专利名称：拉铲挖土机的铲斗索具和控制设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及了一种吊挂和控制拉铲挖土机铲斗的系统。
背景技术：
拉铲挖土机是一种大型的挖掘机械，用于装填、运送和倾卸负载的材料，通常是土。拉铲挖土机往往用于露天开采煤矿，以去除覆盖在浅煤层上的无用表土。
图1说明了一个按照先前技术的典型的大型电动拉铲挖土机。常规的拉铲挖土机包括一个装在不动基础2上的转动支座1。一个向外突起的伸臂组件3可转动地装到转动支座上。绞盘6、9装在支座上，用于收回或释放缆索或绳索。一般有两组主要的绳索或缆索，以下称为起吊绳索4和牵引绳索5。起吊绳索4从装在支座上的起吊绞盘6伸出，沿着伸臂向上和向外，经过装在伸臂最远端的带轮或绳轮7，向下到一个铲斗和索具组件8。牵引绳索5从装在支座1上的牵引绞盘9伸出，向外到铲斗和索具组件8。铲斗和索具组件包括铲斗本身和“索具”，索具指用于吊挂铲斗的链条、绳索、缆索和其他部件的总和。
常规的拉铲挖土机装有牵引移动的机械，通常是往复支座式或履带式牵引装置。
图2表示了在先前技术中铲斗和索具组件的典型部件。尽管已经知道布局和部件名称有各种变化，但将采用为精通该技术的人员所熟悉的以下定义牵引绳索5，用于在装填时牵引拉铲(一般为两条)。
牵引链条10，把牵引绳索连接到铲斗上。
起吊绳索4，用于升高和运送铲斗(一般为两条)。
起吊链条11(上起吊链条和下起吊链条)，把铲斗连接到起吊绳索上。
扩张杆12，分开左、右起吊链条，以容许铲斗位于其中。它位于上、下起吊链条的连接点上。
倾卸绳索13，对牵引绳索作用或释放张力，容许铲斗挖掘或倾卸。
倾卸滑轮14，倾卸绳索绕在上面可自由运动的一个带轮。
倾卸链条15，把倾卸绳索连接到牵引链条前端的中间链条。
特殊索结16，连接起吊绳索、起吊链条和倾卸滑轮的三向接头。
牵引三向接头17，连接牵引绳索、牵引链条和倾卸链条。
均衡接头18，均衡各种部件之间的载荷和容许从两条起吊绳索连接到单个特殊索结。
绳索座套19，用于终接绳索和容许连接到其他部件上。
齿刃组件20，为铲斗的前边(切边)。
筐21，用于运送有效负载的铲斗主体。
弓形架22，对铲斗提供结构的完整性，并且提供倾卸绳索的安装点。
倾卸索结23，倾卸绳索在弓形架上的安装点。
牵引索结24，牵引链条连接到铲斗前区的点。
起吊耳轴25，下起吊链条在铲斗上的安装点。
顶护栏26，沿铲斗顶边的结构增强件。
后护栏27，沿铲斗后区顶边的结构增强件。
其他有关定义为“运送角”，铲斗底面和水平面之间的锐角。
“额定吊挂载荷”(RSL)，可以从起吊绳索吊挂的推荐的最大载荷。
“伸臂末端”，伸臂3离支座1的最远极限点。这点相应于伸臂末端绳轮7的位置。
“伸臂末端半径”，从支座1转动中心到直接在伸臂末端绳轮7之下点向外度量的水平半径。
牵引和起吊绳索可以从其相关的绞盘收回或释放，在空中自由地移动铲斗。转动支座可以“旋转”拉铲挖土机的上部组件以及铲斗和索具通过一个水平弧圈。
拉铲挖土机的正常操作开始时，铲斗自由地吊挂在地面之上的空中。然后把铲斗下降到地面，从起吊绞盘和/或牵引绞盘释放绳索来确定铲斗位置。然后在牵引绞盘上收回牵引绳索来把材料装填到铲斗中。在某个地点，可以收回起吊绳索来从地面升高或“脱离”铲斗。在这个操作中，在倾卸绳索中产生张力，通过弓形架22使铲斗前区升高。在脱离地面后，铲斗中保持着称为“有效负载”的一定体积的被挖掘材料。然后收回和释放起吊和牵引绳索以及/或者旋转支座1，可以把铲斗移到其倾卸地点。释放牵引绳索来倾卸有效负载，直到倾卸绳索失去张力和容许铲斗向前翻转时为止。这个操作仅可以在伸臂末端绳轮之下，或接近伸臂末端绳轮之下进行。
对于典型的大型电动拉铲挖土机(如BE 1370W或Marion 8050)，铲斗容量约为47立方米。铲斗重量通常为40吨。组合的索具重量通常为20吨。这些机械的RSL约为150吨。因此，制造厂家推荐的有效负载约为90吨。
常规索具设计对拉铲挖土机的操作有许多限制。
