JP5371994B2 - トンネルボーリングマシン用の回転カッター - Google Patents

Description

本開示の分野は、採鉱機用のカッターである。より具体的には、本分野は、トンネルボーリングマシンのヘッド用の回転カッターである。

トンネルボーリングマシンは、数分の１メートルから数メートルの範囲の直径を有する地下トンネルを建設する。トンネルボーリングマシンおよびその操作員は、トンネルを建設するために、ボーリング、廃石材の除去、ライニング、およびトンネル内への外気管、電源および水源等のユーティリティの設置を含む複数の機能を同時に実行することができる。

典型的なトンネルボーリングマシンのボーリング機能は、機械の前端に設けられた大きな回転ヘッドによって実行される。ヘッドは、トンネル形状とほぼ同軸の軸線を中心に回転する。回転ヘッドは、前進するトンネルの面で機械の経路にある材料を徐々に除去する。トンネルの面が掘削され、デブリが除去されるにつれて、トンネルの長さが長くなり、トンネルボーリングマシンが連続的に前進して、ヘッドと面との係合を維持する。回転ヘッドに取り付けられたカッターは、ヘッドと、トンネルに収容しおよび／またはそこから搬送するための機械の後部へのコンベヤシステムとによって材料を収集および除去することができるように、面から材料を掘削する作業を実行する。ヘッドは前進し、カッターは、典型的に、油圧シリンダのシステムからの力を受けて面に押圧される。さらに、トンネル面に対するカッターの力に反応するために、トンネルの側面を押圧する手段と共に、油圧シリンダが展開される。

トンネルボーリングマシンのヘッドには種々のカッター形式が利用されている。軟質材料では、固定されたピック形式のカッターを使用することが可能である。硬岩等の硬質材料では、典型的に回転カッターが使用されている。ヘッドが回転するときに、カッターが、面のそれぞれの部分に接触することができ、面の領域にわたってほぼ等しい速度で材料に係合して除去するように、いくつかの回転カッターが、予め確立されたパターンでヘッドに取り付けられる。回転カッターは、軸受を介してシャフトに取り付けられたカッターリングを使用する。次に、シャフトがカッターヘッドに固定される。ヘッドが回転すると、カッターリングがシャフトで回転する。カッターリングは比較的鋭い。リングが、大きな圧縮力でトンネル面を押圧すると、カッターリングに隣接する岩は粉砕および剪断されて面から落下し、デブリとして収集および除去される。

これらの回転カッターの耐用年数は、トンネルボーリングマシンの作業効率において、大きな制限となり得る。カッターは、研磨による大きな摩耗環境において、大きな衝撃荷重および作用を含む非常に大きな力で面に押圧される。したがって、急速な速度でカッターリングが摩耗することがある。カッターリングは摩耗した後に交換することが可能である。しかし、カッターリングを交換するために、カッターが取り外され、新しいカッターリングが設置される間、機械を数時間停止しなければならない。時間集約的なこの再度のリング取り付け作業は、機械の掘削の全体効率または全体速度を低下させる。

さらに、カッターリングが摩耗する前に、カッターリングとシャフトとの間の軸受システムが故障し、カッター全体の早期交換を必要とすることがある。軸受システムが故障した場合、カッターリングは回転を停止する。カッターリングが回転を停止した場合、面に接触するカッターリングの部分が摺動し、その摺動接触により、カッターリングが急速に摩耗して広範囲にわたって刃が鈍ってしまい、このカッターリングは、もはや、硬い岩肌を粉砕するほど十分な圧縮力を有しない。

典型的な回転カッターの構造の一例は、１９８８年に発行されたＢｏａｒｔ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｌｉｍｉｔｅｄへの（特許文献１）に記載されている。カッターの構造の他の例は、２０００年に発行されたＥｘｃａｖａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ａｓｓｏｃｉａｔｅｓ，Ｉｎｃ．への（特許文献２）に記載されている。（特許文献１）および（特許文献２）の回転カッターに加えて、多くの異なる種類および形式の回転カッターが提案および試験されている。しかし、今日でも、カッターは、トンネルボーリングマシンおよび同様の機械の最も重要な摩耗品の１つであり、機械の掘削速度および掘削効率に対する重要な制限要因となる。

