CN104718346A - 用于采掘机的刀头 - Google Patents

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Abstract

一种刀头，包括第一构件、切割钻头和第二构件。该第一构件包括第一端和第二端，并且包括第一质量。切割钻头靠近所述第二端联接到所述第一构件。该切割钻头包括能够绕轴线旋转的切割刀刃。该第二构件绕轴线可旋转并且包括相对于轴线偏心地定位的第二质量。该第二质量的旋转导致第一构件和切割钻头摆动。

Description

用于采掘机的刀头
相关申请的交叉引用
本申请要求2012年9月14日提交的美国临时专利申请N0.61/701,256的权益和优先权，该美国临时专利申请的全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本发明涉及地下采掘机，并且具体地涉及一种用于地下采掘机的刀头。
背景技术
硬岩石连续采掘机包括具有摆动切割盘的刀头。摆动盘式刀具通过轴承传输所有的动态切割力，并且由于切割盘的高载荷和高速，轴承的寿命是有限的。此外，摆动盘要求在主切割区域中具有大的面密封表面面积，而切割盘通常在约50Hz的频率下摆动。难以密封具有高表面速度的大区域，并且由于切割操作产生大量高度研磨的岩石颗粒的事实，这是进一步复杂的。被污染的环境和高表面速度的结合使密封部上的磨损加速，并且缩短密封部的工作寿命。此外，密封部和高度加载的轴承中的缺陷能够结合以更进一步增加盘式刀具组件的维护和更换。这些因素还限制切割盘的摆动的频率和偏心距，从而限制可用于岩石切割的总功率。
此外，摆动盘式刀具系统通常缺乏直接监控在切割表面处的盘式刀具的行为的装置。因此，难以(例如，在岩石的硬度改变时)感测切割条件的改变。因此，操作员无法控制盘式刀具以使切割性能最优化。
发明内容
在一些方面中，本发明提供了一种用于采掘机的刀头，采掘机包括框架和可移动地联接到该框架的吊杆。该刀头包括第一构件、切割钻头和第二构件。该第一构件包括第一端和第二端并且包括第一质量。该切割钻头靠近第二端联接到第一构件，并且包括切割刀刃。该第二构件绕轴线可旋转，并且包括相对于该轴线偏心地定位的第二质量。该第二质量和第一质量至少部分地限定组合质心。第二质量的旋转导致第一构件和切割钻头绕组合质心沿着闭合路径摆动。
在其它方面中，本发明提供了一种采掘机，其包括用于将采掘机支撑在支撑表面上的框架、吊杆和刀头。该吊杆包括联接到框架的第一端和远离框架定位的第二端。刀头联接到吊杆的第二端，该刀头包括第一构件、切割钻头和第二构件。该第一构件限定第一端和第二端，并且包括第一质量和将所述第一质量支撑在吊杆的第二端上的联接构件。该切割钻头靠近第二端联接到第一构件，并且包括切割刀刃。该第一构件和切割钻头至少部分地限定第一质心。该第二构件绕轴线可旋转，并且包括相对于该轴线偏心地定位的第二质量。第二质量限定第二质心。第一质心和第二质心限定组合质心。第二质量绕轴线的旋转导致第一构件和切割钻头绕组合质心沿着闭合路径摆动。
在其它方面中，本发明提供了一种采掘机，其包括用于将采掘机支撑在支撑表面上的框架、吊杆、刀头和联接构件。该吊杆包括联接到框架的第一端和远离框架定位的第二端；该第二端包括支架。该刀头包括第一构件和切割钻头。第一构件包括联接到支架的第一端和第二端。该切割钻头靠近第二端联接到第一构件。联接构件将第一构件支撑在吊杆的第二端上，以促进刀头相对于吊杆的摆动。
在其它方面中，本发明提供了一种用于采掘机的刀头，该采掘机包括框架和可移动地联接到框架的吊杆。该刀头包括第一构件、切割钻头、流体导管和多个喷嘴。第一构件包括第一端和第二端，并且相对于第二端可移动。该切割钻头靠近第二端联接到第一构件。流体导管延伸穿过第一构件，并且被构造成与流体源流体连通。喷嘴被定位在切割刀刃上，所述喷嘴与流体导管流体连通。
在其它方面中，本发明提供了一种用于从岩石壁移除材料的方法。该方法包括：使切割刀刃移动通过岩石壁以在岩石壁中产生第一槽；使切割刀刃移动通过岩石壁以在岩石壁中产生第二槽，该第二槽通过未切部分与第一槽分离，该未切部分限定附接到壁的基部表面；将切口切割到未切部分的基部表面中；和在未切部分上施加力以使未切部分从壁断开。
在其它方面中，本发明提供了一种用于控制采掘机的方法。该方法包括：感测刀头的切割效率的指示量的值；将感测值与期望值相比较；在第一方向上将操作参数从初始值修改到第二值；检测切割效率的指示量的改变；和当切割效率的指示量的改变表现为提高时，在第一方向上进一步将操作参数修改为第三值。
在其它方面中，本发明提供了一种用于控制采掘机的方法。该方法包括：感测第一刀具的切割效率的指示量的第一值；感测第二刀具的切割效率的指示量的第二值；将所述第一值与所述第二值相比较，以检测所述第一值是否小于所述第二值；当所述第一值小于所述第二值时，修改所述第二刀具的操作参数使得所述第二值匹配所述第一值。
通过考虑详细描述和附图，本发明的其它方面将变得明显。
附图说明
图1为接合矿壁的采掘机的透视图。
图2为图1的采掘机的前透视图。
图3为刀头的透视图。
图3A为图3的刀头的侧透视图。
图4为图3的刀头的分解前透视图。
图5为图3的刀头的分解后透视图。
图6为沿着线6-6截取的图3的刀头的截面图。
图7为接合矿壁的刀头的侧视图。
