CN108844495B - 一种自动测定散体外摩擦角的装置及测定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种自动测定散体外摩擦角的装置和方法，其包括：斜面仪、提升装置、监测装置及控制系统。斜面仪包括旋转槽，立式导轨，卧式导轨和滑块；旋转槽包括分别与一个滑块转动连接的前端和后端；前端的滑块与立式导轨滑动连接，后端的滑块与卧式导轨转动连接；提升装置与前端的滑块连接，并驱动其在立式导轨上竖直往复运动，监测装置用于测量旋转槽上的散体状态，提升装置和测量装置分别与控制系统数据连接，本发明提供的自动测定散体外摩擦角的装置，散体受力状态稳定，运动姿态对散体状态的影响小。精度高，响应快，数据准确，采用并行数据监测，数据可靠性高。实现自动测量，使得实验标准化，极大地降低了人为因素对测定结果的影响。
Description
技术领域
本发明涉及地下金属矿山采矿领域，尤其是一种自动测定散体外摩擦角的装置。
本发明还提供了一种自动测定散体外摩擦角的方法。
背景技术
在地下金属矿山采矿过程中，为了使崩落矿岩散体沿着放矿口翼面自由下滑，这个翼面倾角必须大于矿岩散体的外摩擦角。矿岩散体的外摩擦角是指散体沿着斜面或斜槽由静止状态转变为运动状态(开始下滑)的瞬间，这个斜面或斜槽与水平面的夹角。因此准确测定不同条件下矿岩散体的外摩擦角，对于改进矿山的结构参数、提高矿石的回收率以及研究放矿口翼面对散体流动规律的影响均具有重要的意义。
现有的一些实验设备包括一个旋转槽，旋转槽的一端与架子通过转轴转动连接，另一端可绕转轴转动，散体受旋转槽的推力上升，但是其运动不稳定，惯性导致的误差较大。
目前，在现有的测定实验中，均是人工提升、肉眼辨识、人工记录等，在实验过程中劳动强度较大、实验工序繁琐，且测定的外摩擦角受人为因素的影响较大，这在一定程度上降低了实验精度不利于对矿岩散体外摩擦角的科学研究。
发明内容
(一)要解决的技术问题
为了解决现有技术的上述问题，本发明提供一种自动提升、动态监测、数据记录与处理分析以及整个过程自动化控制的自动测定散体外摩擦角的装置。
(二)技术方案
为了达到上述目的，本发明提供一种自动测定散体外摩擦角的装置，其包括：斜面仪、提升装置、监测装置及控制系统；所述斜面仪包括旋转槽，立式导轨，卧式导轨和滑块；旋转槽包括前端和后端，所述前端和后端分别与一个滑块转动连接；立式导轨竖直设置，卧式导轨水平设置，所述前端的滑块与立式导轨滑动连接，所述后端的滑块与卧式导轨转动连接；所述提升装置与所述前端的滑块连接，并驱动所述前端的滑块在立式导轨上竖直往复运动，所述监测装置用于测量所述旋转槽之上盛放的散体状态，所述提升装置和测量装置分别与所述控制系统数据连接。
优选的，所述卧式导轨所在的方向为纵向，所述卧式导轨在横向上位于旋转槽的外侧，所述旋转槽的正下方设置有散体接收容器。
优选的，所述提升装置包括丝杠、丝杠螺母和电机；所述丝杠竖直设置，丝杠受电机的驱动沿自身轴线转动；所述丝杠螺母与丝杠螺纹配合，所述丝杠螺母与滑块固定连接。
进一步的，所述监测装置包括接近开关，所述接近开关用于测量所述电机输出轴的转动。
优选的，所述监测装置包括称重传感器，控制仪表和激光测距传感器；所述称重传感器位于旋转槽的底部，用于测量盛放的散体的重量，所述控制仪表与称重传感器数据连接并显示重量值，同时还与控制系统数据连接；所述激光测距传感器用于测量立式导轨上的滑块的运动距离，和/或卧式导轨上的滑块的运动距离，所述激光测距传感器与控制系统数据连接。
