专利名称：高电压挖掘装置的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及推土设备中的挖掘机，尤其是涉及一种用高电压脉冲电流辅助破裂岩石的挖掘机。
有效的、费用可行的、和安全地使岩石破裂的需求已成为优先考虑的问题，尤其在采矿作业中更是如此。一般来说，当发现大的岩石或其他特别坚硬的材料时，采用常用的钻孔和用化学炸药爆破的方法，这些方法不仅有危险性，而且费时间。
一些推土设备，如履带式拖拉机，配备有挖掘机。采用常用的拖拉机和挖掘机配套设备，驾驶员使车辆在同一块地面上至少要通过二次。在第一次通过时，驾驶员操作挖掘装置，这通常是通过驱动驾驶室内的挖掘杆来完成的。当挖掘机被拖过地面，地面即被破裂或裂开。由于大部分工作是通过挖掘机的端部完成的，因此效率很低。因而端部磨损很快，必须经常调换。而且，用常用的挖掘机不能破裂或打碎某些地面材料。
一种已提出的方案是通过一对电极用高电压脉冲使地面坚硬的材料破裂。大多数这些方法需要将两电极埋入地面至一定深度，该深度与所需破裂的深度相适应，这往往需要一附加的钻孔步骤，以得到该深度。其他脉冲方法需要将被破裂的地面材料和电极浸沉在水或其他液体中。
本发明的主要目的在于克服前述的一些问题。
本发明的一个方面，提供一种辅助推土机破裂材料的装置，该装置包括一具至少有一个挖掘机和一个电极的挖掘机构，该装置能产生电能，并通过挖掘机构将电能释放到要破裂的材料中去。
本发明的另一方面，提供一种辅助推土机破裂材料的装置，该装置包括一具至少有一个挖掘机和一个电极的挖掘机构，该装置可加热材料的表面且通过挖掘机构将电能释放到材料中去。
图1是根据本发明的一种实施例的推土机、拖车和装在拖车上的挖掘机构的示意图;
图2是根据本发明的另一种实施例的推土机和装在推土机上的挖掘机构的示意图;
图2A是根据本发明的一种实施例图1和图2挖掘机构的具有磁隔离电极的示意图;
图3A是根据本发明的一种实施例的单挖掘机和电极结构的顶视图;
图3B是根据本发明的一种实施例的双挖掘机和单电极结构的顶视图;
图3C是根据本发明的一种实施例的组合式挖掘机和电极结构的顶视图;
图4是根据本发明的一种实施例的、具有动力转换装置、整流装置、储能装置、保护装置、开关装置和控制装置的发电装置的方框图;
图5是图4中的整流装置的电路图;
图6A是图4中的储能装置的电路图;
图6B是图4中的保护装置的电路图;
图7是图4中的开关装置的方框图;
图8是图7中的开关的示意图;和图9是图4中的控制装置的逻辑图。
参见图1和2，本发明或高电压掘进装置102适于辅助推土机104破碎材料106，在较佳实施例中，推土机104是履带式拖拉机(TTT)。履带式拖拉机104包括车体134和发动机(大致由标号136指示)，履带式拖拉机104还包括由驾驶员操纵的、用于使履带式拖拉机104运动的装置138，在较佳实施例中，运动装置138包括履带140。
该装置102包括挖掘机构108。在一实施例中，挖掘机构108安装在由履带式拖拉机104拖动的拖车128上，如图1所示;在另一实施例中，挖掘机构108直接安装在履带式拖拉机104上，如图2所示。
挖掘机构108包括机架110和至少一个挖掘机112，每一挖掘机112具有杆体114和尖端116，每一挖掘机112的尖端116是可拆卸的，以便当尖端116磨损时可以调换。挖掘机构108适于由履带式拖拉机104拖过材料106。在一实施例中，挖掘机112是冲击挖掘机，如图2所示。挖掘机和冲击挖掘机在现有技术中是众所周知的，因此，不作进一步讨论。
驱动装置120使挖掘装置108移动，挖入材料106中，驱动装置120包括至少一个液压缸122、122′，使挖掘机112移动和转动，挖入材料106中。
挖掘装置108还包括触头118。触头118包括电极130和护罩132。挖掘装置108适于使触头118移至与材料106相接触。在一实施例中，当驱动时，触头118由弹簧偏压与材料106相接触;在另一实施例中，触头118由液压驱动。
