CN102889917A - 电动挖掘机称重方法 - Google Patents

Abstract

本发明的电动挖掘机称重方法用于解决现有方法称重误差过大的技术问题。本发明技术方案以鞍座中心为力矩平衡点，并以该点为原点建立直角坐标系；确定铲杆及附着在铲杆上部件、满斗物料的重心，提升力、推压力作用点在铲杆处于水平位置时在该坐标体系的坐标，推压力的力臂等于推压力作用点的纵坐标，再根据铲杆运动轨迹方程求得这些点在称重时的坐标，重力力臂等于重心在称重时的横坐标；以称重时提升力作用点和天轮右侧提升钢丝绳与天轮切点位置关系求出切点坐标，列出提升钢丝绳所在的直线方程，用鞍座中心到该直线的距离求出提升力力臂；用传感器测得推压力和提升力；最后列出力矩平衡方程求出物料重量。

Description

电动挖掘机称重方法

技术领域

本发明涉及一种电动挖掘机的称重方法，该方法尤其适应于免扭圆铲杆式电动挖掘机的称重。

背景技术

电动挖掘机主要用于大型露天矿的土壤、岩石、矿石和煤炭的挖掘，按照推压方式的不同分为齿轮齿条推压式电动挖掘机和免扭圆铲杆式电动挖掘机。以往为了统计单台挖掘机的产量只能通过专门的人员来记录装载车数来估计，这样统计出来的数字不仅误差多，还增加了人员的投入。

申请号为200710185462.5的中国专利公告了一种齿轮齿条推压式电动挖掘机的称重方法，这种方法通过提升电机上的转矩与钢丝绳的提升力之间的关系式计算出钢丝绳对铲斗的提升力、通过推压电机上的转矩与钢丝绳推压力之间的关系式计算出推压斗杆对铲斗的推力，然后在由动臂、编码器所测得推压行程、提升行程组成的三角形中用余弦定理分别计算出称重时起重臂与推压斗杆之间的夹角和起重臂与提升钢丝绳之间的夹角，最终通过铲斗的受力平衡计算出物料的重量。

该专利的技术方案虽然节省了人力，但该计算方法忽略了铲杆和附着在铲杆上其它部件重力的影响，因此按照该技术方案计算出来的物料重量会有比较大的误差，而且该专利技术方案不适应钢丝绳推压的电铲。

此外该技术方案中钢丝绳对铲斗的提升力和推压斗杆对铲斗的推力分别是通过这两个力与提升转矩和推压转矩的关系式计算出来的，这两个关系式中电机到工作机构输出之间的传动效率是经常变化的，而在计算中它们都是取一个固定的值，因此这样算出来的钢丝绳对铲斗的提升力和推压斗杆对铲斗的推力误差比较大。

发明内容

本发明的目的是提供一种准确度较高的电动挖掘机称重方法。

本发明的技术方案是：

1）以铲杆处于水平位置时的鞍座中心为O点，垂直于大地方向为Y轴，平行于履带轮底座方向为X轴，建立直角坐标系，

确定铲杆处于水平位置、且天轮右侧提升钢丝绳垂直于铲杆时该坐标体系中，满斗物料重心坐标为（x₀，y₀）、铲杆及附着在铲杆上部件所构成的整体重心坐标为（x₁，y₁）、推压钢丝绳与推压滑轮连接点坐标为（x₂，y₂）、推压钢丝绳与推压缓冲器的连接点坐标为（x₃，y₃）、提升钢丝绳与铲斗连接点坐标为（x₄，y₄）、天轮的圆心坐标为（x₅，y₅）；

2）用安装在铲杆的尾部的位移传感器测得称重时铲杆及附着在铲杆上部件所构成的整体水平位移量Δx；

3）用下述公式计算称重时铲杆及附着在铲杆上部件所构成整体与X轴的夹角α；

$\mathrm{\α}=\mathrm{\θ}-{\cos }^{-1}\frac{{(L_1+r)}^2+{(L_3+\mathrm{\Δx})}^2-{(L_2+y_2)}^2}{2\×(L_1+r)\×(L_3+\mathrm{\Δx})}---\left(1\right)$

式（1）中，θ是动臂与X轴的夹角，L₁是X轴以上动臂的长度，L₃是铲杆处于水平位置时鞍座中心至X轴与提升钢丝绳延长线交点的水平距离，r是天轮的半径，L₂是用绝对值编码器测得的称重时天轮右侧提升钢丝绳的长度，用下列公式计算得到，

$L_2=\frac{C_i-C_0}{C_n-C_0}\×L---\left(2\right)$

式（2）中， C₀是提升钢丝绳拉至最短时编码器对应的数值，C_n是提升钢丝绳拉至最长时编码器对应的数值，C_i是称重时提升钢丝绳长度所对应的编码器数值，L是C₀到C_n所对应的提升钢丝绳长度；

4）用下述坐标旋转公式计算称重时满斗物料的重心横坐标x＇₀、铲杆及附着在铲杆上部件所构成整体的重心横坐标x＇₁、提升钢丝绳与铲斗连接点的坐标(x＇₄,y＇₄)

$x_0^{\′}=(x_0+\mathrm{\Δx})\×\cos \mathrm{\α}-y_0\×\sin \mathrm{\α}---\left(3\right)$

$x_1^{\′}=(x_1+\mathrm{\Δx})\×\cos \mathrm{\α}-y_1\×\sin \mathrm{\α}---\left(4\right)$

$x_4^{\′}=(x_4+\mathrm{\Δx})\×\cos \mathrm{\α}-y_4\×\sin \mathrm{\α}---\left(5\right)$

