JPH11210381A

JPH11210381A - ディスクカッタ

Info

Publication number: JPH11210381A
Application number: JP1761198A
Authority: JP
Inventors: Tadao Yoshikawa; 忠男吉川
Original assignee: Hitachi Zosen Corp; Hitachi Shipbuilding and Engineering Co Ltd
Current assignee: Kanadevia Corp
Priority date: 1998-01-30
Filing date: 1998-01-30
Publication date: 1999-08-03
Anticipated expiration: 2018-01-30
Also published as: JP3297367B2

Abstract

(57)【要約】【課題】摩耗した場合でも、切れ味が急激に低下しない
ディスクカッタを提供する。【解決手段】トンネル掘削機に使用されるディスクカッ
タ１であって、円盤状本体１１の外周に形成される刃部
１２先端の断面を円形状にするとともに、その刃部１２
の表面層の硬さを内部より低くし、かつ上記外周半径が
Ｒである円盤状本体１１における半径位置が０．９Ｒ位
置での刃部１２根元における仮想断面の丸み半径ｒ′
を、刃部１２先端における半径ｒの２．１倍よりも小さ
くなるように、刃部１２の先端外周面と根元外周面とを
直線または滑らかな曲線で結んだ形状としたものであ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、トンネル掘削機に
おけるディスクカッタ、特にその形状に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】一般に、トンネル掘削機（トンネル・ボ
ーリング・マシンともいう）は、ディスクカッタが多数
取り付けられたカッタヘッドを、岩盤、硬い土質、コン
クリートなどの被破砕物に押し付けて穴を掘削するため
の機械である。

【０００３】通常、ディスクカッタは、外周に刃部が形
成された円盤状のものであり、その外周刃部を被破砕物
である岩盤に押し付けて貫入させることにより、その表
面にせん断破壊を発生させて、順次、剥離させながら破
砕を行うものであった。

【０００４】そして、従来、このディスクカッタの形状
については、その外周の刃部先端の断面が鋭角状に、す
なわち尖るように形成されたものであった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記従来のディスクカ
ッタの刃部の形状によると、その先端が鋭角状に形成さ
れたものであるため、先端が摩耗すると、刃先が平坦に
なり、その切れ味が急激に低下するという問題があっ
た。

【０００６】そこで、本発明は、ある程度摩耗した場合
でも、切れ味が急激に低下しないディスクカッタを提供
することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明のディスクカッタは、トンネル掘削機に使用
されるディスクカッタであって、円盤状本体の外周に形
成される刃部先端の断面を円形状にするとともに、その
刃部の少なくとも両側部における表面層の硬さを内部よ
り低くしたものであり、またこのディスクカッタにおい
て、外周半径がＲである円盤状本体における半径位置が
０．９Ｒ位置での刃部根元における仮想断面の丸み半径
を、刃部先端における半径の２．１倍よりも小さくなる
ように、刃部先端の外周面と根元外周面とを直線または
滑らかな曲線で結んだ形状としたものである。

【０００８】上記ディスクカッタの構成によると、ディ
スクカッタの使用により、刃部の外周が摩耗した場合で
も、刃部先端の断面は丸みを維持することができるの
で、切れ味が急激に低下することはない。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態におけ
るトンネル掘削機におけるディスクカッタを、図１〜図
１１に基づき説明する。

【００１０】図１に示すように、本実施の形態における
ディスクカッタ１は、トンネル掘削機２のカッタヘッド
３に複数個取り付けられて、例えば岩盤などの非常に硬
い地山にトンネルを掘削するために使用される。

【００１１】このディスクカッタ１は、図２に示すよう
に、円盤状本体１１の外周に形成される刃部１２の先端
部の断面が円形状にされており、またその形状は下記の
ように決定される。

【００１２】すなわち、ディスクカッタ１の外周半径を
Ｒ、刃部１２の先端部における断面の半径をｒ、摩耗し
て外周半径が０．９Ｒ（以下、Ｒ′で表わす）になった
ときの刃部１２の先端部の断面の半径をｒ′とすると、
下記（１）式を満足するような形状にされる。

