CN106050233A - 检测钝化的和磨损的切割截齿的系统和方法 - Google Patents
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Abstract
一种采掘机械，其包括：底架；致动器；切割滚筒，其由所述底架支撑并由所述致动器驱动；切割截齿，其被联接至所述切割滚筒；以及控制器。所述控制器包括处理器和存储器并被配置成：测量所述致动器的特征；基于所述致动器的被测出的特征，确定所述切割截齿是否磨损；当确定所述切割截齿磨损时，输出信号。
Description
相关申请
本申请要求申请日为2015年4月9日、申请号为62/145377的美国临时申请的优先权，该临时申请的全部内容特此并入本申请中。
技术领域
本发明涉及工业机械，比如但不限于采掘机械。
背景技术
地下采掘机械，例如长壁剪切机和连续采煤机，会使用附着在旋转的切割滚筒上的多个切割截齿(cutter bit)，以便采掘(例如切割)物料。在切割物料的过程中，切割截齿会被磨损和/或变钝，这反过来降低了掘取物料的速度。
钝化的或磨损的截齿增加了切割物料所需要的力，因此降低了操作效率。此外，钝化的或磨损的截齿增加了空气中灰尘和颗粒物的量，并且可能发生灾难性的错误，这些截齿如果没有被检测出并从将要被排出的物料中移除，可能会对位于下游的处理设备造成严重的损害。通常而言，在采掘的中断期间，会伺机更换切割截齿，并且是基于目测进行更换。这种过程是任意的且不一致的。
发明内容
在一个具体实施方式中，本发明提供了一种采掘机械，其包括：底架；致动器；切割滚筒，其由所述底架支撑并由所述致动器驱动；切割截齿，其被联接至所述切割滚筒；以及控制器。所述控制器包括处理器和存储器，并且所述控制器被配置成：测量所述致动器的特征；基于所述致动器的被测出的特征，确定所述切割截齿是否磨损；当确定所述切割截齿磨损时，输出信号。
在另一具体实施方式中，本发明提供了一种检测由采掘机械的致动器驱动的切割截齿的磨损的方法。所述方法包括：通过传感器检测所述致动器的特征；基于所述致动器的特征，通过控制器确定所述切割截齿是否磨损；当确定所述切割截齿磨损时，从所述控制器输出信号。
借助于详细的描述和附图，本发明的其它方面将更加清楚。
附图说明
图1示出了根据一些具体实施方式的采掘机械的透视图；
图2示出了图1的根据本发明的一些具体实施方式的采掘机械的单个切割截齿的透视图；
图3示出了图1的根据本发明的一些具体实施方式的采掘机械的控制系统的方框图；
图4示出了图3的根据本发明的一些具体实施方式的控制系统所使用的多个图表；
图5示出了图3的根据本发明的一些具体实施方式的控制系统所使用的图表；
图6示出了图3的根据本发明的一些具体实施方式的控制系统的过程。
具体实施方式
在本发明的任何实施例被详细地解释之前，应当明白，本发明在应用方面不限于在下面的描述所介绍的或在下面的附图中所示出的结构细节和部件布局。本发明可以具有其他的实施例，并能够以多种方式来实现或实施。此外，应当明白，在本文中所运用的措辞和术语是为了描述的目的，而不应当被认为是限制性的。“包含”、“包括”或“具有”和它们在本文中的变型的使用将包含在其后面所列出的项目及它的等同和额外的项目。除非另有指明或限定，术语“安装”，“连接”，“支撑”和“联接”以及它们的变型可以被广泛地应用并且包含直接和间接的安装、连接、支撑和联接。
此外，应当明白，本发明的实施例可以包括硬件、软件和电子部件或模块，为了讨论的目的，其可以被例示或描述成犹如大多数部件仅仅在硬件中被实施。但是，本领域的普通技术人员基于对具体的描述的阅读能够认识到，在至少一个实施例中，本发明的基于电子的方面可以在可被一个或多个处理单元执行的软件(例如，存储于永久性的计算机可读介质)中被实施，处理单元比如可以是微处理器和/或专用集成电路(“ASICs”)。同样地，需要注意的是，众多基于硬件和软件的设备以及众多不同的结构性部件可被用于实施本发明。例如，说明书中描述的“服务器”和“计算设备”可以包括一个或多个处理单元、一个或多个计算机可读介质模块、一个或多个输入/输出界面以及连接多个部件的多个连接器(例如，系统总线)。
