CN107842367A - 用于水力采集机构离地高度的控制系统、控制方法及多金属结核采矿车 - Google Patents
用于水力采集机构离地高度的控制系统、控制方法及多金属结核采矿车 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了机械自动控制领域的一种用于水力采集机构离地高度的控制系统、控制方法及多金属结核采矿车，控制系统包括平行移动机构、水力采集机构和离地高度测量机构，离地高度测量机构有两组，分别固定在水力采集机构的两侧用于测量水力采集机构的离地高度，平行移动机构一端铰接在水力采集机构上用于调节水力采集机构的离地高度，另一端铰接在采矿车前端。本发明能够实时调节水力采集机构的离地高度，使离地高度保持在合适的范围，有效地提高多金属结核采集效率。
Description
技术领域
本发明涉及机械自动控制领域，尤其涉及一种用于水力采集机构离地高度的控制系统、控制方法及多金属结核采矿车。
背景技术
目前深海多金属结核这种矿产资源开采工艺与方法中水力采集是一种具有发展前景的工艺与方法。它具有结构简单、故障率低，对海底环境扰动较小等优点，但是它对离地高度有一定范围要求，离地高度过高或过低都会严重影响水力采集机构的采集率。
水力采集机构在深海海底采集多金属结核时，由于海底地形变化，离地高度也会相应发生变化，一旦离地高度的变化超出其适用的范围，就会严重影响多金属结核采集效率，造成采集率大大下降。
发明内容
本发明目的在于提供一种用于水力采集机构离地高度的控制系统、控制方法及多金属结核采矿车，以解决海底地形变化造成水力采集机构离地高度超出其适用的范围导致采集率效率低的现有技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种用于水力采集机构离地高度的控制系统，包括平行移动机构、水力采集机构和离地高度测量机构，离地高度测量机构有两组，分别固定在水力采集机构的两侧用于测量水力采集机构的离地高度，平行移动机构一端铰接在水力采集机构上用于调节水力采集机构的离地高度，另一端铰接在采矿车前端。
优选地，离地高度测量机构包括导向杆安装座、导向杆铰座、弹性元件、导向杆、地形检测板、离地高度测量元件、立杆安装座、立杆，导向杆安装座与立杆安装座固定在水力采集机构的侧面；导向杆一端通过销轴与地形检测板铰接，另一端穿过导向杆铰座形成移动副并用双螺母限位；导向杆有两根，分别位于立杆前后两侧；导向杆铰座另一铰孔穿于导向杆安装座上形成回转副；弹性元件套于导向杆圆柱面上，随地形检测板上升或下降，导向杆在导向杆铰座轴孔内向上或向下滑动使弹性元件压缩或伸长；立杆的一端通过销轴与地形检测板铰接成回转副，另一端圆柱面与立杆安装座的孔同轴形成移动副；离地高度测量元件固定在立杆安装座上，用于测量立杆在立杆安装座的孔中的位移值。
优选地，弹性元件为弹簧。
优选地，离地高度测量元件为磁致位移传感器。
优选地，平行移动机构由连杆和升降油缸组成，连杆共有四根，连杆一端铰接在水力采集机构上，另一端铰接在采矿车前端；升降油缸一端铰接在水力采集机构上，另一端通过耳轴铰接安装在采矿车上。
优选地，升降油缸内部安装有位移传感器用于测量升降油缸的活塞杆伸长或缩短。
优选地，升降油缸配有双向液压锁。
依托于上述用于水力采集机构离地高度的控制系统，本发明还提供了一种多金属结核采矿车，包括采矿车本体和用于水力采集机构离地高度的控制系统，用于水力采集机构离地高度的控制系统铰接在采矿车前端。离地高度过高或过低都会严重影响水力采集机构的采集率，因此安装了用于水力采集机构离地高度的控制系统的采矿车能够在海底地形变化时，实时改变水力采集机构的离地高度。
本发明还提供了一种用于水力采集机构离地高度的控制方法，包括以下步骤：
S1：设定水力采集机构离地高度的阀值范围；
S2：通过离地高度测量机构获取水力采集机构的实际离地高度；
S3：比较水力采集机构的实际离地高度与离地高度阀值范围；
S4：平行移动机构根据对比结果调整水力采集机构的离地高度。
