CN103233493A - 矿用挖掘机挖掘力监测及自动称量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种矿用挖掘机挖掘力监测及自动称量系统及方法，该系统主要由提升行程检测模块、推压行程检测模块、提升机构负载检测模块、推压机构负载检测模块和数据处理模块组成；所述的方法利用已知参数和测量数据，通过计算机编程确定工作装置的姿态，在挖掘作业过程中进行挖掘力监测，挖掘完成后进行自动称量。本发明实现了在挖掘作业过程中进行挖掘力监测，挖掘完成后进行自动称量这一技术，对结构的受力分析更准确，整个系统初始值设置好后无需人为操作，节省成本投入，通用性强，具有很好的应用前景。

Description

矿用挖掘机挖掘力监测及自动称量系统及方法

技术领域

本发明属于测试技术领域，具体涉及一种在挖掘作业过程中进行挖掘力监测、挖掘完成后进行自动称量的矿用挖掘机挖掘力监测及自动称量系统及其方法。

背景技术

矿用挖掘机适于高强度作业，广泛用于金属矿、非金属矿及煤炭露天矿的各种土质和软硬矿岩的铲装作业，尤其在大型采矿挖掘中，更是起到举足轻重的作用。因此，监测矿用挖掘机在挖掘作业时的挖掘阻力以及对挖掘物料进行自动称量具有十分重要的意义。

现有技术中对矿用挖掘机铲斗内物料进行称量的方法是通过检测提升行程、推压行程、提升力以及推压力，通过简化工作机构，对铲斗进行受力分析得到平衡方程，进而得到物料重力。这种测试方法对机构及机构受力分析过于简化，致使测量误差较大。此外，在现有技术中，还没有能够较好地对挖掘阻力进行监测的方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种解决现有矿用挖掘机无法对挖掘力进行监测这一技术难点的方法及装置，并同时具备较准确的对铲斗内物料进行自动称量的功能，在挖掘作业过程中进行挖掘力监测，挖掘完成后进行自动称量。

本发明为解决上述技术问题，通过以下技术方案实现：

一种矿用挖掘机挖掘力监测及自动称量系统，主要由提升行程检测模块1、推压行程检测模块2、提升机构负载检测模块3、推压机构负载检测模块4和数据处理模块5组成，所述的提升行程检测模块1、推压行程检测模块2、提升机构负载检测模块3和推压机构负载检测模块4通过电缆与数据处理模块5相连，数据处理模块5放置在便于专业人员进行操作的位置。

所述的提升行程检测模块1由提升机构增量式光电编码器1-1和A/D转换器甲1-2组成。所述的提升机构增量式光电编码器1-1可以获取提升行程经历的脉冲数，通过A/D转换器甲1-2后可通过计算得到提升行程。

所述的推压行程检测模块2由推压机构增量式光电编码器2-1和A/D转换器乙2-2组成。所述的推压机构增量式光电编码器2-1可以获取推压行程经历的脉冲数，通过A/D转换器乙2-2后可通过计算得到推压行程。

所述的提升机构负载检测模块3由电流传感器甲3-1和A/D转换器丙3-2组成。所述的电流传感器甲3-1可以获取提升电机的电流，通过A/D转换器丙3-2后可通过计算得到提升载荷。

所述的推压机构负载检测模块4由电流传感器乙4-1和A/D转换器丁4-2组成。所述的电流传感器乙4-1可以获取推压电机的电流，通过A/D转换器丁4-2后可通过计算得到推压载荷。

所述的数据处理模块5由数据存储器5-1、显示屏5-2和计算机5-3组成。所述的数据存储器5-1用以存储由前述四个模块输入的数据并将其值传给计算机5-3，计算机5-3通过编程计算等方式计算出监测或测试结果，保存并将最终结果传给显示屏5-2，显示屏5-2用以接收计算机5-3传入的结果并将其显示出来，以供专业人员进行观察和记录。

一种矿用挖掘机挖掘力监测及自动称量方法，包括以下步骤：

步骤一、在计算机中输入各已知参数，分别读取提升行程检测模块1、推压行程检测模块2、提升机构负载检测模块3和推压机构负载检测模块4中的测量数据，并存入数据存储器5-1中；

