CN112074649B - 切削组件 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种用于采矿或开采的切削组件。该切削组件包括圆形的盘式刀具(18)。切削元件绕盘式刀具的圆周表面被布置，每个切削元件都坐落在工具托架(24)中。底座的取向使得切削元件(22)切向指向或朝向预期的旋转方向。

Description

切削组件

技术领域

本公开涉及采矿和挖掘机。特别地，本公开涉及一种用于岩石挖掘机的切削组件。

背景技术

世界上有许多类型的岩层可以作为大的矿床，俗称板岩。各种类型的采矿设备被部署在地上采石场中，以便从地面开采板岩。板岩通过使用专业设备被取回，通常通过大型且非常强大的车辆将其从停放处拖走。岩石板岩可重达40吨(40,000千克)。可以在现场进行加工(诸如抛光)，也可以将板岩从现场运走以切成适当大小的块，供家庭和工业使用。

在地上使用的相同设备可能并不总是可直接在地下矿的密闭空间内使用。

本发明的目的是提供一种紧凑且多用的切削组件，以促进对特定岩层的几何形状或非几何形状的块进行采矿和开采，并且该切削组件可以在地上或地下使用。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种用于岩石挖掘机的切削组件，包括：基座单元，从基座单元延伸的一个或多个可移动支撑臂，可旋转地安装到可移动支撑臂或每个可移动支撑臂的驱动主轴，绕驱动主轴固定以使驱动主轴的旋转引起其对应旋转的盘式刀具，盘式刀具包括刀具主体、多个切削元件和对应数目的工具托架，每个切削元件一个工具托架，切削元件和工具托架绕刀具主体的圆周表面被布置，每个切削元件都被容纳在工具托架中的底座中，其中底座被取向成使得切削元件指向或朝向预期的旋转方向。

在一些实施例中，工具托架从刀具主体向外径向延伸。

优选地，切削元件相对于工具托架的前角在10度与30度之间。可选地，前角约为25度。

工具托架例如通过钎焊被永久地安装到刀具主体。替代地，工具托架被可拆卸地安装到刀具主体。在一个实施例中，工具托架通过使用锁销布置被可拆卸地安装到刀具主体。

每个切削元件例如可以通过钎焊被永久地固定到底座上的适当位置。在一个实施例中，切削元件可以被可旋转地安装在底座中。

可选地，当从轴向观察时，工具托架通常是截头圆锥形的，具有比后表面短的前表面，底座位于前表面中。

可选地，切削元件是具有平坦切削表面的圆柱形。切削元件或每个切削元件可以是多晶金刚石复合体(PDC)。

在一些实施例中，每个切削元件的横向范围大于工具托架的横向范围。在这种实施例中，可选地，切削元件在任一侧上横向地突出工具托架至少1mm。

每个工具托架从切削元件朝向刀具主体横向地向内地逐渐变细。

附图说明

现在将参考附图，仅通过举例的方式来更具体地描述本发明，其中

图1是地下采矿的示意性平面图，其并入了切削组件作为长壁采矿系统的一部分的第一实施例，并且特别在水平取向上示出了该切削组件；

图2是图1的长壁采矿系统的示意性端视图；

图3是地下采矿的示意性平面图，其并入了切削组件作为长壁采矿系统的一部分的第二实施例，并且特别在垂直取向上示出了该切削组件；

图4是图3的长壁采矿系统的示意性端视图；

图5示出了盘式刀具的第一实施例的前视图；

图6示出了与图5的盘式刀具一起使用的切削元件的前视图；

图7示出了图6的切削元件的侧视图；

图8示出了盘式刀具的第二实施例的前透视图；

图9示出了与图8的盘式刀具一起使用的多个切削元件的侧视图；

图10a是来自图9的第一个体切削元件的侧视图；以及

图10b是来自图9的第二个体切削元件的侧视图；

在附图中，相似的部分已经被分派了相似的附图标记。

具体实施方式

开始先参考图1到图2，在10处大体示出了用于在地下切入自然岩层2的切削组件。

切削组件形成长壁采矿系统1的一部分，该系统通常在地下矿中发现。切削组件是已知的采掘机技术的替代品，该技术在一系列可调式顶板支架6中在矿井底板4上进行操作。随着采掘机在采矿方向上前进，顶板支架6被定位以向上支撑(uphold)在采掘机直接后面的矿井顶板8。在顶板支架6的后面，矿井顶板8以相对受控的方式塌陷。通常，搜集臂在切削面上收集采出的岩石并将其转移到输送系统上，以便随后从矿井中移出。