a)在装填铲斗之后，直到铲斗足够靠近支座1而容许在倾卸绳索中产生足够张力来升高铲斗弓形架时，才能把铲斗脱离地面。图3表示了如果铲斗升高太早，有效负载的前区会丢失。这意味着铲斗在装填之后必须“过度牵引”到可以升高和保持足够有效负载的地点。这增加了循环时间，增加了磨损和降低了起吊效率。
b)拉铲挖土机的铲斗仅可以在伸臂末端半径确定的周边上倾卸。这是因为在牵引绳索张力低时，即牵引绳索已充分释放时，倾卸绳索才会松到足以降低铲斗的前区。图4表示了这个效果。可以有就在伸臂末端半径之内和之外倾卸的动态方法，但这些方法不被制造厂家推荐。
当在运送铲斗时，其运送角由两个主要因素确定(i)相对于伸臂的铲斗位置，以及(ii)倾卸绳索的长度。保持在铲斗中的有效负载与运送角有很大关系，太浅则有效负载的前区被丢失，太陡则后区顶部被丢失。这个效果如图5所示。
已经作出各种建议来改进拉铲挖土机铲斗在垂直平面中方位的控制，即利用两条起吊绳索的不同控制来控制“运送角”，一条在操作上与铲斗前区连接，另一条在操作上与铲斗的后区连接。调节一条起吊绳索相对于另一条的位置，可以调节铲斗的垂直方位来提供倾卸运动，而不依赖于具有上述所有缺点的倾卸绳索变松方式。在澳大利亚专利申请号34502/89(“Beatty”)和俄国专利说明书972008和606945中已经建议了这种类型的构造。在Beatty和俄国‘008说明书中，铲斗的运送角受到不同的起吊绳索运动所控制，起吊绳索被带动经过在一条公共轴线上并排的伸臂末端绳轮，如同在拉铲挖土机构造中常用的那样。Beatty在图7中表示了一种构造，其中采用了一个被液压作动筒57a沿侧向压到后起吊绳索63d上的绳轮58a，可以相对于前起吊绳索63c缩短后起吊绳索63d，把铲斗从运送模式移到倾卸或切碎模式。
Beatty和俄国‘008均具有一个缺点，它们保留了大量的常规索具部件，如扩张杆和起吊耳轴，由于组合的重量，限制了不超过制造厂家RSL可以运送的最大有效负载。另外，以常规方式并排放置伸臂末端绳轮，由于从起吊绳索在铲斗上安装点相隔开而形成的在起吊绳索和铲斗之间的三角网，当铲斗升高到接近伸臂位置时，在起吊绳索上增加了载荷。这限制了铲斗相对于伸臂的运动自由度，也使得在牵引绳索收回或放松时，铲斗运送角变化很大。
俄国专利说明书606945描述了一种挖土机，具有被分别连接在铲斗前后的起吊绳索吊挂的铲斗，其中在伸臂末端设有一个机构，可操作来向外移动后起吊绳索的伸臂末端绳轮，缩短了后起吊绳索相对于前起吊绳索的垂直范围，把铲斗从挖掘或运送方位移到倾卸方位。这种构造具有一个缺点，附加了复杂性和显著增加了在伸臂末端的重量，这将显著降低挖土机的RSL。当铲斗保持在正常运送或挖掘模式时，绳轮靠在一起，存在着与Beatty和俄国‘008相同的由于三角网而增加载荷的问题(参见俄国‘945的图1)。另外，俄国‘945中建议的方法完全不适用于大型电动拉铲挖土机，因为当支座在其基础上旋转来进行倾卸或其他操作时，在伸臂末端上机构的重量将造成在伸臂上不可接受的载荷以及伸臂与支座组件的不可接受的转动惯量。还可以确认，俄国‘945中的机构完全不能用于大型电动拉铲挖土机，因为在伸臂末端上由液压作动筒产生的所需力在已知的任何液压作动筒系统中还没有。
已经多次建议采用计算机来控制各种用途拉铲挖土机的某些操作，例如在装料斗上精确定位倾卸位置，以便把铲斗的负载排放到传送带上。在澳大利亚专利申请号87303/77(“Mitsubishi”)和28179/84(Winders，Barlow和Morrison；“WBM”)中已经提出了这种类型的控制。
Mitsubishi和WBM专利说明书均描述了使用计算机精确控制拉铲挖土机从一个模式转换到另一个模式。它们特别考虑了精确旋转拉铲挖土机从用于挖掘操作的方位到用于倾卸的第二方位，并且精确控制倾卸地点来保证可以把有效负载倾卸到重点地放在传送带上的装料斗中，从场地上去除材料。在这个意义上，Mitsubishi和WBM均改进了操作者的精确程度，在从一个操作模式到另一个模式的变换上采用了强制的计算机控制参数，但它们没有用精确控制铲斗运送角，特别是在挖掘、运送和清理模式中提高拉铲挖土机的整个操作效率。
