CN1039549C - 切割和挖掘坚硬物体用的装置 - Google Patents

Abstract

本发明叙述了一种切割和破碎岩石用的装置，该装置包含了附装有楔块11的截盘10。截盘10由转动轴16带动旋转，在岩石中切出沟槽，达到预定的距离后，楔块11被迫进入已切出的沟槽中，将沟槽上部的岩石破碎下来。由驱动马达为转动轴16提供动力。上述装置还包括一个“后退”机构，可以防止楔块11堵塞在切割的沟槽中。整个装置能安装在拖拉机的三点式连杆机构上。

Description

切割和挖掘坚硬物体用的装置

本发明涉及切割和挖掘坚硬物体的装置，尤其是涉及能够切割和破碎岩石、煤层、石料等的那些装置。

在各种各样的场合，均需要挖掘那些坚硬物体，例如，岩石、煤层、石料、矿石等。这些情况包括：在采矿工业中，用于收集矿石，开采石头，采集煤层，开凿钻孔和挖掘隧道；也有用于排水工程，电缆管道的铺设，运载工具，挖掘沟道渠道等。

人们早已知道，使用爆破方法来挖掘坚硬物体，然而，爆破方法不太适合于挖掘隧道、沟道或渠道。此外，爆破需要有严格的安全防护措施。

挖掘坚硬物体的另一种方法是使用切割或碾碎装置。这类装置设有一个或多个截盘，该截盘具有周边齿牙(或称为截齿)。以极大的力量将截盘压在被挖掘的坚硬物体上，以小碎块的形状将坚硬物体挖掘出来。

采用这类装置的缺点是：切割方法需要极高的能量强度，而能量效率却是极低的。为了转动截盘，并将其强压在岩石表面上，须提供大量必要的动力，故此方法将释放出大量的热量和需要大型的设备。

在沃曼依尔的美国专利2758825，3297101和3379024中可以见到这类装置的实例。

以单纯的切割方法挖掘岩石的缺点之一是截盘和它的截齿的极大的磨耗和损伤，于是，对截盘需要进行大量的维修保养。

为了给装置提供必要的动力和安装截盘，上述的装置是一种大型的装置，在使用和维护上，其价格昂贵，也不适用于较小规模的挖掘工程。目前，这些早期的装置仅在隧道工程中加以使用。

为了提高挖掘坚硬物体的效率，人们已经知道使用“切割和破碎”原理。在这种方法中，该装置最初先用截盘将坚硬物体开凿出一长槽，然后，将楔块插入沟槽中起分离作用。楔块将使岩石或其它坚硬物体从沟槽处破碎下来，因而，坚硬物体的挖掘是由于切割作用和分裂破碎作用所造成的。

早期使用的这种切割和破碎方法的装置被称为“莫肯雷—英特利传动器”(Mckinlay Entry Driver”)，大约在1918年，该装置已在美国获得专利。

该装置局限于用来为挖凿隧道打孔，而不能用于切割沟槽。

这种装置包括有一个水平的转动轴，把一个悬臂安装在轴上，与轴相垂直，悬臂延伸到轴的一侧。一些挖凿板被安装在悬臂上，与悬臂相垂直。当轴旋转时，悬臂也转动，为此，截板也以圆周运动的方法转动。当该装置被强压在煤层采掘面上时，将挖出环形的沟槽。楔块被安装在第二个悬臂上，楔块须精确地定位，以致当轴旋转时，楔块将进入已由截板形成的沟槽中的一个沟槽内，然后将煤层分别地撞击下来。

在尺寸体积、结构组成和费用开支方面，这类装置仍然具有许多缺点。

另一个缺点是要求正确地把楔块设置在第二个悬臂上，以确保楔块进入已开凿成的沟槽内，而不擦碰煤层采掘面。如果个别的截板被损坏了，其结果将切割出不同形状的沟槽，使楔块不能合适地进入沟槽。此外，如果截板被替换后，经常需要对楔块重新正确地定位。

含有楔块(又称为“楔轮”或“撞击轮”)的另一个缺点是有可能出现楔块夹在沟槽内。当岩石极硬或不能撞碎时，这种情况将会发生，其结果是楔块将损坏或变形，或者是驱动转动轴的电动机将被烧毁。

当楔块变形或损坏后，必须关闭装置，以便替换楔块和重新定位楔块。

因含有楔块而出现那么多的难点，故较现代的切割机械均把楔块废除掉。

现在，我们阐述一种装置，该装置仍应用“切割和破碎”的挖掘原理，但是，上述使用楔块而出现的难点已完全被克服了。

为实现上述目的，根据本发明，提供一种切割和破碎坚硬物体用的装置，该装置包括一个裁盘，该截盘具有外周边缘、顶面、底面，外周边缘上设有许多截齿，其特征在于，从底面伸出的第一楔块和从底面伸出的第二楔块，所述的第一和第二楔块相对于截盘的外周边缘向内相间设置。