装置124产生电能，并通过挖掘机构108将电能输入材料106中。在较佳实施例中，电能以高电压脉冲的形式输入材料106中。
在较佳实施例中，电能产生和扩散装置124密封在容器中且被绝缘油包围。
加热装置126加热材料106的表面，以防止表面产生火花。在一实施例中，加热装置126用管子将发动机136排出的废气送至挖掘装置108，并通过护罩132将废气射向材料108的表面。在另一实施例中，加热装置126引导流动在电极周围的电压绝缘气体，例如六氟化硫(SF6)气体，护罩132仅起包容气体的作用。在又一实施例中，护罩132或分开的护罩142向下延伸基本上到电极130的端部。在再一实施例中，金属的或其他合适材料制成的挡风罩146可以用于起包容气体的作用，如图2中的虚线所示。
在另一实施例中，如图2A所示，挖掘机构包括磁性隔离体144，它将电输出导入材料中，以防止表面产生火花。如图所示的磁性隔离体144连接在电极130和接触电极130′之间。在较佳实施例中，磁性隔离体144包括一个低电感单回路电磁线圈，该低电感单回路电磁线圈产生强磁通密度，一般在10-20特斯拉范围内。
参见图3A，在一实施例中，挖掘机构108包括单个挖掘机112和单个触头118，发电装置124通过挖掘机112和触头118将电能输入材料106中。
参见图3B，在另一实施例中，挖掘机构108包括第一和第二挖掘机112、112′和单个触头118，发电装置124用每一挖掘机112、112′和触头118交替地将电能输入材料106中。
参见图3C，在又一实施例中，挖掘机构108包括多个组件306、306′、306″;每一组件306、306′、306″包括单个挖掘机112和单个触头118，发电装置124通过每一组件306、306′、306″可交替将电能输入材料106中。
参见图4，发电装置124包括动力转换装置402，在较佳实施例中，动力转换装置402将履带式拖拉机104发动机输出的机械能转换成交流电(AC)。在较佳实施例中，动力转换装置402包括一发电机(图中未画出)和一变压器，用发电机将机械能转换成电能在现有技术中是众所周知的，因此就不作进一步讨论了。
整流装置404将动力转移装置402输出的交流电转换成直流电(DC)。
参见图5，整流装置404具有接收动力转换装置402输出的交流电的第一和第二输入端502、504，动力转换装置402的高电压变压器506与第一和第二输入端502、504相连，高电压变压器506的输出端与桥式整流器508的一侧相连，桥式整流器508的另一侧与并联的第一电容器510和第一电阻512相连，第一和第二输出端514、516连接在第一电容器510和第一电阻512的两端。
再参见图4，装置406接收来自整流装置404的、直流电(DC)形式的电能和储存电能，在较佳实施例中，储能装置406包括一Marx发生器形式的脉冲发生器。
参见图6A，储能装置406包括分别与第一和第二输出端514、516相连的第二和第三电阻602、604，第二电容器606连接在第二电阻602和第四电阻608的连接处和第三电阻604和第五电阻610的连接处之间，第三电容器612连接第四和第五电阻608、610。
装置407保护储能装置406不会返回能量。参见图6B，保护装置407包括与储能装置406的输出端相连的第四电容器602，第六电阻622一端通过第一二极管624与第四电容器相连，第七和第八电阻626、628分别将第一二极管624的负极和正极连接到第五电容器638上。逆转开关630具有与第四电容器620相连的一接线端和通过第九电阻632与第五电容器638相连的另一接线端。关断三极管634的第一接线端与第四电容器620相连，第二接线端与第六和第八电阻622、628之间的连接处相连，第三接线端与逆转开关630和第九电阻632之间的连接处相连。第十电阻636将第四电容器620的一端连接到第五电容器638上。
当返回能量的大小达到极限时，逆转开关打开，把返回能量送到一“内部储存器”，即第五电容器638中，使以后可重新得到。在峰值输出电压已达到使返回能量变得最小且把多余的能量送到第五电容器638后，关断三极管634切断输出脉冲(到挖掘部件中的)。
