專利名稱：拉鏟挖土機的鏟斗索具和控制設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及了一種吊掛和控制拉鏟挖土機鏟斗的系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
拉鏟挖土機是一種大型的挖掘機械，用于裝填、運送和傾卸負(fù)載的材料，通常是土。拉鏟挖土機往往用于露天開采煤礦，以去除覆蓋在淺煤層上的無用表土。


圖1說明了一個按照先前技術(shù)的典型的大型電動拉鏟挖土機。常規(guī)的拉鏟挖土機包括一個裝在不動基礎(chǔ)2上的轉(zhuǎn)動支座1。一個向外突起的伸臂組件3可轉(zhuǎn)動地裝到轉(zhuǎn)動支座上。絞盤6、9裝在支座上，用于收回或釋放纜索或繩索。一般有兩組主要的繩索或纜索，以下稱為起吊繩索4和牽引繩索5。起吊繩索4從裝在支座上的起吊絞盤6伸出，沿著伸臂向上和向外，經(jīng)過裝在伸臂最遠(yuǎn)端的帶輪或繩輪7，向下到一個鏟斗和索具組件8。牽引繩索5從裝在支座1上的牽引絞盤9伸出，向外到鏟斗和索具組件8。鏟斗和索具組件包括鏟斗本身和“索具”，索具指用于吊掛鏟斗的鏈條、繩索、纜索和其他部件的總和。
常規(guī)的拉鏟挖土機裝有牽引移動的機械，通常是往復(fù)支座式或履帶式牽引裝置。
圖2表示了在先前技術(shù)中鏟斗和索具組件的典型部件。盡管已經(jīng)知道布局和部件名稱有各種變化，但將采用為精通該技術(shù)的人員所熟悉的以下定義牽引繩索5，用于在裝填時牽引拉鏟(一般為兩條)。
牽引鏈條10，把牽引繩索連接到鏟斗上。
起吊繩索4，用于升高和運送鏟斗(一般為兩條)。
起吊鏈條11(上起吊鏈條和下起吊鏈條)，把鏟斗連接到起吊繩索上。
擴張桿12，分開左、右起吊鏈條，以容許鏟斗位于其中。它位于上、下起吊鏈條的連接點上。
傾卸繩索13，對牽引繩索作用或釋放張力，容許鏟斗挖掘或傾卸。
傾卸滑輪14，傾卸繩索繞在上面可自由運動的一個帶輪。
傾卸鏈條15，把傾卸繩索連接到牽引鏈條前端的中間鏈條。
特殊索結(jié)16，連接起吊繩索、起吊鏈條和傾卸滑輪的三向接頭。
牽引三向接頭17，連接牽引繩索、牽引鏈條和傾卸鏈條。
均衡接頭18，均衡各種部件之間的載荷和容許從兩條起吊繩索連接到單個特殊索結(jié)。
繩索座套19，用于終接繩索和容許連接到其他部件上。
齒刃組件20，為鏟斗的前邊(切邊)。
筐21，用于運送有效負(fù)載的鏟斗主體。
弓形架22，對鏟斗提供結(jié)構(gòu)的完整性，并且提供傾卸繩索的安裝點。
傾卸索結(jié)23，傾卸繩索在弓形架上的安裝點。
牽引索結(jié)24，牽引鏈條連接到鏟斗前區(qū)的點。
起吊耳軸25，下起吊鏈條在鏟斗上的安裝點。
頂護(hù)欄26，沿鏟斗頂邊的結(jié)構(gòu)增強件。
后護(hù)欄27，沿鏟斗后區(qū)頂邊的結(jié)構(gòu)增強件。
其他有關(guān)定義為“運送角”，鏟斗底面和水平面之間的銳角。
“額定吊掛載荷”(RSL)，可以從起吊繩索吊掛的推薦的最大載荷。
“伸臂末端”，伸臂3離支座1的最遠(yuǎn)極限點。這點相應(yīng)于伸臂末端繩輪7的位置。
“伸臂末端半徑”，從支座1轉(zhuǎn)動中心到直接在伸臂末端繩輪7之下點向外度量的水平半徑。
牽引和起吊繩索可以從其相關(guān)的絞盤收回或釋放，在空中自由地移動鏟斗。轉(zhuǎn)動支座可以“旋轉(zhuǎn)”拉鏟挖土機的上部組件以及鏟斗和索具通過一個水平弧圈。
拉鏟挖土機的正常操作開始時，鏟斗自由地吊掛在地面之上的空中。然后把鏟斗下降到地面，從起吊絞盤和/或牽引絞盤釋放繩索來確定鏟斗位置。然后在牽引絞盤上收回牽引繩索來把材料裝填到鏟斗中。在某個地點，可以收回起吊繩索來從地面升高或“脫離”鏟斗。在這個操作中，在傾卸繩索中產(chǎn)生張力，通過弓形架22使鏟斗前區(qū)升高。在脫離地面后，鏟斗中保持著稱為“有效負(fù)載”的一定體積的被挖掘材料。然后收回和釋放起吊和牽引繩索以及/或者旋轉(zhuǎn)支座1，可以把鏟斗移到其傾卸地點。釋放牽引繩索來傾卸有效負(fù)載，直到傾卸繩索失去張力和容許鏟斗向前翻轉(zhuǎn)時為止。這個操作僅可以在伸臂末端繩輪之下，或接近伸臂末端繩輪之下進(jìn)行。
對于典型的大型電動拉鏟挖土機(如BE 1370W或Marion 8050)，鏟斗容量約為47立方米。鏟斗重量通常為40噸。組合的索具重量通常為20噸。這些機械的RSL約為150噸。因此，制造廠家推薦的有效負(fù)載約為90噸。
常規(guī)索具設(shè)計對拉鏟挖土機的操作有許多限制。
a)在裝填鏟斗之后，直到鏟斗足夠靠近支座1而容許在傾卸繩索中產(chǎn)生足夠張力來升高鏟斗弓形架時，才能把鏟斗脫離地面。圖3表示了如果鏟斗升高太早，有效負(fù)載的前區(qū)會丟失。這意味著鏟斗在裝填之后必須“過度牽引”到可以升高和保持足夠有效負(fù)載的地點。這增加了循環(huán)時間，增加了磨損和降低了起吊效率。