图8为接合矿壁的刀头的放大侧视图。
图9为根据另一个实施例的刀头的透视图。
图9A为图9的刀头的侧透视图。
图10为根据另一个实施例的刀头的分解透视图。
图11为沿着线11-11截取的图10的刀头的截面图。
图12为根据另一个实施例的刀头的截面图。
图13为示出流体流动路径的图12的刀头的截面图。
图14为切割钻头的透视图。
在详细地解释本发明的任何实施例之前，需理解的是，本发明的应用不限于在以下描述中所阐述的或附图所示的部件的结构和布置的细节。本发明能够涵盖其它实施例，并且可以各种方式实践或实施。另外，需理解的是，本文所使用的措辞和术语是出于说明的目的，并且不应被视为限制性的。此处对“包含”、“包括”或“具有”和其变型的使用意味着笼括其后列出的项目和其等同物以及另外的项目。术语“安装”、“连接”和“联接”广泛地被使用，并且包括直接和间接的安装、连接和联接。此外，“连接”和“联接”不管是直接还是间接，不限于物理或机械连接或联接，并且能够包括电气或液压连接或联接。另外，电子通信和通知可以使用包括直接连接、无线连接等的任何已知方式被实施。
具体实施方式
如图1和图2中所示，采掘机10包括框架14、吊杆18、和支撑在吊杆18上用于接合矿壁26的刀头22。框架14包括轨30，用于使框架14在支撑表面或矿地(未示出)上移动。框架14进一步包括集聚头32，该集聚头32靠近刀头22邻近矿地定位。集聚头32包括甲板(deck)34和旋转指形件38，旋转指形件38将切割材料驱策到输送机(未示出)上。框架14还包括可枢转地联接到框架14的一对臂42。臂42能够延伸到集聚头32前面的位置以便将切割材料引导到甲板34上。
吊杆18在一端处可枢转地联接到框架14，一个或多个第一致动器46的操作使吊杆18相对于框架14枢转、延伸和缩回。在该示出的实施例中，第一致动器46是液压缸。另外，在示出的实施例中，吊杆18在吊杆18的与框架14相对于的一端上可枢转地支撑刀头22。第二致动器50(图2)使刀头22相对于吊杆18枢转。刀头22被定位成使得刀头22以受控的力与矿壁26接合。第一致动器46的操作使吊杆18相对于框架14移动，从而使刀头22在矿壁26移动以产生所需的切割轮廓。在刀头22与吊杆18之间的角度被连续地监测。角度的传感器数据被提供给用于控制吊杆18的位置的控制系统。能够调节吊杆18的移动速度以匹配挖掘速率或输送至矿壁26的能量。
如图3所示，联接构件或安装支架58支撑刀头22，以便相对于吊杆18(图2)枢转移动。在图3的实施例中，刀头22包括第一端62、第二端66和靠近第一端62的支撑板70。在示出的实施例中，刀头22包括用于将刀头22支撑在安装支架58上的联接构件或臂60。多个销74绕支撑板70的周边定位并且延伸穿过支撑板70和臂60。每个销74支撑弹簧78，该弹簧78对由矿壁26施加在刀头22上的力起反作用。弹簧78还使吊杆18对于来自刀头22的振动力的传输隔离。在一些实施例中，每个销74还支撑阻尼器。参照图3A，刀头22的几何形状和重量限定大致定位在第一端62与切割钻头86之间的组合质心80。可以修改刀头22的部件的尺寸、形状和密度以调节质心80相对于切割钻头86的位置。
在其它实施例中，不同类型的刀头(包括具有常规摆动盘式刀具的刀头)可以通过销74和弹簧78联接到臂60。在又一些其它实施例中，板簧或铰链联接在支撑板70与吊杆18之间。板簧由诸如碳纤维复合材料的抗疲劳材料制成。板簧消除对机械枢转的需要并且减小联接件的磨损，从而改进工作寿命。
图4-6中示出刀头22。刀头22包括靠近第二端66的切割钻头86、联接到切割钻头86的第一或惯性构件90和第二或激励器构件94。在该示出的实施例中，切割钻头86形成为固定至惯性构件90以随惯性构件90移动的环或盘。切割钻头86包括切割刀刃88(图6)。刀头22进一步包括第一马达102、第二马达106、联接到惯性构件90的回转板或回转支撑轴承110和用于支撑第一马达102和第二马达106的支撑板114。回转支撑轴承110包括由第二马达106驱动的环形齿轮118。如图6中最佳所示，第一马达102驱动第一轴126(图6)以使激励器构件94绕旋转轴线98旋转。在一个实施例中，第二马达106使环形齿轮118和惯性构件90绕轴线98旋转。
在图4-6的实施例中，惯性构件90具有大致截头圆锥形状，并且在从第一端62朝第二端66的方向上渐缩。更具体地，惯性构件90包括主体130、靠近主体130的窄端定位的壳体134和定位在主体130内并联接到壳体134的套筒138。壳体134靠近刀头22的第二端66支撑切割钻头86。在其它实施例中，惯性构件90可以具有其它结构。
锥形形状在允许吊杆18对刀头22进行定位并产生最佳切割轮廓的同时，为切割钻头86接合矿壁26提供间隙。惯性构件90的位置和形状是相互关联的设计因素，并且锥形形状允许以最少量的质量提供相对高的“等效”质量或惯性矩。此外，锥形形状促进沿着紧拐角(tightcorner)的切割以及执行切割-和-破碎采掘，如下文更详细地描述。应理解，刀头22可以用于根据其它方法来切割矿壁(即，刀头22并不限于切割-和-破碎采掘方法)。一般而言，锥形形状提供通用的刀头22，该通用的刀头22允许各种切割轮廓，同时将惯性构件90定位成尽可能靠近切割钻头86以改进切割操作的效率。
