CN102966134B - 拉铲挖土机的铲斗、索具和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了拉铲挖土机的铲斗、索具和装置。拉铲铲斗包括底壁，一对侧壁，以及后壁，它们共同形成空腔。每个侧壁至少在其前部区域中具有至少约7度的大的向下的锥度。在备选实施例中，每个侧壁在其后部区域中具有向上的锥度，这样不需要横撑杆。该拉铲铲斗收集土料，且使土料的破碎程度最小。

Description

拉铲挖土机的铲斗、索具和装置

本申请是申请人为：爱斯科公司，申请日为：2009年1月21日，申请号为：200980102544.6，名称为：拉铲挖土机的铲斗、索具和装置的发明的分案申请。

背景技术

拉铲挖掘装置已长期在采矿和运土作业中使用。与其它挖掘机不同，拉铲铲斗只由钢丝绳和链条控制并支承。在工作中，铲斗的稳定性和性能在很大程度上必然来自于铲斗结构。

在较小的铲斗中，拉铲挖土机工作中遇到的力不大且有效载荷小。利用这些铲斗，不需禁止工作，即可容易地补偿力和有效载荷。即使小铲斗设计得效率低，其装满时间的差别也不大，因为铲斗容量小。然而，随着机器尺寸、矿山大小的增大以及希望产量更高，随着时间推移，拉铲挖土机工作的铲斗尺寸大大增大。在今天的矿山中，30立方码级别或更大的大拉铲铲斗很普遍，并且使用大至175立方码的铲斗。在大铲斗中，设计的范例改变，这是因为对较小铲斗的设计影响很大的待挖掘材料(例如地面)的剪切力与加在大铲斗上的大载荷相比变得不太重要了。这些铲斗的扩张和巨大，大的有效载荷，以及在挖掘循环过程中由牵引链所加的非常大的力，都需要不同程度的考虑。然而，许多铲斗设计还遵循不能优化铲斗挖掘性能的不完善的旧规则。结果，在今天的拉铲铲斗中仍有许多问题。

由于没有操纵杆或液压缸用来将铲斗推入地面中，因此重要的是当拖拉绳将铲斗推向牵引车时，铲斗能挖入和穿透地面。为了使产量最大，希望铲斗尽快地深入地面中。许多较老的铲斗制成前端重以承受采矿的严酷条件。这种结构将重心放在较高的前部分上，这使得当被拉向前时铲斗向前翻倒在齿上。操作者需要特别小心操作这些铲斗，以避免铲斗太向前倾翻和在其前端翻倒过来。即使铲斗保持在挖掘位置，它仍会保持太向前倾斜，使得在加载过程中材料破碎严重。另外，主要由于隆起的土堆，需要大的力拉这种倾斜的铲斗通过地面。另一方面，重心进一步向后壁偏移的铲斗会更渐近地和更困难地穿透，这导致装满时间更长和生产率降低。Briscoe的美国专利4791738公开了增加拉动致翻倒的概念，它可减低铲斗翻倒过来的危险，同时可便于更好地更可靠地深入地面中。虽然这个设计概念可改善拉铲工作，但铲斗的穿透仍较平缓浅显，因此为了装满，铲斗的移动需要增加。图7表示一个常规铲斗的一个示例的地面G的概括化的穿透轮廓P₁。

拉铲铲斗带有一个底壁，两个从该底壁直立的相对的侧壁和一个在侧壁尾端的后壁。这些壁共同形成开放前端和收集土料的铲斗空腔。带有挖掘齿和护罩的唇部穿越底壁的前端以增强穿透和挖掘，并减小铲斗结构的磨损。侧壁一般由顶至底和由前至后形成锥度，以便容易和加速倾倒收集的材料。在拉铲铲斗中的不完全倾倒会使材料带回至下一挖掘行程。这个问题不但需要拖运不需要的重量而且降低每个挖掘行程的产量，即，因为老的材料保留在铲斗中，收集的新材料就少。

在常规铲斗中，收集的土料块一般被有锥度的侧壁迫使向内和向上通过约一半至三分之二的铲斗向着后壁通过的行程，然后向着底壁和后壁落下。材料的这种成堆使得向着铲斗的前端形成一个土堆。在铲斗内形成这种土堆需要增大拉绳上的力，放慢装满速度和在铲斗前端聚集材料。一旦这种土堆达到一定的块，它开始像在铲斗前端推动材料向前的推土机刮板一样起作用。这种土堆通常也造成在铲斗前端形成隆起的堆(即在拉铲铲斗前端堆起和向前隆起的污物)。在一些操作中，隆起的堆需要用其它设备(例如推土机)定期地弄平，以避免妨碍拉绳和磨损拉绳。在另一些操作中，利用推土机或其它设备将隆起的堆推离牵引车，以便在挖掘工作中，在远离牵引车的位置形成适当的阻力，使铲斗可在挖掘行程中移动结束前完全装满。即，有时利用隆起的堆在接下来的挖掘过程中给铲斗装载，并且为了装满铲斗经常是需要这些隆起的堆的。

在现代拉铲工作中，为了提供大的有效载荷和承受极大的负载和应力，普通铲斗本身是巨大的结构。为了减小磨损，一般铲斗带有各种磨损部件，这进一步增加铲斗的重量。容纳和控制这种大铲斗的索具也是很笨重的。悬臂和牵引车设计成可适应最大负荷，该最大负荷为拉铲铲斗、磨损部件、索具和铲斗内的挖掘材料的重量的综合。索具和拉铲铲斗的重量越大，在拉铲铲斗内保留的装载土料的容量越小。虽然作了一些努力减小索具的重量，但大都只是小增量的减小，或导致出现其它不希望的问题。

