CN107407147A - 隧道掘进机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种隧道掘进机(1)，其具备数据处理装置(23)，该数据处理装置(23)基于在刀盘(11)的当前角度(θ)下取得的应变传感器(22)的当前测量值(Vp)、和在与当前角度对应的旋转角度下取得的过去的对应测量值(Vo)而取得误差数据(E_r)，并使用误差数据来修正当前的测量数据。

Description

隧道掘进机

技术领域

本发明涉及一种隧道掘进机，尤其涉及一种对刀盘等旋转部分的应变进行测量的隧道掘进机。

背景技术

以往，已知对刀盘等旋转部分的应变进行测量的隧道掘进机。例如，在实用新型公开昭和61-152097号公报中公开有这样的隧道掘进机。

在实用新型公开昭和61-152097号公报中，公开有通过安装在隧道掘进机的刀盘等旋转部分上的应变传感器来测量应变的结构。隧道掘进机通过一边使刀盘旋转，一边利用推进千斤顶的推力而前进，来进行天然地基(日语：地山)的挖掘。作用在刀盘上的力(刀具推力)一般是从千斤顶推力中减去机体部外周与天然地基的摩擦阻力等各种阻力而推定的，但实用新型公开昭和61-152097号公报通过使用应变测量值，更直接地取得刀具推力。

在掘进中，存在跨越不同种类的地层之间而进行掘进，或者遭遇埋设物或砾石的情况。掌握刀具推力对防止刀盘以及刀具驱动部的损伤、刀头(挖掘刃)的异常磨损等来说非常重要。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本实用新型公开昭和61-152097号公报

发明内容

(一)要解决的技术问题

然而，在将应变传感器安装在刀盘等旋转部分上的情况下，由于测量应变的部分自身旋转移动，因此应变测量值中会含有伴随旋转的测量误差。因此，需要一种能够更高精度地掌握作用在刀盘上的力的隧道掘进机。

本发明是为解决如上所述的问题而完成的，其一个目的在于，提供一种能够抑制伴随旋转的测量误差，并更高精度地掌握作用在刀盘上的力的隧道掘进机。

(二)技术方案

为了实现上述目的，本发明的一个方面的隧道掘进机具备：刀盘；刀具支承部，其支承刀盘，并与刀盘一同旋转；刀具驱动部，其驱动刀盘以及刀具支承部旋转；旋转角度检测部，其检测刀盘的旋转角度；应变传感器，其设置在刀盘或刀具支承部；以及数据处理部，其基于应变传感器的测量结果，而取得作用在刀盘上的力的测量数据，数据处理部构成为：基于在刀盘的当前角度下取得的应变传感器的当前测量值、和在与当前角度对应的旋转角度下取得的过去的对应测量值而取得误差数据，使用误差数据来修正当前的测量数据。

此外，“当前测量值”是不仅含有当前的旋转角度下的应变测量值，也含有视为与当前的旋转角度同等的旋转角度下的应变测量值的概念。例如，在当前测量值中，除了当前的实时的旋转角度下的应变测量值以外，也可以含有从当前起一个取样周期前的时间点下的旋转角度(相当于当前的角度测量值的前一个的前一取样数据)的应变测量值、从当前角度θ返回1度的旋转角度(θ-1度)下的应变测量值。同样地，“对应测量值”也可以不是严格与当前角度相同的旋转角度(例如一周旋转前的相同角度)下的过去的应变测量值，而是与当前角度略微偏离的旋转角度下的过去的应变测量值。

在本发明的一个方面的隧道掘进机中，如上所述，数据处理部构成为：基于在刀盘的当前角度下取得的应变传感器的当前测量值、和在与当前角度对应的旋转角度下取得的过去的对应测量值而取得误差数据，使用误差数据来修正当前的测量数据。这里，本发明人经过认真研究发现，伴随刀盘的旋转而产生的测量误差与旋转一同变化，另一方面与旋转角度相应地发生周期性的变化。因此，根据本发明，通过使用基于与当前角度对应的过去的旋转角度下的对应测量值和当前测量值而取得的误差数据来修正当前的测量数据，能够利用伴随旋转的测量误差的周期性，而有效地修正伴随旋转的误差成分。其结果为，能够抑制伴随旋转的测量误差，并更高精度地掌握作用在刀盘上的力。

在上述一个方面的隧道掘进机中，优选地，对应测量值是相对于当前角度的一周旋转量的过去的应变传感器的测量值。如果这样进行构成，则能够基于一周旋转前的最近的对应测量值取得误差数据。由此，比起使用多周旋转前的旧对应测量值的情况，能够减小当前时间点与对应测量值的取得时间点之间的状况的变化(千斤顶推力的变化、天然地基的状况的变化)的影响。其结果为，由于能够取得更高精度地反映伴随旋转的测量误差的误差数据，因此能够更高精度地修正伴随旋转的测量误差。

在上述一个方面的隧道掘进机中，优选地，数据处理部构成为：使用基准值、当前测量值以及对应测量值，来计算误差数据，其中，所述基准值是使用至少过去一周旋转的多个应变传感器的测量值而计算的。若这样构成，则能够通过使用至少过去一周旋转的测量值，来获得充分反映伴随旋转的测量误差的周期性的基准值。而且，通过评价当前的旋转角度的测量值(当前测量值以及对应测量值)相对于该基准值的差异，能够容易地取得反映伴随旋转的测量误差的误差数据。

在该情况下，优选地，基准值为当前角度的紧接在前(日语：直前)的过去一周旋转间的应变传感器的测量值的平均值。若这样构成，则通过在例如采用中间值作为基准值的情况下，相对于实际上仅考虑一周旋转的测量值中的中间值即特定旋转角度的测量值，而采用一周旋转间的测量值的平均值，能够考虑一周旋转间的测量值的全部数据。其结果为，能够取得进一步反映每个旋转角度的测量误差的误差数据。

