく、長期間使用の場合のメインテナンススケジュールが立て易くなる。
【００４７】
また、使用が停止される電動機を全電動機に順番に割り当て、負荷電動機をローテーションさせて各電動機を均等に使用すれば、各電動機の負荷時間が減少するので、シールド掘進機全体の寿命向上に繋がる。
【００４８】
なお、本実施形態においては、ηの変動に対して電動機の削減台数ａを、η・｛Ｍｎ／（Ｍｎ−ａ）｝の値が１となるような台数にしたが、η・｛Ｍｎ／（Ｍｎ−ａ）｝が１を超えずに１に近い値（例えば１．０〜０．８のいずれかの値、０．８〜０．７のいずれかの値）となるようなａを選択してもよい。これにより、電動機の効率は多少落ちるものの、掘削トルクに多少の余裕が生じるので、カッタヘッドが切羽の切削抵抗に負けて停止する事態を回避できる可能性が高まる。
【００４９】
図３は、上述したカッタ駆動用の電動機の制御方法が適用された場合の、電動機の使用電力と使用台数との関係を表したグラフである。
【００５０】
図１に示す制御手段（制御回路、起動回路等）は、図３に示すように、カッタヘッドを始動させる際に電動機を全数使用し、その後、所定の制御時刻ｔｎごとに、その制御時刻ｔｎから過去に所定の検出時間ｔｓ遡ってその検出時間ｔｓ内における全電動機の使用電力の最大値ｔｎｉを求め、その最大値ｔｎｉを基準として上記制御時刻ｔｎにおける上記電動機の使用台数を変化させる。
【００５１】
すなわち、図３に示すように、カッタヘッドを始動させる際（制御時刻ｔ０）に電動機を全数（１０台）使用し、ｔ０から所定の制御間隔ｔｍだけ時間が経過した後の制御時刻ｔ１時に、ｔ１から過去に所定の検出時間ｔｓ遡ってその検出時間ｔｓ内における上記使用電力の最大値ｔ１ｉを求め、そのｔ１ｉを基準として制御時刻ｔ１における電動機の使用台数を既述のように求め８台とする。
【００５２】
その後、制御時刻ｔ１から制御間隔ｔｍだけ時間が経過した後の制御時刻ｔ２時に、ｔ２から過去に検出時間ｔｓ遡ってそのｔｓ内における上記使用電力の最大値ｔ２ｉを求め、そのｔ２ｉを基準として制御時刻ｔ２における電動機の使用台数を既述のように求め９台とする。
【００５３】
爾後、掘削を停止した場合、掘削再開時には電動機を全数（１０台）使用し、制御間隔ｔｍ及び検出時間ｔｓの決定に際して掘削停止時間を削除して、制御時刻ｔ２からｔｍ１＋ｔｍ２＝ｔｍだけ時間が経過した後の制御時刻ｔ３時に、ｔ３から過去に検出時間ｔｓ１＋ｔｓ２＝ｔｓ遡ってそのｔｓ内における上記使用電力の最大値ｔ３ｉを求め、そのｔ３ｉを基準として制御時刻ｔ３における電動機の使用台数を既述のように求め８台とする。
【００５４】
なお、検出時間ｔｓは、制御間隔ｔｍと同じかそれ以上でなければならない。ｔｓ＜ｔｍであると未検出期間が発生してしまうため、それを回避するためである。
【００５５】
本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。
【００５６】
電動機の台数は１０台に限られず、５〜６台程度の小口径シールドにも、２０台程度の大口径シールドにも、本発明を適用できる。また、カッタヘッドの支持方式は、図１に示すようにセンターシャフト支持方式に限られず、中間ビーム支持方式や、外周リング支持方式であってもよい。また、カッタヘッドの駆動方式は、回転駆動方式に限られず、所定範囲で回転方向が反転する往復駆動方式や、平行リンクを用いてカッタヘッドを自転させることなく公転させる駆動方式であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明の一実施形態に係るシールド掘進機の概略説明図である。
【図２】電動機の装備台数Ｍｎが１０のときのη・｛Ｍｎ／（Ｍｎ−ａ）｝の値を示す表である。
【図３】本実施形態に係るカッタ駆動用の電動機の制御方法が適用された場合の、電動機の使用電力と使用台数との関係を表したグラフである。
【符号の説明】
【００５８】
１ シールド掘進機
４ カッタヘッド
５ モータユニット
１２ 制御回路
５１ 電動機
５２ クラッチ
５３ 減速機
５４ ピニオン
９ 電力検出装置（電力検出手段）
１０ 起動回路
１１ 制御手段
１２ 制御回路
ｔｎ 制御時刻（ｎ＝０、１、２、３…）
ｔｓ 検出時間
ｔｎｉ 最大値（ｎ＝１、２、３…）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
カッタヘッドを複数の電動機で駆動して切羽を切削するシールド掘進機であって、
上記電動機の使用電力の総和を検出する電力検出手段と、
該電力検出手段で検出された上記使用電力の変動に応じて、上記電動機の使用台数を変化させる制御手段と
を備えたことを特徴とするシールド掘進機。
【請求項２】
上記制御手段は、
