CN102175569B - 井下铁矿石动态称重及品位实时分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种井下铁矿石动态称重及品位实时分析方法，其步骤包括：首先通过塞入式剪切力称重传感器二次轴计量方法对矿车载重进行计量；然后通过激光测距扫描仪测量矿石体积；最后根据测得的矿石质量和体积计算出其密度，并建立矿石品位-密度对应函数关系，根据该函数分析得出矿石品位。本方法信息反馈迅速，品位分析的精度高。

Description

井下铁矿石动态称重及品位实时分析方法

技术领域

本发明涉及井下铁矿石计量分析系统。

背景技术

井下矿石品位测量工作大多采用人工采样和化学分析的方法。但是，在运行的矿车上取样难度大，费时费力，影响生产效率，而且由于矿石密度分布不均匀，取出的样品代表性很差。另外，由于人为估算的结果不够精确，不能客观反映出铁矿石品位，不能很好的指导生产，影响了铁矿石的出厂质量。同时一些人为因素的干扰，影响了工人劳动积极性的提高。

通过传感器对矿石体积测量时，使用的装置多采用超声波测距传感器。由于超声波传感器之间的相互干扰问题，只能在矿车的上方布置3～6个传感器，使得采集的矿石高度数据有限，不能很好的拟合出矿石的实际表面，造成计算出来的矿石体积精度很差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种井下铁矿石动态称重及品位实时分析方法，本方法信息反馈迅速，品位分析的精度高。

本发明所采用的技术方案是：井下铁矿石动态称重及品位实时分析方法的步骤包括：首先通过塞入式剪切力称重传感器二次轴计量方法对矿车载重进行计量；然后通过激光测距扫描仪测量矿石体积；最后根据测得的矿石质量和体积计算出其密度，并建立矿石品位-密度对应函数关系，根据该函数分析得出矿石品位。

所述对矿车载重进行计量的方法具体包括：

101)先通过塞入式剪切力称重传感器测量矿车1、3轴(如附图2所示：22表示矿车1轴，20表示矿车3轴)的重量m1，再测量矿车2、4轴(如附图2所示：21表示矿车2轴，19表示矿车4轴)的重量m2；

102)根据下式(1)计算单节车厢装载重量m：

m＝(m1+m2)gσ(1)

式中σ是重量修正值，该值是通过将矿石装袋分别计量(精确计量)累加与计算机计量得到的矿石重量比较，以矿石装袋精确计量为标准，对计算机计量重量值进行修正而得到的；

103)根据下式(2)计算整列车的装载重量M：

$M=\underset{k=1}{\overset{s}{\mathrm{\Σ}}}{m}_k---\left(2\right)$

式中，s为车厢的节数；m_k为第k节车厢的重量，其值根据前述步骤测定。

所述测量矿石体积的方法具体包括：

201)在安装激光测距扫描仪的支架上安装光电发射器，在巷道的一侧安装光电接收器，使光电发射器发射的信号斜射到巷道边；

202)当矿车经过光电发射器发出的光电信号时，利用激光测距扫描仪测量矿车中矿石上表面至传感器之间的距离h_ij’，再由传感器与车厢厢底之间的固定距离S减去h_ij’，得出矿车中各微元高度h_ij；

203)根据步骤202)所获得的铁矿石表面点云数据，采用Delaunay三角剖分三维重构算法拟合三维曲面，进而计算出体积，计算式为下式(3)：

$V=\underset{G}{\∫\∫\∫}\mathrm{dxdydz}=\underset{S}{\∫\∫}h(x,y)\mathrm{dxdy}\≈\underset{i=1}{\overset{p}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{q}{\mathrm{\Σ}}}{h}_{\mathrm{ij}}g\left(\mathrm{\Δxg\Δy}\right)---\left(3\right),$

