CN1011803B - 挖掘机铲斗齿 - Google Patents

Abstract

本挖掘机铲斗齿具有楔形断面，由端面(6)和两个呈夹角设置的齿面(4，5)组成，其中一个齿面为波浪形，且至少有两个凸起段(8，9)和相应的凹入段(11)。波浪形齿面(4)的凹入段(11)的断面为速降线型。在端面(6)上沿齿宽开有槽(7)。

Description

本发明涉及一种土壤转动装置，具体地说，属于挖掘机械范畴，涉及一种挖掘机铲斗齿。

本挖掘机铲斗齿可用于单铲斗或多铲斗采矿挖掘机的结构，主要是露天作业挖掘机械。此外，本铲斗齿还适用于筑路挖掘机械和剥离型挖掘机械。

挖掘机铲斗齿是挖掘机的工作构件，在使用过程中会受到强烈的磨损，以及承受很大的冲击载荷和静力载荷。这些因素决定了铲斗齿的使用寿命。挖掘机铲斗齿具有两项主要功能，在掘进时捣碎石层，以及将碎石送入挖掘机铲斗。挖掘机铲斗齿的结构设计，决定着对挖掘机所有部件和机构的可靠性均有影响的冲击载荷的特性及其荷重值，因此也最终地决定着挖掘机的生产率。还须指出，更换磨损或变形的铲斗齿的工作量很大，且费时很长。例如：更换一套由六个或七个齿组成的，单齿重量为500公斤的铲斗齿，需费时8小时，由此可见，提高挖掘机铲斗齿使用寿命的问题至关重要。

在挖掘机铲斗齿掘入石层时，被捣碎的石块流沿铲斗齿的上齿面移动，碎石流在铲斗齿起始端的一小段距离内的运动具有层流性。随后，碎石流脱离齿面，致使铲斗齿掘入石层的阻力成20-40倍地急剧增加。为了减少这种阻力，与层流碎石脱离齿面的段落相连的一段齿面通常设计成凹形，这样一来，碎石在该段的运动特性即从层流性转变为涡流性，保证强制地构成碎石附面层旋流，该附面层贴在凹入段的上齿面上。绝大部分大块碎石被附面层的旋流卷走。由此可见，铲斗齿磨损的强度取决于附面层碎石的运动特性。

已知一种挖掘机铲斗齿（US，A，3959901）具有楔形断面，由构成一个夹角的两个齿面组成。其上齿面有被加强筋分隔开的两个波浪段。

铲斗齿的齿端呈尖形或具有较小的曲率半径。其上齿面的波浪形状能够减少铲斗齿上齿面磨损的强度。但是，尖形齿端在掘入捣碎石层时，形成大量粉末和相当多26-50毫米的小块。由于大量粉末和小块碎石与上齿面接触。铲斗齿磨损的强度很大。因此将大大缩短铲斗齿的寿命。还须指出，捣碎石层需要很大的冲击力，这也将致使挖掘机铲斗齿的寿命下降。

一些已知的挖掘机铲斗齿，在其前端上沿齿宽开有一个槽，用以减轻铲斗齿在捣碎石层时承受的冲击。在被捣碎石层岩体中该槽将破碎能聚集在距齿端约0.237米的位置上，而齿端前则形成一个粉尘密集核，密集核通过变形来减轻冲击力，同时将长约0.237米的碎石从岩体中分离出来。

粒度分析数据表明，在被破碎的石块中，0.025-0.035米大小的碎块占20-25%，粉末占2-4%，其余的是0.08米，以及0.08米以上的大块。

另一已知的挖掘机铲斗齿（SU，A，1146442）具有楔形断面，由两个构成夹角的齿面组成，其中，至少有一个齿面呈波浪形，并带有两 个以上凸起段和使之相连的凹入段。两齿面与端面相接，端面上沿齿宽开有一个槽。该铲斗齿的上齿面和下齿面均呈波浪形，其断面近似正弦波形曲线。而且由于粉末组成的附面层在凹入段表面的运动具有涡流性，因此，移动时会出现滑动现象，使上齿面承受强烈的磨损。另外，附面层在上齿面滑动时会在下齿面上产生压力激增，从而加剧下齿面的磨损。