在其它实施例中，取决于隧道尺寸、吊杆的几何形状和最佳有效质量，惯性构件90可以具有不同的形状或位置。惯性构件90可以包括其它构造，诸如允许在切割过程中产生间隙的旋转悬垂质量142(图2所示)、或板形质量。
参照图6，激励器构件94被定位在主体130内并且具体地定位在惯性构件90的套筒138内。激励器构件94由高速轴承144支撑以用于相对于惯性构件90旋转。激励器构件94伸长并且联接到第一轴126以绕旋转轴线98旋转。激励器构件94是非接触偏心件，并且包括关于旋转轴线98偏心地定位的至少一个凸部(lobe)134。
激励器构件94通过第一马达102旋转，并且激励器构件94的旋转“激励”惯性构件90和连接的切割钻头86并且在惯性构件90和切割钻头86引起期望的摆动。如图3A所示，惯性构件90限定第一质心132，该第一质心132在第一有效半径处绕组合质心80摆动或轨道运行。激励器构件94限定第二质心136，该第二质心136在第二有效半径处绕组合质心80摆动或轨道运行。如所示出的，激励器构件94的移动导致第二质心136绕组合质心80轨道运行，从而促使第一质心132绕组合质心80轨道运行。在该示出的实施例中，第二质心136与第一质心132相比具有更大的有效半径。刀头22绕点140以圆周运动的方式移动。换句话说，在第一质心132摆动时，在切割钻头86与点140之间延伸的参考线146跟踪锥形形状，并且切割钻头86在闭合路径148中移动，该闭合路径148具有与在惯性构件90上引起的摆动运动的偏心距成比例的尺寸。在示出的实施例中，路径148是圆形的。参考线146限定切割钻头86距离点140的半径，并且点140限定圆锥形形状的顶点，同时切割钻头86沿着圆锥形形状的基部移动。
更具体地，路径148的尺寸与激励器构件94的质量和激励器构件94的偏心距(即，轴向偏移)成比例。该尺寸还与惯性构件90的质量成反比。例如，在一个实施例中，惯性构件90在刀具处具有1000kg的有效质量，而激励器构件94在刀具处具有40kg的有效质量和50mm的偏心距(即，偏心摆动的幅度)。惯性构件90的合成摆动与激励器构件94的质量和偏心距的乘积除以惯性构件90的质量成比例；因此，激励导致1000kg的惯性构件以±2mm的幅度摆动或振动(即，切割钻头86的路径148的半径为2mm)。在其它实施例中，可以修改惯性构件90和激励器构件94的相对质量以及激励器构件94的偏心距以在惯性构件90中产生所需的摆动响应。
当切割钻头86接触矿壁时，壁在切割钻头86上施加抵抗惯性构件90的摆动运动的反作用力。为了补偿，进给力通过吊杆18施加在刀头22上以朝向壁推动切割钻头86。控制惯性构件90和激励器构件94的摆动，使得当切割钻头86接合矿壁时，惯性构件90在切割方向上具有最大速度。
刀头22将惯性构件90和切割钻头86直接固定在一起。不像其中所有动态切割力从切割钻头并且通过轴承装置传递到惯性质量90中的常规摆动盘式刀具，刀头22在切割钻头86和惯性构件90之间提供直接连接。该直接连接允许惯性构件90在载荷被传递到轴承110、114之前吸收大量的动态切割力，从而减小作用在轴承110、144上的载荷。在一个实施例中，高速轴承144受到近似5％的总动态切割力。还使轴承110、144从岩石切割区密封。此外，刀头22消除在大的区域上高速操作的主岩石切割区中的动态密封。因此，能够增加刀头22的频率和偏心距，同时还改进刀头22的工作寿命。因此，刀头22改进切割操作的效率。增加的频率和偏心距允许切割钻头86在壁上施加更多动态功率以破碎岩石，而无需更大的刀具部件。
在一个实施例中，惯性构件90的频率(即，转速)和质量以及由吊杆18提供的进给力与常规摆动盘式刀具的那些大致相同，但是激励器构件94的质量和偏心半径增加。增加的激励增加了惯性构件90行程(即，摆动幅度)并且导致岩石切割过程的更大的冲击能。在一个实施例中，冲击能比由常规摆动盘式刀具提供的冲击能多三到四倍。
可替代地，较小的刀头22能够用来产生与常规刀头相同的切割力，从而允许能够进入地下矿的严格限制区域中并且在其中操作的较低成本的机器。例如，在一个实施例中，惯性构件90的大小被设定为与常规摆动盘式刀具具有相同的质量并且与常规摆动盘式刀具在相同的频率下摆动，但是，仅需一半的进给力(即，吊杆18施加到刀头的外力)将相同的能量施加到岩石上。
图1、图7和图8示出一种从矿壁26切割岩石的方法。虽然下述方法提到了刀头22，但是应理解，可以使用具有不同形状或盘式刀具构造的刀头，诸如常规摆动盘式刀具来执行该方法。在一个实施例中，矿壁26的周边是用以限定矿壁26的轮廓150(图1)的第一切口(即，壁释放切口(wall relief cut))。轮廓150可以通过刀头22的多次走刀来切割以便增加深度到期望的水平，诸如刀头22的最大实际切割深度。在一个实施例中，切口的深度在近似200mm至近似400mm的范围中。在形成轮廓150之后，刀头22依次将多个槽154切割成矿壁26，留下与槽154相邻的未切岩石段158。切割槽154可能需要多次走刀以便将槽154切割到期望的深度。在示出的实施例中，沿大致水平方向切出槽154。在其它实施例中，槽154可以竖直地被切出或与矿壁26交叉一定的角度切出以便促进破裂。另外，如本文中用于描述该方法的术语“高(tall)”、“高(high)”、和“高度(height)”泛指槽154和未切的段158的竖直尺寸，如图1、图7和图8的实施例中所示。虽然这些图中示出的实施例示出了处于基本上水平定向的槽154和未切段158，但是应理解，槽154和未切段158能够以不同的定向形成，在这种情形中，可以使用其它术语来指代这些结构的横向尺寸。