在图1和图2中指示的第一实施例中，切削组件10包括基座单元12，从基座单元12延伸的一对间隔开的支撑臂14，在这对可移动的支撑臂14之间延伸并被可旋转地安装到可移动的支撑臂14的驱动主轴16，以及绕驱动主轴16固定的多个盘式刀具18。

在图3和图4中指示的第二实施例中，单个支撑臂14从基座单元12延伸。驱动主轴16由单个支撑臂14居中支撑，并且多个盘式刀具18被安装到驱动主轴16，分布在单个支撑臂14的两侧。

在未示出的替代实施例中，仅使用单个盘式刀具18。

优选地，该盘式刀具18或每个盘式刀具18绕驱动主轴16其中心(即，居中地)安装。然而，这不是必须的，该盘式刀具18或每个盘式刀具18可以替代地被安装成相对于驱动主轴16偏离其中心。可选地，可以替代地使用两种布置的组合。例如，当串联地(即，沿着驱动主轴16彼此平行地)使用多个盘式刀具18时，交替的盘式刀具18可以绕驱动主轴16居中地安装。剩余的圆盘切削器18的每个中心可以从圆盘切削器18绕驱动主轴16安装的点径向偏离。设想了其他组合。

基座单元12用作盘式刀具18的运输系统。基座单元12可移动以使盘式刀具18前进到操作位置并且从操作位置撤回，操作位置非常接近要切削的岩层2。基座单元12移近岩层2的速度是确定切削组件10进入岩层2的进给速率的几个变量之一。基座单元12(与顶板支架6配合)也是沿着要采出的岩层2的长壁可横向移动的，从左到右，反之亦然。

每个支撑臂14被配置为可移动到第一和第二切削取向上。在第一切削取向上，如在图1和图2中最佳可见，驱动主轴16是水平的。结果，由盘式刀具18切削成的岩层2中的切口相应地是垂直的。在第二切削取向上，如在图3和图4中最佳可见，驱动主轴16是垂直的。因此，由盘式刀具18切削成的岩层2中的切口相应地是水平的。对于上面提及的第一或第二实施例，第一和第二切削取向均是可能的。

可选地，(一个或多个)支撑臂14也可以是可移动的，以使驱动主轴16在前面提及的竖直和水平之间的任何切削取向上可操作，尽管这不是必须的。(一个或多个)支撑臂14可以替代地被配置为使它们在第一和第二切削取向之间可移动，但是仅在第一和第二切削取向上是全面操作的(即，(一个或多个)盘式刀具旋转以便于促进切削或粉碎岩石)。

根据所需的切削深度，在可选地第一和第二切削取向中的每个取向上，每个支撑臂14在第一操作位置和第二操作位置之间是可移动的。这在图2中由双头箭头A指示。例如，在第一操作位置，驱动主轴16被降低以便紧靠矿井底板4，而在第二操作位置，驱动主轴16被升高以便紧靠矿井顶板8。

可选地，每个支撑臂14可以具有通过枢轴接头(或替代地，万向接头)连接到第二臂部分的第一臂部分，每个第一臂部分和第二臂部分相对于彼此可独立移动。这种布置增加了切削组件10可以操作的自由度，并有利地改善了其可操纵性。

驱动主轴16由电动机驱动以特定速度旋转。取决于所选的盘式刀具18的类型和所需的切削力，每个盘式刀具18的电动机功率通常在20至50kW之间。

从图5中最佳可见，在一个实施例中，盘式刀具18包括圆形主体20和围绕圆形主体20在外围布置的多个切削元件22。驱动主轴16的旋转引起盘式刀具18的对应旋转。然而，盘式刀具18不必是圆形的，而可以仅仅是大致圆形的，例如，取决于其尺寸，八边形刀具可以近似于大致圆形的盘式刀具。因此，盘式刀具18可以是六边形、八边形、十边形等，或者实际上具有任意数量的环绕延伸的边。

