CN114837243A - 铲斗及挖掘机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种铲斗及挖掘机,该铲斗包括背板、侧板、齿座和斗齿,所述背板弯曲以使铲斗形成斗状,所述背板的两端之间间隔一定距离,两个所述侧板分别固定连接于所述背板的两侧所述,齿座安装于所述背板的一端,所述斗齿安装于所述齿座上,所述背板与所述侧板连接的侧边缘形状仿生穿山甲的趾爪形状。本发明实施例的铲斗及挖掘机中,通过对背板的几何轮廓进行仿生穿山甲的趾爪的优化设计,可增强锲土能力,减少触土面积,实现较好的脱土降阻效果,进而能够降低挖掘阻力,减少挖掘作业时受到的摩擦,从而可提高铲斗的耐磨性,并且无需对铲斗进行加厚或改进材料,降低了铲斗的生产成本。
Description
技术领域
本发明涉及基础施工设备技术领域,特别是涉及一种铲斗及挖掘机。
背景技术
挖掘机,又称挖掘机械(excavating machinery),又称挖土机,是用铲斗挖掘高于或低于承机面的物料,并装入运输车辆或卸至堆料场的土方机械。挖掘机挖掘的物料主要是土壤、煤、泥沙以及经过预松后的土壤和岩石。从近几年工程机械的发展来看,挖掘机的发展相对较快,挖掘机已经成为工程建设中最主要的工程机械之一。
铲斗作为挖掘机的重要承载部件,直接接触土方、矿石等进行挖掘工作,其结构强度和耐磨性能极为重要。影响铲斗耐磨性能的因素主要是使用材料及几何外形,耐磨性能优异的材料能够最大限度地抵抗来自岩土等对磨介质的磨损,设计良好的外形能够有效降低挖掘摩擦阻力,减少铲斗与对磨介质间的接触,从而避免了不必要摩擦的发生。目前针对提升铲斗耐磨性问题,主要的解决方案是改良耐磨板材料自身的抗磨损能力,增加铲斗耐磨板的数量与厚度,来提高提高铲斗的抗磨损能力。然而,现有的耐磨板材料的抗磨损性能难以大幅度提升,且高性能材料的成本较高;另外,增加耐磨板的数量与厚度,增加了制造与维护成本,且使用寿命提升并不明显。
前面的叙述在于提供一般的背景信息,并不一定构成现有技术。
发明内容
本发明的目的是提供一种整体切削耐磨性能较高,且成本较低的铲斗及挖掘机。
本发明提供一种铲斗,包括背板、侧板、齿座和斗齿,所述背板弯曲以使铲斗形成斗状,所述背板的两端之间间隔一定距离,两个所述侧板分别固定连接于所述背板的两侧所述,齿座安装于所述背板的一端,所述斗齿安装于所述齿座上,所述背板与所述侧板连接的侧边缘形状仿生穿山甲的趾爪形状。
其中一实施例中,所述背板的侧边缘的轮廓与穿山甲趾爪轮廓的拟合曲线相对应。
其中一实施例中,穿山甲趾爪的轮廓包括上段、中段和下段,所述中段位于所述上段和所述下段之间,所述上段的轮廓曲线的参数方程为其中x的取值范围为-2~1,y的取值范围为-1~0,所述中段的轮廓曲线的参数方程为其中,x的取值范围为-2~0,y的取值范围为-2.5~1,所述下段的轮廓曲线的参数方程为y=-3.64446-0.93602x+0.23349x2-0.01643x3,其中x的取值范围为-1~6,y的取值范围为-5-2.5,所述上段、所述中段和所述下段的参数方程的曲线为穿山甲趾爪轮廓点的拟合曲线,所述背板的侧边缘的轮廓为穿山甲趾爪轮廓点的拟合曲线乘以k1,其中k1为正数;或者,
穿山甲趾爪的轮廓曲线的参数方程为其中x的取值范围为-2~6,y的取值范围为-5-0,该参数方程的曲线为穿山甲趾爪轮廓点的拟合曲线,所述背板的侧边缘的轮廓为穿山甲趾爪轮廓点的拟合曲线乘以k2,其中k2为正数。
其中一实施例中,所述背板背向铲斗内部的外侧表面上设有多个耐磨板,所述耐磨板包括主体板,所述耐磨板的所述主体板的形状仿生穿山甲的鳞片形状。
其中一实施例中,所述耐磨板的所述主体板的轮廓与穿山甲鳞片的拟合曲线相对应。
