JPH09184390A - トンネル掘削機のカッターリング構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 合金鋼製のカッターリングは機械的特性の改
良はほぼ限界に達し、また、超硬合金チップを用いたカ
ッターリングは熱応力が発生して超硬合金チップの一部
が破損することがあり、耐磨耗性が高く長寿命のカッタ
ーリングがない。 【解決手段】 カッターリングＲの山形断面を幅方向に
３分割して中央部突出リング１とその両側部の側部リン
グ２とから構成し、側部リング２を鋼リングによって形
成し、中央部突出リング１を８０〜９０重量％のＷＣと
１０〜２０重量％のＣｏからなる超硬合金リングによっ
て形成し、この中央部突出リング１と前記側部リング２
とをボルト３で連結して一体化し、一体化したカッター
リングＲの両側部の側部リング２を焼きばめ法でローラ
カッター本体Ｂに固着してカッターリングＲ全体を取付
ける。岩盤を掘削する中央部突出リング１が超硬合金で
あるため耐磨耗性が高く長寿命を発揮することができ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この出願に係る発明は、主に
岩盤を掘削するトンネル掘削機のカッターリング構造に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、主として岩盤を掘削するトンネル
掘削機としては、図７に示すように、掘削機本体５１の
前部に駆動源により回転するカッタヘッド５２が設けら
れ、このカッタヘッド５２の前面にブラケット５３を介
して回転自在に支承されたローラカッター本体Ｂにカッ
ターリング５４が取付けられたものが公知である（例え
ば実開昭５８−１６９５号公報参照）。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】このようなカッターリ
ング５４の材料として多く使用されているのは合金鋼で
ある。しかし、掘削対象となる岩盤が硬質の岩盤である
と、刃先の耐磨耗性が不足して磨耗の進行が速くなるた
め、カッターリングの交換頻度が増して掘削能率が低下
するという問題があった。この合金鋼において、耐磨耗
性向上のために成分調整や熱処理によって現状より硬度
を増加させると、靱性が著しく低下して掘削時の衝撃に
よって割れが生じる場合がある。

【０００４】一方、合金鋼の機械的特性の改良はほぼ限
界に達しており、大きな硬度上昇は望めないという背景
もある。

【０００５】そこで、極めて高い硬度レベルを有する炭
化タングステン（ＷＣ）を主成分とする、いわゆる超硬
合金をカッターリングに用いようとする提案がなされて
いる。しかし、超硬合金は通常の切削工具の刃先などの
小型部品については比較的容易に製造できるが、カッタ
ーリング全体のような大型部品については製造が困難で
あり、さらに、超硬合金は線膨張率が合金鋼に比較して
小さいため、現在のカッターリングの取付け方法として
一般に採用されている「焼ばめ法」の使用も難しいと考
えられているため、超硬合金製のカッターリングは未だ
実用化されていない。

【０００６】このような問題を解決するために上記公報
記載の考案では、図８に示すように、カッターリング５
４を、断面がほぼ山形をなす環状に形成されたカッター
リング本体５４ａと該カッターリング本体５４ａの頂部
に形成された環状溝５４ｂ内に埋設された超硬合金製チ
ップ５４ｃから構成し、この超硬合金製チップ５４ｃを
「ろう付け」によってカッターリング本体５４ａに固着
している。

【０００７】しかしながら、この「ろう付け」は、作業
時の温度上昇が大きく、超硬合金が劣化するという問題
がある。また、「ろう付け」による接合部においては強
度が低下するため、その部分が掘削時の衝撃に耐えられ
ないという問題も生じる。このことは特開昭６３−１２
２８９６号公報記載の発明のような鋳包み法で超硬合金
製チップを固着する方法であっても同様の問題がある。

【０００８】また、ろう付け等の方法で部分的に超硬合
金チップを接合したカッターリングを焼きばめ法でロー
ラカッター本体に固着しようとしても、焼きばめ時に熱
膨張率の違いによる熱応力が発生し、超硬合金の一部が
破損することがあり、この方法も実用に適さない。