因此本发明的目的是提供一种拉铲挖土机的铲斗索具和控制设备，以简单而有效的方式来避免或尽量减少上述的某些或全部缺点，或者至少提供一种有用的选择。
发明概述因而，本发明的一个方面提供了拉铲挖土机的一种索具构形，拉铲挖土机具有一个装在基础上的转动支座，一个从支座向外伸出并与支座一起转动的伸臂组件，以及一个铲斗，由可调节的起吊绳索吊挂在伸臂上，并且由从支座伸到铲斗的可调节牵引绳索所控制，索具构形提供了至少两个伸臂末端绳轮，位于或靠近伸臂组件的远端，相互隔开一个固定的距离，使得上述第一绳轮比上述第二绳轮更靠近支座，两条起吊绳索被带动经过伸臂末端绳轮，上述第一条起吊绳索被带动经过第一绳轮，向下伸出并在操作上与铲斗的前区连接，上述第二条起吊绳索被带动经过第二绳轮，向下伸出并在操作上与铲斗的后区连接，以及至少一条牵引绳索从支座伸出并在操作上与铲斗的前区连接。
最好第一和第二绳轮隔开一个固定的距离，相似于第一和第二起吊绳索与铲斗连接点的间隔。
最好是，第一和第二绳轮基本上位于同一垂直面内。
在另一个方面，本发明提供了一种拉铲挖土机，具有以上“发明概述”中描述的索具构形，还结合了对起吊绳索释放和收回的不同控制，设置成使得上述一条起吊绳索的长度可以相对于另一条进行调节，以控制铲斗在垂直面内的倾斜角。
在又一个方面，本发明为这种类型的拉铲挖土机提供了一个控制系统，这种拉铲挖土机具有一个装在基础上的转动支座，一个从支座向外伸出并与支座一起转动的伸臂组件，以及一个铲斗，由可调节的起吊绳索吊挂在伸臂上，并且由从支座伸到铲斗的可调节牵引绳索所控制，至少有两条可调节的起吊绳索，第一条在操作上与铲斗的前区连接，第二条在操作上与铲斗的后区连接，每条起吊绳索由起吊装置起动，设置成以一条起吊绳索相对于另一条的不同运动来改变铲斗在垂直面内的倾斜角，通过起吊装置，控制系统采用计算机来控制第一和第二起吊绳索的相对运动，对于操作者选择的拉铲挖土机操作模式，保持铲斗位于所希望的倾斜角上。
最好是，在一个或几个选择的操作模式中，计算机连续地通过这个模式控制所希望的操作角。
最好是，计算机用于限制起吊装置可以采用的动态转换速率。
最好是，控制系统被设置成容许操作者在预设的安全操作参数范围内控制铲斗相对于伸臂组件和支座的运动。
最好是，由操作者选择的拉铲挖土机操作模式可以包括切碎、挖掘、脱离、运送、倾卸和清理模式中的任意一个或几个。
附图简述虽然任何其他形式可能在其范围之内，现在将参照附图描述本发明的一个优选形式，其中图1说明了一个常规拉铲挖土机。
图2说明了一个铲斗和索具组件的常规部件。
图3说明了常规拉铲挖土机的缺点。
图4说明了在伸臂末端半径上倾卸的常规拉铲挖土机。
图5A-C说明了在最佳运送角、浅运送角和陡运送角位置上的铲斗。
图6A-B说明了常规的索具构形和按照本发明实施例的索具构形。
图7A-B说明了常规的伸臂末端绳轮和按照本发明实施例的伸臂末端绳轮。
图8和8A说明了按照本发明实施例的中央控制系统的变化方式。
图8B说明了在中央控制系统和操作者控制下的操作程序。
图9说明了各种操作模式。
图10和11分别说明了按照本发明实施例的前倾卸和后倾卸的铲斗。
图12和13说明了具有连接到铲斗后区的后起吊绳索的铲斗。
图14说明了本发明实施例和常规并排伸臂末端绳轮的合力作用线。
图15说明了由于本发明实施例使外伸距离增加。
最佳实施方式本发明包括一个系统，依靠从两条起吊绳索31和32直接吊挂铲斗30(图6B)来控制铲斗的运送角。第一起吊绳索31与铲斗的前区连接。对于常规的铲斗，连接点33可以在弓形架22上，位于或靠近通常倾卸绳索的索结点(如图6A所示)。可以采用连接到铲斗前区的其他方法，包括直接与铲斗前区连接的中间缆索、绳索或链条。第二起吊绳索32直接连接到铲斗的后护栏27上。也可以采用中间链条和绳索来直接连接到铲斗的任意后面点上，而不采用沉重的索具，如起吊链条11、扩张杆12、或起吊耳轴25(图6A)。