优选地，平行移动机构调节水力采集机构的离地高度是通过伺服阀变位进行控制的。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明的离地高度控制系统通过高度测量元件实时测量水力采集机构的离地高度，通过离地高度测量值与离地高度控制设定值来比较，根据比较结果来控制平行移动机构来调节水力采集机构的实际离地高度，保证多金属结核的采集率稳定地处于较高的水平。
2、本发明的离地高度控制系统采用实时测量，实时响应，闭环控制的方式，能够快速及时的控制水力采集机构工作过程的离地高度。
下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明优选实施例的用于水力采集机构离地高度的控制系统整体结构示意图；
图2是本发明优选实施例的用于水力采集机构离地高度的控制系统的立体结构示意图；
图3是本发明优选实施例的用于水力采集机构离地高度的控制系统的另一立体结构示意图；
图4是本发明优选实施例的用于水力采集机构离地高度的控制方法流程图。
图中，1、平行移动机构；2、水力采集机构；3、离地高度测量机构；11、连杆；12、升降油缸；31、导向杆安装座；32、导向杆铰座；33、弹性元件；34、导向杆；35、地形检测板；36、离地高度测量元件；37、立杆安装座；38、立杆。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
本发明提供了一种用于水力采集机构离地高度的控制系统，参见图1，包括平行移动机构1、水力采集机构2和离地高度测量机构3，离地高度测量机构3有两组，分别固定在水力采集机构2的两侧用于测量水力采集机构2的离地高度，平行移动机构1一端铰接在水力采集机构2上用于调节水力采集机构2的离地高度，另一端铰接在采矿车前端。
当采矿车开始在矿区海底采集多金属结核时，首先平行移动机构1控制水力采集机构2下降，随着水力采集机构2下降，离地高度测量机构3接触海底。然后水力采集机构2继续下降直至离地高度处于设定阀值范围内时，平行移动机构停止动作。采矿车在海底一边行走一边采集多金属结核时，当水力采集机构2前方为上坡地形，离地高度测量机构3接触上坡地形，在海底地面作用力下，离地高度测量机构3相对于水力采集机构2向上运动并检测到水力采集机构2的真实的离地高度变小。一旦真实离地高度小于设定阀值范围，平行移动机构1控制水力采集机构2上升，离地高度测量机构3始终与海底接触并检测到水力采集机构2的真实离地高度增大，直至真实离地高度处于设定阀值范围时，平行移动机构1停止动作，从而使水力采集机构2离地高度值恢复到离地高度设定阀值范围内。当水力采集机构2前方为下坡地形，离地高度测量机构3接触下坡地形且相对于水力采集机构2向下运动，离地高度测量机构3检测到水力采集机构2的真实离地高度变大。一旦真实离地高度大于设定阀值范围，平行移动机构1控制水力采集机构2下降，离地高度测量机构3始终与海底接触并检测到水力采集机构2的真实离地高度减小，直至真实离地高度处于设定阀值范围时，平行移动机构1停止动作，从而使水力采集机构2离地高度值恢复到离地高度设定阀值范围内。
优选地，参见图2和图3，离地高度测量机构3包括导向杆安装座31、导向杆铰座32、弹性元件33、导向杆34、地形检测板35、离地高度测量元件36、立杆安装座37、立杆38，导向杆安装座31与立杆安装座37固定在水力采集机构2的侧面；导向杆34一端通过销轴与地形检测板35铰接，另一端穿过导向杆铰座32形成移动副并用双螺母限位；导向杆34有两根，分别位于立杆38前后两侧；导向杆铰座32另一铰孔穿于导向杆安装座31上形成回转副；弹性元件33套于导向杆34圆柱面上，随地形检测板35上升或下降，导向杆34在导向杆铰座32轴孔内向上或向下滑动使弹性元件33压缩或伸长；立杆38的一端通过销轴与地形检测板35铰接成回转副，另一端圆柱面与立杆安装座37的孔同轴形成移动副；离地高度测量元件36固定在立杆安装座37上，用于测量立杆38在立杆安装座37的孔中的位移值。
当地形发生改变时，导向杆安装座31与立杆安装座37相对与水力采集机构2位置不变，立杆38沿立杆安装座37的内孔轴线上下滑动，且以销轴为中心转动，地形检测板35与水力采集机构2的相对位置发生变动。设置两根导向杆34的设计使水力采集机构2与离地高度测量机构3之间的连接更加稳固，且在地形发生改变时，导向杆34能够在导向杆铰座32轴孔内向上或向下滑动，从而保证离地高度测量元件36测出的立杆38在立杆安装座37的孔中的位移值能够准确的计算出水力采集机构2的离地高度。