b)拉鏟挖土機的鏟斗僅可以在伸臂末端半徑確定的周邊上傾卸。這是因為在牽引繩索張力低時，即牽引繩索已充分釋放時，傾卸繩索才會松到足以降低鏟斗的前區(qū)。圖4表示了這個效果。可以有就在伸臂末端半徑之內(nèi)和之外傾卸的動態(tài)方法，但這些方法不被制造廠家推薦。
當(dāng)在運送鏟斗時，其運送角由兩個主要因素確定(i)相對于伸臂的鏟斗位置，以及(ii)傾卸繩索的長度。保持在鏟斗中的有效負(fù)載與運送角有很大關(guān)系，太淺則有效負(fù)載的前區(qū)被丟失，太陡則后區(qū)頂部被丟失。這個效果如圖5所示。
已經(jīng)作出各種建議來改進(jìn)拉鏟挖土機鏟斗在垂直平面中方位的控制，即利用兩條起吊繩索的不同控制來控制“運送角”，一條在操作上與鏟斗前區(qū)連接，另一條在操作上與鏟斗的后區(qū)連接。調(diào)節(jié)一條起吊繩索相對于另一條的位置，可以調(diào)節(jié)鏟斗的垂直方位來提供傾卸運動，而不依賴于具有上述所有缺點的傾卸繩索變松方式。在澳大利亞專利申請?zhí)?4502/89(“Beatty”)和俄國專利說明書972008和606945中已經(jīng)建議了這種類型的構(gòu)造。在Beatty和俄國‘008說明書中，鏟斗的運送角受到不同的起吊繩索運動所控制，起吊繩索被帶動經(jīng)過在一條公共軸線上并排的伸臂末端繩輪，如同在拉鏟挖土機構(gòu)造中常用的那樣。Beatty在圖7中表示了一種構(gòu)造，其中采用了一個被液壓作動筒57a沿側(cè)向壓到后起吊繩索63d上的繩輪58a，可以相對于前起吊繩索63c縮短后起吊繩索63d，把鏟斗從運送模式移到傾卸或切碎模式。
Beatty和俄國‘008均具有一個缺點，它們保留了大量的常規(guī)索具部件，如擴張桿和起吊耳軸，由于組合的重量，限制了不超過制造廠家RSL可以運送的最大有效負(fù)載。另外，以常規(guī)方式并排放置伸臂末端繩輪，由于從起吊繩索在鏟斗上安裝點相隔開而形成的在起吊繩索和鏟斗之間的三角網(wǎng)，當(dāng)鏟斗升高到接近伸臂位置時，在起吊繩索上增加了載荷。這限制了鏟斗相對于伸臂的運動自由度，也使得在牽引繩索收回或放松時，鏟斗運送角變化很大。
俄國專利說明書606945描述了一種挖土機，具有被分別連接在鏟斗前后的起吊繩索吊掛的鏟斗，其中在伸臂末端設(shè)有一個機構(gòu)，可操作來向外移動后起吊繩索的伸臂末端繩輪，縮短了后起吊繩索相對于前起吊繩索的垂直范圍，把鏟斗從挖掘或運送方位移到傾卸方位。這種構(gòu)造具有一個缺點，附加了復(fù)雜性和顯著增加了在伸臂末端的重量，這將顯著降低挖土機的RSL。當(dāng)鏟斗保持在正常運送或挖掘模式時，繩輪靠在一起，存在著與Beatty和俄國‘008相同的由于三角網(wǎng)而增加載荷的問題(參見俄國‘945的圖1)。另外，俄國‘945中建議的方法完全不適用于大型電動拉鏟挖土機，因為當(dāng)支座在其基礎(chǔ)上旋轉(zhuǎn)來進(jìn)行傾卸或其他操作時，在伸臂末端上機構(gòu)的重量將造成在伸臂上不可接受的載荷以及伸臂與支座組件的不可接受的轉(zhuǎn)動慣量。還可以確認(rèn)，俄國‘945中的機構(gòu)完全不能用于大型電動拉鏟挖土機，因為在伸臂末端上由液壓作動筒產(chǎn)生的所需力在已知的任何液壓作動筒系統(tǒng)中還沒有。
已經(jīng)多次建議采用計算機來控制各種用途拉鏟挖土機的某些操作，例如在裝料斗上精確定位傾卸位置，以便把鏟斗的負(fù)載排放到傳送帶上。在澳大利亞專利申請?zhí)?7303/77(“Mitsubishi”)和28179/84(Winders，Barlow和Morrison；“WBM”)中已經(jīng)提出了這種類型的控制。
Mitsubishi和WBM專利說明書均描述了使用計算機精確控制拉鏟挖土機從一個模式轉(zhuǎn)換到另一個模式。它們特別考慮了精確旋轉(zhuǎn)拉鏟挖土機從用于挖掘操作的方位到用于傾卸的第二方位，并且精確控制傾卸地點來保證可以把有效負(fù)載傾卸到重點地放在傳送帶上的裝料斗中，從場地上去除材料。在這個意義上，Mitsubishi和WBM均改進(jìn)了操作者的精確程度，在從一個操作模式到另一個模式的變換上采用了強制的計算機控制參數(shù)，但它們沒有用精確控制鏟斗運送角，特別是在挖掘、運送和清理模式中提高拉鏟挖土機的整個操作效率。
因此本發(fā)明的目的是提供一種拉鏟挖土機的鏟斗索具和控制設(shè)備，以簡單而有效的方式來避免或盡量減少上述的某些或全部缺點，或者至少提供一種有用的選擇。
發(fā)明概述因而，本發(fā)明的一個方面提供了拉鏟挖土機的一種索具構(gòu)形，拉鏟挖土機具有一個裝在基礎(chǔ)上的轉(zhuǎn)動支座，一個從支座向外伸出并與支座一起轉(zhuǎn)動的伸臂組件，以及一個鏟斗，由可調(diào)節(jié)的起吊繩索吊掛在伸臂上，并且由從支座伸到鏟斗的可調(diào)節(jié)牽引繩索所控制，索具構(gòu)形提供了至少兩個伸臂末端繩輪，位于或靠近伸臂組件的遠(yuǎn)端，相互隔開一個固定的距離，使得上述第一繩輪比上述第二繩輪更靠近支座，兩條起吊繩索被帶動經(jīng)過伸臂末端繩輪，上述第一條起吊繩索被帶動經(jīng)過第一繩輪，向下伸出并在操作上與鏟斗的前區(qū)連接，上述第二條起吊繩索被帶動經(jīng)過第二繩輪，向下伸出并在操作上與鏟斗的后區(qū)連接，以及至少一條牽引繩索從支座伸出并在操作上與鏟斗的前區(qū)連接。
