JPH06100067B2 - 多連シールド掘進機のカッタ同期運転装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、複数の回転カッタをほぼ同一平面内に配置し
た多連シールド掘進機において、各々の回転カッタをモ
ータと減速機から成る電動駆動装置により独立に駆動
し、カッタ同士の干渉が発生しない許容偏差角以内で同
期回転させるためのカッタ同期運転装置に関する。

〔従来の技術〕

複数の回転カッタを、カッタ中心間距離が各々の回転カ
ッタの掘削半径より大きく、直径より小であるようにほ
ぼ同一平面内に配置し、各々の回転カッタを独立に駆動
して複数の回転カッタによる同時掘削を行う多連シール
ルド掘進機においては、第３図に示すように各々の回転
カッタを、カッタ同士の干渉が発生しない許容偏差角以
内で同期して回転させる必要がある。

上記課題を解決するため、本出願人が先に出願した特願
昭63−49774号の発明では、主たる回転カッタを駆動す
るモータの減速制御手段と従たる回転カッタを駆動する
モータの速度制御手段に対して同じ速度指令信号を入力
するとともに、主たる回転カッタと従たる回転カッタの
偏差角に対応した大きさと極性の信号を速度補正信号と
して従たる回転カッタを駆動するモータの速度制御手段
に入力し、速度設定値と速度検出値の差および偏差角検
出値が共に零となるように各々のモータの速度制御を行
っている。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記のように同期運転の基準となる側の回転カッタを
主、これに追従する側の回転カッタを従とした場合、一
般に主に対して従の方が駆動トルクの余裕が大きいこと
が望まし（回転の遅れが生じたとき、従は主を超える速
度で追いつく必要があるため）。ところが、シールド掘
進機のカッタの負荷は地山の性状により大きく左右さ
れ、地層の変わり目などでは、両方のカッタの負荷が大
きく異なる場合がある。したがって、主の方の負荷が軽
く、従の方の負荷が重い場合、従は、駆動トルクの余裕
がないために主に対して追従できなくなる。そこで、両
方のカッタの負荷の程度に応じて、負荷の重い方を主と
し、負荷の軽い方と従として運転できるようにすれば、
従は常に主に対して駆動トルクの余裕を持つことにな
り、高負荷の下でも安定した同期運転を期待できる。

本発明は、この点に着目し、回転カッタの主従関係の切
換が容易にできる多連シールド掘進機のカッタ同期運転
装置を提供することを第１の目的とする。

一方、何らかの外的要因や装置の故障などにより主，従
の回転カッタが同期状態から大きく逸脱したときには、
そのまま同期運転を開始するよりも、片方の回転カッタ
を単独運転することにより一旦同期状態をとってから、
同期運転を開始した方が偏差角の振れが少なく、安定し
た制御ができる。しかし、単に片方の回転カッタだけを
運転するようにした場合は、偏差角のメータ表示からそ
の正，負を判断し、さらに主，従いずれの回転カッタで
あるかにより、それぞれどちらの方向に回転させなけれ
ばならないかを判断する必要がある。これらの判断は実
際上オペレータにとってかなり煩しく、また間違いやす
い。

本発明は、上記問題点をも解決し、回転カッタ単独運転
による同期合せが容易に行える多連シールド掘進機のカ
ッタ同期運転装置を提供することを第２の目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

上記第１の目的を達成するために本発明は、速度指令信
号の極性の正，負により各々の回転カッタを駆動するモ
ータを正逆回転させるモータ制御回路と、同期運転され
る回転カッタの偏差角に対応した大きさと極性の信号を
出力する偏差角検出手段と、そのオン時に前記偏差角検
出手段の出力信号を前記速度指定信号に加え合される速
度補正信号として同期運転される回転カッタのうち一方
のモータ制御回路に入力する第１のスイッチと、そのオ
ン時に前記偏差角検出手段の出力信号を逆変換器により
極性反転した上で前記速度指令信号に加え合される速度
補正信号として同期運転される回転カッタのうち他方の
モータ制御回路に入力する第２のスイッチと、同期運転
しようとする回転カッタの主従関係の指定に応じて前記
第1,第２のスイッチのいずれか一方のみを選択的にオン
にする命令処理手段とを備えたことを特徴とする。