该盘式刀具18或每个盘式刀具18还可以包括一个或多个传感器。这些传感器可以被嵌入或集成到刀具主体20中。传感器可以是以下之一：温度传感器、压力传感器、X射线传感器、伽马射线传感器、加速度计、被配置为监视切削条件的化学性质的传感器，或用以识别岩层或开采材料的传感器。在这种实施例中，传感器可以被耦合到数据采集系统，并且还可能在线耦合到数据分析包或远离采矿/开采操作。

在优选实施例中，在驱动主轴16上布置有多个盘式刀具18。通常，可以提供六个或更多的盘式刀具18。取决于实施例，盘式刀具18优选地沿着驱动主轴16的长度，在一对间隔开的支撑臂14a、14b之间，或者在支撑臂14的任一侧之间规则地间隔开。

根据所需的切削深度和被切削的岩层2的机械特性，例如极限抗拉强度(UTS)，来选择盘式刀具18的间隔以便优化具体的切削能量，这将决定所需的功耗。目的是要达到这样的条件：切削下来的材料将在其自重的作用下碎裂。例如，对于金伯利岩的0.4m的切削深度，相邻的盘式刀具之间的理想间隔约为0.3m。然而，可以取决于碎裂所需的力来增加或减少它。优选地，该间隔是现场可调节的，并且可以是自动化过程或手动过程。该间隔可以是远程可调节的，例如从地上的操作室进行调节。可以使用楔形工具来施加这种碎裂力，以帮助岩石碎裂。

盘式刀具18以测量优选地在0.01m至2m之间的间隙被间隔开，更优选地在0.01m至0.5m之间。还更优选地，盘式刀具18以测量在10cm至40cm之间的间隙间隔开。

盘式刀具18的圆形主体20通常由钢制成，并且具有大约1000mm的直径和大约11mm的厚度(轴向测量，在随后的描述中也被认为是横向范围)。现实地，这种直径可实现最大400mm的切削深度。圆形主体20具有在60mm至100mm之间的轴径23，并且其尺寸和形状被设置成容纳驱动主轴16。

根据切削组件的预期应用，适当地选择盘式刀具18的直径(或者在非圆形的盘式刀具的情况下的有效直径)和厚度。例如，电缆敷设应用需要具有较小直径的盘式刀具18。机械臂角向磨光机需要还要更小的直径。然而，隧道掘进应用需要具有明显更大直径的盘式刀具18，并且将对其进行相应地调整。

在此实施例中，盘式刀具18还包括用于容纳对应数目的切削元件22的多个工具托架24。在替代实施例中，盘式刀具包括一个或多个工具托架。

优选地但不是必须的，每个工具托架24为一个切削元件22提供底座。优选地，每个工具托架24由钢制成，但也可以替代地包括硬度大于70HV(维氏硬度)的(一种或多种)任何金属、碳化物或陶瓷基材料。在图5、图6和图7中所示的实施例中，每个工具托架24可以被永久性地连接到刀具主体20(例如，使用铜焊或焊接)，也可以在图8、图9以及图10a和图10b中所示的实施例中使用保持机构将其可拆卸地安装在刀具主体20上。可以使用钎焊、焊接和/或机械连接的混合。替代地，例如通过锻造、粉末冶金等，(一个或多个)工具托架24可以与盘式刀具18的主体20一体形成。

保持机构可以包括锁销布置，锁销布置被用来将工具托架24固定至刀具主体20。替代地，可以使用夹紧、热缩配合等。

在一个实施例中，工具托架24中之一个刚性地或固定地支撑每个切削元件22。每个工具托架24优选地围绕刀具主体20的圆周表面等角间隔开。每个切削元件22可以使用钎焊在工具托架24中或在工具托架24上被固定在适当位置。替代地，该工具托架24或每个工具托架24可以被配置为可旋转地容纳切削元件22。在这种实施例中，切削元件22和工具托架24可以被配置为使得切削元件22可以在工具托架24内进行自由旋转(例如，间隙配合)，或者替代地仅当切削元件22与要采出/挖掘的岩层接触时才能够在工具托架24内旋转(例如，过渡配合)。