相对于另一条绳索，不同缩短和伸长一条绳索可以改变铲斗的运送角。直接把起吊绳索连接到铲斗上，可以消除许多常规的索具部件。这些部件的重量可以被铲斗有效负载的增加所替代，而不超出拉铲挖土机的RSL。这是对澳大利亚专利说明书34502/89，38089/78和28179/84所述系统的改进，它们把后起吊绳索连接到常规的起吊耳轴上，因而需要采用常规的起吊链条、扩张杆、起吊耳轴和相应的挡板。
本发明的另一方面是重新确定了常规伸臂末端绳轮的位置，使得尽量减小当铲斗靠近伸臂和/或伸臂末端绳轮时铲斗的扭转和过度的绳索载荷。图7A表示了伸臂末端绳轮的常规的并排设置，而图7B表示了按照本发明如何重新定位两个绳轮相隔一个固定的距离，以一个在另一个之后的方式替代了并排方式来达到这个目的。最好是隔开两个绳轮的距离，相似于或者最好近似等于第一和第二起吊绳索与铲斗操作上连接点的间隔。第一绳轮34比第二绳轮36更靠近支座35，第二绳轮36位于伸臂37的极端或远端。第一起吊绳索31被带动经过第一绳轮34，向下伸出并在操作上与铲斗的前区连接，如先前参照图6B所述。第二起吊绳索32被带动经过第一绳轮36，向下伸出并在操作上与铲斗30的后区连接。
最好是，虽然不是必须的，第一和第二绳轮每个具有一个中面，从绳轮的中点垂直于绳轮转动轴线延伸，以及第一和第二绳轮的中面基本上位于公共的垂直面中。定位两个绳轮在同一垂直面中，自动地把铲斗30的中线与伸臂的中线对准，而两个伸臂末端绳轮34和36的间隔使铲斗在操作时免受扭转或摆动。
如图7B所示，把伸臂末端绳轮分开的另外一个优点是消除或减小了在两条起吊绳索31和32以及铲斗之间的“三角网”，三角网是由于并排定位伸臂末端绳轮所造成，在图7A的38上可以清楚地看到。如图7A中看出，当铲斗接近伸臂时，三角网引起前起吊绳索中载荷的明显增加，这将造成起吊绳索的过载而降低绳索寿命，或者减少在铲斗内能够运送的有效负载。
把伸臂末端绳轮重新定位成一个在另一个之后的一条直线上，其另一个优点是增加了在切碎或倾卸模式中拉铲挖土机的有效外伸距离。由于对总起吊载荷保持了相同的合力作用线，在伸臂上的载荷与常规的并排构形相比没有改变。图14B表示了按照本发明的构形，当运送满的有效负载时，起吊载荷的合力作用线39与伸臂相交在与图14A所示常规的并排构形相同的位置上。但是，当铲斗被定位成如图15的切碎模式时，拉铲挖土机的有效外伸距离增加了距离40，对于100米长的伸臂它近似为5米。外伸距离的增加不会损害拉铲挖土机，因为在这点上铲斗是空的，因而处于低载荷情形。外伸距离的增加显著改进了拉铲挖土机操作的效率，这对精通该技术的任何人员会理解到。由于通常把空铲斗拉向拉铲挖土机中心的牵引绳索张力降低，进一步增加了外伸距离。张力的降低是由于消除了牵引绳索与常规倾卸绳索的中间连接。
重新定位伸臂末端绳轮为一个在另一个之后方式的另一个优点是，由于与图7A的三角形构形相反，图7B中为半平行四边形构形，减少了在伸臂垂直平面中为了保持铲斗前后运动时运送角不变而在两条起吊绳索长度之间需要的调节。
达到这些优点而伸臂末端重量没有任何明显的增加，因为仅简单地重新定位了常规拉铲挖土机中所用的部件(一个绳轮向外移和另一个绳轮向后移)。因此没有明显的RSL降低和支座与伸臂组件的转动惯量的增加，转动惯量可能影响峰值载荷和旋转运动时的循环时间。
由于拉铲挖土机操作模式的动态性质，本发明中一条或两条起吊绳索可能发生过度松弛。这个松弛必须很快消除，以保证绳索正确地缠绕在起吊绞盘卷筒上。
松弛的发生是由于消除了各个常规的索具部件，它们以前起到死重的作用，因而保持了起吊绳索中的总张力。由于在挖掘时或在操作模式转换时铲斗运送角的无控制改变，也可以发生松弛。
本发明的另一方面是一种控制和消除这个松弛的方法。这可以是被动或主动系统。被动系统可以采用一个独立的绳索环路张紧机构，设计成保持一条或两条起吊绳索中足够的张力，以容许绳索正确地缠绕。主动系统可以采用传感器来确定一条或两条绳索中的松弛量，并且可以指示中央控制系统起动主起吊绳索调节机构来改变起吊绳索的长度，以保持用于正确缠绕的足够绳索张力。