另外，铲斗和索具构件暴露在当这些部件与地面接触时的污物，岩石和其它碎片擦伤索具和拉铲铲斗的高度磨蚀性的环境中。索具元件之间的连接在这些彼此支承和受到各种力的区域中也会磨损。因此，在使用一段时间后，拉铲挖掘装置必需进行定期维修，以检查、更换或修理各种部件。在最现代化的装置中有许多需要这种检查、更换或修理的部件，并需要很多的停工时间来完成需要的工作。这种停工时间减少产量并降低拉铲工作的效率。

发明内容

本发明涉及改进的拉铲挖土机的铲斗、索具和装置，特别地，但不是排外地，涉及用于大型铲斗工作用的改进的拉铲挖土机的铲斗、索具和装置。

根据本发明的一个方面，拉铲铲斗形成有新的构造，它可以在干扰最小的状态下收集土料。这造成加在铲斗和设备上的力和应力减小，有效载荷增加，填充速度加快，以及在一些工作中不太需要另外的设备。

在本发明的另一个方面中，至少在拉铲铲斗的前端区域中的侧壁设置有与垂直线成大的向下锥度，优选约为7-20度，以改善土料的收集。

在本发明的另一个方面中，通过使高度与长度之比、侧壁的锥度、以及联结销高度与铲斗高度之比实现优化平衡，使拉铲铲斗具有改进的构造和性能。在一个优选构造中，铲斗的高度与长度之比约为0.4-0.62，侧壁的由顶至底的锥度与垂直线约为7-20度，而且联结销高度与铲斗高度之比至少约为0.3。

在本发明的另一个方面中，通过使联结销高度与铲斗长度之比以及联结销高度与铲斗高度之比实现优化，也可使拉铲铲斗具有改进的构造和性能。在一个优选实施例中，通过使联结销高度与铲斗长度之比至少约为0.2以及使联结销高度与铲斗高度之比至少约为0.3，形成拖线在矿车以下的拉角小于或等于45度的矿山中工作的容量至少为30立方码的铲斗。

在本发明的一个优选结构中，拉铲铲斗包括至少约为铲斗平均高度的四分之一的提高的联结位置。使用高的联结装置便于拉铲铲斗更深地穿透和挖掘。

在本发明的另一个方面中，拉铲铲斗的侧壁在铲斗的后部区域中形成向上的锥度，从而不需要横撑杆及其相关联的连杆和销，同时还可将起重链与铲斗的外部连接。这种配置使铲斗的填充和倾倒的破坏程度最小，而且避免起重链或铲斗的磨损增加。取消横撑杆也可少使用起重链。因此，铲斗装置中的铲斗和索具的总重量减小，并且包括较少的在使用过程中需要检查和维修的部件。

在本发明的另一个方面中，拉铲铲斗的侧壁在前端区域中有向下的锥度且在后部区域中有向上的锥度。在一个优选构造中，过渡部分具有沿着铲斗长度大致为s形的构型。

在本发明的另一个方面中，拉铲铲斗根据以下关系工作，其中(a)联结销高度乘以拖拉力与(b)重心长度乘以铲斗和有效载荷重量之比，在开始穿透和挖掘过程中大于或等于约1，而一旦铲斗达到希望的穿透深度时就小于约1。

为了提高对本发明的优点和特点的了解，可参考下面的说明以及描述与说明与本发明有关的各种结构和概念的附图。

附图说明

当结合附图阅读时，可更好地理解以上说明和以下的详细说明。

图1为根据本发明的拉铲铲斗的透视图。

图2为铲斗的侧视图。

图3为铲斗的正视图。

图4为铲斗的俯视图。

图5为沿着图4的5-5线所取的横截面图。

图6为备选联结装置的侧视图。

图7为表示常规铲斗和根据本发明铲斗的概括的穿透轮廓示意图。

图8a-8c为表示常规铲斗的概括的填充模式示意图。

图9a-9c为表示根据本发明的铲斗的一般化的填充模式的示意图。

图10为包括根据本发明的备选拉铲铲斗的拉铲装置的透视图。

图11和图12的每个为备选铲斗的透视图。

图13为备选铲斗的俯视图。

图14为备选铲斗的正视图。

图15和16各为备选铲斗的侧视图。

图17为备选铲斗的后视图。

图18为沿着图15的18-18线所取的横截面图。

图19为沿着图15的19-19线所取的横截面图。

图20为沿着图15的20-20线所取的横截面图。

图21为沿着图15的21-21线所取的横截面图。

图22为根据本发明的第二备选铲斗的侧视图。

图23为第二备选铲斗的半个俯视图。

图24为第二备选铲斗的半个正视图。

图25为沿着图23的25-25线所取的部分横截面图。

具体实施方式

本发明涉及性能加强的新颖的且改善的拉铲铲斗和装置。与常规拉铲工作相比，新的设计对土料的破坏较少且效率更高地收集土料。虽然本发明的设计特别适用于铲斗容量为30立方码或更大的大拉铲采矿工作，但它的各个方面对其它的拉铲工作也有一些益处。在本申请中，本发明的所发明的各个方面是针对一些示例性的拉铲铲斗设计说明的，但对各种铲斗结构也有用。另外，在本申请中，为了容易说明，有时使用相对的术语，例如前，后，上，下，水平，垂直等。然而，这些术语不能认为是绝对的；在工作过程中，拉铲铲斗的取向可以大大改变。