$y_4^{\′}=(x_4+\mathrm{\Δx})\×\sin \mathrm{\α}+y_4\×\cos \mathrm{\α}---\left(6\right)$

5）由下列公式计算称重时天轮右侧提升钢丝绳与天轮切点的坐标（x₆，y₆），

铲斗在天轮左侧，

$x_6=x_4^{\′}+L_2\×\cos ({\mathrm{\β}}_2-{\mathrm{\β}}_1)---\left(7\right)$

$y_6=y_4^{\′}+L_2\×\sin ({\mathrm{\β}}_2-{\mathrm{\β}}_1)---\left(8\right)$

铲斗在天轮的右侧，

$x_6=x_4^{\′}-L_2\×\cos ({\mathrm{\β}}_1+{\mathrm{\β}}_2)---\left(9\right)$

$y_6=y_4^{\′}+L_2\×\sin ({\mathrm{\β}}_1+{\mathrm{\β}}_2)---\left(10\right)$

式（7）、（8）、（9）和（10）中，β₁是称重时天轮和铲斗间提升钢丝绳，与天轮圆心（x₅，y₅）至提升钢丝绳和铲斗挂锁连接点（x＇₄,y＇₄）的连线的夹角，可以用下列公式计算得到，

${\mathrm{\β}}_1={\sin }^{-1}\frac{r}{\sqrt{r^2+L_2^2}}---\left(11\right)$

式（7）、（8）、（9）和（10）中，β₂是称重时天轮圆心（x₅，y₅）至提升钢丝绳和铲斗挂锁连接点（x＇₄,y＇₄）的连线与X轴的夹角，可用下列公式计算得到，

${\mathrm{\β}}_2={\tan }^{-1}\left|\frac{y_5-y_4^{\′}}{x_4^{\′}-x_5}\right|---\left(12\right)$

6）由下列公式计算提升钢丝绳拉力F₁的力臂D₁，

$D_1=\frac{|-\frac{y_4^{\′}-y_6}{x_4^{\′}-x_6}\×x_6+y_6|}{\sqrt{{\left(\frac{y_4^{\′}-y_6}{x_4^{\′}-x_6}\right)}^2+1}}---\left(13\right)$

7)用安装在动臂支架与提升钢丝绳之间的张力传感器测得称重时提升钢丝绳的拉力F₁，

$F_1=\frac{F_1^{\′}}{(\cos {\mathrm{\γ}}_{11}+\cos {\mathrm{\γ}}_{12})}---\left(14\right)$

式（14）中，F＇₁是安装在动臂支架与提升钢丝绳之间的张力传感器测得的压力，γ₁₁和γ₁₂是提升钢丝绳与安装在动臂支架与提升钢丝绳之间的张力传感器中心轴的夹角，

8）用下列公式计算推压钢丝绳作用在推压滑轮上的推力F₂

$F_2=F_2^{\′\′}\×\frac{(\cos {\mathrm{\γ}}_{21}+\cos {\mathrm{\γ}}_{22})}{(\cos {\mathrm{\γ}}_{23}+\cos {\mathrm{\γ}}_{24})}---\left(15\right)$

式（15）中，γ₂₁和γ₂₂分别是推压滑轮处的推压钢丝绳与铲杆的夹角，γ₂₃和γ₂₄分别是推压钢丝绳与安装在动臂支架和推压钢丝绳之间张力传感器中心轴的夹角，F＇＇₂是铲杆向矿体推进时用安装在动臂支架和推压钢丝绳之间张力传感器所测得的压力；

9）用下述公式计算推压钢丝绳作用在推压缓冲器上的力F₃

$F_3=F_3^{\′\′}\×\frac{(\cos {\mathrm{\γ}}_{31}+\cos {\mathrm{\γ}}_{32})}{(\cos {\mathrm{\γ}}_{23}+\cos {\mathrm{\γ}}_{24})}---\left(16\right)$

式（16）中，γ₃₁和γ₃₂分别是推压缓冲器处的推压钢丝绳与铲杆的夹角，F＇＇₃是铲杆从矿体撤出时用安装在动臂支架和推压钢丝绳之间的张力传感器所测得压力；

10）由下列公式计算推压钢丝绳作用在推压滑轮上推力F₂的力臂D₂和作用在推压缓冲器上推力F₃的力臂D₃，

$D_2=y_2---\left(17\right)$

$D_3=y_3---\left(18\right)$

11）根据铲杆力矩平衡计算物料的质量，

$M=\frac{F_1\×D_1+(1-s)\×F_3\×D_3-s\×F_2\×D_2-G_1\×x_1^{\′}}{x_0^{\′}\×g}---\left(19\right)$

式（19）中，G₁是铲杆及附着在铲杆上部件所构成整体的重力，g是重力加速度取9.8N/m²，s是一个系数，当铲杆向矿体推进，s等于1，当铲杆从矿体撤出时，s等于0。

本发明的技术方案考虑了铲杆、铲杆尾部的推压滑轮、铲杆与铲斗间的推压缓冲器、铲斗和附着在铲斗上的挂锁的重力对铲杆力矩平衡的影响，而且是以鞍座中心为平衡点构建的铲杆力矩平衡方程，从而消除了鞍座对铲杆的支撑力这一过鞍座中心的不定力对铲杆力矩平衡的影响，提高了称重准确度。