其中一实施例中,穿山甲鳞片的轮廓包括上段和下段,所述上段的轮廓曲线的参数方程为y5=y4+(1.47896×10-17)x5,其中x的取值范围为1~10,y的取值范围为3~10,所述下段的轮廓曲线的参数方程为y4=4.18182-0.70223x-4.82456x2+0.00662x3+(3.0572×1017)x4,其中x的取值范围为1~10,y的取值范围为1~3,所述上段和所述下段的参数方程的曲线为穿山甲鳞片的轮廓点的拟合曲线,所述主体板的轮廓为穿山甲趾爪轮廓点的拟合曲线乘以k3,其中k3为正数。
其中一实施例中,所述耐磨板远离所述背板的一侧开设有多个凹槽,所述凹槽延伸方向与所述斗齿的朝向的夹角为锐角。
其中一实施例中,设有所述凹槽的所述耐磨板的表面的截面为正弦曲线形状。
其中一实施例中,所述背板包括顶板和底板,所述底板的一端连接于所述顶板的一端,所述顶板和底板相互远离的一端之间间隔一定距离,两个所述侧板分别固定连接于所述底板和所述顶板的两侧,所述齿座安装在所述底板远离所述顶板的一端;所述铲斗还包括边板和侧加板,所述边板和所述侧加板均固定于所述侧板上,所述边板靠近所述顶板而设,所述侧加板靠近所述底板而设。
本发明还公开一种挖掘机,包括上述铲斗。
本发明实施例的铲斗及挖掘机中,通过对背板的几何轮廓进行仿生穿山甲的趾爪的优化设计,可增强锲土能力,减少触土面积,实现较好的脱土降阻效果,进而能够降低挖掘阻力,减少挖掘作业时受到的摩擦,从而可提高铲斗的耐磨性,并且无需对铲斗进行加厚或改进材料,降低了铲斗的生产成本。
附图说明
图1为本发明一实施例的铲斗的一角度结构示意图。
图2为图1所示铲斗去除耐磨板后的结构示意图。
图3为图1所示铲斗的背板13与侧板15连接的侧边缘仿生的穿山甲侧面轮廓的拟合曲线示意图。
图4为图1所示铲斗的后视图。
图5为图1所示铲斗去除耐磨板后的另一角度示意图。
图6为图1所示铲斗的耐磨板的一角度结构示意图。
图7为图1所示铲斗的耐磨板的另一角度结构示意图。
图8为图1所示铲斗的耐磨板的俯视图。
图9为图1所示铲斗的耐磨片仿生的穿山甲鳞片轮廓的拟合曲线示意图。
图10为图1所示铲斗的耐磨片的另一实施例的俯视图。
图11为图10的剖面示意图。
图12为图1所示铲斗的侧视图。
图13为图1所示铲斗的铲斗与现有铲斗的挖掘阻力的垂直分力对比示意图。
图14为图1所示铲斗的铲斗与现有铲斗的挖掘阻力的水平分力对比示意图。
图15为图1所示铲斗的铲斗与现有铲斗的挖掘阻力的合力对比示意图。
具体实施方式
有关本发明的前述及其它技术内容、特点及功效,在以下配合参考图式的较佳实施例的详细说明中将可清楚呈现。通过具体实施方式的说明,当可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效得以更加深入且具体的了解,然而所附图式仅是提供参考与说明之用,并非用来对本发明加以限制。
在本文中,术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”、“第五”等(如果存在)是用于区别类似的对象,而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
在本文中,所涉及的“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”等(如果存在)方位词是以附图中的结构位于图中的位置以及结构相互之间的位置来定义的,只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解,方位词的使用不应限制本申请的保护范围。
在本文中,术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含,除了包含所列的那些要素,而且还可包含没有明确列出的其他要素。