进一步的，包括左右两个激光测距传感器。
进一步的，所述控制系统包括PLC、电源模块、输入输出模块、交换机、空气开关、变频器、电脑和控制柜；所述电源模块通过空气开关与PLC连接，所述PLC通过输入输出模块与所述监测装置数据连接，所述PLC通过所述变频器控制所述提升装置，所述PLC通过交换机与所述电脑连接；所述PLC、电源模块、输入输出模块、交换机、空气开关和变频器设置于控制柜内。
本发明还提供了一种自动测定散体外摩擦角的方法，使用前述自动测定散体外摩擦角的装置，其包括如下步骤：S1：将散体放置于旋转槽内，旋转槽处于水平位置，此时监测装置侧得的散体重量为G；S2：旋转槽前端在提升装置的作用下竖直向上运动，旋转槽的后端水平向前运动，所述前端的转动连接和所述后端的转动连接的轴线间距离为l；监测装置实时监测旋转槽内散体的重量值变化，并且实时监测旋转槽前端滑块的提升高度h1；旋转槽的角度小于散体的外摩擦角α时，监测装置测得的重量值为理论值G′，
给定测得的重量值G″的合理范围为((1-a)G′，(1+a)G′)，a为重力阈值，根据取5％；当测得的重量值G″的不在合理区间内时，记录此时的h1，由
得到外摩擦角α。
优选的，S2中，还测量提升装置提升的高度h2，令
则，
得到外摩擦角α。
进一步的，S1包括如下步骤：S11，将散体放置于旋转槽内；S12，控制系统控制提升装置运行，监测装置监测提升装置状态，如果提升装置未运行，则执行故障报警，如果提升装置运行，则进行下一步；S13，控制系统确定监测装置的称重传感器和激光测距传感器的状态，若二者有任一一个处于非工作状态，则执行故障警报，若二者都处于工作状态，则使用激光测距传感器确定旋转槽是否处于水平位置，若处于，则执行S2，若不处于，则使用提升装置调整至水平，再执行S2，此时监测装置侧得的散体重量为G；S2还包括：接近开关实时监测电机，若电机未转动则停止程序并执行故障报警；两个激光测距传感器实时监测滑块的位置，测得的两个数值的差值大于设定范围c时，c为两个激光测距传感器横向距离的0.04倍～0.08倍，停止程序并执行故障报警；还包括S3：旋转槽提升至最高位置，再下降到水平位置，保存实验数据；程序结束。
(三)有益效果
本发明提供一种自动测定散体外摩擦角的装置，散体受力状态更稳定，运动姿态对散体状态的影响更小。精度高，响应快，数据准确，采用并行数据监测，数据可靠性更高。可以实现自动测量，使得实验条件标准化，极大地降低了人为因素对测定结果的影响。
本发明提供的自动测定散体外摩擦角的方法，省去了人力的操作，实现了自动测定散体外摩擦角，同时实时监测、实时记录数据，使得对实验现象的分析与总结更方便准确。
附图说明
图1为一种自定测定散体外摩擦角的装置的结构示意图；
图2为一种自定测定散体外摩擦角的装置的左视图；
图3为一种自定测定散体外摩擦角的装置的主视图；
图4为一种丝杠螺母的主视图；
图5为图4的俯视图；
图6为一种自定测定散体外摩擦角的装置的原理对比图；
图7为一种自动测定散体外摩擦角的方法。
【附图标记说明】
1：装置架；2：旋转槽；3：立式导轨；4：卧式导轨；5：滑块；6：散体接收容器；7：连接轴；8：立式轴承；9：丝杆；10：丝杆螺母；11：联轴器；12：电机；13：称重传感器；14；控制仪表；15：激光测距传感器；16：接近开关；17：PLC；18：变频器；19：电脑；20：控制柜。
具体实施方式
为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。