此外本技术方案的提升钢丝绳作用在铲斗上的拉力和钢丝绳作用在推压滑轮和推压缓冲器上的推力都是通过安装在动臂支架上的传感器测得，准确性高。

附图说明

图1  电动挖掘机称重状态示意图

图2  铲杆运动过程中受力示意图

图3  称重时铲斗在天轮右侧时天轮与铲斗的位置关系示意图

图4  称重时铲斗在天轮左侧时天轮与铲斗的位置关系示意图

图5  动臂支架上测提升钢丝绳拉力的张力传感器受力示意图

图6  称重时推压滑轮受力示意图

图7  动臂支架上测推压钢丝绳拉力的张力传感器受力示意图

图8  称重时推压缓冲器受力示意图

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的方案做进一步的描述

如图1所示，电动挖掘机一般由行走机构1、提升机构2、回转机构3、推压机构4和电气部分组成。行走机构1将电动挖掘机带到挖掘目的地；推压机构4拉动推压钢丝绳5推动固定安装在铲杆9上的铲斗10铲入矿体；提升机构2拉动提升钢丝绳6向上提起固定安装在铲杆9上的铲斗10，使矿石装满铲斗10，并停留在高于电动轮自卸车车身的高度；回转机构3将装满矿石的铲斗10从矿体侧旋转到电动轮自卸车侧，然后铲斗10打开，矿石倒入自卸轮车内，接着电动挖掘机转回原位置，提升机构放下铲斗，重复上一个工作周期。

由电动挖掘机工作过程可知，当电动挖掘机处于回转过程中时，铲斗内矿体的质量稳定，而且是最终倒入自卸轮车内矿体的质量，此外铲斗的位置也是相对固定的，因此回转过程是称重最好的时机。

由图2所示，在电动挖掘机的整个挖掘过程中，铲杆主要受铲杆及附着在铲杆上其它部件及铲斗内矿石的重力作用，及其它外力作用。铲杆及附着在铲杆上其它部件主要包括铲杆9、铲斗10、位于铲杆尾部的推压滑轮11、位于在铲斗上的挂锁14、以及位于铲杆和铲斗之间的推压缓冲器13。作用在铲杆上的其它外力主要包括推压钢丝绳作用在推压滑轮上朝矿石侧的推力F₂、推压钢丝绳作用在推压缓冲器上背矿石侧的推力F₃，提升钢丝绳作用在铲斗上的拉力F₁、和鞍座对铲杆的支撑力F₄。其中作用在推压滑轮上朝矿石侧的推力F₂和作用在推压缓冲器上背矿石侧的推力F₃两者只能有其一，因为在同一时刻推压钢丝绳要么对铲斗施加向矿石侧的推力要么对铲斗施加背矿石侧的推力。

称重的依据是铲杆的力矩平衡，为了消除鞍座对铲杆的支撑力F₄这一难以测量的力对铲杆力矩平衡的影响，也为了简化了力矩平衡的分析，铲杆力矩的平衡点选择的是鞍座中心。

首先对作用在力矩平衡点两端的重力力矩进行分析，铲杆及附着在铲杆上其它部件在制造完成后，其重心和重力也就可以确定，满斗时物料的重心相对铲斗的位置是不变的，因此满斗物料重心也可以确定，因此下一步就是要求得铲杆及附着在铲杆上其它部件和满斗物料的重力力臂，即铲杆及附着在铲杆上其它部件和物料相对于力矩平衡点的位置。但由于电动挖掘机每次挖掘面都会不一样，装满矿石的铲斗所提升的高度也不同，因此铲杆及附着在铲杆上其它部件和物料的重心相对于力矩平衡点位置也会不一样。

经过分析，可以发现电动挖掘机的挖掘轨迹是由推压钢丝绳和提升钢丝绳共同决定的：推压钢丝绳通过在铲杆的推压滑轮上施力将铲斗推入矿体，通过在铲杆的推压缓冲器上施力将铲斗撤出矿体；提升钢丝绳通过在铲斗挂锁上施力拉着铲斗绕着鞍座中心上下旋转。

因此要知道称重时铲杆及附着在铲杆上其它部件和物料的重心相对于力矩平衡点位置，我们需要确定一个初始位置，确定此时铲杆上其它部件和物料的重心相对于力矩平衡点的位置，然后测量出称重时铲杆相对于初始位置时推进或者撤出矿体的距离、铲杆相对于初始位置时旋转的角度，就可以通过坐标旋转公式计算出称重时铲杆及附着在铲杆上其它部件和物料的重心相对于力矩平衡点位置。显然铲杆处于水平且天轮右侧提升钢丝绳垂直于铲杆的位置是一个最方便后续计算的的初始位置。为了简化分析将铲杆的运动轨迹分解为图2所示的三个状态。其中第一个状态为铲杆处于水平位置，第二个状态是铲杆水平伸入或者撤出矿体，第三个状态是铲杆提升完毕，进入回转运动。

为了便于后续的计算，如步骤1所示我们以鞍座中心为原点建立了直角坐标系，这样既可以消除鞍座对铲杆支撑力对力矩平衡的影响，也方便后续提升力力臂的计算，并以铲斗处于第一个挖掘状态时、即铲杆处于水平位置状态为初始位置确定铲杆及附着在铲杆上部件的重心、满斗物料的重心（尽管初始位置铲斗内的物料肯定是不满的，但处于称重状态时满斗物料重心位置相对于铲斗来说是不变的，因此还是可以确定初始位置满斗物料重心相对于力矩平衡位置的坐标），和其它外力在铲杆上作用点的坐标。

1）以铲杆处于水平位置时的鞍座中心为O点，垂直于大地方向为Y轴，平行于履带轮底座方向为X轴，建立直角坐标系，

确定铲杆处于水平位置、且天轮右侧提升钢丝绳垂直于铲杆时该坐标体系中，满斗物料重心坐标为（x₀，y₀）、铲杆及附着在铲杆上部件所构成的整体重心坐标为（x₁，y₁）、推压钢丝绳与推压滑轮连接点坐标为（x₂，y₂）、推压钢丝绳与推压缓冲器的连接点坐标为（x₃，y₃）、提升钢丝绳与铲斗连接点坐标为（x₄，y₄）、天轮的圆心坐标为（x₅，y₅）；