【０００９】以上で明らかなように、合金鋼に代えて超
硬合金をトンネル掘削機のカッターリングとして使用す
る技術は未だ確立されていない。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、この出願に係る発明は、合金鋼より格段に優れた耐
磨耗性を有する超硬合金を岩盤を掘削するカッターリン
グの中央部に用い、その両側部に鋼リングを用いること
によって掘削時の耐磨耗性を向上させるとともにローラ
カッター本体への固着が容易に可能なようにする。ま
た、カッターリングの内周面とローラカッター本体の外
周面とに凹凸部を形成してこれらを嵌合させることによ
り、ローラカッター本体にカッターリングを容易に固着
することができるようにする。

【００１１】

【発明の実施の形態】この出願に係る発明は、トンネル
掘削機のカッタヘッドに取付けるローラカッター本体に
固着する環状でほぼ山形断面のカッターリング構造にお
いて、前記カッターリングの山形断面を幅方向に３分割
して中央部突出リングとその両側部の側部リングとから
構成し、該両側部の側部リングを鋼リングによって形成
し、中央部突出リングを８０〜９０重量％のＷＣと１０
〜２０重量％のＣｏからなる超硬合金リングによって形
成し、該中央部突出リングと前記側部リングとを連結部
材で連結して一体化し、該一体化したカッターリングの
両側部の側部リングをローラカッター本体に固着してカ
ッターリング全体を取付けたものである。

【００１２】このように、カッターリングを中央部の超
硬合金リングとその両側部の鋼リングとに３分割し、こ
れらを連結部材で一体化することによって、高強度の超
硬合金リングで地盤を容易に掘削することができ、両側
部の鋼リングによりローラカッター本体へカッターリン
グ全体を容易に固着することができる。連結部材で一体
化したカッターリングは両側部の鋼リングでローラカッ
ター本体に固着されているのでローラカッターと一体的
に転動する。

【００１３】また、トンネル掘削機のカッタヘッドに取
付けるローラカッター本体に固着する環状でほぼ山形断
面のカッターリング構造において、前記カッターリング
の山形断面を幅方向に３分割して中央部突出リングとそ
の両側部の側部リングとから構成し、該両側部の側部リ
ングを鋼リングによって形成し、中央部突出リングを８
０〜９０重量％のＷＣと１０〜２０重量％のＣｏからな
る超硬合金リングによって形成し、該中央部突出リング
の両側面に凸部又は凹部を形成し、該中央部突出リング
と接する両方の側部リングの側面に前記凸部又は凹部と
嵌合する凹部又は凸部を形成し、該側部リングの凹部又
は凸部と前記中央部突出リングの凸部又は凹部とを嵌合
させて一体化し、該一体化したカッターリングの両側部
の側部リングをローラカッター本体に固着してカッター
リング全体を取付けても、中央部の超硬合金リングで地
盤を容易に掘削することができ、両側部の鋼リングによ
りローラカッター本体へカッターリング全体を容易に固
着することができる。３分割したカッターリングは中央
部の超硬合金リングとその両側部の鋼リングとが凹凸部
によって嵌合しているため、一体的に転動する。

【００１４】さらに、これらにおいて一体化したカッタ
ーリングの両側部の側部リングを焼きばめ法又は溶接に
よってローラカッター本体に固着すれば、この両側部リ
ングが鋼リングであるのでローラカッター本体への固着
が容易にでき、しかも鋼リングでの固着であるため超硬
合金には残留応力が残らない。