如图1、图2和图3所示，包括斜面仪、提升装置、监测装置以及控制系统。斜面仪与提升装置相互配合实现矿岩散体由静止状态转变为运动状态的过程，监测装置监测着矿岩散体是否由静止状态转变为运动状态，还可以监测提升装置的运动状态，控制系统通过连接斜面仪、提升装置以及监测装置。
斜面仪的装置架1上有竖直设置的立式导轨3和水平设置的卧式导轨4，二者组成一个直角结构，以立式导轨3的方向为Z，以卧式导轨4的方向为Y，与YZ面垂直的方向为X，则Y方向为纵向，X的方向为横向。图中有两根立式导轨3分设在旋转槽2的两侧，两根卧式导轨4也是分设在旋转槽2的两侧。
旋转槽2靠近立式导轨3的一端为前端，前端与连接轴7转动连接，转动连接的方向为水平横向，连接轴7的两端分别与同侧的立式导轨3上的滑块5固连。旋转槽2的后端结构与前端相同，后端的连接轴7两端和卧式导轨4上的滑块5连接。
旋转槽2的正下方设置有散体接收容器6，在旋转槽2运动过程中，散体从旋转槽2的后端落到散体接收容器6中，便于清理。
参考图6，图6所显示的即是YZ面内斜面仪的状态。旋转槽2前端的转动连接轴线在竖直面内的投影为一个点，同时后端转动连接轴线在竖直面内也投影为一个点，两个投影点连线即图6中的旋转槽2，其长度为l。前端转动连接轴线的投影点运动路线即图6中的立式导轨3，其运动高度为h1。图中设置旋转槽2承载散体的面与前后两转动连接轴线形成的平面平行，假如有夹角的话可以修正。旋转槽2的运动状态，实质是承载散体的面的位置状态，直接影响散体外摩擦角的测量精度。
斜面仪的旋转槽2前端沿着Z方向上升，同时后端沿着Y方向向前。旋转槽2整体由水平方向转动成与地面成一定夹角的斜向。图6中，散体的运动方向是受摩擦力的驱动指向旋转槽2，这样在散体脱离旋转槽2表面时没有附加的力影响，旋转槽2的运动对散体的运动状态影响较小，减少了对散体状态变化点判断的扰动，提升了精度。
图2所示，提升装置包括竖直设置的丝杠9，丝杠9下端通过立式轴承8与装置架1连接，上端受电机12的驱动。图中使用了联轴器11直接连接，也可以加设减速器。电机12在上的拉动方式更稳定。丝杠螺母10与丝杠9螺纹配合，同时丝杠螺母10与连接轴7固定连接。
丝杠9的转动能带动丝杠螺母10、连接轴7和卧式导轨上的滑块5整体向上或向下运动，进而带动旋转槽2运动。
提升装置和斜面仪的配合方式还可以是如下的结构，旋转槽2与前端的连接轴7固定连接，连接轴7和滑块5转动连接，连接轴7同时和丝杠螺母10转动连接，丝杠螺母10的转动连接和滑块5的转动连接同轴。
或者丝杠螺母10在自身电机的驱动下沿固定的丝杠9转动上升，丝杠螺母10如图4、图5所示，带有环槽，环槽在旋转时可以持续托举连接轴7，同时由于连接轴7受立式导轨3和滑块5的约束下只能竖直运动。或者提升装置本身构成了立式导轨3和滑块5，如滑块5为直线电机，沿立式导轨3直线运动。
图1参考图7，称重传感器13设置在旋转槽2的底部，用于称量旋转槽2内盛放的散体重量，至少设置一个称重传感器13，可以感应到散体滑离旋转槽2，还可以设置多个称重传感器，每个称重传感器13测量一个区域内对应的散体重量。
称重传感器13的测量信号传递给控制仪表14，控制仪表14可以显示测得的重量值，同时将重量值传递给控制系统的PLC17。每一个区域的测量信号独立记录，可以更好的分析运动状态，更好的确认计算外摩擦角。