在一个优选结构中，根据本发明的拉铲铲斗10包括底壁12，侧壁14和后壁16，形成在挖掘工作中容纳和收集土料的铲斗空腔18(图1-5)。铲斗的前面是开放的，并以底壁12和侧壁14为边界。沿着底壁12的前端设有唇部20。唇部20可简单地延伸跨过侧壁14之间的空腔18的宽度，或者也可在其末端21向上弯曲(如图1所示)，形成侧壁的前部部分和底部部分。各种设计的挖掘齿22、护罩24和翼板26沿着唇部安装，以改善挖掘和保护唇部。接头27固定在侧壁14上，以便直接或间接地与起重链(未示出)连接。另外，接头27可以固定在所示位置的前面或后面，或固定在后壁16上。

颊板28从唇部20向上突出，以形成侧壁14前端的大部或全部。在所示的实施例中，拱支承29和连接拱30设在颊板28的顶部。与倾倒绳(未示出)连接的锚支架32支承在拱30上。然而，该拱可以省去或用不同方法形成，例如线性管拱。形成拉铲铲斗10的前端的构件20，28，29，30共同称为铲斗环34。在本申请中，不论拱形状如何或是否有拱，对于铲斗的这个前部都使用术语铲斗环34。为了承受挖掘工作的严酷条件，优选铲斗环由较重的构件构成。

侧壁14被认为是铲斗10的全部侧面部分，在该示例中，该侧面部分包括拱支承29，颊板28，唇部20的末端21，以及在铲斗环34和后壁16之间延伸的板部分35。在一个优选结构中，当铲斗在水平面时，侧壁14以与垂直线成至少约7度的角度θ成锥度向下(即由顶至底)，并且优选在与垂直线成约7-20度的范围内；即，当侧壁向着底壁12(图5)延伸时，侧壁14以约14-40度的夹角彼此相向地会聚。在最优选的结构中，侧壁与垂直线成约9-15度形成锥度。在铲斗10的一个优选实施例中，相对于垂直线的角度θ为9.6度。在这个结构中，铲斗10的高度每增加12英寸(30.5cm)，每个侧壁114向外延伸约2英寸(5.08cm)。

虽然一些常规铲斗的侧壁具有由顶至底的锥度，但锥角较小，使得侧壁较接近垂直线。当铲斗深入地面和装满时，使用较大的侧壁锥度为将土料收集在铲斗空腔18中提供了附加的侧面间隙。对于给定的唇部尺寸，这个增加的侧面间隙(即，横过铲斗的宽度)可减小收集的材料的破坏及在空腔18中造成较小的土堆和土料的隆起，形成较小或没有隆起的堆，还可使收集在铲斗空腔中的材料密度较大。

唇部20和侧壁14共同形成土料通过它进入空腔18的前端开口58(图1)。唇部跨过铲斗10宽度的伸长部(即，唇部20在侧壁14之间的伸长部)与其齿22和护罩24一起，形成在挖掘工作开始时首先被迫进入地面中的特定表面区域。一般来说，虽然齿、护罩的形状和数目与唇部的构造也可影响驱动铲斗进入地面所需的力，但唇部与其相应的与地面接合的工具22，24的表面区域越大，则驱动铲斗进入地面就需要越多的力。在所有其它条件相同的情况下，较短的唇部进入地面需要的力较小，或者另一种说法，相比于较长的唇部，它可更快和更容易深入地面。与锥度较小或没有侧壁锥度的常规铲斗相比，通过提供与垂直线成约7-20度左右的较大锥度的侧壁14，对于一定的铲斗宽度(即横跨唇部)，前端开口58较大。结果，因为侧面间隙较大，具有一定的前端开口区域的由顶至底的侧壁锥度较大铲斗不但更容易装满，而且还因为较短的唇部，在挖掘工作中更容易深入地面。仿效过载时齿断裂，当侧壁的角度θ超过约20度时，颊板的前沿在侧向向外隔开太远。这个现象大大增加在铲斗上的拖拉力，使填充减缓并降低性能。

优选的是，在铲斗10的全长上，侧壁14相对于垂直线的由顶至底的锥度约为7-20度。另外，在一个优选实施例中，侧壁14没有前至后的锥度(尽管可以提供这种锥度)。这种结构使收集在空腔18中的土料的破坏最小，可更快、更容易和改善铲斗的装满。然而，即使不在侧壁的全长上连续，也仍可实现较大的侧壁由顶至底的锥度。虽然在后面更广泛地使用较大的锥度是优选的，但至少在铲斗环34中使用与垂直线成至少约7度的由顶至底的侧壁锥度可对本发明的填充和穿透有些好处。另外，甚至在铲斗环34中，侧壁14的一些部分与垂直线的由顶至底的锥度可小于7度，只要前端区域的侧壁(至少是环部分34)与垂直线的锥度主要为至少约为7度即可。在任何情况下，侧壁的前端区域在横跨多于一半的跨度上与垂直线有较大的至少约7度的锥度。

侧壁14形成顶部轨道60，该顶部轨道60可具有各种形状。在所示实施例中，顶部轨道60一般为向着后壁16向下倾斜的一对线段(图1和2)。顶部轨道60确定铲斗10的高度。高度H定义为：(a)铲斗静止在水平面上时与唇部20连接的底壁12的内表面52的前边缘54与(b)沿着顶部轨道60的平均位置之间的垂直距离，其中(b)排除了(i)拱支承29(或如果省去拱，则为其它倾倒绳支承)的任何垂直伸长部62和(ii)任何被后壁16削减的部分。图2表示一个示例的高度尺寸H₁，它成为用来确定平均高度H的高度尺寸的集合。另外，图22表示在铲斗200中的削减部分264的一个示例；而这个削减是由向内倾斜的拐角形成的，该削减部分可以简单地为没有向内倾斜的拐角的削减的顶部轨道。在带有基本上为直的顶部轨道的铲斗中，平均高度可由确定铲斗容量中的平均高度的CIMA标准确定(CIMA为建筑工业制造者协会，它现在是设备制造者协会的一部分)。在带有高度弯曲的或其它非常规的顶部轨道形状的铲斗中，顶部轨道的平均位置需要单独计算。

