DE69125851T2

DE69125851T2 - Hochspannungsaufreissvorrichtung

Info

Publication number: DE69125851T2
Application number: DE69125851T
Authority: DE
Inventors: George Codina; Liliana Grajales; Robert Price; Thomas Richard
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 1991-12-02
Filing date: 1991-12-02
Publication date: 1997-11-20
Anticipated expiration: 2011-12-03
Also published as: DE69125851D1; EP0569478B1; MY108020A; NZ245316A; MX9206605A; EP0569478A1; ZA929042B; TR26345A; JPH06504341A; CA2101270A1; WO1993011309A1; US5386877A; CN1076983A

Description

Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf Reißwerkzeuge für Erdbewegungsausrüstungsgegenstände und insbesondere auf ein Reißwerkzeug, welches Impulsstrom unter hoher Spannung verwendet, um beim Zerbrechen von Steinen bzw. Felsen zu helfen.
Die Notwendigkeit für eine effektive, kostengünstige und zuverlässige Stein- bzw. Felszerkleinerung hat insbesondere bei Bergbaubetriebsvorgängen Priorität erlangt. Wenn typischerweise ein großer Felsen oder ein anderes besonders hartes Material gefunden wird, werden herkömmliche Bor- und Sprengverfahren unter Verwendung von chemischen Explosivstoffen verwendet. Diese Verfahren sind nicht nur potentiell gefährlich, sondern auch zeitaufwendig.
Gewisse Erdbewegungsausrüstungsgegenstände, wie beispielsweise Raupentraktoren, werden mit Reißwerkzeugen ausgerüstet. Bei herkömmlichen Traktor/Reißwerkzeugs- Anordnungen wird ein Bediener zumindest zwei Durchgänge mit dem Fahrzeug über dem gleichen Bodengebiet vornehmen. Während des ersten Durchgangs wird der Bediener die Reiß vorrichtung in Eingriff bringen. Dies wird normalerweise durchgeführt durch eine Betätigung eines Steuerhebels innerhalb der Bedienerkabine. Wenn das Reißwerkzeug durch das Material gezogen wird, wird das Material zerbrochen oder aufgebrochen. Dies ist ein ineffizienter Prozeß, da der Hauptteil der Arbeit durch die Spitze des Reißwerkzeuges vorgenommen wird. Folglich nutzt sich die Spitze mit schneller Rate ab, und muß oft ersetzt werden. Darüber hinaus kann manchens Material nicht unter Verwendung von herkömmlichen Reiwerkzeugen zerbrochen oder zertrümmert werden.
Eine vorgeschlagene Lösung ist die Verwendung von Hochspannungsimpulsen durch ein Paar von Elektroden, um Material zu zerbrechen. Die meisten dieser Verfahren erfordem, daß zwei Elektroden in dem zu zerbrechenden Material in einer geeigneten Tiefe vergraben bzw. versenkt werden. Dies erfordert oft einen zusätzlichen Bohrschritt, um diese Tiefe zu erreichen. Andere Impulsverfahren erfordern, daß das zu zerbrechende Material und die Elektroden in Wasser oder anderer Flüssigkeit untergetaucht werden.
Die vorliegende Erfindung ist darauf gerichtet, eines oder mehrere der oben dargelegten Probleme zu überwinden.
US-A-4 984 850 offenbart eine Vorrichtung, um einem Erdbewegungsfahrzeug beim Zerbrechen von Material zu helfen, wobei die Vorrichtung eine Reißstruktur mit einem Rahmen und zumindest einem Reißwerkzeug aufweist, wobei das zumindest eine Reißwerkzeug beweglich mit dem Rahmen verbunden ist; und Mittel zur Bewegung von zumindest einer Reißvorrichtung in Einbringbeziehung mit dem Material, und gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine solche Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, daß die Reißstruktur auch eine Elektrode besitzt, die auch beweglich mit dem Rahmen verbunden ist, und daß die Mittel auch fähig sind, die Elektrode in Kontaktbeziehung mit dem Material zu bewegen, und durch Mittel zur Erzeugung von elektrischer Energie und zum Entladen der elektrischen Energie in das Material durch zumindest ein Reißwerkzeug und die Elektrode.
Die Vorrichtung kann auch das Material erhitzen, in welches die elektrische Energie entladen wird.
In den Begleitzeichnungen stellen die Figuren folgendes dar:
Fig. 1 eine stilisierte Darstellung eines Erdbewegungsfahrzeuges, eines Anhängers und einer Reiß- bzw. Reißwerkzeugstruktur, die auf dem Anhänger gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung montiert ist;
