CN103562467B - 地面接合工具齿尖 - Google Patents

Abstract

一种用于地面接合工具（10）的齿尖（12）具有沿着纵向轴线（88）从相对宽的后表面（32）延伸到相对窄的前表面（30）地设置的细长主体。齿尖还可以具有从后表面朝向前表面延伸的腔（22）和在后表面和前表面之间延伸的底表面（24）。底表面可以包括靠近前表面的前面（24a）和靠近后表面的后面（24b）。前面和后面可以由脊（38）分开。齿尖还可以包括定位在底表面上且从靠近脊的第一端（52）延伸到朝向前表面定位的第二端（54）的扇形部（40）。

Description

地面接合工具齿尖

技术领域

本发明整体上涉及用于地面接合工具的齿尖。

背景技术

许多施工和采掘机器，诸如挖掘机、轮式装载机、液压挖掘铲、电缆铲、斗轮机和拉铲挖土机，使用铲斗从地面挖掘出材料。这些铲斗经受由挖掘操作过程中经历的磨耗和冲击造成的极度磨损。铲斗和其它地面作业工具通常通过包括地面接合工具（GET）来保护防止磨损。GET典型地为齿、边缘保护器和其它部件的形式，其在出现最具破坏性的磨耗和冲击的区域中附接到铲斗。GET的一个目的在于用作磨损材料并且吸收将以其它方式出现在铲斗上的磨损。GET一般地被设计成当破损时被更换。在一些布置中，齿包括一件式尖端，其焊接到铲斗的唇部。当这些尖端破损时，将它们从唇部切除并更换。在其它布置中，每个齿包括适配器，该适配器或者可释放地附接到铲斗唇部上的鼻部件，或者直接焊接到铲斗唇部。齿尖典型地利用锁销可释放地附接到适配器。在这种类型的GET中，齿尖在破损时通过移除锁销并且使齿尖滑离适配器来更换。

在挖掘操作过程中，GET的齿尖经受大的机械应力。齿尖在操作过程中的破裂会增加机器的操作成本。如果齿尖在操作过程中断裂并且落离铲斗，其会被送入破碎机或其它处理机器并造成更大的支出和损失。因此，齿尖应当被设计成承受这些大的机械应力。典型地，齿尖是通过铸造生产的铁合金部件。铸造和随后的热处理操作在齿尖上引起残余应力，该残余应力增加到在操作过程中的机械应力。在一些情况中，这些应力会足够大以造成齿尖在制造和/或操作过程中失效。

授予Burris等人且转让给本申请的受让人的美国专利No.5841033（‘033专利）公开了一种用于减小诸如齿尖的部件的残余应力并且增加其疲劳寿命的处理过程。在‘033专利中，一种或多种制造后操作（滚轧、弯曲、点蚀等）被执行以在制造之后减小部件中的残余应力。虽然‘033专利的处理过程可以适用于一些应用，但对于其它应用，其可能不是最佳的。本发明旨在克服现有技术中的这个或其它限制。

发明内容

一方面，公开一种用于地面接合工具的齿尖。齿尖具有沿着纵向轴线从相对宽的后表面延伸到相对窄的前表面地设置的细长主体。齿尖还可以具有从后表面朝向前表面延伸的腔和在后表面和前表面之间延伸的底表面。底表面可以包括靠近前表面的前面和靠近后表面的后面。前面和后面可以由脊分开。齿尖还可以包括定位在底表面上且从靠近脊的第一端延伸到朝向前表面定位的第二端的扇形部。

另一方面，公开一种用于机器的铲斗。铲斗包括联接到铲斗的适配器和可移除地联接到适配器的齿尖。齿尖可以包括沿着纵向轴线从相对宽的后表面延伸到相对窄的前表面地设置的细长主体，和从后表面延伸到朝向前表面定位的远端壁的腔。腔可以被构造成可移除地与适配器联接。齿尖还可以包括在后表面和前表面之间延伸的底表面。底表面可以包括在腔的远端壁上方近侧地定位的凸起脊区域、从脊延伸到前表面的前面和从脊延伸到后表面的后面。齿尖还可以包括定位在底表面上的扇形部。扇形部可以是沿着纵向轴线从位于脊区域上的第一端延伸到朝向前表面定位的第二端的细长凹陷。