最好第一和第二繩輪隔開一個固定的距離，相似于第一和第二起吊繩索與鏟斗連接點的間隔。
最好是，第一和第二繩輪基本上位于同一垂直面內(nèi)。
在另一個方面，本發(fā)明提供了一種拉鏟挖土機，具有以上“發(fā)明概述”中描述的索具構(gòu)形，還結(jié)合了對起吊繩索釋放和收回的不同控制，設(shè)置成使得上述一條起吊繩索的長度可以相對于另一條進(jìn)行調(diào)節(jié)，以控制鏟斗在垂直面內(nèi)的傾斜角。
在又一個方面，本發(fā)明為這種類型的拉鏟挖土機提供了一個控制系統(tǒng)，這種拉鏟挖土機具有一個裝在基礎(chǔ)上的轉(zhuǎn)動支座，一個從支座向外伸出并與支座一起轉(zhuǎn)動的伸臂組件，以及一個鏟斗，由可調(diào)節(jié)的起吊繩索吊掛在伸臂上，并且由從支座伸到鏟斗的可調(diào)節(jié)牽引繩索所控制，至少有兩條可調(diào)節(jié)的起吊繩索，第一條在操作上與鏟斗的前區(qū)連接，第二條在操作上與鏟斗的后區(qū)連接，每條起吊繩索由起吊裝置起動，設(shè)置成以一條起吊繩索相對于另一條的不同運動來改變鏟斗在垂直面內(nèi)的傾斜角，通過起吊裝置，控制系統(tǒng)采用計算機來控制第一和第二起吊繩索的相對運動，對于操作者選擇的拉鏟挖土機操作模式，保持鏟斗位于所希望的傾斜角上。
最好是，在一個或幾個選擇的操作模式中，計算機連續(xù)地通過這個模式控制所希望的操作角。
最好是，計算機用于限制起吊裝置可以采用的動態(tài)轉(zhuǎn)換速率。
最好是，控制系統(tǒng)被設(shè)置成容許操作者在預(yù)設(shè)的安全操作參數(shù)范圍內(nèi)控制鏟斗相對于伸臂組件和支座的運動。
最好是，由操作者選擇的拉鏟挖土機操作模式可以包括切碎、挖掘、脫離、運送、傾卸和清理模式中的任意一個或幾個。
附圖簡述雖然任何其他形式可能在其范圍之內(nèi)，現(xiàn)在將參照附圖描述本發(fā)明的一個優(yōu)選形式，其中圖1說明了一個常規(guī)拉鏟挖土機。
圖2說明了一個鏟斗和索具組件的常規(guī)部件。
圖3說明了常規(guī)拉鏟挖土機的缺點。
圖4說明了在伸臂末端半徑上傾卸的常規(guī)拉鏟挖土機。
圖5A-C說明了在最佳運送角、淺運送角和陡運送角位置上的鏟斗。
圖6A-B說明了常規(guī)的索具構(gòu)形和按照本發(fā)明實施例的索具構(gòu)形。
圖7A-B說明了常規(guī)的伸臂末端繩輪和按照本發(fā)明實施例的伸臂末端繩輪。
圖8和8A說明了按照本發(fā)明實施例的中央控制系統(tǒng)的變化方式。
圖8B說明了在中央控制系統(tǒng)和操作者控制下的操作程序。
圖9說明了各種操作模式。
圖10和11分別說明了按照本發(fā)明實施例的前傾卸和后傾卸的鏟斗。
圖12和13說明了具有連接到鏟斗后區(qū)的后起吊繩索的鏟斗。
圖14說明了本發(fā)明實施例和常規(guī)并排伸臂末端繩輪的合力作用線。
圖15說明了由于本發(fā)明實施例使外伸距離增加。
最佳實施方式本發(fā)明包括一個系統(tǒng)，依靠從兩條起吊繩索31和32直接吊掛鏟斗30(圖6B)來控制鏟斗的運送角。第一起吊繩索31與鏟斗的前區(qū)連接。對于常規(guī)的鏟斗，連接點33可以在弓形架22上，位于或靠近通常傾卸繩索的索結(jié)點(如圖6A所示)?？梢圆捎眠B接到鏟斗前區(qū)的其他方法，包括直接與鏟斗前區(qū)連接的中間纜索、繩索或鏈條。第二起吊繩索32直接連接到鏟斗的后護(hù)欄27上。也可以采用中間鏈條和繩索來直接連接到鏟斗的任意后面點上，而不采用沉重的索具，如起吊鏈條11、擴張桿12、或起吊耳軸25(圖6A)。
相對于另一條繩索，不同縮短和伸長一條繩索可以改變鏟斗的運送角。直接把起吊繩索連接到鏟斗上，可以消除許多常規(guī)的索具部件。這些部件的重量可以被鏟斗有效負(fù)載的增加所替代，而不超出拉鏟挖土機的RSL。這是對澳大利亞專利說明書34502/89，38089/78和28179/84所述系統(tǒng)的改進(jìn)，它們把后起吊繩索連接到常規(guī)的起吊耳軸上，因而需要采用常規(guī)的起吊鏈條、擴張桿、起吊耳軸和相應(yīng)的擋板。
本發(fā)明的另一方面是重新確定了常規(guī)伸臂末端繩輪的位置，使得盡量減小當(dāng)鏟斗靠近伸臂和/或伸臂末端繩輪時鏟斗的扭轉(zhuǎn)和過度的繩索載荷。圖7A表示了伸臂末端繩輪的常規(guī)的并排設(shè)置，而圖7B表示了按照本發(fā)明如何重新定位兩個繩輪相隔一個固定的距離，以一個在另一個之后的方式替代了并排方式來達(dá)到這個目的。最好是隔開兩個繩輪的距離，相似于或者最好近似等于第一和第二起吊繩索與鏟斗操作上連接點的間隔。第一繩輪34比第二繩輪36更靠近支座35，第二繩輪36位于伸臂37的極端或遠(yuǎn)端。第一起吊繩索31被帶動經(jīng)過第一繩輪34，向下伸出并在操作上與鏟斗的前區(qū)連接，如先前參照圖6B所述。第二起吊繩索32被帶動經(jīng)過第一繩輪36，向下伸出并在操作上與鏟斗30的后區(qū)連接。
