CN103196531A - 地下铲运机的自动称重装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地下铲运机的自动称重装置和方法，通过公式

及修正式

计算每斗的重量值，还可以通过实验对式中的系数k1、k2值进行修正。考虑了纵向、横向两个维度的倾角对测量精度的影响，针对地下铲运机这种地下矿山使用特殊环境，进行了误差补偿，测量精度高。

Description

地下铲运机的自动称重装置和方法

技术领域

本发明涉及一种工程车辆称重技术，尤其涉及一种地下铲运机的自动称重装置和方法。

背景技术

地下铲运机与地面装载机的工作原理和结构形式比较类似，但地下铲运机的车体更加矮小，以及使用环境不同，地下铲运机主要在地下矿山的巷道里运行，地面全是岩石，布满水坑，这与装载机的工作环境的平整地面完全不同，这对测量精度的影响是极其严重的。

针对本发明所涉及到的自动称重的原理、方法，现有技术中主要在地面装载机上有相关的两种测量原理：一种是通过在铲斗和大臂上安装压力传感器，根据传感器测得的数据，计算出铲斗中物料的重量，如专利CN200410079234.6“装载机电子称重系统及用其对装载量进行计量的方法”，利用安装在铲斗和大臂的压力传感器；另一种是通过举升大臂的油缸上加装液压压力传感器，由举升油缸的力，与举升大臂的角度来计算铲斗中物料的重量。如专利CN101832810A”高精度计量装载机”。

上述现有技术很难直接应用于地下铲运机。

发明内容

本发明的目的是提供一种测量精度高的地下铲运机的自动称重装置和方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的地下铲运机的自动称重装置，包括转斗油缸、举升大臂、举升油缸，所述举升油缸的进油、出油口分别装有油压传感器，所述举升大臂的位置安装两维倾角传感器；

所述油压传感器、两维倾角传感器将测量信号传给嵌入式处理器，所述嵌入式处理器设有称重处理单元。

本发明的上述的地下铲运机的自动称重装置进行称重的方法，通过以下公式计算每斗的重量值：

$\frac{F\·L_3\·\frac{O_1{O}_3}{O_2{O}_3}\sin (\mathrm{\θ}+{\mathrm{\θ}}_0)-J\frac{d^2\mathrm{\θ}}{{\mathrm{dt}}^2}}{L_1\·\sin \mathrm{\θ}}$ 该式简化表达式为：

$G=F\·k_1{f}_1\left(\mathrm{\θ}\right)+k_2{f}_2\left(\frac{d^2\mathrm{\θ}}{{\mathrm{dt}}^2}\right);$

上式中：

O₁—举升大臂在机架上的铰接点；

O₂—举升油缸在机架上的铰接点；

O₃—举升油缸在举升大臂上的铰接点；

L₁—举升的矿石的重心与O_1之间的距离；

L₃—O₂与O_1之间的距离；

F—举升油缸的举升力；

J—举升大臂绕O₁的转动惯量；

G—举升的矿石的重力；

θ—t时刻举升大臂上O₁O₃线相对垂直面的举升角度；

α＝θ+θ₀—O₁O₂与O₁O₃之间的夹角；

θ₀—α与θ之间的常量差值。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的地下铲运机的自动称重装置和方法，由于通过以下公式