本发明的另一方面可以包括铲斗后区的倾卸能力。因为本发明依靠起吊绳索31和32的不同控制容许改变铲斗运送角到任意角度，可以设计一个铲斗具有低的后壁，或没有后壁，容许有效负载在倾卸时沿着与常规铲斗相反的方向流出。这个构形的优点包括减少了整个铲斗质量，它可以由进一步增加有效负载来替代，并且增加了倾卸的外伸距离(或半径)。图10说明了先前描述的铲斗，与表示铲斗42后倾卸构形的图11作比较。
在铲斗42中，常规铲斗30的后壁43被开敞的后端44替代，第二起吊绳索32吊挂在横跨铲斗后区开敞顶部的桥杆45之类构件上。在向后倾卸的构形中，为了倾卸有效负载，相对于第一或前起吊绳索31，伸长了第二或后起吊绳索，使铲斗翻转到图11所示的方位，与图10所示的常规铲斗的反向操作相反。
本发明的另一方面可以包括，移动后起吊绳索安装点的位置到铲斗后区的不同地点来优化切碎或倾卸模式下运送角的能力。对于常规设计的铲斗，在定位在伸臂末端下时降低绳索安装位置将使铲斗吊挂得更陡，反之亦然。这个能力可以进一步增加本发明的多用性，保证易于达到倾卸和切碎模式下的适当运送角。
图12表示了一个常规铲斗30，后起吊绳索安装点46在铲斗的上后护栏27高度上。图13表示了朝着铲斗底面把后安装点移动到位置48，由于改变了铲斗的静平衡，可以明显增加倾卸或切碎角。这也增加了铲斗的倾卸或切碎半径。
在先前技术中已经描述了相对于另一条起吊绳索不同地伸长或缩短一条起吊绳索的几种机构。这些机构包括分开的绞盘。中间导轮、分离的起吊卷筒组件和离合器。
在本发明的优选形式中，由分开或分离的卷筒来提供不同的起吊绳索控制，其中一条上述起吊绳索缠绕到位于基础或支座中的第一卷筒上，另一条起吊绳索缠绕到也位于基础或支座中的第二卷筒上。第一和第二卷筒独立地转动来达到不同的控制。
最好是定位第一和第二卷筒相互靠近地装在一条公共轴线上，它们的内端相互靠近，每一个卷筒由分别位于卷筒外端的马达驱动。或者是，可以采用具有变速机构或离合器的单个驱动马达，独立地控制两个卷筒的转动。
本发明的另一方面是指一个系统，能够精确控制独立的绳索调节机构。
本发明可以包括一个中央控制系统或计算机，容许改变铲斗的运送角来适应所有方面的拉铲挖土机操作。中央控制系统也设计成尽量降低对操作者和拉铲挖土机的风险。中央控制系统采用经验和分析方法来确定和保持在所有时间上的最佳运送角。中央控制系统的主要任务为a)通过直接或间接传感器以及三角计算算法，收集和存储关于铲斗和索具状态的信息b)与操作者的人工接口c)确定在规定静态和动态约束内对操作指令的解法d)以安全方式起动和控制起吊绳索调节系统图8表示了中央控制系统主要部分的示意图。它们包括一个中央逻辑单元、一个铲斗运送角确定模块、一个铲斗位置确定模块、以及一个对操作者的人工接口。
铲斗位置确定模块可以采用来自位置传感器的信息来确定牵引和起吊绳索的当前长度，以及在几何上解出铲斗相对于拉铲挖土机结构的位置。也可以采用来自如激光器的电子距离测量装置的直接信息来确定铲斗的位置。
运送角模块可以采用装在铲斗上的直接传感器(如电子倾角计)来确定铲斗的当前运送角。也可以采用如激光扫描器或雷达的遥控传感器来确定角度。还可以采用来自铲斗位置的信息，结合经验或分析方法来计算运送角。经验方法采用先前测量的数据与当前铲斗位置比较，确定当前运送角会是多少。这通常称为“查表法”。分析方法采用熟悉的三角和运动学计算技术，根据当前的铲斗位置来确定运送角。
在一种变化方式中，中央控制系统可以构成为确定铲斗运送角而不采用直接运送角传感器(参见图8A)。依靠直接的直系传感器或遥控传感器来确定铲斗位置，以及采用三角或运动学技术来计算铲斗的运送角，这是可能达到的。采用直接分析或经验计算方法，中央逻辑单元可以达到这点。当前操作模式(如切碎模式)和铲斗位置将确定中央逻辑单元必须采取什么动作，容许绳索调节机构达到希望的铲斗运送角。另外，在本发明的一个实施例中，采用所有个别操作模式中预先确定的起吊绳索长度偏差，可以尽量减少中央控制系统对运送角的控制。