旋转槽2前端上方的装支架1上设置了左右两个激光测距传感器15，当然也可以设置在下方。由于旋转槽2较宽，当左右两边运动同步性较差的时候，其会附加一个倾角，这样旋转槽2提供给散体的实际角度会与测量角度不符，造成误差。而设置拥有一定跨度的两个激光测距传感器15，可以使得旋转槽2的升降能够控制在竖直面内，防止空间翻转造成的误差。可以将两个激光传感器15设置在旋转槽2的两边，也可以是中部的适当位置，但两个激光传感器15之间的距离最好大于旋转槽2宽度的一半。
图1中的激光测距传感器15测量的是连接轴7，实际上也可以测量滑块5，本质上是为了测量旋转槽2前端的转动轴线的运动距离，即h1。激光测距传感器15测量的数值传递给PLC17。
接近开关16用于测量电机输出轴的转动，也可以使用编码器等。接近开关16也与PLC17数据连接。本实施例提供的控制系统为PLC控制系统，包括PLC17、电源模块、输入输出模块、交换机、空气开关、变频器18、电脑19和控制柜20，电源模块通过空气开关与PLC17连接，PLC17通过输入输出模块与监测装置数据连接，PLC17通过变频器18控制电机12，PLC17通过交换机与电脑19连接；PLC17、电源模块、输入输出模块、交换机、空气开关和变频器18设置于控制柜20内。也可以是其他类型芯片作为中央处理器控制各个模块，内置编程软件、监控软件。
基于本实施例提供的装置，介绍一种自动测量散体外摩擦角的方法，主要包括实验前检测控制、实验过程监测控制以及实验结束控制三大步骤，具体如下：
S1，实验前检测控制，
S11，将散体放置于旋转槽2中，平铺在旋转槽内；启动系统，输入或调取电机12的转速n、丝杠9的螺纹导程p，重力阈值a，激光测距传感器15差值范围c，等参数；
S12，PLC17控制变频器18使电机12转动一圈，此时接近开关16检测电机12是否转动，有转动信号执行S13，否则故障警报；
S13，PLC17确定称重传感器13和激光测距传感器15的状态，若二者有任一一个处于非工作状态，则执行故障警报，若二者都处于工作状态，则使用激光测距传感器15确定旋转槽2的高度位置，若为高度阈值h0，则处于水平位置，若不处于则控制电机12正转或反转，调整至水平；
S2，实验过程监测控制，
S21，S1完成后，可以程序自动开始也可以手动操作按钮开启电机12启动；
S22，接近开关16实时监测电机12，若电机12未转动则停止程序并执行故障报警；
两个激光测距传感器15实时监测滑块5的位置，测得的两个数值的差值大于设定范围c时，停止程序并执行故障报警；c为两个激光测距传感器15横向距离的0.04倍，当旋转槽2的宽度过大时，也可以为0.06倍；综合可以取0.04-0.08之间；
旋转槽2前端在提升装置的作用下竖直向上运动，旋转槽2的后端水平向前运动，在竖直面内，前端的转动连接和后端的转动连接的轴线间距离为l；监测装置实时监测旋转槽2内散体的重量值变化，并且实时监测旋转槽2前端滑块5的提升高度h1，h1为两个激光测距传感器15测量数值的均值，还测量提升装置提升的高度h2；
旋转槽2的角度小于散体的外摩擦角α时，监测装置测得的重量值为理论值G′，
给定测得的重量值G″的合理范围为((1-a)G′，(1+a)G′)，a根据传感器的精度、量程和一次装载的散体重量来计算得到，可以简化取5％，在此范围内意味着合理的数值波动，并不是散体滑移造成的信号突变；
当测得的重量值G″的不在合理区间内时，意味着散体由静止状态转变为运动状态，记录此时的h1，由
得到外摩擦角α；
或者由于h2＝pnt，t为电机开始转动至重量值G″的突变的时间，令
则，
得到外摩擦角α；