米国特許第４，７９３，４２７号明細書 米国特許第６，１３１，６７６号明細書

回転カッターの第１の実施形態の破断図である。 回転カッターの第２の実施形態の破断図である。 回転カッターの第３の実施形態の破断図である。

本発明の例示的実施形態について以下に詳細に説明する。本明細書に記載されておりかつ図面に示されている例示的実施形態が、本発明の原理を教示することが意図され、当業者が、多くの異なる環境においておよび多くの異なる用途について、本発明を製造および使用することを可能にする。例示的実施形態は、特許保護の範囲の説明を限定するものとみなされるべきではない。特許保護の範囲が、添付の特許請求の範囲によって定義されるべきであり、本明細書に記載されている特定の例示的実施形態よりも広範であることが意図される。

多くの製造業者は、円錐ころ軸受を、カッターリングとシャフトとの間の軸受システムとして使用する。（特許文献１）は、円錐ころ軸受を有する回転カッターの一例を示している。円錐ころ軸受は、トンネルボーリングマシンの、軸方向のスラスト荷重を含む高荷重に耐えることができる。しかし、円錐ころ軸受は、比較的嵩張り、カッターの利用可能な「範囲」の大部分を占める。例えば、直径全体が１７インチであるカッターについて、シャフトおよび円錐ころ軸受システムは、１７インチの直径の大きな割合を占めることがあり、カッターリングに利用可能な直径の残りはほんの僅かになる。カッターリングはカッターの摩耗材料を含み、したがって一般的に、リングが大きくなると、カッターの寿命が延びる。円錐ころ軸受は空間のこのような大部分を占めるので、カッターリングの大きさおよび摩耗材料の容積が制限され、したがって、カッターの平均寿命が制限される。

他方、特定のトンネルボーリングマシンのヘッドには、１４インチのカッターが最適であり得る。一般的に、より小さなカッターヘッドは、より大きな直径のカッターよりも集中した点荷重をトンネルの岩肌に加えることができる。したがって、ヘッドをトンネル面に押圧するために利用可能な所定の力量について、より小さなカッターは、力を集中させる能力があるので、より効率的に掘削を行うことが可能である。しかし、円錐ころ軸受を利用するため、それによって生じる制限により、１７インチの回転カッターと同じ力でトンネル面を押圧することができる１４インチの回転カッターを構成することが困難であり得る。１４インチが理想に近い場合、円錐ころ軸受を使用することにより、カッターの大きさが１７インチになる可能性がある。

他に、異なる軸受システムが提案されている。例えば、（特許文献２）は、異なる種類の軸受システムを有する回転カッター用の提案された複数の異なる構造を示している。さらに、既述したように、カッターは、改良された構造が（特許文献２）で提案されておりかつ他のものが提案されているにもかかわらず、今日でも、トンネルボーリングマシンおよび同様の機械の最も重要な摩耗品の１つであり、機械の掘削速度および掘削効率に対する重要な制限となる。カッターの構造の耐用年数を延ばすかまたはカッターの構造が、より大きな力をトンネル面に加えることを可能にするカッターの構造に対する改良は、トンネルボーリングマシンによるトンネルの掘削の経済性を著しく向上させる。

図１は、第１の実施形態による改良されたカッターの構造を有するカッターアセンブリ１００を示している。カッターアセンブリ１００はシャフト１１０とハブ１２０とカッターリング１３０とを備える。公知のように、シャフト１１０が、トンネルボーリングマシン（本図には図示せず）または同様の機械のヘッドに取り付けられることが意図される。シャフト１１０はヘッドにしっかりと固定されるので、カッターリングからの力は、ハブ１２０を介してシャフト１１０に、次に、ヘッドに伝達し戻される。シャフト１１０は、そのそれぞれの端部をカッターヘッド（図示せず）のクレードルに取り付けることができるように、カッターアセンブリ１００の両側から延在する。シャフトのそれぞれの端部の取り付けおよび支持により、片持ち梁取付構造と比較して、所定の荷重下の湾曲偏向量が最小化される。

ハブ１２０はシャフト１１０に回転可能に取り付けられる。軸受システム２００およびシールシステム３００はシャフト１１０へのハブ１２０の取り付けに役立つ。

カッターリング１３０は、岩を粉砕して掘削するために岩肌に接触する比較的鋭い周辺カッティングエッジ１３１を含む。標準的な公知の方法で、保持リング１３２によってカッターリング１３０をハブ１２０に取り付けることが可能である。カッターリング１３０は、ハブ１２０の第１の端部１２３とその反対側の第２の端部１２４との間のハブ１２０の中央に配置される。