さらに上記第２の目的を達成するために本発明は、同期
合せのため単独運転しようとする回転カッタの指定に応
じて、各々のモータ制御回路への速度指定信号の入力を
停止したまま、前記第1,第２のスイッチのいずれか一方
のみを選択的にオンにする命令処理手段を備えたことを
特徴とする。

〔作用〕

同期運転しようとする回転カッタの主従関係を指定する
と、これに対応する命令処理手段からの制御命令により
第1,第２のスイッチのいずれか一方が選択的にオンにさ
れる（このとき、モータ制御回路には正転または逆転の
指令が与えられている。）カッタ軸の一方をＬ軸、他方
をＲ軸とし、第１のスイッチのオン時にはＲ軸側のモー
タ制御回路に速度補正信号が入力されるものとすると、
この速度補正信号を受けたＲ軸側のモータ制御回路はＲ
軸をＬ軸に追従して回転させるように働く。すなわち、
Ｌ軸が主、Ｒ軸が従の関係となる。これに対して、第２
のスイッチのオン時には、Ｌ軸側のモータ制御回路に速
度補正信号が入力される。この速度補正信号はＲ軸側の
モータ制御回路に入力される速度補正信号とは逆の極性
を持っているため、この速度補正信号を受けたＬ軸側の
モータ制御回路はＬ軸をＲ軸に追従して回転させるよう
に働く。すなわち、Ｒ軸が主、Ｌ軸が従の関係となる。

したがって、第1,第２のスイッチのいずれをオンにする
かにより、同期運転時の回転カッタの主従関係の切換が
できる。

また、同期合せのため単独運転しようとする回転カッタ
を指定すると、これに対応する命令処理手段からの制御
命令により第1,第２のいずれか一方が選択的にオンにさ
れる。このとき、モータ制御回路には速度指令信号が入
力されていないので、第１のスイッチのオン時には、Ｒ
軸側のモータ制御回路が第１のスイッチを介して入力さ
れる速度補正信号を速度指令信号として受け取り、偏差
角検出値が零になるまでＲ軸側カッタを単独運転する。
同様に第２のスイッチのオン時には、Ｌ軸側のモータ制
御回路が第２のスイッチを介して入力される速度補正信
号を速度指令信号として受け取り、偏差角検出値が零に
なるまでＬ軸側カッタを単独運転する。この片側カッタ
を単独運転することによる同期合せ時には、入力された
速度補正信号の極性によりモータ制御回路が自動的に回
転方向を判別してくれるので、オペレータは単独運転し
ようとする回転カッタを指定するだけでよく、そのカッ
タをどちらの方向に回転させたらよいかを判断する必要
がない。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を図面により説明する。

第２図および第３図は本発明を適用した２連シールド掘
進機の全体構造図である。外形がめがね形をしたシール
ド本体１の前面には、２基の回転カッタ２−1,2−２が
同一平面的に配置され、カッタ中心間距離は各々の回転
カッタと掘削半径より大きく、直径よりは小さく設定さ
れている。本実施例は、中心軸の両側各60゜の範囲にの
み外周掘削部を持つＸ字状の回転カッタを用い、カッタ
同士の位相角を90゜とした例である。

回転カッタ２−１は、隔壁３の後方機内に設置された後
記するモータ４−1,4−2,4−３と減速機５−1,5−2,5−
３から成る電動駆動装置により、また、回転カッタ２−
２は、同じく後記するモータ４−4,4−5,4−６と減速機
５−4,5−5,5−６から成る電動駆動装置により、それぞ
れ独立に駆動されるようになっている。また、隔壁３の
後方機内には、排土用スクリューコンベア６、シールド
ジャッキ７、エレクタ８などが設置されていて、回転カ
ッタ２−1,2−２による切羽掘削と、エレクタ８で組み
立てられたセグメン９を反力受とするシールドジャッキ
７の推進力によってトンネルの掘進を行う。

