发明内容
本发明的目的在于:针对上述现有技术存在的问题,提出一种铲运机任意举重角度自称重装置,通过该装置,对铲运矿石重量进行实时监测和数据汇总,结合井下手持机数采系统,可构建完整的回采出矿过程现场动态信息,可以提高矿山生产信息的实时性和全面型,优化矿山生产调度,使矿石资源利用、生产节奏稳定和控制过采更加容易,优化生产经济技术指标,大大地提高矿山的生产效率。
本发明的另一个目的在于:针对上述现有技术存在的问题,提出一种铲运机任意举重角度自称重装置的称重方法,通过安装在铲运机铲运工作装置上的传感器与信号采集、控制、处理及显示系统,在铲运机作业的过程中动态称量每斗矿石的重量,将每次装卸重量相加得到装卸矿石的总重量。这种方法既保证了工作效率又有较高的精度,而且不对铲运机操作造成任何影响。该系统的基本原理是利用压力传感器、角度传感器和加速度传感器测量液压系统各个工作油缸压力、大臂位置角和加速度等,通过数据采集处理系统,根据动力学模型计算出载重量,然后再通过重量显示打印系统进行输出。
本发明的技术方案如下:本发明一种铲运机任意举升角度自称重装置,包括前机架(1)、与前机架(1)相连的大臂(2)、与大臂(2)相连的铲斗(5)、翻斗油缸(3)、与翻斗油缸(3)相连的摇臂(4);所述摇臂(4)通过连杆(6)与铲斗(5)相连;还包括与大臂(2)相连的举升油缸(7);其特征在于:还包括用于测量翻斗油缸(3)压力、大臂(2)位置角和加速度的压力传感器、角度传感器和加速度传感器。
进一步地,所述前机架(1)与大臂(2)的连接点为O,并以O点为原点建立直角坐标系,水平方向为X轴,竖直方向为Y轴;所述举升油缸(7)的固定点为A;所述翻斗油缸(3)的固定点为B;所述举升油缸(7)与大臂(2)的连接点为C;所述大臂(2)与摇臂(4)的连接点为D;所述铲斗(5)与连杆(6)的连接点为E;所述翻斗油缸(3)与摇臂(4)的连接点为G;所述摇臂(4)与连杆(6)的连接点为H;所述大臂(2)与铲斗(5)的连接点为K。
进一步地,所述举升油缸(7)有两个。
本发明一种铲运机任意举升角度自称重装置的动态称重方法:其特征在于:通过以下公式进行称重:
上式中:
G-表示铲斗中物料重量;
lOC-表示0点与C点的距离;
lOA-表示0点与A点的距离;
θ表示大臂完全放下时OA与OC的夹角;
α表示大臂围绕O点由初始位置转动的角度;
表示OA与X轴正向的夹角;
则OA与大臂所在直线的夹角为ψ=α+θ,大臂所在直线与X轴正向的夹角大小为即
P1-表示举升油缸无杆腔压力;
P2-表示举升油缸有杆腔压力;
D-表示举升油缸活塞杆大径;
d-表示举升油缸活塞杆小径;
g0l0-表示最大自重力矩;
L-K点到D点的距离。
进一步地,所述铲斗中物料的实际重心K’与理论重心重合,即K’与O、C、D三点在同一条直线上。
进一步地,所述举升油缸有两个,单个举升油缸的推力公式如下:
则两只举升油缸的总推力为
F=2F′
即
式中:P1-表示举升油缸无杆腔压力;
P2-表示举升油缸有杆腔压力;
D-表示举升油缸活塞杆大径;
d-表示举升油缸活塞杆小径;
F-表示两只举升油缸的总推力。
进一步地,所述OAC三点构成三角形,在三角形OAC中,分别由余弦定理和正弦定理可得
式中:θ-表示大臂完全放下时,OA与OC的夹角;
α-表示大臂围绕O点由初始位置转动的角度。
由该方程组化简变形得
进一步地,在铲运机在工作的时候,不计大臂与铲斗、摇臂之间的相对运动,将整个工作装置当作刚体,围绕着O点进行定轴转动,则由力矩动力学定律得
J·ε=∑M(4-9)
式中:J-表示大臂绕O点的转动惯量;
∑M-大臂绕O点受到的力矩之和;