步骤二、利用已知参数和测量数据通过计算机编程确定工作装置的姿态；

步骤三、根据工作装置的姿态判断挖掘是否完成；

步骤四、如判断挖掘已完成则进行自动称量并记录相关数据，如判断挖掘未完成则进行挖掘阻力的计算并进行相关数据记录；

步骤五、将结果显示在显示屏上。

具体地，上述步骤二中确定工作装置姿态由以下方法实现：

（一）建立工作装置机构简化模型，如图2所示，其中：

l₁为斗杆伸出量，长度为AB，其值与时间有关，取决于推压机构的推压进程；

l₂为E点到B点的钢绳长度，其值与时间有关，取决于提升机构的提升进程；

l₃为推压轴到动臂顶部滑轮中心的距离，长度为AO₃；

l₄为提升卷筒到滑轮的钢绳长度，其值为HE；

l_b为动臂长度，其值为O₁O₃；

l_d为铲斗长度，其值为BC；

θ为斗杆与动臂夹角，其值可用包角x表示；

θ₁为动臂对停机面的倾角，其值已知；

θ₂为提升钢绳与停机平面的夹角，其值已知；

θ₃为动臂与钢绳EO₃所夹的圆心角，其值已知；

θ₄为滑轮中心与斗杆端点连线BO₃与DO₃所夹的圆心角，其值可用包角x表示；

θ₅为动臂与BO₃所夹的圆心角，其值可用包角x表示；

θ₆为斗杆与钢绳夹角，其值可用包角x表示；

r为动臂顶部滑轮半径，其值已知。

（二）推导出包角x，以确定工作装置的姿态。

1、由图2所示的几何关系，有如下等式：

x+θ₃+θ₄+θ₅＝2π        （1）

其中θ₃为已知， ${\mathrm{\θ}}_4=\arctan \frac{l_2-\mathrm{xr}}{r},$ 根据余弦定理有 ${\mathrm{\θ}}_5=\arccos \frac{l_3^2+{(l_2-\mathrm{xr})}^2+r^2-l_1^2}{{2l}_3\sqrt{{(l_2-\mathrm{xr})}^2+r^2}}.$

2、得到关于x的超越方程：

$x+{\mathrm{\θ}}_3+\arctan \frac{l_2-\mathrm{xr}}{r}+\arccos \frac{l_3^2+{(l_2-\mathrm{xr})}^2+r^2-l_1^2}{{2l}_3\sqrt{{(l_2-\mathrm{xr})}^2+r^2}}---\left(2\right)$

3、利用数值方法中Newton迭代法得到x的数值解，即：

$x_{k+1}=x_k-\frac{f\left(x_k\right)}{f^{\′}\left(x_k\right)}---\left(3\right)$

$x_{k+1}=x_k-\frac{x+{\mathrm{\θ}}_3+\arctan \frac{l_2-\mathrm{xr}}{r}+\arccos \frac{l_3^2+{(l_2-\mathrm{xr})}^2+r^2-l_1^2}{{2l}_3\sqrt{{(l_2-\mathrm{xr})}^2+r^2}}-2\mathrm{\π}}{1-\frac{1}{r+{(l_2-\mathrm{xr})}^2}-\frac{1}{\sqrt{{\left({2l}_3\sqrt{{(l_2-\mathrm{xr})}^2+r^2}\right)}^2-{(l_3^2+{(l_2-\mathrm{xr})}^2+r^2-l_1^2)}^2}}\×\frac{l_3({2\mathrm{xr}}^2-{2\mathrm{rl}}_2)({-l}_3^2+{(l_2-\mathrm{xr})}^2+r^2+l_1^2)}{{2l}_3\×({(l_2-\mathrm{xr})}^2+r^2)}}---\left(4\right)$

其中：r，θ₃，l₃为已知，l₁，l₂分别可以通过提取推压机构和提升机构增量式光电编码器的脉冲数并计算得到。将以上过程编辑到计算机中运行后即可得到包角x，从而实现工作装置姿态的确定。

上述步骤三中判断挖掘是否完成由以下方法实现：

根据包角x可确定某一时刻挖掘机的姿态，即可得到θ：

$\mathrm{\θ}=\arccos \frac{l_3^2+l_1^2-{(l_2-\mathrm{xr})}^2-r^2}{2\×l_3\×l_1}---\left(5\right)$

若θ＞θ₁，进入挖掘力监测系统；

若θ＜θ₁，进入自动称量系统。

如此，即可实现在挖掘作业过程中进行挖掘力监测，挖掘完成后进行自动称量。

上述步骤四中挖掘阻力的监测和自动称量由以下方法实现：

（一）若通过步骤三确定挖掘已完成，系统进入自动称量，此时斗杆承受的力包括自身重力、铲斗重力、物料重力、提升钢绳的提升力和推压机构的推压力，动臂受到自身重力，具体受力情况见图3。

1、根据力矩平衡，使所有力均对A点取矩可得到平衡方程即：

F_s×r_s-G_d×r_d-G_b×r_b-G_g×r_g-G_w×r_w＝0      （6）

其中：F_s为钢绳提升力，G_b为动臂重力，G_d为铲斗重力，G_g为斗杆重力，G_w为物料重力，相应的脚注分别表示对应的力对推压轴的力臂。

2、根据从提升机构负载检测模块3测得的电流I_S可得到提升电机的功率：

$P_s=\sqrt{3}\×I_s\×U\×\cos \mathrm{\φ}---\left(7\right)$

其中，cosφ为功率因数，可取0.85，U为输入电压，取380V。

又根据 $T_s=9550\×\frac{P_s}{n_s}$ 和 $F_s=\frac{T_s}{r_s}$ 即可得到F_s：

$F_s=9550\frac{\sqrt{3}\×I_s\×U\×\cos \mathrm{\φ}}{n_s\×r_s}---\left(8\right)$

其中n_s为提升电机转速，r_s为提升机构的卷筒半径。

3、上述式（6）中的各力臂为：

$r_s=l_1\×\cos \mathrm{\θ}=\frac{l_3^2+l_1^2-{(l_2-x\×r)}^2-r^2}{2\×l_3}---\left(9\right)$

