CN104729643A - 一种高精度地下铲运机动态称重方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高精度地下铲运机动态称重方法，通过以下公式进行称重：式中：m为物料质量；P₁、P₂分别为举升油缸两端的油压；θ为大臂与机架铰接中心O₁与大臂及铲斗和物料共同的重心G之间的假想连线O₁G与重力方向之间的夹角；t为举升时间；K1、K2、K3、K4为系数，c为常数。首次发现了举升速度的平方值与物料质量有清晰的函数关系，使动态称重的误差有了更合理的物理解释，不再使用区间插值等数学处理方法来减少误差，能将动态称重精度稳定在1％以内。

Description

一种高精度地下铲运机动态称重方法

技术领域

本发明涉及一种地下铲运机的动态称重方法，尤其涉及一种高精度地下铲运机动态称重方法。

背景技术

由于地下铲运机工作机构与装载机类似，故在动态称重的技术领域内铲运机的动态称重与装载机的动态称重相同。

目前的实现方法是通过在举升大臂的油缸安装压力传感器测量油缸的伸出力，在大臂上安装角度传感器或者倾角传感器测量大臂的角度，配合一定的算法，算法推导出称重公式为 $m=\frac{F\·\left|O_1{O}_2\right|\·\left|O_1{O}_3\right|\·\sin \∠O_2{O}_1{O}_3}{9.8\×L_1\·\sin \mathrm{\θ}\·\cos \mathrm{\γ}\·\sqrt{{\left|O_1{O}_2\right|}^2+{\left|O_1{O}_3\right|}^2-2\left|O_1{O}_2\right|\·\left|O_1{O}_3\right|\·\cos \∠O_2{O}_1{O}_3}}-\frac{J}{9.8\×L_1\·\sin \mathrm{\θ}\·\cos \mathrm{\γ}}\·\frac{d^2\mathrm{\θ}}{{\mathrm{dt}}^2}-m_0,$ 实际应用中，是在某一时刻计算质量，公式简化为其中k1、k2、c都是常数，一般通过试验来推导出精确值，这是称重的基本推导公式。对于用油压传感器测量油缸伸出力F的方案，用油缸两端压力P1、P2的与对应截面积的积来表达F值，静态称重时大臂静止，此公式去掉与加速度相关的项(即)即可。

与静态称重不同，动态称重时大臂举升的速度一直在变化，试验发现，对于同一台铲运机在不同的举升速度，上述基本推导公式的常数参数值不同，无法像静态称重一样使用一个公式去解决所有情况下的称重，只能通过位移补偿、分段插值等方法拟合多个不同的公式，误差变大，而且此解决方案要通过大量的试验来标定不同速度下的参数，过程复杂、试验过多。

动态称重相比静态称重优点是工作过程中自动称重，不需要铲斗停顿几秒种去测量数据，不影响正常的作业流程。难点是算法复杂，无法像静态称重那样，通过简单试验推导出精确的称重公式。动态称重时铲斗举升速度一旦变化，对应的公式也跟着变化。直接套用静态称重的公式，会导致误差太大，根本无法称重。

现在的技术方案，从试验中找到误差的一些规律，后期对数据进行处理，尽量减小误差。具体方法是把举升速度与油缸压力之间的关系通过曲线平移、插值来消除误差，通过做试验，把同一质量的物料，在铲斗内以不同的速度举升，测量出很多举升油缸的压力p和举升速度之间的关系曲线，研究出不同曲线之间有平移关系，且平移量与举升速度之间有函数关系，然后通过改进Akima光滑插值方法或者比例线性计算方法进行速度补偿，把误差尽量减少。

上述现有技术的缺点：

没有从理论上分析出误差的来源，只是从试验中发现了部分规律，通过插值、平移等数据处理方法来速度补偿，减少误差。缺点：1、速度补偿的修正方法缺乏物理分析的理论依据，只是在数据层面进行修正；2、速度补偿的参数的确定需要额外做更多试验，要在不同标定速度下进行多次试验来确定速度补偿的参数，过程复杂。