图1示出了采掘机械100，例如连续采煤机。虽然示出为连续采煤机，然而在其它具体实施方式中(未显示)，采掘机械100可以是长壁剪切机、碎石机或者其它类型的采掘机械。此外，本发明不限于采掘机械，其可以结合各种各样的具有振动盘(oscillating discs)或钻头的装置一起使用。
采掘机械100包括支架或底架102，支架或底架102支撑切割系统105，切割系统105包括旋转滚筒110，旋转滚筒110具有用于从待采掘的表面切割物料(例如，煤、盐或其它采掘物料)的一个或多个切割截齿115。切割系统105由一个或多个致动器220(图3)通过齿轮箱222(图3)旋转驱动。齿轮箱222将一个或多个致动器220机械连接至旋转滚筒110。也就是说，齿轮箱222(图3)接收来自一个或多个致动器220的输出，并且反过来驱动滚筒110。切割截齿115被可更换地联接至滚筒110。
图2示出了单个的切割截齿115。每个切割截齿115包括基座120和掘齿(pick)或截齿125。基座120将切割截齿115可松释地联接至滚筒110。掘齿125与物料啮合(即，掘齿125被强制穿入在原来位置的矿层，以掘取物料)。在任何给定的时间，多个掘齿125可以与物料啮合。
图3是方框图，示出了采掘机械100的控制系统200、致动器220和齿轮箱222。控制系统200包括控制器205，控制器205具有硬件和软件的结合，该硬件和软件的结合可操作成控制采掘机械100的操作与控制系统200的操作以及其他事项。例如，控制器205包括处理器210和存储器215。控制器205可以通过电和/或通信的方式连接至采掘机械的各种各样的模块和部件，比如但不限于电源模块225、用户界面230和输入/输出(I/O)模块235。在一些具体实施方式中，控制器205被还以电和/或通信的方式连接至一个或多个致动器220。
在一些具体实施方式中，控制器205包括提供电力、操作控制和保护至控制器205和/或采掘机械100内的部件和模块的多个电气和电子部件。例如，控制器205包括处理器210(例如微处理器、微控制器或其它合适的可编程装置)和存储器215等。处理器210和存储器215以及被连接到控制器200的不同模块通过一条或多条控制和/或数据总线连接。在一些实施例中，控制器205部分或完全地在半导体(现场可编程阵列[“FPGA”]半导体)芯片上实现，比如，该芯片可以是一种通过寄存器传送级(“RTL”)设计过程所开发的芯片。
存储器215包括例如程序储存区和数据储存区。程序储存区和数据储存区可以包括不同类型的存储器的组合，诸如只读存储器("ROM")、随机存取存储器("RAM")(例如动态RAM["DRAM"]、同步DRAM["SDRAM"]等)、电可擦可编程只读存储器("EEPROM")、闪存、硬盘、SD卡或其它合适的磁性、光学、物理或电子存储器装置。处理器210被连接到存储器215并执行被存储在存储器215的RAM(例如在执行期间)、存储器215的ROM(例如在基本永久基础上)或诸如其它存储器或磁盘的其它非易失性计算机可读介质中的软件指令。包括在采掘机械100的实施中的软件可以被储存在控制器205的存储器215中。所述软件包括例如固件、一个或多个应用程序、程序数据、筛选程序、规则、一个或多个程序模块以及其它可执行指令。控制器205被配置成从存储器215获取并执行涉及本文描述的控制流程和方法的指令等。在其它结构中，控制器205包括另外的、更少的或不同的部件。
如上所述，控制器205还被通信联接至一个或多个致动器220。致动器220通过齿轮箱222可旋转地驱动切割系统105。致动器220可以是施加力的任何致动器(例如旋转力、线性力等)。在一个具体实施方式中，致动器220是电动机，比如但不限于交流(AC)电动机(例如同步电动机、AC感应电动机等)、直流电动机(例如换向器直流电动机、永磁直流电动机、电磁式直流电动机等)、开关磁阻电动机或其他类型的磁阻电动机。在另一具体实施方式中，致动器220是液压马达，比如但不限于线性液压马达(即液压缸)或径向柱塞式液压马达。在一些实施方式中，采掘机械100包括多个致动器220，这些致动器220用于操作采掘机械100的不同方面。在该具体实施方式中，致动器220可以是AC电动机、DC电动机和液压马达的结合。例如，但不限于，AC电动机或DC电动机可以旋转驱动切割系统105，而液压马达可以对切割负载做出反应并对切割系统105进行定位。