中央控制系统还确定了绳索调节机构可以使用的动态转换速率。由于操作模式的改变(例如从运送到倾卸)或者尽管在一个操作模式(例如在起吊时)中，由于需要在变化的铲斗位置中保持运送角不变，可能会发生这些转换。控制这些转换发生时的速率，可以尽量减小对拉铲挖土机施加的动态载荷，从而减少了机械故障情形。
中央逻辑单元采取来自运送角确定模块的数据和通过操作者接口请求的指令，最终以半自动方式起动绳索控制机构。来自人工接口模块的请求采取方式是首先为常规操作者信号，其次为操作过程或“模式”的选择。图9说明了某些可能的操作模式，如同任何精通该技术的人员可以理解到的那样。这些模式包括a)在伸臂下任何位置上挖掘b)使铲斗脱离地面准备起吊和/或旋转c)运送d)倾卸e)切碎f)清理(煤顶，如果需要的话)中央逻辑单元接受对一个特定操作模式的请求，通过绳索调节机构适当地改变铲斗运送角。来自铲斗位置的正反馈和运送角确定模块容许中央逻辑单元继续调节系统，保持对操作模式和操作条件适合的运送角。
此外，中央逻辑单元控制着执行各种模式改变的速率。例如，必须仔细控制倾卸速度，以尽量减小对拉铲挖土机结构施加的载荷变化。
此外，中央逻辑单元确定一个特定模式或动作是否在拉铲挖土机的操作和安全约束范围内。例如，如果操作者发送一个与拉铲挖土机实际限制或操作逻辑相矛盾的指令。
中央逻辑单元也记录了铲斗运动的历史，采用经验和分析方法提前预计最可能的中间动作。
人工接口容许操作者方便地控制系统。直接变换操作者的控制板、操纵杆、键盘输入、触摸屏、声音指令或任何其他方便的方法，可以选择操作模式。人工接口还容许改变中央逻辑单元中的软件程序。这可能为了人工替代的目的，用于细调一个特定操作的性能，例如在清理煤顶时调节铲斗的角度。人工接口还容许在紧急情况下停止系统。
中央控制系统的任务可以综合成如下步骤(参见图8B)1.从牵引和起吊绳索上的直系传感器获得位置数据2.由分析和经验技术确定铲斗的位置3.由分析和经验技术确定铲斗的运送角4.通过操作者接口获得关于模式选择状态的数据5.从操作者接口获得关于人工替代状态的数据6.获得关于当前操作者主开关(操纵杆)位置的数据7.获得关于起吊绳索松弛状态的数据8.获得关于绳索张紧条件状态的数据9.获得关于动态限制的数据10.获得关于静态限制的数据11.按预设的优先层次，采用从3，4，5，6，7，8，9和10的输入来确定动作12.通常，按照11中确定的动作，指示绳索调节机构改变绳索长度
13.在11中选择的动作可以是一个紧急关闭参照一个其中采用单个马达来控制上述前、后起吊绳索的分开卷筒的系统，由正常逻辑流程和以下说明的指令体系，可以完成中央控制系统的任务。对控制环路的输入1.选择“校准”或“运行”模式(数字)2.计算铲斗X-Y位置(通过长度测量)3.已计算的铲斗运送角(通过分析和经验计算)4.在两条起吊绳索中松弛量状态(模拟和数字信号)5.操作者的主开关位置(速度基准-模拟)6.操作者的模式选择，如挖掘、运送、倾卸等(数字)7.操作者的人工替代选择/状态(模拟)8.起吊马达状态-“健全”，极限状态等-(数字)控制环路的逻辑执行(按优先次序)(1)如果在“校准”模式，中止所有操作并进行校准设定。如果在“运行”模式，着手进行(2)(2)检查安全状态(a)如果接近绳索张紧的包络范围，则减小牵引/起吊马达基准，转到(3c)(b)如果处于绳索张紧，设定制动和取消正常的操作者控制，转到紧急关机和绳索张紧恢复程序(c)如果接近铲斗位置极限，减小相关的马达基准，转到(3c)(d)如果通过铲斗极限，设定制动和取消正常的操作者控制，转到紧急关机和极限恢复程序(e)如果绳索松弛量高于预设界限值，开始绳索恢复(经受(5))(f)如果起吊马达状态为“OK”，转到(3)。如果不是，确定错误码和是否需要转到紧急关机(3)根据以下计算“目标”运送角