发明内容

本发明的目的是提供一种计算简单、精度高的高精度地下铲运机动态称重方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的高精度地下铲运机动态称重方法，通过以下公式进行称重：

$m=K_1{P}_1+K_2{P}_2+K_3{\left(\frac{\mathrm{d\θ}}{\mathrm{dt}}\right)}^2+K_4\·\frac{d^2\mathrm{\θ}}{{\mathrm{dt}}^2}+c;$

式中：

m为物料质量；

P₁、P₂分别为举升油缸两端的油压；

θ为大臂与机架铰接中心(O₁)与大臂及铲斗和物料共同的重心(G)之间的假想连线(O₁G)与重力方向之间的夹角；

t为举升时间；

K1、K2、K3、K4为系数，c为常数。

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高精度地下铲运机动态称重方法，由于首次找到了举升速度的平方值与物料质量有清晰的函数关系，使动态称重的误差有了更合理的物理解释，推导出有理论依据的动态称重公式，在确保精度在1％的前提下，使动态称重在实际应用中能快速简单地推导出精确的算法公式。

附图说明

图1为本发明实施例提供的高精度地下铲运机动态称重方法的工作流程示意图；

图2为本发明实施例中地下铲运机工作机构力学模型；

图3为本发明实施例中举升油缸受力分析示意图；

图4为本发明实施例中举升油缸线速度分析示意图。

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。

本发明的高精度地下铲运机动态称重方法，其较佳的具体实施方式是：

通过以下公式进行称重：

$m=K_1{P}_1+K_2{P}_2+K_3{\left(\frac{\mathrm{d\θ}}{\mathrm{dt}}\right)}^2+K_4\·\frac{d^2\mathrm{\θ}}{{\mathrm{dt}}^2}+c;$

式中：

m为物料质量；

P₁、P₂分别为举升油缸两端的油压；

θ为大臂与机架铰接中心(O₁)与大臂及铲斗和物料共同的重心(G)之间的假想连线(O₁G)与重力方向之间的夹角；

t为举升时间；

K1、K2、K3、K4为系数，c为常数。

系数表达式为：

$K_1=\frac{S_1\·\left|O_1{O}_2\right|\·\left|O_1{O}_3\right|\·\sin (\mathrm{\θ}+{\mathrm{\θ}}_0)}{9.8\×L_1\·\sin \mathrm{\θ}\·\cos \mathrm{\γ}\·\sqrt{{\left|O_1{O}_2\right|}^2+{\left|O_1{O}_3\right|}^2-2\left|O_1{O}_2\right|\·\left|O_1{O}_3\right|\·\cos (\mathrm{\θ}+{\mathrm{\θ}}_0)}};$

$K_2=\frac{-S_2\·\left|O_1{O}_2\right|\·\left|O_1{O}_3\right|\·\sin (\mathrm{\θ}+{\mathrm{\θ}}_0)}{9.8\×L_1\·\sin \mathrm{\θ}\·\cos \mathrm{\γ}\·\sqrt{{\left|O_1{O}_2\right|}^2+{\left|O_1{O}_3\right|}^2-2\left|O_1{O}_2\right|\·\left|O_1{O}_3\right|\·\cos (\mathrm{\θ}+{\mathrm{\θ}}_0)}};$

$K_3=\frac{\left|O_1{O}_2\right|\·\left|O_1{O}_3\right|\·\sin (\mathrm{\θ}+{\mathrm{\θ}}_0)}{9.8\×L_1\·\sin \mathrm{\θ}\·\cos \mathrm{\γ}\·\sqrt{{\left|O_1{O}_2\right|}^2+{\left|O_1{O}_3\right|}^2-2\left|O_1{O}_2\right|\·\left|O_1{O}_3\right|\·\cos (\mathrm{\θ}+{\mathrm{\θ}}_0)}};$