最好是，雖然不是必須的，第一和第二繩輪每個具有一個中面，從繩輪的中點垂直于繩輪轉(zhuǎn)動軸線延伸，以及第一和第二繩輪的中面基本上位于公共的垂直面中。定位兩個繩輪在同一垂直面中，自動地把鏟斗30的中線與伸臂的中線對準(zhǔn)，而兩個伸臂末端繩輪34和36的間隔使鏟斗在操作時免受扭轉(zhuǎn)或擺動。
如圖7B所示，把伸臂末端繩輪分開的另外一個優(yōu)點是消除或減小了在兩條起吊繩索31和32以及鏟斗之間的“三角網(wǎng)”，三角網(wǎng)是由于并排定位伸臂末端繩輪所造成，在圖7A的38上可以清楚地看到。如圖7A中看出，當(dāng)鏟斗接近伸臂時，三角網(wǎng)引起前起吊繩索中載荷的明顯增加，這將造成起吊繩索的過載而降低繩索壽命，或者減少在鏟斗內(nèi)能夠運送的有效負(fù)載。
把伸臂末端繩輪重新定位成一個在另一個之后的一條直線上，其另一個優(yōu)點是增加了在切碎或傾卸模式中拉鏟挖土機的有效外伸距離。由于對總起吊載荷保持了相同的合力作用線，在伸臂上的載荷與常規(guī)的并排構(gòu)形相比沒有改變。圖14B表示了按照本發(fā)明的構(gòu)形，當(dāng)運送滿的有效負(fù)載時，起吊載荷的合力作用線39與伸臂相交在與圖14A所示常規(guī)的并排構(gòu)形相同的位置上。但是，當(dāng)鏟斗被定位成如圖15的切碎模式時，拉鏟挖土機的有效外伸距離增加了距離40，對于100米長的伸臂它近似為5米。外伸距離的增加不會損害拉鏟挖土機，因為在這點上鏟斗是空的，因而處于低載荷情形。外伸距離的增加顯著改進(jìn)了拉鏟挖土機操作的效率，這對精通該技術(shù)的任何人員會理解到。由于通常把空鏟斗拉向拉鏟挖土機中心的牽引繩索張力降低，進(jìn)一步增加了外伸距離。張力的降低是由于消除了牽引繩索與常規(guī)傾卸繩索的中間連接。
重新定位伸臂末端繩輪為一個在另一個之后方式的另一個優(yōu)點是，由于與圖7A的三角形構(gòu)形相反，圖7B中為半平行四邊形構(gòu)形，減少了在伸臂垂直平面中為了保持鏟斗前后運動時運送角不變而在兩條起吊繩索長度之間需要的調(diào)節(jié)。
達(dá)到這些優(yōu)點而伸臂末端重量沒有任何明顯的增加，因為僅簡單地重新定位了常規(guī)拉鏟挖土機中所用的部件(一個繩輪向外移和另一個繩輪向后移)。因此沒有明顯的RSL降低和支座與伸臂組件的轉(zhuǎn)動慣量的增加，轉(zhuǎn)動慣量可能影響峰值載荷和旋轉(zhuǎn)運動時的循環(huán)時間。
由于拉鏟挖土機操作模式的動態(tài)性質(zhì)，本發(fā)明中一條或兩條起吊繩索可能發(fā)生過度松弛。這個松弛必須很快消除，以保證繩索正確地纏繞在起吊絞盤卷筒上。
松弛的發(fā)生是由于消除了各個常規(guī)的索具部件，它們以前起到死重的作用，因而保持了起吊繩索中的總張力。由于在挖掘時或在操作模式轉(zhuǎn)換時鏟斗運送角的無控制改變，也可以發(fā)生松弛。
本發(fā)明的另一方面是一種控制和消除這個松弛的方法。這可以是被動或主動系統(tǒng)。被動系統(tǒng)可以采用一個獨立的繩索環(huán)路張緊機構(gòu)，設(shè)計成保持一條或兩條起吊繩索中足夠的張力，以容許繩索正確地纏繞。主動系統(tǒng)可以采用傳感器來確定一條或兩條繩索中的松弛量，并且可以指示中央控制系統(tǒng)起動主起吊繩索調(diào)節(jié)機構(gòu)來改變起吊繩索的長度，以保持用于正確纏繞的足夠繩索張力。
本發(fā)明的另一方面可以包括鏟斗后區(qū)的傾卸能力。因為本發(fā)明依靠起吊繩索31和32的不同控制容許改變鏟斗運送角到任意角度，可以設(shè)計一個鏟斗具有低的后壁，或沒有后壁，容許有效負(fù)載在傾卸時沿著與常規(guī)鏟斗相反的方向流出。這個構(gòu)形的優(yōu)點包括減少了整個鏟斗質(zhì)量，它可以由進(jìn)一步增加有效負(fù)載來替代，并且增加了傾卸的外伸距離(或半徑)。圖10說明了先前描述的鏟斗，與表示鏟斗42后傾卸構(gòu)形的圖11作比較。
在鏟斗42中，常規(guī)鏟斗30的后壁43被開敞的后端44替代，第二起吊繩索32吊掛在橫跨鏟斗后區(qū)開敞頂部的橋桿45之類構(gòu)件上。在向后傾卸的構(gòu)形中，為了傾卸有效負(fù)載，相對于第一或前起吊繩索31，伸長了第二或后起吊繩索，使鏟斗翻轉(zhuǎn)到圖11所示的方位，與圖10所示的常規(guī)鏟斗的反向操作相反。
本發(fā)明的另一方面可以包括，移動后起吊繩索安裝點的位置到鏟斗后區(qū)的不同地點來優(yōu)化切碎或傾卸模式下運送角的能力。對于常規(guī)設(shè)計的鏟斗，在定位在伸臂末端下時降低繩索安裝位置將使鏟斗吊掛得更陡，反之亦然。這個能力可以進(jìn)一步增加本發(fā)明的多用性，保證易于達(dá)到傾卸和切碎模式下的適當(dāng)運送角。