在使用上述基准值、当前测量值、以及对应测量值来计算误差数据的结构中，优选地，数据处理部构成为：根据当前测量值以及对应测量值的平均值与基准值的差来计算误差数据。若这样构成，则能够抑制基准值与当前测量值以及对应测量值的时间上的偏差的影响。即，例如在使用紧接在前的过去一周旋转间的测量值的平均值作为基准值的情况下，基准值在时间序列上对应当前与一周旋转前的时间点的中间的时间点，相对当前产生半个周期的延迟。在该情况下，通过计算当前测量值以及对应测量值的平均值，能够计算时间序列上当前测量值以及对应测量值的中间的时间点的值。因此，由于能够抑制当前测量值以及对应测量值的平均值与基准值的时间上的偏差，因此在例如在旋转中千斤顶推力发生变化的情况下，也能够排除千斤顶推力的变化的影响，进而计算出更高精度的误差数据。

在上述一个方面的隧道掘进机中，优选地，数据处理部构成为：在从刀盘的旋转开始至少旋转一周后的旋转中，进行使用误差数据的测量数据的修正，在刀盘的旋转持续规定时间以上而停止的情况下，停止使用误差数据进行的测量数据的修正。若这样构成，则能够在获得了取得对应测量值所需的测量值后，进行使用误差数据的测量数据的修正。另外，在刀盘的旋转停止的情况下，由于基于使用了过去的旋转中的对应测量值的误差数据进行的测量数据的修正并不妥当，因此能够停止使用误差数据的测量数据的修正。另外，能够防止使用不反映当前的状况的时间上旧的数据来计算误差数据。这时，通过在刀盘的旋转经过规定时间后停止修正，能够抑制在旋转停止时测量数据的值突然变化。

(三)有益效果

根据本发明，如上所述，能够抑制伴随旋转的测量误差，并更高精度地掌握作用在刀盘上的力。

附图说明

图1是本发明第一实施方式的隧道掘进机的示意性的纵截面图。

图2是本发明第一实施方式的隧道掘进机的示意性的主视图。

图3是表示用于进行应变测量的机器的方框图。

图4是在概念性地表示当前测量值、对应测量值、以及误差数据的图。

图5是表示刀盘正旋转的情况下的数据串的图。

图6是表示刀盘逆旋转的情况下的数据串的图。

图7是本发明第一实施方式的隧道掘进机的数据处理装置的应变测量流程。

图8是本发明第一实施方式的隧道掘进机的数据处理装置的运算流程。

图9是图8的运算流程中的刀具推力的计算流程(子程序)。

图10是表示沿着图9的计算流程的数据处理装置的动作例的图。

图11是表示根据千斤顶推力求出的刀具推力的时间变化的图表。

图12是表示图11的刀具推力的测量时的刀具柱(日语：カッタコラム)的应变测量结果的图表。

图13是重叠表示图11的刀具推力和图12的应变测量结果的图表。

图14是表示图12的应变测量结果与旋转角度的关系的图表。

图15是重叠表示图11的刀具推力和误差修正后的应变测量结果的图表。

图16是表示第一实施方式的隧道掘进机的第一变形例的示意性的纵截面图(A)以及示意性的局部主视图(B)。

图17是表示第一实施方式的隧道掘进机的第二变形例的示意性的纵截面图(A)以及示意性的局部主视图(B)。

具体实施方式

以下，基于附图对本发明的实施方式进行说明。

[第一实施方式]

参照图1～图10，对本发明第一实施方式的隧道掘进机1进行说明。

(隧道掘进机的整体结构)

如图1所示，隧道掘进机1具备：构成挖掘面的刀盘11、刀具柱12以及回转台13、和刀具驱动部14。在第一实施方式中，示出了隧道掘进机1采用中间支承方式作为刀盘11的支承方式的中～大口径类的例子。在中间支承方式中，刀盘11通过在旋转轴线方向(X方向)上延伸的脚部(刀具柱12)安装在被旋转驱动的圆环状的回转台13上。回转台13通过设置在前机体15的隔壁(隔板)16上的轴承17，以能够围绕旋转轴旋转的方式被支承。刀具柱12是本发明的“刀具支承部”的一例。

此外，以下，仅对隧道掘进机1的刀盘11以及前机体15的各部分进行说明，省略对其他的后机体等的说明。

刀盘11从掘进方向观察形成为圆形(参照图2)，以围绕旋转轴线A旋转的方式构成。刀盘11在掘进方向前方(X1方向)的挖掘面上具有刀头11a。刀头11a在多个放射状的辐条部11b(参照图2)上分别安装有多个。由刀头11a削下的挖掘土通过贯通孔进入刀盘11的内部，若是土压盾构的情况则通过未图示的螺旋运输机运出。此外，若是泥水盾构的情况，则将泥水送入刀盘11与隔壁16之间的刀具室内，使挖掘土泥浆化，并使泥浆化的挖掘土从未图示的配管排出。

刀具柱12是中空筒状的梁部材(梁)，是以支承刀盘11，并且与刀盘11一同旋转的方式构成的。刀具柱12的前方(X1方向)端部安装在刀盘11的辐条部11b上，其后方(X2方向)端部安装在回转台13上。

如图2所示，刀具柱12在从旋转轴线A起在半径方向上隔开规定距离的位置上以等角度间隔配置。具体地说，在刀盘11上以45度间隔设置有八根辐条部11b。刀具柱12一个一个地在各辐条部11b上设置，总计设置有八个。因此，刀具柱12围绕旋转轴线A以45度的等角度间隔配置。刀具柱12具有棱柱形状。

回到图1，回转台13形成为圆环状，在前方(X1方向)侧支承多个(八根)刀具柱12。回转台13通过设置在前机体15的隔壁16上的轴承17，以能够围绕旋转轴线A旋转的方式被支承。

刀具驱动部14配置在隔壁16的后方(X2方向)，是以对回转台13施加驱动扭矩，使其围绕旋转轴线A旋转驱动的方式构成的。这样，刀盘11通过刀具柱12以及回转台13以能够围绕旋转轴线A旋转的方式被支承，刀盘11、刀具柱12、以及回转台13通过刀具驱动部14一体地旋转(回转)。另一方面，前机体15、隔壁16是不旋转的静止体。

隧道掘进机1具备检测刀盘11在旋转方向上的位置(旋转角度)的旋转编码器20(以下，称为编码器20)。编码器20设置在隔壁16的后方(X2方向)，提取并检测刀盘11(回转台13)的旋转角度。编码器20采用能够检测旋转角度的绝对位置的绝对型，检测从刀盘11的基准位置(例如图2所示的位置)开始的旋转角度。编码器20是本发明的“旋转角度检测部”的一例。

