CN109653760A - 挖掘机用环向切土装置及其环向切土方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种挖掘机用环向切土装置和环向切土方法，本发明的方法改变传统的挖掘机铲斗竖直方向切土方式，提供了一种黄土隧道环向切土方式。挖掘机用环向切土装置安装于挖掘机的小臂上，包括水平基刀和竖直基刀，水平基刀呈等腰三角形，其两侧边的交点朝向正前方；水平基刀两侧边上设有用于切土的侧刀刃；竖直基刀呈弧顶向上的劣弧弓形，竖直基刀弧形边上设有用于切土的弧刀刃；水平基刀向上连接有脊板。本发明在平行于开挖面土体的方向上进行旋转切土动作，挖掘机的工作台也通过其旋转加入了切土动作，一次旋转的切土量是铲斗一次挖土量的8－10倍，提高了隧道的开挖效率，降低了开挖时挖掘机的油耗。

Description

挖掘机用环向切土装置及其环向切土方法

技术领域

本发明涉及施工技术领域，尤其涉及一种黄土隧道挖土的装置和方法。

背景技术

我国对黄土隧道开挖的主要思路是大断面转化小断面、加强支护、及时封闭，据此形成的常用施工工艺有三台阶七步开挖法、CRD法、CD法和双侧壁导坑法等。以上施工工艺均为人工辅助机械开挖，常用的开挖机械是中小型反铲挖掘机，挖掘机包括有可旋转的工作台（工作台上设有驾驶室）、大臂和与大臂铰接的小臂，大臂由大臂油缸驱动，小臂由小臂油缸驱动；铲斗为其执行开挖的装置。铲斗与安装铲斗的小臂之间通过销子铰接在一起。挖掘机挖土时，每动作一个周期（通过控制大臂、小臂，使铲斗向前伸出、向下挖土、收回、向下放土），只能挖出一铲斗的土量。土挖出来后通常倒在地下，最后通过运载机等运输装置集中装车运出。

实际施工时中小型反铲挖掘机有以下缺陷：

1、铲斗体积大，每铲斗挖量大，操作人员不容易准确判断铲斗的位置，容易造成超挖；

2、铲斗只能垂直于隧道开挖方向开挖，每循环仅挖一铲斗土，效率不高；每循环中，铲斗需要先向前伸入土体，再向下挖土，再收回来，最后将土放下，每次方向的转变都要耗费大量能量，整体能耗较高。

3、挖掘机工作时通过控制大臂油缸和小臂油缸，上下摆动大臂，只能垂直于开挖面挖掘土体，铲斗开挖土体后相邻土体可能随之塌落，如上铲超挖量不合格可能造成相邻位置塌落的土体也超挖。

4、铲斗体积较大，挖掘机的操作员不容易准确判断其位置，这也容易带来超挖现象。

发明内容

本发明的目的在于提供一种挖掘机用环向切土装置，改变以往执行开挖的装置只能垂直于隧道开挖方向开挖的现有技术，适于横向切土，提高开挖隧道的效率并降低开挖中的能耗。

为实现上述目的，本发明的挖掘机用环向切土装置安装于挖掘机的小臂上，包括水平基刀和竖直基刀，

水平基刀呈等腰三角形，包括第一底边和两侧边，两侧边呈向内凹的弧线，两侧边的交点朝向正前方；两侧边上设有用于切土的侧刀刃；

竖直基刀呈弧顶向上的劣弧弓形，包括第二底边和与底边相连接的弧顶向上的弧形边，该弧形边上设有用于切土的弧刀刃；

水平基刀向上连接有竖直的脊板，脊板的顶边为弧顶向下的弧形边，脊板的顶边的后端与竖直基刀的弧形边的弧顶处相连接，脊板的的顶边的前端位于水平基刀的两侧边的交点的正上方并与该交点相邻。

脊板于其前后方向上的中部位置左右对称连接有加强板，加强板为三角形板且其三条边均为直线段，加强板的的一条边为竖向边并与脊板相连接，加强板的第二条边为水平边并与水平基刀相连接，加强板的第三条边为斜边。