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下结合附图及较佳实施例,对依据本发明提出的显示装置及彩色显示方法的具体实施方式、结构、特征及其功效,详细说明如下。
图1为本发明一实施例的铲斗的一角度结构示意图;图2为图1所示铲斗去除耐磨板后的另一角度结构示意图。请参图1和图2,在本实施例中,铲斗包括背板13、侧板15、齿座17和斗齿19。背板13弯曲以使铲斗形成斗状,背板13的两端之间间隔一定距离,从而形成铲斗的开口。两个侧板15分别固定连接于背板13的两侧。齿座17安装于背板13的一端,斗齿19安装于齿座17上。其中,背板13与侧板15连接的侧边缘形状仿生穿山甲的趾爪形状。具体地,背板13包括顶板130和底板131,底板131的一端连接于顶板130的一端,顶板130和底板131相互远离的一端之间间隔一定距离,从而形成铲斗的开口,两个侧板15分别固定连接于底板131和顶板130的两侧,齿座17安装在底板131远离顶板130的一端。
本实施例的铲斗中,通过对背板的几何轮廓进行仿生穿山甲的趾爪的优化设计,可增强锲土能力,减少触土面积,实现较好的脱土降阻效果,进而能够降低挖掘阻力,减少挖掘作业时受到的摩擦,从而可提高铲斗的耐磨性,并且无需对铲斗进行加厚或改进材料,降低了铲斗的生产成本。
本实施例中,背板13的侧边缘的轮廓与穿山甲趾爪轮廓的拟合曲线相对应。具体地,可对穿山甲趾爪轮廓进行处理得到穿山甲趾爪轮廓点,再对穿山甲趾爪轮廓点进行曲线拟合,得到拟合的轮廓曲线参数方程,背板13的侧边缘的轮廓线根据拟合的轮廓曲线的参数方程进行设计。具体地,穿山甲趾爪轮廓点可为对多张(例如30张)穿山甲趾爪的侧面照片进行二值化处理,并对其轮廓进行扫描,再对扫描后的轮廓进行重叠统计得到。可以理解,这里的背板13的侧边缘的轮廓与穿山甲趾爪轮廓的拟合曲线相对应是指其形状相似,大小可以不同,将背板13的侧边缘的轮廓按照需要的大小根据穿山甲趾爪轮廓的拟合曲线进行相应放大即可。
请参照图3,穿山甲趾爪的轮廓包括上段、中段和下段,中段位于上段和下段之间。上段的轮廓曲线的参数方程为其中x的取值范围为-2~1,y的取值范围为-1~0,中段的轮廓曲线的参数方程为其中,x的取值范围为-2~0,y的取值范围为-2.5~1,下段的轮廓曲线的参数方程为y=-3.64446-0.93602x+0.23349x2-0.01643x3,其中x的取值范围为-1~6,y的取值范围为-5~2.5。其中,上段、中段和下段的参数方程的曲线为穿山甲趾爪轮廓点的拟合曲线。具体地,上段采用ExpAssoc非线性曲线对轮廓进行拟合,迭代采用Levenberg-Marquardt优化算法,并使用Reduced Chi-sqr的开方根缩放标准误差,残差平方和为0.05363,R平方(COD)为0.9991;中段采用Ellipse非线性隐函数对轮廓进行拟合,迭代采用正交距离回归(pro)算法,经过76次迭代,函数拟合收敛,并达到1E-9的Chi-sqr容差值,残差平方和为1.23267E-17,R平方(COD)近似为1;下段采用3阶多项式进行拟合,设置权重不进行加权处理,残差平方和为0.09415,R平方(COD)近似为0.99201。需要说明的是,设计铲斗时,根据需要设计的铲斗的大小,背板13的侧边缘的轮廓为穿山甲趾爪轮廓点的拟合曲线乘以k1,其中k1为正数,即根据上述参数方程的曲线进行相应的放大即可。