軸受システム２００は、一般に回転カッターで従来使用されているような円錐ころ軸受の代わりに、スリーブ軸受を備える。スリーブ軸受システムは円錐ころ軸受よりもはるかに小型である。スリーブ軸受システムを使用することにより、ハブ１２０およびカッターリング１３０がカッターアセンブリ１００の全範囲または全容積の比較的大きな部分を占めることが可能になる。より大きなカッターリング１３０は、カッターアセンブリ１００が作動時における耐用年数を延ばすことを可能にし、必要とされるリングの交換回数を最小化し、トンネルボーリングマシンの全体効率または掘削速度を上げる。円錐ころ軸受は、典型的に、組立中、予荷重をかけるための正確な作動を必要とするので、円錐ころ軸受の代わりにスリーブ軸受を用いることも、組立の利点を提供する。スリーブ軸受は予荷重をかけるステップを必要としない。

軸受システム２００およびシールシステム３００は、一般に、カッターアセンブリ１００の左右に交互に配置された左右対称の同一の構成部材の組を備える。左右対称の実質的に同一の一対の構成部材が存在する場合、本明細書では便宜上、それぞれのシステムの一方の側のみを説明する。左右対称の実質的に同一の一対の構成部材が存在する場合、それらの構成部材には１つのみの参照番号が付されている。

スリーブ軸受システムは、一対の鋼裏打ち青銅スリーブ軸受２１０を備える。スリーブ軸受２１０のそれぞれは、ハブ１２０に形成された貫通ボア１２１の内部に取り付けられる。ボア１２１はハブ１２０の第１の端部１２３から第２の端部１２４に延在する。スリーブ軸受２１０を所定の位置に保持するために、組立中、スリーブ軸受２１０は、ボア１２１の内部をローラ研磨またはボール研磨され得る。さらに、ローラ研磨またはボール研磨により、有益な残留応力を軸受２１０の表面に与えることが可能になる。スリーブ軸受２１０の鋼裏打ちはハブ１２０のボア１２１に接触する。スリーブ軸受２１０の間には環状空間２０１を残すことが可能である。シャフト１１０の中心に形成された軸受面１１１はスリーブ軸受２１０の青銅面に載置する。軸受２１０を潤滑するための潤滑油を保持するために、シャフト１１０の内部の軸方向のボアにはオイルギャラリ１１２が形成される。１つ以上のプラグアセンブリ１１８を使用して、シャフト１１０の軸方向のボア内にオイルギャラリ１１２を形成し、カッターアセンブリ１００が組み立てられた後に、ギャラリ１１２に潤滑油を充填することができる。軸受２１０の周囲にオイルを循環させるために、１つ以上のオイル通路１１３がオイルギャラリ１１２から軸受面１１１に通じ得る。

一対のスラストワッシャ２２０は軸方向のスラスト荷重に反応する。スラストワッシャ２２０に載置するために、肩部１１４の一対の軸方向のスラスト面が、軸受面１１１に隣接するシャフト１１０に形成される。スラストワッシャ２２０の他方の側面は一対のリテーナ３１０に当接する。次に、それぞれのリテーナ３１０は、ボア１２１に形成された溝１２２に嵌合する保持リング３１１によって、ボア１２１の内部の所定の位置に保持される。

シールシステム３００は、カッターアセンブリ１００の内部の潤滑油をシールし、デブリが侵入しないようにするために、デュオコーンシール群を含む。シャフト１１０の一対のより小径の部分１１６の周囲には、カラー３２０を取り付けることが可能である。カラー３２０がシャフト１１０に対して回転しないことが保証されるように、シャフト１１０の非円形断面を有する部分１１６の周囲に、カラー３２０を取り付けてもよい。あるいはその代わりに、カラー３２０は、シャフト１１０のより小径の部分１１６に圧入されてもよく、作動時にカラー３２０がシャフト１１０に対して回転しないことを保証するために、クロスピンまたは他の公知のハードウェアを備えてもよい。さらに、カラー３２０は、公知のように、カッターヘッドのクレードルに取り付けるための非円形外面を有することが可能である。カラー３２０は弾性円環状要素３３１を支持し、リテーナ３１０はデュオコーンシール群３３０の弾性円環状要素３３２を支持する。次に、それぞれの円環状要素３３１、３３２は剛性シール３３３と３３４をそれぞれ付勢する。剛性シール３３３、３３４は、汚染物質が侵入しないように保ちつつ、互いに接触し、それらの間で相対回転するように配置される。シール３３３および円環体３３１は回転せず、シャフト１１０およびカラー３２０に対して固定される。シール３３４および円環体３３２は、リテーナ３１０、ハブ１２０およびカッターリング１３０と共に回転する。