Fig. 2 eine stilisierte Darstellung eines Erdbewegungsfahrzeuges und einer Reißstruktur, die auf dem Fahrzeug montiert ist, und zwar gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2A eine stilisierte Darstellung der Elektrode der Reißstruktur der Fig. 1 und 2 mit einer magnetischen Isolierung, und zwar gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3A eine stilisierte Darstellung einer Draufsicht einer einzigen bzw. Einzelreißwerkzwugs- und Elektrodenanordnung gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3B eine stilisierte Darstellung einer Draufsicht einer zweifachen bzw. Dual-Reißwerkzeugs- und Einzel-Elektrodenanordnung gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3C eine stilisierte Darstellung einer Draufsicht einer modularen Reißwerkzeugs- und Elektrodenanordnung gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
Fig. 4 ein Blockdiagramm der elektrischen Erzeugungsmittel mit Leistungsumwandlungsmitteln, Gleichrichtermitteln, mit Energiespeichermitteln, mit Schutzmitteln, mit Schaltmitteln und mit Steuermitteln gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
Fig. 5 ein elektrisches Schaltbild der Gleichrichtermitteln der Fig. 4;
Fig. 6A ein elektrisches Schaltbild der Energiespeichermittel der Fig. 4;
Fig. 6B ein elektrisches Schaltbild der Schutzmittel der Fig. 4;
Fig. 7 ein Blockdiagramm der Schaltmittel der Fig. 4;
Fig. 8 eine stilisierte Darstellung des Schalters der Fig. 7; und
Fig. 9 ein Logikdiagramm der Steuermittel der Fig. 4.
Mit Bezug auf die Fig. 1 und 2 ist die vorliegende Erfindung oder Hochspannungs-Aufreißvorrichtung 102 geeignet, um einem Erdbewegungsfahrzeug 104 beim Zerbrechen von Material 106 zu helfen. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Fahrzeug 104 ein Raupentraktor (TTT = track-type tractor). Der Raupentraktor (TTT) 104 weist einen Körper 134 und einen Motor auf (der im allgemeinen durch das Bezugszeichen 136 bezeichnet wird). Der Raupentraktor 104 weist weiter Mittel 138 auf zur Bewegung des Raupentraktors 104 ansprechend auf einen Bediener. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel weisen die Bewegungsmittel 138 eine Raupe bzw. Kette 140 auf.
Die Vorrichtung 102 weist eine Reiß- bzw. Reißwerkzeugstruktur 108 auf. In einem Ausführungsbeispiel ist die Reißstruktur 108 an einem Anhänger 128 montiert, der von dem Raupentraktor 104 gezogen wird, wie in Fig. 1 gezeigt. In einem anderen Ausführungsbeispiel ist die Reiß struktur 108 direkt an dem Raupentraktor 104 montiert, wie in Fig. 2 gezeigt.
Die Reißstruktur 108 weist einen Rahmen 110 und zumindest ein Reißwerkzeug 112 auf. Jedes Reißwerkzeug 112 besitzt einen Schaft 114 und eine Spitze 116. Die Spitze 116 jeder Reißvorrichtung 112 ist entfernbar, um ersetzt zu werden, wenn eine Abnutzung auftritt. Die Reißstruktur 108 ist geeignet, um durch Material 106 vom Raupentraktor 104 gezogen zu werden. In einem Ausführungsbeispiel ist die Reißvorrichtung 112 eine Stoß- bzw. Schlagreißvorrichtung, wie in Fig. 2 gezeigt. Reißvorrichtungen und Stoß- bzw. Schlagreißvorrichtungen sind in der Technik wohlbekannt und werden daher nicht weiter besprochen.
Betätigungsmittel 120 bewegen die Aufreiß- bzw. Reißvorrichtung 108 in Eindringungsbeziehung mit dem Material 106. Die Betätigungsmittel 120 weisen zumindest einen Hydraulikzylinder 122, 122' auf, um die Reißwerkzeuge 112 in das Material 106 zu bewegen/zu drehen.
Die Reißvorrichtung 108 weist weiter einen Kontakt 118 auf. Der Kontakt 118 weist eine Elektrode 130 und eine Ummantelung 132 auf. Die Reißvorrichtung 108 ist geeignet, um den Kontakt 132 in eine Kontaktbeziehung mit dem Material 106 zu bewegen. In einem Ausführungsbeispiel ist der Kontakt 118, wenn er betätigt ist, federvorgespannt in Kontaktbeziehung mit dem Material 106. In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird der Kontakt 118 hydraulisch betätigt.
Mittel 124 erzeugen elektrische Energie und entladen die elektrische Energie in das Material 106 durch die Reißstruktur 108. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die elektrische Energie in das Material 106 in Form von Hoch spannungsimpulsen entladen.
Im bevorzugten Ausführungsbeispiel werden die elektrischen Energieerzeugungs- und Dissipations- bzw. Ableitungsmittel 124 in einem Behälter abgedichtet und von Isolieröl umgeben.