第３図は、回転カッタ２−１の回転方向も右回り、回転
カッタ２−２の回転方向を左回りとした場合、回転カッ
タ２−１のある回転位置（実線で示す）からカッタ同士
が干渉しない限界位置（２点鎖線で示す）までの偏差角
を±θ_１で示したもので、各々の回転カッタが１回転す
る間の各回転位置で求めた上記偏差角±θ_１の最小値に
ある程度の余裕を見込んでカッタ同士の許容偏差角（±
θ）を決定する。したがって、この許容偏差角以内で２
基の回転カッタを同期回転させれば、カッタ同士の干渉
は発生しない。

第１図は本発明によるカッタ同期運転装置の一実施例の
システム構成図で、本図を用いてシステムの概要を説明
する。本図は、モータ群４−1,4−2,4−３が減速機５−
1,5−2,5−３、ピニオン10−1,10−2,10−３を介して回
転カッタ２−１の中心軸（Ｌ軸）に結合され、モータ群
４−3,4−4,4−６が減速機５−4,5−5,5−６、ピニオン
10−4,10−5,10−６を介して回転カッタ２−２の中心軸
（Ｒ軸）に結合されていることを示す。

以下の説明では、回転カッタ２−１を駆動するモータ群
の中の１台４−１を親モータ、他の２台４−2,4−３を
この親モータに従属する子モータとし、同様に回転カッ
タ２−２を駆動するモータ群の中の１台４−４を親モー
タ、他の２台４−5,4−６をこの親モータに従属する子
モータとする。

本実施例では、カッタ駆動用モータとして３相かご形誘
導電動機（IM）を使用し、すべてのモータを同一極数、
同一定格としている。

モータ制御回路は、親モータ４−1,4−４の速度制御を
行う制御回路11−1,11−４と子モータ４−2,4−3,4−5,
4−６のトルク制御を行う制御回路11−2,11−3,11−5,1
1−６から成っている。

以下、各モータの制御に動的制御性能の優れたベクトル
制御を用いた場合について述べる。

制御回路11−1,11−４には、速度設定器12から同一の速
度指令が与えられる。RAはカッタ軸の正転（Ｌ軸左回
転、Ｒ軸右回転を正転と仮定する）を指令するスイッ
チ、RBはカッタ軸の逆転（Ｌ軸右回転、Ｒ軸左回転と仮
定する）を指令するスイッチであり、スイッチRAオン時
には、速度指令が正の信号として入力され、スイッチRB
オン時には、速度指令が逆変換器25により極性反転され
た負と信号として入力される。

制御回路11−１は、親モータ４−１に連結された速度発
電機（PG）13−１の出力をＦ−Ｖ変換器14−１で速度に
比例した電圧に変換し、この信号（速度検出値）と前記
速度指令信号（速度設定値）との偏差をとって速度調節
器（ASR）15−１に入力する。そして、前記Ｆ−Ｖ変換
器14−１の出力を回転角周波数を表わすパラメータと
し、前記速度調節器15−１の出力をトルク電流設定値と
して、これと磁束設定部16−１からの磁化電流設定値と
を公知のベクトル演算部17−１でベクトル合成し、２相
−３相変換して一次電流設定値とする。この一次電流設
定値と電流検出部18−１で得られた一次電流検出値との
偏差を電流調節器（ACR）19−１に入力し、電流調節器1
9−１の出力をPWM変調器20−１でパルス制御信号として
インバータ22−１に加え、整流器21−１の直流出力を可
変周波・可変電圧の交流に変換して親モータ４−１に供
給することにより、親モータ４−１の速度制御を行う。
また、この制御回路11−１は、入力された速度指令信号
の極性により回転方向を判別して３相交流の相回転を切
り換え、親モータ４−１を正逆転させる機能を有してい
る。

制御回路11−４も上記制御回路11−１と同様の構成要素
から成っており、親モータ４−４の速度制御および正逆
転制御を行う。

また、上記制御回路11−1,11−４には、それぞれ電流検
出器18−1,18−４で得られた親モータ４−1,4−４の電
流検出値からトルク電流成分を求めるための３相−２相
変換器23−1,23−４と座標変換器（VD）24−1,24−４が
設けられており、求められたトルク電流成分に相当する
信号（直流量）は、それぞれ子モータ４−2,4−３およ
び４−5,4−６に対するトルク指令として制御回路11−
2,11−３および11−5,11−６に与えられる。