円環状要素およびシール要素がシャフト１１０の中心から、スリーブ軸受２１０の半径方向の間隔よりも小さな半径方向の距離だけ間隔を空けて配置されるように、デュオコーンシール群３３０がシャフト１１０の縮径部分１１６の周囲に配置される。シャフト１１０の中心に近接するデュオコーンシールアセンブリにより、シール３３３と３３４の互いの相対速度または相対回転が最小化される。シール３３３と３３４がシャフト１１０の中心から、スリーブ軸受２１０と同じまたはそれよりも大きな半径方向の距離に配置された場合、これらのシールの互いの相対速度は増加するであろう。速度が上がるにつれて、温度が上昇する。この構造は、相対速度、言い換えれば、デュオコーンシール群３３０の温度を最小化するのに役立ち、このことは、デュオコーンシール群の寿命の最大化に寄与する。特に、弾性円環状要素３３１、３３２は熱に弱く、それらの要素を適切に機能させるためには、それらの要素の温度を最大温度よりも低く維持すべきである。汚れがシールシステム３００を介して軸受システム２００に全く侵入しないことを保証するように、弾性円環状要素３３１、３３２が適切に作動すべきである。さらに、潤滑油の大きなリザーバ１１２を有することは、作動中に潤滑油の温度を低減するのに役立ち、言い換えれば、このことは、シールシステム３００および軸受システム２００の構成部材の温度を最大レベルよりも低く維持するのに役立つ。

シャフト１１０および他の構成部材は作動時に湾曲するので、カッターアセンブリ１００のそれぞれの側面でシールシステム３００の構成部材を直接囲むオイルの圧力差が存在し得る。圧力差が大きくなりすぎた場合、オイルがシールシステム３００から噴出することがあるか、または比較的低い圧力により、材料がカッターアセンブリ１００の外部からシールシステム３００を介して引き出されることがある。この可能性の防止に役立てるために、オイルがカッターアセンブリ１００の一方の側から他方の反対側に移動して、オイルの圧力差を緩和するのを補助するように、シャフト１１０を長手方向に平坦に（シャフト１１０の回転軸の方向に）製造することが可能である。

大径の軸受面１１１と小径部分１１６との間の移行部には、シャフト１１０の移行半径領域１１７が形成される。作動時、移行半径領域１１７は大きな応力を受けることができる。製造中、移行半径領域１１７をローラ研磨またはボール研磨して、その領域に残留圧縮応力を与えることができる。シャフト１１０の表面に沿った潜在的に重要なこの領域における亀裂の形成および伝播を防止することによって、残留圧縮応力がシャフト１１０の必要な疲労寿命を維持するのに役立ち得る。

カッターアセンブリ１００の使用中におけるスリーブ軸受２１０の均一な荷重が重要である。単一の大きなスリーブ軸受の代わりに、２つのスリーブ軸受２１０を設けることは、均一な荷重の実現に寄与することが可能である。力がカッターリング１３０に加えられるとき、対応する力がシャフト１１０の中心に加えられる。シャフト１１０はその中心点を中心に湾曲および屈曲し、それぞれのスリーブ軸受２１０は別々に移動することができる。さらに、シャフトの中心径が軸受面１１１の直径および外縁よりも僅かに大きくなるように、シャフトを冠状にすることができる。シャフト１１０がカッターリング１３０の力を受けて屈曲したとき、この冠状部により、加えられた力の最も近くにあるシャフト１１０の側面が軸受面１１１の全体にわたってほぼ平坦なままであり、スリーブ軸受２１０のより均一な荷重が可能になる。

図２は、ハブ１２０の代わりにハブ１２０ａがあることを除いて、図１に示したカッターアセンブリと同様のカッターアセンブリ１００ａの実施形態を示している。ハブ１２０ａは一体のカッターリング１３０ａおよび周辺カッティングエッジ１３１ａと共に形成される。一体のハブ１２０ａおよびカッターリング１３０ａは、図１の２部品からなる構造に関するいくつかの利点を提供し得る。例えば、一体の構造は、より強い強度を許容することが可能であり、カッターアセンブリ１００ａの全体の大きさを最小化する能力を向上させ、これにより、上述したように、より大きくより集中した力をトンネル面に加えることができ得るより小さな直径のカッターアセンブリ１００ａが得られる。図２の構造により、１４インチの全体のカッターリング直径を有するカッターアセンブリ１００ａを得ることが可能であり、さらに、このカッターアセンブリは、今日、従来の１７インチのカッターと同じ荷重をトンネル面に加えることができる。