隧道掘进机1通过设置在前机体15上的推进千斤顶21的推进力，向掘进方向(X1方向)推进。多根推进千斤顶21构成一个组块，多个组块配列在圆筒形状的前机体15的内周的大致全周。刀具驱动部14的旋转驱动与推进千斤顶21的千斤顶推力的施加(推进)是独立控制的。

在第一实施方式中，隧道掘进机1具备用于测量作用在刀盘11上的力的应变传感器22、和取得应变传感器22的检测结果的数据处理装置(数据处理部)23。应变传感器22能够设置在刀盘11或刀具柱12上，但在第一实施方式中，示出了将应变传感器22设置在刀具柱12上的例子。

应变传感器22可以在隧道掘进机1上设置一个或多个。在第一实施方式中，如图2所示，应变传感器22分别(四处)设置在如下位置，即，在以约45度的等角度间隔配置的八根刀具柱12中，约90度间隔的四根刀具柱12(影线部)的内部。

通过这样将360度分成四部分(90度)地设置应变传感器22，即使在使刀盘11停止时，也能够获得作用在刀盘11的挖掘面上的刀具推力。此外，也可以在全部八根刀具柱上设置应变传感器。

另外，隧道掘进机1具备温度传感器25(参照图3)。温度传感器25设置在应变传感器22附近，检测应变传感器22附近的温度。温度传感器25是为了通过温度补偿来消除挖掘热对应变测量的影响而设置的。

如图1所示，各个应变传感器22与设置在刀盘11的中心部11c的内部的中继箱26连接。如图3所示，中继箱26具有应变传感器22用的放大器26a、温度传感器25用的放大器26b、通信设备26c、和电源装置26d。通信设备26c通过旋转接头27与数据处理装置23连接。通信设备26c对分别从放大器26a以及放大器26b输出的信号进行转换，作为检测信号输出至数据处理装置23。电源装置26d通过旋转接头27与外部的电源28连接。电源装置26d对放大器26a、放大器26b、以及通信设备26c进行电源的供给。

数据处理装置23是具备CPU231以及存储器232等的计算机。数据处理装置23具有基于应变传感器22的检测结果而取得作用在刀盘11上的力(刀具推力)的测量数据的功能。另外，数据处理装置23构成为：取得作用在刀盘11上的旋转轴线方向(X方向)上的力的旋转方向分布。

数据处理装置23通过旋转接头27与中继箱26连接，从中继箱26的通信设备26c取得应变传感器22的检测信号。另外，数据处理装置23从编码器20取得刀盘11在旋转方向上的位置(当前角度θ)的检测信号。数据处理装置23分别取得当前角度θ下的、四处应变传感器22的旋转轴线方向上的应变测量值。

另外，数据处理装置23从中继箱26的通信装置26c取得温度传感器25的检测信号。数据处理装置23在例如刀具柱12的温度上升到规定温度以上的情况下进行温度补偿。数据处理装置23也可以始终进行温度补偿。

如图1所示，数据处理装置23与隧道掘进机1的操作室(运转室)29的计算机、地面的监控室(未图示)的计算机连接。数据处理装置23能够输出所取得的测量数据。

(刀具推力的测量数据的取得处理的概要)

参照图4～图6，概念性地对刀具推力的测量数据的取得处理进行说明。如图4所示，在第一实施方式中，数据处理装置23基于在刀盘11的当前角度θ下取得的应变传感器22的当前测量值Vp、和在与当前角度θ对应的旋转角度下取得的过去的对应测量值Vo，而取得误差数据E_r。而且，数据处理装置23构成为：使用误差数据E_r来修正当前的测量数据F。

当前角度θ是相对于刀盘11的规定的基准旋转位置的、当前的旋转角度的测量值。当前角度θ例如在0度～359度的范围内以1度为单位取得。在使刀盘11旋转的情况下，由于当前角度θ是时间的函数，因此也可以考虑与当前时刻置换。

当前测量值Vp是与当前角度θ对应的当前的应变测量值。使用在同一时刻(同一角度)下由四个应变传感器22取得的应变测量值的平均值(传感器平均值)作为当前测量值Vp。此外，如后所述，当前测量值Vp也可以不是严格在当前角度θ下的应变测量值，而是视为与当前角度θ同等的附近的旋转角度下的应变测量值。

对应测量值Vo是与当前测量值Vp对应的过去的应变测量值，存储在存储器232中。对应测量值Vo可以采用相对于当前测量值Vp在一周旋转(360度)前或多周旋转前取得的应变测量值(传感器平均值)。在第一实施方式中，对应测量值Vo是相对于当前角度θ的一周旋转量的过去的应变传感器22的测量值。

误差数据E_r是伴随刀盘11的旋转的测量误差的数据。在隧道掘进机1的旋转部分(刀盘11以及刀具柱12等)上设置应变传感器22而进行应变测量的情况下，应变测量值含有与横轴所示的旋转角度相应地进行变动的误差成分。误差数据E_r是与该旋转角度相应地进行变动的误差成分，其具有周期性。也就是说，图4所示的一个周期(一周旋转)的应变测量值的变动在第二个周期(第二周旋转)以后也表现出同样的倾向。此外，在图4中，表示有与经过的时间成比例地增大推进千斤顶21的千斤顶推力的例子。因此，图4的应变测量值会随着时间的经过而增大。

数据处理装置23构成为：使用由至少过去一周旋转的多个测量值计算的基准值AG、当前测量值Vp以及对应测量值Vo，来计算误差数据E_r。

某一旋转角度的误差数据E_r能够作为其旋转角度下的当前测量值Vp以及对应测量值Vo的、相对于基准值AG的变化量进行评价。基准值AG使用例如在当前的当前测量值Vp与过去的对应测量值Vo之间含有的各测量值来计算。

由于误差数据E_r是伴随旋转的变动成分，因此优选地，基准值AG反映至少一周旋转的各测量值。在第一实施方式中，基准值AG是当前角度θ的紧接在前的过去一周旋转间的应变传感器22的测量值的平均值。因此，基准值AG是一周旋转的360个测量值的平均值。