在颊板28的前端形成联结装置40，以便于与牵引链(未示出)连接，并且在这个实施例中联结装置由多个部件构成(图2)。在这个实施例中，虽然可用其它结构，但颊板28向着唇部20和齿22的前端突出，以在前端位置形成联结元件36。联结元件36为放大的、基本上圆柱形的结构，它形成用于容纳将联结装置伸长部39与每个联结元件36连接的连接销38的垂直通道37。联结装置伸长部39形成用于容纳直接或间接地与牵引链连接的联结销43的水平通道42。还可使用其它另外的结构。例如，联结装置44为单独联结元件，即，形成用于容纳联结销49的水平通道48的颊板45的横向放大部分可以用来代替多件联结装置40(图6)。在各种情况下，优选联结销43或49的位置足够向前，以便在联结销，齿或护罩的尖端，以及空铲斗的重心之间形成大的角度(例如，接近或超过直角)。优选的角度和实际的倾倒点的精确尺寸取决于材料硬度、地面斜度和拉动绳的拉动角。在本申请中，术语“拉动绳(dragline)”表示连接牵引车和拉铲铲斗(即联结销43)的直绳。该直绳可与拉绳和链条重合，或者，如果障碍物(例如土层构造)要求拉绳弯曲，可以不重合。

联结销43位于底壁16之上一称为联结销高度h_p的距离处(图2)，该距离h_p定义为：(a)联结销43的纵轴线50与(b)铲斗静止在水平面上时与唇部20连接的底壁12的内表面52的前端边缘54之间的垂直距离(即，用于确定高度H的同一位置)。对于这个尺寸以及在本申请中讨论的所有尺寸和关系，铲斗被认为包括挖掘工作中使用的所有磨损部件。另外，对于这个尺寸，如果有不止一个水平联结销，则该联结销为最接近铲斗的联结装置内的水平销。当唇部20大致沿着一个平面时，沿着前端边缘54的任何点都可以使用。如果唇部是垂直弯曲的，可用平均位置。由于联结销高度hp为一个垂直距离，则不论是否使用联结装置伸长部，或唇部是否有反向铲、铲、台阶状或其它非线性形状，它都不受联结销向前突出的影响。

在一个优选实施例中，联结销43在铲斗上放置得高，以便使铲斗更好地向前倾倒，在挖掘行程开始进行更急剧地和更快地穿透运动。较高的联结销可形成使铲斗围绕齿和/或护罩的尖端倾斜的较大力矩，使齿挖入土料中和迫使铲斗深入地面。为了获得这些好处，联结销43放置在联结销高度h_p处，它优选至少为铲斗高度H的三个齿，即h_pH≥0.3，更优选是h_p/H≥0.5。但对于一些铲斗，这个比率可高达1.0，甚至更高。

如上所述，联结装置40由联结元件36和联结装置伸长部39构成。联结装置伸长部39包括确定联结销43的通道42的横向放大部分。同样，联结元件36由颊板28的确定连接销38的通道37的横向放大部分构成。在本申请中，联结装置40的这些横向放大部分称为联结结构66(图1-4)。同样，联结装置44是颊板45的确定联结结构68的横向放大部分(图6)。联结装置40将铲斗10与牵引链(未示出)连接。在每个挖掘行程中，牵引链将铲斗拉向牵引车。由于联结结构66(或68)的横向放大结构和联结装置40(或44)与牵引链连接，联结装置40(或44)对铲斗的截深提出极限。即，横向放大的联结结构66(或68)形成阻止更深挖掘的较大垂直阻力。联结装置的高度有助于控制铲斗装满的速度，因为联结装置抵抗在挖掘过程中由唇部和齿所加的向下力。如果铲斗装满太快，拉动铲斗需要的力就会超过给定机器的拉动能力。如果联结装置太低，则土料流入铲斗的速度受限制，产量降低。可以使用牵引链连接的另一凸出部分(例如链节)来限制穿透。

因此，为了使铲斗挖掘得较深，较高的联结装置位置是优选的。铲斗深入地面较深可较快装满，这样，铲斗性能较好。联结高度h定义为：(a)铲斗静止在水平面上时，与唇部20连接的底壁12的内表面52的前端边缘54(即，用于确定高度H的同一位置)与(b)联结装置40的联结结构66的最低位置70之间的垂直距离。在一个优选结构中，联结装置高度h与铲斗高度H之比至少约为0.20(即h/H≥0.2)。联结高度h与铲斗10的高度H之比更优选为≥0.3，但可大于0.5，甚至可达1.0或更大。

铲斗的重心CG的位置及其有效载荷(如果有的话)也可影响铲斗的性能。重心长度l为：当铲斗静止在水平面上时，挖掘齿22的最前尖端78与铲斗10的重心CG之间的水平距离(图2)。本申请的重心CG被认为就是铲斗10的重心，而其有效载荷(如果有的话)在铲斗空腔18内。在所示实施例中，铲斗10有反向铲唇部，使得靠近侧壁14的齿22比更靠中心的齿更向前突出。在该实施例中，重心长度l从靠近侧壁14的外齿22的尖端23计算。在另一个位于中心的挖掘齿22比其它挖掘齿(未示出)更向前突出的铲斗结构中，重心长度l从位于中心的挖掘齿的尖端计算。当挖掘材料收集在铲斗10内时，重心长度l改变。铲斗空时的重心长度l是铲斗准备挖掘用的，即，与地面接合的工具和其它磨损部件在工作过程中连接好可使用的。