式中，G表示对体积求三重积分，S表示不同z坐标下的面，dx、dy、dz为三维坐标的微元，h(x，y)为相应z坐标(即高度坐标)下的高度函数，h_ij为剖分后的离散高度值，i为y坐标下的剖分数，j为x坐标下的剖分数，i、j的取值范围分别为1≤i≤p和1≤j≤q，p、q分别为x和y方向的最大剖分数，Δx为相邻微元的x间距，Δy为相邻微元的y间距，h(x，y)为车厢矿石高度。由于激光测距扫描仪安装位置固定，矿井中矿车车厢型号一致，车厢底部到激光测距扫描仪之间的距离是一定值S，于激光测距扫描仪测得矿石表面至激光测距扫描仪安装位置为h_ij’，h_ij＝S-h_ij’。

所述的分析方法，矿石品位-密度对应函数关系为E＝aρ+b，

其中E表示铁矿石品位，ρ表示铁矿石的密度；

当E＞42时，a＝63.514，b＝-60.544；

当42≥E≥15时，a＝26.672，b＝-9.763；

当E＜15时，a＝63.514，b＝-67.19。

本发明的优点：本发明不但信息反馈迅速，而且准确度大大提高，既减少了人工干预的情形，而且最大限度的减少对现有设施的破坏，大大提高了生产效率。安装时间短且安装方便，不影响现行生产。在称重的过程中不必停车，进行动态称重，节约时间，提高矿石运输效率。软件界面简洁，易于学习和操作，数据处理方便，据有自动存储功和统计功能，方便内部计量。抗干扰能力强，系统稳定可靠，计算精度高。本发明推动了井下矿石计量行业的科技进步步伐。

附图说明

图1是塞入式剪切力称重传感器安装布局图。

图2是轨道衡安装施工图。

图3是分析软件界面图。

图4是前置电柜布线图。

图5-1～5-3是控制柜接线端子接线图。

图6是340轨道衡接线图。

图7是本发明的铁矿石动态称重及品位实时分析系统框图。

其中，1：激光测距扫描仪；2：信号线；3：计算机视频输出线；4：显示器；5：巷道内壁；6：光电开关；7：第二组塞入式剪切力传感器；8：第一组塞入式剪切力传感器；9：枕木；10：轨道衡钢轨称重区；11：传感器接线盒；12：工控机(内置A/D数据采集卡)；13：打印电缆；14：打印机；15：电源插头；16：电源插座；17：车轮；18：车厢；19：矿车4轴；20：矿车3轴；21：矿车2轴；22：矿车1轴。

具体实施方式

本发明利用自动检测、计算机技术以及虚拟仪器技术，配合高精度、稳定性能好的滤波放大电路以及A/D(模数)数据采集卡，通过设计塞入式剪切力称重传感器二次轴计量方法实现矿石重量动态计量。

本发明采用的激光扫描测距传感器能实现与矿车行驶相垂直方向的数据扫描测试，数据采集速率高，采集的体积数据点较多。本发明通过曲线拟合激光扫描测距仪采集的矿石堆积表面点云集，重构矿石堆积的表面曲面，再通过多重积分计算矿石体积。本发明还通过系统测量品位与化学取样分析品位比对样本学习，建立铁矿石品位与矿石密度对应函数关系，随着学习的样本数增加，品位的计算精度将逐渐提高。本发明不但信息反馈迅速，而且准确度大大提高，既减少了人工干预的情形，而且最大限度的减少对现有设施的破坏，大大提高了生产效率。本发明推动了井下矿石计量行业的科技进步步伐。

下面结合附图进一步阐述本发明。

1.塞入式剪切力称重传感器二次轴计量方法

对机车的称重测量常用的有整车计量，转向架计量和轴计量三种方法。整车计量能一次测量出整车的重量，减少了多次测量的累积误差，测量精度比较高，但是费用较高。转向架计量是分别计量两个转向架的重量后，将两次测得的重量相加，但是由于转向架的跨度比较大，选择塞入式剪切力传感器测量时，测量区域增大，剪切力传感器两边枕木的跨距也将增大，这样将会减低钢轨的支撑强度，时间长了，钢轨将发生较大弯曲变形。轴计量一般是分四次计量四根轴的重量，再将测得的重量累加。这样将会产生很大的累积误差，影响测量的精度。