在刀头22通过槽154进行最终切割走刀时(例如，在刀头22将槽154切割到期望的深度时)，在槽154上方和下方的突出的(即，未切的)岩石段158分别被底部截槽和上部截槽至切割钻头86的最大允许深度。也就是，岩石段158的每侧的基部被开槽，以产生与矿壁26相邻的断裂线(图7)。突出的岩石段158的端部在周边切割期间被类似地释放。在形成初始槽口160之后，刀头22接触突出岩石段158。由吊杆18施加在刀头22上的力和/或惯性构件90的振动导致突出的岩石段158从壁26断开。可替代地，采掘机10可以包括(例如，安装在与刀头分离的吊杆上的)破碎机附接部，该破碎机附接部抵靠岩石段158施加以使岩石段158沿着断裂线断开。
不像要求切割矿壁26上的几乎所有岩石的常规方法那样，上文所描述的方法允许操作员以这样的方式选择性地切割岩石以最大化岩石破裂的可能性，并且随后使未切的岩石段158破碎。取决于岩石的类型，剪切平面的存在以及矿壁26的尺寸，上文描述的“切割-和-破碎”方法能够对岩石进行采掘，使得从壁26断开的岩石的量对从壁26切割的岩石的量之间的比超过1：1。也就是，该方法需要切割少于从壁26移除的岩石的一半。该方法大量地减少切割时间和能量消耗，并且还减少切割钻头86和刀头22的其它部件上的磨损。在一些实施例中，当与传统岩石切割过程相比时，上文描述的方法使地下进入开采的生产率不止翻倍。
在一个实施例中，切割钻头86具有400mm的直径并且切出在标称地400mm高和250mm深的槽154，留下200mm高和250mm深的未切的突出的岩石段158。刀具速度为近似100mm每秒并且每次走刀切出50mm的深度。矿壁26为大致约5m宽乘4.8m高。突出段158如上文所描述地从矿壁26断开。根据该实施例的切割方法需要比常规硬岩石切割方法少切割至少25％的岩石。该构造(即，宽切割钻头直径和较窄的未切岩石段158)对于采掘极硬的固结岩(即，未支撑的开口可以被切割到其中的岩石)而言可能是特别有用的。
在另一个实施例中，切割钻头具有250mm的直径，并且切出在标称地250mm高和250mm深的槽154，留下大致400mm高和250mm深的突出的未切岩石段158。突出段158然后如上文所描述地断开。根据该实施例的切割方法，需要切割的岩石少于使用常规硬岩石切割方法切割的岩石的一半。该构造(即，较窄的切割钻头直径和相对宽的未切岩石段158)对于采掘具有剪切平面和裂缝的硬岩石或具有中等强度的岩石而言是特别有用的。
此外，该切割-和-破碎方法提供由未切岩石段158隔开的切口或槽154，从而允许采掘机10合并支撑在另外的吊杆18上并且同时地操作的另外的刀头22，以有效地使切割速度加倍。此外，多个刀头布置中的刀头22中的每一个刀头能够朝向彼此操作，从而有效地抵消通常通过机器10传递并且被传递到矿地或周围岩体中的切割导致的吊杆力中绝大部分。另外，包括支撑在独分开的吊杆18上的两个刀头22的实施例能够在突出的岩石段158上施加大得多的力，从而增加待被断开的突出岩石段158的允许高度。每个吊杆18能够同时地从底部截槽和上部截槽位置施加载荷。通过维持吊杆18的中心之间的分隔，刀头22除了施加直接力和动态切割作用之外还在岩石上施加扭矩。
图9示出其中刀头22包括联接到安装支架58并且由多个液压缸72支撑的臂60的另一个实施例。图示的实施例包括以近似90°的间隔绕刀头22的周边定位的四个液压缸72a。臂60包括从支撑板70的中心延伸到安装支架58的第五缸72b，并且刀头22绕在缸72b与安装支架58之间的接头处的点140摆动。其它实施例可以包括更少或更多的液压缸。缸72联接到一个或多个液压蓄积器(未示出)，使得缸72类似于弹簧78起作用以对由刀头22施加在其上的力起反作用。此外，液压缸72a能够被致动以使刀头22相对于安装支架58枢转，并且中心圆筒72b使刀头22相对于安装支架58延伸。
缸72的操作提供刀头22的全向控制以便维持刀头22相对于矿壁26的期望定向(即，迎角)。此外，缸72能够更精确地感测从刀头22反馈的力，提供由刀头22施加的切割力的精确测量并且允许操作员更准确地控制切割力。自动化系统基于各种因素控制切割力，所述各种因素诸如摆动频率或速度、惯性构件的质量以及激励器构件的偏心距。在其它实施例中，不同类型的刀头(包括不具有激励器质量的刀头)可以通过缸72联接到安装支架58。
图10和图11示出根据另一个实施例的刀头222。该刀头22大致类似于上文关于图4-6描述的刀头22，并且类似的结构由类似的附图标记加200来标示。
如图10和图11所示，刀头222包括切割钻头286、惯性构件290、激励器构件294和用于驱动激励器构件294的马达302。惯性构件包括主体330和联接到主体330的端部的盖332。切割钻头286大致具有环或环形形状和包括切割刀刃288。切割钻头286通过保持环336联接到盖332的端部(图10)。径向和止推轴承板340(图10)定位在切割钻头286与盖332的端部之间，以支撑切割钻头286以便相对于盖332旋转。轴承板340支撑切割钻头286抵抗径向载荷和轴向载荷。激励器构件294包括联接到轴326的偏心质量334。在示出的实施例中，质量334具有相对于旋转轴线298偏心地定位的两个凸部334a、334b。轴326由马达302绕轴线298驱动。马达302联接到刀头222的支撑板270。