第一和第二楔块相互连接，第一和第二楔块可拆卸地相互连接并与截盘可拆卸地连接，至少所述的第一和第二楔块之一具有一个倾斜的导向面。该导向面的华斜角在1°-10°之间。还包括一个与截盘相连接的转动轴，该轴由驱动设备带动旋转。还包括一个用于使转动轴和截盘向着被切割的坚硬物体移动的装置。所述的位移装置能够给截盘提供足够的动力，使其切入坚硬的物体中，当楔块被卡或被堵塞在坚硬物体中的时候，该装置也可使转动轴后退。驱动装置和位移装置由框架组件支撑着，该框架组件可附装在运载工具上。与运载工具相结合，上述装置还包括有底面接合稳定器，在使用该装置的时候，该稳定器可制动运载工具的横向移动。

只要将楔块设置在截盘上，我们就可实现这一点。于是，不再需要第二个悬臂，也不用再让楔块精确地定位在第二个悬臂上。

作为选择方案，我们提出一种带有“后退”机构的装置，使楔块夹在沟槽内的可能性降低到最小程度。

以单一的结构形式看，本发明应归属于用于切割和破碎坚硬物体的装置，该装置包括有截盘，而截盘是由外周边缘、顶面和底面组成，楔块至少设置在其中的一个面上，并从那里开始延伸，距截盘的外周边缘的内侧有一定的间隔。

在这种方法中，我们可看到，截盘首先切割出沟槽，当沟槽达到预定的深度(相应于截盘边缘与楔块之间的间距)时，楔块将进入已切割成的沟槽中，并使坚硬物体破碎。

楔块可设置在顶面或底面中的任何一个面上，最好是设置在截盘的上下二个面上。

如果需要的话，将能旋转的楔块设置在截盘上。在这种方法中，楔块将旋转地插入已切割成的沟槽中，这样可将磨损减到最小程度。

最合适的是设置一对楔块，一个设置在截盘的顶面，另一个设置在该截盘的底面，然而，这二个楔块还能连接在一起。

将可调节的楔块安置在截盘上，允许楔块以各种距离从截盘处伸展出来。如果硬度随切割深度而改变，这种楔块也是有利的，随着楔块连续的扩涨，使截盘能更深地进入已切割的沟槽中，使岩石破碎。

根据被切割的岩石类型、切割作用力、设备的动力容量等而改变间距，可以从截盘的外周边缘处向内相间设置楔块。例如，当切割软脆型的坚硬物体时，楔块可设置在更朝向外周边缘处，并可具有较隆起的外形。对于硬而脆的坚硬物体，楔块可设在紧靠截盘的心部，以改善它的扭转力矩。对于硬而不脆的岩石，楔块隆起高度可以降低。

楔块表面的外形是可以改变的，其取决于被切割的坚硬物体的类型和切割作用力的大小。

如果将能旋转的楔块设置在截盘上，最好是让楔块外形对称于自身的旋转轴。一种楔块的外形是由圆锥形或角锥形(也称为蘑菇形)构成的。如果需要的话，外形的角度(即，楔块高于截盘的间距)也是可变的，其角度变化范围在1°-10°之间。当设置一对楔块时，各楔块可有相同的外形或不同的外形。在一种结构中，楔块可能有相同的外形，而在另一种结构中，一个楔块可能是平面状的、而另一个楔块可能是角锥形的。

最好是在装置上设置一对楔块，把楔块连接到连接夹具上，而连接夹具被固定在截盘上的孔中，其可以以螺纹的形式与截盘中的窗孔相啮合。

由示意图可以看出，截盘实际上是圆形的。截盘边缘要比其主体部分稍微厚一点。可以设置一个或几个截齿，将其固定在截盘边缘的地方。最好设置较多的截齿，可围绕截盘的边缘等距离地设置，但不要设置在紧靠楔块的边缘处。截齿可呈各种角度，最好是，一些截齿从截盘处向上伸展，另一些截齿与截盘成一排，还有一些截齿从截盘处向下伸展。这样就能保证被切割的沟槽会有足够大的尺度，不致于使截盘自身楔固在沟槽中。