电源模块225向控制器205或采掘机械100的其它部件或模块提供额定的AC或DC电压。电源模块225例如由具有额定线电压的电源供电。电源模块225还被配置成提供较低电压，以操作控制器205或采掘机械100内部的电路和部件。在其它具体实施方式中，控制器205或采掘机械100内的其它部件和模块由不依赖电网的电源(例如发电机、太阳能板、电池等)供电。
用户界面230用来控制或监视采掘机械100。用户界面230包括数字和模拟的输入或输出设备的组合，其中需要这些设备来获得对采掘机械100进行期望水平的控制和监视。例如，用户界面230包括显示器(例如主显示器、第二显示器等)和输入装置，诸如触摸屏显示器、多个旋钮、表盘、开关、按钮等。显示器例如是液晶显示器("LCD")、发光二极管("LED")显示器、有机LED("OLED")显示器、电致发光显示器("ELD")、表面传导电子发射体显示器("SED")、场致发射显示器("FED")、薄膜晶体管("TFT")LCD等。用户界面230还能够被配置成实时或大致实时地显示与采掘机械100相关联的状态或数据。例如，用户界面230被配置成显示所测量的采掘机械100的电特征和采掘机械100的状况。在一些实施方式中，结合一个或多个指示器(例如LED、扬声器等)来控制用户界面230，以提供采掘机械100的状态或状况的视觉或听觉指示。
I/O模块235被配置成将来自控制器205的数据输入和输出至外部设备。如下文中的详细描述，I/O模块235可以无线地或通过缆线输入和输出数据。在一些具体实施方式中，尽管没有示出，I/O模块235可以被通信联接至网络模块。网络模块被配置成连接至网络并通过网络进行通信。在一些具体实施方式中，网络诸如是广域网(“WAN”)(例如，基于TCP/IP的网络、蜂窝网络，比如全球移动通讯系统(“GSM”)网络、通用分组无线业务(GPRS”)网络、码分多址连接(“CDMA”)网络、演进数据优化(“EV-DO”)网路、GSM演进的增强数据率(“EDGE”)网络、3GSM网络、4GSM网络、数字增强无线通信(“DECT”)网络、数字AMPS(“IS-136/TDMA”)网络或者集成数字增强(“iDEN”)网络等)。
在其他具体实施方式中，网络诸如是局域网(“LAN”)、邻近区域网(“NAN”)、家庭区域网(“HAN”)或者个人区域网(“PAN”)，这些网络使用各种各样的通信协议中任何一种，比如Wi-Fi、蓝牙、ZigBee等。可以使用一种或多种加密技术来保护由网络模块或者控制器205通过网络来进行的通讯，加密技术比如有：用于基于端口的网络安全的IEEE 802.1标准、预共享密钥、可扩展认证协议(“EAP”)、有线等效加密(“WEP”)、临时密钥完整性协议(“TKIP”)、无线网络保护访问(“WPA”)等等。网络模块和网络之间的连接比如是有线连接、无线连接或者无线和有线连接的结合。同样地，控制器205和网络或网络模块之间的连接是有线连接、无线连接或者无线和有线连接的结合。在一些具体实施方式中，控制器205和网络模块包括一个或多个通信端口(例如，以太网、串行高级技术附件(“SATA”)、通用串行总线(“USB”)、集成驱动电子设备(“IDE”)等等)，通信端口用于转移、接收或存储与采掘机械100或者采掘机械100的操作相关联的数据。
在操作中，当滚筒110旋转时，单个掘齿125被强制与矿面啮合，以便掘取待采掘的物料。力被施加在单个的掘齿125上，以便维持与物料的啮合以及维持穿过物料的移动。在任何给定的时间，多个掘齿125可以与物料啮合。与物料啮合的单个掘齿125的力结合起来生成净切割力。净切割力以及所述一个或多个致动器220的扭矩(例如在旋转滚筒110上的扭矩)结合起来产生采掘机械100的切割负载。
可以在一段时间内检测净切割力(例如净切割力的水平和变化)、一个或多个致动器220的扭矩(例如旋转滚筒110的扭矩的水平和变化)以及采掘机械100的生产率(即在预先确定的时期内由采掘机械100开采的物料的量)。切割负载(例如，净切割力和扭矩)和生产率的变化于是被用于检测钝化的或缺失的掘齿125。