$r_d=r_w=(l_1+\frac{l_d}{2})\×\cos ({\mathrm{\θ}}_1-\mathrm{\θ})---\left(10\right)$

$r_b=\frac{l_b}{2}\×\cos {\mathrm{\θ}}_1---\left(11\right)$

$r_g=\frac{l_1}{2}\×\cos ({\mathrm{\θ}}_1-\mathrm{\θ})---\left(12\right)$

4、由此可以导出物料重力G_w：

$G_w=\frac{F_s\×r_s-G_d\×r_d-G_b\×r_b-G_g\×r_g}{r_w}---\left(13\right)$

将以上已知参数和算式编入计算机中运行，得到G_w值，将其存储并显示在显示屏上。

（二）若通过步骤三确定挖掘未完成，系统进入挖掘阻力的监测。斗杆承受的力包括自身重力、铲斗重力、提升钢绳的提升力、推压机构的推压力和来自铲斗的挖掘阻力，挖掘阻力分解为铅垂方向阻力F₁（其中包含铲斗内物料的重力）和水平方向阻力F₂，动臂受到自身重力，具体受力情况见图4。

1、为求铅垂方向挖掘阻力F₁，根据力矩的平衡，对A点取矩得到平衡方程：

F_s×r_s-G_d×r_d-G_b×r_b-G_g×r_g-F₁×r₁＝0     (14)

其中r₁＝(l₁+l_d)×cos(θ-θ₁)，即得：

$F_1=\frac{F_s\×r_s-G_d\×r_d-G_b\×r_b-G_g\×r_g}{r_1}---\left(15\right)$

2、为求水平方向挖掘阻力F₂，令斗杆和铲斗上的力沿斗杆方向投影得到平衡方程：

F_t+(G_g+G_d)×sin(θ-θ₁)-F_s×cosθ₆-F₂×cos(θ-θ₁)＝0    （16）

其中 ${\mathrm{\θ}}_6=\frac{3}{2}\mathrm{\π}-{\mathrm{\θ}}_4-{\mathrm{\θ}}_5-\mathrm{\θ}.$

3、与求F_s的方法相同，可以通过推压机构负载检测模块4测得的电流I_t得到推压力F_t：

$F_t=9550\frac{\sqrt{3}\×I_t\×U\×\cos \mathrm{\φ}}{n_t\×r_t}---\left(17\right)$

其中：其中n_t为推压电机转速，r_t为推压齿轮半径，即得：

$F_2=\frac{F_t+(G_g+G_d)\×\sin (\mathrm{\θ}-{\mathrm{\θ}}_1)-F_s\×{\cos \mathrm{\θ}}_6}{\cos (\mathrm{\θ}-{\mathrm{\θ}}_1)}---\left(18\right)$

分别将以上已知参数和算式编入计算机中运行，分别得到F₁，F₂值，将其存储并显示在显示屏上。

本发明的工作过程是：

（一）在计算机中输入各已知参数，并将各计算式编入计算机中；

（二）挖掘机工作过程中，通过各模块得到的数据，运行计算机程序以确定工作装置的姿态；

（三）根据工作装置的姿态判断挖掘是否完成；

（四）如判断挖掘已完成则进行自动称量并记录相关数据，如判断挖掘未完成则进行挖掘阻力的计算并进行相关数据记录；

（五）将结果显示在显示屏上。如此便可实现在挖掘作业过程中进行挖掘力监测，挖掘完成后进行自动称量这一目的。

本发明的优点和有益效果是：实现了在挖掘作业过程中进行挖掘力监测，挖掘完成后进行自动称量这一技术，对结构的受力分析更准确，整个系统初始值设置好后无需人为操作，节省成本投入，通用性强，具有很好的应用前景。

附图说明

图1为本发明的矿用挖掘机挖掘力监测及自动称量系统示意图

图2为矿用挖掘机工作装置机构简图

图3为进行自动称量时机构受力图

图4为挖掘过程中机构受力图

图中：

1、提升行程检测模块；2、推压行程检测模块；3、提升机构负载检测模块；

4、推压机构负载检测模块；5、数据处理模块；

1-1、提升机构增量式光电编码器；1-2、A/D转换器甲；

2-1、推压机构增量式光电编码器；2-2、A/D转换器乙；

3-1、电流传感器甲；3-2、A/D转换器丙；

4-1、电流传感器乙；4-2、A/D转换器丁；

5-1、数据存储器；5-2、显示屏；5-3、计算机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细介绍。