在图10和图11的实施例中，仅激励器构件294由马达302驱动；刀头222不包括直接驱动惯性构件290的外部马达。然而，惯性构件290通过轴承308可旋转地联接到支撑板270，并且因此惯性构件290能够自由地旋转。此外，由于轴承板340，切割钻头286能够相对于惯性构件290自由地旋转。由于激励器构件294的旋转引起的摆动，惯性构件290绕轴线298旋转。由于矿壁的岩石施加在切割钻头286上的反作用力，切割钻头286以相对低的速度旋转。在一个实施例中，切割钻头具有400mm的直径并且以近似30RPM的速度旋转。
在如图12中所示的另一个实施例中，激励器构件294的凸部334a、334b独立于彼此旋转。第一马达302接合联接到第一或外轴326a的第一齿轮316。第一凸部334a联接到该外轴326a，并且第一马达302的操作驱动第一凸部334a绕轴线298旋转。刀头222还包括第二马达304，该第二马达304接合联接到第二或内轴326b的第二齿轮320。第二凸部334b联接到内轴326b，并且第二马达306的操作驱动第二凸部334b绕轴线298旋转。能够调谐凸部334a、334b之间的关系以便提供所需的惯性矩。例如，能够将凸部334a、334b移动至在直径上相对的位置(即，凸部334a、334b之间的角度是180度)。如果凸部334a、334b具有相同的质量，则该构造有效地消除或“关掉激励”。当凸部334a、334b定位相同的在关于轴326的相对位置中时，最大功率被传送至惯性构件290。
在其它实施例中，凸部334a、334b反向旋转，使得凸部334a绕轴线298沿第一方向旋转，而另一凸部334b绕轴线298沿相对的第二方向旋转。当反向旋转的凸部334a、334b具有相同的质量时，刀头222在切割钻头的切割刀刃上产生类似手提钻的作用。由于切割钻头286的该构造，手提钻效果以90°角度起作用。可替代地，如果凸部334a、334b具有不同的质量，则反向旋转的激励器构件294将沿着具有椭圆形状的路径148驱动切割钻头286的刀刃(图3A)。
如图13和图14中所示，刀头222包括用于切割间隙系统的内部流体流动路径370。流动路径370与诸如泵(未示出)的流体源流体连通。流动路径370包括延伸穿过激励器构件294的轴326的第一通道374和延伸穿过切割钻头286的多个第二通道378。在示出的实施例中，第一通道374延伸到切割钻头286的环形支架中并且与第二通道378流体连通。第二通道378从第一通道374径向(即，在不平行于轴线298的方向上)延伸穿过切割钻头286到沿着切割钻头286的周边定位在切割尖端386之间的喷嘴382(图14)。间隙流体(例如，水)在通过喷嘴382排放之前被泵送通过第一通道374并且通过第二通道378。流体排放路径与主切割方向对准。
切割间隙系统消除了靠近切割界面的软管或其它流体导管。此外，切割间隙系统不要求在刀头222内侧有另外的活动部件，因为第一通道374是固定的并且被静态地密封到切割钻头286。此外，将喷嘴382嵌入在切割钻头286中减少了对流体回路的损害或由切屑或残渣引起的堵塞的可能。
不像仅允许调节盘式刀具的运动或速度的常规摆动盘式刀具系统，采掘机10监测刀头22的特定特性并且包含来自切割接口的反馈以调节特定参数。采掘机10检测切割操作的条件的改变(例如，岩石硬度或密度的改变)，并且将感测的信息结合到反馈控制回路中以修改刀头22的操作参数并优化切割性能。这样的操作参数可以包括切割深度、切割钻头86相对于矿壁的迎角、激励器构件94的偏心距、激励器构件94的摆动频率。可以通过手动调整来修改其它因素(诸如切割钻头86的直径、切割刀刃和切割尖端的几何形状和切割间隙)。
刀头22的切割有效性至少部分地取决于在切割钻头86冲击矿壁的瞬间在切割方向上的惯性构件90的速度，并且取决于在切割钻头86与矿壁之间的冲击的频率。该速度和频率受到控制以优化刀头22与矿壁冲击的速度和频率。该速度和频率能够通过各种参数，诸如激励器构件的有效质量、激励器构件94的操作频率、刀头22联接构件的刚度、来自吊杆的进给力等来控制。
参照图9A，随着刀头22绕质心摆动，切割钻头86以大致圆形或椭圆运动来移动以接合矿壁。控制系统使惯性构件90的摆动与切割钻头86的运动同步，使得当惯性构件90的动量基本上被引导至矿壁中时，切割钻头86与矿壁接合。切割钻头在壁中的接合与惯性构件90的运动之间的这种同步最大化了惯性构件90在壁的方向上的速度，从而最大化由刀头22传递至壁的动能。在其它实施例中，切割钻头86可以跟踪不同的形状的路径，钻头86可以在沿着路径148的不同位置处接合壁，和/或惯性构件90的摆动可以被同步以沿在着路径148的不同位置处取得最大速度。
在一个实施例中，控制系统调节由吊杆18施加的力并改变激励器构件94的摆动频率，以便增加或减小切割能量。这些修改通过在可能时增加切割速度来优化生产率。此外，可以监测刀具的状况以检测随着切割钻头变钝的生产率和进给力的改变。
