CN103508350A - 钢丝绳的动态阻尼 - Google Patents

Abstract

本发明涉及钢丝绳的动态阻尼。公开了一种机器，包括基座、可自由转动并被支承在基座上的主壳体。主壳体包括大致水平的表面。该机器还包括：安装在所述主壳体上的卷筒、从所述主壳体延伸的悬臂、可操作地连接到悬臂并由悬臂支承的铲斗、在卷筒和铲斗之间延伸以用来移动铲斗的钢丝绳、沿钢丝绳的路径设置在主壳体上的导缆器。钢丝绳穿过在卷筒和铲斗之间的导缆器。动态阻尼机构设置在导缆器上，该动态阻尼机构包括具有响应于施加到其上的电流而可变的粘性的阻尼流体。

Description

钢丝绳的动态阻尼

技术领域

本发明涉及用于操作诸如经常用在采矿操作和建造中的拉铲式挖掘机等的重型推土机的钢丝绳的动态阻尼控制机构。

背景技术

钢丝绳是诸如拉铲式挖掘机和电动采矿挖掘机的重型土方设备的基本部件。钢丝绳是铲斗通过其定位以在拉铲式挖掘机应用中拖拽和提升载荷以及在挖掘机应用中提升和/或挤压的机构。钢丝绳还可以是所接合的结构靠其来支承的机构（例如拉铲式挖掘机或挖掘机的悬臂或桅杆）。这样，优化钢丝绳寿命对于确保设备可用和降低操作成本是至关重要的。

在诸如拉铲式挖掘机的重型推土设备的操作过程中，尤其是在挖掘中，钢丝绳经受应力和在钢丝绳中产生驻波振动的冲击载荷。除了不受控，钢丝绳经受极端的偏移。用于大表面采矿设备上的钢丝绳通常是大直径的钢丝绳，在某些实例中直径达到5.00″。该大直径钢丝绳非常重，且其无阻尼的摆动和移动（或抖动）由于抖动绳的高惯性载荷会导致对绳、支承绳的滑轮和支承结构的实质性损害。

在定位模式中（例如在挖掘、提升和降低铲斗过程中），从旋转架组件的导缆孔出来的拖拽绳（呈钢丝绳的形式）遵循经受应力和在钢丝绳中产生驻波振动的冲击载荷的钢丝绳的位置。极端偏移在定位模式中转换成干扰在卷筒或中间滑轮组件上的钢丝绳的缠绕且在绳路径附近必须要求大间隙以避免与周围结构和设备接触。

在悬挂支承模式中，在钢丝绳无支承长度的量很大且钢丝绳的单位重量大的拉铲式挖掘机设备中存在明显的偏移。在悬挂支承模式中的极端偏移转换成在相应连接点处的各个绳束的疲劳。在钢丝绳无支承长度的量很大且钢丝绳的单位重量大的拉铲式挖掘机设备中，偏移是尤其明显的。

两种情形（绳束的疲劳以及与在卷筒和/或滑轮上的缠绕的干扰）都必定限制拉铲式挖掘机设备设计和操作的方式。在两种钢丝绳模式（定位控制和悬挂支承）中，非常需要抑制绳中的摆动。但是，太大的绳移动抑制或太小抑制可导致类似的不利影响。

现有的抑制钢丝绳穿过其的两个旋转滑轮架的枢转动作的尝试已包括在两个旋转架之间安装连接件。已使用多个不同连接件，包括安装在两个架之间的固定孔液压阻尼器、实心金属杆、大橡胶圈和大的矿用汽车轮胎。

所使用的常规阻尼器具有固定阻尼特性且不允许调节阻尼特性，由于载荷条件、操作员输入、环境因素和挖掘条件等改变，阻尼特性会剧烈变化。目前要将阻尼器特性改变成不同的固定阻尼力，阻尼器必须移除、拆卸、机加工、重新组装和重新安装。这不是非常成本有效的或及时的解决方案。而且，常规摩擦型阻尼器依赖于研磨，这导致材料的磨损，从而导致阻尼特性在阻尼器的寿命期间的不一致和变化，以及部件的不断退化。这些阻尼器的磨损需要在连续基础上维护。该维护经常被忽略且阻尼器的性能受损严重。同样，摩擦型阻尼器不提供与粘性流体阻尼器一样理想的阻尼效果。

