礦用挖掘機挖掘力監測及自動稱量系統及方法
2023-06-13 02:13:11 1
專利名稱：礦用挖掘機挖掘力監測及自動稱量系統及方法
技術領域：
本發明屬於測試技術領域，具體涉及一種在挖掘作業過程中進行挖掘力監測、挖掘完成後進行自動稱量的礦用挖掘機挖掘力監測及自動稱量系統及其方法。
背景技術：
礦用挖掘機適於高強度作業，廣泛用於金屬礦、非金屬礦及煤炭露天礦的各種土質和軟硬礦巖的鏟裝作業，尤其在大型採礦挖掘中，更是起到舉足輕重的作用。因此，監測礦用挖掘機在挖掘作業時的挖掘阻力以及對挖掘物料進行自動稱量具有十分重要的意義。現有技術中對礦用挖掘機鏟鬥內物料進行稱量的方法是通過檢測提升行程、推壓行程、提升力以及推壓力，通過簡化工作機構，對鏟鬥進行受力分析得到平衡方程，進而得到物料重力。這種測試方法對機構及機構受力分析過於簡化，致使測量誤差較大。此外，在現有技術中，還沒有能夠較好地對挖掘阻力進行監測的方法。
發明內容
本發明的目的是提供一種解決現有礦用挖掘機無法對挖掘力進行監測這一技術難點的方法及裝置，並同時具備較準確的對鏟鬥內物料進行自動稱量的功能，在挖掘作業過程中進行挖掘力監測，挖掘完成後進行自動稱量。本發明為解決上述技術問題，通過以下技術方案實現:一種礦用挖掘機挖掘力監測及自動稱量系統，主要由提升行程檢測模塊1、推壓行程檢測模塊2、提升機構負載檢測模塊3、推壓機構負載檢測模塊4和數據處理模塊5組成，所述的提升行程檢測模塊1、推壓行程檢測模塊2、提升機構負載檢測模塊3和推壓機構負載檢測模塊4通過電纜與 數據處理模塊5相連，數據處理模塊5放置在便於專業人員進行操作的位置。所述的提升行程檢測模塊I由提升機構增量式光電編碼器1-1和A/D轉換器甲
1-2組成。所述的提升機構增量式光電編碼器1-1可以獲取提升行程經歷的脈衝數，通過A/D轉換器甲1-2後可通過計算得到提升行程。所述的推壓行程檢測模塊2由推壓機構增量式光電編碼器2-1和A/D轉換器乙
2-2組成。所述的推壓機構增量式光電編碼器2-1可以獲取推壓行程經歷的脈衝數，通過A/D轉換器乙2-2後可通過計算得到推壓行程。所述的提升機構負載檢測模塊3由電流傳感器甲3-1和A/D轉換器丙3_2組成。所述的電流傳感器甲3-1可以獲取提升電機的電流，通過A/D轉換器丙3-2後可通過計算得到提升載荷。所述的推壓機構負載檢測模塊4由電流傳感器乙4-1和A/D轉換器丁 4-2組成。所述的電流傳感器乙4-1可以獲取推壓電機的電流，通過A/D轉換器丁 4-2後可通過計算得到推壓載荷。所述的數據處理模塊5由數據存儲器5-1、顯示屏5-2和計算機5-3組成。所述的數據存儲器5-1用以存儲由前述四個模塊輸入的數據並將其值傳給計算機5-3，計算機5-3通過編程計算等方式計算出監測或測試結果，保存並將最終結果傳給顯示屏5-2，顯示屏5-2用以接收計算機5-3傳入的結果並將其顯示出來，以供專業人員進行觀察和記錄。一種礦用挖掘機挖掘力監測及自動稱量方法，包括以下步驟:步驟一、在計算機中輸入各已知參數，分別讀取提升行程檢測模塊1、推壓行程檢測模塊2、提升機構負載檢測模塊3和推壓機構負載檢測模塊4中的測量數據，並存入數據存儲器5-1中；步驟二、利用已知參數和測量數據通過計算機編程確定工作裝置的姿態；步驟三、根據工作裝置的姿態判斷挖掘是否完成；步驟四、如判斷挖掘已完成則進行自動稱量並記錄相關數據，如判斷挖掘未完成則進行挖掘阻力的計算並進行相關數據記錄；步驟五、將結果顯示在顯示屏上。具體地，上述步驟二中確定工作裝置姿態由以下方法實現:(一)建立工作裝置機構簡化模型，如圖2所示，其中:I1為鬥杆伸出量，長度為AB，其值與時間有關，取決於推壓機構的推壓進程；I2為E點到B點的鋼繩長度，其值與時間有關，取決於提升機構的提升進程；I3為推壓軸到動臂頂部滑輪中心的距離，長度為AO3 ；I4為提升捲筒到滑輪的鋼繩長度，其值為HE ；