本发明的任务是研制一种挖掘机铲斗齿，组成齿断面的波浪形齿面的凹入段的取形能保证附面层粉末涡流在凹入段移动时实际上不出现滑动，从而减少铲斗齿的磨损。

实现本发明任务的方法是：在由两个呈夹角设置的齿面组成的具有楔形断面的挖掘机铲斗齿中，其中至少有一个齿面为波浪形，并设有两个以上的凸起段和将它们相接的凹入段，两齿面用齿端面连接，齿端面上沿齿宽方向开一个槽。根据本发明，使波浪形齿面的断面至少在从端面数第一个凹入段上呈速降曲线型。

较为合理的是，在挖掘机铲斗齿中波浪形齿面的断面在从端面端数的前两个凸起段上呈摆线型。其发生圆的半径等于与凸起段相连的凹入段的速降曲线发生圆的半径，摆线两准线的夹角为100°-120°。

端面槽以圆柱形面与从端面数起的波浪形齿面的第一个凸起段相接为好，圆柱形面的曲率半径应等于从端面数波形齿面第一个凹入段的速降曲线发生圆的半径。

凹入段速降曲线发生圆的半径最好是0.01-0.015米。

当波浪形齿面具有三个以上凸起段时，挖掘机铲斗齿齿体上最好设置一个贯穿孔，其轴心与端面槽平行，与呈夹角布置的两个齿面等距，并处于端面数起波浪形齿面的第二个凹入段背面。贯穿孔的半径应等于波浪形齿面凹入段的速降曲线发生圆的半径。

波浪形齿面呈速降曲线型断面的凹入段的这种取形，能保证使挖掘机铲斗齿磨损的强度至少下降一半。这是因为旋转体在沿速降曲线运动时不是滑行移动。也就是说，附面层粉末旋流在凹入段的齿面上不滑动，磨损实际上仅限于滚动摩擦。还应指出，附面层不脱离齿面，也就避免了齿面与较大的碎石接触。

挖掘机铲斗齿波浪形齿面凸起段的断面是摆线型，其发生圆的半径等于速降曲线发生圆的半径，两准线间的夹角为100°-120°，这就能保证使附面层粉末的运动具有层流性的波浪形齿面段获得最大段长。在这种情况下，从凸起段到呈速降曲线型的凹入段的过渡正好发生在层流碎石可能脱离齿面的位置上。因此，通过附面层碎石运动从层流性过渡到涡流性而实际上消除了附面层脱离齿面。

槽面与波浪形齿面平滑相接，能够将在密集核与齿端面之间的附面层中形成的粉末连续输送到波浪形齿面，这也能减轻铲斗齿的磨损。

由于附面层的厚度取决于波浪形齿面的断面，确切地说，取决于齿面凸起段和凹入段的长度和曲度，当决定速降曲线曲率的速降曲线发生圆的半径为0.01-0.015米时，粉末附面层的厚度约为0.01-0.015米。当附面层取这一厚度时，附着在附面层上并随之移动的25-35毫米的较大碎石便不会破坏附面层。因此，也就不会使齿面受到磨损。

挖掘机铲斗齿上设置贯穿孔，能够最大限度地降低被磨损的挖掘机铲斗齿掘入石层时的应力，这样，由于孔面起到了槽的功能，所以能够延长铲斗齿的使用寿命。

下面，将以铲斗齿具体实施例的说明和附图阐述本发明：

图1-根据本发明的挖掘机铲斗齿视图（双侧投影）;

图2-根据本发明的挖掘机铲斗齿视图（纵截面）;

图3-根据本发明的挖掘机铲斗齿的从端面数常有两个凸起段的部分放大纵侧断面图;

图4-同图3，是根据本发明的带有三个凸起段，以及贯穿孔的实施方案。

挖掘机铲斗齿包括工作本体1（图1）和用于将铲斗齿固定在挖掘机铲斗鄂板（图中未标出）上的齿尾2。齿尾2的设计结构取决于铲斗的设计结构，取决于挖掘机的类型。本说明例中标示的是一部单铲斗剥离式挖掘机的铲斗齿。齿尾2呈蹄铁形，上面有用于将其固定在铲斗上的紧固件（图中未标出）安装孔3。