所述脊板的前端连接有前刀头，前刀头的刀尖向正前方伸出并用于在垂直于开挖面的方向上刺入土体；

所述竖直基刀的左右两端分别连接有侧刀头，侧刀头的刀尖向左右方向伸出并用于在平行于开挖面的方向上切土。

所述竖直基刀向后连接有水平设置的水平连接板和竖直设置的竖向连接板，竖向连接板与水平连接板固定连接；

水平连接板和竖向连接板的后端均与一竖直设置的安装板固定连接，安装板向后固定连接有用于与挖掘机的小臂相连接的两个铰接板，两个铰接板平行间隔设置，两个铰接板的间距与小臂宽度相适配；两个铰接板上和小臂上分别对应设有销孔，销孔内设有用于将铰接板与小臂连接在一起的连接销；挖掘机用环向切土装置的横截面小于等于挖掘机铲斗横截面的三分之一。

所述连接销和销孔上下平行间隔设有两组。

本发明还公开了使用上述挖掘机用环向切土装置的环向切土方法，按以下步骤进行：

第一步骤是在挖掘机小臂端部安装挖掘机用环向切土装置；

第二步骤是将挖掘机开至待开挖的黄土隧道中；

第三步骤是在隧道待开挖面处进行切土作业；

调节挖掘机的大臂油缸和小臂油缸，使挖掘机用环向切土装置的旋转半径与隧道的预定宽度相适应；

开挖面处设有若干作业台阶，由上至下对每一个作业台阶上方的开挖面进行切土动作和扒土动作；通过切土动作将开挖面处的土体切至作业台阶上，通过扒土动作将落在作业台阶上的土扒至隧道地面；对于每一个作业台阶上方的开挖面，切土动作均由上至下进行；

挖掘机用环向切土装置的高度为H厘米，完成一次切土动作后，操作人员控制小臂向下移动H厘米，对下一层土体进行切土动作，直到对该作业台阶上方的开挖面全部完成一次切土动作后，进行一次扒土动作；

第四步骤是向外运土；

对开挖面处每一个作业台阶上方的开挖面均完成切土动作和扒土动作后，使用运载机将切下的土运输出隧道；

重复第一至第四步骤，直到隧道的开挖作业全部完成。

切土动作是：操作人员控制挖掘机，使挖掘机用环向切土装置在垂直于待开挖土体的方向上刺入待开挖土体，并使水平基刀和竖直基刀均没入待开挖土体；

控制挖掘机的工作台带动挖掘机的大臂、小臂以及挖掘机用环向切土装置沿水平方向旋转一周，将黄土隧道中的前方土体和两侧土体切下，切下的土落在作业台阶上，完成一次切土动作；

扒土动作是：卸下挖掘机小臂端部的挖掘机用环向切土装置，在挖掘机小臂端部安装上铲斗，操作人员控制挖掘机钭斗将落在作业台阶上的土扒至隧道地面，然后卸下铲斗，安装上挖掘机用环向切土装置，为下一次切土动作做好准备。

在挖掘机小臂端部安装挖掘机用环向切土装置的动作具体是：使挖掘机用环向切土装置的两个铰接板卡在挖掘机小臂上，并使两个铰接板上的销孔与挖掘机小臂上的销孔相对应；使销子穿过铰接板上的销孔和挖掘机小臂上的销孔，将铰接板与挖掘机小臂铰接在一起。

本发明具有如下的优点：

本发明的挖掘机用环向切土装置最大的优点是能够适应旋转切土动作，提高了隧道的开挖效率，降低了开挖时挖掘机的油耗。

竖向连接板、水平连接板、安装板和铰接板的设置，结构强度较高，既便于完成切土动作，也便于与挖掘机的小臂相连接。

采用本发明的挖掘机用环向切土装置以及环向切土方法，能够对黄土隧道的开挖面进行旋转切土，一次旋转的切土量是铲斗一次挖土量的8－10倍，同时挖掘机用环向切土装置的体积与铲斗相比大大减小。体积减小意味着土体阻力的减小，进而意味着更节省能量。