开关装置408连接在第二电容器606和第四电阻608之间的连接处和在第三电容器612和第五电阻610之间的连接处之间，挖掘机构108在第四电阻608和第三电容器612之间的连接处与储能装置406相连。
再参见图4，开关装置408接收来自储能装置406的电能且通过挖掘可控制地将电能输入材料中。在较佳实施例中，开关装置408包括火花放电开关702和释压阀708，如图7所示。
装置410检测挖掘机构108上的载荷，产生一表示检测载荷的信号。在较佳实施例中，载荷测检装置410包括一压力传感器。
装置412接收来自载荷检测装置410的载荷信号可控制地驱动开关装置408。
在较佳实施例中，控制装置412以微处理机为基础且随检测的载荷的变化可控制地驱动开关装置408。
在较佳实施例中，通过挖掘机构输入材料中的能量是高电压脉冲的形式。
在一实施例中，控制装置412随载荷信号的变化而改变扩散入材料中的电能的大小，电能的大小通过增加和减少高电压脉冲的工作循环可予以改变，这可以通过改变脉冲持续时间或改变脉冲的周期来达到。
在另一实施例中，控制装置412交替变换脉冲的极性，即在一脉冲期间，电流从电极130流至挖掘机112，而在下一脉冲期间，电流从挖掘机112流至电极130。
一般来说，高电压脉冲的大小在0.1至1兆伏(MV)范围内，在较佳实施例中，高电压脉冲的大小为250千伏。
一般来说，高电压脉冲的持续时间在0.01至100微秒范围内，在较佳实施例中，高电压脉冲的持续时间为1微秒。
参见图7，开关装置408包括开关元件或开关702，在较佳实施例中，开关702为一通过增加或减少开关702内气体在开启值和关闭值之间的压力来驱动的火花放电开关，气体在开启值情况下作为绝缘体，而在关闭值情况下成为短路。应该认为其他形式的开关也可以使用，因此本发明并不限于任何特定的开关。
参见图8，开关702包括壳体820。在较佳实施例中，壳体802包括基体820和第一和第二端部或端盖806、810，壳体802具有以轴线812为中心的一般为圆形的横截面，基体820和第一和第二端盖806、810形成一加压腔804，第一和第二端盖806、810由导电材料制成，最好是一种铜合金。
基体820由绝缘材料制成，在较佳实施例中，基体820由聚碳酸酯制成，基体820的外表面或外壁822最好是开槽的，基体820的内表面或内壁824最好也是开槽的。
在较佳实施例中，第一端盖806形成一第一电极。然而，本发明并不限于这种形式，第一端盖和第一极电极以是分开的。
第一电极806具有内表面808，内表面808具有垂直于轴线812的一般为圆形的横截面，内表面808以沿轴线812的第一方位沿腔804延伸，形成一中空管。
第二电极814具有第一和第二端816、818，在较佳实施例中，第二电极极的第一端816与第二端盖810相连，第二电极814的第二端818具有垂直于轴线812的一般为圆形的横截面，第二电极814的第二端818以沿轴线812的第二方位伸入腔804中，第一和第二方位最好是相对的。在较佳实施例中，第二电极814的第二端818至少部分伸入由第一电极806形成的中空管内。
在一实施例中，第一和第二电极由铜制成。在另一实施例中，第二电极包括一尖端部，尖端部最好由钨或钨合金制成，一种合适的合金可以买到，即由钨和铜组成的品名为Elkonite的合金。
在较佳实施例中，第二电极814是锥形的，即第二电极814的第二端部818的厚度向端部逐渐减小，由此增加了第一和第二电极806、814之间的间距。
开关702的工作特性可通过改变第一和第二电极806、814之间的间距而改变。在较佳实施例中，这通过改变第二电极814的外径来实现。
在较佳实施例中，开关702包括第三电极830，第三电极830与第一电极806电气相连，第三电极830具有垂直于轴线812的一般为圆形的横截面且以第一方位沿轴线812延伸。