在使用一周旋转的平均值作为基准值AG的情况下，基准值AG在时间序列上，汇集为从当前起半周期前(λ/2)的时间点的数据(计算范围的中间时间点的数据)。因此，在如图4那样存在千斤顶推力的变化的情况下，需要考虑半周期中的千斤顶推力的变化量DF。

因此，在第一实施方式中，数据处理装置23构成为：根据当前测量值Vp以及对应测量值Vo的平均值A_op与基准值AG的差来计算误差数据E_r。也就是说，误差数据E_r＝A_op-AG。由此，图4所示的平均值A_op与基准值AG的差作为误差数据E_r而被算出。当前测量值Vp以及对应测量值Vo位于基准值AG的计算所使用的测量值范围的两端。因此，通过使用平均值A_op，能够使基准值AG和平均值A_op的时间序列上一致，使误差不含有千斤顶推力的变化量DF而计算误差数据E_r。

假设不存在除误差数据E_r以外的测量误差，千斤顶推力直接反映为作用在刀盘11上的刀具推力，则如图4所示，当前测量值Vp所含有的误差数据与对应测量值Vo所含有的误差数据几乎相等，通过进行从当前测量值Vp中减去误差数据E_r的修正，可获得除去测量误差的测量值。由此，能够获得修正后的刀具推力的测量数据F。

然而，刀盘11的旋转有正旋转(例如顺时针方向的旋转)和逆旋转(例如逆时针方向的旋转)。因此，在图5所示的正旋转的情况下，在当前角度θ＝0度的情况下，一周旋转(一个周期)前的数据相当于0度到359度之间的数据串中后一个(θ+1)的数据(1度的数据)。另一方面，在图6所示的逆旋转的情况下，相对于当前角度θ＝0度的一周旋转(一个周期)前的数据相当于数据串中前一个(θ-1)的数据(359度的数据)。因此，作为对应测量值Vo进行参照的过去的数据根据旋转方向其参照目标会发生变化。

也可以与旋转方向相应地变更数据参照目标，但在第一实施方式中，当前测量值Vp以及对应测量值Vo的平均值A_op的计算按照下式(1)进行。

A_op＝{“测量值(θ+1)”+“测量值(θ-1)”}/2

(其中，θ＝0时θ-1＝359，θ＝359时θ+1＝0)

···(1)

“测量值(θ+1)”以及“测量值(θ-1)”分别是旋转角度(θ+1)下的测量值、旋转角度(θ-1)下的测量值。

在该情况下，在正旋转时，测量值(θ+1)相当于一周旋转前的过去的对应测量值Vo，测量值(θ-1)相当于当前测量值Vp。这时，由于当前角度θ与(θ-1)的差足够小，因此视为测量值θ≒测量值(θ-1)，将测量值(θ-1)作为当前测量值Vp。

在逆旋转时，测量值(θ+1)相当于当前测量值Vp，测量值(θ-1)相当于一周旋转前的过去的对应测量值Vo。视为测量值θ≒测量值(θ+1)，将测量值(θ+1)作为当前测量值Vp。

这样，若参照测量值(θ+1)和测量值(θ-1)，则无论旋转方向为任一方向，均能够将一方视为当前测量值Vp，将另一方视为对应测量值Vo。因此，在根据上式(1)计算平均值A_op的情况下，可以无关旋转方向而进行统一的处理。

此外，在第一实施方式中，数据处理装置23构成为：从刀盘11的旋转开始到至少旋转一周后的旋转中进行使用误差数据E_r的测量数据F的修正，在刀盘11的旋转持续规定时间以上而停止的情况下，停止使用误差数据E_r的测量数据F的修正。

旋转开始后的修正开始时机与使用的是旋转几周前的测量值作为对应测量值Vo相应地决定即可。由于在第一实施方式中使用一周旋转前的测量值作为对应测量值Vo，因此数据处理装置23在从旋转开始旋转一周后，开始使用误差数据E_r进行测量数据F的修正。

停止时的测量数据F的修正停止时机优选为修正停止前后的测量数据F的变化的影响较少的时机。因此，在第一实施方式中，在当前角度θ在一定时间内没有变化的情况下，数据处理装置23判断刀盘11被停止。而且，数据处理装置23在从判断刀盘11被停止起，停止状态持续了规定的停止待机时间的情况下，停止使用误差数据E_r的修正。之后，在刀盘11的旋转重新开始的情况下，数据处理装置23在从旋转重新开始旋转一周后，开始使用误差数据E_r的修正。

(数据处理装置的处理)

接着，参照图7～图9，对第一实施方式的隧道掘进机1的数据处理装置23进行的处理进行说明。

<测量处理>

图7所示的测量流程表示在每个规定的取样周期(例如，0.1秒)从各应变传感器22取得测量结果的处理。

数据处理装置23在图7的步骤S1中，确认是否存在传感器的异常。数据处理装置23对设置在四处刀具柱12上的各个应变传感器22以及温度传感器25的异常进行检测。

此外，以下将各刀具柱12的四个应变传感器22，分别称为应变计1～应变计4，将四个温度传感器25称为温度1～温度4。数据处理装置23在存在断线、短路等异常的情况下，作为表示各传感器状态的检测值，赋值为0，在无异常的情况下，作为检测值，赋值为1。其结果为，取得应变计1～应变计4的检测值EG1～检测值EG4、和温度1～温度4的检测值ET1～检测值ET4(分别为0或1)。

在步骤S2中，数据处理装置23取入各测量值。具体地说，从编码器20取得刀盘11的当前角度θ。另外，从应变计1～应变计4的各应变传感器22取得应变测量值G1a～G4a。当前角度θ下的应变计1～应变计4的应变测量值是在旋转方向上相位以每90度隔开的测量值。另外，从温度1～温度4的各温度传感器25取得各个应变传感器22附近的温度测量值T1a～T4a。各传感器的取样时间点的瞬时值作为测量值而取入。

在步骤S3中，数据处理装置23对所获得的测量值(应变测量值G1a～G4a以及温度测量值T1a～T4a)进行低通滤波处理，除去高频成分(干扰)。低通滤波处理是通过对测量值应用移动平均、窗函数等低通滤波函数来进行的。由此，分别取得低通滤波处理后的应变测量值G1b～G4b以及温度测量值T1b～T4b。此外，在测量值的干扰不大的情况下，也可以不进行低通滤波处理。