Heizmittel 126 heizen die Oberfläche des Materials 106 auf, um eine Bogenbildung bzw. Lichtbogenbildung auf der Oberfläche zu verhindern. In einem Ausführungsbeispiel leiten die Heizmittel 126 die Abgase des Motors 136 an die Reißvorrichtung 108 und leiten die Gase auf die Oberfläche des Materials 108 über die Ummantelung 132. In einem weiteren Ausführungsbeispiel leiten die Heizmittel 128 ein Spannungsisoliergas, beispielsweise Schwefelhexafluorid (SF&sub6;)-Gas, und zwar bündig um die Elektrode herum. Die Abschirmung 132 hilft dabei, das Gas kurz zu halten. In einem weiteren Ausführungsbeispiel erstreckt sich die Ummantelung 132 oder ein getrenntes Schild 142 nach unten, und zwar im wesentlichen zum Ende der Elektrode 130. In noch einem weiteren Ausführungsbeispiel kann ein Windschirm 146 aus Metall oder einem anderen geeigneten Material verwendet werden, um dabei zu helfen, das Gas zu halten, wie in gestrichelten Linien in Fig. 2 gezeigt.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel, wie in Fig. 2A gezeigt, weist die Reißstruktur einen magnetischen Isolator 144 auf, um die elektrische Entladung in das Material zu leiten, um einen Oberflächenüberschlag zu verhindern. Der magnetische Isolator 144 ist zwischen der Elektrode 130 und einer Kontaktelektrode 130' angeschlossen bzw. verbunden, wie gezeigt. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel weist der magnetische Isolator 144 einen Einzelwindungselektromagneten mit niedriger Induktivität auf. Der Einzelwindungselektromagnet mit niedriger Induktivität er zeugt eine starke magnetische Flußdichte, typischerweise im Bereich von 10-20 Tesla.
Mit Bezug auf Fig. 3A weist die Reißstruktur 108 in einem Ausführungsbeispiel ein einzelnes bzw. Einzelreißwerkzeug 112 und einen einzelnen bzw. Einzelkontakt 118 auf. Die Erzeugungsmittel 124 entladen die elektrische Energie in das Material 106 durch das Reißwerkzeug 112 und den Kontakt 118.
Mit Bezug auf Fig. 38 weist die Reißstruktur 108 in einem anderen Ausführungsbeispiel erste und zweite Reißwerkzeuge 112, 112' und einen einzelnen bzw. Einzelkontakt 118 auf. Die Erzeugungsmittel 124 entladen abwechselnd die elektrische Energie in das Material 106 unter Verwendung von jedem Reißwerkzeug 112, 112' und des Kontaktes 118.
Mit Bezug auf Fig. 3C weist bei noch einem weiteren Ausführungsbeispiel die Reißstruktur 108 eine Vielzahl von Modulen 306, 306', 306" auf. Jedes Modul 306, 306' 306" weist ein einzelnes bzw. Einzelreißwerkzeug 112 auf und einen einzigen bzw. Einzelkontakt 118. Die Erzeugungsmittel 124 können elektrische Energie in das Material 106 durch jedes Modul 306, 306', 306" entladen.
Mit Bezug auf Fig. 4 weisen die elektrischen Energieerzeugungsmittel 124 Leistungsumwandlungsmittel 402 auf. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel wandeln die Leistungsumwandlungsmittel 402 die mechanische Energieausgabe bzw. Energieausgangsgröße des Motors des Raupentraktors 104 in Wechselstrom (AC = alternating current) um. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel weisen die Leistungsumwandlungsmittel 402 einen (nicht gezeigten) elektrischen Generator und einen Transformator auf. Die Anwendung eines elektrischen Generators zur Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie ist in der Technik wohl bekannt und wird daher nicht weiter besprochen.
Gleichrichtermittel 402 wandeln die Wechselstromausgangsgröße der Leistungsumwandlungsmittel 402 in Gleichstrom (DC = direct current) um.
Mit Bezug auf Fig. 5 besitzen die Gleichrichtermittel 404 erste und zweite Eingangsanschlüsse 502, 504 zur Aufnahme der Wechselstromausgangsgröße der Leistungsumwandlungs mittel 402. Der Hochspannungstranformator 506 der Leistungsumwandlungsmittel 402 ist mit den ersten und zweiten Eingangsanschlüssen 502, 504 verbunden. Der Ausgang bzw. die Ausgangsgröße des Hochspannungstranformators 506 ist mit einer Seite eines Brückengleichrichters 508 verbunden. Die andere Seite des Brückengleichrichters 508 ist mit einem ersten Kondensator 510 verbunden, und mit einem Widerstand 512, der parallel verbunden bzw. angeschlossen ist. Erste und zweite Ausgangsanschlüsse 514, 516 sind am bzw. über dem ersten Kondensator und dem Widerstand 510, 512 verbunden oder angeschlossen.
Mit Bezug auf Fig. 4 nehmen Mittel 406 elektrische Energie von den Gleichrichtermitteln 404 in Form von Gleichstrom (DC) auf, und speichern die elektrische Energie. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel weisen die Energiespeichermittel 406 einen Impulsgenerator auf, der von der Marx-Generator Bauart ist.