$K_4=\frac{-m\·\left|O_1{O}_2\right|\·\left|O_1{O}_3\right|-J}{9.8\×L_1\·\sin \mathrm{\θ}\·\cos \mathrm{\γ}};$

c的物理意义为铲斗与大臂质量之和的负值，即c＝-m₀，实际的获得方式是通过试验数据列出方程求出c的具体值；

上式中：

m₀—大臂及铲斗的质量；

O₂—举升油缸与机体连接的旋转点；

O₃—举升油缸与举升大臂连接的旋转点；

L₁—大臂及铲斗和物料的重心到大臂与机架铰接中心O₁的距离；

J—举升大臂及铲斗和物料作为整体，绕点O₁的转动惯量；

γ—铲运机横向摆动角度。

S₁—油缸进口方向的有效截面积；

S₂—油缸出口方向的有效截面积；

θ₀—O₂O₁与O₃O₁之间的夹角α与角θ之间的常量差值，α＝θ+θ₀。

在实际的称重应用中，对某一时刻t进行信号测量和计算时，K1、K2、K3、K4这4个系数在公式中变为常数值，能通过试验数据列出方程得出具体值。

本发明的高精度地下铲运机动态称重方法，在动态称重的原理上，进一步分析研究，对动态称重的误差来源提出独特的新观点，找到全新的解决方案，推导出适用于动态称重的公式，简化为：

$m=K_1{P}_1+K_2{P}_2+K_3{\left(\frac{\mathrm{d\θ}}{\mathrm{dt}}\right)}^2+K_4\·\frac{d^2\mathrm{\θ}}{{\mathrm{dt}}^2}+c,$ 把举升速度也做为参数体现在公式中，有充分的理论基础和详细推导过程，使动态称重和静态称重一样，一个公式解决所有情况下的称重，具有精度高、计算简单、前期标定试验工作量极少的特点，领域内公开文献尚无涉及。

本发明的高精度地下铲运机动态称重方法，不影响地下铲运机正常工作实现高精度动态称重，所采用的算法区别于其它算法的特点在于，算法公式不同：

现有技术中的算法公式变量参数只有油缸压力P1、P2、角加速度而对于举升速度对计算引起的误差并未分析出误差的物理来源，只能通过后期的速度补偿来修正。本发明公开的算法分析出举升速度与误差之间的物理关系，分析出举升速度的平方值与物料质量有清晰的函数关系，并推导出新的算法公式， $m=K_1{P}_1+K_2{P}_2+K_3{\left(\frac{\mathrm{d\θ}}{\mathrm{dt}}\right)}^2+K_4\·\frac{d^2\mathrm{\θ}}{{\mathrm{dt}}^2}+c,$ 此算法使动态称重的误差有了更合理的物理解释，使动态称重公式有了理论依据，不再使用区间插值等数学处理方法来减少误差。将动态称重精度稳定在1％以内。

具体实施例：

1)装置：

选用压力传感器测量举升大臂的进、出口油压来表达值F；选用两维倾角传感器分别测量纵向和横向的角度值θ、γ；选用控制器进行动态称重计算；选用显示屏进行称重结果的显示。如图1所示，为动态称重方法的工作流程示意图。

2)算法

地下铲运机和轮式装载机的工作机构类似，借鉴装载机的工作机构的力学模型，对地下铲运机的工作机构进行力学分析建模，见图2，推导出矿石质量的一般计算公式：

$m=\frac{F\·\left|O_1{O}_2\right|\·\left|O_1{O}_3\right|\·\sin \∠O_2{O}_1{O}_3}{9.8\×L_1\·\sin \mathrm{\θ}\·\cos \mathrm{\γ}\·\sqrt{{\left|O_1{O}_2\right|}^2+{\left|O_1{O}_3\right|}^2-2\left|O_1{O}_2\right|\·\left|O_1{O}_3\right|\·\cos \∠O_2{O}_1{O}_3}}-\frac{J}{9.8\×L_1\·\sin \mathrm{\θ}\·\cos \mathrm{\γ}}\·\frac{d^2\mathrm{\θ}}{{\mathrm{dt}}^2}-m_0---\left(1\right)$