【００１５】また、トンネル掘削機のカッタヘッドに取
付けるローラカッター本体に固着する環状でほぼ山形断
面のカッターリング構造において、前記カッターリング
を８０〜９０重量％のＷＣと１０〜２０重量％のＣｏか
らなる超硬合金によって形成し、前記ローラカッター本
体の外周面に凹凸部を形成し、該凹凸部に嵌合する凹凸
部を前記カッターリングの内周面に形成し、該凹凸部を
前記ローラカッター本体の凹凸部に嵌合させてカッター
リングをローラカッター本体に取付けてもよい。このよ
うにカッターリング全体を超硬合金リングによって形成
すれば、高強度の超硬合金によって地盤を容易に掘削す
ることができ、また、ローラカッター本体への固着はカ
ッターリング内周面の凹凸部とローラカッター本体外周
面の凹凸部とを嵌合させることによって容易にできる。

【００１６】さらに、これらのＷＣの一部または全部の
代わりにＴｉＣ、ＶＣ、ＴａＣまたはＣｒ₃ Ｃ₂ を使用
し、Ｃｏの一部または全部の代わりにＮｉまたはＦｅを
使用しても、耐磨耗性の高いカッタリングとなる。

【００１７】

【実施例】まず、この出願に係る発明に使用する超硬合
金を用いたトンネル掘削機のカッターリングを説明す
る。このカッターリングは、本出願人が合金鋼より格段
に優れた耐磨耗性を有する超硬合金製のトンネル掘削機
のカッターリングとして先に出願した発明である。この
発明は、図４に示すように、８６重量％ＷＣ−１４重量
％Ｃｏの組成を有する超硬合金を用いて一体として形成
したカッターリングＲと、合金鋼を用いて一体として形
成したカッターリングｒを同一のローラカッター本体Ｂ
に取り付けて実際に掘削を行った。掘削条件は、掘削距
離＝１９６．７ｍ、掘削時間＝１８３時間である。

【００１８】その結果、図５のカッターリング刃先の磨
耗状況を示す断面図に示すように、超硬合金製カッター
リングＲの刃先部Ｒａの磨耗寸法(a) は、合金鋼製カッ
ターリングｒの刃先部ｒａの磨耗寸法(b) の約１／１０
以下となり、超硬合金製カッターリングＲが耐磨耗性に
優れていることが明らかに判る。

【００１９】なお、このようなＷＣ系超硬合金は、ＷＣ
の微粉末をＣｏ，Ｎｉ，Ｆｅ等により焼結して製造する
ことができる。その特性を模式的に示せば、図６の線図
に示すように、ＷＣの量により変化する。すなわち、硬
さはＷＣの量が減少すると低下する傾向にあり、線膨張
率と衝撃値はＷＣの量が減少すると大きくなる。

【００２０】このような超硬合金のカッターリングＲを
用いたこの出願に係るトンネル掘削機のカッタリング構
造の実施例を図面に基づいて以下に説明する。

【００２１】図１は第１実施例を示す部分断面図であ
り、上述した図４に示すようなローラカッター本体Ｂに
固着する環状でほぼ山形断面のカッターリングＲを中央
部突出リング１とその両側部の側部リング２とに幅方向
を３分割しており、図示するような断面のリング３枚に
よって環状のカッターリング全体が構成されている。な
お、Ｒａは刃先部であり、Ｒｂは内周面である。

【００２２】そして、この３分割した内の両側部の２枚
の側部リング２を鋼リングによって形成し、中央部突出
リング１を８０〜９０重量％のＷＣと１０〜２０重量％
のＣｏからなる超硬合金リングによって形成している。
この中央部突出リング１には貫通孔１ａが設けられ、両
側部に設けられた側部リング２には上記貫通孔１ａと同
径の貫通孔２ａを設けるとともに、所定深さの座グリ部
２ｂが形成されている。そして、これらの貫通孔１ａ，
２ａに連結部材たるボルト３を挿入してナット４で固定
して一体化すれば、カッターリングＲとしては、中央部
が超硬合金でその両側部が鋼からなる材質で形成され
る。なお、上記ボルト３は複数本設けられており、環状
の両リング１，２を所定角度間隔で連結することによっ
て全体を一体化している。また、この例では、座グリ部
２Ｂを形成することにより、ボルト頭部３ａとナット４
をカッターリングＲ内に没入させてこれらが突出しない
ようにしている。