Mit Bezug auf Fig. 6A weisen die Energiespeichermittel 406 zweite und dritte Widerstände 602, 604 auf, die mit den ersten und zweiten Ausgangsanschlüssen 514 bzw. 516 verbunden sind. Ein zweiter Kondensator 606 ist zwischen der Verbindung des zweiten Widerstandes 602 und einem vierten Widerstand 608 und der Verbindung zwischen dem dritten Widerstand 604 und einem fünften Widerstand 610 angeschlossen bzw. verbunden. Ein dritter Kondensator 612 verbindet die vierten und fünften Widerstände 508, 610.
Mittel 407 schützen die Energiespeichermittel 406 vor reflektierter bzw. zurückgeworfener Energie. Mit Bezug auf Fig. 6B weisen die Schutzmittel 408 einen vierten Kondensator 602 auf, der mit dem Ausgang bzw. der Ausgangsgröße der Energiespeichermittel 406 verbunden ist. Ein sechster Widerstand 622 ist mit dem vierten Kondensator an einem Ende und durch eine erste Diode 624 verbunden. Siebte und achte Widerstände 626, 628 verbinden die Kathode bzw. Anode der ersten Diode 624 mit einem fünften Kondensator 638. Ein Anschluß eines Kickback- bzw. Rückstoßschalters 630 ist mit dem vierten Kondensator 620 verbunden, und ein weiteres Ende ist mit dem fünften Kondensator 638 durch einen neunten Widerstand 632 verbunden. Ein erster Anschluß einer Abschalttriode 634 ist mit dem vierten Kondensator 620 verbunden, ein zweiter Anschluß ist mit der Verbindung zwischen den sechsten und achten Widerständen 622, 628 verbunden und ein dritter Anschluß ist mit der Verbindung zwischen dem Kickbackbzw. Rückstoßschalter 630 und dem neunten Widerstand 632 verbunden. Ein zehnter Widerstand 636 verbindet ein Ende des vierten Kondensators 620 mit dem fünften Kondensator 638.
Wenn die Größe der reflektierten bzw. zurückgeworfenen Energie eine Schwelle erreicht, schaltet sich der Kickback- bzw. Rückstoßschalter an und leitet die reflektier te Energie an einen "internen Auslaß" weiter, den fünften Kondensator 638, und zwar zur späteren Wiedergewinnung bzw. Wiederauffindung. Die Abschalttriode 634 schaltet den Ausgangsimpuls (an das Reißwerkzeug) ab, nachdem die Spitzenausgangsspannung erreicht worden ist, und zwar um die reflektierte Energie zu minimieren und um die übermäßige Energie an den fünften Kondensator 638 weiterzuleiten.
Schaltmittel 408 sind an der Verbindung zwischen dem zweiten Kondensator 606 und dem vierten Widerstand 608 und der Verbindung zwischen dem dritten Kondensator 612 und dem fünften Widerstand 610 verbunden bzw. angeschlossen. Die Reißstruktur 108 ist mit den Energiespeichermitteln 406 verbunden, und zwar an der Verbindung zwischen dem vierten Widerstand 608 und dem dritten Kondensator 612.
Mit Bezug auf Fig. 4 empfangen die Schaltmittel 408 elektrische Energie von den Energiespeichermitteln 406 und entladen in steuerbarer Weise die elektrische Energie in das Material durch die Reißwerkzeuge. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel weisen die Schaltmitteln 408 einen Funkenspalt- bzw. Funkenstreckenschalter 702 und ein Druckentlastungs- bzw. Druckbegrenzungsventil 708 auf, wie in Fig. 7 gezeigt.
Mittel 410 fühlen die Last an der Reißstruktur 108 ab und erzeugen ein Signal, welches die abgefühlte Last anzeigt. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel weisen die Lastabfühlmittel 410 einen Drucksensor auf.
Mittel 412 empfangen das Lastsignal von den Lastabfühlmitteln 410 und betätigen steuerbar die Schaltmittel 408.
Im bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Steuermittel 412 mikroprozessorbasiert und betätigen in steuerbarer Weise die Schaltmittel 408 als eine Funktion der abgefühlten Last.
Im bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Energie, die in das Material durch die Reißstruktur entladen wird, in Form von hohen Spannungsimpulsen.
In einem Ausführungsbeispiel variieren die Steuermittel 412 die Größe bzw. Menge der elektrischen Energie, die in das Material dissipiert bzw. entladen wird&sub1; und zwar als eine Funktion des Lastsignals. Die Größe der elektrischen Energie kann variiert werden durch Steigern und Senken des Lastzyklusses der Hochspannungsimpulse. Dies kann durchgeführt werden durch Verändern der Impulsdauer oder durch Verändern der Periode der Impulse.