为了保证测量的精度和钢轨刚度，本发明选择轴计量；为了减低多次测量的累积误差，本装置实行对一节车厢进行两次测量相加。塞入式剪切力称重传感器的安装布局如图1所示，第一、第二组塞入式剪切力传感器7、8之间的跨距L为机车的前后两轴间距，L＝2200mm。如图2所示，保证矿车1轴与3轴，2轴与4轴分别同时在两组传感器之间(如图2所示第一组塞入式剪切力传感器8，第二组塞入式剪切力传感器7)，一组传感器(如图1所示第一组塞入式剪切力传感器8)之间的间距AB＝240mm，枕木9的宽度为180mm，高度为100mm，两枕木之间的中心距为700mm。先测量1、3轴的重量，再测量2、4轴的重量，通过塞入式剪切力传感器的二次轴计量方法来计量矿石重量。

单节车厢装载重量m(t)：

m＝(m1+m2)gσ(1)

式中，m1是-单节车厢1、3轴称重测得的重量，m2是单节车厢2、4轴称重测得的重量，

σ是重量修正值。

整列车的装载重量M(t)：

$M=\underset{k=1}{\overset{s}{\mathrm{\Σ}}}{m}_i---\left(2\right)$

式中：s为车厢的节数，m_i为任意一节车厢的重量

2、激光测距扫描仪测量矿石体积

由于很多巷道是双轨道双向过车，若在巷道的两侧安装光电发射器和接收器，当两轨道同时过车时，将产生错误的信号给计算机，采集的数据也毫无意义。在安装测距传感器的支架上安装光电发射器，在巷道的一侧安装光电接收器，使光电发射器发射的信号斜射到巷道边，布局如图2所示。激光测距扫描仪1实现铁矿石体积的测量，信号线2实现计量装置信号的传输，计算机视频输出线3把软件处理得到的结果传输到工业显示器4。显示器4实时显示生产运输数据信息，光电开关6安装在巷道内壁5中，实现数据采用控制。第一/第二组塞入式剪切力称重传感器8与7安装在枕木9上的钢轨腹壁中，形成轨道衡钢轨称重区域10，实现铁矿石重量的实时动态计量。传感器接线盒11安装在巷道内壁5上，实现传感器信号的放大与转换。工业控制机12实现处理的采集处理与运算等工作。打印电缆13与打印机14实现报表的打印。15为电源插头，16为电源插座，两者为整个系统装置的提供电源。

激光测距扫描仪1与第二剪切力称重传感器8前端在水平方向上的距离为180mm。利用该装置开启激光测距扫描仪1进行测距，指令计算机系统收集和处理数据。激光测距扫描仪1将测量矿车中矿石上表面至其之间的距离，且测距仪与车厢厢底之间的距离是固定值，两者相减就可以得出矿车中各微元(xi，yi)，根据所获得的铁矿石表面的点云数据，采用Delaunay三角剖分三维重构算法拟合三维曲面，进而计算其体积和质量，计算式见下式(3)。

$V=\underset{G}{\∫\∫\∫}\mathrm{dxdydz}=\underset{S}{\∫\∫}h(x,y)\mathrm{dxdy}\≈\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{hijg}\left(\mathrm{\Δxg\Δy}\right)---\left(3\right)$

3、矿石品位-密度对应函数关系的建立

经过长时间的化学取样统计与分析得出品位与矿石密度的对应关系：y＝ax+b，其中y表示铁矿石品位，x表示铁矿石的密度。

当y＞42时，a＝63.514，b＝-60.544；

当42≥y≥15时，a＝26.672，b＝-9.763；

当y＜15时，a＝63.514，b＝-67.19.