以往铲斗是在垂直于开挖面土体的方向上进行挖土的，而本发明则突破了这一常规作业方法，是在平行于开挖面土体的方向上进行旋转切土动作。

以往挖土时，挖掘机的工作台不参与挖土动作。使用本发明的环向切土方法，挖掘机的工作台也通过其旋转加入了切土动作，是对挖掘机工作台的创造性利用。

由于是在平行于开挖面土体的方向上进行旋转切土动作，因此可以在旋转路线上直接切掉土体，克服了传统铲斗挖土的方式容易超挖的缺陷。传统铲斗挖土时，如果铲斗的开挖位置与上一次的开挖位置有重合，则浪费能量；如果铲斗的开挖位置与上一次的开挖位置有间隔，则必须在间隔处再挖一次，也浪费能量。这就要求操作人员在每次开挖时都要瞄准正确的开挖位置。

本发明的挖掘机用环向切土装置的一次旋转切土量是铲斗的一次挖土量的8－10倍，这样操作人员瞄准位置的次数就减少了8－10倍，由于瞄准错误而导致的能量浪费现象也相应大幅减少。

挖掘机的铲斗在完成一次挖土动作时，需要使铲斗向前伸出、向下挖土、向后收回、向下放土，每次方向的改变都耗费大量能量。本发明的挖掘机用环向切土装置在一次旋转过程中，旋转方向不发生改变，与使用铲斗挖土相比，大幅减少了方向改变所带来的能量浪费。

由于一次旋转的切土量较铲斗一次挖土的挖土量增加了8－10倍，因此大大提高了隧道的开挖效率。

经试验，开挖同样规格同样长度的黄土隧道，使用本发明的挖掘机用环向切土装置及其环向切土方法后，工期缩短了三分之一，挖掘机的油耗降低了一半，具有显著的降本增效意义。

挖掘机用环向切土装置与铲斗为挖掘机的选择性装配的部件，挖掘机用环向切土装置的横截面小于等于挖掘机铲斗横截面的三分之一，因此挖掘机的操作人员就能更准确地判断出挖掘机用环向切土装置的实际位置，从而与以往相比大大减少由于视觉判断不准确而引起的超挖现象。

附图说明

图1是本发明的立体结构示意图；

图2是本发明的主视图；

图3是图2的俯视图。

具体实施方式

如图1至图3所示，本发明的挖掘机用环向切土装置安装于挖掘机的小臂上，包括水平基刀1和竖直基刀2；

水平基刀1呈等腰三角形，包括第一底边和两侧边，两侧边呈向内凹的弧线，两侧边的交点朝向正前方；两侧边上设有用于切土的侧刀刃3；

竖直基刀2呈弧顶向上的劣弧弓形（即弓形的弧为劣弧），包括第二底边和与底边相连接的弧顶向上的弧形边，该弧形边上设有用于切土的弧刀刃4；

水平基刀1向上连接有竖直的脊板5，脊板5的顶边为弧顶向下的弧形边，脊板5的顶边的后端与竖直基刀2的弧形边的弧顶处相连接，脊板5的的顶边的前端位于水平基刀1的两侧边的交点的正上方并与该交点相邻，相邻的空间即脊板5前端的高度，以足够装下前刀头为准。

脊板5于其前后方向上的中部位置左右对称连接有加强板6，加强板6为三角形板且其三条边均为直线段，加强板6的的一条边为竖向边并与脊板5相连接，加强板6的第二条边为水平边并与水平基刀1相连接，加强板6的第三条边为斜边。

加强板6的设置，增强了本发明的结构强度，在切土时也具有分割土体的作用。

所述脊板5的前端连接有前刀头7，前刀头7的刀尖向正前方伸出并用于在垂直于开挖面的方向上刺入土体；

所述竖直基刀2的左右两端分别连接有侧刀头8，侧刀头8的刀尖向左右方向伸出并用于在平行于开挖面的方向上切土。

前刀头7的设置，降低了本发明在垂直于土体的方向上伸入土体时的阻力，使本发明更容易刺入土体。侧刀头8的设置，降低了本发明在旋转切土时的阻力，使本发明更容易进行旋转切土。

所述竖直基刀2向后连接有水平设置的水平连接板9和竖直设置的竖向连接板10，竖向连接板的底端与水平连接板9固定连接；水平连接板9上方的竖向连接板10平行间隔设有两个，水平连接板9下方的竖向连接板10平行间隔设有两个，从而增强了本发明的结构强度。