在较佳实施例中，第二电极814形成一第二中空管，第三电极830伸入由第二电极814形成的第二中空管中，第二和第三电极814、830之间的间距(D1)最好大于第一和第二电极806、814之间的间距(D2)。
开关702可以包括位于由第二电极814形成的中空管内的绝缘芯棒832，绝缘管832增加稳定性，并形成气体入口826的一部分。
当开关工作时，光导纤维探头834感测发出的可见光，如图所示，由于Lexan允许一部分紫外光通过，所以探头只需要伸入基体820约一半深度。
壳体802通过多个螺钉组合在一起，在较佳实施例中，螺钉用尼龙制成，密封垫圈或O形圈密封端盖806、810和基体820之间的接合处。
孔836提供使开关702起动的可选择的紫外线。
再参见图7，开关702被打开和关闭，以将电能供给载荷704(挖掘机构108和Marx发生器)。在较佳实施例中，载荷704与第一电极806相连，第二电极814与一高电压能源(整流装置404)电气相连。
高压气源706提供用于加压腔804，在较佳实施例中，腔804用六氟化硫气体(SF6)加压。
释压阀708释放腔804内的压力。
在较佳实施例中，腔804用控制装置412分别通过进气口826和出气口828来驱动高压气源和释压阀706、708来给予加压和减压。
参见图9，为了使装置102将能量输入材料中，必须具备三个条件，第一，在挖掘机构108上的载荷必须大于预定的极限值。在第一控制框902中，从压力传感器410可得到载荷读数。在第二控制框904中，压力读数与极限值相比较，如果压力小于极限值，控制返回第一控制框902。否则，在第三控制框906中，驾驶员得到信号。为了使装置102开始工作，驾驶员必须启动装置102，一般来说这是通过一开关(图中未画出)实现的。如果驾驶员启动装置102(第四控制框908)，控制执行到第五控制框910。在第五控制框910中，装置102进行一自检测程序，检测程序检测绝缘气体的储有量和压力、绝缘油面高度、开关702内的压力和电能发生和释放装置的其他部分。如果装置102不正常，驾驶员得到一出错信号(第六控制框914);如果装置102正常，然后控制执行到第七控制框916。如果具备所有三个条件，然后装置102可使挖掘机构108借助于将电能输入材料中来进行破裂材料。
参见附图，在工作时，本发明102适于辅助履带式拖拉机104破裂矿山中的材料。
对于常用的拖拉机/挖掘机设备来说，驾驶员使车辆在同一块地面上至少要通过二次，在第一次通过时，驾驶员操作掘进装置，这通常是通过驱动驾驶室内的控制杆来完成的。由于挖掘机被拖过材料，使材料破裂或裂开。由于大部分工作是通过挖掘机112的尖端116完成的，因此效率很低。而且，尖端磨损很快，需要经常调换。
为了加快挖掘过程，当挖掘机112驱动时，本发明102适于产生电能，并将电能扩散入材料中。在较佳实施例中，扩散入材料106中的能量的大小随材料106而变化，即随破裂材料所需的工作量而变化，例如，当挖掘机操作时，如果用单独挖掘机足以容易地破裂材料，则就不需要给予辅助。当挖掘机112挖掘坚硬的材料106时，能量产生和扩散装置将能量输入材料106中。载荷检测装置410通过检测材料106作用在挖掘机112的压力来检测材料106的硬度、当材料106的硬度增加或减小时，扩散入材料106的能量分别增加和减少。
本发明的其他方面、目的和特征可以通过研究附图、揭示的内容和所附的权利要求书而得到。
权利要求
1.一种辅助推土机破裂材料的装置，包括一具有一机架、至少有一个挖掘机和一个电极的挖掘机构，所述至少一挖掘机和所述电极与所述机架可活动地相连；用于使所述至少一个挖掘机移动至挖入所述材料的位置和使所述电极移动至与所述材料相接触位置的装置；和用于产生电能且通过至少一个挖掘机和所述电极将所述电能输入所述材料中的装置。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述至少一个挖掘机是一种冲击挖掘机。
3.如权利要求1所述的装置，包括用于检测所述挖掘机构上的载荷且相应产生一载荷信号的装置，且其特征在于，所述输入装置包括用于接收所述载荷信号且相应改变输入所述材料中的电能大小的控制装置。