截盘可安装在靠近转动轴的端头，由驱动设备来驱动转动轴，驱动设备可以是液压式的、空气压缩机式的一电力型的、或内燃机型的。

较合适的是，让驱动设备和减速齿轮箱相连接，使转动轴能在低转速、高转矩下运转。

转动轴由支撑框架支撑着，支撑框架也可支撑驱动设备和减速齿轮箱。

使用一种位移设备，可使转动轴靠近或远离被切割的坚硬物体。最理想的是，此位移设备能对截盘提供足够的力量，使截盘有效地插入坚硬物体中，然而，当楔块被卡夹或堵塞在切割沟槽内时，该力量则不会妨碍转动轴的后退。

位移设备可以是液压式的、空气压缩式的或机械式的。较合适的是，以枢轴的方式安装支撑框架，位移设备将能有效地移动支撑框架，因此转动轴就能靠近和远离被切割的坚硬物体。

参考附图，通过实例更加详细地描述本发明，在附图中：

图1表示按本发明的一个实施例的截盘的示意图，其中包括一个楔块。

图2表示图1的截盘上设置一对楔块的示意图。

图3表示使用中的图1截盘的一侧的局部剖视图。

图4表示能让图1中所述的截盘旋转的装置的示意图。

图5表示附装在拖拉机的三点式连杆机构上的图4装置的示意图。

图6表示更详细地说明图5连杆机构的示意图。

图7表示正在使用中的截盘示意图。

图8表示设有另一种楔块组件的截盘的示意图。

图9表示设有再一种楔块组件的截盘的示意图。

参照图1，在图中示出了截盘10，在其上装有楔块11。截盘10是一种通用的装置，其平面视图为圆形。截盘10具有顶面13和底面14。顶面13的直径要比底面14的直径略微小一些。因此，其结果是使外周边缘12在表面上呈现为锥形。如图1所示，外周边缘12也比顶面的主要部分略厚一些。

在外周边缘12上附装着多个截齿15。截齿15是通用的插入式截齿，在该截齿中，碳化钨硬质合金刀头被插入到截齿的钢制主体的轴向孔洞中，它是用作定位挖凿的。在一种帽盖式的截齿中，碳化钨硬质合金刀头采用圆头帽形的，把帽头套至截齿钢柄未端，这种截齿是用作其它的切割。除了有二对定位切割工具外，其余的截齿通常是扣紧的。使用二对定位截齿的理由是为了保证切割出的沟槽具有锋利的应力集中角，促使其容易破碎。截齿15按如下方式设置，有的截齿高出顶面13，有的截齿低于底面14，而有的截齿是和截盘一排。应当注意，在紧靠楔块11附近的外周边缘处没有设置截齿15。截盘10装到转动轴16上，转动轴在驱动设备带动下旋转，驱动设备可参照图4，并将在下面作更详细的阐述。

参照图2和图3，可清楚地显示出，楔块组件11是由一对楔块组成，上楔块17和下楔块18。在实施例，楔块17和18具有“角锥形”的或“蘑菇形”的外形。楔块17和18还包括了垂挂着的套环19和20，而套环20的直径要小于套环19的直径，能使一个套环滑入另一个套环。套环20有一个环形槽21，在该槽中可装入卡箍22，以便把楔块17和18装配在一起。在这种结构中，楔块17和18可相互自由地转动。楔块17和18被安装到连接夹具23上，该连接夹具是带有外螺纹的环状套筒，它被安置在截盘10内的、带有相应螺纹的窗孔内。其结果是，连接夹具23和截盘10以螺纹形式牢固地啮合在一起。套环19和20装在连接夹具23中，各部件之间留有大约1毫米左右的间隙，以便让进入装置中的碎石可以脱离出来，而又不让大块石头进入。这些部件能很容易地装配起来，若要拆卸它们时，需要用大锤和尖劈。

图3表示了图1中的截盘10和楔块组件11的局部剖视图，并表明各部件是如何连接在一起。

用一套机组来安装截盘10，并驱动截盘10转动，图4表示了上述机组的实例。

该机组包括有安装到转动轴16上的截盘10。通过支撑框架24中的轴承(图中没画出)将转动轴16支撑着。

转动轴16的上端和减速齿轮箱25相连接。上述的机组能安装在拖拉机的三点式连杆机构上，并从拖拉机的输出驱动轴或功率输出器(图中没示出)获得动力，通常，拖拉机的输出驱动轴在额定值为1000转/分的情况下转动，估计约有20千瓦的功率。该输出驱动轴将驱动一个具有固定容量的液压泵26，其每循环约有50毫升的排液量。具有最大额定值为3000磅/寸²压力的液压油将驱动一可变容量的马达27，其最大排液是为105毫升，最小排液量约为最大排液量的四分之一。