在一些具体实施方式中，可以通过致动器220的电压和电流传感来检测切割负载(例如旋转滚筒110的净切割力和扭矩)。在另一个具体实施方式中，可以通过致动器的电压和电流传感以及液压系统的压力传感来检测切割负载。在该具体实施方式中，基于模型的估计器可以转化系统动态，以能对通过测量感应到的电压、电流和/或压力而得到的切割负载进行量化。
可以实时地平均计算切割负载的量化，在预定的时间段内跟踪切割负载的量化，并且将切割负载的量化与采掘机械100的生成率相比较。通过检测以下的内容可以检测出钝化的或磨损的掘齿125：(1)与在采掘机械100的近期操作中所获得的数据相比，切割负载与生产率之间关系变化；(2)切割负载之间(例如，在切割系统105上的平均扭矩与水平或垂直切割力之间)的关系变化。在此，术语“钝化”或“磨损”可以被定义成掘齿125上的预先确定的磨损量。例如，但不限于，钝化或磨损可以被定义成掘齿125上的预先确定的劣化距离。作为另一个示例，但不限于，钝化的或磨损的可以被定义成掘齿125上的预先确定的劣化百分比。
在一些具体实施方式中，分解器(resolver)有助于切割系统105的旋转角的精确测量，其中旋转角的测量相对于在采掘机械100(例如，底架102)上的确定的参考角。在该具体实施方式中，实时地估计切割负载，并且瞬时的切割负载与切割系统105的角度有关。切割负载曲线(例如，切割系统105的力和扭矩对比于角度)与作为基线的切割负载曲线之间的差异，可以指示出钝化的或缺失的掘齿125。切割系统105的一种已知的掘齿排列被用于确定钝化的或缺失的掘齿125的最可能的结合，以生成被观察到的相对于作为基线的切割负载曲线的差异。
图4示出了多个相频图400。相频图400示出了在运行状态(例如，运行周期)期间的采掘机械100的性能。在一些具体实施方式中，采掘机械100的性能由采掘机械100为完成运行状态所花费的时间量来确定。当采掘机械100的性能和/或环境变化时，相频图400的标出点在连续的运行状态内会发生变化。
在一个操作实施例中，相频图400被用于在运行状态期间测量生产率。在该具体实施方式中，如上所述，相频图400可以被用于分析切割负载与生产率之间的关系的变化。
在一些具体实施方式中，相频图400示出了在运行状态的每个相的频率的直方图。在一些具体实施方式中，频率是重复事件发生的数量，比如但不限于，每个单位时间的运行状态的具体的相。在该具体实施方式中，运行状态可以包括下述的相：移动、深挖、剪切、修剪和抬头。
在示出的具体实施方式中，多个相频图400包括移动频率图405、深挖频率图410、剪切频率图415、清扫(C/UP)频率图420以及组合图425，相频图可以包括更多或者更少。移动、深挖、剪切和清扫是在运行状态期间的采掘机械100的相的示例。
对实时切割负载的估计被输入至过滤算法。过滤算法使用切割系统105的已知的掘齿排列以及掘齿125的切割动作的力模型来估计单个掘齿125的磨损百分比。过滤算法同时估测切割系统105与矿层之间的啮合角度以及每个掘齿125的磨损参数。掘齿125的磨损程度对照着预先确定的阈值来检测。当掘齿125的磨损程度超过预先确定的阈值时，就该更换掘齿125了。
图5示出了图表500，其示出了在一段时期内采掘机械100的多个部件所使用的能量的多少。在一些实施例中，该时期包括多个运行状态。在一个具体实施方式中，能量被图示为一个或多个运行状态(例如切割周期505a、505b、505c、505d)内的电流(A)。在一些具体实施方式中，电流(A)被用于代表采掘机械100的能量使用。在该实施方式中，针对切割系统105的高度以及当前的运行状态对电流(A)进行了标绘。如上所述，采掘机械的100的当前的运行状态于是可以被用作将生产率与平均切割负载进行比较的基础。
在一些实施方式中，每个运行状态包括多个事件(例如，相)，比如：移动(机动)、深挖、剪切、修剪以及抬头。在其他具体实施方式中，每个运行状态可以包括更多或更少的事件。在一些具体实施方式中，图表500还包括采掘机械100的其它活动。在该具体实施方式中，其它活动可以包括但不限于：周期内的半深挖、周期内的停工时间、采掘机械100的重定位以及一般的地面清扫。
图6是流程图，其根据本发明的一些具体实施方式示出了采掘机械100的过程600。应当理解，过程600中公开的步骤的顺序是可变的。此外，额外的步骤可以被加入到顺序中，并且并非需要所有的步骤。