参见图1-5，所示铲斗10是空的，并且重心CG位置与带有相应的磨损部件的空铲斗10的实际重心位置相对应。然而，当挖掘材料进入空腔18中时，重心CG位置偏移，即由于收集挖掘材料，重心CG位置偏离铲斗10的初始重心位置。

在拉铲铲斗10中，为了实现理想的倾倒以使铲斗快速深深地进入地面中，在挖掘行程开始，下列关系是优选的。

这个关系继续直至铲斗达到其理想的挖掘深度。在达到理想的穿透深度且铲斗部分装满后，铲斗的这些因子的关系优选改变至下列关系，铲斗变水平，以便更持续和稳定地装满空腔18。

在一个示例中，铲斗从第一个关系移至第二个关系，这时铲斗被土料装满约20%，尽管其它量可用于其它铲斗结构。第二个关系优选在铲斗的挖掘全长(即，等于铲斗长度的距离)或更多上保持。换句话说，这两个关系只可用于分析在有效载荷相对于铲斗运动时的铲斗。在停转或接近停转时，该关系不再适用。虽然可用任何单位，但对于两个重量变量和两个距离变量必需用相同的单位。

假定联结销高度h_p与挖掘材料是否在空腔18内无关，但当计算两个关系时，联结销高度h_p的值仍保持相同。

拖拉力涉及克服抵抗由铲斗10收集的挖掘材料所需的力。换句话说，拖拉力为在挖掘行程中通过牵引链所加的推动铲斗10通过挖掘材料的力。一般来说，当挖掘材料收集在铲斗10内时，拖拉力增加。结果，在每个关系中，用于拖拉力的值不同。

如上所述，当挖掘材料收集在铲斗10内时，重心长度l改变。结果，对于挖掘行程中的每个点来说，用于重心长度l的值在极大程度上是不同的。虽然重心CG位置随着铲斗开始装满而开始向前偏移(即，重心长度l开始减小)，但一旦铲斗达到一定的装满百分比后，过程反向且向后偏移(即，向着后壁16)。假定从挖掘齿22的最前尖端至重心CG的距离在大多数挖掘行程过程中由于挖掘材料收集在铲斗10内而一般会增加，重心长度l的值通常对第二个关系比对第一个关系大。

当铲斗空时以及在铲斗开始深入和装载过程中时，在第一个关系中使用的铲斗和有效载荷重量变量为铲斗10的总重量。当铲斗10在开始穿透后装满时，在第二个关系中使用的铲斗和有效载荷重量变量为铲斗10和空腔18内的挖掘材料的总重量。因此，在第一个关系中用于铲斗和有效载荷重量的值比在第二个关系中用于综合的重量的值小。在两个关系中，铲斗和有效载荷重量包括固定在铲斗上的磨损部件，但不包括索具。

根据以上的讨论，联结销高度hp在第一和第二个关系之间保持常数，而拖拉力、重心长度l、以及铲斗和有效载荷重量各自发生变化。虽然拖拉力在两个关系之间增加，但重心长度l和铲斗和有效载荷重量的乘积所增加的程度比拖拉力和联结销高度的乘积大(即，有时不是在挖掘行程结束时)。因此，在本发明中，第一个关系提供的值大于或等于1，而第二个关系提供的值小于1。在该关系中设计的偏移使铲斗有一个开始穿透的定向和一个不同的在开始穿透后收集材料的定向。在本发明中，为了使铲斗从倾斜状态偏移至与挖掘平面(例如地平面)基本上水平的状态，在铲斗处于其希望的深入深度的点上，优选从一个关系粗略地变化至另一个关系。联结结构66与地面接触也可帮助铲斗从倾斜状态偏移至水平状态。

在常规工作中，因为土料收集在铲斗中，它一般被驱动向上和向内。当铲斗装满时，后收集的材料被驱动向上跨过已收集的材料，使它形成一个堆，堆的高峰更接近前端开口而非后壁。在图8a-8c中表示常规铲斗的连续的概括化的填充模式f1，f2，f3，f4。开始进入铲斗的材料一般在铲斗空腔中形成一个小堆。除了从该堆的顶部向后倒塌的材料外，后装的材料都堆在这个开始的材料堆上和前部。即使铲斗的后面部分没有完全装满，收集的材料的这种堆积对进一步装满铲斗也造成堵塞。铲斗中和铲斗前面中收集的材料堆阻碍进一步装载，并大大增加继续拉动铲斗通过地面需要的力。另外，当提升铲斗进行倾倒时，沿着填充线f3，f4收集的大部分材料从铲斗前面掉失。在提升过程中，铲斗前部中隆起的材料连同材料从铲斗前部明显掉失一起，可以导致隆起的堆在铲斗前部形成，该隆起的堆可能需要用其它设备定期推平或推回去。

在一种优选的拉铲铲斗中，开始时铲斗向前倾斜，以快速穿透地面至深挖掘位置。这样，每次增加距离可将更大深度的材料装入铲斗中，铲斗则被牵引链向前拉动。一旦达到希望的深度并且将特定最小量的材料装入铲斗中后(例如20%装满)，铲斗偏移至水平，将材料相对恒定地送入空腔18中。铲斗的自动校平可避免挖掘太远进入地面使铲斗堵塞，还可避免过大的拖拉力，以及帮助以较小的干扰装入土料—所有这些可使拉铲生产力更高。当铲斗装载时，铲斗的根部与地面接触。