【００１３】ｒ′＝（１．０〜２．１）×ｒ・・・（１）したがって、使用前である初期形状は、図３に示すよう
に、半径ｒにて表わされる先端部における外周面と半径
ｒ′にて表わされる根元部における両側面とが、直線２
１で接続されたものとなる。なお、図４に示すように、
凹状の曲線２２にて接続するようにしてもよく、また図
５に示すように、ｒ′＝ｒとなるように、平行な直線２
３にて接続した形状としてもよい。

【００１４】さらに、このディスクカッタ１の硬さにつ
いては、図６に示すように、掘削により摩耗が生じた場
合でも、常に、刃部１２の先端部断面が円形状となるよ
うに、その表面層１３の硬さが内部１４における硬さよ
りも低くされて、すなわち表面層１３の方が早く摩耗す
るように考慮されている。具体的には、焼き入れ処理に
より、上述したような硬さにされる。なお、図６におい
ては、刃部１２の先端部にも表面層１３を設けたが、初
期状態における先端部については、表面層１３を設けな
くてもよい。少なくとも、ある程度、掘削（破砕）が進
みその先端部が摩耗した状態で、その表面についても充
分摩耗して、そのときの先端部の断面形状が円形になっ
ていればよい。

【００１５】ここで、ディスクカッタ１を上述したよう
な形状にした理由について説明する。従来、ディスクカ
ッタの刃先部については、鋭角状であることが、より破
砕（掘削）に適していると考えられており、鋭角状の場
合にだけ理論的な考察がなされていた。

【００１６】しかし、本発明者は、刃部先端における断
面が、鋭角状でなく丸みを帯びた円形状である場合で
も、充分な破壊を行うことができ、逆に、切れ味の低下
が少ないディスクカッタを提供することができるのでは
ないかと考えた。

【００１７】そこで、ディスクカッタによる岩盤などの
破砕について、ヘルツの理論の適用を試みるとともに、
計算による結果と実験による結果とを比較した。以下、
その比較結果について説明する。

【００１８】まず、ヘルツの理論である接触応力の式
を、ディスクカッタと岩石の接触に適合するように変形
すると、すなわちディスクカッタの押付部の最大接触応
力（Ｐ）および貫入量（δ）は、それぞれ下記（２）式
および（３）式のようになる。

【００１９】

【数１】

【００２０】上記（２）および（３）式中の記号は、下
記の事項を表わす。Ｗ：押付力Ｅ₁：ディスクカッタ材料のヤング率Ｅ₂：岩石の割線ヤング率ｋ：形状係数（貫入量）ｑ：岩石の一軸圧縮強度Ｒ：ディスクカッタの外周半径ｒ：ディスクカッタの刃部先端の丸み半径 α：形状係数（接触圧） ν₁：ディスクカッタ材料のポアソン比 ν₂：岩石のポアソン比なお、上述したように、αおよびｋは、ディスクカッタ
の形状に関する係数で、刃部先端の丸み半径ｒとディス
クカッタの外周半径Ｒとの比から求められる。例えば、
グラフに示すと図７のようになる。なお、この半径比
（ｒ／Ｒ）としては、０．０３〜０．０７の範囲内が好
ましい。

【００２１】また、貫入量δは、図８（ａ）〜（ｃ）に
示すように、ディスクカッタ１を岩石Ｆに静的に押し付
けたときの接触楕円Ｇを形成する量を示し、この貫入量
δについては、下記の事項が分かっている。（ａ）ディスクカッタの半径Ｒが小さい程大きくなる。（ｂ）刃部先端の丸み半径ｒが小さい程大きくなる。（ｃ）押付力Ｗの２／３乗に比例する。（ｄ）岩石の割線ヤング率Ｅ₂が小さい程大きくなる。

【００２２】ここで、上記（３）式を用いて、３種類の
試料Ａ（凝灰岩），Ｂ（花崗岩），Ｃ（セメントモルタ
ル）に対し、貫入量を計算した計算結果を図９のグラフ
に示し、また実験結果を図１０のグラフに示す。