此式是装载机和铲运机称重的基本理论公式，静态称重公式一般对此式基础上进行参数简化，而动态称重直接套用此公式则出现较大误差。

其中：

m—物料质量；

m₀—大臂及铲斗的质量；

O₁—举升大臂与机体连接的旋转点；

O₂—举升油缸与机体连接的旋转点；

O₃—举升油缸与举升大臂连接的旋转点；

G—大臂及铲斗和物料共同的重心；

θ—O₁G与重力方向夹角；

L₁—大臂及铲斗和物料的重心到大臂与机架铰接中心O₁的距离；

L₂—O₁到|O₂O₃|的距离；

J—举升大臂及铲斗和物料作为整体，绕点O₁的转动惯量；

ε—举升大臂及铲斗和物料作为整体，绕点O₁的角加速度；

F—举升油缸的举升力；

γ—铲运机横向摆动角度。

以下对公式(1)中的举升油缸的举升力F进一步分析，此部分的分析为本算法的核心部分，也揭示了动态称重的误差存在的原因。如图3，举升油缸在大臂举升过程中压降损失进行分析，其受力平衡方程：

(P₁-ΔP₁)S₁＝(P₂+ΔP₂)S₂+F+m_ya    (2)

其中m_y为油缸伸出杆的质量，求出ΔP₁、ΔP₂值即可得出F值。

ΔP₁、ΔP₂为油缸进口、出口的压力损失值：

${\mathrm{\ΔP}}_1=\mathrm{\Σ}{\mathrm{\λ}}_i\frac{l_i}{d_i}\×\frac{{\mathrm{\ρv}}_i^2}{2}+\mathrm{\Σ}{\mathrm{\ζ}}_i\frac{{\mathrm{\ρv}}_i^2}{2}=c_1\·{\left(\frac{\mathrm{d\θ}}{\mathrm{dt}}\right)}^2;$

${\mathrm{\ΔP}}_2=\mathrm{\Σ}{\mathrm{\λ}}_i\frac{l_i}{d_i}\×\frac{{\mathrm{\ρv}}_i^2}{2}+\mathrm{\Σ}{\mathrm{\ζ}}_i\frac{{\mathrm{\ρv}}_i^2}{2}=c_2\·{\left(\frac{\mathrm{d\θ}}{\mathrm{dt}}\right)}^2;$

v—油缸杆的线速度；

—油缸进口管道中液压油的平均流速；

—油缸出口管道中液压油的平均流速；

S_j—油缸进口油管截面积；

S_o—油缸出口油管截面积；

S₁—油缸进口方向的有效截面积；

S₂—油缸出口方向的有效截面积；

d—油管内径；

λ—沿程阻力系数，可从摩迪图是查得；

l—油管长度；

ρ—液压油的密度；

ζ—局部阻力系数，查手册可得。

如图4，对力F进行分解：

上述表达式代入式2可得出：

其中

由正弦定理 $\frac{\left|O_2{O}_3\right|}{\sin \mathrm{\α}}=\frac{\left|O_1{O}_2\right|}{\sin \∠O_1{O}_3{O}_2}$

根据余弦定理

|O₂O₃|²＝|O₁O₂|²+|O₁O₃|²-2|O₁O₂|·|O₁O₃|·cosα

对比图2和图4可知，角α与角θ存在一个常量差值，此常量差值以θ₀表示，则α＝θ+θ₀，所以

将F值代入式1，得出新的算法

此式可简化为：

$m=K_1{P}_1+K_2{P}_2+K_3{\left(\frac{\mathrm{d\θ}}{\mathrm{dt}}\right)}^2+K_4\·\frac{d^2\mathrm{\θ}}{{\mathrm{dt}}^2}+c---\left(3\right)$

其中K1、K2、K3、K4为系数，c为常数。在实际的称重应用中，对某一时刻t进行信号测量和计算时，K1、K2、K3、K4这4个系数在公式中变为常数值，能通过试验求出具体值。

本发明技术方案带来的有益效果：

1)本发明从理论上有突破、有创新，完善了动态称重理论，开拓了思路。分析了动态称重的难点——大臂举升速度影响称重结果，难以找到原因，只能通过一些数学方法进行“补偿、修正”。首次分析出误差产生的原因，并且通过试验验证了正确性。