如图7所见，本发明优选实施例的穿透轮廓P₂表示铲斗的穿透在较陡的角度下进行且比具有可比尺寸的常规铲斗(在P₁表示)更深地进入地面中。利用较深的相对恒定的切割(即，在平整后)装载空腔18会导致更快地装满并使材料的破坏最小，因为对于挖掘行程的大部分，铲斗可大量地装载成几个基本水平的坚固层。与常规铲斗的挖掘比较，图9a-9c中的连续的概括化填充模式f5，f6，f7表示土料初始装满铲斗f5较连续，材料层的干扰较少。接下来的下一个材料层f6开始被驱动向上，跨过开始或先前的切割材料，形成新层。最终装载的有效载荷f7被迫使向上跨过开始的各层。如波浪线所示，在装载过程中，后续的层变平，并且偏移下面层的前端部分。没有给工业生产造成麻烦的铲斗前面朝前的堆中的材料大量堆积。另外，由于收集的材料受干扰较少，唇部前面的材料以比常规铲斗中更陡的角度剪断，因此当提升铲斗时材料掉失较少。这可减少堆或就没有隆起的堆。为了得到完全的有效载荷，在接下来的工作中本发明的铲斗不需要在隆起的堆上挖掘。

通常，拉铲铲斗10的长度L是空腔18的轴向伸长的量度(图2)。通常，理论上，较短的铲斗比较长的铲斗可更块地装满，即如果所有条件相同，由于土料进入铲斗空腔必需经过的行程长度不同，较短的铲斗可比相同容量的较长的铲斗更快地装满。另外，铲斗10的长度L也影响铲斗的稳定性、倾倒穿透能力和挖掘性能。一般认为，挖掘性能和装满速度是高度复杂的过程，它取决于许多因素，包括铲斗结构、收集的材料、铲斗相对于矿车的位置、正在挖掘的地表面的斜度、所用的与地面接合的工具的形式等。然而，尽管许多因素的影响，在优选的铲斗结构中，铲斗长度是要考虑的达到较高性能的铲斗的一个因素。铲斗长度L定义为：(a)唇部20的前沿72的平均位置与(b)当铲斗在静止在水平面上时空腔18的最后位置74之间的水平距离。在带有线性前沿的唇部中，沿着前沿的任何点都可用于确定铲斗长度。在反向铲，铲，弧状、台阶状或其它带有非线性前沿的唇部中，前沿的平均位置用来确定铲斗长度L。铲斗10的最后部分74优选在后壁16的中部，它沿着其内表面76成大致弯曲的凹的构造。

在常规拉铲铲斗中，土料的隆起还使材料放松，并且与材料的预先挖掘密度比较，其密度减小。甚至当材料形成会阻止进一步装满和/或形成隆起的堆时，与预先挖掘的材料比较，其总的密度仍较小。在本发明中，理论上的概念是将铲斗送入地面中而不干扰收集在铲斗中的材料。这在实际工作中当然是不可能的。但是，利用本发明的铲斗可使收集的材料的破坏最小。减小的破坏形成了比在常规铲斗中更稠密的有效载荷，因此每个挖掘行程可提供大的有效载荷。

另外，在常规铲斗中，普通横撑杆沿着侧壁顶部轨道冲击铲斗的顶部。但在本发明中，由于较快地深入和装满速度，在一些情况下，铲斗比放松起重机绳更快地挖入地面中和装满。这可减小横撑杆落下的冲击多达90%。

利用具有某些特点组合起来的拉铲铲斗，可达到希望的挖掘轮廓P2和填充模式f5，f6，f7(图7和9)。第一，至少沿着铲斗10的前部且优选沿着全长，铲斗10的侧壁14主要带有与垂直线至少约为7度的由顶至底的锥度。另外，优选的是，由顶至底的锥度在与垂直线约7-20度范围内，更优选与垂直线约为9-15度(图5)。第二，铲斗高度H与铲斗长度L之比(即H/L)在0.4-0.62内，优选在0.58-0.62内(图2)。第三，联结销高度hp与铲斗高度H(即hp/H)之比优选是等于或大于0.3，更优选是等于或大于0.5。

通常，用于在矿车之上或下至在矿车下不大于约25度的拉动绳的任何重要的挖掘的铲斗，优选其高度与长度之比(H/L)在希望范围的较高端(即约0.6和最优选是0.58-0.62)。在主要用于拉动绳在矿车高度和矿车下不大于约40度之间的地方的挖掘时的铲斗中，高度与长度之比(H/L)优选约为0.5。高度与长度之比在希望范围的较低区域(即约0.4)的铲斗优选保留用于在矿车之下的最深水平的挖掘。在大多数情况下，高度与长度之比(H/L)优选为0.5-0.62，最优选为0.58-0.62。

常规拉铲铲斗带有由顶至底的侧壁锥度(虽然角度小于7度)；拉铲铲斗形成H/L比为0.4-0.62；其它拉铲铲斗的联结销高度hp≥0.3。然而，先前并没有使用这些因素的综合。这些因素的综合，与常规拉铲铲斗比较，产生优秀的和意想不到的结果。本发明的铲斗装载较快，有效载荷较大(借助于较大程度的装满和有效载荷的密度增加)和需要较少的附加设备进行工作(例如，消除或减小隆起的堆)。

在一个优选实施例中，拉铲铲斗10还具有联结销高度hp和铲斗长度L之比(即hp/L)至少为约0.2(图2)，最优选大于或等于0.3。另外，铲斗的联结高度h和平均高度H之比(即h/H)优选至少为0.2，最优选至少为0.3。铲斗的联结高度h和平均高度H之比可高达1.0或更大。