圖12表示了一個常規(guī)鏟斗30，后起吊繩索安裝點46在鏟斗的上后護(hù)欄27高度上。圖13表示了朝著鏟斗底面把后安裝點移動到位置48，由于改變了鏟斗的靜平衡，可以明顯增加傾卸或切碎角。這也增加了鏟斗的傾卸或切碎半徑。
在先前技術(shù)中已經(jīng)描述了相對于另一條起吊繩索不同地伸長或縮短一條起吊繩索的幾種機構(gòu)。這些機構(gòu)包括分開的絞盤。中間導(dǎo)輪、分離的起吊卷筒組件和離合器。
在本發(fā)明的優(yōu)選形式中，由分開或分離的卷筒來提供不同的起吊繩索控制，其中一條上述起吊繩索纏繞到位于基礎(chǔ)或支座中的第一卷筒上，另一條起吊繩索纏繞到也位于基礎(chǔ)或支座中的第二卷筒上。第一和第二卷筒獨立地轉(zhuǎn)動來達(dá)到不同的控制。
最好是定位第一和第二卷筒相互靠近地裝在一條公共軸線上，它們的內(nèi)端相互靠近，每一個卷筒由分別位于卷筒外端的馬達(dá)驅(qū)動?；蛘呤?，可以采用具有變速機構(gòu)或離合器的單個驅(qū)動馬達(dá)，獨立地控制兩個卷筒的轉(zhuǎn)動。
本發(fā)明的另一方面是指一個系統(tǒng)，能夠精確控制獨立的繩索調(diào)節(jié)機構(gòu)。
本發(fā)明可以包括一個中央控制系統(tǒng)或計算機，容許改變鏟斗的運送角來適應(yīng)所有方面的拉鏟挖土機操作。中央控制系統(tǒng)也設(shè)計成盡量降低對操作者和拉鏟挖土機的風(fēng)險。中央控制系統(tǒng)采用經(jīng)驗和分析方法來確定和保持在所有時間上的最佳運送角。中央控制系統(tǒng)的主要任務(wù)為a)通過直接或間接傳感器以及三角計算算法，收集和存儲關(guān)于鏟斗和索具狀態(tài)的信息b)與操作者的人工接口c)確定在規(guī)定靜態(tài)和動態(tài)約束內(nèi)對操作指令的解法d)以安全方式起動和控制起吊繩索調(diào)節(jié)系統(tǒng)圖8表示了中央控制系統(tǒng)主要部分的示意圖。它們包括一個中央邏輯單元、一個鏟斗運送角確定模塊、一個鏟斗位置確定模塊、以及一個對操作者的人工接口。
鏟斗位置確定模塊可以采用來自位置傳感器的信息來確定牽引和起吊繩索的當(dāng)前長度，以及在幾何上解出鏟斗相對于拉鏟挖土機結(jié)構(gòu)的位置。也可以采用來自如激光器的電子距離測量裝置的直接信息來確定鏟斗的位置。
運送角模塊可以采用裝在鏟斗上的直接傳感器(如電子傾角計)來確定鏟斗的當(dāng)前運送角。也可以采用如激光掃描器或雷達(dá)的遙控傳感器來確定角度。還可以采用來自鏟斗位置的信息，結(jié)合經(jīng)驗或分析方法來計算運送角。經(jīng)驗方法采用先前測量的數(shù)據(jù)與當(dāng)前鏟斗位置比較，確定當(dāng)前運送角會是多少。這通常稱為“查表法”。分析方法采用熟悉的三角和運動學(xué)計算技術(shù)，根據(jù)當(dāng)前的鏟斗位置來確定運送角。
在一種變化方式中，中央控制系統(tǒng)可以構(gòu)成為確定鏟斗運送角而不采用直接運送角傳感器(參見圖8A)。依靠直接的直系傳感器或遙控傳感器來確定鏟斗位置，以及采用三角或運動學(xué)技術(shù)來計算鏟斗的運送角，這是可能達(dá)到的。采用直接分析或經(jīng)驗計算方法，中央邏輯單元可以達(dá)到這點。當(dāng)前操作模式(如切碎模式)和鏟斗位置將確定中央邏輯單元必須采取什么動作，容許繩索調(diào)節(jié)機構(gòu)達(dá)到希望的鏟斗運送角。另外，在本發(fā)明的一個實施例中，采用所有個別操作模式中預(yù)先確定的起吊繩索長度偏差，可以盡量減少中央控制系統(tǒng)對運送角的控制。
中央控制系統(tǒng)還確定了繩索調(diào)節(jié)機構(gòu)可以使用的動態(tài)轉(zhuǎn)換速率。由于操作模式的改變(例如從運送到傾卸)或者盡管在一個操作模式(例如在起吊時)中，由于需要在變化的鏟斗位置中保持運送角不變，可能會發(fā)生這些轉(zhuǎn)換?？刂七@些轉(zhuǎn)換發(fā)生時的速率，可以盡量減小對拉鏟挖土機施加的動態(tài)載荷，從而減少了機械故障情形。
中央邏輯單元采取來自運送角確定模塊的數(shù)據(jù)和通過操作者接口請求的指令，最終以半自動方式起動繩索控制機構(gòu)。來自人工接口模塊的請求采取方式是首先為常規(guī)操作者信號，其次為操作過程或“模式”的選擇。圖9說明了某些可能的操作模式，如同任何精通該技術(shù)的人員可以理解到的那樣。這些模式包括a)在伸臂下任何位置上挖掘b)使鏟斗脫離地面準(zhǔn)備起吊和/或旋轉(zhuǎn)c)運送d)傾卸e)切碎f)清理(煤頂，如果需要的話)中央邏輯單元接受對一個特定操作模式的請求，通過繩索調(diào)節(jié)機構(gòu)適當(dāng)?shù)馗淖冪P斗運送角。來自鏟斗位置的正反饋和運送角確定模塊容許中央邏輯單元繼續(xù)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，保持對操作模式和操作條件適合的運送角。