确定好铲杆及附着在铲杆上部件的初始重心位置后，由前面的分析可知下一步就是要知道铲杆从初始位置开始究竟水平伸入矿体多远的距离以及上下旋转了多少角度。如下面的步骤2所示，铲杆9水平伸入矿体的距离可以通过安装在推压卷筒处的编码器测得。铲杆的倾角，即铲杆与X轴的夹角，如步骤3所述计算得出，如图1所示，在称重时由动臂7、铲杆9和位于天轮右侧的提升钢丝绳6围成的三角形中，X轴以上动臂7的长度L₁及天轮8的半径r都是已知的；天轮8右侧提升钢丝绳6的长度L₂可以通过绝对值编码器测得；提升钢丝绳6与铲斗10连接点，至提升钢丝绳6延长线和与铲杆平行且过鞍座中心直线交点之间的距离，尽管会随着提升钢丝绳6与铲杆9的夹角的变动而变化，但与初始位置相比变化幅度很小，可以认为就等于提升钢丝绳6与铲斗10连接点初始位置的纵坐标。由铲杆9的运动轨迹可知，称重时与铲杆平行且过鞍座中心直线与提升钢丝绳的交点至鞍座中心的距离就是初始位置时与铲杆平行且过鞍座中心直线与提升钢丝绳的交点至鞍座中心间铲杆9的长度L₃加上铲杆9的整体水平位移量Δx。确定该三角形中三个边的长度之后，就能利用余弦定理就可以求出称重时动臂7与铲杆10间的夹角。由于动臂在电动挖掘机装配好后位置是不变的，相应的动臂7与X轴的夹角是一个固定值，一般都是45°，因此称重时铲杆7的倾角就可以用动臂7与X轴的夹角减去动臂7与铲杆9间的夹角求出来。

2）用安装在铲杆的尾部的位移传感器测得称重时铲杆及附着在铲杆上部件所构成的整体水平位移量Δx；

3）用下述公式计算称重时铲杆及附着在铲杆上部件所构成整体与X轴的夹角α；

$\mathrm{\α}=\mathrm{\θ}-{\cos }^{-1}\frac{{(L_1+r)}^2+{(L_3+\mathrm{\Δx})}^2-{(L_2+y_2)}^2}{2\×(L_1+r)\×(L_3+\mathrm{\Δx})}---\left(1\right)$

式（1）中，θ是动臂与X轴的夹角，L₁是X轴以上动臂的长度，L₃是铲杆处于水平位置时鞍座中心至X轴与提升钢丝绳延长线交点的水平距离，r是天轮的半径，L₂是用绝对值编码器测得的称重时天轮右侧提升钢丝绳的长度，用下列公式计算得到，

$L_2=\frac{C_i-C_0}{C_n-C_0}\×L---\left(2\right)$

式（2）中， C₀是提升钢丝绳拉至最短时编码器对应的数值，C_n是提升钢丝绳拉至最长时编码器对应的数值，C_i是称重时提升钢丝绳长度所对应的编码器数值，L是C₀到C_n所对应的提升钢丝绳长度；

在已知初始位置时铲杆及附着在铲杆上部件、满斗物料重心坐标，及由初始位置开始铲杆水平伸入或撤出矿体的距离和向上旋转的角度之后就可以如步骤4所述通过旋转坐标公式计算得到称重时铲杆及附着在铲杆上部件、满斗物料的重心，和其它外力的作用点的坐标。由于计算铲杆力矩平衡只需要用到铲杆及附着在铲杆上部件及满斗物料重心的横坐标，因此步骤4就不再计算铲杆及附着在铲杆上部件及满斗物料重心的纵坐标。

4）用下述坐标旋转公式计算称重时满斗物料的重心横坐标x＇₀、铲杆及附着在铲杆上部件所构成整体的重心横坐标x＇₁、提升钢丝绳与铲斗连接点的坐标(x＇₄,y＇₄)

$x_0^{\′}=(x_0+\mathrm{\Δx})\×\cos \mathrm{\α}-y_0\×\sin \mathrm{\α}---\left(3\right)$

$x_1^{\′}=(x_1+\mathrm{\Δx})\×\cos \mathrm{\α}-y_1\×\sin \mathrm{\α}---\left(4\right)$

$x_4^{\′}=(x_4+\mathrm{\Δx})\×\cos \mathrm{\α}-y_4\×\sin \mathrm{\α}---\left(5\right)$

$y_4^{\′}=(x_4+\mathrm{\Δx})\×\sin \mathrm{\α}+y_4\×\cos \mathrm{\α}---\left(6\right)$

由步骤4计算得到了称重状态时铲杆及附着在铲杆上的其它部件重心的坐标，重力力矩可以确定，下一步需要求得作用在铲杆上外力的力矩。

从提升钢丝绳的提升力矩开始，先求提升钢丝绳拉力F₁的力臂，要求得该力臂必须先求得天轮右侧提升钢丝绳所在的直线方程，然后由鞍座中心到该直线的距离公式求得。如图3、图4所示，天轮右侧提升钢丝绳有一个与铲斗挂锁的连接点（x＇₄,y＇₄）和一个与天轮的切点（x₆，y₆），由于铲斗挂锁的连接点（x＇₄,y＇₄）同时也在铲杆的附着部件上，因此可以通过步骤3计算出来。而提升钢丝绳与天轮的切点（x₆，y₆），不在铲杆及附着在铲杆的部件上，则通过它与称重时提升钢丝绳与铲斗连接点的位置关系计算出来，按照铲斗与天轮的位置关系，可以分为铲斗在天轮左侧和铲斗在天轮右侧两种情形。