在步骤S4中，数据处理装置23对低通滤波处理后的应变测量值G1b～G4b使用温度测量值T1b～T4b进行温度补偿处理。温度补偿处理使用预设的温度补偿函数来进行。由此，温度补偿处理后的应变测量值作为G1c～G4c而取得。

在步骤S5中，数据处理装置23对于温度补偿处理后的各应变传感器22的应变测量值G1c～G4c，进行使各自的旋转角度的相位匹配的处理(数据的排序)，作为每个旋转角度相对于基准角度的的数据来整理。

即，数据处理装置23将本次在当前角度θ下取得的应变计1～应变计4的温度补偿处理后的各应变测量值G1c～G4c作为四个旋转角度φ的数据如下所示进行排序。

G1(φ)＝G1c

G2(φ+90)＝G2c

G3(φ+180)＝G3c

G4(φ+270)＝G4c

这里，相对于当前时间点的刀盘11的旋转角度即当前角度θ，作为与时间无关的旋转角度，可以方便地使用旋转角度φ(φ＝0度～359度)。

其结果为，若一边使刀盘11旋转一边进行测量，则在刀盘11旋转一周的情况下，在任意的旋转角度φ，记录四个应变测量值G1(φ)～G4(φ)。在考虑作为在当前时间点作用在刀盘11上的力的刀具推力的情况下，考虑在当前角度θ下取得的测量值G1c～G4c即可。在考虑每个旋转角度的作用在刀盘11上的力(力的旋转角度分布)的情况下，考虑置换为旋转角度φ的G1(φ)～G4(φ)即可。

通过在每个规定的取样周期循环上述的测量流程，依次取得每个旋转角度的应变测量值。

<运算处理>

图8所示的运算流程表示在每个规定的周期(例如，1秒)，根据应变测量值求出作用在刀盘11上的力(刀具推力)和力的旋转角度分布的处理。

数据处理装置23在图8的步骤S11中计算作用在刀盘11上的力(刀具推力)的测量数据F。刀具推力的计算处理根据图9所示的计算流程(子程序)进行。

首先，在图9的步骤S21中，数据处理装置23计算当前角度θ的测量值的传感器平均值G_ave(θ)。传感器平均值G_ave(θ)是当前时间点(当前角度θ)下所取得的四个应变传感器22的测量值G1c～G4c的平均值。

传感器平均值G_ave(θ)如下式(2)所示。

G_ave(θ)＝(G1c×EG1+G2c×EG2+G3c×EG3+G4c×EG4)/(EG1+EG2+EG3+EG4)···(2)

G_ave(θ)是应变计1～4的应变测量值中的、通过确认是否存在异常而被判断为正常的应变测量值的平均。因此，例如在图7的步骤S1中仅应变计4被判定为异常的情况下(EG4＝0)，计算除去判断为异常的应变计4的剩下三个应变测量值的平均。数据处理装置23将所获得的传感器平均值G_ave(θ)记录在存储器232中。

在步骤S22中，数据处理装置23计算当前角度θ紧接在前的一周旋转(360度)的测量值的平均值(基准值AG)，并记录在存储器232中。基准值AG如下式(3)所示。

AG＝ΣG_ave(θ)/360···(3)

在步骤S23中，数据处理装置23更新旋转计数器C1的值。旋转计数器C1用于对从开始旋转起到当前的累积旋转角度进行计数，直至达到上限值为止。旋转计数器C1是用于在旋转开始后对旋转角度进行计数以判断是否旋转了一周，并对测量数据修正的停止待机时间进行计数(倒计数)的计数器。在第一实施方式中，由共用的旋转计数器C1对这两种判定事项进行判定。

旋转计数器C1的上限值在这里设定为720(度)。在步骤S23中，上一次计算时的角度(上次角度θ_old)与本次的当前角度θ的差的绝对值|θ_old-θ|的值加到旋转计数器C1(C1＝C1+|θ_old-θ|)。在旋转计数器C1达到上限值的情况下，计数保持为上限值(720)不变。

在步骤S24中，数据处理装置23判断刀盘11的旋转角度是否存在变化。数据处理装置23在|θ_old-θ|＞0时判断为旋转角度存在变化，在|θ_old-θ|＝0时判断为角度没有变化。

在判断为刀盘11的旋转角度存在变化的情况下，数据处理装置23在步骤S25中将时间计数器C2的值重置为0(C2＝0)。而且，数据处理装置23使处理前进至步骤S29。时间计数器C2是用于在判断为刀盘11的角度没有变化的情况下，对停止持续时间进行计数，直到用于判断刀盘11处于停止状态的上限值为止的计数器。时间计数器C2的上限值在这里设定为10(秒)。

另一方面，在步骤S24中判断为刀盘11的角度没有变化的情况下，数据处理装置23在步骤S26中对时间计数器C2的值加上经过时间(C2＝C2+经过时间)。经过时间是从运算处理的上次执行时起的经过时间。这里，由于运算流程以1秒为周期，因此被加上的经过时间为1(秒)。在时间计数器C2达到上限值的情况下，计数保持为上限值(10秒)。

在步骤S27中，数据处理装置23对时间计数器C2是否为上限值(10秒)进行判断。若未达到上限值，则数据处理装置23使处理前进至步骤S29。

在达到上限值的情况下，数据处理装置23在步骤S28中，将旋转计数器C1的值仅减去规定的减算量Q(C1＝C1-Q)。在减算的结果为C1＜0的情况下，设C1＝0。

减算量Q是与从时间计数器C2达到上限值起到停止测量数据F的修正为止的停止待机时间相应地设定的。在第一实施方式中，减算量Q设定为60。旋转计数器C1以及时间计数器C2的变化与测量数据的修正的执行的具体的关系如后所述。

若对旋转计数器C1的值进行减算，则数据处理装置23使处理前进至步骤S29。在步骤S29中，数据处理装置23为了进行下一次的运算处理，将上次角度θ_old的值更新为本次的当前角度θ的值(θ_old＝θ)。

在步骤S30中，数据处理装置23计算误差数据E_r(θ)。误差数据E_r(θ)如下式(4)所示。

E_r(θ)＝{G_ave(θ-1)+G_ave(θ+1)}/2-AG

(其中，θ＝0时θ-1＝359，θ＝359时θ+1＝0)