In einem anderen Ausführungsbeispiel schalten die Steuermittel 412 die Polarität der Impulse um. Das heißt, während eines Impulses fließt Strom von der Elektrode 130 zum Reißwerkzeug 112 und während des darauffolgenden Impulses fließt strom vom Reißwerkzeug 112 zur Elektrode 130.
Typischerweise besitzen die Hochspannungsimpulse eine Größe im Bereich von O,1 bis 1 Megavolt (MV). Im bevorzugten Ausführungsbeispiel besitzen die Hochspannungsimpulse eine Größe von 250 kV.
Typischerweise haben die Hochspannungsimpulse eine Dauer im Bereich von 0,01 bis 100 Mikrosekunden. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel besitzen die Hochspannungsimpulse eine Dauer im Mikrosekundenbereich.
Mit Bezug auf Fig. 7 weisen die Schaltmittel 408 ein Schaltelement oder einen Schalter 702 auf. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Schalter 702 ein Funkenspaltschalter, der durch Anheben und Absenken des Gasdruckes innerhalb des Schalters 702 zwischen einem offenen Wert und einem geschlossenen Wert betätigt wird. Das Gas wirkt unter bzw. beim offenen Wert wie ein Isolator und beim geschlossenen Wert wie ein Kurzschluß. Es sei bemerkt, daß andere Arten von Schaltern verwendet werden könnten, und daß die vorliegende Erfindung daher nicht auf irgendwelche speziellen Schalter eingeschränkt ist.
Mit Bezug auf Fig. 8 weist der Schalter 702 ein Gehäuse 802 auf. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel weist das Gehäuse 802 einen Körper 820 und erste und zweite Endteile oder Endkappen 806, 810 auf. Das Gehäuse 802 besitzt einen im allgemeinen kreisförmigen Querschnitt, der um eine Achse 812 zentriert ist. Der Körper 820 und die ersten und zweiten Endkappen 806, 810 bilden einen unter Druck gesetzten Hohlraum 804. Die ersten und zweiten Endkappen 806, 810 bestehen aus einem elektrisch leitenden Material, vorzugsweise einer Kupferlegierung.
Der Körper 820 besteht aus Isoliermaterial. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel besteht der Körper 820 aus Polycarbonat. Der Körper 820 besitzt eine Außenfläche oder Wand 822, die vorzugsweise mit Nuten versehen ist. Der Körper 820 besitzt eine Innenfläche oder Wand 824, die auch vorzugsweise mit Nuten versehen ist.
Im bevorzugten Ausführungsbeispiel bildet die erste Endkappe 806 eine erste Elektrode. Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht darauf eingeschränkt und die erste Endkappe und die erste Elektrode können getrennt sein.
Die erste Elektrode 806 besitzt eine Innenseite 808. Die Innenseite 808 besitzt einen im allgemeinen kreisförmigen Querschnitt senkrecht zur Achse 812. Die Innenfläche 808 erstreckt sich entlang des Hohlraums 804 in einer ersten Richtung entlang der Achse 812, wodurch ein hohles Rohr gebildet wird.
Eine zweite Elektrode 814 besitzt erste und zweite Enden 816, 818 und ist im bevorzugten Ausführungsbeispiel mit der zweiten Endkappe 810 am ersten Ende 816 verbunden. Das zweite Ende 818 der zweiten Elektrode 814 besitzt einen im allgemeinen kreisförmigen Querschnitt senkrecht zur Achse 812. Das zweite Ende 818 der zweiten Elektrode 814 erstreckt sich in den Hohlraum 804 in einer zweiten Richtung entlang der Achse 812. Vorzugsweise sind die ersten und zweiten Richtungen entgegengesetzt. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel erstreckt sich das zweite Ende 818 der zweiten Elektrode 814 zumindest teilweise in das hohle Rohr, welches durch die erste Elektrode 806 gebildet wird.
In einem Ausführungsbeispiel bestehen die ersten und zweiten Elektroden aus Kupfer. In einem weiteren Ausführungsbeispiel weist die zweite Elektrode 814 einen Spitzenteil auf. Der Spitzenteil besteht vorzugsweise aus Wolfram oder einer Wolframlegierung. Eine geeignete Legierung ist unter dem Handelsnamen Elkonit verfügbar, wobei dieser aus Wolfram und Kupfer besteht.
Im bevorzugten Asführungsbeispiel ist die zweite Elektrode 814 verjüngt bzw. geneigt. Das heißt, die Dicke des zweiten Endteils 818 der zweiten Elektrode 814 nimmt zum Ende hin ab, wodurch der Abstand zwischen den ersten und zweiten Elektroden 806, 814 gesteigert wird.
Die Betriebscharakteristiken des Schalters 800 können modifiziert werden durch Variieren des Abstandes zwischen den ersten und zweiten Elektroden 806, 814. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel wird dies durchgeführt durch Verändern des Außendurchmessers der zweiten Elektrode 814.