【００２３】この図９および図１０から、計算値と実験
値は、試料Ｂについてはその全域で一致しており、また
試料ＡおよびＣについては押付力の小さい範囲すなわち
２００ｋＮより小さい範囲では、よく一致している。な
お、押付力が２００ｋＮを越える場合には、その表面に
亀裂が生じ、押付力に比べて貫入量が増大するからであ
る。このことから、岩石などの被破砕物の表面に、亀裂
が生じない範囲では、ヘルツの理論が適用し得ることが
分かる。

【００２４】刃部先端が丸いディスクカッタについて
は、ヘルツの理論により押付部直下の岩石内部の一定深
さで最大せん断応力が生じるため、岩石の表面からその
せん断応力の生じる範囲の表面付近が破壊されて、せん
断応力の及ぶ深さまで亀裂が進行するものと考えられ
る。

【００２５】但し、ディスクカッタが転動する場合、接
触面積が半分になって押付力が２倍になるため、図９に
示した貫入量よりも約１．６（２^2/3）倍となる。ま
た、（３）式では、貫入量は押付力の２／３乗に比例し
て大きくなるが、岩石の表面に亀裂が発生する押付力が
限界押付力と考えられる。

【００２６】このように、ヘルツの理論の適用により、
ディスクカッタの形状および岩石の物性に応じた貫入量
の推定が可能となる。なお、ディスクカッタ材料のポア
ソン比（ν₁）は、鋼の場合を０．３とし、同じくヤン
グ率（Ｅ₁）を２．１×１０⁶ｋｇｆ／ｃｍ²とする。

【００２７】また、岩石については、その一軸圧縮強度
（ｑ）、割線ヤング率（Ｅ₂）およびポアソン比（ν₂）
は岩石の種類により変わるが、調査の結果、下記に示す
［表１］のように決めるのがよい。

【００２８】

【表１】

【００２９】ところで、コンクリートについては、その
ヤング率は、実用上、圧縮強度の１／３〜１／４を使用
限界点としたものを使用している。しかし、コンクリー
トの破砕においては、圧縮強度付近の割線ヤング率を用
いるべきであり、したがって通常のヤング率の１／２を
用いるべきと考える。

【００３０】次に、ディスクカッタの刃部先端の形状と
切れ味について考察をする。ディスクカッタの切れ味η
については、初期の貫入量（δ）に対する、摩耗後の貫
入量（δ′）の割合で表わすのがよい。

【００３１】すなわち、摩耗前における初期状態での外
周半径をＲ、摩耗後における外周半径をＲ′、初期状態
における先端の丸み半径をｒ、および摩耗後における先
端の丸み半径をｒ′とすると、切れ味η（％）は、下記
の（４）式にて表わされる。

【００３２】η＝（δ′／δ）×１００・・・（４）図１１のグラフに、摩耗限におけるディスクカッタの外
周半径Ｒ′を０．９Ｒとしたときの各半径比（ｒ′／
ｒ）に対する切れ味ηの関係を示す。

【００３３】この図１１のグラフから、摩耗限における
切れ味ηを、８０％（８０％が妥当な値と考える）以上
とした場合には、ｒ′／ｒが約２以下にする必要がある
ことがわかる。なお、この理由から、半径ｒ′は上記
（１）式を満足するように選ばれる。

【００３４】すなわち、切れ味のよいディスクカッタ
は、刃部先端の丸み半径が小さい方がよく、その使用時
においては、刃部先端が平坦にならないように、できる
だけ丸みがある状態を維持することが好ましく、したが
ってディスクカッタの内部（中心部）の硬度を高くする
ことが好ましい。

【００３５】また、ディスクカッタの形状については、
摩耗限における外周半径（Ｒ′）が初期外周半径（Ｒ）
の９０％、およびそのときの切れ味（η）が８０％以上
とするのが好ましく、したがって摩耗後の刃部先端の丸
み半径ｒ′を、摩耗前である初期状態での丸み半径ｒの
約２倍（より具体的には、２．１倍）以下となるような
形状にするのが最適である。

【００３６】また、ディスクカッタの取り替え時期につ
いては、切れ味（η）が所定値、すなわち８０％以下に
なったときに、取り替えるのがよい。例えば、η＝０．
８としたとき、ｒ＝０．０３Ｒおよびｒ＝０．０７Ｒの
場合における、ｒ′を求めると、以下のようになる。