此外，中央邏輯單元控制著執(zhí)行各種模式改變的速率。例如，必須仔細(xì)控制傾卸速度，以盡量減小對拉鏟挖土機結(jié)構(gòu)施加的載荷變化。
此外，中央邏輯單元確定一個特定模式或動作是否在拉鏟挖土機的操作和安全約束范圍內(nèi)。例如，如果操作者發(fā)送一個與拉鏟挖土機實際限制或操作邏輯相矛盾的指令。
中央邏輯單元也記錄了鏟斗運動的歷史，采用經(jīng)驗和分析方法提前預(yù)計最可能的中間動作。
人工接口容許操作者方便地控制系統(tǒng)。直接變換操作者的控制板、操縱桿、鍵盤輸入、觸摸屏、聲音指令或任何其他方便的方法，可以選擇操作模式。人工接口還容許改變中央邏輯單元中的軟件程序。這可能為了人工替代的目的，用于細(xì)調(diào)一個特定操作的性能，例如在清理煤頂時調(diào)節(jié)鏟斗的角度。人工接口還容許在緊急情況下停止系統(tǒng)。
中央控制系統(tǒng)的任務(wù)可以綜合成如下步驟(參見圖8B)1.從牽引和起吊繩索上的直系傳感器獲得位置數(shù)據(jù)2.由分析和經(jīng)驗技術(shù)確定鏟斗的位置3.由分析和經(jīng)驗技術(shù)確定鏟斗的運送角4.通過操作者接口獲得關(guān)于模式選擇狀態(tài)的數(shù)據(jù)5.從操作者接口獲得關(guān)于人工替代狀態(tài)的數(shù)據(jù)6.獲得關(guān)于當(dāng)前操作者主開關(guān)(操縱桿)位置的數(shù)據(jù)7.獲得關(guān)于起吊繩索松弛狀態(tài)的數(shù)據(jù)8.獲得關(guān)于繩索張緊條件狀態(tài)的數(shù)據(jù)9.獲得關(guān)于動態(tài)限制的數(shù)據(jù)10.獲得關(guān)于靜態(tài)限制的數(shù)據(jù)11.按預(yù)設(shè)的優(yōu)先層次，采用從3，4，5，6，7，8，9和10的輸入來確定動作12.通常，按照11中確定的動作，指示繩索調(diào)節(jié)機構(gòu)改變繩索長度
13.在11中選擇的動作可以是一個緊急關(guān)閉參照一個其中采用單個馬達(dá)來控制上述前、后起吊繩索的分開卷筒的系統(tǒng)，由正常邏輯流程和以下說明的指令體系，可以完成中央控制系統(tǒng)的任務(wù)。對控制環(huán)路的輸入1.選擇“校準(zhǔn)”或“運行”模式(數(shù)字)2.計算鏟斗X-Y位置(通過長度測量)3.已計算的鏟斗運送角(通過分析和經(jīng)驗計算)4.在兩條起吊繩索中松弛量狀態(tài)(模擬和數(shù)字信號)5.操作者的主開關(guān)位置(速度基準(zhǔn)-模擬)6.操作者的模式選擇，如挖掘、運送、傾卸等(數(shù)字)7.操作者的人工替代選擇/狀態(tài)(模擬)8.起吊馬達(dá)狀態(tài)-“健全”，極限狀態(tài)等-(數(shù)字)控制環(huán)路的邏輯執(zhí)行(按優(yōu)先次序)(1)如果在“校準(zhǔn)”模式，中止所有操作并進(jìn)行校準(zhǔn)設(shè)定。如果在“運行”模式，著手進(jìn)行(2)(2)檢查安全狀態(tài)(a)如果接近繩索張緊的包絡(luò)范圍，則減小牽引/起吊馬達(dá)基準(zhǔn)，轉(zhuǎn)到(3c)(b)如果處于繩索張緊，設(shè)定制動和取消正常的操作者控制，轉(zhuǎn)到緊急關(guān)機和繩索張緊恢復(fù)程序(c)如果接近鏟斗位置極限，減小相關(guān)的馬達(dá)基準(zhǔn)，轉(zhuǎn)到(3c)(d)如果通過鏟斗極限，設(shè)定制動和取消正常的操作者控制，轉(zhuǎn)到緊急關(guān)機和極限恢復(fù)程序(e)如果繩索松弛量高于預(yù)設(shè)界限值，開始繩索恢復(fù)(經(jīng)受(5))(f)如果起吊馬達(dá)狀態(tài)為“OK”，轉(zhuǎn)到(3)。如果不是，確定錯誤碼和是否需要轉(zhuǎn)到緊急關(guān)機(3)根據(jù)以下計算“目標(biāo)”運送角