在另一个实施例中，通过实时地直接感测由切割钻头86施加在矿壁26上的力的指示量来控制刀头22。例如，控制系统可以包括定位在切割钻头86上用以检测切割钻头上的应力的称重传感器(例如，多轴线应变计；未示出)。基于测定的应力来计算切割力。此外，控制系统可以包括用于监控在切割界面处的温度的传感器，诸如红外线传感器。载荷传感器和热传感器提供对刀头22的性能的精确测量，允许对特定参数(诸如切割速度或进给力)的精确调整，以便优化闭环控制以及优化在切割界面处提供的功率。在另一个实施例中，控制系统包括利用非接触传感器来测量切割钻头86的切割速度以及改变刀头22的进给速率以优化切割速率。其它实施例能够结合其它自适应结构以优化刀头22的性能。
一般而言，增加由刀头22输送至矿壁26的功率大致导致从壁26切割的更大量的岩石。由刀头22传输的功率取决于切割钻头86的转速、切割钻头86的偏心距、惯性构件90和激励器构件94的质量和切割进给力。在一个实施例中，由于采掘机10的固有特性，这些参数中的一个或多个保持固定，并且剩余的参数被动态地控制以连续地监测并优化刀头22的功率输出。例如，可以略微改变选定的参数，并且该系统检测该变化是否使切割速度增加。如果是这样，则进一步沿相同的方向调节该选定的参数。否则，沿相反的方向调节该参数，并且监测切割速度的任意改变。频繁地重复该过程以确保机器产生最大功率输出。
在另一个实施例中，控制系统提供对吊杆18的自动化位置和力控制。刀头始终在最大负载量下并且在最佳设定下运转。此外，机器上载荷的大小和方向是已知的并且受到控制。对于不同的应用、条件、岩石类型等，切割力是相同的，但是生产率根据这些参数而变化。因为该系统对于基本上所有条件被最佳地调谐，所以如果矿条件改变(例如，如果岩石密度改变)，不必改变参数。如果需要能够通过减小切割钻头86和/或激励器质量94的摆动速度来减慢切割操作。
在其它实施例中，采掘机包括联接到公共吊杆18的多个刀头22。每个刀头22被力控制，如上文所描述，而公共吊杆18被位置控制。每个刀头22与位置受控的公共吊杆18构成单个刀具系统，如上文所描述；然而，每个刀具系统经由公共吊杆18相连。该多刀具系统受到控制以由最低生产力的个别刀头22(即，主刀头)确定的速率经过矿壁26。更高生产力的刀头系统(即，从刀头)被反调谐以匹配主刀头的速率，以便防止更高生产力的系统超过位置受控吊杆18的限度。在一个实施例中，该(这些)从刀具通过改变操作参数中的一个(例如，切割钻头的转速)被调谐。例如，主刀头以标称速度操作，而从刀头以比额定值更慢的速度操作。如果从刀头开始迟滞，则增加其速度，直至其切割性能匹配主刀具。主刀头的该(这些)参数被连续地改变以最大化其功率输出，如上文相对于单个刀头系统所描述的。
如果由于例如切割条件的改变而将从刀头中的一个从刀头的速度调节成超过标称切割速度，则该从刀具自动地被指定为主刀头，并且先前的主切割头变为从切割头。因此，表现最差的刀头连续地被调节以实现其最大可能性能，并且其它刀头被控制以匹配该性能，从而实现结合的刀具组件的最大性能。在一个实施例中，刀头的相对性能上的显著差异指示不同的岩石特性或刀具状况问题。
因此，本发明尤其提供了一种用于采掘机的刀头。虽然已经参照特定的优选实施例详细地描述了本发明，但是在如所描述的本发明的一个或多个独立方面的范围和精神内，存在变化和修改。在以下权利要求中阐明了本发明的各种特征和优势。

Claims (59)

1.一种用于采掘机的刀头，所述采掘机包括框架和可移动地联接到所述框架的吊杆，所述刀头包括：
第一构件，所述第一构件包括第一端和第二端，并且包括第一质量；
切割钻头，所述切割钻头靠近所述第二端联接到所述第一构件，所述切割钻头包括切割刀刃；和
第二构件，所述第二构件能够绕轴线旋转并且包括相对于所述轴线偏心地定位的第二质量，所述第二质量和所述第一质量至少部分地限定组合质心，所述第二质量的旋转导致所述第一构件和所述切割钻头绕所述组合质心沿着闭合路径摆动。
2.根据权利要求1所述的刀头，其中，所述第一构件包括联接构件，所述联接构件适于相对于所述吊杆的端部支撑所述第一构件。
3.根据权利要求2所述的刀头，其中，所述联接构件包括弹性构件，所述弹性构件允许所述刀头相对于所述吊杆的端部摆动。
4.根据权利要求2所述的刀头，其中，所述联接构件包括球接头，所述球接头允许所述刀头相对于所述吊杆的端部摆动。
5.根据权利要求1所述的刀头，其中，第二质量绕所述组合质心以有效半径摆动，其中，所述闭合路径的尺寸与所述第二构件的质量和所述有效半径成比例。
6.根据权利要求1所述的刀头，其中，所述第一构件限定第一质心，并且所述第二构件限定第二质心，所述第一质心和所述第二质心限定所述组合质心，其中，所述第一质心以轨道方式绕所述组合质心移动，并且所述第二质心以轨道方式绕所述组合质心移动。
7.根据权利要求6所述的刀头，其中，参考线从所述切割钻头延伸到所述第一构件的所述第一端，并且其中，所述第一构件和所述切割钻头的摆动使所述参考线移动并且导致所述参考线跟踪具有圆形基部的圆锥形形状，所述闭合路径与所述基部共同延伸，所述圆锥的顶点定位在所述第一构件的所述第一端处。
8.根据权利要求1所述的刀头，其中，所述第一构件具有锥形形状，使得所述第一端比所述第二端宽。