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述检测装置包括一压力传感器。
5.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述电能是高电压脉冲的形式且所述控制装置通过增加和减少所述高电压脉冲的工作循环改变所述电能的大小。
6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述控制装置通过改变脉冲持续时间增加和减少所述高电压脉冲的工作循环。
7.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述控制装置通过改变脉冲周期增加和减少所述高电压脉冲的工作循环。
8.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电能是高电压脉冲的形式。
9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述输入装置交替变换所述高电压脉冲的极性。
10.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述挖掘机构包括一第二挖掘机。
11.如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述输入装置通过所述第一挖掘机和所述电极以及通过所述第二挖掘机和所述电极交替将电能输入所述材料中。
12.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述挖掘机构包括至少二组件，每一组件包括一挖掘机和一电极。
13.如权利要求12所述的装置，其特征在于，所述输入装置包括用于通过每一所述组件交替将电能输入所述材料中的控制装置。
14.如权利要求1所述的装置，包括用于加热所述材料的装置。
15.如权利要求14所述的装置，其特征在于，所述加热装置包括用于把一绝缘气体射向所述材料的装置。
16.如权利要求15所述的装置，其特征在于，所述绝缘气体是六氟化硫气体。
17.如权利要求14所述的装置，其特征在于，所述加热装置包括用于把所述推土机的发动机排出的废气射向所述材料的装置。
18.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电能输入装置包括一适于将电能导入所述材料的磁隔离体。
19.如权利要求1所述的装置，包括用于将所述车辆发动机的机械能转换成电能的装置。
20.如权利要求19所述的装置，包括用于储存所述转换的电能的装置。
21.如权利要求20所述的装置，包括用于可控制地使所述储存装置与所述挖掘机构相互接触和脱离接触的开关装置。
22.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述高电压脉冲的大小在0.1至1兆伏范围内。
23.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述高电压脉冲的大小约为0.25兆伏。
24.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述高电压脉冲的持续时间在0.01至100微秒范围内。
25.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述高电压脉冲的持续时间约为1微秒。
26.一种辅助一推土机破裂材料的装置，所述推土机具有一发动机，包括一具有一机架、至少有一个挖掘机和一个电极的挖掘机构，所述挖掘机构与所述推土机可活动地相连，所述挖掘机和所述电极用轴销相连安装在所述机架上;用于加热所述材料表面的装置;用于使所述挖掘机构移动至挖入所述材料的装置;和用于产生电能且通过所述挖掘机构将所述电能输入所述材料中的装置。