本挖掘机铲斗齿具有楔形纵断面，由呈夹角布置的上齿面4和下齿面5组成。两齿面由端面6接 合。与上齿面4和下齿面5相应的切线M和N的夹角α（图2）大约等于被破碎石层的摩擦角。剥离石层的角度通常为27°-35°。

端面6（图1）上有沿齿宽开的槽7，本实施例中单铲斗剥离型挖掘机的齿宽约等于0.2米。

呈夹角设置的齿面4和至5中至少有一个外形为波浪形。图1所示的铲斗齿实施例中的上齿面4为波浪形。

波浪形上齿面4有至少两个凸起段，以及连接凸起段的凹入段。图1所示的铲斗齿实施例中，上齿面4有三个凸起段8，9，10和三个凹入段11，12，13。凸起段的数量可以为2-5个，因齿的尺寸而异。在这种情况下，具有相同曲率的凸起段的数量可以不超过三个。由凹入段11连接的两个相邻的凸起段8，9具有相同的曲率，而凸起段10的曲率则是前者的三分之一至四分之一。凸起段8，9，10的断面可以是各种形状的，例如：呈正弦曲线，抛物线和双曲线形。凹入段11，12，13的断面为速降曲线型，能够保证粉末附面层在它上面处于涡流状态移动时不产生滑动。

本实施例中铲斗齿下齿面5为凹入形，且具有大曲率半径。用于在高硬度土壤作业的挖掘机铲斗齿的下齿面最好设计成波浪形，并带有断面为速降曲线形的凹入段。

图1所示的挖掘机铲斗齿的实施例中，从端面6起的波浪形齿面的前两个凸起段8，9的断面为摆线型，而处于两者之间的凹入段11的断面为速降曲线形。摆线发生圆的半径R（图3）等于速降曲线发生圆的半径R。其中，摆线的准线1和K的夹角β可以是100°-120°。图3所示的实施例中的角β等于120°。角β的值与被破碎石层摩擦角相关，摩擦角小的石层，角β亦小。设置在端面6的槽7的断面为圆弧型，其半径R等于速曲降线发生圆的半径。槽7的深度h为速降曲线发生圆直径的1/3-1/4。槽7以其圆柱形面同上齿面4和下齿面5平滑相接。圆柱形面的曲率半径R等于凹入段11速降线生成圆的半径R。槽7的上缘与上齿面4的凸起段8平滑连接能够将端面6上的附面层粉末连续不断地输送到上齿面4。在这种情况下，上齿面4的切线P与端面6的切线Q之间的夹角γ等于90°，可减少槽7下缘的磨损。

凹入段11速降线发生圆的半径为0.01-0.015米，此时，挖掘机铲斗齿的磨损强度最小。在这种情况下，摩擦角越大，速降线发生圆的半径R的值就越大。速降曲线发生圆的半径R决定粉末附面层的厚度，厚度约等于这一半径。此时，附面层厚度的选择应以随附面层移动的大块碎石不破坏附面层的连续性，不与齿面接触为标准。实验表明，铲斗齿掘入石层时从中分离出大约0.237米的碎石。其中主要是0.08米以上的大块，以及25-35毫米的中：小块和2%-4%的少量粉末。由于中，小块碎石沿附面层移动时0.01-0.015米厚的附面层能保证其不与齿面接触，因此，可提高铲斗齿的使用寿命。

为了提高图4所示的挖掘机铲斗齿的使用寿命，其上齿面4有一个附加的第三凸起段14，该凸起段通过具有速降线型，且发生圆半径为R的凹入段15与凸起段9连接。凸起段14为摆线型，其发生圆的半径R等于凹入段11和15的速降线发生圆的半径R。这一摆线的准线d与凸起段9的摆线的准线K之间的角ψ等于210°。贯穿孔16设在轴心与槽7平行，与挖掘机铲斗齿的上齿面4和下齿面5基本等距，并处于第二个凹入段15背面的位置上。在这种条件下，孔16的半径R等于凹入段11和15的速降线发生圆的半径，为0.01-0.015米。