9.根据权利要求1所述的刀头，进一步包括马达，所述马达绕所述轴线驱动所述第二构件，其中，所述质心还由所述马达和所述第二构件限定。
10.根据权利要求9所述的刀头，其中，所述马达是第一马达，并且所述刀头进一步包括用于使所述第一构件旋转的第二马达。
11.根据权利要求1所述的刀头，其中，所述第二构件包括能够绕所述轴线移动的第一凸部和能够绕所述轴线移动第二凸部，所述第二凸部能够绕所述轴线相对于所述第一凸部移动。
12.根据权利要求11所述的刀头，其中，所述第一凸部沿第一方向绕所述轴线旋转，并且所述第二凸部沿与所述第一方向相反的第二方向绕所述轴线旋转。
13.根据权利要求11所述的刀头，进一步包括第一马达和第二马达，其中，所述第一凸部联接到由所述第一马达驱动的第一轴，并且所述第二凸部联接到由所述第二马达驱动的第二轴。
14.根据权利要求1所述的刀头，其中，所述第二构件包括联接到所述第二质量以便绕所述轴线旋转的轴，所述轴包括延伸穿过所述轴的第一流体导管，并且其中，所述切割钻头进一步包括与所述第一流体导管流体连通的第二流体导管，所述第二流体导管径向地延伸穿过所述切割钻头。
15.根据权利要求12所述的刀头，其中，所述切割钻头包括环、绕所述环的周边定位的多个切割尖端，和与所述第二流体导管流体连通的多个喷嘴。
16.根据权利要求13所述的刀头，其中，每个喷嘴定位在相邻的切割尖端之间。
17.根据权利要求1所述的刀头，其中，所述切割钻头能够相对于所述第一构件旋转。
18.一种采掘机，包括：
框架，用于将所述采掘机支撑在支撑表面上；
吊杆，所述吊杆包括联接到所述框架的第一端和远离所述框架定位的第二端；和
刀头，所述刀头联接到所述吊杆的所述第二端，所述刀头包括：
第一构件，所述第一构件限定第一端和第二端，并且包括第一质量和联接构件，所述联接构件将所述第一质量支撑在所述吊杆的所述第二端上，
切割钻头，所述切割钻头靠近所述第二端联接到所述第一构件并且包括切割刀刃，所述第一构件和所述切割钻头至少部分地限定第一质心；和
第二构件，所述第二构件能够绕轴线旋转并且包括相对于所述轴线偏心地定位的第二质量，所述第二质量限定第二质心，所述第一质心和所述第二质心限定组合质心，所述第二质量绕所述轴线的旋转导致所述第一构件和所述切割钻头绕所述组合质心沿着闭合路径摆动。
19.根据权利要求18所述的采掘机，其中，所述联接构件包括弹性构件，所述弹性构件允许所述刀头相对于所述吊杆的所述第二端摆动。
20.根据权利要求19所述的采掘机，其中，所述弹性构件包括至少一个销和弹簧，所述销在所述第一构件的第一端和所述吊杆的第二端之间延伸，所述弹簧绕所述销定位以在所述第一构件上施加弹簧力。
21.根据权利要求19所述的采掘机，其中，所述弹性构件包括定位在所述第一构件的所述第一端与所述吊杆的所述第二端之间的至少一个液压缸，每个液压缸能够延伸并且能够缩回以改变所述刀头相对于所述吊杆的角度。
22.根据权利要求18所述的采掘机，其中，所述联接构件包括球接头，所述球接头允许所述第一构件相对于所述吊杆的所述第二端摆动。
23.根据权利要求18所述的采掘机，其中，所述闭合路径的尺寸与所述第二构件的质量和所述第二质量的偏心距成比例。
24.根据权利要求18所述的采掘机，其中，参考线从所述切割钻头延伸到所述第一构件的所述第一端，并且其中，所述第一构件和所述切割钻头的摆动使所述参考线移动，从而导致所述参考线跟踪具有圆形基部的圆锥形形状，所述圆形基部大致对应于所述闭合路径。
25.根据权利要求18所述的采掘机，其中，所述第一质心以轨道方式绕所述组合质心移动，并且所述第二质心以轨道方式绕所述组合质心移动。
26.根据权利要求25所述的采掘机，其中，参考线从所述切割钻头延伸到所述第一构件的所述第一端，并且其中，所述第一构件和所述切割钻头的摆动使所述参考线移动并且导致所述参考线跟踪具有圆形基部的圆锥形形状，所述闭合路径与所述基部共同延伸，所述圆锥的顶点定位在所述第一构件的所述第一端处。
27.根据权利要求18所述的采掘机，其中，所述第一构件具有锥形形状，使得所述第一端比所述第二端宽。
28.根据权利要求18所述的采掘机，其中，所述刀头进一步包括马达，所述马达绕所述轴线驱动所述第二构件。
29.根据权利要求28所述的采掘机，其中，所述马达是第一马达，并且所述刀头进一步包括用于使所述第一构件旋转的第二马达。
30.根据权利要求18所述的采掘机，其中，所述第二质量包括第一凸部和第二凸部，所述第二凸部能够相对于所述第一凸部绕所述轴线移动。
31.根据权利要求30所述的采掘机，其中，所述第一凸部沿第一方向绕所述轴线旋转，并且所述第二凸部沿与所述第一方向相反的第二方向绕所述轴线旋转。
32.根据权利要求30所述的采掘机，其中，所述刀头进一步包括第一马达和第二马达，其中，所述第一凸部联接到由所述第一马达驱动的第一轴，并且所述第二凸部联接到由所述第二马达驱动的第二轴。
33.一种采掘机，包括：
框架，用于将所述采掘机支撑在支撑表面上；
吊杆，所述吊杆包括联接到所述框架的第一端和远离所述框架定位的第二端；
刀头，所述刀头包括第一构件和切割钻头，所述第一构件包括第一端和第二端，所述第一端联接到支架，所述切割钻头靠近所述第一构件的所述第二端联接到所述第一构件；和
联接构件，所述联接构件将所述第一构件支撑在所述吊杆的所述第二端上以便于所述刀头相对于所述吊杆摆动。