本実施例では、Ｌ軸,R軸の各子モータのトルク制御もベ
クトル制御で行っている。制御回路11−2,11−３および
11−5,11−６の構成は、前記制御回路11−1,11−４から
のトルク電流成分に相当する信号をトルク指令（トルク
電流設定値）としている点以外は制御回路11−1,11−４
と同一であり、各子モータに連結された速度発電機（P
G）13−2,13−３および13−5,13−６の出力から得た回
転角周波数をパラメータとして、与えられたトルク電流
設定値と磁化電流設定値とをベクトル合成し、２相−３
相変換して一次電流設定値とすることにより、各子モー
タに流れる一次電流中のトルク電流成分がトルク電流設
定値と一致し、子モータ11−2,11−３および11−5,11−
６の発生トルクがそれぞれ親モータ11−1,11−４の発生
トルクと同一になるようにトルク制御を行う。制御回路
11−2,11−３および11−5,11−６も、トルク指定信号の
極性に応じて各モータを正逆転させる機能を有してい
る。

以上述べたモータ制御回路の構成は一例であって、これ
に限定されるものではない。

次に、本発明の核心であるＬ軸,R軸の同期化制御につい
て説明する。

本実施例では、第１図に示すように公知のシンクロ発信
機27、シンクロ制御変圧機28および信号変換器29により
偏差角検出手段26を構成している。

検出感度を良くするため、シンクロ発信機27は増速機30
−１を介してＬ軸に連結され、シンクロ制御変圧機28は
同じく増速機30−２を介してＲ軸に連結されている。普
通のようにシンクロ発信機27の回転子を交流入力で付勢
し、発進機固定子巻線をシンクロ制御変圧機28の固定子
巻線と相互接続し、変圧機回転より出力を取り出す。こ
の出力信号を信号変換器29で検波して交流入力周波数の
搬送波を除去し、さらにオフセット調整により、同期時
の出力が±0Vとなるようにしている。

第４図はL,R両側の偏差角と信号変換器29の出力信号の
関係（シンクロ系の増速比を1.62倍とした場合）を示す
図で、偏差角の正側（正転時にＲ軸がＬ軸に対する基準
位置より進んだ状態）で出力の極性が負となり、偏差角
の負側（正転時にＲ軸がＬ軸に対する基準位置より遅れ
た状態）で出力の特性が正となるようにシンクロ系の零
点を設定してある。

同期運転時には、この信号変換器29の出力信号を従とな
る方のカッタ軸の速度補正信号として用いる。本発明で
は、L,R両軸の主従関係の切換を可能とするため、第１
のスイッチRCと第２のスイッチRDを設け、Ｌ軸を主、Ｒ
軸を従とする場合は、前記信号変換器29の出力信号をそ
のまま第１のスイッチRCを介してＲ軸側のモータ制御回
路11−４に速度補正信号として入力し、Ｒ軸を主、Ｌ軸
を従とする場合は、前記信号変換器29の出力信号を逆変
換器31により極性反転した上で第２のスイッチRDを介し
てＬ軸側のモータ制御回路11−１に速度補正信号として
入力するようにしている。

第５図は同期運転時の運転モードとスイッチRA,RB,RC,R
Dのオン，オフ状態の関係を示す図表である。具体的に
は、第６図に示すように、ダイオードマトリクスまたは
シーケンサなどの命令処理手段32を用い、No.1〜No.4の
運転モードを選択する入力信号33−1,33−４に対応して
スイッチRA−RDをオン，オフ駆動する電磁コイルへの制
御信号34−１〜34−４を出力させることにより、第６図
に示すような４種類の運転モードを実現することができ
る。

たとえば、Ｌ軸を主とする同期正転を選択した場合、ス
イッチRA,RCがオン、RB,RDがオフとなるため、Ｒ軸側の
モータ制御回路11−４にスイッチRCを介して第４図に示
す速度補正信号が入力され、スイッチRAを介して入力さ
れる速度指令信号に加え合される。この場合、速度指令
信号の極性は正であるから、Ｒ軸が基準位置より進む
と、速度補正信号の極性が負になることにより、モータ
制御回路11−４はＲ軸を減速させてＬ軸に追従させるよ
うに働き、Ｒ軸が基準位置より遅れると、速度補正信号
の極性が正となることにより、モータ制御回路11−４は
Ｒ軸を増速させてＬ軸に追従させるように働く。