可变容量的液压马达提供了获得可变化的最终驱动转速的可能性。

马达27驱动齿轮箱25，该齿轮箱是一个25∶1的大型减速齿轮箱，它把最终转速降为额定值20转/分。系统设定的平均扭矩为5000牛顿米。因转动轴通过齿轮箱，故齿轮箱是可变动的。除了转动轴外，齿轮和本装置的支撑框架之间的唯一连接件是扭力杆28。齿轮箱是由庞费格林(Bonfiglioni)制造的。

支撑框架24是以枢轴的方式安装在第二支架29上，而第二支架29又是以枢轴的方式安装在连杆30上，连杆30成为拖拉机连杆机构的一部分。轴销的安装位置如图中34所示的部位。

支撑框架24的上端部安装到形为液压作动筒31的位移设备上，液压作动筒31是由拖拉机供给其动力，它的另一功能是，当楔块组件11卡夹在切截的沟槽中时，将使截盘10后退。该类问题在下文中将会更详细地叙述。

平衡锤32是用来平衡该机组的。

通过连接插座33，转动轴(以及截盘10)伸向驱动机组上方的倾斜角度是可以变化的。可以看出，设置了三个连接插座，若将紧固销插入特定的连接插座中，支撑框架24将转到不同的角度方位，因而将依次改变转动轴16以及截盘10的角度。倾斜角度的变化范围是与垂线成5°-25°。

图5表示附装在拖拉机上的上述装置，已使用过的标号表示相同的零件。该装置和作为主支撑框架的四边形连杆一起被安装到拖拉机的三点式连杆机构上。更详细的情况，可参见图6。

图5中所示的拖拉机(或其它相似的运载工具)装有充气轮胎40，为防止在使用过程中装置出现摆动，设置了一对稳定器41。稳定器是一组钢制的滚轮，通过连接箱42(参见图中)将其安装到第二架29上，该设备也允许调节滚轮距离。液压作动筒将把滚轮41推至地面，以便把拖拉机的部分重量从拖拉机的轮胎上转移到滚轮41上。

当四边形连杆装置受到较大的压缩负荷时，已设置的液压作用筒能使上端部连杆略微缩短，这样将使截盘10稍微向后回退。在贮气罐内的气体压力作用下，将液压油注入液压作动筒31。当液压作动筒31上的载荷超过了由高压液压油施加到液压作动筒的作用力时，将迫使液压作用筒后退，使上端部的连杆缩短。处理方法是增加贮气罐内的气体压力，因而，为缩短连杆所需要的力也逐渐地变大。气压增压的速率是由贮气罐内的气体容量决定的，而压力和容量又是由贮气罐内的气体初始压力和其后注入的油容量所决定的。

在使用中，为了切入平面层，截盘10将下降到接触的位置(角度由轴销33所决定)，然后对截盘10施加压力，以切去表土层。拖拉机推进速度十分缓慢，切截缓慢地深入和加宽。当截盘10切割时，由于前进得十分缓慢，有可能使其埋入地面直到滚轮41压在地表面上，并且切截轮在所要求的深度下准备进行挖掘。

使用一种绞盘组件来驱动本装置向前移动。由于在输油管道线上设置了一个小型的节流阀，绞盘缓慢地运转。节流阀的作用是，当绞盘在最大速度下运转时，绞盘上几乎没有扭矩，当绞盘运转缓慢时，扭矩逐渐增大，当绞盘将要停止运转时，扭矩达到最大值。拖拉机的推进速度是如此地缓慢，以致绞盘实际上是在接近停止的速度下运转。在这种情况下，拖拉机的推进速度是取决于切割轮的前过速度。则作用于切割轮上的载荷愈大，切截直至到达某一位置，由于驱动马达能提供使切割轮旋转所需要的动力，切割轮的运转也就停止了。在绞盘的液压管道中，使用一种压力调节阀，就能较灵敏地控制来自绞盘的、接近停转的力。压力调节阀建立了能施加到绞盘中的最大压力。在实际使用时，操作者注视从供油管线到切割轮马达之间的压力表并调节绞盘组件中的油压，为的是能让切割轮运行压力接近驱动系统所能提供的最大压力。如果切割轮停转，则减少对绞盘的压力，这样就足以使其重新运转起来。除非是试验性装置，对任何其他的装置，上述的情况显然是不能令人满意的。已提供一种很有前景的装置，其中加上一个能自动控制本装置推进速度的系统，因而，能确保切割轮的截齿总是处在接近最大载荷下工作。