优选地，弹性元件33为弹簧。
优选地，离地高度测量元件36为磁致位移传感器。磁致位移传感器具有性价比高、测量的精度高以及稳定性高的特点，能够适用与深海环境。
优选地，平行移动机构1由连杆11和升降油缸12组成，所述连杆11共有四根，连杆11一端铰接在水力采集机构2上，另一端铰接在采矿车前端；升降油缸12一端铰接在所述水力采集机构2上，另一端通过耳轴铰接安装在采矿车上。
在保证平行移动机构1与水力采集机构2稳定性的同时根据升降油缸12来调节水力采集机构2的离地高度。通过油缸实现往复运动时，可免去减速装置，并且没有传动间隙，运动平稳。
优选地，升降油缸12内部安装有位移传感器用于测量升降油缸12的活塞杆伸长或缩短。
由于需要精确的控制水力采集机构2的高度，因此在升降油缸12内部安装位移传感器可以准确的控制升降油缸12的活塞杆伸长或缩短的长度而从控制水力采集机构2的高度。
优选地，升降油缸12配有双向液压锁。
双向液压锁可以起到保压和锁定油缸位置的作用，使活塞杆不会因为各种原因自动滑出从而保证使用的安全性。
依托于上述用于水力采集机构离地高度的控制系统，本发明还提供了一种多金属结核采矿车，包括采矿车本体和用于水力采集机构离地高度的控制系统，用于水力采集机构离地高度的控制系统铰接在采矿车前端。离地高度过高或过低都会严重影响水力采集机构的采集率，因此安装了用于水力采集机构2离地高度的控制系统的采矿车能够在海底地形变化时，实时改变水力采集机构2的离地高度。
当多金属结核采矿车开始在矿区海底采集多金属结核时，首先升降油缸12缩短，水力采集机构2下降。随着水力采集机构2下降，离地高度测量机构3中的地形检测板35首先接触海底。然后水力采集机构2继续下降，弹性元件33受到压缩，导向杆34在导向杆铰座32的轴孔内向上滑动，立杆38也在立杆安装座37的轴孔内向上滑动，离地高度测量元件的测量值减小，直至测量值减小到H时，升降油缸12停止动作，以保证水力采集机构2的离地高度处于设定值。
多金属结核采矿车在海底一边行走一边采集多金属结核时，当水力采集机构2前方为上坡地形，地形检测板35前端弧形板接触上坡地形，在海底地面作用力下，地形检测板35相对于水力采集机构2向上运动，从而立杆38也相对向上滑动，离地高度测量元件36检测到真实的离地高度值S变小。S与设定值H-L进行比较，一旦S ≤H-L，伺服阀变位，升降油缸12动作，使活塞杆伸长，从而使得水力采集机构2上升，在弹性元件33的作用力下，地形检测板35始终与海底接触，导向杆34和立杆38在相应轴孔中向下滑动，离地高度测量元件36检测到真实的离地高度值S增大，直至S=H为止，升降油缸12停止动作，从而使水力采集机构2离地高度值恢复H，即离地高度控制的设定值。
当水力采集机构2前方为下坡地形，地形检测板35接触下坡地形，在弹性元件33（弹性元件33一直处于压缩状态）的变形作用力下，地形检测板35相对于水力采集机构2向下运动，从而立杆38也相对向下滑动，离地高度测量元件36检测到真实的离地高度值S变大。S与设定值H+L进行比较，一旦S≥H+L，伺服阀变位，升降油缸12动作，使活塞杆缩短，从而使得水力采集机构2下降，在海底地面和弹性元件的作用力下，地形检测板35始终与海底接触，导向杆34和立杆38在相应轴孔中向上滑动，离地高度测量元件36检测到真实的离地高度值S减小，直至S=H为止，升降油缸12停止动作，从而使水力采集机构2离地高度值恢复H，即离地高度控制的设定值。
本发明还提供了一种用于水力采集机构离地高度的控制方法，包括以下步骤：
S1：设定水力采集机构2离地高度的阀值范围。
S2：通过离地高度测量机构3获取水力采集机构2的实际离地高度。
S3：比较水力采集机构2的实际离地高度与离地高度阀值范围。
S4：平行移动机构1根据对比结果调整水力采集机构2的离地高度。
优选地，平行移动机构1调节水力采集机构2的离地高度是通过伺服阀变位进行控制的。