【００２３】このようにして一体化されたカッターリン
グＲは、鋼製の側部リング２部をローラカッター本体Ｂ
に焼きばめ法で固着することによって取付けられてい
る。このカッターリングＲの取り付けは、鋼製の部分を
焼きばめ法によってローラカッター本体Ｂへ固着するこ
ととなるため、従来の合金鋼と同様の方法によって容易
に固着することが可能となるとともに、鋼製の部分の焼
きばめであるため超硬合金に残留応力が残らないように
できる。また、ボルト３で一体化したカッターリングＲ
は両側部の鋼リングでローラカッター本体Ｂに固着され
ているのでローラカッター本体Ｂと一体的に転動するこ
ととなる。なお、この固着は後述するような溶接であっ
てもよい。

【００２４】以上のように構成された第１実施例のカッ
ターリング構造Ｍ₁ によれば、岩盤を掘削する部分は超
硬合金の中央部突出リング１であるため高強度の超硬合
金によって地盤を容易に掘削することができ、上述した
図５に示すように従来の合金鋼製のカッターリングに比
べて高寿命を発揮することが可能となる。また、カッタ
ーリングＲのローラカッター本体Ｂへの固着は鋼製の両
側部リング２であるため容易に固着することができる。

【００２５】次に、図２(a) に示す斜視図と(b) に示す
部分断面図に基づいて第２実施例を説明する。図示する
ように、この例でも上記実施例と同様に、環状でほぼ山
形断面のカッターリングＲを中央部突出リング５と側部
リング７とに幅方向を３分割しており、図示するような
断面のリング３枚によって環状のカッターリング全体が
構成されている。

【００２６】そして、この例でも３分割した２枚の側部
リング７を鋼リングによって形成し、中央部突出リング
５を８０〜９０重量％のＷＣと１０〜２０重量％のＣｏ
からなる超硬合金リングによって形成しており、この例
では、中央部突出リング５の両側面に凸部６を形成し、
この中央部突出リング５と接する両側部の側部リング７
の側面に上記凸部６と嵌合する凹部８を形成しており、
この中央部突出リング５と側部リング７とに形成した凸
部６と凹部８とを嵌合させることによってこれらを一体
化してカッターリングＲを構成している。従って、カッ
ターリングＲは、岩盤を掘削する中央部突出リング５が
超硬合金でその両側部の側部リング７が鋼製となってい
る。

【００２７】このようにして一体化されたカッターリン
グＲは、鋼製の側部リング７部をローラカッター本体Ｂ
に溶接９等の手段で固着することによって取付けられて
いる。なお、この固着は上述した焼きばめ法であっても
よい。このカッターリングＲの取り付けは、カッターリ
ングＲの鋼製の部分を鋼製のローラカッター本体Ｂに固
着することとなるため、超硬合金部分を高温加熱するこ
とによる超硬合金の劣化を防止して容易に固着すること
が可能となる。この場合には上述した第１実施例と同様
に超硬合金に残留応力を残さないようにできる。この例
でもカッターリングＲは両側部の鋼リングでローラカッ
ター本体Ｂに固着されてローラカッター本体Ｂと一体的
に転動する。

【００２８】以上のように構成されたカッターリング構
造Ｍ₂ によれば、上述した第１実施例と同様に、岩盤を
掘削する部分は超硬合金の中央部突出リング５であるた
め高強度の超硬合金によって地盤を容易に掘削すること
ができ、上述した図５に示すように従来の合金鋼製のカ
ッターリングｒに比べて高寿命を発揮することが可能と
なる。

【００２９】なお、この例では中央部突出リング５の両
側部に凸部６を形成し、側部リング７の側面にこの凸部
６と嵌合する凹部８を形成した例を説明したが、この凹
凸形状は逆の構成であっても可能であり、製作条件等に
応じて逆の構成を採用してもよい。