每个切削元件22包括硬度值为130HV及更高的硬质耐磨材料。优选地，切削元件22包括超硬材料，该超硬材料选自由立方氮化硼、金刚石、类金刚石材料或其组合所组成的群组，但是也可以是诸如碳化钨之类的硬质材料。切削元件22可以包括与超硬材料联结的硬质合金基底。

在一个实施例中，切削元件22是多晶金刚石复合体(PDC)，更常见于石油和天然气钻探领域。这种PCD通常是圆柱形的，并且通常包括联结到钢或碳化物基底上的金刚石层烧结。

PCD的直径在6mm至30mm之间，优选地在8mm至25mm之间。例如，PCD可以具有13mm或16mm或19mm的直径。优选地，PCD具有16mm的直径。可以在盘式刀具中使用各直径的组合。

每个PCD可以被倒角、两次倒角或多次倒角。

每个PCD可以包括抛光的刀具表面，或者被至少部分地抛光。

替代地，代替传统的PCD，切削元件22可以是3D形状的刀具。切削元件22的冲击尖端可以是圆锥形、金字塔形、弹道形、凿形或半球形的。冲击尖端可以用平顶截断或不截断。冲击尖端可以是轴对称的或不对称的。结合本发明的任何方面，可以使用任何形状的切削元件22。可以在WO2014/049162和WO2013/092346中找到这种成形刀具的示例。

在图5、图6和图7中的工具托架24的第一实施例中，当从轴向观察时，每个工具托架24是大致截头圆锥形的(见图6)。每个工具托架24具有前表面26和后表面28，每个切削元件22被容纳到工具托架24的前表面26中的底座30中。每个底座30成一定角度，使得切削元件22切向面向(tangentially face)(或通常指向)预期的旋转方向。这对于具有平坦的主切削表面32的PCD尤其有用。由于采用了底座，切削元件22的切削边缘33可以相对于刀具主体20取向在一定角度范围中，这与使切削元件22仅仅在岩石面的前进方向上径向或轴向朝外指向的传统方法形成对比。这为获得所需的切削角度提供了极大的灵活性，而不必修改切削元件的冲击尖端的构造。

此外，具有用于容纳单独的切削元件22的底座意味着：有利地，任何多余的PDC库存都可以在新的应用中用上并找到用途，从而减少了公司的营运资金。

可选地，切削元件的前角在25度和30度之间。可选地，前角约为25度。可选地，前角可以为正或者为负。

工具托架24的前表面26通常比后表面28短，从而在使用过程中为切削元件22提供了显著的结构性背部支撑。工具托架24，特别是工具托架24在旋转方向上的后部，在使用过程中吸收了相当大比例的冲击力，并且降低了切削元件22从刀具主体20弹出并丢失的风险。

优选地，底座完全支撑着切削元件22的后部(即，与切削表面32大致相对的表面)。

在侧视图(参见图7)中，每个工具托架24具有变化的横向横截面。从工具托架24在切削元件22附近的头部34到其在圆形主体20附近的脚部36，每个工具托架24横向向内逐渐变细。

每个切削元件22的横向范围(在图7中最佳可见)大于工具托架24的横向范围。此突出量保护工具托架24在使用过程中免受显著磨损。优选地，工具托架24的厚度(即，横向范围)为约14mm。在此实施例中，切削元件22在任一侧上突出超过工具托架24约1mm。这确保在使用期间遭受主要磨损的是切削元件22，而不是工具托架24或刀具主体20。该突出量防止工具托架24与岩层2摩擦。在摩擦的情况下，可以使用硬涂层或多层的方法。

在图8和图9中所示的工具托架24的第二实施例中，连续的工具托架24相对于刀具主体20横向偏移。如图10a和图10b中所指示的，每个工具托架24包括向一侧的轻微扭结。换句话说，工具托架24的远端部分24a相对于圆形主体20和工具托架24的近端部分24b横向偏移。远端部分24a和近端部分24b在横向上都是细长的。工具托架24的远端部分24a和近端部分24b在通常以38指示的相交处相遇。横向偏移的方向在第一方向上，轴向远离刀具主体20的一侧，或者在第二相对方向上，远离刀具主体20的另一侧。在图10a中，工具托架24向右扭结，而在图10b中，工具托架24向左扭结。相交处38可以是诸如狗腿似的方向急剧变化，或者诸如曲线似的方向持久变化。相交处38可以包括将远端部分24a联结到近端部分24b的中间部分。