水平连接板9和竖向连接板10的后端均与一竖直设置的安装板11固定连接，安装板11向后固定连接有用于与挖掘机的小臂相连接的两个铰接板12，两个铰接板12平行间隔设置，两个铰接板12的间距与小臂宽度相适配；两个铰接板12上和小臂上分别对应设有销孔，销孔内设有用于将铰接板12与小臂连接在一起的连接销13；挖掘机用环向切土装置的横截面小于等于挖掘机铲斗横截面的三分之一。使用连接销穿过销孔将两个部件铰接起来是常规技术，具体不再详述。

所述连接销13和销孔上下平行间隔设有两组。

挖掘机及其工作台、大臂、小臂、大臂油缸、小臂油缸和铲斗均为现有常规装置，图未示。

本发明还公开了使用上述挖掘机用环向切土装置的环向切土方法，按以下步骤进行：

第一步骤是在挖掘机小臂端部安装挖掘机用环向切土装置；挖掘机小臂上设有与铰接板12上的销孔相对应的销孔。

第二步骤是将挖掘机开至待开挖的黄土隧道中；

第三步骤是在隧道待开挖面处进行切土作业；

调节挖掘机的大臂油缸和小臂油缸，使挖掘机用环向切土装置的旋转半径与隧道的预定宽度相适应；

开挖面处设有若干作业台阶，由上至下对每一个作业台阶上方的开挖面进行切土动作和扒土动作；通过切土动作将开挖面处的土体切至作业台阶上，通过扒土动作将落在作业台阶上的土扒至隧道地面；对于每一个作业台阶上方的开挖面，切土动作均由上至下进行；

挖掘机用环向切土装置的高度为H厘米，完成一次切土动作后，操作人员控制小臂向下移动H厘米，对下一层土体进行切土动作，直到对该作业台阶上方的开挖面全部完成一次切土动作后，进行一次扒土动作；

第四步骤是向外运土；

对开挖面处每一个作业台阶上方的开挖面均完成切土动作和扒土动作后，使用运载机将切下的土运输出隧道；

重复第一至第四步骤，直到隧道的开挖作业全部完成。

切土动作是：操作人员控制挖掘机，使挖掘机用环向切土装置在垂直于待开挖土体的方向上刺入待开挖土体，并使水平基刀1和竖直基刀2均没入待开挖土体；

控制挖掘机的工作台带动挖掘机的大臂、小臂以及挖掘机用环向切土装置沿水平方向旋转一周，将黄土隧道中的前方土体和两侧土体切下，切下的土落在作业台阶上，完成一次切土动作；

扒土动作是：卸下挖掘机小臂端部的挖掘机用环向切土装置，在挖掘机小臂端部安装上铲斗（铲斗与挖掘机用环向切土装置安装在小臂端部的同一位置），操作人员控制挖掘机钭斗将落在作业台阶上的土扒至隧道地面，然后卸下铲斗，安装上挖掘机用环向切土装置，为下一次切土动作做好准备。

在挖掘机小臂端部安装挖掘机用环向切土装置的动作具体是：使挖掘机用环向切土装置的两个铰接板12卡在挖掘机小臂上，并使两个铰接板12上的销孔与挖掘机小臂上的销孔相对应；使销子穿过铰接板12上的销孔和挖掘机小臂上的销孔，将铰接板12与挖掘机小臂铰接在一起。

在挖掘机小臂上安装铲斗为常规技术，不再赘述。

以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.挖掘机用环向切土装置，其特征在于：安装于挖掘机的小臂上，包括水平基刀和竖直基刀，

水平基刀呈等腰三角形，包括第一底边和两侧边，两侧边呈向内凹的弧线，两侧边的交点朝向正前方；两侧边上设有用于切土的侧刀刃；

竖直基刀呈弧顶向上的劣弧弓形，包括第二底边和与底边相连接的弧顶向上的弧形边，该弧形边上设有用于切土的弧刀刃；

水平基刀向上连接有竖直的脊板，脊板的顶边为弧顶向下的弧形边，脊板的顶边的后端与竖直基刀的弧形边的弧顶处相连接，脊板的的顶边的前端位于水平基刀的两侧边的交点的正上方并与该交点相邻。