Ｌ軸を主とする同期逆転を選択した場合は、スイッチR
B,RCがオン、RA,RDがオフとなる。この場合、スイッチR
Bを介して入力される速度指令信号の極性は負となる
が、スイッチRCを介してＲ軸側のモータ制御回路11−４
に入力される速度補正信号も正転時とは進み、遅れの関
係が逆になるため、モータ制御回路11−４は、やはりＲ
軸が基準位置より進むとＲ軸を減速させ、Ｒ軸が基準位
置より遅れるとＲ軸を増速させてＬ軸に追従させるよう
に働く。

これに対して、Ｒ軸を主とする同期正転を選択した場合
は、スイッチRA,RDがオン、RB,RCはオフとなるため、Ｌ
軸側のモータ制御回路11−１にスイッチRDを介して第４
図に示す信号を極性反転した速度補正信号が入力され、
スイッチRAを介して入力される速度指令信号に加え合さ
れる。この場合、速度指令信号の極性は正であるから、
Ｒ軸が基準位置より進むと、速度補正信号の極性が正と
なることにより、モータ制御回路11−１はＬ軸を増速さ
せてＲ軸に追従させるように働き、Ｒ軸が基準位置より
遅れると、速度補正信号の極性が負となることにより、
モータ制御回路11−１はＬ軸を減速させてＲ軸に追従さ
せるように働く。

Ｒ軸を主とする同期逆転を選択した場合は、スイッチR
B,RDがオン,RA,RCがオフとなる。この場合、スイッチRB
を介して入力される速度指令信号の極性は負となるが、
スイッチRDを介してＬ軸側のモータ制御回路11−１に入
力される速度補正信号も正転時と進み、遅れの関係が逆
になるため、モータ制御回路11−１は、やはりＲ軸が基
準位置より進むとＬ軸を増速させ、Ｒ軸が基準位置より
遅れるとＬ軸を減速させてＲ軸に追従させるように働
く。

上記により、L,R両軸のいずれを主とする場合にも、安
定した同期運転を接続させることができる。

第７図は片方の軸の単独運転により同期合せを行う場合
の運転モードとスイッチRA〜RDのオン・オフ状態の関係
を示す図表である。具体的には、第８図に示すように、
ダイオードマトリクスまたはシーケンサなどの命令処理
手段35を用い、No.1,No.2の運転モードを選択する入力
信号36−1,36−２に対応してスイッチRA〜RDをオン，オ
フ駆動する電磁コイルへの制御信号37−１〜37−４を出
力させることにより、第７図に示すような２種類の運転
モードを実現することができる。

たとえば、Ｌ軸単独運転による同期合せを選択した場
合、スイッチRDがオン、RA,RB,RCがオフとなるため、Ｌ
軸側、Ｒ軸側共速度指令信号の入力がない状態のまま、
スイッチRDを介して第４図に示す信号を極性反転した速
度補正信号がＬ軸側のモータ制御回路11−１に入力され
る。この場合、モータ制御回路11−１は、入力された速
度補正信号を速度指令信号として受け取り、速度補正信
号の極性に応じて偏差角検出値が零になるまでＬ軸を正
転または逆転させる。

また、Ｒ軸単独運転による同期合せを選択した場合は、
スイッチRCがオン，スイッチRA,RB,RDがオフとなるた
め、Ｌ軸側、Ｒ軸側共速度指令信号の入力がない状態の
まま、スイッチRCを介して第４図に示す速度補正信号が
Ｒ軸側モータ制御回路11−４に入力される。この場合、
モータ制御回路11−４は、入力された速度補正信号を速
度指令信号として受け取り、速度補正信号の極性に応じ
て偏差角検出値が零になるまでＲ軸を正転または逆転さ
せる。

したがって、偏差角が第４図に示す通常の制御範囲より
逸脱している状態でも、斜線を付した制御不能範囲でな
い限り、Ｌ軸,R軸のいずれか片方の単独運転による同期
合せが可能である。