当铲斗在天轮右侧时，如图3所示，在以天轮右侧的提升钢丝绳为斜边，以过提升钢丝绳与天轮右侧切点（x₆，y₆）且平行于Y轴的直线、过提升钢丝绳与铲斗挂锁的连接点（x＇₄,y＇₄）且平行于X轴的直线为直角边的直角三角形中，称重时天轮右侧的提升钢丝绳长度L₂已经由步骤（3）式（2）算得，提升钢丝绳与铲斗挂锁的连接点（x＇₄,y＇₄）是已知的，因此只要求得提升钢丝绳与X轴的夹角，就能顺利地求得提升钢丝绳与天轮的切点（x₆，y₆）。提升钢丝绳与X轴的夹角，可以分解为天轮右侧提升钢丝绳和天轮圆心至提升钢丝绳与挂锁连接点连线的夹角β₁，与天轮圆心至提升钢丝绳和挂锁连接点的连线与X轴的夹角β₂。

当铲斗在天轮左侧时，如图4所示，此时提升钢丝绳与X轴的夹角为天轮圆心至提升钢丝绳和挂锁连接点的连线与X轴的夹角β₂，与天轮右侧提升钢丝绳和天轮圆心至提升钢丝绳与挂锁连接点连线的夹角β₁之差。

由于天轮的半径r和天轮右侧的提升钢丝绳长度L₂已知，因此在由天轮右侧提升钢丝绳、天轮圆心至天轮右侧提升钢丝绳与天轮切点的连线、天轮圆心至提升钢丝绳与铲斗挂锁连接点的连线组成的直角三角形中，β₁可以用步骤5式（11）的反正弦函数求得。天轮圆心的坐标（x₅，y₅）和提升钢丝绳与铲斗挂锁连接点的坐标（x＇₄,y＇₄）在步骤5之前已经确定，因此β₂可以用反正切函数求得。但是考虑到称重时铲斗可能在天轮的左侧，也可能在天轮的右侧，需要分别用如下两个式子计算，

铲斗在天轮右侧，

${\mathrm{\β}}_2={\tan }^{-1}\frac{y_5-y_4^{\′}}{x_4^{\′}-x_5}$

铲斗在天轮左侧，

${\mathrm{\β}}_2={\tan }^{-1}\frac{y_5-y_4^{\′}}{x_4^{\′}-x_5}$

很显然可以将上述计算β₂这两个式子合并成步骤（5）的式（12），

5）由下列公式计算称重时天轮右侧提升钢丝绳与天轮切点的坐标（x₆，y₆），

铲斗在天轮左侧，

$x_6=x_4^{\′}+L_2\×\cos ({\mathrm{\β}}_2-{\mathrm{\β}}_1)---\left(7\right)$

$y_6=y_4^{\′}+L_2\×\sin ({\mathrm{\β}}_2-{\mathrm{\β}}_1)---\left(8\right)$

铲斗在天轮的右侧，

$x_6=x_4^{\′}-L_2\×\cos ({\mathrm{\β}}_1+{\mathrm{\β}}_2)---\left(9\right)$

$y_6=y_4^{\′}+L_2\×\sin ({\mathrm{\β}}_1+{\mathrm{\β}}_2)---\left(10\right)$

式（7）、（8）、（9）和（10）中，β₁是称重时天轮和铲斗间提升钢丝绳，与天轮圆心（x₅，y₅）至提升钢丝绳和铲斗挂锁连接点（x＇₄,y＇₄）的连线的夹角，可以用下列公式计算得到，

${\mathrm{\β}}_1={\sin }^{-1}\frac{r}{\sqrt{r^2+L_2^2}}---\left(11\right)$

式（7）、（8）、（9）和（10）中，β₂是称重时天轮圆心（x₅，y₅）至提升钢丝绳和铲斗挂锁连接点（x＇₄,y＇₄）的连线与X轴的夹角，可用下列公式计算得到，

${\mathrm{\β}}_2={\tan }^{-1}\left|\frac{y_5-y_4^{\′}}{x_4^{\′}-x_5}\right|---\left(12\right)$

求得天轮右侧提升钢丝绳与天轮的切点坐标（x₆，y₆）和提升钢丝绳与铲斗挂锁的连接点坐标（x＇₄,y＇₄）就可以如下式所示由两点决定一条直线定理列出天轮右侧提升钢丝绳所在直线的方程了，

$\frac{x-x_6}{x_6-x_4^{\′}}=\frac{y-y_4^{\′}}{y_6-y_4^{\′}}$

为了方便用点到直线的距离计算提升力力臂，将上面的天轮右侧提升钢丝绳所在直线的方程变化成如下的标准直线方程式，

$\frac{x_4^{\′}-y_6}{x_4^{\′}-x_6}\×x-y-\frac{y_4^{\′}-y_6}{x_4^{\′}-x_6}\×x_6+y_6=0$

列出天轮右侧提升钢丝绳所在直线的方程，就可以如下面的步骤6所述，求出称重时鞍座中心到天轮右侧提升钢丝绳的距离，即提升钢丝绳拉力F₁的力臂。

6）由下列公式计算提升钢丝绳拉力F₁的力臂D₁，

$D_1=\frac{|-\frac{y_4^{\′}-y_6}{x_4^{\′}-x_6}\×x_6+y_6|}{\sqrt{{\left(\frac{y_4^{\′}-y_6}{x_4^{\′}-x_6}\right)}^2+1}}---\left(13\right)$