图1为本发明的矿用挖掘机挖掘力监测及自动称量系统示意图，由提升行程检测模块1、推压行程检测模块2、提升机构负载检测模块3、推压机构负载检测模块4和数据处理模块5组成，所述的提升行程检测模块1、推压行程检测模块2、提升机构负载检测模块3和推压机构负载检测模块4通过电缆与数据处理模块5相连，数据处理模块5放置在便于专业人员进行操作的位置；

所述的提升行程检测模块1由提升机构增量式光电编码器1-1和A/D转换器甲1-2组成，所述的提升机构增量式光电编码器1-1获取提升行程经历的脉冲数，通过A/D转换器甲1-2后，通过计算得到提升行程；

所述的推压行程检测模块2由推压机构增量式光电编码器2-1和A/D转换器乙2-2组成，所述的推压机构增量式光电编码器2-1获取推压行程经历的脉冲数，通过A/D转换器乙2-2后，通过计算得到推压行程；

所述的提升机构负载检测模块3由电流传感器甲3-1和A/D转换器丙3-2组成，所述的电流传感器甲3-1获取提升电机的电流，通过A/D转换器丙3-2后，通过计算得到提升载荷；

所述的推压机构负载检测模块4由电流传感器乙4-1和A/D转换器丁4-2组成，所述的电流传感器乙4-1获取推压电机的电流，通过A/D转换器丁4-2后，通过计算得到推压载荷；

所述的数据处理模块5由数据存储器5-1、显示屏5-2和计算机5-3组成，所述的数据存储器5-1存储由前述四个模块输入的数据并将其值传给计算机5-3，计算机5-3计算出监测或测试结果，保存并将最终结果传给显示屏5-2。

一种矿用挖掘机挖掘力监测及自动称量方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一、在计算机5-3中输入已知参数，并分别读取提升行程检测模块1、推压行程检测模块2、提升机构负载检测模块3和推压机构负载检测模块4中的测量数据，并存入数据存储器5-1中；

步骤二、利用已知参数和测量数据通过计算机编程确定工作装置的姿态；

步骤三、根据工作装置的姿态判断挖掘是否完成；

步骤四、如判断挖掘已完成，则进行自动称量并记录相关数据；如判断挖掘未完成，则进行挖掘阻力的计算并进行相关数据记录；

步骤五、将结果显示在显示屏5-2上。

具体地，所述步骤二中确定工作装置姿态由以下方法实现：

（一）建立工作装置机构简化模型，如图2所示，其中：

x为包角，即钢绳包住动臂顶部滑轮的角度；

l₁为斗杆伸出量，长度为AB，其值与时间有关，取决于推压机构的推压进程；

l₂为E点到B点的钢绳长度，其值与时间有关，取决于提升机构的提升进程；

l₃为推压轴到动臂顶部滑轮中心的距离，长度为AO₃；

l₄为提升卷筒到滑轮的钢绳长度，其值为HE；

l_b为动臂长度，其值为O₁O₃；

l_d为铲斗长度，其值为BC；

θ为斗杆与动臂夹角，其值可用包角x表示；

θ₁为动臂对停机面的倾角，其值已知；

θ₂为提升钢绳与停机平面的夹角，其值已知；

θ₃为动臂与钢绳EO₃所夹的圆心角，其值已知；

θ₄为滑轮中心与斗杆端点连线BO₃与DO₃所夹的圆心角，其值可用包角x表示；

θ₅为动臂与BO₃所夹的圆心角，其值可用包角x表示；

θ₆为斗杆与钢绳夹角，其值可用包角x表示；

r为动臂顶部滑轮半径，其值已知；

（二）推导出包角x，以确定工作装置的姿态。

（1）由几何关系，有如下等式：

x+θ₃+θ₄+θ₅＝2π      （1）

其中θ₃为已知， ${\mathrm{\θ}}_4=\arctan \frac{l_2-\mathrm{xr}}{r},$ 根据余弦定理有 ${\mathrm{\θ}}_5=\arccos \frac{l_3^2+{(l_2-\mathrm{xr})}^2+r^2-l_1^2}{{2l}_3\sqrt{{(l_2-\mathrm{xr})}^2+r^2}};$

（2）得到关于x的超越方程：

$x+{\mathrm{\θ}}_3+\arctan \frac{l_2-\mathrm{xr}}{r}+\arccos \frac{l_3^2+{(l_2-\mathrm{xr})}^2+r^2-l_1^2}{{2l}_3\sqrt{{(l_2-\mathrm{xr})}^2+r^2}}=2\mathrm{\π}---\left(2\right)$