计算每斗的重量值，考虑了纵向、横向两个维度的倾角对测量精度的影响，针对地下铲运机这种地下矿山使用特殊环境，进行了误差补偿，测量精度高。

附图说明

图1为本发明实施例中地下铲运机的结构示意图；

图2a为本发明实施例中工作机构的简化示意图；

图2b为本发明实施例中地下铲运机工作机构力学模型示意图。

具体实施方式

下面将对本发明实施例作进一步地详细描述。

本发明的地下铲运机的自动称重装置，其较佳的具体实施方式是：

包括转斗油缸、举升大臂、举升油缸，所述举升油缸的进油、出油口分别装有油压传感器，所述举升大臂的位置安装两维倾角传感器；

所述油压传感器、两维倾角传感器将测量信号传给嵌入式处理器，所述嵌入式处理器设有称重处理单元。

本发明的上述的地下铲运机的自动称重装置进行称重的方法，其较佳的具体实施方式是：

通过以下公式计算每斗的重量值：

$\frac{F\·L_3\·\frac{O_1{O}_3}{O_2{O}_3}\sin (\mathrm{\θ}+{\mathrm{\θ}}_0)-J\frac{d^2\mathrm{\θ}}{{\mathrm{dt}}^2}}{L_1\·\sin \mathrm{\θ}}$ 该式简化表达式为：

$G=F\·k_1{f}_1\left(\mathrm{\θ}\right)+k_2{f}_2\left(\frac{d^2\mathrm{\θ}}{{\mathrm{dt}}^2}\right);$

上式中：

O₁—举升大臂在机架上的铰接点；

O₂—举升油缸在机架上的铰接点；

O₃—举升油缸在举升大臂上的铰接点；

L₁—举升的矿石的重心与O_1之间的距离；

L₃—O₂与O_1之间的距离；

F—举升油缸的举升力；

J—举升大臂绕O₁的转动惯量；

G—举升的矿石的重力；

θ—t时刻举升大臂上O₁O₃线相对垂直面的举升角度；

α＝θ+θ₀—O₁O₂与O₁O₃之间的夹角；

θ₀—α与θ之间的常量差值。

上述简化表达式修正为：

$G_n=G\·\cot \mathrm{\γ}=\cot \mathrm{\γ}[F\·k_1{f}_1\left(\mathrm{\θ}\right)+k_2{f}_2\left(\frac{d^2\mathrm{\θ}}{{\mathrm{dt}}^2}\right)],$

式中：

γ—车体的纵向、横向与水平地面的夹角值；

G_n—修正后的举升的矿石的重力。

还可以通过实验对所述简化表达式中的系数k1、k2值进行修正。修正过程中，选出计算精度高稳定性好的某一θ区间，在此区间内选取多个点，再取平均值，进一步优化称重的精度。

本发明的技术原理是：

采用测量工作机构举升大臂的油缸的油压、举升大臂的两维倾角值，再通过嵌入式处理器接收信号，结合地下铲运机自身的数学模型，计算出铲斗中物料的重量。测量称重工作，是在地下铲运机铲斗举升卸料的过程中实现，在举升整个过程中取几个角度点进行取值加权平均，得出每斗的重量值。整个称重过程自动化，对生产工作的过程无任何影响，自动将每次称重值存储或上传。

如图1所示，为地下铲运机工作机构简图，包括转斗油缸1、举升大臂2、举升油缸3等，在举升油缸3的进油、出油口分别装有油压传感器，两个油压传感器的压差可计算出油缸的瞬时压力F；在举升大臂2的位置安装两维倾角传感器，可实时得出大臂的举升角度θ，以及车体的纵向、横向与水平地面的夹角值γ。测量信号传给嵌入式处理器，进行称重处理。

以下将推导数学模型，并根据数学模型将称重的公式推导出来：

如图1所示地下铲运机料斗的举升由举升油缸3完成。

如图2a所示，对工作机构进行简化，得出地下铲运机工作机构力学模型示意图，如图2b所示，图中：θ₁为起始位置举升大臂相对垂直面的举升角度，θ为t时刻举升大臂相对垂直面的举升角度。