发明内容

因此，本发明的示例性目的是通过自动实时地改变其阻尼特性以适应变化的载荷条件或即将到达的冲击波来稳定两个导缆器旋转架的枢转运动。

在一个实施例中，机器包括基座、可自由转动并被支承在基座上的主壳体。主壳体包括大致水平表面。该机器还包括安装在所述主壳体上的卷筒、从所述主壳体延伸的悬臂、可操作地连接到悬臂且由悬臂支承的铲斗、在卷筒和铲斗之间延伸的用来移动铲斗的钢丝绳、沿钢丝绳路径设置在主壳体上的导缆器。钢丝绳穿过位于卷筒和铲斗之间的导缆器。动态阻尼机构设置在导缆器上，该动态阻尼机构包括阻尼流体，该阻尼流体具有响应于施加于其上的电流而可变的粘性。

附图说明

图1是根据本发明的实施例的拉铲式挖掘机的正视图。

图2a是图1的拉铲式挖掘机导缆器的透视图（等距图）。

图2b是图2a的一部分的放大图。

图3是包括提升引导轮塔的拉铲式挖掘机的部分透视图。

在详细解释本发明的任意实施例之前，应理解本发明的应用不限于以下说明书中阐述或附图中示出的结构和部件布置的细节。本发明可具有其它实施例或可以各种方式实践和实施。

具体实施方式

图1示出拉铲式挖掘机1，该拉铲式挖掘机1包括可呈脚踏驱动机构或行走矿车的形式的基座5以及可自由转动并被支承在基座5上的主壳体10。主壳体包括大致水平的、向上面向的表面11。悬臂12从主壳体10的表面11延伸且支承铲斗16。线缆卷筒13贮存用来水平地支承铲斗16的拖拽线缆15。一系列滑轮、导轨和线缆（包括提升绳14和拖拽绳15）与悬臂15组合用来操纵铲斗16沿地面进行挖掘和采矿操作。

在拉铲式挖掘机1上用来抑制在拉铲式挖掘机1上的拖拽绳15的摆动的一个机构是图1、2中示出的导缆器20。在诸如拉铲式挖掘机1的重型推土机中，导缆器20用来克服方向的竖直变化而平滑地引导线、绳或线缆。导缆器20还在长且直的延伸的重的线、绳、或线缆上提供中间竖直支承以最小化偏向和振动。

如图2a和2b中最佳所示地示出的，导缆器20由固定塔21限定且部分地通过压杆22固定到主壳体10的表面11。导缆器塔21包括从卷筒13引导拖拽绳15的成对的上塔滑轮23。上滑轮23朝向成对的旋转架24分别地向下引导拖拽绳15。旋转架24被允许相对于塔21独立转动以遵循附连到铲斗16的两条相应的拖拽绳15的方向，拖拽绳15在挖掘过程中朝向拉铲式挖掘机1拉紧同时填充铲斗16、在提升充满的铲斗13到倾倒位置的过程中从拉铲式挖掘机1松开，以及接着在将铲斗16降回到挖掘位置的同时松开。在这些挖掘、提升和降低模式中，由于被挖掘材料的不均匀的挖掘阻力以及在拉铲式挖掘机1摆到倾倒位置或回到挖掘位置时施加到铲斗16的惯性载荷，铲斗16侧向移动离开拉铲式挖掘机1的中心线。

继续参照图2a和图2b，至少一个旋转滑轮25安装在每个旋转架24内以引导拖拽绳15（其可呈钢丝绳的形式）。每个旋转滑轮25包括限定轴线的轮毂26、限定至少一个沿周向延伸的沟槽28的轮缘27、以及定向成大致垂直于轴线的两块板29，每块板29与轮毂26和轮缘27相连。旋转架24的转动动作的目的是允许拖拽绳15在拉铲式挖掘机1的挖掘模式过程中遵循铲斗16的侧向移动而不会导致在拖拽绳15上的不当的侧向应力。