(a)当前铲斗位置(b)当前操作者模式选择(c)当前操作者人工替代状态(4)根据(3)的结果计算起吊绳索长度的适当调节增量，以及当前动态和静态极限(5)检查新的目标运送角和绳索调节增量将不会引起对安全的任何妨碍(参见(2))，以及如果需要时可进行调节(6)如果目标运送角小于当前计算角，指示起吊绳索驱动机构以适当增量相对于后绳索伸长前绳索。转到(8)(7)如果目标运送角大于当前计算角，指示起吊绳索驱动机构以适当增量相对于后绳索缩短前绳索。转到(8)(8)转到(1)在这种方式中，中央控制系统不仅能够控制拉铲挖土机从一个操作模式到下一个，如在Mitsubishi的澳大利亚专利申请号28179/84和Winders，Barlow和Morrison的澳大利亚专利申请号28179/84的先前技术中已经建议的那样，而且也能够在操作者选择的拉铲挖土机操作模式中，使控制系统保持铲斗处于所希望的倾角进行操作。因此控制系统能够在所有挖掘或运送操作阶段，连续地达到最佳挖掘角或运送角，或者在相应选择的操作阶段，定位铲斗在最佳切碎角或倾卸角。由于对每次操作循环减少了循环时间和增加了有效负载，这显著增加了操作效率。
本发明提供了至今没有实现的许多优点，包括吊挂系统消除了以下索具部件的需求起吊均衡接头、特殊索结、上起吊链条、下起吊链条、扩展杆、起吊耳轴、起吊耳轴挡板、倾卸绳索、倾卸滑轮和倾卸链条。
从索具系统消除的重量可以直接由铲斗有效负载来替代，而不超过拉铲挖土机的额定吊挂载荷，因而增加了生产率。还有一个结果是显著降低了维护成本和延迟时间。
吊挂系统增加了可以起吊拉铲挖土机铲斗的最大高度，因为后起吊绳索对铲斗的直接连接几乎可以完全收回到伸臂末端绳轮而不是到常规铲斗索具的顶部。
吊挂系统使得铲斗在已经装填之后立即起吊，而不是过度牵引到足够靠近拉铲挖土机支座的地点，在那里倾卸绳索张力足以升高铲斗的前区。还有一个结果是较早的铲斗挖掘改进了铲斗的几何形状，即起吊绳索更垂直。
重新定位伸臂末端绳轮为一个在另一个之前的方式而不是并排方式，在铲斗接近伸臂和/或伸臂末端绳轮时显著减小了起吊绳索的载荷，并且显著增加了切碎或倾卸时拉铲挖土机的外伸距离，而不增加在结构上的最大载荷。
此外，以一个固定的距离隔开伸臂末端绳轮，该距离相似于起吊绳索与铲斗连接点的间距，尽量减小了保持最佳运送角所需的不同起吊绳索控制量，特别是在挖掘、运送或清理模式中。
重新定位后起吊绳索安装点到铲斗上不同的位置，可以改进在切碎或倾卸时的运送角。
可以采用控制系统使铲斗运送角连续变化来适应拉铲挖土机所有方面的操作和条件。控制系统容许操作者选择任何操作模式，包括挖掘、脱离、运送、倾卸、切碎和清理媒顶。控制系统依靠起动一个起吊绳索长度改变系统，自动地对任何操作模式优化铲斗的运送角。结果是，在拉铲挖土机上的动态载荷显著降低，因为动态操作(如铲斗倾卸)的执行由计算机而不是由操作者人工控制。控制系统依靠对如挖掘材料性质的不同条件改变铲斗的运送角，容许优化铲斗的有效负载。控制系统降低了拉铲挖土机操作时损坏机器或造成人身伤害的风险性。采用经验和分析技术，以直接、间接和遥感输入数据来计算铲斗位置和运送角，由控制系统来达到这些动作。控制系统容许功能的人工替代以及紧急关机的条件。控制系统容许操作者以仅需要最少培训的简单方式发送指令到系统。
松弛绳索控制系统保证了绳索正确缠绕在起吊卷筒上。
在清理煤顶的动作中，铲斗运送角的自动控制减少了媒的损失。
吊挂系统容许拉铲挖土机铲斗在总伸臂末端半径的三分之二位置上倾卸有效负载。
权利要求
1.一种用于拉铲挖土机的索具，拉铲挖土机具有一个装在基础上的转动支座，一个从支座向外伸出并与支座一起转动的伸臂组件，以及一个铲斗，由可调节的起吊绳索吊挂在伸臂上，并且由从支座伸到铲斗的可调节牵引绳索所控制，该索具提供了至少两个伸臂末端绳轮，位于或靠近伸臂组件的远端，相互隔开一个固定的距离，使得上述第一绳轮比上述第二绳轮更靠近支座，两条起吊绳索被带动经过伸臂末端绳轮，上述第一条起吊绳索被带动经过第一绳轮，向下伸出并在操作上与铲斗的前区连接，上述第二条起吊绳索被带动经过第二绳轮，向下伸出并在操作上与铲斗的后区连接，以及至少一条牵引绳索从支座伸出并在操作上与铲斗的前区连接。
2.如权利要求1的一种用于拉铲挖土机的索具，其中，第一和第二绳轮隔开一个固定的、相似于第一和第二起吊绳索与铲斗连接点的间隔的距离。