作用在铲斗上的提升钢丝绳拉力是用安装在动臂支架与提升钢丝绳之间的张力传感器测得的，如图5所示，该张力传感器16有一个与提升钢丝绳接触的测力端，测力端会将提升钢丝绳顶起，此时张力传感器所测得的压力F＇₁相当于两段提升钢丝绳的拉力F₁沿张力传感器测力端轴向的合力，而在安装张力传感器时，这两段钢丝绳与张力传感器测力端的夹角γ₁₁和γ₁₂就可以确定，因此张力传感器测得的压力F＇₁与提升钢丝绳的拉力F₁满足下列关系式：

$F_1=\frac{F_1^{\′}}{(\cos {\mathrm{\γ}}_{11}+\cos {\mathrm{\γ}}_{12})}$

7)用安装在动臂支架与提升钢丝绳之间的张力传感器测得称重时提升钢丝绳的拉力F₁，

$F_1=\frac{F_1^{\′}}{(\cos {\mathrm{\γ}}_{11}+\cos {\mathrm{\γ}}_{12})}---\left(14\right)$

式（14）中，F＇₁是安装在动臂支架与提升钢丝绳之间的张力传感器测得的压力，γ₁₁和γ₁₂是提升钢丝绳与安装在动臂支架与提升钢丝绳之间的张力传感器中心轴的夹角，

当铲杆向矿体推进时，推压钢丝绳仅有作用在推压滑轮11上朝矿石侧的推力F₂，如图6所示，这个力相当于两段分别位于铲杆前后侧的（相当于所建立直角坐标系Z轴方向）推压钢丝绳5上的拉力F＇₂沿铲杆朝矿体方向的合力，这两段推压钢丝绳与铲杆的夹角分别为γ₂₁和γ₂₂，显然作用在推压滑轮11的推力F₂和推压钢丝绳5上的拉力F＇₂满足下列关系式：

$F_2=F_2^{\′}\×(\cos {\mathrm{\γ}}_{21}+\cos {\mathrm{\γ}}_{22})$

如图7所示，推压钢丝绳5的拉力F＇₂是用安装在动臂支架与推压钢丝绳之间的张力传感器18测得的，推压钢丝绳5与张力传感器18测力端中心轴的夹角分别为与γ₂₃和γ₂₄，与提升力的分析一样, 推压钢丝绳5的拉力F＇₂与安装在在动臂支架与推压钢丝绳之间的张力传感器测得的压力F＇＇₂的关系是：

$F_2=F_2^{\′\′}\×\frac{(\cos {\mathrm{\γ}}_{21}+\cos {\mathrm{\γ}}_{22})}{(\cos {\mathrm{\γ}}_{23}+\cos {\mathrm{\γ}}_{24})}$

合并上述两个式子即可得到步骤7的式（17）。

当铲杆从矿体撤出时，推压钢丝绳只有作用在推压缓冲器上的力F₃，如图8所示，推压钢丝绳在推压缓冲器处与铲杆的夹角分别为γ₃₁和γ₃₂，显然推压钢丝绳作用在推压缓冲器沿铲杆背矿体方向的推力F₃与推压钢丝绳的拉力F＇₃满足下列关系式：

$F_3=F_3^{\′}\×(\cos {\mathrm{\γ}}_{31}+\cos {\mathrm{\γ}}_{32})$

由于作用在推压滑轮的推力F₂和推压缓冲器上的推力F₃都是由同一根钢丝绳（推压钢丝绳）施加的，因此在安装在动臂支架与推压钢丝绳之间的张力传感器18既可以测量铲杆向矿体推进时推压钢丝绳上的拉力F＇₂又可以测量铲杆从矿体撤出时推压钢丝绳上的拉力F＇₃，如图7所示，铲杆从矿体撤出时推压钢丝绳与安装在在动臂支架与推压钢丝绳之间的张力传感器18测力端中心轴的夹角分别为γ₂₃和γ₂₄，张力传感器18测得的压力F＇＇₃与推压钢丝绳上的拉力F＇₃满足下列关系式：

$F_3^{\′}=\frac{F_3^{\′\′}}{\cos {\mathrm{\γ}}_{23}+\cos {\mathrm{\γ}}_{24}}$

8）用下列公式计算推压钢丝绳作用在推压滑轮上的推力F₂

$F_2=F_2^{\′\′}\×\frac{(\cos {\mathrm{\γ}}_{21}+\cos {\mathrm{\γ}}_{22})}{(\cos {\mathrm{\γ}}_{23}+\cos {\mathrm{\γ}}_{24})}---\left(15\right)$

式（15）中，γ₂₁和γ₂₂分别是推压滑轮处的推压钢丝绳与铲杆的夹角，γ₂₃和γ₂₄分别是推压钢丝绳与安装在动臂支架和推压钢丝绳之间张力传感器中心轴的夹角，F＇＇₂是铲杆向矿体推进时用安装在动臂支架和推压钢丝绳之间张力传感器所测得的压力；

9）用下述公式计算推压钢丝绳作用在推压缓冲器上的力F₃

$F_3=F_3^{\′\′}\×\frac{(\cos {\mathrm{\γ}}_{31}+\cos {\mathrm{\γ}}_{32})}{(\cos {\mathrm{\γ}}_{23}+\cos {\mathrm{\γ}}_{24})}---\left(16\right)$