可以理解,也可采用其他方式对穿山甲趾爪轮廓点进行拟合,得到其他拟合曲线参数方程。例如,可对穿山甲趾爪轮廓点进行全段拟合。具体地,对穿山甲趾爪轮廓点进行全段拟合时,全段的轮廓的拟合曲线的参数方程为其中x的取值范围为-2~6,y的取值范围为-5~0。具体可采用Ellipse非线性隐函数对轮廓进行拟合,迭代采用正交距离回归(pro)算法,经过22次迭代,函数拟合收敛,并达到1E-9的Chi-sqr容差值,此时,残差平方和为0.01026,R平方(COD)为0.99898。需要说明的是,设计铲斗时,根据需要设计的铲斗的大小,背板13的侧边缘的轮廓为穿山甲趾爪轮廓点的拟合曲线乘以k2,其中k2为正数,即根据上述参数方程的曲线进行相应的放大即可。
本实施例中,请参照图4,背板13背向铲斗内部的外侧表面上设有多个耐磨板21。具体地,耐磨板21安装于背板13的底板131上。
具体地,多个耐磨板21沿朝向斗齿19的方向成列排布。这样,相邻列的耐磨板21之间形成了一道槽,挖掘时因岩土黏滞力和触土压力排出的岩土可沿槽排出,因而可降低铲斗的摩擦从而增加了减阻效果,进而提升了铲斗的耐磨性能,另外,还增强了铲斗的脱土能力,提高了铲斗的工作效率。更具体地,多个耐磨板21成矩阵排列。
具体地,请参照图5,背板13的外侧表面上开设有多个滑槽132,多个耐磨板21按照相同的朝向安装在滑槽内,从而排列成列。具体地,滑槽132沿斗齿19的伸出方向延伸。
具体地,请参照图6和图7,耐磨板21包括主体板210和设于主体板210两侧的凸边211,凸边211卡设于背板13的滑槽132内,最远离斗齿19的一排耐磨板21由固定板22(请再次参见图1)夹紧,防止耐磨板21从滑槽132中脱出。安装时,将耐磨板21从滑槽132远离斗齿19的一端安装在滑槽132内,使凸边211卡入滑槽132内,后一排的耐磨板21按照同样的方法安装在背板13上,且其头部212被前一排的耐磨板21覆盖,依次直到最后一排耐磨板21安装完毕后,将固定板22固定在背板13上,将最后一排耐磨板21夹紧,即完成耐磨板21的安装。这样,当耐磨板21磨损严重需要更换时,将固定板22拆下即可依次将耐磨板21取下,再安装新的耐磨板21,耐磨板21的更换十分方便。具体地,凸边211的截面轮廓可为圆弧状,这样可更为顺畅地在滑槽132内滑动。
具体地,耐磨板21的凸边211与背板13的滑槽132之间为间隙配合,这样耐磨板21之间能产生微小的相对位移,耐磨板21的错动也增强了铲斗的脱土能力,提高了铲斗的工作效率。
具体地,铲斗还包括限位板23(请再次参见图4),限位板23设于背板13靠近斗齿19的一端,最靠近斗齿19的一排耐磨板21抵靠限位板23,限位板23用于对耐磨板21进行定位和夹紧。
具体地,耐磨板21的主体板210包括头部212和尾部214,头部212的端部设有第一配合部215,头部212和尾部214之间的中部的底部设有第二配合部216,后一排的耐磨板21的第一配合部215与前一排的耐磨板21的第二配合部216卡合。耐磨板21的头部212朝向斗齿19的方向设置。这样,后一排的耐磨板21的头部212伸入前一排的耐磨板21的底部,使得耐磨板21的头部212被前一排耐磨板21覆盖,耐磨板21的高度h的约一半和宽度1的约一半被前一排耐磨板21覆盖。更具体地,第一配合部215和第二配合部216之一为山字型凸起,另一个为山字型凹槽,山字型凸起与山字型凹槽的形状匹配,山字型凸起刚好卡入山字型凹槽内。具体在本实施例中,第一配合部215为山字型凸起,第二配合部216为山字型凹槽。可以理解,第一配合部215和第二配合部216也可为其他形状,只要是凹凸配合即可。通过第一配合部215与第二配合部216的卡合作用,在进行挖掘动作时的作用力会使相邻的耐磨板21相互楔紧,而铲斗提起时,耐磨板21与底板的滑槽132之间的间隙配合能使楔紧的耐磨板21之间产生微小的相对位移,从而实现抖土、脱土。
具体地,耐磨板21的尾部214的底部开设有开槽217,第二配合部216设于开槽217的一端。耐磨板21的头部212伸入开槽217内。