【００３０】また、他の例として図３の斜視図に示す第
３実施例のカッターリング構造Ｍ₃を以下に説明する
と、この例では、カッターリングＲ全体を超硬合金によ
って形成しており、ローラカッター本体Ｂ（図４参照）
の外周面に凹凸部（図示略）を形成し、この凹凸部に嵌
合する凹凸部１０をカッターリングＲの内周面Ｒｂに形
成し、このカッターリングＲをローラカッター本体Ｂへ
嵌合させることによってカッターリングＲをローラカッ
ター本体Ｂへ固着するものである。このような凹凸部１
０によって固着すれば、ローラカッター本体Ｂにカッタ
ーリングＲを固着することが容易に可能となり、超硬合
金で形成されたカッターリングＲは地盤を容易に掘削す
るとともに長寿命を発揮することができる。

【００３１】なお、上記超硬合金は、ＷＣの一部または
全部の代わりにＴｉＣ、ＶＣ、ＴａＣまたはＣｒ₃ Ｃ₂
を使用し、Ｃｏの一部または全部の代わりにＮｉまたは
Ｆｅを使用しても、耐磨耗性の高いカッタリングを構成
することが可能である。この超硬合金の材質は岩盤や掘
削距離等に応じて決定すればよい。

【００３２】

【発明の効果】この出願に係る発明は、以上説明したよ
うに構成しているので、以下に記載するような効果を奏
する。

【００３３】請求項１〜５に係るトンネル掘削機のカッ
タリング構造によれば、高強度の超硬合金によって形成
したカッターリング中央の先端部で地盤を容易に掘削す
ることができ、また耐磨耗性も高くなり掘削効率を大幅
に向上させることが可能となる。しかもローラカッター
本体への固着を容易に行える。

【００３４】特に、請求項１に係るトンネル掘削機のカ
ッタリング構造によれば、３分割したカッターリングを
連結部材で容易に一体化でき、一体化したカッターリン
グは両側部の鋼リングによってローラカッター本体へ容
易に固着することができる。

【００３５】特に、請求項２に係るトンネル掘削機のカ
ッタリング構造によれば、３分割したカッターリングの
中央部突出リングと側部リングとの側面に形成した凸部
又は凹部を嵌合させればこれらを一体化でき、一体化し
たカッターリングは両側部の鋼リングによってローラカ
ッター本体へ容易に固着することができる。

【００３６】特に、請求項３に係るトンネル掘削機のカ
ッタリング構造によれば、中央部突出リングと側部リン
グとからなるカッターリングの鋼製の側部リングを、従
来と同様の焼きばめ法又は溶接によってローラカッター
本体へ容易に固着することができる。

【００３７】特に、請求項４に係るトンネル掘削機のカ
ッタリング構造によれば、カッターリングの内周面に形
成した凹凸部とローラカッター本体外周面に形成した凹
凸部と嵌合させることによって容易に固着することがで
きる。

【００３８】特に、請求項５に係るトンネル掘削機のカ
ッタリング構造によれば、材質の一部または全部を代え
ても請求項１〜４のいずれかに記載の効果を奏すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この出願に係るカッターリング構造の第１実施
例を示す部分断面図である。

【図２】この出願に係るカッターリング構造の第２実施
例を示す図面であり、(a) は斜視図、(b) は部分断面図
である。

【図３】この出願に係るカッターリング構造の第３実施
例を示す斜視図である。

【図４】超硬合金のカッターリングをローラカッターに
装着した状態を示す一部断面した正面図である。

【図５】カッターリング刃先の磨耗状況を示す断面図で
あり、(a) は超硬合金製のものを示し、(b) は合金鋼製
のものを示す。

【図６】ＷＣ−Ｃｏ超硬合金のＷＣ量による特性の変化
を模式的に示す線図である。

【図７】従来のトンネル掘削機前部を示す断面図であ
る。

【図８】従来のローラカッターおよびカッターリングを
示す拡大断面図である。

【符号の説明】

１，５…中央部突出リング ２，７…側部リング ３…ボルト ４…ナット ６…凸部 ８…凹部 ９…溶接 １０…凹凸部 Ｒ…カッターリング Ｂ…ローラカッター本体 Ｍ₁,Ｍ₂,Ｍ₃ …カッターリング構造