Ib為動臂長度，其值為O1O3 ；Id為鏟鬥長度，其值為BC ；Θ為鬥杆與動臂夾角，其值可用包角X表示；Θ i為動臂對停機面的傾角，其值已知；Θ 2為提升鋼繩與停機平面的夾角，其值已知；Θ 3為動臂與鋼繩EO3所夾的圓心角，其值已知；Θ 4為滑輪中心與鬥杆端點連線BO3與DO3所夾的圓心角，其值可用包角X表示；Θ 5為動臂與BO3所夾的圓心角,其值可用包角X表示；θ6為鬥杆與鋼繩夾角，其值可用包角X表示；r為動臂頂部滑輪半徑，其值已知。(二)推導出包角X，以確定工作裝置的姿態。1、由圖2所示的幾何關係，有如下等式:X+ Θ 3+ θ 4+ Θ 5 = 2 31(I)
J其中θ3為已知，6>4= arctan^——，根據餘弦定理有
V
1:+(I1-Xrf+r2-l；
Θ; - arccos-——、) '、,。
2I^(!2-xr)Z +r22、得到關於X的超越方程:
權利要求
1.一種礦用挖掘機挖掘力監測及自動稱量系統，其特徵在於:由提升行程檢測模塊(I)、推壓行程檢測模塊(2)、提升機構負載檢測模塊(3)、推壓機構負載檢測模塊(4)和數據處理模塊(5)組成，所述的提升行程檢測模塊(I)、推壓行程檢測模塊(2)、提升機構負載檢測模塊(3)和推壓機構負載檢測模塊(4)通過電纜與數據處理模塊(5)相連，數據處理模塊(5)放置在便於專業人員進行操作的位置； 所述的提升行程檢測模塊(I)由提升機構增量式光電編碼器(1-1)和A/D轉換器甲(1-2)組成，所述的提升機構增量式光電編碼器(1-1)獲取提升行程經歷的脈衝數，通過A/D轉換器甲(1-2)後，通過計算得到提升行程； 所述的推壓行程檢測模塊(2)由推壓機構增量式光電編碼器(2-1)和A/D轉換器乙(2-2 )組成，所述的推壓機構增量式光電編碼器(2-1)獲取推壓行程經歷的脈衝數，通過A/D轉換器乙(2-2)後，通過計算得到推壓行程； 所述的提升機構負載檢測模塊(3 )由電流傳感器甲(3-1)和A/D轉換器丙(3-2 )組成，所述的電流傳感器甲(3-1)獲取提升電機的電流，通過A/D轉換器丙(3-2 )後，通過計算得到提升載荷； 所述的推壓機構負載檢測模塊(4)由電流傳感器乙(4-1)和A/D轉換器丁(4-2)組成，所述的電流傳感器乙(4-1)獲取推壓電機的電流，通過A/D轉換器丁(4-2)後，通過計算得到推壓載荷； 所述的數據處理模塊(5)由數據存儲器(5-1)、顯示屏(5-2)和計算機(5-3)組成，所述的數據存儲器(5-1)存儲由前述四個模塊輸入的數據並將其值傳給計算機(5-3)，計算機(5-3 )計算出監測或測試結果，保存並將最終結果傳給顯示屏(5-2 )。
2.一種礦用挖掘機挖掘力監測及自動稱量方法，其特徵在於:包括以下步驟: 步驟一、在計算機(5-3)中輸入已知參數，並分別讀取提升行程檢測模塊(I)、推壓行程檢測模塊(2)、提升機構負載檢測模塊(3)和推壓機構負載檢測模塊(4)中的測量數據，並存入數據存儲器(5-1)中； 步驟二、利用已知參數和測量數據通過計算機編程確定工作裝置的姿態； 步驟三、根據工作裝置的姿態判斷挖掘是否完成； 步驟四、如判斷挖掘已完成，則進行自動稱量並記錄相關數據；如判斷挖掘未完成，則進行挖掘阻力的計算並進行相關數據記錄； 步驟五、將結果顯示在顯示屏(5-2)上。