具体地,请参照图8,耐磨板21的主体板210的形状仿生穿山甲的鳞片形状。具体地,耐磨板21的主体板210的轮廓与穿山甲鳞片轮廓的拟合曲线相对应。具体地,可对穿山甲鳞片轮廓进行处理得到穿山甲鳞片轮廓点,再对穿山甲鳞片轮廓点进行曲线拟合,得到拟合的轮廓曲线参数方程,耐磨板21的轮廓线根据拟合曲线的参数方程进行设计。具体地,穿山甲鳞片轮廓点可为对多张(例如30张)穿山甲鳞片的正面照片进行二值化处理,并对其轮廓进行扫描,再对扫描后的轮廓进行重叠统计得到。可以理解,这里的耐磨板21的主体板210的轮廓与穿山甲鳞片轮廓的拟合曲线相对应是指其形状相似,大小可以不同,将耐磨板21的主体板210的轮廓按照需要的大小根据穿山甲鳞片轮廓的拟合曲线进行相应放大即可。
具体地,请参照图9,穿山甲鳞片的轮廓包括上段和下段,头部212位于上段,尾部214位于下段。上段的轮廓曲线的参数方程为y5=y4+(1.47896×10-17)x5,其中x的取值范围为1~10,y的取值范围为3~10,下段的轮廓曲线的参数方程为,y4=4.18182-0.70223x-4.82456x2+0.00662x3+(3.0572×1017)x4,其中x的取值范围为1~10,y的取值范围为1~3。更具体地,其中,上段和下段的参数方程的曲线为穿山甲鳞片的轮廓点的拟合曲线。上段轮廓在阶数为5时残差平方和仅为1.3211×10-17,其下段轮廓在阶数为4时残差平方和仅为3.1528×10-26,此时二者R平方无限趋近于1。具体地,上段采用段采用5阶多项式进行拟合,下段采用4阶多项式进行拟合。需要说明的是,设计耐磨板21时,根据需要设计的耐磨板21的大小,耐磨板21的轮廓为穿山甲鳞片轮廓点的拟合曲线乘以k3,其中k3为正数,即根据上述参数方程的曲线进行相应的放大即可。
本实施例中,请参照图10和图11,耐磨板21远离背板13的一侧开设有多个凹槽219,凹槽219延伸方向与从头部212到尾部214的方向(即斗齿19的朝向)夹角为锐角。更具体地,设有凹槽219的耐磨板21的表面的截面为正弦曲线形状。该凹槽219也为仿生穿山甲鳞片表面形状。
本实施例中,请一并参照图1和图12,铲斗还包括边板24和侧加板25,边板24和侧加板25均固定于侧板15上,边板24靠近顶板130而设,侧加板25靠近底板131而设。通过设置边板24和侧加板25,提高了铲斗侧面的耐磨度。
本实施例中,铲斗还包括齿座板27,齿座板27安装于背板13上,齿座17固定连接于齿座板27,斗齿19安装于齿座17上。斗齿19通过齿座17及齿座板27与背板13连接,拆卸方便。
本实施例中,铲斗还包括耳板29,耳板29固定连接于背板13的顶板130上,通过耳板29可将铲斗连接于挖掘机的斗杆。
通过本实施例的铲斗设计,请参照图13至图15,改进后的铲斗,挖掘阻力FW1下降了38.91%,达到173.81N,FW2下降了22.01%,达到44.01N;挖掘阻力合力FW下降了38.25%,达到179.30N,减阻效果明显。其中,FW1和FW2分别为挖掘阻力的垂直、水平分力,FW为挖掘阻力合力。
本发明还提供一种挖掘机,包括上述铲斗。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合,为使描述简洁,未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述,然而,只要这些技术特征的组合不存在矛盾,都应当认为是本说明书记载的范围。
以上仅是本发明的较佳实施例而已,并非对本发明作任何形式上的限制,虽然本发明已以较佳实施例揭露如上,然而并非用以限定本发明,任何熟悉本专业的技术人员,在不脱离本发明技术方案范围内,当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例,但凡是未脱离本发明技术方案内容,依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰,均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (10)