27.如权利要求26所述的装置，其特征在于，所述电能输入装置包括一适于将电能导入所述材料的磁隔离体。
28.如权利要求26所述的装置，其特征在于，所述电能是高电压脉冲的形式。
29.如权利要求28所述的装置，其特征在于，所述输入装置包括用于交替变换所述高电压脉冲极性的装置。
30.如权利要求26所述的装置，其特征在于，所述挖掘机构包括一第二挖掘机。
31.如权利要求28所述的装置，其特征在于，所述高电压脉冲的大小在10千伏至1兆伏范围内。
32.如权利要求28所述的装置，其特征在于，所述高电压脉冲的大小约为250千伏。
33.如权利要求28所述的装置，其特征在于，所述高电压脉冲的持续时间在0.01至100微秒范围内。
34.如权利要求28所述的装置，其特征在于，所述高电压脉冲的持续时间约为1微秒。
35.如权利要求26所述的装置，包括用于检测所述挖掘机构上的载荷且相应产生一载荷信号的装置，且其特征在于，所述输入装置包括用于接收所述载荷信号且相应改变输入所述材料中的电能大小的控制装置。
36.如权利要求35所述的装置，其特征在于，所述电能是高电压脉冲的形式且所述控制装置通过增加和减少所述高电压脉冲的工作循环改变所述电能的大小。
37.如权利要求36所述的装置，其特征在于，所述控制装置通过改变脉冲持续时间增加和减少所述高电压脉冲的工作循环。
38.如权利要求36所述的装置，其特征在于，所述控制装置通过改变脉冲的周期增加和减少所述高电压的工作循环。
39.一种适于破裂材料的推土机，包括一具有一发动机和与所述发动机相组合的、用于驱动所述推土机的装置的 体。一具有一机架、至少有一个挖掘机和一个电极的挖掘机构，所述至少一挖掘机和所述电极与所述机架可活动地相连;用于使至少一个挖掘机移动至挖入所述材料的位置且使所述电极移动至与所述材料相接触位置的装置;和用于产生电能且通过所述至少一挖掘机和所述电极将电能输入所述材料中的装置。
40.如权利要求39所述的推土机，其特征在于，所述电能输入装置包括一适于将电能导入所述材料中的磁隔离体。
41.如权利要求39所述的推土机，其特征在于，所述电能是高电压脉冲的形式。
42.如权利要求39所述的推土机，其特征在于，所述输入装置包括用于交替变换所述高电压脉冲极性的装置。
43.如权利要求39所述的推土机，其特征在于，所述挖掘机构包括一第二挖掘机。
44.如权利要求39所述的推土机，包括用于加热所述材料表面的装置。
45.如权利要求41所述的推土机，其特征在于，所述高电压脉冲的大小在10千伏至1兆伏范围内。
46.如权利要求41所述的推土机，其特征在于，所述高电压脉冲的大小约为250千伏。
47.如权利要求41所述的推土机，其特征在于，所述高电压脉冲的持续时间在0.01至100微秒范围内。
48.如权利要求41所述的推土机，其特征在于，所述高电压脉冲的持续时间约为1微秒。
49.如权利要求39所述的推土机，包括用于检测所述挖掘机构上的载荷且相应产生一载荷信号的装置，且其特征在于，所述输入装置包括用于接收所述载荷信号且相应改变输入所述材料中的电能大小的装置。
50.如权利要求49所述的推土机，其特征在于，所述电能是高电压脉冲的形式且所述输入装置通过增加和减少所述高电压脉冲的工作循环改变所述电能的大小。
51.如权利要求50所述的推土机，其特征在于，所述输入装置通过改变脉冲的持续时间增加和减少所述高电压脉冲的工作循环。
52.如权利要求50所述的推土机，其特征在于，所述输入装置通过改变脉冲的周期增加和减少所述高电压脉冲的工作循环。
全文摘要
一种装置辅助推土机破裂材料，该装置包括具有至少一个挖掘机和一个电极的挖掘机构，该装置产生电能且通过挖掘机构将电能输入材料中。
文档编号E02F5/32GK1076983SQ9211323
公开日1993年10月6日 申请日期1992年11月18日 优先权日1991年12月2日
发明者乔治·G·科迪那, 莉莉亚娜(Nmi)格兰嘉勒, 罗勃特·J·普赖斯, 托马斯·J·理查兹 申请人:履带拖拉机股份有限公司