(a)當(dāng)前鏟斗位置(b)當(dāng)前操作者模式選擇(c)當(dāng)前操作者人工替代狀態(tài)(4)根據(jù)(3)的結(jié)果計算起吊繩索長度的適當(dāng)調(diào)節(jié)增量，以及當(dāng)前動態(tài)和靜態(tài)極限(5)檢查新的目標(biāo)運送角和繩索調(diào)節(jié)增量將不會引起對安全的任何妨礙(參見(2))，以及如果需要時可進(jìn)行調(diào)節(jié)(6)如果目標(biāo)運送角小于當(dāng)前計算角，指示起吊繩索驅(qū)動機構(gòu)以適當(dāng)增量相對于后繩索伸長前繩索。轉(zhuǎn)到(8)(7)如果目標(biāo)運送角大于當(dāng)前計算角，指示起吊繩索驅(qū)動機構(gòu)以適當(dāng)增量相對于后繩索縮短前繩索。轉(zhuǎn)到(8)(8)轉(zhuǎn)到(1)在這種方式中，中央控制系統(tǒng)不僅能夠控制拉鏟挖土機從一個操作模式到下一個，如在Mitsubishi的澳大利亞專利申請?zhí)?8179/84和Winders，Barlow和Morrison的澳大利亞專利申請?zhí)?8179/84的先前技術(shù)中已經(jīng)建議的那樣，而且也能夠在操作者選擇的拉鏟挖土機操作模式中，使控制系統(tǒng)保持鏟斗處于所希望的傾角進(jìn)行操作。因此控制系統(tǒng)能夠在所有挖掘或運送操作階段，連續(xù)地達(dá)到最佳挖掘角或運送角，或者在相應(yīng)選擇的操作階段，定位鏟斗在最佳切碎角或傾卸角。由于對每次操作循環(huán)減少了循環(huán)時間和增加了有效負(fù)載，這顯著增加了操作效率。
本發(fā)明提供了至今沒有實現(xiàn)的許多優(yōu)點，包括吊掛系統(tǒng)消除了以下索具部件的需求起吊均衡接頭、特殊索結(jié)、上起吊鏈條、下起吊鏈條、擴展桿、起吊耳軸、起吊耳軸擋板、傾卸繩索、傾卸滑輪和傾卸鏈條。
從索具系統(tǒng)消除的重量可以直接由鏟斗有效負(fù)載來替代，而不超過拉鏟挖土機的額定吊掛載荷，因而增加了生產(chǎn)率。還有一個結(jié)果是顯著降低了維護(hù)成本和延遲時間。
吊掛系統(tǒng)增加了可以起吊拉鏟挖土機鏟斗的最大高度，因為后起吊繩索對鏟斗的直接連接幾乎可以完全收回到伸臂末端繩輪而不是到常規(guī)鏟斗索具的頂部。
吊掛系統(tǒng)使得鏟斗在已經(jīng)裝填之后立即起吊，而不是過度牽引到足夠靠近拉鏟挖土機支座的地點，在那里傾卸繩索張力足以升高鏟斗的前區(qū)。還有一個結(jié)果是較早的鏟斗挖掘改進(jìn)了鏟斗的幾何形狀，即起吊繩索更垂直。
重新定位伸臂末端繩輪為一個在另一個之前的方式而不是并排方式，在鏟斗接近伸臂和/或伸臂末端繩輪時顯著減小了起吊繩索的載荷，并且顯著增加了切碎或傾卸時拉鏟挖土機的外伸距離，而不增加在結(jié)構(gòu)上的最大載荷。
此外，以一個固定的距離隔開伸臂末端繩輪，該距離相似于起吊繩索與鏟斗連接點的間距，盡量減小了保持最佳運送角所需的不同起吊繩索控制量，特別是在挖掘、運送或清理模式中。
重新定位后起吊繩索安裝點到鏟斗上不同的位置，可以改進(jìn)在切碎或傾卸時的運送角。
可以采用控制系統(tǒng)使鏟斗運送角連續(xù)變化來適應(yīng)拉鏟挖土機所有方面的操作和條件。控制系統(tǒng)容許操作者選擇任何操作模式，包括挖掘、脫離、運送、傾卸、切碎和清理媒頂?？刂葡到y(tǒng)依靠起動一個起吊繩索長度改變系統(tǒng)，自動地對任何操作模式優(yōu)化鏟斗的運送角。結(jié)果是，在拉鏟挖土機上的動態(tài)載荷顯著降低，因為動態(tài)操作(如鏟斗傾卸)的執(zhí)行由計算機而不是由操作者人工控制?？刂葡到y(tǒng)依靠對如挖掘材料性質(zhì)的不同條件改變鏟斗的運送角，容許優(yōu)化鏟斗的有效負(fù)載?？刂葡到y(tǒng)降低了拉鏟挖土機操作時損壞機器或造成人身傷害的風(fēng)險性。采用經(jīng)驗和分析技術(shù)，以直接、間接和遙感輸入數(shù)據(jù)來計算鏟斗位置和運送角，由控制系統(tǒng)來達(dá)到這些動作?？刂葡到y(tǒng)容許功能的人工替代以及緊急關(guān)機的條件。控制系統(tǒng)容許操作者以僅需要最少培訓(xùn)的簡單方式發(fā)送指令到系統(tǒng)。
松弛繩索控制系統(tǒng)保證了繩索正確纏繞在起吊卷筒上。
在清理煤頂?shù)膭幼髦?，鏟斗運送角的自動控制減少了媒的損失。
吊掛系統(tǒng)容許拉鏟挖土機鏟斗在總伸臂末端半徑的三分之二位置上傾卸有效負(fù)載。
權(quán)利要求
1.一種用于拉鏟挖土機的索具，拉鏟挖土機具有一個裝在基礎(chǔ)上的轉(zhuǎn)動支座，一個從支座向外伸出并與支座一起轉(zhuǎn)動的伸臂組件，以及一個鏟斗，由可調(diào)節(jié)的起吊繩索吊掛在伸臂上，并且由從支座伸到鏟斗的可調(diào)節(jié)牽引繩索所控制，該索具提供了至少兩個伸臂末端繩輪，位于或靠近伸臂組件的遠(yuǎn)端，相互隔開一個固定的距離，使得上述第一繩輪比上述第二繩輪更靠近支座，兩條起吊繩索被帶動經(jīng)過伸臂末端繩輪，上述第一條起吊繩索被帶動經(jīng)過第一繩輪，向下伸出并在操作上與鏟斗的前區(qū)連接，上述第二條起吊繩索被帶動經(jīng)過第二繩輪，向下伸出并在操作上與鏟斗的后區(qū)連接，以及至少一條牽引繩索從支座伸出并在操作上與鏟斗的前區(qū)連接。
2.如權(quán)利要求1的一種用于拉鏟挖土機的索具，其中，第一和第二繩輪隔開一個固定的、相似于第一和第二起吊繩索與鏟斗連接點的間隔的距離。
3.如權(quán)利要求1或2的一種用于拉鏟挖土機的索具，其中，第一和第二繩輪每個具有一個中面，從繩輪的中點垂直于繩輪的轉(zhuǎn)動軸線，以及其中第一和第二繩輪的中面基本上位于一個公共的垂直面中。