忽略翻斗油缸影响的情况下,大臂所受合力矩为
式中:∑Mf-表示总摩擦阻力矩;
G-表示铲斗中物料重量。
由上式变形可得
进一步地,当考虑地面坡度大臂综合转动角度为α1对称重的影响
时,铲运机动态称重动力学模型为:
在等式(4-12)中,α1表示地面坡度,其中当路面处于上坡时α1为正值,当路面处于下坡时α1为负值。
进一步地,在井上大臂任意位置静态标定实验的过程中,由于没有大臂角加速度的影响,且地面平坦没有坡度,当铲运机处于空载状态时,由式(4-12)可得铲运机工作装置最大自重力矩
由实验方法测得的最大自重力矩g0l0中,不可避免的包含了空载状态下翻斗油缸以及摩擦阻力给称重带来的影响。
进一步地,当铲运机处于负载状态时,其铲装物料重量为:
在等式(4-14)中,大臂工作举升角度α由倾角传感器测得,举升油缸无杆腔和有杆腔压力P1、P2分别由两个压力传感器测得,g0l0经过空载标定实验由式(4-13)计算可得,其余各尺寸与角度均为已知条件,因此可以利用该式求出铲斗中物料的重量。
本发明的有益效果如下:1.本发明通过安装在铲运机铲运工作装置上的传感器,在铲运机作业的过程中动态称量每斗矿石的重量,将每次装卸重量相加得到装卸矿石的总重量。这种方法既保证了工作效率又有较高的精度,而且不对铲运机操作造成任何影响;2.本发明保证了作业效率,铲运机动态自称重就是在铲运机作业过程中进行载重称量,不需要停机称重,基本不改变工人传统的操作习惯;3.本发明可以在原有铲运机上进行模块化安装,简单方便;4.本发明同地磅等称重设施相比,本装置由铲运机携带,并且不受场地限制,同时价格也比较低廉;5.本发明可以使称重在“铲”后“运”送过程中的任意姿态和任意调姿的速度下完成,并且提出了一套基于卡特彼勒称重算法模型的改进型分区间固定角度预标定称重算法,同时提出了一种分段搜索有效匀速段的方案用于解决大臂角加速度带来的惯性力问题,误差小于4%。
具体实施方式
如图1所示,本发明一种铲运机任意举升角度自称重装置,包括前机架1、与前机架1相连的大臂2、与大臂2相连的铲斗5、翻斗油缸3、与翻斗油缸3相连的摇臂4;所述摇臂4通过连杆6与铲斗5相连;还包括与大臂2相连的举升油缸7;还包括用于测量翻斗油缸3压力、大臂2位置角和加速度的压力传感器、角度传感器和加速度传感器。
本发明所述前机架1与大臂2的连接点为O,并以O点为原点建立直角坐标系,水平方向为X轴,竖直方向为Y轴;所述举升油缸7的固定点为A;所述翻斗油缸3的固定点为B;所述举升油缸7与大臂2的连接点为C;所述大臂2与摇臂4的连接点为D;所述铲斗5与连杆6的连接点为E;所述翻斗油缸3与摇臂4的连接点为G;所述摇臂4与连杆6的连接点为H;所述大臂2与铲斗5的连接点为K。所述举升油缸7有两个。
本发明铲运机工作装置为翻斗油缸后置式反转六杆机构。它由大臂举升机构和摇臂翻斗机构两个部分构成,采用液压操控,翻斗油缸布置在前机架上,与摇臂铰接,翻斗油缸无杆腔进油时实现铲装。转斗机构由翻斗油缸BG、摇臂GDH、连杆HE、铲斗EK、大臂ODK以及机架OAB组成,包含两个反转四杆机构OBGD和DHEK,由它们串联组成。当大臂不动,翻斗油缸有杆腔进油时,此时摇臂GDH逆时针转动,铲斗EK顺时针转动;转动油缸无杆腔进油时,此时摇臂GDH顺时针转动,铲斗EK逆时针转动,因此该机构称为反转机构。
2、受载工况分析
铲运机工作过程中,矿石的载荷直接作用在铲斗上,由于矿石本身密度以及装载不均匀等原因,实际工况中难以使铲斗受载均匀,使得矿石难以在铲斗中均匀分布。铲装结束以后,矿石分布通常简化为以下两种情况:
(1)对称受载,铲斗中的载荷默认为是横向均匀分布,且将该均布载荷用作用在铲斗中心的集中载荷来替代,对称受载为理想受载情况,实际工况中一般难以出现。此时,铲运机的工作装置左右两边是相互对称,因此两边受到的载荷大小相等,忽略支撑横梁以及铲斗自身对大臂受力变形的影响因素,对大臂的一侧进行受力分析,则该侧大臂受到的载荷为整体载荷的一半。力在平行移动时,若要与原来的力等效,需在该力与新的作用点确定的平面内施加一个力偶。当铲运机铲装完毕后,将作用在大臂上的等效集中载荷均分为二,分别移到大臂两侧,并施加两个力偶,由于该对力偶大小相等方向相反,对铲运机工作机构没有影响,因此在铲运机对称受载的情况下,可以对大臂的一侧进行受力分析。
(2)偏载工况,铲运机铲装过程中出现偏铲、物料分布不均,铲斗中物料重心没有经过铲斗与大臂的铰接点。由于作业环境恶劣、地面不平整、铲装物料种类多样以及铲装过程的随机性,只有在理想状态下才会出现铲装无偏载。
在实际工况中,完全的对称受载和极限偏载工况通常是不会出现的,一般情况下,铲装物料载荷的分布类似于对称受载。出现不对称受载时,一方面可以由铲运机工作装置自身的结构去克服,另一方面由工作装置液压系统特点可知,大臂的两个举升油缸有杆腔和无杆腔压力均是相等的,两个油缸的支撑力也是相等的,因此本研究将主要针对对称受载工况进行分析。
铲运机的工作装置是一个空间超静定结构,受力情况较为复杂。工作装置的结构具有对称性,对铲运机工作机构进行分析时,假设大臂轴线与摇臂和连杆轴线在同一平面内,此时工作装置被简化为简单的平面低副多杆机构。忽略杆件自重以及各铰点的摩擦力,同时将杆件看成刚体,用简单线条来替代实际构件,此时就将铲运机工作装置的空间超静定机构问题简化为平面力系问题进行分析。
如图2所示,为铲运机工作装置机构简图,其中以工作装置与前机架铰接点O作为原点,如图建立直角坐标系。
3、工作装置受力与运动分析
铲运机的工作装置反转六杆机构,是由大臂机构和转斗机构两部分组成。如图2所示,在大臂机构中,大臂OCDK在举升油缸AC的动力作用下围绕O点作简单的圆周运动;转斗机构包含两个四杆机构OBGD和DHEK,控制铲斗EK围绕K点进行转动;当翻斗油缸BG锁定,举升油缸AC伸缩时,铲斗EK围绕K点进行转动的同时,随着大臂OCDK一起围绕O点进行转动,此时铲斗EK的运动是复合运动。
4、工作装置受力分析
在对称受载工况下(大臂左右两部分受载相同),将铲运机工作装置由空间超静定结构简化为普通平面机构进行受力分析,忽略工作装置构件受力变形的影响。本节主要针对铲运机在举升工况,铲斗物料重心前偏时(如图3所示,物料重心K′在K点所在垂线的右边),对工作装置各构件进行静力学分析。
如图3所示,对铲斗进行受力分析:
∑MK=0
∑X=0
∑Y=0
即
PEh2cosα1+PEl2sinα1-PK′l1=0(2-1)
PEcosα1-XK=0(2-2)
PEsinα1+PK′-YK=0(2-3)
对连杆HE进行受力,由于其为二力构件,因此
PE=PH(2-4)
如图4所示,同理对摇臂进行受力分析可得
PGh4cosα3+PGl4sinα3-PHh3cosα2-PHl3sinα2=0(2-5)
PGcosα3+PHcosα2-XD=0(2-6)
PGsinα3+PHsinα2-YD=0(2-7)
如图5所示,同理对举升进行受力分析可得
PCh5cosα4+PCl5sinα4+XDh6+YDl6-XKh7-YKl7=0(2-8)
XO+PCcosα4+XD-XK=0(2-9)
YO+PCsinα4+YD-YK=0(2-10)
根据以上分析可得,当铲斗物料重心前偏或者后偏时,翻斗油缸对铲斗都有力的影响,只有当物料重心恰好与K点在同一垂线上,此时翻斗油缸对铲斗没有力的影响。
5、铲运机工作装置动力学称重模型