（3）利用数值方法中Newton迭代法得到x的数值解，即：

$x_{k+1}=x_k-\frac{f\left(x_k\right)}{f^{\′}\left(x_k\right)}---\left(3\right)$

$x_{k+1}=x_k-\frac{x+{\mathrm{\θ}}_3+\arctan \frac{l_2-\mathrm{xr}}{r}+\arccos \frac{l_3^2+{(l_2-\mathrm{xr})}^2+r^2-l_1^2}{{2l}_3\sqrt{{(l_2-\mathrm{xr})}^2+r^2}}-2\mathrm{\π}}{1-\frac{1}{r+{(l_2-\mathrm{xr})}^2}-\frac{1}{\sqrt{{\left({2l}_3\sqrt{{(l_2-\mathrm{xr})}^2+r^2}\right)}^2-{(l_3^2+{(l_2-\mathrm{xr})}^2+r^2-l_1^2)}^2}}\×\frac{l_3({2\mathrm{xr}}^2-{2\mathrm{rl}}_2)({-l}_3^2+{(l_2-\mathrm{xr})}^2+r^2+l_1^2)}{{2l}_3\×({(l_2-\mathrm{xr})}^2+r^2)}}---\left(4\right)$

其中：r，θ₃，l₃为已知，l₁，l₂分别可以通过提取推压机构和提升机构增量式光电编码器的脉冲数并计算得到；将以上过程编辑到计算机中运行后即可得到包角x，从而实现工作装置姿态的确定。

所述步骤三中判断挖掘是否完成由以下方法实现：

根据包角x可确定某一时刻挖掘机的姿态，即可得到θ：

$\mathrm{\θ}=\arccos \frac{l_3^2+l_1^2-{(l_2-\mathrm{xr})}^2-r^2}{2\×l_3\×l_1}---\left(5\right)$

若θ＞θ₁，进入挖掘力监测系统；

若θ＜θ₁，进入自动称量系统。

所述的步骤四，若通过步骤三确定挖掘已完成，系统进入自动称量，图3为进行自动称量时机构受力图；此时斗杆承受的力包括自身重力、铲斗重力、物料重力、提升钢绳的提升力和推压机构的推压力，动臂受到自身重力；自动称量由以下方法实现：

（1）根据力矩平衡，使所有力均对A点取矩可得到平衡方程即：

F_s×r_s-G_d×r_d-G_b×r_b-G_g×r_g-G_w×r_w＝0      （6）

其中：F_s为钢绳提升力，G_b为动臂重力，G_d为铲斗重力，G_g为斗杆重力，G_w为物料重力，相应的脚注分别表示对应的力对推压轴的力臂；

（2）根据从提升机构负载检测模块3测得的电流I_S可得到提升电机的功率：

$P_s=\sqrt{3}\×I_s\×U\×\cos \mathrm{\φ}---\left(7\right)$

其中，cosφ为功率因数，可取0.85，U为输入电压，取380V；

又根据 $T_s=9550\×\frac{P_s}{n_s}$ 和 $F_s=\frac{T_s}{r_s}$ 即可得到Fs：

$F_s=9550\frac{\sqrt{3}\×I_s\×U\×\cos \mathrm{\φ}}{n_s\×r_s}---\left(8\right)$

其中n_s为提升电机转速，r_s为提升机构的卷筒半径；

（3）上述式（6）中的各力臂为：

$r_s=l_1\×\cos \mathrm{\θ}=\frac{l_3^2+l_1^2-{(l_2-x\×r)}^2-r^2}{2\×l_3}---\left(9\right)$

$r_d=r_w=(l_1+\frac{l_d}{2})\×\cos ({\mathrm{\θ}}_1-\mathrm{\θ})---\left(10\right)$

$r_b=\frac{l_b}{2}\×{\cos \mathrm{\θ}}_1---\left(11\right)$

$r_g=\frac{l_1}{2}\×\cos ({\mathrm{\θ}}_1-\mathrm{\θ})---\left(12\right)$

（4）由此可以导出物料重力G_w：

$G_w=\frac{F_s\×r_s-G_d\×r_d-G_b\×r_b-G_g\×r_g}{r_w}---\left(13\right)$

将以上已知参数和算式编入计算机中运行，得到物料重力G_w的值，将其存储并显示在显示屏上。

所述的步骤四，若通过步骤三确定挖掘未完成，系统进入挖掘阻力的监测；图4为挖掘过程中机构受力图，此时斗杆承受的力包括自身重力、铲斗重力、提升钢绳的提升力、推压机构的推压力和来自铲斗的挖掘阻力，挖掘阻力分解为铅垂方向阻力F₁和水平方向阻力F₂，动臂受到自身重力；挖掘阻力的监测由以下方法实现：