对于现代采矿工作，使用大拉铲铲斗，即容量为30立方码或更大铲斗是很普通的。虽然大拉铲铲斗比小铲斗的产量要高得多，但由于在工作过程中加在铲斗上的负载和应力大得多和装满时间较长，它们也有许多严重的装载和稳定性问题。另外，大铲斗的结构有效载荷容量的单位重量往往较小。结果，在较大铲斗中，为了生产可如预期那样有效工作的铲斗需要多得多的关注。这些大铲斗通常在拉动绳对矿车高度倾斜不低于约45度和在矿车高度之上的倾斜不高于约30度的范围中工作。根据本发明和在这些条件下工作的铲斗能够更快地装满，需要较小的动力，增加每个挖掘行程的有效载荷，循环较快，钢重量与有效载荷重量之比率低，且在一些情况下可减少或消除用来抹平隆起的堆所需的附加的设备。矿山也可实现更有效的采矿计划或采矿顺序。

虽然本发明的各个方面特别适用于大的拉铲采矿工作中，但通过将这些方面引入其它拉铲铲斗工作中，哪怕是更有限的方式也可得到一些好处。本发明的各个方面可用于较小的铲斗中，但一般对铲斗性能的影响较小。对于挖泥或材料作为稀浆开采的一些磷酸盐采矿工作，通过包括本发明各方面，拉铲铲斗操作可获得一些益处。然而，由于存在水，使用本发明各方面的好处受限制。另外，一些矿产地(例如一些磷酸盐矿)，拉铲斗向上，与水平线陡倾斜多达到60度。在这些结构中，设计参数大大不同。例如，在这些条件下，拉绳一般需要邻近地与铲斗重心对准，以防止不小心将齿拉出地面外。然而，一些特点例如侧壁的较大的向下锥度和不存在横撑杆(在下面更充分讨论)对这些铲斗也有一些好处。

在另一个结构中，根据本发明的铲斗100具有从索具101可取消横撑杆的构造(图10-21)。铲斗100包括底壁112，后壁116和一对侧壁114，它们在铲斗100内形成收集挖掘材料的空腔118。每个侧壁114包括前部区域115，中心区域117和后部区域119。唇部120装有多个挖掘齿122，该齿与地面接合，以破坏或取出土料，然后该土料收集在铲斗空腔118内。拱130在侧壁114之间和唇部120上延伸，然而该拱可以省去。为了使铲斗100与索具101连接，铲斗100包括一对联结装置140，一对后连接点127(例如耳轴)和一对上连接点129(例如锚支架)。更具体地，联结装置140用于使牵引链102与侧壁114的前部区域115连接，后连接点127用于使起重链103与侧壁114的后部区域119连接，而且利用上连接点129使倾倒绳107与拱130连接。

铲斗100的结构特点是与以上对铲斗10所述一样，其中侧壁114在前部区域115中的由顶至底成锥度。更具体地说，侧壁114在前部区域中，在顶部轨道160和侧壁114的底壁112之间由顶至底成锥度，优选以与垂直线成至少约7度的角度θ。在一个优选示例中，侧壁与垂直线成约14度的角度θ(图19)。然而，与铲斗10一样，侧壁114优选具有约7度至约20度的由顶至底的锥度。

如图21所示，铲斗100还有一种结构，其中侧壁114在后部区域119中有向上(即，由底至顶)的锥度，即侧壁114在后部区域119中沿向上方向离开底壁112会聚。侧壁优选在接近后壁116的全高上形成锥度，但也可以只在其高度一部分上有向上的锥度。连接点127在后部区域119中固定在侧壁114的外表面上，以便直接或间接地与起重链103连接。假定侧壁114在后部区域119中的部分有向内向着顶部轨道160的锥度，则起重链103有向内向着倾倒阻止组件105的角度。这样，不需要横撑杆来防止起重链与铲斗过度接触。

常规拉铲铲斗中的侧壁没有锥度或在形成起重链连接的后部区域中没有由顶至底的锥度。为了限制起重链擦伤或接触侧壁的程度，可使用横撑杆为起重链赋予一个从拉铲铲斗向上延伸的向外的角度。一般地，第一对起重链在向外角度方向从拉铲铲斗向上延伸以连接横撑杆，第二对起重链在向内角度方向从横撑杆向上延伸以连接可具有上部或辅助横撑杆的倾倒阻止组件。但在使用铲斗100的拉铲装置中，因为侧壁114的由底至顶的锥度，没有主横撑杆。因此，赋予侧壁114在后部区域119中的各部分以向上锥度可形成这样一种结构，其中在没有主或下横撑杆的情况下，起重链103可有向内的角度，以限制与侧壁114的接触或擦伤。

通过从索具101除去横撑杆及其相关联的连杆和销，索具中的构件数目减少。与常规拉铲装置中的四个分立的起重链相比，起重链103的总长度较短。因此，通过省去横撑杆及其连杆和销，以及通过缩短起重链103的总长度，索具101的总重量减小。因而，侧壁114的向上锥度具有优点，包括：(a)构件和构件之间的连接数较少，(b)起重链103的总长度减小，和(c)总重量减小。在大铲斗中，由这些改变引起的重量减小可达11000磅或更多。索具重量的减小可以使用提供较大有效载荷的铲斗。即使有效载荷增加1%也是很大的优点，因为一些矿山除了维修和其它这种停工之外，拉铲铲斗是一天24小时，一星期7天连续工作的。

侧壁114在后部区域119中的向上锥角可以变化很大。当铲斗静止在水平面上时，每个侧壁114与垂直线的向上锥度的角度β优选约为20度，但可在与垂直线约15-25度的范围内，或可为一般足以减小起重链103和侧壁114之间接触的任何角度。优选的是，由底至顶的锥度尽可能限制在远后方，但足够前，以避免铲斗和起重链之间的过度接触或冲突。