フロントページの続き (72)発明者 日野 春樹 兵庫県明石市川崎町１番１号 川崎重工業 株式会社明石工場内 (72)発明者 苧野 兵衛 兵庫県明石市川崎町１番１号 川崎重工業 株式会社明石工場内 (72)発明者 岡崎 章三 兵庫県明石市川崎町１番１号 川崎重工業 株式会社明石工場内 (72)発明者 近藤 保徳 兵庫県神戸市中央区東川崎町１丁目１番３ 号 川崎重工業株式会社神戸本社内 (72)発明者 福田 有孝 兵庫県神戸市中央区東川崎町１丁目１番３ 号 川崎重工業株式会社神戸本社内

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 トンネル掘削機のカッタヘッドに取付け
   るローラカッター本体に固着する環状でほぼ山形断面の
   カッターリング構造において、 前記カッターリングの山形断面を幅方向に３分割して中
   央部突出リングとその両側部の側部リングとから構成
   し、該両側部の側部リングを鋼リングによって形成し、
   中央部突出リングを８０〜９０重量％のＷＣと１０〜２
   ０重量％のＣｏからなる超硬合金リングによって形成
   し、該中央部突出リングと前記側部リングとを連結部材
   で連結して一体化し、該一体化したカッターリングの両
   側部の側部リングをローラカッター本体に固着してカッ
   ターリング全体を取付けたことを特徴とするトンネル掘
   削機のカッターリング構造。
2. 【請求項２】 トンネル掘削機のカッタヘッドに取付け
   るローラカッター本体に固着する環状でほぼ山形断面の
   カッターリング構造において、 前記カッターリングの山形断面を幅方向に３分割して中
   央部突出リングとその両側部の側部リングとから構成
   し、該両側部の側部リングを鋼リングによって形成し、
   中央部突出リングを８０〜９０重量％のＷＣと１０〜２
   ０重量％のＣｏからなる超硬合金リングによって形成
   し、該中央部突出リングの両側面に凸部又は凹部を形成
   し、該中央部突出リングと接する両方の側部リングの側
   面に前記凸部又は凹部と嵌合する凹部又は凸部を形成
   し、該側部リングの凹部又は凸部と前記中央部突出リン
   グの凸部又は凹部とを嵌合させて一体化し、該一体化し
   たカッターリングの両側部の側部リングをローラカッタ
   ー本体に固着してカッターリング全体を取付けたことを
   特徴とするトンネル掘削機のカッターリング構造。
3. 【請求項３】 一体化したカッターリングの両側部の側
   部リングを焼きばめ法又は溶接によってローラカッター
   本体に固着したことを特徴とする請求項１又は請求項２
   記載のトンネル掘削機のカッターリング構造。
4. 【請求項４】 トンネル掘削機のカッタヘッドに取付け
   るローラカッター本体に固着する環状でほぼ山形断面の
   カッターリング構造において、 前記カッターリングを８０〜９０重量％のＷＣと１０〜
   ２０重量％のＣｏからなる超硬合金によって形成し、前
   記ローラカッター本体の外周面に凹凸部を形成し、該凹
   凸部に嵌合する凹凸部を前記カッターリングの内周面に
   形成し、該凹凸部を前記ローラカッター本体の凹凸部に
   嵌合させてカッターリングをローラカッター本体に取付
   けたことを特徴とするトンネル掘削機のカッターリング
   構造。
5. 【請求項５】 ＷＣの一部または全部の代わりにＴｉ
   Ｃ、ＶＣ、ＴａＣまたはＣｒ₃ Ｃ₂ を使用し、Ｃｏの一
   部または全部の代わりにＮｉまたはＦｅを使用すること
   を特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のトン
   ネル掘削機のカッタリング構造。