4.一種具有如權(quán)利要求1到3中任一條的一種索具的拉鏟挖土機，還結(jié)合了對起吊繩索釋放和收回的不同控制，設(shè)置成使得上述一條起吊繩索的長度可以相對于另一條作調(diào)節(jié)，以控制鏟斗在垂直面內(nèi)的傾斜角。
5.如權(quán)利要求4的一種拉鏟挖土機，其中，上述第一起吊繩索纏繞在位于基礎(chǔ)上的第一卷筒上，上述另一條繩索纏繞在位于基礎(chǔ)上的第二卷筒上，第一和第二卷筒可獨立地轉(zhuǎn)動來達(dá)到上述不同的控制。
6.如權(quán)利要求5的一種拉鏟挖土機，其中，第一和第二卷筒相互靠近地裝在一條公共軸線上，它們的內(nèi)端相互靠近，每一個由分別位于卷筒外端的一個馬達(dá)驅(qū)動。
7.如權(quán)利要求1到3中任一條的一種用于拉鏟挖土機的索具，其中，第一起吊繩索直接連接到鏟斗的前區(qū)，第二起吊繩索直接連接到鏟斗的后區(qū)，不采用如擴張桿或耳軸的插入索具。
8.如權(quán)利要求7的一種用于拉鏟挖土機的索具，其中，第一起吊繩索連接到一個橫過鏟斗口的弓形架的中點。
9.如權(quán)利要求7或8的一種用于拉鏟挖土機的索具，其中，第二起吊繩索連接到一個橫過鏟斗后壁的頂部護(hù)欄上。
10.如權(quán)利要求7或8的一種用于拉鏟挖土機的索具，其中，在鏟斗后壁頂部護(hù)欄與鏟斗底部之間的一個點上，第二起吊繩索連接到鏟斗后壁，上述的點基本上位于頂部護(hù)欄之下。
11.一種用于拉鏟挖土機的控制系統(tǒng)，拉鏟挖土機具有一個裝在基礎(chǔ)上的轉(zhuǎn)動支座，一個從支座向外伸出并與支座一起轉(zhuǎn)動的伸臂組件，以及一個鏟斗，由可調(diào)節(jié)的起吊繩索吊掛在伸臂上，并且由從支座伸到鏟斗的可調(diào)節(jié)牽引繩索所控制，至少有兩條可調(diào)節(jié)的起吊繩索，第一條在操作上與鏟斗的前區(qū)連接，第二條在操作上與鏟斗的后區(qū)連接，每條起吊繩索由起吊裝置起動，設(shè)置成以一條起吊繩索相對于另一條的不同運動來改變鏟斗在垂直面內(nèi)的傾斜角，通過起吊裝置，控制系統(tǒng)采用計算機來控制第一和第二起吊繩索的相對運動，對于操作者選擇的拉鏟挖土機操作模式，保持鏟斗在所希望的傾斜角上。
12.如權(quán)利要求11的一種用于拉鏟挖土機的控制系統(tǒng)，其中，在一個或幾個所選擇的操作模式中，計算機通過這個模式連續(xù)地控制所希望的操作角。
13.如權(quán)利要求12的一種用于拉鏟挖土機的控制系統(tǒng)，其中，從包括挖掘、運送和清理的一組模式中選擇上述一個或幾個所選擇的操作模式。
14.如權(quán)利要求11到13中任一條的一種用于拉鏟挖土機的控制系統(tǒng)，其中，計算機用于限制起吊裝置可使用的動態(tài)轉(zhuǎn)換速率。
15.如權(quán)利要求14的一種用于拉鏟挖土機的控制系統(tǒng)，其中，動態(tài)轉(zhuǎn)換發(fā)生在操作模式改變時。
16.如權(quán)利要求11到15中任一條的一種用于拉鏟挖土機的控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)設(shè)置成容許操作者控制鏟斗相對于伸臂組件和支座的運動。
17.如權(quán)利要求16的一種用于拉鏟挖土機的控制系統(tǒng)，其中，控制系統(tǒng)設(shè)置成容許操作者僅在預(yù)設(shè)的安全操作參數(shù)范圍內(nèi)控制鏟斗相對于伸臂組件和支座的運動。
18.如權(quán)利要求11到17中任一條的一種用于拉鏟挖土機的控制系統(tǒng)，其中，由操作者選擇的拉鏟挖土機操作模式可以包括切碎、挖掘、脫離、運送、傾卸和清理模式中任何一個或幾個。
19.如權(quán)利要求11到18中任一條的一種用于拉鏟挖土機的控制系統(tǒng)，其中，拉鏟挖土機包括至少兩個伸臂末端繩輪，繩輪位于伸臂組件遠(yuǎn)端或靠近遠(yuǎn)端，相互隔開一個固定的距離，使得上述第一繩輪比上述第二繩輪更靠近支座，上述第一條起吊繩索被帶動經(jīng)過第一繩輪，上述第二條起吊繩索被帶動經(jīng)過第二繩輪。
全文摘要
一種具有支座(35)和伸臂(37)的大型電動拉鏟挖土機設(shè)有在一條直線上隔開的繩輪(34)，在伸臂末端分開了分別引到鏟斗(30)前、后區(qū)的起吊繩索(31)和(32)。不同的起吊繩索控制了容許在所有操作模式中精確和連續(xù)地調(diào)節(jié)鏟斗的運送角。還描述了一個計算機控制系統(tǒng)，以手動選擇的操作模式，依靠不同的起吊繩索操作給出了運送角的連續(xù)精確控制。
文檔編號E02F3/48GK1402806SQ00816599
公開日2003年3月12日 申請日期2000年10月31日 優(yōu)先權(quán)日1999年11月3日
發(fā)明者杰弗里·克雷格·羅蘭斯 申請人:杰弗里·克雷格·羅蘭斯