Im bevorzugten Ausführungsbeispiel weist der Schalter 702 eine dritte Elektrode 830 auf. Die dritte Elektrode 830 ist elektrisch verbunden mit der ersten Elektrode 806. Die dritte Elektrode 830 besitzt einen im allgemeinen kreisförmigen Querschnitt senkrecht zur Achse 812 und erstreckt sich entlang der Achse 812 in der ersten Richtung.
Im bevorzugten Ausführungsbeispiel bildet die zweite Elektrode 814 ein zweites hohles Rohr. Die dritte Elektrode 830 erstreckt sich in das zweite hohle Rohr, welches von der zweiten Elektrode 814 gebildet wird. Der Abstand zwischen den zweiten und dritten Elektroden 814, 830 (D1) ist vorzugsweise größer als der Abstand zwischen den ersten und zweiten Elektroden 806, 814 (D2).
Der Schalter 702 kann einen Isoliereinsatz 832 aufweisen, der in dem hohlen Rohr gelegen ist, welches von der zweiten Elektrode 814 gebildet wird. Das Isolierrohr 832 bringt zusätzliche Stabilität und bildet auch einen Teil des Gaseinlaßanschlusses 826.
Eine Fiberoptik- bzw. Faseroptiksonde 834 fühlt das sichtbare Licht ab, welches ausgesandt wird, wenn der Schalter feuert bzw. funkt. Wie gezeigt, muß die Sonde 834 nur ungefähr halb in den Körper 820 eindringen, da Lexan es einem Teil des ultravioletten Lichtes gestattet, hindurchzugehen.
Das Gehäuse 802 wird durch eine Vielzahl von Schrauben zusammengehalten. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel bestehen die Schrauben aus Nylon. Dichtscheiben oder O-Ringe dichten die Verbindung zwischen den Endkappen 806, 810 und dem Körper 820 ab.
Ein Fenster 836 gestattet eine optionale ultraviolette Auslösung, um den Schalter 702 zu betätigen.
Wiederum mit Bezug auf Fig. 7 wird der Schalter 702 geöffnet und geschlossen, um elektrische Leistung an eine Last 704 (die Reißstruktur 108 und den Marx-Generator) zu liefern. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Last 704 mit der ersten Elektrode 806 verbunden. Die zweite Elektrode 814 ist elektrisch mit einer Hochspannungsleistungsversorgung (den Gleichrichtermitteln 404) verbunden.
Eine Hochdruckgasversorgung 706 ist vorgesehen, um den Hohlraum 804 unter Druck zu setzen. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel wird der Hohlraum 804 mit Schwefelhexafluoridgas 5F&sub6; unter Druck gesetzt.
Ein Druckentlastungs bzw. Druckbegrenzungsventil 708 entläßt den Druck aus dem Hohlraum 804.
Im bevorzugten Ausführungsbeispiel wird der Hohlraum 804 durch Betätigung der Hochdruckgasversorgung und des Drukkentlastungsventils 706, 708 unter Druck gesetzt und vom Druck befreit, und zwar durch den Gaseinlaßanschluß 826 bzw. einen Gasauslaß 828, und zwar durch die Steuermittel 412.
Mit Bezug auf Fig. 9 müssen drei Zustände existieren, damit die Vorrichtung 102 Energie in das Material entlädt, erstens muß die Last auf der Reißstruktur 108 größer sein als eine vorbestimmte Schwelle. In einem ersten Steuerblock 902 wird die Last aus dem Drucksensor 410 ausgelesen. In einem zweiten Steuerblock 904 wird die Druckauslesung mit der Schwelle verglichen. Wenn die Auslesung geringer ist als die Schwelle kehrt die Steuerung zum ersten Steuerblock 902 zurück. Anderenfalls wird in einem dritten Steuerblock 906 der Bediener benachrichtigt bzw. mit einem Signal versorgt. Damit die Vorrichtung 102 beginnt, muß der Bediener die Vorrichtung 102 anschalten. Typischerweise würde dies durch einen (nicht gezeigten) Schalter getan werden. Wenn der Bediener die Vorrichtung 102 einschaltet (vierter Steuerblock 908), schreitet die Steuerung fort zu einem fünften Steuerblock 910. Im fünften Steuerblock 910 führt die Vorrichtung 102 eine Selbstdiagnoseroutine aus. Die Diagnosereoutine prüft die Verfügbarkeit und den Druck des Isolationsgases, den Isolationsölpegel, den Druck innerhalb des Schalters 800 und andere Teile der elektrischen Energieerzeugungs- und - entladungsmittel. Wenn die Vorrichtung 102 nicht in Ordnung ist, wird dem Bediener ein Fehler angezeigt (sechster Steuerblock 916). Wenn die Vorrichtung 102 in Ordnung ist, dann schreitet die Steuerung zu einem siebten Steuerblock 916 voran. Wenn alle drei Zustände bzw. Bedingungen bestehen, dann schreitet die Vorrichtung 102 voran, um der Reißstruktur 108 dabei zu helfen, das Material zu zerbrechen, und zwar durch Entladen der elektrischen Energie in das Material.