1.一种铲斗,其特征在于,包括背板(13)、侧板(15)、齿座(17)和斗齿(19),所述背板(13)弯曲以使铲斗形成斗状,所述背板(13)的两端之间间隔一定距离,两个所述侧板(15)分别固定连接于所述背板(13)的两侧所述,齿座(17)安装于所述背板(13)的一端,所述斗齿(19)安装于所述齿座(17)上,所述背板(13)与所述侧板(15)连接的侧边缘形状仿生穿山甲的趾爪形状。
2.如权利要求1所述的铲斗,其特征在于,所述背板(13)的侧边缘的轮廓与穿山甲趾爪轮廓的拟合曲线相对应。
3.如权利要求2所述的铲斗,其特征在于,穿山甲趾爪轮廓包括上段、中段和下段,所述中段位于所述上段和所述下段之间,所述上段的轮廓曲线的参数方程为其中x的取值范围为-2~1,y的取值范围为-1~0,所述中段的轮廓曲线的参数方程为其中,x的取值范围为-2~0,y的取值范围为-2.5~1,所述下段的轮廓曲线的参数方程为y=-3.64446-0.93602x+0.23349x2-0.01643x3,其中x的取值范围为-1~6,y的取值范围为-5~2.5,所述上段、所述中段和所述下段的参数方程的曲线为穿山甲趾爪轮廓点的拟合曲线,所述背板(13)的侧边缘的轮廓为穿山甲趾爪轮廓点的拟合曲线乘以k1,其中k1为正数;或者,
4.如权利要求1-3任意一项所述的铲斗,其特征在于,所述背板(13)背向铲斗内部的外侧表面上设有多个耐磨板(21),所述耐磨板(21)包括主体板(210),所述耐磨板(21)的所述主体板(210)的形状仿生穿山甲的鳞片形状。
5.如权利要求4所述的铲斗,其特征在于,所述耐磨板(21)的所述主体板(210)的轮廓与穿山甲鳞片的拟合曲线相对应。
6.如权利要求5所述的铲斗,其特征在于,穿山甲鳞片的轮廓包括上段和下段,所述上段的轮廓曲线的参数方程为y5=y4+(1.47896×10-17)x5,其中x的取值范围为1~10,y的取值范围为3~10,所述下段的轮廓曲线的参数方程为y4=4.18182-0.70223x-4.82456x2+0.00662x3+(3.0572×1017)x4,其中x的取值范围为1~10,y的取值范围为1~3,所述上段和所述下段的参数方程的曲线为穿山甲鳞片的轮廓点的拟合曲线,所述主体板(210)的轮廓为穿山甲趾爪轮廓点的拟合曲线乘以k3,其中k3为正数。
7.如权利要求4所述的铲斗,其特征在于,所述耐磨板(21)远离所述背板(13)的一侧开设有多个凹槽(219),所述凹槽(219)延伸方向与所述斗齿(19)的朝向的夹角为锐角。
8.如权利要求7所述的铲斗,其特征在于,设有所述凹槽(219)的所述耐磨板(21)的表面的截面为正弦曲线形状。
9.如权利要求1所述的铲斗,其特征在于,所述背板(13)包括顶板(130)和底板(131),所述底板(131)的一端连接于所述顶板(130)的一端,所述顶板(130)和底板(131)相互远离的一端之间间隔一定距离,两个所述侧板(15)分别固定连接于所述底板(131)和所述顶板(130)的两侧,所述齿座(17)安装在所述底板(131)远离所述顶板(130)的一端;所述铲斗还包括边板(24)和侧加板(25),所述边板(24)和所述侧加板(25)均固定于所述侧板(15)上,所述边板(24)靠近所述顶板(130)而设,所述侧加板(25)靠近所述底板(131)而设。
10.一种挖掘机,其特征在于,包括如权利要求1-9任意一项所述的铲斗。
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