3.如权利要求1或2的一种用于拉铲挖土机的索具，其中，第一和第二绳轮每个具有一个中面，从绳轮的中点垂直于绳轮的转动轴线，以及其中第一和第二绳轮的中面基本上位于一个公共的垂直面中。
4.一种具有如权利要求1到3中任一条的一种索具的拉铲挖土机，还结合了对起吊绳索释放和收回的不同控制，设置成使得上述一条起吊绳索的长度可以相对于另一条作调节，以控制铲斗在垂直面内的倾斜角。
5.如权利要求4的一种拉铲挖土机，其中，上述第一起吊绳索缠绕在位于基础上的第一卷筒上，上述另一条绳索缠绕在位于基础上的第二卷筒上，第一和第二卷筒可独立地转动来达到上述不同的控制。
6.如权利要求5的一种拉铲挖土机，其中，第一和第二卷筒相互靠近地装在一条公共轴线上，它们的内端相互靠近，每一个由分别位于卷筒外端的一个马达驱动。
7.如权利要求1到3中任一条的一种用于拉铲挖土机的索具，其中，第一起吊绳索直接连接到铲斗的前区，第二起吊绳索直接连接到铲斗的后区，不采用如扩张杆或耳轴的插入索具。
8.如权利要求7的一种用于拉铲挖土机的索具，其中，第一起吊绳索连接到一个横过铲斗口的弓形架的中点。
9.如权利要求7或8的一种用于拉铲挖土机的索具，其中，第二起吊绳索连接到一个横过铲斗后壁的顶部护栏上。
10.如权利要求7或8的一种用于拉铲挖土机的索具，其中，在铲斗后壁顶部护栏与铲斗底部之间的一个点上，第二起吊绳索连接到铲斗后壁，上述的点基本上位于顶部护栏之下。
11.一种用于拉铲挖土机的控制系统，拉铲挖土机具有一个装在基础上的转动支座，一个从支座向外伸出并与支座一起转动的伸臂组件，以及一个铲斗，由可调节的起吊绳索吊挂在伸臂上，并且由从支座伸到铲斗的可调节牵引绳索所控制，至少有两条可调节的起吊绳索，第一条在操作上与铲斗的前区连接，第二条在操作上与铲斗的后区连接，每条起吊绳索由起吊装置起动，设置成以一条起吊绳索相对于另一条的不同运动来改变铲斗在垂直面内的倾斜角，通过起吊装置，控制系统采用计算机来控制第一和第二起吊绳索的相对运动，对于操作者选择的拉铲挖土机操作模式，保持铲斗在所希望的倾斜角上。
12.如权利要求11的一种用于拉铲挖土机的控制系统，其中，在一个或几个所选择的操作模式中，计算机通过这个模式连续地控制所希望的操作角。
13.如权利要求12的一种用于拉铲挖土机的控制系统，其中，从包括挖掘、运送和清理的一组模式中选择上述一个或几个所选择的操作模式。
14.如权利要求11到13中任一条的一种用于拉铲挖土机的控制系统，其中，计算机用于限制起吊装置可使用的动态转换速率。
15.如权利要求14的一种用于拉铲挖土机的控制系统，其中，动态转换发生在操作模式改变时。
16.如权利要求11到15中任一条的一种用于拉铲挖土机的控制系统，控制系统设置成容许操作者控制铲斗相对于伸臂组件和支座的运动。
17.如权利要求16的一种用于拉铲挖土机的控制系统，其中，控制系统设置成容许操作者仅在预设的安全操作参数范围内控制铲斗相对于伸臂组件和支座的运动。
18.如权利要求11到17中任一条的一种用于拉铲挖土机的控制系统，其中，由操作者选择的拉铲挖土机操作模式可以包括切碎、挖掘、脱离、运送、倾卸和清理模式中任何一个或几个。
19.如权利要求11到18中任一条的一种用于拉铲挖土机的控制系统，其中，拉铲挖土机包括至少两个伸臂末端绳轮，绳轮位于伸臂组件远端或靠近远端，相互隔开一个固定的距离，使得上述第一绳轮比上述第二绳轮更靠近支座，上述第一条起吊绳索被带动经过第一绳轮，上述第二条起吊绳索被带动经过第二绳轮。
全文摘要
一种具有支座(35)和伸臂(37)的大型电动拉铲挖土机设有在一条直线上隔开的绳轮(34)，在伸臂末端分开了分别引到铲斗(30)前、后区的起吊绳索(31)和(32)。不同的起吊绳索控制了容许在所有操作模式中精确和连续地调节铲斗的运送角。还描述了一个计算机控制系统，以手动选择的操作模式，依靠不同的起吊绳索操作给出了运送角的连续精确控制。
文档编号E02F3/48GK1402806SQ00816599
公开日2003年3月12日 申请日期2000年10月31日 优先权日1999年11月3日
发明者杰弗里·克雷格·罗兰斯 申请人:杰弗里·克雷格·罗兰斯