Industrielle Anwendbarkeit

Mit Bezug auf die Zeichnungen ist die vorliegende Erfindung 102 im Betrieb dazu geeignet, um einem Raupentraktor 104 beim Zerbrechen von Material in einer Bergbau- bzw. Minenumgebung zu helfen.
Bei einer herkömmlichen Traktor/Reißwerkzeug-Anordnung wird der Bediener zumindest zwei Durchgänge mit dem Fahrzeug über dasselbe Bodengebiet vornehmen. Während des ersten Durchgangs wird der Bediener die Reißvorrichtung in Eingriff bringen. Dies wird normalerweise durchgeführt durch eine Betätigung eines Steuerhebels innerhalb der Bedienerkabine. Wenn das Reißwerkzeug durch das Material gezogen wird, wird das Material zerbrochen oder aufgebrochen. Dies ist ein ineffizienter Prozeß, da die meiste Arbeit durch die Spitze 16 des Reißwerkzeuges 112 getan wird. Folglich nützt sich die Spitze mit einer schnellen Rate ab und muß oft ersetzt werden.
Um beim Reißprozeß zu helfen, ist die vorliegende Erfindung 102 geeignet, um elektrisch Energie zu erzeugen, und sie in das Material zu dissipieren bzw. zu verteilen oder zu entladen, wenn das Reißwerkzeug 112 betätigt wird. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Ausmaß der in das Material 106 dissipierten Energie eine Funktion des Materials 106, d. h. das Ausmaß der Arbeit, die benötigt wird, um das Material zu zerbrechen. Wenn beispielsweise das Reißwerkzeug im Eingriff ist, wird keine Hilfe benötigt, wenn das Material leicht genug durch das Reißwerkzeug alleine zerbrochen wird. Wenn das Reißwerkzeug 112 mit härterem Material 106 in Eingriff kommt, entladen die Energieerzeugungs- und -dissipationsmittel Energie in das Material 106. Die Lastabfühlmittel 410 fühlen die Härte des Materials 106 ab, und zwar durch Abfühlen des Drukkes, den das Material 106 auf das Reißwerkzeug 112 bringt. Wenn die Härte des Materials 106 steigt oder fällt, steigt bzw. fällt die in das Material 106 dissipierte Energie.

Claims

1. Vorrichtung (102) zur Unterstützung eines Erdbewegungsfahrzeugs (104) beim Zerbrechen von Material (106), wobei die Vorrichtung folgendes aufweist: eine Reißstruktur (108) mit einem Rahmen (110) und mindestens einem Reißwerkzeug (112) welches beweglich mit dem Rahmen (110) verbunden ist; und Mittel (120) zur Bewegung des mindestens einen Reißwerkzeugs (112) in eine Eindringbeziehung mit Material (106), dadurch gekennzeichnet, daß die Reißstruktur (108) auch eine Elektrode (130) aufweist, die ebenfalls beweglich mit dem Rahmen (110) verbunden ist, und daß die Mittel (120) ebenfalls in der Lage sind die Elektrode (130) in eine Kontaktbeziehung mit dem Material (106) zu bewegen; und ferner gekennzeichnet durch Mittel (124) zur Erzeugung elektrischer Energie und zur Entladung der elektrischen Energie in das Material (106) durch das mindestens eine Reißwerkzeug (112) und die Elektrode (130).

2. Vorrichtung (102) nach Anspruch 1, wobei das mindestens eine Reißwerkzeug (112) ein Schlagreißwerkzeug ist.

3. Vorrichtung (102) nach Anspruch 1 oder 2, mit Mitteln (410) zum Abfühlen der Last an der Reißwerkzeug oder Reißstruktur (108) und zur darauf ansprechenden Erzeugung eines Lastsignals, und wobei die Entladungsmittel (124) Steuermittel (412) zum Empfang des Lastsignals und zur darauf ansprechenden Veränderung der Größe der in das Material (106) entladenen elektrischen Energie.

4. Vorrichtung (102) nach Anspruch 3, wobei die Abfühlmittel (410) einen Drucksensor aufweisen.

5. Vorrichtung (102) nach Anspruch 3 oder 4, wobei die elektrische Energie in Form von Hochspannungsimpulsen vorliegt und wobei die Steuermittel (412) die Größe der elektrischen Energie durch Vergrößern und Verkleinern des Arbeitszyklus der Hochspannungsimpulse verändert.