由刚体绕定轴的转动微分方程：

Jε＝ΣM    式1

J—举升大臂绕其在机架上的铰接点O₁的转动惯量；

ε—举升大臂绕铰接点O₁的角加速度；

ΣM—举升大臂绕铰接点O₁的力矩代数和。

当采样时间足够小时，即Δt→dt时，油缸伸出速度就是油缸在大臂上的铰接点O₃的运动速度，那么O₃点的加速度可得出：

$a=\frac{{\mathrm{\ν}}_2-{\mathrm{\ν}}_1}{\mathrm{\Δt}}$

其中，

a—O₃在Δt内的线加速度

v₁—O₃在大臂初始时刻的线速度

v₂—O₃在大臂举升角度为θ时刻的线速度

又由于：

$\mathrm{\ω}=\frac{a}{L_2}$

其中，

ω—大臂绕O₁的角速度

L₂—O₁到O₂O₃的距离，其中O₂为油缸在机架上的铰接点

且，

$\mathrm{\ϵ}=\frac{\mathrm{d\ω}}{\mathrm{dt}}$

所以，

$\mathrm{\ϵ}=\frac{{\mathrm{\ν}}_2-{\mathrm{\ν}}_1}{{\mathrm{\ΔtL}}_2}$

将以上数据代入公式中，得

$J\frac{{\mathrm{\ν}}_2-{\mathrm{\ν}}_1}{\mathrm{\Δt}\·L_2}=F\·L_2-G\·L_1\sin \mathrm{\θ}$     式2

且

L₂＝L₃·sinβ

根据余弦定理

|O₁O₃|²＝L₃ ²+|O₂O₃|²-2L₃·|O₂O₃|·cosβ    式3

其中

|O₂O₃|＝L₄+ΔL

式中

L₄—举升油缸初始长度；

L₁—举升的矿石的重心到大臂与机架铰接中心O₁的距离；

L₃—举升油缸与机架的支点到大臂与机架铰接中心O₁的距离；

F—举升油缸的举升力；

G—举升的矿石的重力。

所以，得出G的代表式为

$G=\frac{F\·L_3\·\sin \mathrm{\β}-J\frac{{\mathrm{\ν}}_2-{\mathrm{\ν}}_1}{\mathrm{\Δt}\·L_2}}{L_1\·\sin \mathrm{\θ}}=\frac{F\·L_3\·\sin \mathrm{\β}-J\frac{d^2\mathrm{\θ}}{{\mathrm{dt}}^2}}{L_1\·\sin \mathrm{\θ}}$     式4

三角形ΔO₁O₂O₃中，根据正弦定理

$\frac{O_2{O}_3}{\sin \mathrm{\α}}=\frac{O_1{O}_3}{\sin \mathrm{\β}}$

且α＝θ+θ₀其中

θ₀—角度α与θ一个常量差值。

得 $\sin \mathrm{\β}=\frac{O_1{O}_3}{O_2{O}_3}\sin (\mathrm{\θ}+{\mathrm{\θ}}_0)$

$G=\frac{F\·L_3\·\frac{O_1{O}_3}{O_2{O}_3}\sin (\mathrm{\θ}+{\mathrm{\θ}}_0)-J\frac{d^2\mathrm{\θ}}{{\mathrm{dt}}^2}}{L_1\·\sin \mathrm{\θ}}$

用两个函数表达式进行简化，得

$G=F\·k_1{f}_1\left(\mathrm{\θ}\right)+k_2{f}_2\left(\frac{d^2\mathrm{\θ}}{{\mathrm{dt}}^2}\right)$     式5

铲运机工作时还有两个维度——纵向和横向的角度需要考虑，即可能纵向上有坡度的影响，还有横向上有地面不平度的影响，应该对结果进行cotγ的系数修正。经计算可知cot10°=0.985，即在横向水平方向有10°的不平度，即可带来2%以上的误差，而地下铲运机本身横向摆动即为10°，再加上工作环境为井下非公路地面，不平度经常会超过15°，理论上误差精度就达5.4%以上。

实际工作中，我们规定铲运机的测量是在举升和卸料的过程中完成的。我们测量纵向和横向角度的装置，两维倾角传感器，测量的是倾角的绝对值，故地面坡度引起的纵向角度修正值已经在计算公式中所考虑到，只需将横向水平倾角值作为修改系数，代入公式中。故将计算结果修正为