在步骤605，控制系统200或者控制器205检测一个或多个致动器220的特征。控制系统200或者控制器205接下来基于所监测的特征来确定一个或多个切割截齿是否钝化或者磨损(步骤610)。当控制系统200或控制器205确定一个或多个切割截齿是钝化的或者磨损的，那么就输出信号(步骤620)。当控制系统200或控制器205确定一个或多个切割截齿不是钝化的或者磨损的，那么步骤600返回步骤605并且继续检测一个或多个致动器220的特征。
因此，本发明提供了使用净切割力、扭矩和生产率来检测钝化的和磨损的切割截齿的系统和方法等。该系统和方法可以与各种采掘机械或者各种具有振动盘或钻头的装置一起使用。
Claims (20)
1.一种采掘机械，包括：
底架；
致动器；
切割滚筒，其由所述底架支撑并由所述致动器驱动；
切割截齿，其被联接至所述切割滚筒；以及
控制器，其具有处理器和存储器，并且所述控制器被配置成：
测量所述致动器的特征；
基于所述致动器的被测出的特征，确定所述切割截齿是否磨损；
当确定所述切割截齿磨损时，输出信号。
2.根据权利要求1所述的采掘机械，其特征在于，所述致动器是电动机。
3.根据权利要求2所述的采掘机械，其特征在于，所述致动器的特征是选自向所述电动机供给的电压和向所述电动机供给的电流中的至少一个。
4.根据权利要求1所述的采掘机械，其特征在于，所述致动器是液压系统。
5.根据权利要求4所述的采掘机械，其特征在于，所述致动器的特征是由所述液压系统生成的压力。
6.根据权利要求1所述的采掘机械，其特征在于，所述控制器还确定所述采掘机械的生产率。
7.根据权利要求6所述的采掘机械，其特征在于，所述控制器通过将所述致动器的特征与所述采掘机械的生产率进行比较而确定所述切割截齿是否磨损。
8.根据权利要求1所述的采掘机械，其特征在于，当达到预先确定的劣化长度时，确定所述切割截齿磨损。
9.根据权利要求1所述的采掘机械，其特征在于，当达到预先确定的劣化百分比时，确定所述切割截齿磨损。
10.根据权利要求1所述的采掘机械，其特征在于，所述致动器是旋转驱动所述切割滚筒的电动机，并且所述采掘机械还包括对所述切割滚筒进行定位的液压系统。
11.一种检测由采掘机械的致动器驱动的切割截齿的磨损的方法，包括：
通过传感器检测所述致动器的特征；
基于所述致动器的特征，通过控制器确定所述切割截齿是否磨损；
当确定所述切割截齿磨损时，从所述控制器输出信号。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述致动器是电动机。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述致动器的特征是选自向所述电动机供给的电压和向所述电动机供给的电流中的至少一个。
14.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述致动器是液压系统。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述致动器的特征是由所述液压系统生成的压力。
16.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，还包括确定所述采掘机械的生产率。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，确定所述切割截齿是否磨损的步骤包括：将所述致动器的特征与所述采掘机械的生产率进行比较。
18.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，当达到预先确定的劣化长度时，确定所述切割截齿磨损。
19.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，当达到预先确定的劣化百分比时，确定所述切割截齿磨损。
20.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述致动器是旋转驱动所述切割滚筒的电动机，并且所述方法还包括：通过第二传感器检测对所述切割滚筒进行定位的液压系统的第二特征。
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