6. Vorrichtung (102) nach Anspruch 5, wobei die Steuermittel (412) den Arbeitszyklus der Hochspannungsimpulse vergrößern und verkleinern durch Veränderung der Impulsdauer.

7. Vorrichtung (102) nach Anspruch 5, wobei die Steuermittel (412) den Arbeitszyklus der Hochspannungsimpulse durch Verändern der Impulsperiode vergrößern und verkleinern.

8. Vorrichtung (102) nach Anspruch 1, wobei die elektrische Energie in der Form von Hochspannungsimpulsen vorliegt.

9. Vorrichtung (102) nach Anspruch 8, wobei die Entladungsmittel (124) die Polarität der Hochspannungsimpulse ändern.

10. Vorrichtung (102) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Reißstruktur (108) ein zweites Reißwerkzeug (112') aufweist.

11. Vorrichtung (102) nach Anspruch 10, wobei die Entladungsmittel (124) elektrische Energie in das Material (106) abwechselnd durch das erste Reißwerkzeug (112) und die Elektrode (130) und durch das zweite Reißwerkzeug (112') und die Elektrode (130) entladen.

12. Vorrichtung (102) nach Anspruch 1, wobei die Reißstruktur (108) zumindest zwei Module (306, 306') aufweist, wobei jedes Modul (306, 306') ein Reißwerkzeug (112) und eine Elektrode (130) aufweist.

13. Vorrichtung (102) nach Anspruch 12, wobei die Entladungsmittel (124) Steuermittel (412) aufweisen zum abwechselnden entladen der elektrischen Energie in das Material (106) durch jedes der Module (306, 306').

14. Vorrichtung (102) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit Mitteln (126) zum Erwärmen des Materials (106).

15. Vorrichtung (102) nach Anspruch 14, wobei die Mittel (126) die Oberfläche des Materials (106) erhitzen.

16. Vorrichtung (102) nach Anspruch 14 oder 15, wobei die Erhitzungs- oder Erwärmungsmittel (126) Mittel aufweisen um ein Isolationsgas an das Material (106) zu leiten.

17. Vorrichtung (102) nach Anspruch 16, wobei das Isolationsgas Schwefelhexaflouridgas ist.

18. Vorrichtung (102) nach Anspruch 14 oder 15, wobei die Heizmittel (126) Mittel aufweisen um die Abgase des Motors des Erdbewegungsfahrzeugs (104) auf das Material (106) hinzuleiten.

19. Vorrichtung (102) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die elektrischen Energieentladungsmittel (24) einen magnetischen Isolator (144) aufweisen, der dazu geeignet ist um die elektrische Entladung in das Material (106) zu leiten oder zu führen.

20. Vorrichtung (102) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit Mitteln (402) zur Umwandlung der mechanischen Energie des Motors des Fahrzeugs (104) in elektrisch Energie.

21. Vorrichtung (102) nach Anspruch 20, mit Mitteln (406) zum Speichern der umgewandelten elektrischen Energie.

22. Vorrichtung (102) nach Anspruch 21, mit Mitteln (408) zum steuerbaren Umschalten der Speichermittel (406) in und außer Kontakt mit der Reißstruktur (108).

23. Vorrichtung (102) nach Anspruch 8, wobei die Hochspannungsimpulse eine Größe im Bereich von 10kV bis 1MV besitzen.

24. Vorrichtung (102) nach Anspruch 23, wobei die Hochspannungsimpulse eine Größe im Bereich von 0,1 bis 1 MV besitzen.

25. Vorrichtung (102) nach Anspruch 24, wobei die Hochspannungsimpulse eine Größe von annähernd 0,25 MV besitzen.

26. Vorrichtung (102) nach Anspruch 8, wobei die Hochspannungsimpulse eine Dauer im Bereich von 0,01 bis 100 Mikrosekunden besitzen.

27. Vorrichtung (102) nach Anspruch 26, wobei die Hochspannungsimpulse eine Dauer von annähernd 1 Mikrosekunde besitzen.

28. Vorrichtung (102) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Reißstruktur (108) beweglich mit einem Erdbewegungsfahrzeug (104) mit einem Motor (136) verbindbar ist, und wobei das Reißwerkzeug (112) und die Elektrode (130) schwenkbar am Rahmen (110) angebracht sind, und wobei ferner Mittel (120) vorgesehen sind zur Bewegung der Reißstruktur (108) in eine Eindringbeziehung mit dem Material (106).

29. Erdbwegungsfahrzeug (104) geeignet zum Zerbrechen von Material (106) mit einem Körper (134) mit einem Motor (136) und ferner mit Mitteln (138) gekoppelt mit dem Motor (136) zur Bewegung des Fahrzeugs (104) und mit einer Vorrichtung (102) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.