通过以上分析,考虑工作装置自重的影响、角加速度对称重的影响、摩擦对称重的影响、翻斗油缸对称重的影响以及地面坡度对称重的影响,建立了工作装置动力学称重模型。
自称重装置的建立是动态称重系统的核心部分,其精确程度直接关系到称重测量结果的准确性以及可靠性,合理建立称重力学模型具有重要意义。
如图6所示,为铲运机称重模型分析简图,点O为铲运机大臂与前机架的铰接点,以O为原点如图所示建立直角坐标系。铲运机在设计的过程中,为了提高工作效率,会使铲装物料的理论重心尽可能的与O、C、D三点共线,现假设铲斗中物料的实际重心K’与理论重心重合,即K’与O、C、D三点在同一条直线上。θ表示大臂完全放下时OA与OC的夹角,α表示大臂围绕O点由初始位置转动的角度,表示OA与X轴正向的夹角,则OA与大臂所在直线的夹角为ψ=α+θ,大臂所在直线与X轴正向的夹角大小为即
不计大臂重量,以及油缸内表面与活塞的摩擦,举升油缸的单只举升油缸的推力为
则两只举升油缸的总推力为
F=2F′
即
式中:P1-表示举升油缸无杆腔压力;
P2-表示举升油缸有杆腔压力;
D-表示举升油缸活塞杆大径;
d-表示举升油缸活塞杆小径;
F-表示两只举升油缸的总推力。
在三角形OAC中,分别由余弦定理和正弦定理可得
式中:θ-表示大臂完全放下时,OA与OC的夹角;
α-表示大臂围绕O点由初始位置转动的角度。
由该方程组化简变形得
铲运机在工作的时候,不计大臂与铲斗、摇臂之间的相对运动,将整个工作装置当作刚体,围绕着O点进行定轴转动,则由力矩动力学定律得
J·ε=∑M(4-9)
式中:J-表示大臂绕O点的转动惯量;
∑M-大臂绕O点受到的力矩之和。
忽略翻斗油缸影响的情况下,大臂所受合力矩为
式中:∑Mf-表示总摩擦阻力矩;
L-K点到D点的距离;
G-表示铲斗中物料重量。
由上式变形可得
由(4-7)(4-8)(4-9)(4-10)四式联立可得铲运机动态称重动力学模型:
在建立铲运机称重模型的过程中,影响因素考虑过少,则降低了称重结果的准确度;影响因素考虑过多,称重模型越复杂,同时可解性降低。当考虑地面坡度大臂综合转动角度为α1对称重的影响时,铲运机动态称重动力学模型为:
在等式(4-12)中,α1表示地面坡度,其中当路面处于上坡时α1为正值,当路面处于下坡时α1为负值。
在井上大臂任意位置静态标定实验的过程中,由于没有大臂角加速度的影响,且地面平坦没有坡度,当铲运机处于空载状态时,由式(4-12)可得铲运机工作装置最大自重力矩
注:由实验方法测得的最大自重力矩g0l0中,不可避免的包含了空载状态下翻斗油缸以及摩擦阻力给称重带来的影响。
当铲运机处于负载状态时,其铲装物料重量为:
在等式(4-14)中,大臂工作举升角度α由倾角传感器测得,举升油缸无杆腔和有杆腔压力P1、P2分别由两个压力传感器测得,g0l0经过空载标定实验由式(4-13)计算可得,其余各尺寸与角度均为已知条件,因此可以利用该式求出铲斗中物料的重量。
如图7所示,本发明的原理框图。
根据称重模型,需要测量举升油缸的有杆腔、无杆腔的压力和铲运机大臂的倾角变化,通过数据采集模块传送到数据通信模块再传送给远程上位机,远程上位机可以是计算机也可以是智能接收终端,智能手机、平板电脑等。
本发明该系统的基本原理是:利用压力传感器、角度传感器和加速度传感器测量液压系统各个工作油缸压力、大臂位置角和加速度等,通过数据采集处理系统,根据动力学模型计算出载重量,然后再通过重量显示打印系统进行输出。
除上述实施例外,本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案,均落在本发明要求的保护范围。