34.根据权利要求33所述的采掘机，其中，所述刀头进一步包括偏心构件，所述偏心构件能够绕大致在所述第一端和所述第二端之间延伸的旋转轴线旋转，所述偏心构件的旋转致使所述第一构件和所述切割钻头相对于所述弹性构件绕质心摆动。
35.根据权利要求33所述的采掘机，其中，所述联接构件包括至少一个弹簧和销，所述销穿过所述弹簧并且在所述第一构件的所述第一端与所述支架之间延伸，所述弹簧在所述第一构件上施加弹簧力以克服施加在所述切割钻头上的反作用力偏压所述第一构件。
36.根据权利要求33所述的采掘机，其中，所述联接构件包括定位在所述第一构件的所述第一端和所述支架之间的至少一个液压缸，所述液压缸能够延伸并且能够缩回以改变所述刀头相对于所述吊杆的定向。
37.根据权利要求34所述的采掘机，其中，所述联接构件包括定位在所述第一构件的所述第一端和所述支架之间的至少一个液压缸，所述液压缸能够延伸并且能够缩回以修改所述第一构件和所述切割钻头绕所述质心的摆动。
38.根据权利要求33所述的采掘机，其中，所述联接构件包括球接头，所述球接头允许所述第一构件相对于所述吊杆的所述第二端摆动。
39.一种用于采掘机的刀头，所述采掘机包括框架和可移动地联接到所述框架的吊杆，所述刀头包括：
第一构件，所述第一构件包括第一端和第二端，所述第一构件能够相对于所述第二端移动；
切割钻头，所述切割钻头靠近所述第二端联接到所述第一构件；和
流体导管，所述流体导管延伸穿过所述第一构件并且被构造成与流体源流体连通；和
多个喷嘴，所述喷嘴定位在切割刀刃上，所述喷嘴与所述流体导管流体连通。
40.根据权利要求39所述的刀头，其中，所述流体导管包括第一导管和第二导管，所述第一导管沿大致平行于所述轴线的方向延伸穿过所述第一构件，所述第二导管延伸穿过所述切割钻头并且在所述第一导管与所述喷嘴之间提供流体连通，所述第二导管沿相对于所述轴线倾斜的方向延伸。
41.根据权利要求39所述的刀头，进一步包括第二构件和马达，所述第二构件定位在所述第一构件内并且联接到轴，所述马达驱动所述轴以绕所述轴线旋转，所述流体导管延伸穿过所述轴。
42.根据权利要求39所述的刀头，其中，所述切割刀刃具有大致圆形周边并且包括多个切割尖端，所述多个切割尖端绕所述周边以规则间隔定位，并且其中，每个喷嘴被定位在相邻的切割尖端之间。
43.一种用于从岩石壁移除材料的方法，所述方法包括：
使切割刀刃移动通过所述岩石壁以在所述岩石壁中产生第一槽；
使所述切割刀刃移动通过所述岩石壁以在所述岩石壁中产生第二槽，所述第二槽通过未切部分与所述第一槽分离，所述未切部分限定附接到所述壁的基部表面；
在所述未切部分的所述基部表面中切割出切口；和
在所述未切部分上施加力以使所述未切部分从所述壁断开。
44.根据权利要求43所述的方法，进一步包括：在使切割刀刃移动通过所述岩石壁以产生所述第一槽之前，绕所述岩石壁的周边切割出轮廓。
45.根据权利要求43所述的方法，其中，在所述未切部分上施加力包括：使所述未切部分与振动质量相接触以便致使所述未切部分从所述岩石壁断开。
46.根据权利要求45所述的方法，其中，所述振动质量是支撑所述切割刀刃的刀头。
47.根据权利要求43所述的方法，其中，所述第一槽和所述第二槽是大致平行的。
48.根据权利要求43所述的方法，其中，所述第一槽和所述第二槽是基本上水平的。
49.根据权利要求48所述的方法，其中，使所述切割刀刃移动通过所述岩石壁以产生所述第二槽提供至少与所述未切部分一样高的第二槽。
50.一种用于控制采掘机的方法，所述方法包括：
感测刀头的切割效率的指示量的值；
将感测值与期望值进行比较；
将操作参数在第一方向上从初始值修改到第二值；
检测切割能量的指示量的改变；和
当所述切割效率的指示量的改变表现为提高时，将所述操作参数进一步在所述第一方向上修改为第三值。
51.根据权利要求44所述的方法，其中，所述指示量是施加在接合所述岩石壁的切割钻头上的应变。
52.根据权利要求50所述的方法，其中，所述指示量是从所述刀头传递到所述岩石壁的切割能量。
53.根据权利要求50所述的方法，其中，所述操作参数是定位在所述刀头内的偏心质量的摆动频率。
54.根据权利要求50所述的方法，其中，所述操作参数是定位在所述刀头内的偏心质量的摆动幅度。
55.根据权利要求50所述的方法，其中，所述感测值包括切割钻头相对于所述岩石壁的角位置和惯性质量的动量相对于所述切割钻头的角位置的角方向，并且其中，修改所述操作参数包括：当所述切割钻头接合所述岩石壁时，修改所述惯性质量的摆动以改变所述惯性质量的动量的方向。
56.根据权利要求55所述的方法，其中，感测值包括所述刀头的切割进给速率。
57.根据权利要求55所述的方法，进一步包括：如果切割能量的指示量下降，则将所述操作参数修改为其初始值。
58.一种用于控制采掘机的方法，所述方法包括：
感测第一刀具的切割效率的指示量的第一值；
感测第二刀具的切割效率的指示量的第二值；
将所述第一值与所述第二值相比较以检测是否所述第一值小于所述第二值；
当所述第一值小于所述第二值时，修改所述第二刀具的操作参数使得所述第二值匹配所述第一值。
59.根据权利要求58所述的方法，进一步包括：维持所述第二刀具的操作参数使得所述第二值不超过所述第一值。
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