又一方面，公开一种用于地面接合工具的齿尖。齿尖包括沿着纵向轴线从相对宽的后表面延伸到相对窄的地面接合前表面的细长主体。齿尖可以包括从后表面到朝向前表面定位的远端壁延伸到细长主体中的腔。腔可以被构造成可移除地与地面接合工具的适配器联接。齿尖还可以包括定位在远端壁上的扇形部。扇形部可以是延伸到细长主体中的深度为腔的深度的大约5-30%之间的凹陷。

附图说明

图1是土方机器的铲斗的图示；

图2是图1的铲斗的一部分的图示；

图3A是可以与图1的铲斗一起使用的示例性齿尖的立体图；

图3B是图3A的齿尖的截面图；

图4A是可以与图1的铲斗一起使用的另一示例性齿尖的立体图；

图4B是图4A的齿尖的顶视图；

图4C是图4A的齿尖的截面图；

图5是可以与图1的铲斗一起使用的另一示例性齿尖的立体图；

图6是显示可以与图1的铲斗一起使用的示例性齿尖中的竖板和扇形部的相对位置的图示；

图7A是可以与图1的铲斗一起使用的另一示例性齿尖的立体图；

图7B是图7A的齿尖的截面图；

图8A是可以与图1的铲斗一起使用的另一示例性齿尖的立体图；

图8B是图8A的齿尖的截面图；

图9A是可以与图1的铲斗一起使用的另一示例性齿尖的立体图；

图9B是图9A的齿尖的截面图；

图10A是可以与图1的铲斗一起使用的另一示例性齿尖的立体图；

图10B是图10A的齿尖的截面图；

图11A是可以与图1的铲斗一起使用的另一示例性齿尖的立体图；以及

图11B是图11A的齿尖的截面图。

具体实施方式

图1图示具有多个齿尖12（以下称为“尖端12”）的机器的铲斗10。每个尖端12使用适配器14可移除地联接到铲斗10，适配器14使用螺栓18刚性地附接到铲斗10的切削刃16。切削刃16可以是固定到铲斗10的底部20的单独的构件，或者其自身可以构成铲斗底部20的一部分。尽管适配器14被图示为使用螺栓18附接到切削刃16，该连接机构仅为示例性的。一般而言，适配器14可以通过任何方法、诸如通过焊接附接到切削刃16。

图2图示沿着尖端12的铲斗10的底部20的一部分的截面图。适配器14包括附接到切削刃16的后向延伸部14a和延伸超过切削刃16的向前延伸突出部14b。适配器14的突出部14b配合在尖端12上的相应成形的凹窝22内。销34横向地延伸经过尖端12和突出部14b上的配合腔，以将尖端12紧固到适配器14。尖端12可以通过移除销34从适配器14拆卸和移除。

图3A和3B图示可以可移除地联接到图2的适配器14的尖端12的实施方式的立体图和截面图。在图3A中，尖端12被示出为底表面朝上以显示底表面的细节。在以下的讨论中，将参照图3A和3B。尖端12包括沿着纵向轴线88设置的细长主体，该细长主体从相对宽的后向定位的后表面32到窄的前向定位的地面接合前表面30变细。在其侧部上，尖端12可以由顶表面28、底表面24和侧表面26界定。后表面32可以包括在其中接收适配器14的突出部14b的凹窝22。凹窝22可以是从后表面32沿着纵向轴线88延伸到尖端12内深度D的腔。在一些实施方式中，凹窝22的深度D可以在尖端12的总长L的20-50%之间。另外，在一些实施方式中，凹窝22具有与适配器14的突出部14b相似的形状。在这样的实施方式中，凹窝22的内部表面可以接触突出部14b的相应表面。在铲斗10的操作过程中，作用在尖端12上的载荷可以经过凹窝22和突出部14b的配合表面传递到适配器14（并且从适配器14到铲斗10）。凹窝22和突出部14b的尺寸和形状被选择成可靠地承受由于上述载荷传递产生的接触应力。