2)新算法简单明了，称重精度高，适应性强，便于推广应用。使用本算法，新设备只能简单做几次标定试验即可确定出算法公式。使动态称重从理论试验向实际应用更加容易。

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 (3)

1.一种高精度地下铲运机动态称重方法，其特征在于，通过以下公式进行称重：

$m=K_1{P}_1+K_2{P}_2+K_3{\left(\frac{\mathrm{d\θ}}{\mathrm{dt}}\right)}^2+K_4\·\frac{d^2\mathrm{\θ}}{{\mathrm{dt}}^2}+c;$

式中：

m为物料质量；

P₁、P₂分别为举升油缸两端的油压；

θ为大臂与机架铰接中心(O₁)与大臂及铲斗和物料共同的重心(G)之间的假想连线(O₁G)与重力方向之间的夹角；

t为举升时间；

K1、K2、K3、K4为系数，c为常数。

2.根据权利要求1所述的高精度地下铲运机动态称重方法，其特征在于，系数表达式为：

$K_1=\frac{S_1\·\left|O_1{O}_2\right|\·\left|O_1{O}_3\right|\·\sin (\mathrm{\θ}+{\mathrm{\θ}}_0)}{9.8\×L_1\·\sin \mathrm{\θ}\·\cos \mathrm{\γ}\·\sqrt{{\left|O_1{O}_2\right|}^2+{\left|O_1{O}_3\right|}^2-2\left|O_1{O}_2\right|\·\left|O_1{O}_3\right|\·\cos (\mathrm{\θ}+{\mathrm{\θ}}_0)}};$

$K_2=\frac{-S_2\·\left|O_1{O}_2\right|\·\left|O_1{O}_3\right|\·\sin (\mathrm{\θ}+{\mathrm{\θ}}_0)}{9.8\×L_1\·\sin \mathrm{\θ}\·\cos \mathrm{\γ}\·\sqrt{{\left|O_1{O}_2\right|}^2+{\left|O_1{O}_3\right|}^2-2\left|O_1{O}_2\right|\·\left|O_1{O}_3\right|\·\cos (\mathrm{\θ}+{\mathrm{\θ}}_0)}};$

$K_3=\frac{\left|O_1{O}_2\right|\·\left|O_1{O}_3\right|\·\sin (\mathrm{\θ}+{\mathrm{\θ}}_0)}{9.8\×L_1\·\sin \mathrm{\θ}\·\cos \mathrm{\γ}\·\sqrt{{\left|O_1{O}_2\right|}^2+{\left|O_1{O}_3\right|}^2-2\left|O_1{O}_2\right|\·\left|O_1{O}_3\right|\·\cos (\mathrm{\θ}+{\mathrm{\θ}}_0)}};$

$K_4=\frac{-m\·\left|O_1{O}_2\right|\·\left|O_1{O}_3\right|-J}{9.8\×L_1\·\sin \mathrm{\θ}\·\cos \mathrm{\γ}};$

c的物理意义为铲斗与大臂质量之和的负值，即c＝-m₀，实际的获得方式是通过试验数据列出方程得出c的具体值；

上式中：

m₀—大臂及铲斗的质量；

O₂—举升油缸与机体连接的旋转点；

O₃—举升油缸与举升大臂连接的旋转点；

L₁—大臂及铲斗和物料的重心到大臂与机架铰接中心O₁的距离；

J—举升大臂及铲斗和物料作为整体，绕点O₁的转动惯量；

γ—铲运机横向摆动角度。

S₁—油缸进口方向的有效截面积；

S₂—油缸出口方向的有效截面积；

θ₀—O₂O₁与O₃O₁之间的夹角α与角θ之间的常量差值，α＝θ+θ₀。

3.根据权利要求1或2所述的高精度地下铲运机动态称重方法，其特征在于，在实际的称重应用中，对某一时刻t进行信号测量和计算时，K1、K2、K3、K4这4个系数在公式中变为常数值，能通过试验数据列出方程得出具体值。