在示例性实施例中，电动控制的动态阻尼通过包括安装在旋转架24和导缆器塔21之间的液压杆31的机构30提供给形成拖拽绳15的钢丝绳。在一个实施例中，利用磁流变（magnetic rheology）来改变导缆器旋转架24的有效阻尼特性。磁流变的优点是其简单性以及其提供理论上无限范围的高度敏感阻尼。利用磁流变，设置在杆31内的阻尼流体的粘性可通过电流在外部磁场作用下从其正常粘性到近似固体地变化。通过引入具有专用电动控制算法的磁流变技术，在导缆器20的整个操作范围内获得优化的阻尼结果，由此通过最小化钢丝绳的偏移而最大化拖拽绳15的寿命。

动态阻尼机构30（也称为“阻尼器”）限制旋转架24的转动且最小化对拉铲式挖掘机绳15和导缆器20的结构的损害。例如，阻尼器30可以是附连在旋转架24和导缆器塔21之间的双作用液压杆31。阻尼器30可根据所需的阻尼水平放置在每个旋转架24的两侧边上或在旋转架24的任一边上。在一个实施例中，阻尼器30可包括精确机加工的钢壁缸32，其中具有盖住和密封的活塞以及包括含铁颗粒悬浮在其中的阻尼液。例如，粘性流体可以是矿物油类、乙二醇或包含体积占20-40%的铁颗粒的合成油。

阻尼器30基于拉铲式挖掘机1的操作条件使用外部设备诸如控制器40、传感器41和监视器42来自动调整阻尼作用。控制器40可包括计算机、便携式电话或其它设备，且可位于主壳体10上或可远程放置。在一个实施例中，一系列传感器41和监视器42测量在阻尼器30上的测试力以确定由阻尼器30吸收的精确速度和力。获得该信息后，算法计算粘性流体的磁场强度到预定值以吸收阻尼器30内的能量。

所需的阻尼水平高度依赖于实际的挖掘条件和拉铲式挖掘机1操作员的技能。这两个因素在任意给定情形下是高度变化的，这是为什么需要可通过外部设备容易调整的阻尼系统的一个原因。在实际操作过程中，通过自适应控制软件利用磁流变来实时改变液压阻尼特性允许了基于经受的变化条件优化实际阻尼特性。

通常，在定位模式下，努力最小化缠绕在卷筒或滑轮上的钢丝绳的驻波振动的影响，限制在该振动模式中钢丝绳的偏移，并且通过安装成同时抑制摆动的幅度以及促进绳到卷筒的传动角的机械绳导轨来获得对钢丝绳的挺进（传动）角的促进。与导缆器滑轮相关连的适当阻尼作用可通过（利用滑轮的质量和重力）安装/定向的固有设计和/或液压阻尼器的组合或两者之一获得。该设计理念可静态地“调整”以为固定操作条件提供适当阻尼。但是，固有问题是在实际中不存在“固定”操作。因此，由于弯曲疲劳和/或磨损，任何过量补偿都导致绳寿命减少。任何不足补偿都导致过度的钢丝绳偏移以及其间接效应。

因此，在本发明的示例性实施例中，在定位模式中，动态阻尼施加到允许平移和引导钢丝绳15的导缆器组件20。在定位模式中，安装动态阻尼系统以便通过在两个架24之间提供阻尼设备来提供两旋转架24的动态控制，使用每个架作为反作用支承件以抑制摆动。在替代实施例中，独立的阻尼设备可安装在每个导缆器旋转架24和导缆器塔21的静止部分之间。这样，阻尼机构30布置成连通可移动的导缆器旋转架24和适于抵抗导缆器20的动能的静止塔21。

在悬挂模式中，例如，动态阻尼机构30可应用在如图3中所示的提升绳滑轮塔50中。由于要求获得对整个设备操作范围的动态阻尼和机械控制系统的固有的缓慢性质的响应，本发明的示例性实施例利用在提升绳滑轮塔50中的动态阻尼器的电动控制来控制提升绳的竖直摆动。

虽然以上描述具体地涉及拉铲式挖掘机，但应该理解的是本文所讨论的动态阻尼控制机构可以使用在诸如电动挖掘机、起重机等经受钢丝绳偏移的其他应用中。因此，在本发明的一个或更多个独立方面的范围和精神内，存在变型和修改。