作为替代，可以设想，近端部分24b相对于刀具主体20横向偏移，而远端部分24a与圆形主体20对准。然而，由于切削元件22通常位于工具托架24的远端部分24a上，所以上面提及的第一布置是优选的。

沿着刀具主体20的圆周表面40，横向偏移的方向对于连续的工具托架24交替进行。这种布置的好处在于，在圆形主体20旋转期间，不论切削元件22的尺寸如何，它都增加了切削元件22提供的有效切削面积。它还促进了在维护和修理期间快速容易地更换个体工具托架24，而不必移除整个刀具主体20。此外，该布置有助于减少由于切削下来的岩石流过切削组件10而造成的刀具主体20的侵蚀(有时称为“主体冲刷(body wash)”)。

切削组件10可以附加地包括硬面材料(未示出)。硬面材料可以包括特征在于其铁基的低熔点碳化物(LMC)材料。示例性的材料在US 8,968,834、US 8,846,207和US 8,753,755中进行了描述，但是可以替代地使用其他耐磨材料。硬面材料的目的是限制圆形主体20的主体冲刷。硬面材料可以可旋转地位于工具托架24的后面，紧邻后表面28。如果工具托架24被间隔开，则可以在连续的工具托架24之间的刀具主体20中或其上提供硬面材料。附加地，或替代地，可以在后表面28上提供硬面材料。附加地，或替代地，可以在前表面26上提供硬面材料。可以在前表面26、后表面28和圆周表面40上提供硬面材料。硬面材料在刀具主体20和/或工具托架24上的位置是特定于地点的，并且是根据在该地点正在采出的岩层的性质来选择的。

在使用中，盘式刀具18被使得与岩层2接触并且随驱动主轴16旋转，因此其(一个或多个)盘式刀具18使得切入岩层2。切削组件10切入岩层2，例如，以取决于所选切削元件22的尺寸来形成大约16mm的干净的正交切口。切削下来的岩石在自身重量下或在辅助的楔形力(secondary wedge force)下(例如，使用楔形工具)碎裂。

尽管上面已经提到了切削组件的几种应用，但是隧道掘进是特别有吸引力的应用。常规地，为了在地下创建新的隧道而使用隧道掘进机(TBM)。TBM以众所周知的方式创建圆柱形隧道。如果隧道的目的是用于车辆或行人通行，并且只可能是圆形的横截面，则在隧道的下部必须包括有新的水平地板。实际上，隧道的直径过大。为了在隧道上部内创建实际需要的可用空间，必须开采过量的岩石材料，而这增加了隧道掘进的成本，这不仅是因为较大的TBM比较小的TBM需要更多用于消耗的切削尖端，而且还因为隧道掘进操作花费了更长的时间。此外，新地板的建造需要额外的材料。多亏了本文所述的切削组件，可以创建具有较小横截面的隧道，从而产生所需形状的隧道上部。然后，切削组件跟随较小的TBM形成隧道的下半部，从而创建垂直于壁的地板，并且所移除的材料与用较大的TBM相比要少得多。

尽管已经参考实施例特别地示出和描述了本发明，但是本领域技术人员将理解，在不脱离由所附权利要求限定的本发明的范围的情况下，可以进行形式和细节上的各种改变。

例如，在切削组件的第二实施例中，尽管仅描述了单个支撑臂14，但是可以替代地提供两个或更多的间隔开的支撑臂14。

例如，本文描述的两个实施例都包括安装在驱动主轴16上的多个盘式刀具18。不是一定得这样，相反可以使用单个盘式刀具18。

例如，替代于使用成对的切削元件22和工具托架24的组合，切削元件可以在盘式刀具18的外围边缘处被直接集成到盘式刀具18的主体中，从而消除了对中间的工具托架24的需求。