【００３７】

【数２】

【００３８】上記（５）式を変形して取替時のｒ′を求
めると、下記（６）式のようになる。１／ｒ′＝０．５１２（１／Ｒ＋１／ｒ）−１／０．９Ｒ・・・（６）ここで、上記（６）式に具体的な初期値（ｒ）を代入す
ると、以下のようになる。（１）ｒ＝０．０３Ｒの場合には、ｒ′≒２．０ｒとな
る。（２）ｒ＝０．０７Ｒの場合には、ｒ′≒２．１ｒとな
る。

【００３９】このように、刃部先端に丸みのある場合の
押付力および貫入量を、ヘルツの理論に基づき、計算に
より求めることができるため、破砕に最も適したディス
クカッタの形状、すなわちディスクカッタの外周半径と
刃部先端の丸み半径との関係を求めることができ、さら
にディスクカッタの取替時期についても、外周半径が初
期値の８０％になったときが、大きいロスが生じず、妥
当であると考える。

【００４０】ところで、上記実施の形態においては、刃
部の表面層よりも内部（中心部）の方が硬くなるように
熱処理を行うように説明したが、例えば図１２に示すよ
うに、ディスクカッタ３１における刃部３２内に、硬度
が高い刃先部材３３を、ボルトなどの固定手段３４によ
り、取り付けるようにしたものでもよく、さらには、ろ
う付け、埋込みなどにより取り付けるようにしてもよ
い。

【００４１】

【発明の効果】以上のように本発明のディスクカッタの
構成によると、円盤状本体の外周に形成される刃部先端
の断面を円形状にするとともに、その刃部における表面
層の硬さを内部の硬さより低くしたので、ディスクカッ
タの使用により、刃部外周が摩耗した場合でも、刃部先
端の断面は丸みを維持することができ、したがって切れ
味が急激に低下するのを防止することができ、ひいては
ディスクカッタの寿命を延ばすことができる。

【００４２】また、外周半径がＲである円盤状本体にお
ける半径位置が０．９Ｒ位置での刃部根元における仮想
断面の丸み半径を、刃部先端における半径の２．１倍よ
りも小さくなるように、刃部先端の外周面と根元外周面
とを直線または滑らかな曲線で結んだ形状とすることに
より、より確実に、切れ味の低下を防止することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態におけるディスクカッタを
使用したシールド掘進機の断面図である。

【図２】本実施の形態におけるディスクカッタの正面図
である。

【図３】同ディスクカッタの要部断面図である。

【図４】同ディスクカッタの変形例を示す要部断面図で
ある。

【図５】同ディスクカッタの変形例を示す要部断面図で
ある。

【図６】同ディスクカッタの硬度を示す要部断面図であ
る。

【図７】同ディスクカッタにおける外周半径と刃部の丸
みとの比に対する形状係数を示すグラフである。

【図８】同ディスクカッタにおける貫入量を説明するた
めの図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は正面図、
（ｃ）は接触楕円の斜視図である。

【図９】同ディスクカッタにおける貫入量と押付力との
関係を計算により求めた結果を示すグラフである。

【図１０】同ディスクカッタにおける貫入量と押付力と
の関係を実験により求めた結果を示すグラフである。

【図１１】同ディスクカッタにおける半径比と切れ味と
の関係を示すグラフである。

【図１２】本発明の他の実施の形態におけるディスクカ
ッタの要部断面図である。

【符号の説明】

１ディスクカッタ１１円盤状本体１２刃部１３表面層１４内部２１直線２２曲線２３直線

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】トンネル掘削機に使用されるディスクカッ
タであって、円盤状本体の外周に形成される刃部先端の
断面を円形状にするとともに、その刃部の少なくとも両
側部における表面層の硬さを内部より低くしたことを特
徴とするトンネル掘削機におけるディスクカッタ。
【請求項２】外周半径がＲである円盤状本体における半
径位置が０．９Ｒ位置での刃部根元における仮想断面の
丸み半径を、刃部先端における半径の２．１倍よりも小
さくなるように、刃部先端の外周面と根元外周面とを直
線または滑らかな曲線で結んだ形状としたことを特徴と
する請求項１記載のディスクカッタ。