図３は、カッターアセンブリ１００ｂの他の実施形態を示している。特に、図１のカッターアセンブリ１００と図３のカッターアセンブリ１００ｂとの違いは、スラストワッシャ２２０を支持するリテーナ３１０の構造にある。図３の右側のシャフトの端部において、リテーナ３１０ｂがハブ１２０と一体的に形成されている。リテーナ３１０ｂとハブ１２０とを一体的に形成することにより、保持リング３１１および溝１２２が存在する場合に潜在的な応力点であり得る保持リングおよび溝が必要なくなる。カッターアセンブリ１００ｂの左側にはリテーナ３１０ｃがある。リテーナ３１０ｃは、相互に形成されたねじ山を介してハブ１２０に取り付けられる。また、ねじ山により、潜在的な応力点であり得る保持リング３１１および溝１２２が必要なくなる。リテーナ３１０ｃとハブ１２０との間で保持ピン３１１ｃを使用して、組立後のリテーナとハブとの相対回転を防止することが可能である。

カッターアセンブリ１００、１００ｂおよび１００ｃは、それらを使用して、井戸、トンネルの構造、または他の地下構造の岩を粉砕して除去することができるトンネルボーリングマシンおよび他の機械に関する産業上の利用可能性を有する。

Claims (7)

1. カッターリング（１３０）が一体的に形成されるかまたは取り付けられたハブ（１２０）であって、カッターリング（１３０）が、ハブ（１２０）を円周方向に囲み、ハブ（１２０）の第１の端部（１２３）と反対側の第２の端部（１２４）との間の中央に配置され、ハブ（１２０）が、ハブ（１２０）内に形成された長手方向の第１の貫通ボア（１２１）を有し、長手方向の第１の貫通ボア（１２１）が第１の端部（１２３）から第２の端部（１２４）に延在するハブ（１２０）と、
   第１のボア（１２１）の内部に配置されたシャフト（１１０）であって、ボア（１２１）のそれぞれの端部から延在し、これにより、カッターヘッドの取付構造によって、両端が支持され得るシャフト（１１０）で、
   大径軸受面と小径部を有しており、その大径軸受面と小径部とは移行半径領域によって繋がれているシャフト（１１０）と、
   シャフト（１１０）とハブ（１２０）との間の第１のボア（１２１）に配置されたスリーブ軸受（２１０）と、を備え、
   前記小径部と前記ハブ（１２０）の間、前記移行半径領域と前記ハブ（１２０）の間、の少なくとも１つに、少なくとも１つのシールアセンブリが備えられている回転カッター。
2. シャフト（１１０）の内部に形成された、潤滑油を保持するためのオイルギャラリ（１１２）、およびオイルギャラリ（１１２）とスリーブ軸受（２１０）との間に形成されたオイル通路（１１３）をさらに備える請求項１に記載の回転カッター。
3. 汚染物質がスリーブ軸受（２１０）を汚染することを防止するために、シャフト（１１０）とハブ（１２０）との間に配置された一対のデュオコーンシールアセンブリ（３００）をさらに備える請求項２に記載の回転カッター。
4. デュオコーンシールアセンブリ（３００）のそれぞれが、一対の弾性円環状要素（３３１、３３２）と、互いに接触しかつ互いに相対回転するように配置された一対の剛性シール要素（３３３、３３４）とを備え、それぞれの弾性円環状要素（３３１、３３２）が剛性シール要素（３３３、３３４）を付勢する請求項３に記載の回転カッター。
5. ハブ（１２０）に固く固定されるかまたは一体的に形成された一対のリテーナ（３１０）をさらに備え、それぞれのリテーナ（３１０）がスラストワッシャ（２２０）に当接し、次に、スラストワッシャ（２２０）が、軸方向のスラスト荷重に反応するために、シャフト（１１０）に形成された肩部（１１４）に当接する請求項４に記載の回転カッター。
6. それぞれの弾性円環状要素（３３１、３３２）がリテーナ（３１０）も付勢する請求項５に記載の回転カッター。
7. シャフト（１１０）に形成された軸方向のボアに配置されたプラグアセンブリ（１１８）をさらに備え、プラグアセンブリ（１１８）により、潤滑油がギャラリ（１１２）から漏れることが防止され、ギャラリ（１１２）に潤滑油を充填可能になる請求項２に記載の回転カッター。

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