例如，该切削元件或每个切削元件可以包括单晶金刚石而不是多晶金刚石材料。

例如，切削元件22可以包括金刚石或磨料浸渍金属，或者可以基于陶瓷的。

尽管切削组件10已经被描述为在地下使用，但是它同样可以在地上被使用，例如在露天采石场中被使用。

此外，较小尺寸的版本可以被用于在道路和人行道上挖掘微型沟槽，例如，用于铺设小直径的光纤电缆。在这种情况下，切削组件10将切削到沥青和混凝土中，而不是切削到岩石中。在这种实施例中，刀具主体20的直径将在300mm量级，刀具主体的横向厚度可达20mm，并且相应地确定切削元件的尺寸。意图是实现约50mm至100mm的切削深度。

下面简要地解释了本文使用的某些标准术语和概念。

本文使用的多晶金刚石(PCD)材料包括多个金刚石晶粒，其中大量晶粒彼此直接相互键合，并且其中金刚石的含量至少约为材料体积的80％。金刚石晶粒之间的空隙可以基本上是空的，或者它们可以至少部分地填充有散装填料(bulk filler material)，或者它们可以基本上是空的。散装填料可以包括烧结促进材料。

PCBN材料包括散布在包括金属、半金属和/或陶瓷材料的基质内的立方氮化硼(cBN)晶粒。例如，PCBN材料可以包括分散在粘合剂基质材料中的至少约30％体积的cBN晶粒，粘合剂基质材料包括含Ti的化合物(诸如碳氮化钛)和/或含Al的化合物(诸如氮化铝)和/或含诸如钴和/或钨之类的金属的化合物。PCBN材料的某些型式(或“等级”)可以包括至少约80％体积或甚至至少约85％体积的cBN晶粒。

Claims (13)

1.一种用于岩石挖掘机的切削组件，包括：

- 基座单元，

- 从所述基座单元延伸的一个或多个可移动支撑臂，

- 可旋转地安装到所述可移动支撑臂或每个可移动支撑臂上的驱动主轴，

- 绕所述驱动主轴固定以使所述驱动主轴的旋转引起其对应旋转的盘式刀具，

- 所述盘式刀具包括刀具主体、多个切削元件和对应数目的工具托架，每个切削元件一个工具托架，所述切削元件和所述工具托架绕所述刀具主体的圆周表面被布置，

- 每个切削元件都被容纳在所述工具托架中的底座中，

- 其中所述底座被取向成使得所述切削元件指向或朝向预期的旋转方向,

- 其中所述切削元件是具有平坦切削表面的圆柱形，所述切削元件或每个切削元件是多晶金刚石复合体PDC，每个切削元件的横向范围大于所述工具托架的横向范围。

2.根据权利要求1所述的切削组件，其中所述工具托架从所述刀具主体向外径向延伸。

3.根据前述权利要求中任一项所述的切削组件，其中所述切削元件相对于所述工具托架的前角在10度与30度之间。

4.根据权利要求3所述的切削组件，其中所述前角约为25度。

5.根据权利要求1所述的切削组件，其中所述工具托架被永久地安装到所述刀具主体。

6.根据权利要求5所述的切削组件，其中所述工具托架通过钎焊被永久地安装到所述刀具主体。

7.根据权利要求1所述的切削组件，其中所述工具托架被可拆卸地安装到所述刀具主体。

8.根据权利要求7所述的切削组件，其中所述工具托架通过使用锁销布置被可拆卸地安装到所述刀具主体。

9.根据权利要求1所述的切削组件，其中每个切削元件被永久地固定到所述底座上的适当位置。

10.根据权利要求9所述的切削组件，其中每个切削元件通过钎焊被永久地固定到所述底座上的适当位置。

11.根据权利要求1所述的切削组件，其中当从轴向观察时，所述工具托架是截头圆锥形的，具有比后表面短的前表面，所述底座位于所述前表面中。

12.根据权利要求1所述的切削组件，其中所述切削元件在任一侧上横向地突出所述工具托架至少1 mm。

13.根据权利要求1所述的切削组件，其中每个工具托架从所述切削元件朝向所述刀具主体横向地向内逐渐变细。

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