$G_n=G\·\cot \mathrm{\γ}=\cot \mathrm{\γ}[F\·k_1{f}_1\left(\mathrm{\θ}\right)+k_2{f}_2\left(\frac{d^2\mathrm{\θ}}{{\mathrm{dt}}^2}\right)]$     式6

计算方法简述：将各个传感器测量的值代入式6中，即可得出理论上的料斗内物料的重量。为了使计算结果更加精确，通过实验对数学模型所计算出来的k1、k2值进行修正；并选出计算精度高稳定性好的某一θ区间，在此区间内选取n个点，再取平均值，进一步优化称重的精度。

本发明的有益效果和优点：

本发明与以往的技术相比，特别之处，在于工作装置的工作环境是在井下，地面不平度是很大的特点，针对这个特点，本发明的自动称重装置对地面不平度有针对性地处理方法。现有技术中相关称重方法，部分没有考虑地面不平的因素，部分只考虑了纵向的坡度影响，都没有考虑到横向的不平所带来的误差。本发明是唯一考虑了纵向、横向两个维度的倾角对测量精度的影响，针对地下铲运机这种地下矿山使用特殊环境，进行了误差补偿。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种地下铲运机的自动称重装置，包括转斗油缸、举升大臂、举升油缸，其特征在于，所述举升油缸的进油、出油口分别装有油压传感器，所述举升大臂的位置安装两维倾角传感器；

所述油压传感器、两维倾角传感器将测量信号传给嵌入式处理器，所述嵌入式处理器设有称重处理单元。

2.一种权利要求1所述的地下铲运机的自动称重装置进行称重的方法，其特征在于，通过以下公式计算每斗的重量值：

$G=\frac{F\·L_3\·\frac{O_1{O}_3}{O_2{O}_3}\sin (\mathrm{\θ}+{\mathrm{\θ}}_0)-J\frac{d^2\mathrm{\θ}}{{\mathrm{dt}}^2}}{L_1\·\sin \mathrm{\θ}},$ 该式简化表达式为：

$G=F\·k_1{f}_1\left(\mathrm{\θ}\right)+k_2{f}_2\left(\frac{d^2\mathrm{\θ}}{{\mathrm{dt}}^2}\right);$

上式中：

O₁—举升大臂在机架上的铰接点；

O₂—举升油缸在机架上的铰接点；

O₃—举升油缸在举升大臂上的铰接点；

L₁—举升的矿石的重心与O_1之间的距离；

L₃—O₂与O_1之间的距离；

F—举升油缸的举升力；

J—举升大臂绕O₁的转动惯量；

G—举升的矿石的重力；

θ—t时刻举升大臂上O₁O₃线相对垂直面的举升角度；

α＝θ+θ₀—O₁O₂与O₁O₃之间的夹角；

θ₀—α与θ之间的常量差值。

3.根据权利要求2所述的地下铲运机的自动称重装置进行称重的方法，其特征在于，所述简化表达式修正为：

$G_n=G\·\cot \mathrm{\γ}=\cot \mathrm{\γ}[F\·k_1{f}_1\left(\mathrm{\θ}\right)+k_2{f}_2\left(\frac{d^2\mathrm{\θ}}{{\mathrm{dt}}^2}\right)],$

式中：

γ—车体的纵向、横向与水平地面的夹角值；

G_n—修正后的举升的矿石的重力。

4.根据权利要求2或3所述的地下铲运机的自动称重装置进行称重的方法，其特征在于，通过实验对所述简化表达式中的系数k1、k2值进行修正。

5.根据权利要求4所述的地下铲运机的自动称重装置进行称重的方法，其特征在于，修正过程中，选出计算精度高稳定性好的某一θ区间，在此区间内选取多个点，再取平均值，进一步优化称重的精度。

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