如图10-13所示，侧壁114在中心区域117中的部分具有向外锥度和向内锥度，以形成在前部区域115中的向下锥度和在后部区域119中的向上锥度之间的过渡。(a)侧壁114在前部区域115中的向下锥度，(b)侧壁部分114在中心区域117中的部分的过渡，和(c)侧壁114在后部区域119中的向上锥度的组合，沿着侧壁114的长度形成大致s形的曲线。但是可用各种其它形状形成过渡。然而，在中心区域117中，大致s形的曲线或其它大致曲线或非角度构造的优点是平滑的过渡，这可减小在铲斗100中的应力集中和更好的装载和倾倒。

铲斗200为UDD型拉铲铲斗，即，它包括前部和后部起重绳(未示出)，以控制铲斗的提升和姿势(图22-24)。美国专利6705031中公开了UDD铲斗装置的一个示例。铲斗200具有底壁212，侧壁214和后壁216。唇部220延伸跨过底壁212的前端，并且优选包括向上弯以与颊板228连接的端部103。颊板228向前突出，以形成作为横向增大的轮毂的联结装置244，以限定容纳联结销的水平通道。拱230在侧壁之间延伸(虽然可以省去该拱)，并支承用于连接前起重链的接头232。

侧壁214优选具有在前部区域215中的向下锥度和在后部区域219中的向上锥度。向下(即，由顶至底)锥度与以上对铲斗10和100所述的相同。向上(即，由底至顶)锥度优选只部分地于侧壁在铲斗后部区域中的高度上延伸。在这个结构中，每个侧壁214包括作为大致三角形板的向内倾斜的拐角部分225。拐角部分225优选以约35度的角度α向内倾斜，但也可以约15-45度倾斜。与铲斗100不同，不需要具有S形或其它形状的壁部分的中心过渡部分，尽管可设置不同的中心部分。另外，优选前部部分延伸至拐角部分225。侧壁214在拐角部分225之外的其余部分优选与垂直线成至少约7度的向下锥度。

在一个优选结构中，侧壁与垂直线倾斜约14度的角度，但倾斜约7度至20度也可使用。拐角部分225的下边缘231优选向下倾斜至接头227，以便与后起重链连接。根据挖掘情况的不同，后起重链优选包括后起重链的前和后连接点241，243，但可以只具有一个连接点。拐角部分225的向内倾斜为后起重链提供间隙，因此可省去横撑杆而得到如以上对铲斗100所述的同样好处。虽然在所述的UDD拉铲铲斗200中利用向内倾斜的拐角部分形成向上锥度，也可形成带有如在铲斗100中公开的中心过渡部分的完全或部分高度锥度。同样，铲斗100的向上锥度可由如对铲斗200所述的向内倾斜的拐角部分形成。向内倾斜的拐角使由底至顶锥度的延伸部分最小，这点是优选的。但是，这种结构对起重链连接接近后壁的铲斗最适合。在常规拉铲铲斗中(即，非UDD铲斗)，起重链连接一般放在远前端，以更好地平衡倾倒绳上的负载。在UDD铲斗中，因为铲斗的姿势和倾倒由前端起重绳而不是倾倒绳控制，因此起重链连接可在远后端。

在拉铲铲斗中，优选将本发明的各个特征一起使用。这些结构可组合使用，可使操作容易与性能最大化。但是，各个特征可以单独使用或进行有限的组合，以实现本发明的一些好处。

在上文和结合各种结构的附图中公开了本发明。然而，说明的目的是提供与本发明有关的各种特征和概念的示例，不是限制本发明的范围。本领域的技术人员会意识到，在不偏离本发明范围的条件下，可对上述结构作许多改变和改进。

Claims (9)

1.一种拉铲铲斗，包括：底壁，一对侧壁，以及后壁，它们共同形成用于收集土料的空腔，其中该空腔容量至少为30立方码，当侧壁向着底壁延伸时，侧壁以14-40度的夹角在横向上彼此相向地会聚，每个所述侧壁支承着联结元件，所述联结元件形成用于容纳与联结装置伸长部连接的连接销的通道，联结装置伸长部包括用于容纳与牵引链连接的联结销的水平通道，该铲斗具有的高度为底壁的前端处的该底壁的内表面与侧壁顶端的全长之间的垂直距离平均值，该全长排除了该后壁上的任何削减以及拱支承或倾倒绳支承的向上延伸部，联结销的高度为在该前端处的该底壁的内表面和该联结销的纵轴线之间的垂直距离，并且联结销的高度与铲斗的高度之比至少为0.3。

2.根据权利要求1所述的拉铲铲斗，其中侧壁没有前至后的锥度。

3.根据权利要求1或2所述的拉铲铲斗，其中每个所述侧壁与垂直线成9度至15度的角度。

4.根据权利要求1或2所述的拉铲铲斗，其中每个所述侧壁支撑着联结装置，该联结装置包括至少一个在横向上增大的联结结构，该联结结构确定用于容纳销的通道，联结高度定义为在该联结结构上的最低点和在底壁的前端内表面之间的垂直距离，并且联结高度与铲斗高度之比至少为0.25。

5.根据权利要求1或2所述的拉铲铲斗，其中在挖掘过程中一唇部固定在该底壁的前端以确定前沿，其中，联结元件中的通道是垂直通道，并且联结元件处于从唇部向前的位置，该铲斗的长度为该前沿的平均前部位置和该空腔的最后位置之间的水平距离，以及该联结销高度与铲斗长度之比至少为0.2。

6.根据权利要求5所述的拉铲铲斗，其中铲斗高度与铲斗长度之比为0.40至0.62。

7.根据权利要求5所述的拉铲铲斗，其中该联结销高度与铲斗长度之比至少为0.3。

8.根据权利要求6所述的拉铲铲斗，其中铲斗高度与铲斗长度之比为0.58-0.62。

9.根据权利要求1或2所述的拉铲铲斗，其中联结销高度与铲斗高度之比至少为0.5。