···(4)

此外，上式(4)与上式(1)相同。在上式(4)的右边，G_ave(θ-1)以及G_ave(θ+1)中的一方与当前测量值Vp对应，另一方与对应测量值Vo对应。{G_ave(θ-1)+G_ave(θ+1)}/2是上述的平均值A_op。

接着，在步骤S31中，数据处理装置23对旋转计数器C1的值是否在修正执行阈值以上进行判断。修正执行阈值设定为与刀盘11的一周旋转对应的360(度)。

在旋转计数器C1的值不足修正执行阈值的情况下，数据处理装置23在步骤S32中计算刀具推力的测量数据F。在步骤S32中，数据处理装置23不进行使用误差数据E_r的修正，而使用传感器平均值G_ave(θ)根据下式(5)计算测量数据F。

F＝K×G_ave(θ)···(5)

K是用于将应变转换为推力(应力)的系数。

在旋转计数器C1的值为修正执行阈值以上的情况下，数据处理装置23在步骤S33中使用误差数据E_r(θ)修正刀具推力的测量数据F。数据处理装置23根据下式(6)计算测量数据F。

F＝K×{G_ave(θ)-E_r(θ)}···(6)

在步骤S32或步骤S33中若计算测量数据F，则步骤S11的刀具推力的计算处理结束。接着，返回图8的主要流程，处理前进至步骤S12。

在图8的步骤S12中，数据处理装置23对每个旋转角度φ计算作用在刀盘11上的力的旋转角度分布Fd(φ)。

某一旋转角度φ的力Fd(φ)如下式(7)所示。

Fd(φ)＝K×G_ave(φ)

G_ave(φ)＝(G1(φ)×EG1+G2(φ)×EG2+G3(φ)×EG3+G4(φ)×EG4)/(EG1+EG2+EG3+EG4)

···(7)

G_ave(φ)是图7的步骤S5中所获得的同一旋转角度φ下的应变测量值的平均。数据处理装置23通过在φ＝0～359的范围内反复计算力Fd(φ)，取得作用在刀盘11上的力的旋转方向分布。

通过在每个规定的周期循环上述的运算流程，取得各时刻(各当前角度θ)下的刀具推力的测量数据F(θ)、和每个旋转角度φ的作用在刀盘11上的力的旋转方向分布Fd(φ)。

(数据处理装置的处理动作例)

接着，参照图10，对隧道掘进机1的动作时的数据处理装置23的处理动作例进行说明。在图10中，作为用于说明的假设性的动作例，示出了刀盘11的旋转每1秒前进1度，且按照仅正旋转(从0度向359度前进的旋转)的情况下的时间序列的处理动作例。

若在时刻0(秒)开始旋转，则当前角度θ前进。在图10的例中，由于|θ_old-θ|＝1度，因此旋转计数器C1的值每1秒加上1。在旋转中(|θ_old-θ|＞0)，时间计数器C2的值被重置为0。

到旋转计数器C1到达相当于一周旋转的修正执行阈值(360)为止，不进行使用误差数据E_r的修正。也就是说，在动作开始后的第一周旋转中，根据上式(5)无误差修正地计算测量数据F。

若旋转计数器C1到达修正执行阈值(360)，则计算含有使用误差数据E_r的误差修正在内的测量数据F。也就是说，根据上式(6)，使用误差数据E_r计算测量数据F。此外，由于当前角度θ取0～359的值，因此在经过360秒后，当前角度θ回到0。

若旋转计数器C1达到上限值(720)，则即使之后旋转持续，旋转计数器C1也保持为上限值(720)不变。

之后，刀盘11的旋转在时刻T0(当前角度θ＝N度)停止。时刻T0之后，由于|θ_old-θ|＝0，因此时间计数器C2每1秒进行加算。由于旋转计数器C1不增加，因此其保持为上限值(720)不变。

在停止后10秒的时刻T10，时间计数器C2达到上限值(10)，在停止状态持续期间保持为上限值不变。由于时间计数器C2达到上限值，因此旋转计数器C1每过一个运算周期就减去减算量Q(＝60)。

即使停止状态持续，旋转计数器C1在修正执行阈值(360)以上的期间，也会根据上式(6)计算修正后的测量数据F。在时间计数器C2达到上限值起6秒后的时刻U6，C1(＝300)不足修正执行阈值(360)，使用误差数据E_r的误差修正被停止。即，在时刻U6之后，根据上式(5)无修正地计算测量数据F。

这样，旋转计数器C1的减算量Q作为从数据处理装置23判断为刀盘11停止起到使用误差数据E_r的修正停止为止的停止待机时间的长度的设定值发挥作用。在Q＝60的情况下，停止待机时间为6秒，但停止待机时间的长度(减算量Q的大小)与刀盘11的定格旋转速度等相应地进行适当设定即可。

通过每次减去减算量Q(60)，在旋转计数器C1＜0的时刻U12之后，旋转计数器C1的值维持为0。

之后，刀盘11的旋转在时刻V1再次开始。由于|θ_old-θ|＝1，因此旋转角度θ＝N+1，旋转计数器C1＝1。另外，由于角度存在变化(|θ_old-θ|＞0)，因此时间计数器C2被重置为0。

以上的动作的结果为，从旋转开始旋转一周后，在从判断为旋转停止的时间点(时刻T10)到经过停止待机时间(6秒)为止的期间(从时刻360到时刻U5为止的期间)，进行使用误差数据E_r的测量数据F的误差修正。而且，在从旋转开始旋转一周之间(从时刻0到时刻359之间)，以及，判断为旋转停止后经过了停止待机时间后(时刻U6之后)，使用误差数据E_r的误差修正停止。

(第一实施方式的效果)

在第一实施方式中，能够获得如下所述的效果。

在第一实施方式中，如上所述，数据处理装置23构成为：基于在刀盘11的当前角度θ下取得的应变传感器22的当前测量值Vp、和在与当前角度θ对应的旋转角度下取得的过去的对应测量值Vo而取得误差数据E_r，使用误差数据E_r来修正当前的测量数据F。由此，利用伴随旋转的测量误差的周期性，能够根据作用在刀盘11上的力的测量数据F来有效地修正伴随旋转的误差成分。其结果为，能够抑制伴随旋转的测量误差，并更高精度地掌握作用在刀盘11上的推力(测量数据F)。