尖端12的地面接合前表面30可以具有适用于尖端12的应用的形状和尺寸。图1的铲斗10被构造成挖掘并刮除石头和泥土。因此，在这里描述的尖端12的实施方式中，尖端12的前表面30适合于穿透石头和泥土。为了辅助这项功能，尖端12的前表面30具有大致收缩或削尖的形状。尖端12的顶表面28也可以具有适合于尖端12的功能的轮廓。在一些实施方式中，顶表面28可以包括一起形成轮廓以承受尖端12上的操作应力的多个表面。在一些实施方式中，顶表面28还可以包括可以用作柄部以运送尖端12的特征部（诸如，作为例子，环等，这里未示出）。尖端12还包括底表面24和侧表面26，其尺寸和形状用于尖端12的有效操作，同时承受在操作过程中引起的磨损和应力。侧表面26每个可以包括腔34a并且接收穿过其的销34，其中，腔34a与横向地延伸经过适配器14的突出部14b的腔（未示出）对准（参照图2）。

在铲斗10的操作过程中，底表面24用作尖端12的主磨损表面。底表面24包括在脊38处结合在一起的前面24a和后面24b。脊38可以是底表面24的凸起区域，其可以在凹窝22的远端上方（即，凹窝的远端在脊的投影上）。材料在脊38处的增加的厚度T1可以使尖端12能够承受操作过程中的应力。从脊38，前面24a朝向前表面30向前延伸，并且后面24b朝向后表面32向后延伸。底表面24包括从其突出的竖板36。尽管竖板36可以定位在前面24a中或者后面24b中，在一些实施方式中，竖板36可以位于前面24a上。如现有技术中已知的，在铸造过程中，熔融金属通过下浇道进入模子（具有形状像尖端12的腔）。在填充模子之后，少量附加的熔融材料被提供用作储备以防止腔收缩。在熔融金属固化并且随后机械加工之后，一些量的金属保持为竖板36。尽管竖板36被示出为从底表面24突出，这并不是要求。在一些实施方式中，铸造之后的机械加工可以移除基本上所有的多余金属并且留下竖板36与底表面24平齐。

在铸造过程中，模子的所有区域处的熔融金属可以不同时或以相同速率固化。由于热传递速率的不同，模子的较薄截面的区域通常比较厚截面的区域固化快。由于这种不均匀固化，在固化的铸件的不同区域处引起残余应力。典型地，在铸造之后，铸态尖端被热处理，以向尖端赋予期望的耐磨性能。尽管未在这里示出或讨论，热处理操作可以将尖端12的表面上的材料层转换成耐磨微结构（诸如，马氏体）。热处理可以涉及加热尖端到材料的奥氏体范围内，并且对尖端12淬火以形成马氏体。由于较厚截面比较薄截面的冷却速率慢，热处理之后在尖端12的一些区域中可以引起进一步的残余应力。在典型的尖端12中，已知的是，这些残余应力（铸造过程中引起的应力和热处理过程中引起的应力的总和）由于邻接区域中金属的厚度而在凹窝22的远端处（即，对应于图3B中标记为A的区域）特别高。在一些实例中，尖端12的这些高应力区域会在操作过程中发展裂缝并失效。

为了减小这些残余应力，尖端12的底表面24上可以包括一个或多个扇形部40。扇形部40是形成在底表面24上的凹陷或盆地，其可以用于使铸造和热处理过程中在尖端12的不同区域处的温度分布均等。在扇形部40的区域处的材料去除可以减小该区域中截面的厚度，并且由此促进更均匀的温度分布。一般而言，扇形部40可以具有任何尺寸和形状。扇形部40的形状可以依赖于尖端12的尺寸和尖端12所针对使用的应用。例如，增大扇形部40的尺寸和深度可以减小截面的厚度并且由此促进更均匀的温度分布和减小的残余应力。但是，减小截面的厚度也会降低尖端12的强度。因此，底表面24上的扇形部40的尺寸、形状和分布可以基于残余应力和强度之间的权衡来选择。另外，扇形部40的形状不应显著影响铸造过程中熔融金属流入模子的所有区域中。