（1）计算F_s和F_t；

根据从提升机构负载检测模块3测得的电流I_S可得到提升电机的功率：

$P_s=\sqrt{3}\×I_s\×U\×\cos \mathrm{\φ}---\left(14\right)$

其中，cosφ为功率因数，可取0.85，U为输入电压，取380V；

又根据 $T_s=9550\×\frac{P_s}{n_s}$ 和 $F_s=\frac{T_s}{r_s}$ 即可得到F_s：

$F_s=9550\frac{\sqrt{3}\×I_s\×U\×\cos \mathrm{\φ}}{n_s\×r_s}---\left(15\right)$

其中n_s为提升电机转速，r_s为提升机构的卷筒半径；

与求F_s的方法相同，通过推压机构负载检测模块4测得的电流I_t得到推压力F_t：

$F_t=9550\frac{\sqrt{3}\×I_t\×U\×\cos \mathrm{\φ}}{n_t\×r_t}---\left(18\right)$

其中：其中n_t为推压电机转速，r_t为推压齿轮半径；

（2）求铅垂方向挖掘阻力F₁；

根据力矩的平衡，对A点取矩得到平衡方程：

F_s×r_s-G_d×r_d-G_b×r_b-G_g×r_g-F₁×r₁＝0      （19）

其中r₁＝(l₁+l_d)×cos(θ-θ₁)，即得：

$F_1=\frac{F_s\×r_s-G_d\×r_d-G_b\×r_b-G_g\×r_g}{r_1}---\left(20\right)$

（3）求水平方向挖掘阻力F₂；

令斗杆和铲斗上的力沿斗杆方向投影得到平衡方程：

F_t+(G_g+G_d)×sin(θ-θ₁)-F_s×cosθ₆-F₂×cos(θ-θ₁)＝0    （21）

其中 ${\mathrm{\θ}}_6=\frac{3}{2}\mathrm{\π}-{\mathrm{\θ}}_4-{\mathrm{\θ}}_5-\mathrm{\θ};$ 即得：

$F_2=\frac{F_t+(G_g+G_d)\×\sin (\mathrm{\θ}-{\mathrm{\θ}}_1)-F_s\×\cos {\mathrm{\θ}}_6}{\cos (\mathrm{\θ}-{\mathrm{\θ}}_1)}---\left(22\right)$

分别将以上已知参数和算式编入计算机中运行，分别得到铅垂方向挖掘阻力F₁和水平方向挖掘阻力F₂的值，将其存储并显示在显示屏上。

Claims (7)

1.一种矿用挖掘机挖掘力监测及自动称量系统，其特征在于：由提升行程检测模块（1）、推压行程检测模块（2）、提升机构负载检测模块（3）、推压机构负载检测模块（4）和数据处理模块（5）组成，所述的提升行程检测模块（1）、推压行程检测模块（2）、提升机构负载检测模块（3）和推压机构负载检测模块（4）通过电缆与数据处理模块（5）相连，数据处理模块（5）放置在便于专业人员进行操作的位置；

所述的提升行程检测模块（1）由提升机构增量式光电编码器（1-1）和A/D转换器甲（1-2）组成，所述的提升机构增量式光电编码器（1-1）获取提升行程经历的脉冲数，通过A/D转换器甲（1-2）后，通过计算得到提升行程；

所述的推压行程检测模块（2）由推压机构增量式光电编码器（2-1）和A/D转换器乙（2-2）组成，所述的推压机构增量式光电编码器（2-1）获取推压行程经历的脉冲数，通过A/D转换器乙（2-2）后，通过计算得到推压行程；

所述的提升机构负载检测模块（3）由电流传感器甲（3-1）和A/D转换器丙（3-2）组成，所述的电流传感器甲（3-1）获取提升电机的电流，通过A/D转换器丙（3-2）后，通过计算得到提升载荷；

所述的推压机构负载检测模块（4）由电流传感器乙（4-1）和A/D转换器丁（4-2）组成，所述的电流传感器乙（4-1）获取推压电机的电流，通过A/D转换器丁（4-2）后，通过计算得到推压载荷；

所述的数据处理模块（5）由数据存储器（5-1）、显示屏（5-2）和计算机（5-3）组成，所述的数据存储器（5-1）存储由前述四个模块输入的数据并将其值传给计算机（5-3），计算机（5-3）计算出监测或测试结果，保存并将最终结果传给显示屏（5-2）。

2.一种矿用挖掘机挖掘力监测及自动称量方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一、在计算机（5-3）中输入已知参数，并分别读取提升行程检测模块（1）、推压行程检测模块（2）、提升机构负载检测模块（3）和推压机构负载检测模块（4）中的测量数据，并存入数据存储器（5-1）中；