另外，在第一实施方式中，如上所述，将对应测量值Vo设为相对于当前角度θ的一周旋转量的过去的应变传感器22的测量值。由此，能够基于一周旋转前的最近的对应测量值Vo取得误差数据E_r。因此，与使用多周旋转前的旧的对应测量值的情况相比，能够减小当前时间点与对应测量值Vo的取得时间点之间的状况的变化(千斤顶推力的变化、天然地基的状况的变化)的影响。其结果为，由于能够取得更高精度地反映伴随旋转的测量误差的误差数据E_r，因此能够更高精度地修正伴随旋转的测量误差。

另外，在第一实施方式中，如上所述，以如下方式构成数据处理装置23，即，使用由过去一周旋转的多个应变传感器的测量值而计算的基准值AG、当前测量值Vp以及对应测量值Vo，来计算误差数据E_r。由此，能够通过使用过去一周旋转的测量值，来获得充分反映伴随旋转的测量误差的周期性的基准值。而且，通过评价当前的旋转角度的测量值(当前测量值Vp以及对应测量值Vo)相对于该基准值AG的差异，能够容易地取得反映伴随旋转的测量误差的误差数据E_r。

另外，在第一实施方式中，如上所述，将基准值AG设为当前角度θ的紧接在前的过去一周旋转间的应变传感器22的测量值的平均值。由此，在例如采用中间值作为基准值AG的情况下，相对于仅考虑作为一周旋转的测量值中的中间值的特定的测量值，能够考虑一周旋转间的测量值的全部数据。其结果为，能够取得更能反映每个旋转角度的测量误差的误差数据E_r。

另外，在第一实施方式中，如上所述，以如下方式构成数据处理装置23，即，根据当前测量值Vp以及对应测量值Vo的平均值A_op与基准值AG的差来计算误差数据E_r。由此，能够使当前测量值Vp以及对应测量值Vo的平均值A_op与基准值AG的时间序列匹配。其结果为，能够排除千斤顶推力的变化等旋转中的影响，计算出更高精度的误差数据E_r。

另外，在第一实施方式中，如上所述，以如下方式构成数据处理装置23，即，在从刀盘11的旋转开始旋转一周后的旋转中进行使用误差数据E_r的测量数据F的修正，在刀盘11的旋转持续规定的停止待机时间以上而停止的情况下，停止使用误差数据E_r的测量数据F的修正。由此，能够在获得了取得对应测量值Vo所需的测量值后，进行使用误差数据E_r的测量数据F的修正。另外，即使在刀盘11的旋转停止的情况下，也能够防止使用不反映当前状况的时间上旧的数据计算误差数据E_r。另外，通过在经过停止待机时间后停止修正，能够抑制测量数据F的值在旋转停止时突然变化。

(实验结果的说明)

接着，参照图11～图15，对于对第一实施方式的隧道掘进机1进行的实证实验的结果进行说明。为了能够根据推进千斤顶21的千斤顶推力正确地求出作用在刀盘11上的刀具推力，实证实验在隧道掘进机1未进入地下的出发时进行，隧道掘进机1的自重所导致的摩擦力事先进行了测量和修正。而且，同时比较了取得的刀具柱12的应变测量值、与根据千斤顶推力获得的刀具推力。

图11表示根据千斤顶推力21而计算的刀具推力的时间变化。在测量中，使推进千斤顶21的千斤顶推力随时间变化，并使刀盘11的旋转方向在正旋转与逆旋转之间切换。图12表示由四处安装在刀具柱12上的应变传感器22获得的测量值(传感器平均值G_ave(θ))的时间变化。

图13是重叠表示由图12的应变传感器22获得的测量结果、和根据推进千斤顶21的推力计算的刀具推力(参照图11)的图表。未进行使用误差数据E_r的修正。根据图13可以看出，与根据推进千斤顶21的推力计算的刀具推力相比，在由应变传感器22获得的应变测量值中含有细微的变动。

图14是表示将图12所示的刀具柱12的应变的测量结果的横轴从时间轴置换为旋转角度(刀具位置)轴的结果的图表。一根图线是一周旋转的测量值，通过多周旋转而图示有多根图线。各图线在纵轴方向上错开是由于千斤顶推力在每个旋转周期不同。若比较各个图线，则可知在测量值中，均含有根据旋转角度的周期性的变动。由此，可知在刀具柱12的应变的测量值中含有伴随旋转的周期性的测量误差。

图15是对于图12的应变测量结果，重叠表示在上式(6)的右边使用误差数据E_r进行了修正的应变测量值(G_ave(θ)-E_r(θ))、和根据推进千斤顶21的推力计算的刀具推力(参照图11)的图表。与图13所示的修正前的应变测量值(传感器平均值G_ave(θ))比较，可以看出使用误差数据E_r修正后的应变测量值除去了周期性的变动，且高精度地与根据推进千斤顶21的推力计算的刀具推力的测量结果一致。

根据以上内容，确认了根据第一实施方式，通过使用误差数据E_r进行修正，能够抑制伴随刀盘11的旋转的测量误差，并更高精度地掌握作用在刀盘11上的刀具推力。

[第二实施方式]

接着，对本发明的第二实施方式的误差数据E_r的计算方法进行说明。在第二实施方式中，对与示出了根据上式(6)计算误差数据E_r的例子的上述第一实施方式不同的、误差数据E_r的其他的计算例进行说明。此外，在第二实施方式中，除了误差数据E_r的计算方法以外均与上述第一实施方式相同，故省略其说明。

(误差数据的计算方法)

在第二实施方式中，误差数据E_r通过下式(8)计算。

E_r(θ)＝m×E_r(θ_old)+(1-m)×[{G_ave(θ-1)+G_ave(θ+1)}/2-AG]

(其中，θ＝0时θ-1＝359，θ＝359时θ+1＝0)

···(8)

m是上次计算时的(记录为当前最新的值)误差数据E_r的加权系数，在0＜m＜1的范围内与实际的使用状况相应地进行适当的设定。

在上式(8)中，除了本次计算的误差{G_ave(θ-1)+G_ave(θ+1)}/2-AG之外，还加上上次计算的误差值E_r(θ_old)，对其分别加权。此外，在该情况下，在图9的流程中，对调步骤S29与步骤S30，在计算误差数据E_r之后更新上次角度θ_old即可。