本発明の実施に当っては、第６図に示す命令処理手段32
と第８図に示す命令処理手段35を一体化して両方の機能
を持たせることもできる。

〔発明の効果〕

本発明によれば下記の効果が得られる。

（ｉ）主従関係の指定に応じて速度補正信号入切用の第
1,第２のスイッチを選択的にオンにする命令処理手段を
設けたことにより、同期運転時におけるカッタ軸の主従
関係の切換が容易にできるので、両軸の負荷の程度に応
じて、負荷の重い方を主、負荷の軽い方を従とすること
で、高負荷の下での同期運転の安定を図りやすい。ま
た、上記により同期運転の可能な負荷の範囲を拡げるこ
とができる。

（ii）同期合せのため単独運転しようとするカッタ軸の
指定に応じて速度補正信号入切用の第1,第２のスイッチ
を選択的にオンにする命令処理手段を付加することによ
り、カッタ軸が同期状態から大きく逸脱した場合、一旦
同期状態をとってから同期運転を開始させることができ
るので、同期運転での偏差角の振れが少なく、制御動作
をより安定化できる。また、単独運転するカッタ軸をど
ちらの方向に回転させたらよいかの判別を自動的に行わ
せることができるため、オペレータの煩しさが解消する
とともに、操作の間違いによって起こるカッタ同士の干
渉および干渉による破損を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるカッタ同期運転装置の一実施例の
システム構成図、第２図は本発明を適用した２連シール
ド掘進機の縦断面図、第３図は第２図のＡ矢視図、第４
図は第１図の実施例におけるカッタ同士の偏差角と偏差
角検出信号の関係を示す図、第５図は同期運転時の運転
モードとスイッチRA〜RDのオン，オフ状態の関係を示す
図表、第６図は第５図の機能を実現するための命令処理
手段のブロック図、第７図は同期合せ時の運転モードと
スイッチRA〜RDのオン，オフ状態の関係を示す図表、第
８図は第７図の機能を実現するための命令処理手段のブ
ロック図である。 ２−1,2−２……回転カッタ、４−１〜４−６……カッ
タ駆動用モータ、５−１〜５−６……減速機、11−１〜
11−６……モータ制御回路、12……速度設定器、26……
偏差角検出手段、31……逆変換器、32,35……命令処理
手段、RA……カッタ軸の正転を指令するスイッチ、RB…
…カッタ軸の逆転を指令するスイッチ、RC……速度補正
信号入切用の第１のスイッチ、RD……速度補正信号入切
用の第２のスイッチ。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】複数の回転カッタを、カッタ中心間距離が
   各々の回転カッタの掘削半径より大きく、直径より小で
   あるようにほぼ同一平面内に配置し、各々の回転カッタ
   をモータと減速機から成る電動駆動装置により独立に駆
   動する多連シールド掘進機において、速度指令信号の極
   性の正，負により各々の回転カッタを駆動するモータを
   正逆回転させるモータ制御回路と、同期運転されるカッ
   タ同士の偏差角に対応した大きさと極性の信号を出力す
   る偏差角検出手段と、そのオン時に前記偏差角検出手段
   の出力信号を前記速度指令信号に加え合される速度補正
   信号として同期運転される回転カッタのうち一方のモー
   タ制御回路に入力する第１のスイッチと、そのオン時に
   前記偏差角検出手段の出力信号を逆変換器により極性反
   転した上で前記速度指令信号に加え合される速度補正信
   号として同期運転される回転カッタのうち他方のモータ
   制御回路に入力する第２のスイッチと、同期運転しよう
   とする回転カッタの主従関係の指定に応じて前記第1,第
   ２のスイッチのいずれか一方のみを選択的にオンにする
   命令処理手段とを備えたことを特徴とするカッタ同期運
   転装置。
2. 【請求項２】同期合せのため単独運転しようとする回転
   カッタの指定に応じて、各々のモータ制御回路への速度
   指令信号の入力を停止したまま、前記第1,第２のスイッ
   チのいずれか一方のみを選択的にオンにする命令処理手
   段を備えたことを特徴とする請求項１記載のカッタ同期
   運転装置。