由轨道衡计量的该矿车中铁矿石质量除以体积(含矿块之间的孔隙)可得出该车矿石的密度。利用铁矿石品位与密度(含孔隙)之间的相关关系，由中央计算机处理系统，算出铁矿石的品位，并完成矿量等指标的统计管理工作。

本发明使用SQL Server 2000和Visual C++平台和语言开发，实现人性化操作，多任务并行处理；在进行动态测量时可以进行其他操作；自动检测车辆的载重，体积，行驶速度，并进行数据储存、阶段统计，打印和实时上传数据；对零点进行跟踪并自动补偿，静态、动态进行非线性修正、方向性修正以及机器学习。静态称重标定程序主要用于轨道衡的静态标定制定临时标准。当某一传感器出现故障时，系统自动对出故障传感器进行定位，并将状态通知给操作人员，方便管理部门来维修。系统能对传感器，数据采集仪等部件的状态参数进行自控并实时上传，实现与在线铁矿石测量衡器及品位计算系统软件，数据库软件的有机结合，互相支持。本发明还配有光缆与TMIS(铁路运输管理信息系统)联网接口，实现数据远距离传输实现数据采集、处理、储存、管理和传送功能一机完成，极大程度的减轻了操作人员的劳动强度。软件界面效果如图3所示。

经过跟踪实验检测，采用塞入式剪切力称重传感器二次轴计量方法计量矿石重量，这种方法安装简便，长期稳定可靠，寿命长，其检测精度可达到0.1％，矿石品位计算能达到矿厂预期目标，很好的指导生产，提高了生产效益。

Claims (1)

1.井下铁矿石动态称重及品位实时分析方法，其特征在于其步骤包括：首先通过塞入式剪切力称重传感器二次轴计量方法对矿车载重进行计量；然后通过激光测距扫描仪测量矿石体积；最后根据测得的矿石质量和体积计算出其密度，并建立矿石品位-密度对应函数关系，根据该函数分析得出矿石品位；

对矿车载重进行计量的方法具体包括：

101）先通过塞入式剪切力称重传感器测量矿车1轴（22）、3轴（20）的重量m1，再测量矿车2轴（21）、4轴（19）的重量m2；

102）根据下式（1）计算单节车厢装载重量m：

m=(m1+m2)·σ        （1）

式中σ是重量修正值；

103）根据下式（2）计算整列车的装载重量M：

$M=\underset{k=1}{\overset{s}{\mathrm{\Σ}}}{m}_k---\left(2\right)$

式中，s为车厢的节数；m_k为第k节车厢的重量，其值根据前述步骤测定；

测量矿石体积的方法具体包括：

201）在安装激光测距扫描仪的支架上安装光电发射器，在巷道的一侧安装光电接收器，使光电发射器发射的信号斜射到巷道边；

202）当矿车经过光电发射器发出的光电信号时，利用激光测距扫描仪测量矿车中矿石上表面至传感器之间的距离h′_ij，再由传感器与车厢厢底之间的固定距离S′减去h′_ij，得出矿车中各微元高度h_ij；

203）根据步骤202）所获得的铁矿石表面点云数据，采用Delaunay三角剖分三维重构算法拟合三维曲面，进而计算出体积，计算式为下式（3）：

$V=\underset{G}{\∫\∫\∫}\mathrm{dxdydz}=\underset{S}{\∫\∫}h(x,y)\mathrm{dxdy}\≈\underset{i=1}{\overset{p}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{q}{\mathrm{\Σ}}}{h}_{\mathrm{i\; j}}\·(\mathrm{\Δx}\·\mathrm{\Δy})---\left(3\right),$

式中，G表示对体积求三重积分，S表示不同z坐标下的面，dx、dy、dz为三维坐标的微元，h（x,y）为相应z坐标下的高度函数，h_ij为剖分后的离散高度值，i为y坐标下的剖分数，j为x坐标下的剖分数，i、j的取值范围分别为1≤i≤p和1≤j≤q，p、q分别为y和x方向的最大剖分数，Δx为相邻微元的x间距，Δy为相邻微元的y间距。

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