步骤二、利用已知参数和测量数据通过计算机编程确定工作装置的姿态；

步骤三、根据工作装置的姿态判断挖掘是否完成；

步骤四、如判断挖掘已完成，则进行自动称量并记录相关数据；如判断挖掘未完成，则进行挖掘阻力的计算并进行相关数据记录；

步骤五、将结果显示在显示屏（5-2）上。

3.根据权利要求2所述的一种矿用挖掘机挖掘力监测及自动称量方法，其特征在于：所述步骤二中确定工作装置姿态由以下方法实现：

（一）建立工作装置机构简化模型；其中：

x为包角，即钢绳包住动臂顶部滑轮的角度；

l₁为斗杆伸出量，长度为AB，其值与时间有关，取决于推压机构的推压进程；

l₂为E点到B点的钢绳长度，其值与时间有关，取决于提升机构的提升进程；

l₃为推压轴到动臂顶部滑轮中心的距离，长度为AO₃；

l₄为提升卷筒到滑轮的钢绳长度，其值为HE；

l_b为动臂长度，其值为O₁O₃；

l_d为铲斗长度，其值为BC；

θ为斗杆与动臂夹角，其值可用包角x表示；

θ₁为动臂对停机面的倾角，其值已知；

θ₂为提升钢绳与停机平面的夹角，其值已知；

θ₃为动臂与钢绳EO₃所夹的圆心角，其值已知；

θ₄为滑轮中心与斗杆端点连线BO₃与DO₃所夹的圆心角，其值可用包角x表示；

θ₅为动臂与BO₃所夹的圆心角，其值可用包角x表示；

θ₆为斗杆与钢绳夹角，其值可用包角x表示；

r为动臂顶部滑轮半径，其值已知；

（二）推导出包角x，以确定工作装置的姿态。

4.根据权利要求3所述的一种矿用挖掘机挖掘力监测及自动称量方法，其特征在于：所述的推导包角x的方法是：

（1）由几何关系，有如下等式：

x+θ₃+θ₄+θ₅＝2π       （1）

其中θ₃为已知， ${\mathrm{\θ}}_4=\arctan \frac{l_2-\mathrm{xr}}{r},$ 根据余弦定理有 ${\mathrm{\θ}}_5=\arccos \frac{l_3^2+{(l_2-\mathrm{xr})}^2+r^2-l_1^2}{{2l}_3\sqrt{{(l_2-\mathrm{xr})}^2+r^2}};$

（2）得到关于x的超越方程：

$x+{\mathrm{\θ}}_3+\arctan \frac{l_2-\mathrm{xr}}{r}+\arccos \frac{l_3^2+{(l_2-\mathrm{xr})}^2+r^2-l_1^2}{{2l}_3\sqrt{{(l_2-\mathrm{xr})}^2+r^2}}=2\mathrm{\π}---\left(2\right)$

（3）利用数值方法中Newton迭代法得到x的数值解，即：

$x_{k+1}=x_k-\frac{f\left(x_k\right)}{f^{\′}\left(x_k\right)}---\left(3\right)$

$x_{k+1}=x_k-\frac{x+{\mathrm{\θ}}_3+\arctan \frac{l_2-\mathrm{xr}}{r}+\arccos \frac{l_3^2+{(l_2-\mathrm{xr})}^2+r^2-l_1^2}{{2l}_3\sqrt{{(l_2-\mathrm{xr})}^2+r^2}}-2\mathrm{\π}}{1-\frac{1}{r+{(l_2-\mathrm{xr})}^2}-\frac{1}{\sqrt{{\left({2l}_3\sqrt{{(l_2-\mathrm{xr})}^2+r^2}\right)}^2-{(l_3^2+{(l_2-\mathrm{xr})}^2+r^2-l_1^2)}^2}}\×\frac{l_3({2\mathrm{xr}}^2-{2\mathrm{rl}}_2)({-l}_3^2+{(l_2-\mathrm{xr})}^2+r^2+l_1^2)}{{2l}_3\×({(l_2-\mathrm{xr})}^2+r^2)}}---\left(4\right)$

其中：r，θ₃，l₃为已知，l₁，l₂分别可以通过提取推压机构和提升机构增量式光电编码器的脉冲数并计算得到；将以上过程编辑到计算机中运行后即可得到包角x，从而实现工作装置姿态的确定。

5.根据权利要求3所述的一种矿用挖掘机挖掘力监测及自动称量方法，其特征在于：所述步骤三中判断挖掘是否完成由以下方法实现：

根据包角x可确定某一时刻挖掘机的姿态，即可得到θ：

$\mathrm{\θ}=\arccos \frac{l_3^2+l_1^2-{(l_2-\mathrm{xr})}^2-r^2}{2\×l_3\×l_1}---\left(5\right)$

若θ＞θ₁，进入挖掘力监测系统；

若θ＜θ₁，进入自动称量系统。

6.根据权利要求3所述的一种矿用挖掘机挖掘力监测及自动称量方法，其特征在于：所述的步骤四，若通过步骤三确定挖掘已完成，系统进入自动称量，此时斗杆承受的力包括自身重力、铲斗重力、物料重力、提升钢绳的提升力和推压机构的推压力，动臂受到自身重力；自动称量由以下方法实现：