在图3A和3B的实施方式中，扇形部40被示出为大致泪珠形浅凹陷，其从脊38处的第一端52延伸到朝向前表面30定位的第二端54。在图示的实施方式中，扇形部40的宽度和深度从第一端52朝向第二端54变小。即，扇形部40的宽度和深度在靠近第一端52的位置处比在靠近第二端54的相应位置处大。在图示的实施方式中，竖板36在靠近第二端54处与扇形部40相交，使得扇形部和竖板36在第二端54处共有表面。即，在图3A和3B中图示的尖端12的实施方式中，扇形部40是大致泪珠形凹陷，其沿着纵向轴线88从脊38处的较宽且较深的第一端52延伸到与竖板36相交的较窄且较浅的第二端54。但是，该形状和构造不是要求。在一些实施方式中，第一端52可以定位在脊38的后部，使得扇形部40从定位在后面24b上的第一端52延伸到定位在前面24a上的第二端54。在一些实施方式中，扇形部40可以从脊38朝向前表面30和后表面32延伸。

如前所述，扇形部40的尺寸和形状可以基于应用选择。在尖端12的一些实施方式中，数值模拟指示靠近第一端的宽度“w”在尖端12的宽度“W”的大约50-75%之间、长度“l”（在第一端52和第二端54之间）在尖端12的总长“L”的大约10-30%之间并且靠近第一端52的厚度“t₁”在扇形部40的基部处的壁厚度“T₁”的大约10-40%之间的大致泪珠形扇形部40被发现能减小尖端12的关键区域处的残余应力，而不显著降低其强度。在一些其它实施方式中，分别为宽度W的60-70%、长度L的20-30%和壁厚度T₁的20-30%之间的宽度w、长度l和厚度t₁被发现是适当的。

在一些实施方式中，扇形部40可以是底表面24上的大致凹形凹陷。扇形部40可以具有深度变化的弧形（或圆化）基部或者深度恒定的平坦基部。扇形部40可以定位在前面24a和后面24b中的一者或两者上。尽管图3A和3B的扇形部40仅包括单个凹陷，在一些实施方式中，扇形部40可以包括具有相同或不同尺寸和形状的多个凹陷。这些多个凹陷可以在底表面24上形成连接的凹陷网。在一些实施方式中，多个扇形部40可以分布在尖端12的不同表面上（诸如，例如底表面24、顶表面28、侧表面26等）。

图4A-4C图示在底表面24上具有不同构造的扇形部140的尖端112的另一实施方式。图4A图示尖端112的立体图，图4B图示顶视图且图4C图示截面图。在以下的讨论中，将参照图4A-4C。扇形部140从脊38上的第一端52朝向前表面30延伸到定位在第一面24a上的第二端54。竖板36位于扇形部140内，使得竖板36的周边形成扇形部140的第二端54，并且竖板36的顶表面形成扇形部140的基部140a。扇形部140的基部140a是基本平的并且平行于尖端18的纵向轴线88。由于基部140a与纵向轴线88对准，基部140a关于前面24a倾斜。在第一端52处，关于竖向轴线（即垂直于纵向轴线88）以角度θ₁倾斜的壁140b向上***并且将基部140a连接到脊38。在第二端54处，关于竖向轴线以角度θ₂倾斜的壁140c向下行进并且将基部140a连接到前面24a。一般而言，角度θ₁和θ₂可以具有任意值。在一些实施方式中，针对适当的残余应力减小和可制造性，角度θ₁可以在30°和40°之间变化，并且角度θ₂可以在5°和15°之间变化。在一些其它实施方式中，角度θ₁可以在32°和37°之间变化，并且角度θ₂可以在8°和13°之间变化。尽管壁140b和140c被图示（在图4A-4C中）为直的，还可以设想这些壁可以是弧形的。