式（16）中，γ₃₁和γ₃₂分别是推压缓冲器处的推压钢丝绳与铲杆的夹角，F＇＇₃是铲杆从矿体撤出时用安装在动臂支架和推压钢丝绳之间的张力传感器所测得压力；

作用在推压滑轮上的推力F₂和作用于推压缓冲器上的推力F₃始终沿着铲杆方向，而铲杆是绕鞍座中心旋转的，因此鞍座中心到铲杆的距离不会改变，如下面的步骤10所示，这两个力的力臂就等于这两个力在铲杆上初始位置作用点的纵坐标。

10）由下列公式计算推压钢丝绳作用在推压滑轮上推力F₂的力臂D₂和作用在推压缓冲器上推力F₃的力臂D₃，

$D_2=y_2---\left(17\right)$

$D_3=y_3---\left(18\right)$

由前面求得的铲杆及附着在铲杆上其它部件所构成整体的重力、作用在铲斗上的提升钢丝绳拉力，推压钢丝绳作用在推压滑轮上或者推压缓冲器上的推力，及这些力的力臂和满斗物料的重力力臂就可以列出如下的铲杆力矩平衡公式：

$F_3=F_3^{\′}\×(\cos {\mathrm{\γ}}_{31}+\cos {\mathrm{\γ}}_{32})$

由上述力矩平衡公式变化成步骤11所述求物料质量的公式

11）根据铲杆力矩平衡计算物料的质量，

$M=\frac{F_1\×D_1+(1-s)\×F_3\×D_3-s\×F_2\×D_2-G_1\×x_1^{\′}}{x_0^{\′}\×g}---\left(19\right)$

式（19）中，G₁是铲杆及附着在铲杆上部件所构成整体的重力，g是重力加速度取9.8N/m²，s是一个系数，当铲杆向矿体推进，s等于1，当铲杆从矿体撤出时，s等于0。

当铲杆处于称重状态时，铲斗可能处于深入挖掘矿体的状态，此时只有作用在推压滑轮朝矿体侧的推力，而没有作用在推压缓冲器上背矿体侧的推力；铲斗也可能处于撤出矿体的状态，此时只有作用在推压缓冲器背矿体侧的推力，没有作用在推压滑轮朝矿体侧的推力。

在回转开始后0.3至0.7秒后开始测重，可以防止回转开始时，铲斗仍然在工作面中，回转开始至开始测重之间的时间也不易太长，以给称重留足够多的时间。

当电铲在回转过程中时，虽然坐标系处于相对静止的状态，但是它在三维空间中确实运动的，运动中的电铲很可能会给本系统的信号采集带来干扰，另外电、磁、光等外界环境的变化也会给信号的采集带来一定的干扰，同时，由于操作手法的不同，有时候电铲还没有完全脱离工作地面传感器就开始传递信号，这也会造成误差。因此为了保证称重的准确性，我们对称重结果增加了一个筛选的步骤,设定电铲的满斗物料质量值Mn,当称重结果M小于Mn的5%或者大于Mn的120%，则本次称重的结果不在合理范围内，不予取值；当称重结果M大于Mn的5%且小于Mn的120%，则本次称重的结果在合理范围内，予以取值。

Claims (3)

1.一种电动挖掘机称重方法，其特征在于：

1）以铲杆处于水平位置时的鞍座中心为O点，垂直于大地方向为Y轴，平行于履带轮底座方向为X轴，建立直角坐标系，

确定铲杆处于水平位置、且天轮右侧提升钢丝绳垂直于铲杆时该坐标体系中，满斗物料重心坐标为（x₀，y₀）、铲杆及附着在铲杆上部件所构成的整体重心坐标为（x₁，y₁）、推压钢丝绳与推压滑轮连接点坐标为（x₂，y₂）、推压钢丝绳与推压缓冲器的连接点坐标为（x₃，y₃）、提升钢丝绳与铲斗连接点坐标为（x₄，y₄）、天轮的圆心坐标为（x₅，y₅）；

2）用安装在铲杆的尾部的位移传感器测得称重时铲杆及附着在铲杆上部件所构成的整体水平位移量Δx；

3）用下述公式计算称重时铲杆及附着在铲杆上部件所构成整体与X轴的夹角α；

$\mathrm{\α}=\mathrm{\θ}-{\cos }^{-1}\frac{{(L_1+r)}^2+{(L_3+\mathrm{\Δx})}^2-{(L_2+y_2)}^2}{2\×(L_1+r)\×(L_3+\mathrm{\Δx})}---\left(1\right)$

式（1）中，θ是动臂与X轴的夹角，L₁是X轴以上动臂的长度，L₃是铲杆处于水平位置时鞍座中心至X轴与提升钢丝绳延长线交点的水平距离，r是天轮的半径，L₂是用绝对值编码器测得的称重时天轮右侧提升钢丝绳的长度，用下列公式计算得到，

$L_2=\frac{C_i-C_0}{C_n-C_0}\×L---\left(2\right)$

式（2）中， C₀是提升钢丝绳拉至最短时编码器对应的数值，C_n是提升钢丝绳拉至最长时编码器对应的数值，C_i是称重时提升钢丝绳长度所对应的编码器数值，L是C₀到C_n所对应的提升钢丝绳长度；

4）用下述坐标旋转公式计算称重时满斗物料的重心横坐标x＇₀、铲杆及附着在铲杆上部件所构成整体的重心横坐标x＇₁、提升钢丝绳与铲斗连接点的坐标(x＇₄,y＇₄)

$x_0^{\′}=(x_0+\mathrm{\Δx})\×\cos \mathrm{\α}-y_0\×\sin \mathrm{\α}---\left(3\right)$

$x_1^{\′}=(x_1+\mathrm{\Δx})\×\cos \mathrm{\α}-y_1\×\sin \mathrm{\α}---\left(4\right)$