（1）根据力矩平衡，使所有力均对A点取矩可得到平衡方程即：

F_s×r_s-G_d×r_d-G_b×r_b-G_g×r_g-G_w×r_w＝0      （6）

其中：F_s为钢绳提升力，G_b为动臂重力，G_d为铲斗重力，G_g为斗杆重力，G_w为物料重力，相应的脚注分别表示对应的力对推压轴的力臂；

（2）根据从提升机构负载检测模块（3）测得的电流I_S可得到提升电机的功率：

$P_s=\sqrt{3}\×I_s\×U\×\cos \mathrm{\φ}---\left(7\right)$

其中，cosφ为功率因数，可取0.85，U为输入电压，取380V；

又根据 $T_s=9550\×\frac{P_s}{n_s}$ 和 $F_s=\frac{T_s}{r_s}$ 即可得到F_s：

$F_s=9550\frac{\sqrt{3}\×I_s\×U\×\cos \mathrm{\φ}}{n_s\×r_s}---\left(8\right)$

其中n_s为提升电机转速，r_s为提升机构的卷筒半径；

（3）上述式（6）中的各力臂为：

$r_s=l_1\×\cos \mathrm{\θ}=\frac{l_3^2+l_1^2-{(l_2-x\×r)}^2-r^2}{2\×l_3}---\left(9\right)$

$r_d=r_w=(l_1+\frac{l_d}{2})\×\cos ({\mathrm{\θ}}_1-\mathrm{\θ})---\left(10\right)$

$r_b=\frac{l_b}{2}\×\cos {\mathrm{\θ}}_1---\left(11\right)$

$r_g=\frac{l_1}{2}\×\cos ({\mathrm{\θ}}_1-\mathrm{\θ})---\left(12\right)$

（4）由此可以导出物料重力G_w：

$G_w=\frac{F_s\×r_s-G_d\×r_d-G_b\×r_b-G_g\×r_g}{r_w}---\left(13\right)$

将以上已知参数和算式编入计算机中运行，得到物料重力G_w的值，将其存储并显示在显示屏上。

7.根据权利要求3所述的一种矿用挖掘机挖掘力监测及自动称量方法，其特征在于：所述的步骤四，若通过步骤三确定挖掘未完成，系统进入挖掘阻力的监测；此时斗杆承受的力包括自身重力、铲斗重力、提升钢绳的提升力、推压机构的推压力和来自铲斗的挖掘阻力，挖掘阻力分解为铅垂方向阻力F₁和水平方向阻力F₂，动臂受到自身重力；挖掘阻力的监测由以下方法实现：

（1）计算F_s和F_t；

根据从提升机构负载检测模块（3）测得的电流I_S可得到提升电机的功率：

$P_s=\sqrt{3}\×I_s\×U\×\cos \mathrm{\φ}---\left(14\right)$

其中，cosφ为功率因数，可取0.85，U为输入电压，取380V；

又根据 $T_s=9550\×\frac{P_s}{n_s}$ 和 $F_s=\frac{T_s}{r_s}$ 即可得到F_s：

$F_s=9550\frac{\sqrt{3}\×I_s\×U\×\cos \mathrm{\φ}}{n_s\×r_s}---\left(15\right)$

其中n_s为提升电机转速，r_s为提升机构的卷筒半径；

与求F_s的方法相同，通过推压机构负载检测模块（4）测得的电流I_t得到推压力F_t：

$F_t=9550\frac{\sqrt{3}\×I_t\×U\×\cos \mathrm{\φ}}{n_t\×r_t}---\left(18\right)$

其中：其中n_t为推压电机转速，r_t为推压齿轮半径；

（2）求铅垂方向挖掘阻力F₁；

根据力矩的平衡，对A点取矩得到平衡方程：

F_s×r_s-G_d×r_d-G_b×r_b-G_g×r_g-F₁×r₁＝0      （19）

其中r₁＝(l₁+l_d)×cos(θ-θ₁)，即得：

$F_1=\frac{F_s\×r_s-G_d\×r_d-G_b\×r_b-G_g\×r_g}{r_1}---\left(20\right)$

（3）求水平方向挖掘阻力F₂；

令斗杆和铲斗上的力沿斗杆方向投影得到平衡方程：

F_t+(G_g+G_d)×sin(θ-θ₁)-F_s×cosθ₆-F₂×cos(θ-θ₁)＝0      （21）

其中 ${\mathrm{\θ}}_6=\frac{3}{2}\mathrm{\π}-{\mathrm{\θ}}_4-{\mathrm{\θ}}_5-\mathrm{\θ};$ 即得：

$F_2=\frac{F_t+(G_g+G_d)\×\sin (\mathrm{\θ}-{\mathrm{\θ}}_1)-F_s\×{\cos \mathrm{\θ}}_6}{\cos (\mathrm{\θ}-{\mathrm{\θ}}_1)}---\left(22\right)$

分别将以上已知参数和算式编入计算机中运行，分别得到铅垂方向挖掘阻力F₁和水平方向挖掘阻力F₂的值，将其存储并显示在显示屏上。

Images