参见图4，离地高度控制原理如下：设定水力采集机构离地高度控制设定值为H，离地高度设定允许偏差为±L，即离地高度在H+L～H-L范围为水力采集机构的设定允许范围（此范围小于真实的水力采集机构离地高度允许范围），此范围对水力采集机构的采集率影响不大。离地高度测量元件36测量值为S。当离地高度测量值S≥H+L时，即认为离地高度过高，这时通过伺服阀控制升降油缸12缩短，使离地高度下降，直至离地高度测量值S=H为止。当离地高度测量值S≤H-L时，即认为离地高度过低，这时通过伺服阀控制升降油缸12伸长，使离地高度上升，直至离地高度测量值S=H为止。当离地高度测量值H-L≤S≤H+L时，即认为离地高度处于合适的范围，这时升降油缸12保持不动，离地高度保持不动。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.用于水力采集机构离地高度的控制系统，其特征在于，包括平行移动机构（1）、水力采集机构（2）和离地高度测量机构（3），所述离地高度测量机构（3）有两组，分别固定在水力采集机构（2）的两侧用于测量水力采集机构（2）的离地高度，平行移动机构（1）一端铰接在水力采集机构（2）上用于调节水力采集机构（2）的离地高度，另一端铰接在采矿车前端。
2.根据权利要求1所述的用于水力采集机构离地高度的控制系统，其特征在于，所述离地高度测量机构（3）包括导向杆安装座（31）、导向杆铰座（32）、弹性元件（33）、导向杆（34）、地形检测板（35）、离地高度测量元件（36）、立杆安装座（37）、立杆（38），所述导向杆安装座（31）与所述立杆安装座（37）固定在水力采集机构（2）的侧面；导向杆（34）一端通过销轴与地形检测板（35）铰接，另一端穿过导向杆铰座（32）形成移动副并用双螺母限位；导向杆（34）有两根，分别位于立杆（38）的前后两侧；导向杆铰座（32）另一铰孔穿于导向杆安装座（31）上形成回转副；弹性元件（33）套于导向杆（34）的圆柱面上，随地形检测板（35）上升或下降，导向杆（34）在导向杆铰座（32）的轴孔内向上或向下滑动使弹性元件（33）压缩或伸长；立杆（38）的一端通过销轴与地形检测板（35）铰接成回转副，另一端圆柱面与立杆安装座（37）的孔同轴形成移动副；离地高度测量元件（36）固定在立杆安装座（37）上，用于测量立杆（38）在立杆安装座（37）的孔中的位移值。
3.根据权利要求2所述的用于水力采集机构离地高度的控制系统，其特征在于，所述弹性元件（33）为弹簧。
4.根据权利要求2所述的用于水力采集机构离地高度的控制系统，其特征在于，所述离地高度测量元件（36）为磁致位移传感器。
5.根据权利要求1所述的用于水力采集机构离地高度的控制系统，其特征在于，所述平行移动机构（1）由连杆（11）和升降油缸（12）组成，所述连杆（11）共有四根，所述连杆（11）一端铰接在所述水力采集机构（2）上，另一端铰接在采矿车前端；所述升降油缸（12）一端铰接在所述水力采集机构（2）上，另一端通过耳轴铰接安装在采矿车上。
6.根据权利要求5所述的用于水力采集机构离地高度的控制系统，其特征在于，升降油缸（12）内部安装有位移传感器用于测量升降油缸（12）的活塞杆伸长或缩短。
7.根据权利要求5所述的用于水力采集机构高度的控制系统，其特征在于，所述升降油缸（12）配有双向液压锁。
8.一种多金属结核采矿车，包括采矿车本体，其特征在于，还包括权利要求1-7任一所述的用于水力采集机构离地高度的控制系统，所述用于水力采集机构离地高度的控制系统铰接在采矿车本体前端。
9.用于水力采集机构离地高度的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：设定水力采集机构（2）离地高度的阀值范围；
S2：通过离地高度测量机构（3）获取水力采集机构（2）的实际离地高度；
S3：比较水力采集机构（2）的实际离地高度与离地高度阀值范围；
S4：平行移动机构（1）根据对比结果调整水力采集机构（2）的离地高度。
10.根据权利要求9所述的用于水力采集机构离地高度的控制方法，其特征在于，所述平行移动机构（1）调节水力采集机构（2）的离地高度是通过伺服阀变位进行控制的。
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