Claims (18)

1.一种机器，包括：

基座；

主壳体，所述主壳体能够在所述基座上转动并被支承在所述基座上，所述主壳体包括大致水平的表面；

卷筒，所述卷筒安装在所述主壳体上；

悬臂，所述悬臂从所述主壳体延伸；

铲斗，所述铲斗可操作地连接到所述悬臂并由所述悬臂支承；

钢丝绳，所述钢丝绳在所述卷筒和所述铲斗之间延伸，以用于移动所述铲斗；

导缆器，所述导缆器沿所述钢丝绳的路径被设置在所述主壳体上，所述钢丝绳穿过在所述卷筒和所述铲斗之间的所述导缆器；以及

动态阻尼机构，所述动态阻尼机构设置在所述导缆器上，所述动态阻尼机构包括阻尼流体，所述阻尼流体具有响应于施加到其上的电流而可变的粘性。

2.如权利要求1所述的机器，其中，所述动态阻尼机构包括至少一个液压杆。

3.如权利要求2所述的机器，还包括控制器，所述控制器电动地控制施加到所述阻尼流体的电流量以改变所述阻尼流体的粘性。

4.如权利要求3所述的机器，其中，所述控制器响应于所述动态阻尼机构所经受的变化载荷条件而实时地自动改变所述阻尼流体的粘性。

5.如权利要求3所述的机器，其中，所述动态阻尼机构包括多个杆，所述电流施加到由所述控制器独立地控制的每个所述杆。

6.如权利要求2所述的机器，其中，所述导缆器包括可自由转动的两个独立的导缆器旋转架。

7.如权利要求6所述的机器，其中，每个所述旋转架包括引导所述钢丝绳的至少一个滑轮。

8.如权利要求7所述的机器，其中，每个滑轮包括：

限定轴线的轮毂；

限定至少一个周向延伸的沟槽的轮缘；以及

定向成大致垂直于所述轴线的两块板，每块板被连接到所述轮毂且被连接到所述轮缘。

9.如权利要求6所述的机器，其中，所述杆设置在所述旋转架的两个横向侧。

10.如权利要求1所述的机器，其中，所述动态阻尼机构包括活塞。

11.如权利要求6所述的机器，其中，所述杆设置在所述两个旋转架之间。

12.如权利要求1所述的机器，其中，所述阻尼流体包含铁。

13.如权利要求1所述的机器，其中，所述阻尼流体包含体积占20%-40%的铁颗粒。

14.如权利要求10所述的机器，还包括第二动态阻尼机构，所述第二动态阻尼机构可操作地连接到所述悬臂以控制所述提升绳的竖直摆动。

15.如权利要求1所述的机器，其中，所述钢丝绳包括用于水平移动所述铲斗的拖拽绳和用于竖直移动所述铲斗的提升绳。

16.如权利要求1所述的机器，其中，所述机器是拉铲式挖掘机。

17.一种机器，包括：

基座；

主壳体，所述主壳体能够在所述基座上自由转动并被支承在所述基座上，所述主壳体包括大致水平的向上面向的表面；

卷筒，所述卷筒安装在所述主壳体上；

悬臂，所述悬臂从所述主壳体延伸；

铲斗，所述铲斗可操作地连接到所述悬臂并由所述悬臂支承；

拖拽绳，所述拖拽绳在所述卷筒和所述铲斗之间延伸，用来水平移动所述铲斗；

导缆器，所述导缆器沿所述钢丝绳的路径被设置在所述主壳体上；所述拖拽绳穿过在所述卷筒和所述铲斗之间的所述导缆器；

动态阻尼机构，所述动态阻尼机构设置在所述导缆器上，所述动态阻尼机构包括至少一个液压杆，所述至少一个液压杆具有响应于施加到其上的电流而粘性可变的阻尼流体；以及

控制器，所述控制器电动地控制施加到所述阻尼流体的电流量以改变所述阻尼流体的粘性。

18.如权利要求17所述的机器，其中，所述导缆器包括可转动的两个独立的导缆器旋转架。

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