尽管在图4A-4C的尖端112中竖板36从扇形部140的基部140a突出，但这仅是示例性的。在一些实施方式中，如在图5的尖端212中图示的，竖板36可以下沉在扇形部240中。在这种实施方式中，扇形部240的基部240a在前面24a下方。在扇形部240中，壁240b和240c可以是倾斜的（关于竖向轴线），使得扇形部240的尺寸朝向基部240a减小。这些壁240b、240c可以与竖向轴线形成任意角度。在一些实施方式中，这些壁240b、240c可以关于竖向轴线倾斜大约20°-40°。如针对扇形部140（图4A-4C的）讨论的，扇形部240的壁240b、240c还可以是弧形的。基部240a可以是基本上平行于（或对准于）纵向轴线88（与扇形部140的基部140a类似），或者可以关于纵向轴线倾斜。还设想到在一些实施方式中基部240a可以是基本上平行于前面24a。

一般而言，扇形部和竖板可以定位在尖端的底表面24上的任意位置处。图6示意性地图示定位在尖端312的底表面24上的扇形部340和竖板36。在图6中图示的实施方式中，竖板36被定位成使得竖板36的中心36a位于扇形部第二端54的前向。在这种实施方式中，扇形部340的形状类似于图3A和3B的扇形部40的大致泪珠形。在其它实施方式中，扇形部340和竖板36可以被更接近在一起地定位。即，竖板36可以朝向扇形部340向后运动（如箭头X图示的），或者扇形部340可以朝向竖板36向前运动。随着竖板36运动接近扇形部340，竖板36的中心36a可以向扇形部第二端54后面运动，并且扇形部340可以呈现大致细长形状（类似于图4A-4C的扇形部140）。随着竖板36运动更接近扇形部340，竖板36可以基本上定位在扇形部340内，并且扇形部340可以呈现大致圆形形状。

除了定位在底表面24上的扇形部或者代替该扇形部，扇形部还可以定位在尖端上的其它位置处。图7A和7B图示具有位于凹窝22中的扇形部440的尖端412的另一实施方式。图7A图示尖端412的立体图，而图7B图示截面图。扇形部440定位在凹窝22的远端壁22a上，并且沿着纵向轴线88朝向尖端412的前表面30延伸。但是，在一些实施方式中，扇形部440可以附加地或替代地定位在凹窝22的其它表面上。扇形部440可以具有任意深度、宽度w₁和高度h₁。增大扇形部440的尺寸（深度、宽度w₁和高度h₁）可以有助于减小尖端412的壁厚度（并且由此促进更均匀的温度分布）并减小尖端412中的残余应力。但是，增大扇形部440的尺寸会降低尖端412的强度。因此，扇形部440的尺寸可以被选择成使得期望的残余应力减小在不显著降低强度的情况下获得。一般而言，扇形部440的深度可以在凹窝深度（从后表面32到远端壁22a测量）的大约5-30%之间，宽度w₁可以在凹窝22的远端壁22a处的总宽度W₁的大约25-100%之间，并且高度h₁可以在凹窝22的远端壁22a处的高度H₁的大约25-100%之间。在一些实施方式中，深度可以是凹窝深度的大约15-30%。

尽管图7A和7B中图示了具有分别为W₁和H₁的大致80%的宽度w₁和高度h₁的单个扇形部440，其它实施方式可以具有不同构造的扇形部。图8A和8B显示具有不同构造的扇形部540的尖端512的另一实施方式。图8A图示尖端512的立体图，而图8B图示截面图。图8A和8B图示沿着竖向轴线彼此分隔开的两个水平延伸的扇形部540。扇形部540基本上在远端壁22a的整个宽度延伸。但是，在其它实施方式中，扇形部540可以具有不同宽度。图9A和9B显示具有不同构造的扇形部640的尖端612的另一实施方式。图9A图示尖端612的立体图，而图9B图示截面图。图9A和9B图示在竖直和水平方向上彼此分隔开的四个水平延伸的扇形部640。