上記電力検出手段で検出された上記使用電力が小さくなっていくときには、上記電動機の使用台数を、上記カッタヘッドを切羽の切削抵抗に打ち勝って駆動させることができる範囲で減少させていき、
上記電動機の使用台数が全数ではない状態で、上記使用電力が大きくなっていくときには、上記カッタヘッドが切羽の切削抵抗に負けて停止する前に上記電動機の使用台数を増加させていく
請求項１に記載のシールド掘進機。
【請求項３】
上記制御手段は、
上記カッタヘッドを始動させる際に上記電動機を全数使用し、その後、所定の制御時刻ごとに、その制御時刻から過去に所定の検出時間遡ってその検出時間内における上記使用電力の最大値を求め、その最大値を基準として上記制御時刻における上記電動機の使用台数を変化させる
請求項１又は２に記載のシールド掘進機。
【請求項４】
カッタヘッドを複数の電動機で駆動して切羽を切削するシールド掘進機のカッタ駆動用電動機の制御方法であって、
上記電動機の使用電力の総和を検出し、
検出された上記使用電力が小さくなっていくときには、上記電動機の使用台数を、上記カッタヘッドを切羽の切削抵抗に打ち勝って駆動させることができる範囲で減少させて、上記カッタヘッドの駆動を確保しつつ個々の電動機の掘削出力を個々の電動機の定格出力に近付け、
上記電動機の使用台数が全数ではない状態で、上記使用電力が大きくなっていくときには、上記カッタヘッドが切羽の切削抵抗に負けて停止する前に上記電動機の使用台数を増加させて、上記カッタヘッドの駆動を確保しつつ個々の電動機の掘削出力を個々の電動機の定格出力に近付ける
ことを特徴とするシールド掘進機のカッタ駆動用電動機の制御方法。
【請求項１】
カッタヘッドを複数の電動機で駆動して切羽を切削するシールド掘進機であって、
上記電動機の使用電力の総和を検出する電力検出手段と、
該電力検出手段で検出された上記使用電力の変動に応じて、上記電動機の使用台数を変化させる制御手段と
を備えたことを特徴とするシールド掘進機。
【請求項２】
上記制御手段は、
上記電力検出手段で検出された上記使用電力が小さくなっていくときには、上記電動機の使用台数を、上記カッタヘッドを切羽の切削抵抗に打ち勝って駆動させることができる範囲で減少させていき、
上記電動機の使用台数が全数ではない状態で、上記使用電力が大きくなっていくときには、上記カッタヘッドが切羽の切削抵抗に負けて停止する前に上記電動機の使用台数を増加させていく
請求項１に記載のシールド掘進機。
【請求項３】
上記制御手段は、
上記カッタヘッドを始動させる際に上記電動機を全数使用し、その後、所定の制御時刻ごとに、その制御時刻から過去に所定の検出時間遡ってその検出時間内における上記使用電力の最大値を求め、その最大値を基準として上記制御時刻における上記電動機の使用台数を変化させる
請求項１又は２に記載のシールド掘進機。
【請求項４】
カッタヘッドを複数の電動機で駆動して切羽を切削するシールド掘進機のカッタ駆動用電動機の制御方法であって、
上記電動機の使用電力の総和を検出し、
検出された上記使用電力が小さくなっていくときには、上記電動機の使用台数を、上記カッタヘッドを切羽の切削抵抗に打ち勝って駆動させることができる範囲で減少させて、上記カッタヘッドの駆動を確保しつつ個々の電動機の掘削出力を個々の電動機の定格出力に近付け、
上記電動機の使用台数が全数ではない状態で、上記使用電力が大きくなっていくときには、上記カッタヘッドが切羽の切削抵抗に負けて停止する前に上記電動機の使用台数を増加させて、上記カッタヘッドの駆動を確保しつつ個々の電動機の掘削出力を個々の電動機の定格出力に近付ける
ことを特徴とするシールド掘進機のカッタ駆動用電動機の制御方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１０−７４１５（Ｐ２０１０−７４１５Ａ）
【公開日】平成２２年１月１４日（２０１０．１．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１７０３９９（Ｐ２００８−１７０３９９）
【出願日】平成２０年６月３０日（２００８．６．３０）
【出願人】（０００００００９９）株式会社ＩＨＩ (5,014)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１月１４日（２０１０．１．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年６月３０日（２００８．６．３０）
【出願人】（０００００００９９）株式会社ＩＨＩ (5,014)
【Ｆターム（参考）】
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