2.根据权利要求1所述的挖掘机用环向切土装置，其特征在于：脊板于其前后方向上的中部位置左右对称连接有加强板，加强板为三角形板且其三条边均为直线段，加强板的的一条边为竖向边并与脊板相连接，加强板的第二条边为水平边并与水平基刀相连接，加强板的第三条边为斜边。

3.根据权利要求1或2所述的挖掘机用环向切土装置，其特征在于：所述脊板的前端连接有前刀头，前刀头的刀尖向正前方伸出并用于在垂直于开挖面的方向上刺入土体。

4.根据权利要求1或2所述的挖掘机用环向切土装置，其特征在于：所述竖直基刀的左右两端分别连接有侧刀头，侧刀头的刀尖向左右方向伸出并用于在平行于开挖面的方向上切土。

5.根据权利要求4所述的挖掘机用环向切土装置，其特征在于：所述竖直基刀向后连接有水平设置的水平连接板和竖直设置的竖向连接板，竖向连接板与水平连接板固定连接；

水平连接板和竖向连接板的后端均与一竖直设置的安装板固定连接，安装板向后固定连接有用于与挖掘机的小臂相连接的两个铰接板，两个铰接板平行间隔设置，两个铰接板的间距与小臂宽度相适配；两个铰接板上和小臂上分别对应设有销孔，销孔内设有用于将铰接板与小臂连接在一起的连接销；挖掘机用环向切土装置的横截面小于等于挖掘机铲斗横截面的三分之一。

6.根据权利要求5所述的挖掘机用环向切土装置，其特征在于：所述连接销和销孔上下平行间隔设有两组。

7.使用权利要求5中所述挖掘机用环向切土装置的环向切土方法，其特征在于按以下步骤进行：

第一步骤是在挖掘机小臂端部安装挖掘机用环向切土装置；

第二步骤是将挖掘机开至待开挖的黄土隧道中；

第三步骤是在隧道待开挖面处进行切土作业；

调节挖掘机的大臂油缸和小臂油缸，使挖掘机用环向切土装置的旋转半径与隧道的预定宽度相适应；

开挖面处设有若干作业台阶，由上至下对每一个作业台阶上方的开挖面进行切土动作和扒土动作；通过切土动作将开挖面处的土体切至作业台阶上，通过扒土动作将落在作业台阶上的土扒至隧道地面；对于每一个作业台阶上方的开挖面，切土动作均由上至下进行；

挖掘机用环向切土装置的高度为H厘米，完成一次切土动作后，操作人员控制小臂向下移动H厘米，对下一层土体进行切土动作，直到对该作业台阶上方的开挖面全部完成一次切土动作后，进行一次扒土动作；

第四步骤是向外运土；

对开挖面处每一个作业台阶上方的开挖面均完成切土动作和扒土动作后，使用运载机将切下的土运输出隧道；

重复第一至第四步骤，直到隧道的开挖作业全部完成。

8.根据权利要求7所述的环向切土方法，其特征在于：

切土动作是：操作人员控制挖掘机，使挖掘机用环向切土装置在垂直于待开挖土体的方向上刺入待开挖土体，并使水平基刀和竖直基刀均没入待开挖土体；

控制挖掘机的工作台带动挖掘机的大臂、小臂以及挖掘机用环向切土装置沿水平方向旋转一周，将黄土隧道中的前方土体和两侧土体切下，切下的土落在作业台阶上，完成一次切土动作；

扒土动作是：卸下挖掘机小臂端部的挖掘机用环向切土装置，在挖掘机小臂端部安装上铲斗，操作人员控制挖掘机钭斗将落在作业台阶上的土扒至隧道地面，然后卸下铲斗，安装上挖掘机用环向切土装置，为下一次切土动作做好准备。

9.根据权利要求7所述的环向切土方法，其特征在于：在挖掘机小臂端部安装挖掘机用环向切土装置的动作具体是：使挖掘机用环向切土装置的两个铰接板卡在挖掘机小臂上，并使两个铰接板上的销孔与挖掘机小臂上的销孔相对应；使销子穿过铰接板上的销孔和挖掘机小臂上的销孔，将铰接板与挖掘机小臂铰接在一起。