图10A和10B显示具有不同构造的扇形部740的尖端712的另一实施方式。图10A图示尖端712的立体图，而图10B图示截面图。扇形部740基本上在远端壁22a的整个高度上延伸，并且具有在远端壁22a的宽度的大约80-90%之间的宽度。图11A和11B显示具有在水平方向上彼此间隔开的两个扇形部840的尖端812的另一实施方式。扇形部540、640、740和840可以具有任意深度、宽度和高度。在一些实施方式中，这些扇形部的尺寸可以在之前针对图7A和7B的扇形部440讨论的范围内。

工业实用性

本发明的地面接合工具齿尖可以应用在期望延长齿尖的使用寿命的任何应用中。工具尖端上的扇形部减小由于铸造和热处理过程在工具尖端中引起的残余应力。减小残余应力将减小操作过程中在工具尖端的关键区域处的总应力，并且由此减小齿尖破裂的可能性。以下描述制造本发明的工具尖端的一种示例性方法。

参照图3A和3B，可以利用铸造过程由铁合金制造铲斗的尖端12。如现有技术中已知的，在铸造过程中，使铁合金熔融并浇注到具有按照尖端12的期望形状的中空腔的模子中。中空腔的形状可以被构造成形成尖端12的底表面24上的扇形部40。在填充腔之后，允许液态金属固化。在固化过程中，随着液态金属冷却，来自液态金属的热将传到模子外侧的大气。由于较薄截面更易向大气传热，模子的不同区域将以不同速率冷却。以不同速率冷却将导致模子的一些区域比其它区域固化更快。铸造过程中尖端的这种不均匀固化在尖端的关键区域中引起残余应力。

由于扇形部40的存在减小尖端12的关键区域处的截面厚度，模子中的液态金属将以更均匀的方式冷却，并且由此减小引起的残余应力。在固化之后，可以移除多余的固化金属，并且可以对铸态尖端12进行热处理。在热处理过程中，尖端12被加热到高温并接着淬火。在淬火过程中，扇形部40的存在允许尖端12的所有区域以均匀的方式冷却并且减小由于不均匀冷却在尖端12中引起的残余应力。由于尖端12中的残余应力是在尖端12不经受制造后应力消除操作的情况下减小的，齿尖的成本降低。

如之前讨论的，尽管在这里讨论的是用于土方机器的铲斗的齿尖，一般而言，齿尖可以应用到任何应用。例如，本发明的尖端的一实施方式可以联接到松土器铲柄并且用作松土器尖端。本领域技术人员理解针对本发明的齿尖能够作出各种修改和变型。通过考虑本发明的齿尖的说明书和实践，本领域技术人员将理解其它实施方式。说明书和例子旨在被认为是仅示例性的，真正的范围由以下权利要求及其等效指明。

Claims (8)

1.一种用于地面接合工具(10)的齿尖(12)，包括：

细长主体，其沿着纵向轴线(88)从相对宽的后表面(32)延伸到相对窄的前表面(30)地设置；

腔(22)，其从后表面朝向前表面延伸；

底表面(24)，其在后表面和前表面之间延伸，底表面包括靠近前表面的前面(24a)和靠近后表面的后面(24b)，前面和后面由脊(38)分开；

扇形部(40)，其定位在底表面上且从靠近脊的第一端(52)延伸到朝向前表面定位的第二端(54)；和

在底表面上的竖板，其中，竖板在靠近第二端处与扇形部相交，使得扇形部和竖板在第二端处共有表面。

2.根据权利要求1所述的齿尖，其中，腔从后表面延伸到靠近脊的阴影定位的远端壁。

3.根据权利要求1所述的齿尖，其中，扇形部具有大致泪珠形。

4.根据权利要求3所述的齿尖，其中，扇形部的宽度和深度从第一端到第二端变小。

5.根据权利要求1所述的齿尖，其中，竖板基本上定位在扇形部内。

6.根据权利要求5所述的齿尖，其中，竖板从扇形部的底部向上突出。

7.根据权利要求1所述的齿尖，其中，扇形部具有与纵向轴线平行的平坦基部。

8.根据权利要求1所述的齿尖，其中，齿尖能够在腔处可移除地联接到机器的铲斗(10)。