$x_4^{\′}=(x_4+\mathrm{\Δx})\×\cos \mathrm{\α}-y_4\×\sin \mathrm{\α}---\left(5\right)$

$y_4^{\′}=(x_4+\mathrm{\Δx})\×\sin \mathrm{\α}+y_4\×\cos \mathrm{\α}---\left(6\right)$

5）由下列公式计算称重时天轮右侧提升钢丝绳与天轮切点的坐标（x₆，y₆），

铲斗在天轮左侧，

$x_6=x_4^{\′}+L_2\×\cos ({\mathrm{\β}}_2-{\mathrm{\β}}_1)---\left(7\right)$

$y_6=y_4^{\′}+L_2\×\sin ({\mathrm{\β}}_2-{\mathrm{\β}}_1)---\left(8\right)$

铲斗在天轮的右侧，

$x_6=x_4^{\′}-L_2\×\cos ({\mathrm{\β}}_1+{\mathrm{\β}}_2)---\left(9\right)$

$y_6=y_4^{\′}+L_2\×\sin ({\mathrm{\β}}_1+{\mathrm{\β}}_2)---\left(10\right)$

式（7）、（8）、（9）和（10）中，β₁是称重时天轮和铲斗间提升钢丝绳，与天轮圆心（x₅，y₅）至提升钢丝绳和铲斗挂锁连接点（x＇₄，y＇₄）的连线的夹角，可以用下列公式计算得到，

${\mathrm{\β}}_1={\sin }^{-1}\frac{r}{\sqrt{r^2+L_2^2}}---\left(11\right)$

式（7）、（8）、（9）和（10）中，β₂是称重时天轮圆心（x₅，y₅）至提升钢丝绳和铲斗挂锁连接点（x＇₄，y＇₄）的连线与X轴的夹角，可用下列公式计算得到，

${\mathrm{\β}}_2={\tan }^{-1}\left|\frac{y_5-y_4^{\′}}{x_4^{\′}-x_5}\right|---\left(12\right)$

6）由下列公式计算提升钢丝绳拉力F₁的力臂D₁，

$D_1=\frac{|-\frac{y_4^{\′}-y_6}{x_4^{\′}-x_6}\×x_6+y_6|}{\sqrt{{\left(\frac{y_4^{\′}-y_6}{x_4^{\′}-x_6}\right)}^2+1}}---\left(13\right)$

7)用安装在动臂支架与提升钢丝绳之间的张力传感器测得称重时提升钢丝绳的拉力F₁，

$F_1=\frac{F_1^{\′}}{(\cos {\mathrm{\γ}}_{11}+\cos {\mathrm{\γ}}_{12})}---\left(14\right)$

式（14）中，F＇₁是安装在动臂支架与提升钢丝绳之间的张力传感器测得的压力，γ₁₁和γ₁₂是提升钢丝绳与安装在动臂支架与提升钢丝绳之间的张力传感器中心轴的夹角，

8）用下列公式计算推压钢丝绳作用在推压滑轮上的推力F₂

$F_2=F_2^{\′\′}\×\frac{(\cos {\mathrm{\γ}}_{21}+\cos {\mathrm{\γ}}_{22})}{(\cos {\mathrm{\γ}}_{23}+\cos {\mathrm{\γ}}_{24})}---\left(15\right)$

式（15）中，γ₂₁和γ₂₂分别是推压滑轮处的推压钢丝绳与铲杆的夹角，γ₂₃和γ₂₄分别是推压钢丝绳与安装在动臂支架和推压钢丝绳之间张力传感器中心轴的夹角，F＇＇₂是铲杆向矿体推进时用安装在动臂支架和推压钢丝绳之间张力传感器所测得的压力；

9）用下述公式计算推压钢丝绳作用在推压缓冲器上的力F₃

$F_3=F_3^{\′\′}\×\frac{(\cos {\mathrm{\γ}}_{31}+\cos {\mathrm{\γ}}_{32})}{(\cos {\mathrm{\γ}}_{23}+\cos {\mathrm{\γ}}_{24})}---\left(16\right)$

式（16）中，γ₃₁和γ₃₂分别是推压缓冲器处的推压钢丝绳与铲杆的夹角， F＇＇₃是铲杆从矿体撤出时用安装在动臂支架和推压钢丝绳之间的张力传感器所测得压力；

10）由下列公式计算推压钢丝绳作用在推压滑轮上推力F₂的力臂D₂和作用在推压缓冲器上推力F₃的力臂D₃，

$D_2=y_2---\left(17\right)$

$D_3=y_3---\left(18\right)$

11）根据铲杆力矩平衡计算物料的质量，

$M=\frac{F_1\×D_1+(1-s)\×F_3\×D_3-s\×F_2\×D_2-G_1\×x_1^{\′}}{x_0^{\′}\×g}---\left(19\right)$

式（19）中，G₁是铲杆及附着在铲杆上部件所构成整体的重力，g是重力加速度取9.8N/m²，s是一个系数，当铲杆向矿体推进，s等于1，当铲杆从矿体撤出时，s等于0。

2.根据权利要求1所述的电动挖掘机称重方法，其特征在于：所述电动挖掘机的称重在回转过程开始后0.3至0.7秒内开始。

3.根据权利要求1或2所述的电动挖掘机称重方法，其特征在于还包括对称重结果筛选的步骤,设定电铲的满斗物料质量值Mn,当称重结果M小于Mn的5%或者大于Mn的120%，则本次称重的结果不在合理范围内，不予取值；当称重结果M大于Mn的5%且小于Mn的120%，则本次称重的结果在合理范围内，予以取值。

Images