参照图7到图10，可以看到许多种类的楔块组件。在图7中，上楔块50和下楔块51具有相同的外形。在本实施例中，下楔块51所选择的倾斜角是与截盘10的倾斜角相同，以致下楔块51的一个平面正好落在已切割出的沟槽底面上。上楔块50的形状取决于被切割的岩石类型，确切地说，取决于岩石的强度和脆性。脆的岩石(即砂石)可较快地磨下来，故与切割耐磨的岩石相比，楔块50的顶端要设计得较高一点。

图8表示出另一种可采用的楔块组件，其中，上楔块52实际上是平面状的，而下楔块53是角锥形的。

参考图9，在本实施例中，楔块组件特别适用于坚硬的、高强度的和耐磨的岩石。该楔块组件包含有一个上楔块55，在切割过程中，是上楔块55的后缘面56，而不是导向面57，将被楔入，从而产生爆裂作用。

对所述的实施例装置可以作出许多的改变和变更。例如，截盘10可以包括许多许多楔块组件。我们认为，大型截盘可安装二个或多个楔块组件。楔块可以相对于截盘10而转动，或者固定在截盘上。如果楔块确实做成转动的，那么各楔块可分别独立地转动。

楔块可以扩展或收缩，以致延伸在截盘的整个外形上，用以破碎经受切割的材料。可以设想采用液压作动筒或让高压水穿过截盘10来使楔块运行，从而破碎物料。如果使用高压水，也可让其通过喷管，这样具有双重作用，既冲去岩屑，又把极大的动力施加在经受切割的坚硬物体上。

此外，转动轴16也可做成空心的，和高压水源一起使用的相位阀门可设置在其空间处，这样将提高截齿的切割效率。

也可将转动轴16包在坚硬的轴套里，轴套可备有楔形的、尖锐的前缘，以致若该轴碰到已挖下的、没有破碎的岩石时，这种转动轴也有破碎已挖下的岩石的功能。当切割那些易于劈成大块平板的岩石，如某些沉积层岩石时这是十分有用的，上述的爆裂盘可以很容易地破碎那些妨碍挖掘装置向前推进的大块板岩。另一方面，转动轴也可备有截齿或其它形式的切割齿，于是，此类轴能切出它自身的沟道。

可以设置几个截盘。如果只安装一个截盘，由于来自切割过程中的扭矩产生一个几吨的横向力，使挖掘装置具有横向移动的倾向。使用链条或类似的零件，将拖拉机(或其它运载工具)绑住，可以抵制这种横向移动。因此另一种常用的方案是安装一对截盘，该对截盘以相反旋转的方式转动，以及一个截盘的横向力被另一盘的横向力所抵消。

多个的截盘也可排成单行，使其与挖掘装置的移动方向相垂直，于是，第一个截盘可切出初始的沟槽，而第二个截盘将进一步将其切深。

使用大约8000磅或4吨的力，可将截盘插入岩石中。如果截盘的直径约是400毫米，大约要2.5吨的挖掘力，相依地需要大约5000牛顿米的扭矩。较大的截盘将需要较大的动力和较大的扭矩。由于截盘在楔块附近处没有设置截齿，所有的推力和扭矩都用来把楔块推入沟槽中，以破碎已挖过的坚硬物体。

应该理解，在不偏离本发明的构思和范围的情况下，上述的实施例还可进行许多的改变和变更。

Claims (10)

1.一种切割和破碎坚硬物体用的装置，该装置包括一个截盘，该截盘具有外周边缘、顶面、底面，外周边缘上设有许多截齿，其特征在于，从底面伸出的第一楔块和从底面伸出的第二楔块，所述的第一和第二楔块相对于截盘的外周边缘向内相间设置，。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，第一和第二楔块相互连接。

3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，第一和第二楔块可拆卸地相互连接并与截盘可拆卸地连接。

4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，至少所述的第一和第二楔块之一具有一个倾斜的导向面。

5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，该导向面的倾斜角在1°-10°之间。

6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括一个与截盘相连接的转动轴，该轴由驱动设备带动旋转。

7.权利要求6所述的装置，其特征在于，还包括一个用于使转动轴和截盘向着被切割的坚硬物体移动的装置。

8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述的位移装置能够给截盘提供足够的动力，使其切入坚硬的物体中，当楔块被卡或被堵塞在坚硬物体中的时候，该装置也可使转动轴后退。

9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，驱动装置和位移装置由框架组件支撑着，该框架组件可附装在运载工具上。

10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，与运载工具相结合，上述装置还包括有底面接合稳定器，在使用该装置的时候，该稳定器可制动运载工具的横向移动。

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