本挖掘机铲斗齿以下述方式工作。当挖掘机铲斗齿以2.7-9吨的力掘入时，在端面6（图1）前面的岩体内，沿齿宽约0.2米的长度上至少会形成三个空间受力状态区。在这些区中约0.237米的距离上形成裂缝。此时，每一个空间受力状态区中，槽7前便直接形成一个粉末密集核，密集核通过滚动迫使各空间受力状态区的表面出现裂缝，裂缝连接起来即可使处在空间受力状态区内的石块脱离石层。当铲斗齿在被破坏的石层中继续掘进，使其上齿面与未被破坏的石块接触时，被破碎的石块进入铲斗（图中未标出）。被破碎的石块包括粉末，0.025-0.035米的中，小块和0.035米以上的大块。

此时，粉末形成附面层，同挖掘机铲斗齿的上齿面4接触，沿上齿面移动。

在槽7前端形成的粉末以层流方式从槽7移动到凸起段8，再从凸起段8进入凹入段11，附面 层粉末的运动特性在凹入段11改变为涡流型。此时，呈速降线型的凹入段11的断面保证涡流附面层的移动不带滑动，从而减轻挖掘机铲斗齿的上齿面4和下齿面5的凹入段11的磨损强度。然后，附面层粉末涡流入凸起段9，其运动特性在其中改变为层流性，且速度高于在凸起段8的层流速度，从而提高了附面层涡流粉末在凹入段12的旋转速度。粉末在上齿面4的凸起段和凹入段8，11，9，12，10，13上运动时，附面层不脱离上齿面4。上齿面4的磨损强度不大。而且，附面层的运动无论具有层流性还是涡流性，齿面的磨损强度实际上完全相同。

由于附面层沿上齿面4运动时不脱离齿面，所以不会对下齿面5产生压力激增，因此也减轻了下齿面5的磨损。

0.025-0.035米大小的中、小块碎石沿附面层移动。由于凹入段11，12，13的断面为速降线形，其发生圆的半径R为0.01-0.015米，所以，当11，12，13这几段上附面层的厚度为0.01-0.015米时，中、小块碎石便不会破坏附面层的连续性，在沿这一附面层运动时亦不会接触上齿面4，从而能降低铲斗齿的磨损强度，延长其使用寿命。本挖掘机铲斗齿的结构能延长7齿单铲斗挖掘机的铲斗齿的使用寿命，至少能完成170万米³的剥离作业。

图4所示的挖掘机铲斗齿结构的断面，能够将铲斗齿的寿命至少提高20%，因为，当齿端部完全磨损到孔16时，其表面能够减轻被磨损的铲斗齿掘入石层时的应力。这样，当被磨损的铲斗齿掘入石层时，孔16的表面即应在石层中构成与在槽7前构成的空间受力状态已类似的空间受力状态区。试验表明，一套带孔的7齿挖石机的铲斗齿至少能完成220万米³的剥离作业。

Claims (5)

1、一种挖掘机铲斗齿，它具有楔形纵断面，并由两个呈夹角设置的齿面(4，5)组成，其中至少有一个齿面为波浪形，并带有至少两个凸起段(8，9)和相应的凹入段(11)，通过沿齿宽设有槽(7)的端面(6)连接两齿面，其特征是，波浪形齿面(4)的断面至少在从端面(6)数第一个凹入段(11)上呈速降曲线型。

2、根据权利要求1的挖掘机铲斗齿，其特征是：波浪形齿面（4）的断面在从端面（6）数的前两个凸起段（8，9）上是摆线型，摆线发生圆的半径等于连接两凸起段相接的凹入段（11）的速降曲线发生圆的半径，摆线两准线间的角度为100-120°。

3、根据权利要求2的挖掘机铲斗齿，其特征是：槽（7）以其圆柱形面与从端面（6）数起的波浪形齿面（4）的第一个凸起段8相连，圆柱形面的曲率半径等于从端面数起的波浪形齿面（4）的第一个凹入段（11）的速降线发生圆的半径。

4、根据权利要求1或2，3的挖掘机铲斗齿，其特征是：凹入段（11）速降线发生圆的半径为0.01-0.015米。

5、根据权利要求4的挖掘机铲斗齿，其特征是：波浪形齿面（4）上有至少三个凸起段（8，9，14），在齿体上设置贯穿孔（16），贯穿孔的轴心与槽（7）平行，与呈夹角设置的齿面（4，5）等距，并处于从端面（6）数起的波浪形齿面（4）的第二个凹入段（15）的背面，贯穿孔的半径等于凹入段（11）速降线发生圆的半径。

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