(第二实施方式的效果)

在第二实施方式中也与上述第一实施方式同样地，通过使用基于当前测量值Vp和对应测量值Vo计算的误差数据E_r，修正当前的测量数据F，能够抑制伴随旋转的测量误差，并更高精度地掌握作用在刀盘11上的推力(测量数据F)。

另外，在第二实施方式中，如上所述，在当前角度θ下计算的误差加上上次计算的误差数据(E_r(θ_old))而计算误差数据E_r。由此，在使计算的误差数据E_r具有时间上的延迟，应变传感器22的应变测量值由于噪音等而产生了异常值的情况下等，能够缓和测量数据F的急剧的变化。

此外，本次公开的实施方式的所有点均为例示，不应被视为限制性的内容。本发明的范围不由上述的实施方式的说明表示，而是由权利要求书表示，还包含与权利要求书均等的意义以及范围内的所有变更(变形例)。

例如，在上述第一以及第二实施方式中，示出了中间支承方式的隧道掘进机的例子，但本发明不限于此。本发明的隧道掘进机也可以适用于上述的支承方式以外的外周支承方式、中央支承方式、以及偏心多轴支承方式等各种支承方式的隧道掘进机。

另外，在上述第一以及第二实施方式中，示出了在隧道掘进机1的刀具柱12上安装应变传感器22的例子，但本发明不限于此。在本发明中，也可以在刀具柱以外处安装应变传感器。

例如，图16所示的第一变形例表示采用中心轴支承方式作为刀盘11的支承方式的例子。第一变形例的隧道掘进机1a具备支承刀盘11且与刀盘11一同旋转的中心轴112。应变传感器22安装在中空圆筒状的中心轴112的内部。根据中心轴112的应变传感器22的应变测量值，来计算刀具推力的测量数据F。此外，中心轴112是本发明的“刀具支承部”的一例。

在图17所示的第二变形例中，在中心轴支承方式的隧道掘进机1a中，应变传感器22设置在作为刀盘11一部分的辐条部11b上。辐条部11b具有中空的棱筒形状。应变传感器22设置在辐条部11b的内侧面。根据辐条部11b的应变传感器22的应变测量值，来计算刀具推力的测量数据F。

此外，也可以组合第一变形例与第二变形例，在中心轴112和辐条部11b上分别设置应变传感器。应变传感器22设置在刀盘、以及与刀盘一体地旋转的刀具支承部中的任一方或两方中的、能够计算刀具推力且能够测量应变的部位上即可，应变传感器22也可以设置在刀盘以及刀具支承部中的任何部位上。

另外，在上述第一以及第二实施方式中，示出了为了能够无关旋转方向而进行统一的处理，将“测量值(θ+1)”与“测量值(θ-1)”中的一方视为当前测量值Vp，将另一方视为对应测量值Vo而计算误差数据E_r的例子，但本发明不限于此。在本发明中，也可以为，使用当前角度θ的测量值本身作为当前测量值Vp，使用当前角度θ的一周旋转前的测量值作为对应测量值Vo。

在该情况下，与旋转方向相应地切换数据的参照目标，在正旋转时，参照当前测量值Vp＝测量值(θ)，对应测量值Vo＝测量值(θ+1)。而且，在逆旋转时，参照当前测量值Vp＝测量值(θ)，对应测量值Vo＝测量值(θ-1)。

另外，在上述第一实施方式中，示出了编码器20检测回转台13的旋转角度的例子，但本发明不限于此。在本发明中，编码器也可以检测例如刀具驱动部的输出轴的旋转角度。编码器只要能够检测刀盘的旋转角度即可，也可以是检测隧道掘进机的任何部位的旋转角度的编码器。

附图标记说明

1、1a-隧道掘进机；11-刀盘；12-刀具柱(刀具支承部)；14-刀具驱动部；20-旋转编码器(旋转角度检测部)；22-应变传感器；23-数据处理装置(数据处理部)；112-中心轴(刀具支承部)；θ-当前角度；A_op-当前测量值以及对应测量值的平均值；AG-基准值；E_r-误差数据；F-测量数据；Vo-对应测量值；Vp-当前测量值。

Claims (6)

1.一种隧道掘进机，其具备：

刀盘(11)；

刀具支承部(12)，其支承所述刀盘，并与所述刀盘一同旋转；

刀具驱动部(14)，其驱动所述刀盘以及所述刀具支承部旋转；

旋转角度检测部(20)，其检测所述刀盘的旋转角度；

应变传感器(22)，其设置在所述刀盘或所述刀具支承部；

数据处理部(23)，其基于所述应变传感器的测量结果，而取得作用在所述刀盘上的力的测量数据(F)，

所述数据处理部构成为：基于在所述刀盘的当前角度(θ)下取得的所述应变传感器的当前测量值(Vp)、和在与当前角度对应的旋转角度下取得的过去的对应测量值(Vo)而取得误差数据(E_r)，使用所述误差数据来修正当前的所述测量数据。

2.根据权利要求1所述的隧道掘进机，其特征在于，所述对应测量值是相对于当前角度的一周旋转量的过去的所述应变传感器的测量值。

3.根据权利要求1所述的隧道掘进机，其特征在于，所述数据处理部构成为：使用基准值(AG)、所述当前测量值以及所述对应测量值，来计算所述误差数据，其中，所述基准值(AG)是使用至少过去一周旋转的多个所述应变传感器的测量值而计算的。

4.根据权利要求3所述的隧道掘进机，其特征在于，所述基准值是所述当前角度的紧接在前的过去一周旋转间的所述应变传感器的测量值的平均值。

5.根据权利要求3所述的隧道掘进机，其特征在于，所述数据处理部构成为：根据所述当前测量值以及所述对应测量值的平均值(A_OP)与所述基准值的差来计算所述误差数据。

6.根据权利要求1所述的隧道掘进机，其特征在于，所述数据处理部构成为：在从所述刀盘的旋转开始至少旋转一周后的旋转中，进行使用所述误差数据的所述测量数据的修正，在所述刀盘的旋转持续规定时间以上而停止的情况下，停止使用所述误差数据的所述测量数据的修正。