3.根據權利要求2所述的一種礦用挖掘機挖掘力監測及自動稱量方法，其特徵在於:所述步驟二中確定工作裝置姿態由以下方法實現: (一)建立工作裝置機構簡化模型；其中: X為包角，即鋼繩包住動臂頂部滑輪的角度； I1為鬥杆伸出量，長度為AB，其值與時間有關，取決於推壓機構的推壓進程； I2為E點到B點的鋼繩長度，其值與時間有關，取決於提升機構的提升進程； I3為推壓軸到動臂頂部滑輪中心的距離，長度為AO3 ； I4為提升捲筒到滑輪的鋼繩長度，其值為HE ； Ib為動臂長度，其值為O1O3; Id為鏟鬥長度，其值為Be;Θ為鬥杆與動臂夾角，其值可用包角X表示； Θ !為動臂對停機面的傾角，其值已知； Θ 2為提升鋼繩與停機平面的夾角，其值已知； θ3為動臂與鋼繩EO3所夾的圓心角，其值已知； Θ 4為滑輪中心與鬥杆端點連線BO3與DO3所夾的圓心角，其值可用包角X表示； Θ 5為動臂與BO3所夾的圓心角,其值可用包角X表示； Θ 6為鬥杆與鋼繩夾角，其值可用包角X表示； r為動臂頂部滑輪半徑，其值已知； (二)推導出包角X，以確定工作裝置的姿態。
4.根據權利要求3所述的一種礦用挖掘機挖掘力監測及自動稱量方法，其特徵在於:所述的推導包角X的方法是: (1)由幾何關係，有如下等式: X+ θ3+θ4+θ5 = 2 π(I) 其中θ 3為已知
5.根據權利要求3所述的一種礦用挖掘機挖掘力監測及自動稱量方法，其特徵在於:所述步驟三中判斷挖掘是否完成由以下方法實現: 根據包角X可確定某一時刻挖掘機的姿態，即可得到θ:
6.根據權利要求3所述的一種礦用挖掘機挖掘力監測及自動稱量方法，其特徵在於:所述的步驟四，若通過步驟三確定挖掘已完成，系統進入自動稱量，此時鬥杆承受的力包括自身重力、鏟鬥重力、物料重力、提升鋼繩的提升力和推壓機構的推壓力，動臂受到自身重力；自動稱量由以下方法實現: (1)根據力矩平衡，使所有力均對A點取矩可得到平衡方程即:Fs X rs-Gd X rd-Gb X rb-Gg X rg-Gw Xrw = O (6 ) 其中=Fs為鋼繩提升力，Gb為動臂重力，Gd為鏟鬥重力，Gg為鬥杆重力，Gw為物料重力，相應的腳註分別表示對應的力對推壓軸的力臂； (2)根據從提升機構負載檢測模塊(3)測得的電流Is可得到提升電機的功率:
7.根據權利要求3所述的一種礦用挖掘機挖掘力監測及自動稱量方法，其特徵在於:所述的步驟四，若通過步驟三確定挖掘未完成，系統進入挖掘阻力的監測；此時鬥杆承受的力包括自身重力、鏟鬥重力、提升鋼繩的提升力、推壓機構的推壓力和來自鏟鬥的挖掘阻力，挖掘阻力分解為鉛垂方向阻力F1和水平方向阻力F2，動臂受到自身重力；挖掘阻力的監測由以下方法實現: (I)計算Fs和Ft ； 根據從提升機構負載檢測模塊(3)測得的電流Is可得到提升電機的功率:
全文摘要
本發明公開了一種礦用挖掘機挖掘力監測及自動稱量系統及方法，該系統主要由提升行程檢測模塊、推壓行程檢測模塊、提升機構負載檢測模塊、推壓機構負載檢測模塊和數據處理模塊組成；所述的方法利用已知參數和測量數據，通過計算機編程確定工作裝置的姿態，在挖掘作業過程中進行挖掘力監測，挖掘完成後進行自動稱量。本發明實現了在挖掘作業過程中進行挖掘力監測，挖掘完成後進行自動稱量這一技術，對結構的受力分析更準確，整個系統初始值設置好後無需人為操作，節省成本投入，通用性強，具有很好的應用前景。
文檔編號E02F9/00GK103233493SQ20131016081
公開日2013年8月7日 申請日期2013年5月5日 優先權日2013年5月5日
發明者王國強, 蘇麗達, 王吉生, 李爰峰, 高素荷, 王曉明, 畢秋實, 王勇澎 申請人:吉林大學