通过提升装置和监测装置两组数据并行测量再取均值，可以提升h的精确度；
S3，实验结束控制，
S31，电机12继续转动，旋转槽2提升到最大位置，此时旋转槽2内的散体已完全下滑到散体接收容器6内，方便下次试验使用设备，同时散体没有污染环境，被有效的收回。
S32，电机12关闭，PLC17通过变频器18变换电机12的转向，启动电机12，将旋转槽2下降到初始位置。
S33，电机12关闭，保存相关实验数据，等待下一次实验或关闭系统装置。
上实施例仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书不应理解为对本发明的限制。
Claims (9)
1.一种自动测定散体外摩擦角的装置，其特征在于，其包括：斜面仪、提升装置、监测装置及控制系统；
所述斜面仪包括旋转槽(2)，立式导轨(3)，卧式导轨(4)和滑块(5)；
旋转槽(2)包括前端和后端，所述前端和后端分别与一个滑块(5)转动连接；
立式导轨(3)竖直设置，卧式导轨(4)水平设置，所述前端的滑块(5)与立式导轨(3)滑动连接，所述后端的滑块(5)与卧式导轨(4)转动连接；
所述提升装置与所述前端的滑块(5)连接，并驱动所述前端的滑块(5)在立式导轨(3)上竖直往复运动，所述监测装置用于测量所述旋转槽(2)之上盛放的散体状态，所述提升装置和测量装置分别与所述控制系统数据连接；
所述监测装置包括称重传感器(13)，控制仪表(14)和激光测距传感器(15)；
所述称重传感器(13)位于旋转槽(2)的底部，用于测量盛放的散体的重量，所述控制仪表(14)与称重传感器(13)数据连接并显示重量值，同时还与控制系统数据连接；
所述激光测距传感器(15)用于测量立式导轨(3)上的滑块(5)的运动距离，和/或卧式导轨(4)上的滑块(5)的运动距离，所述激光测距传感器(15)与控制系统数据连接。
2.如权利要求1所述的自动测定散体外摩擦角的装置，其特征在于：所述卧式导轨(4)所在的方向为纵向，所述卧式导轨(4)在横向上位于旋转槽(2)的外侧，所述旋转槽(2)的正下方设置有散体接收容器(6)。
3.如权利要求1所述的自动测定散体外摩擦角的装置，其特征在于：所述提升装置包括丝杠(9)、丝杠螺母(10)和电机(12)；
所述丝杠(9)竖直设置，丝杠(9)受电机(12)的驱动沿自身轴线转动；
所述丝杠螺母(10)与丝杠(9)螺纹配合，所述丝杠螺母(10)与滑块(5)固定连接。
4.如权利要求3所述的自动测定散体外摩擦角的装置，其特征在于：所述监测装置包括接近开关(16)，所述接近开关(16)用于测量所述电机(12)输出轴的转动。
5.如权利要求1所述的自动测定散体外摩擦角的装置，其特征在于：包括左右两个激光测距传感器(15)。
6.如权利要求1至5任一所述的自动测定散体外摩擦角的装置，其特征在于：所述控制系统包括PLC(17)、电源模块、输入输出模块、交换机、空气开关、变频器(18)、电脑(19)和控制柜(20)；
所述电源模块通过空气开关与PLC(17)连接，所述PLC(17)通过输入输出模块与所述监测装置数据连接，所述PLC(17)通过所述变频器(18)控制所述提升装置，所述PLC(17)通过交换机与所述电脑(19)连接；
所述PLC(17)、电源模块、输入输出模块、交换机、空气开关和变频器(18)设置于控制柜(20)内。
7.一种自动测定散体外摩擦角的方法，其特征在于，使用如权利要求1所述自动测定散体外摩擦角的装置，其包括如下步骤：
S1：将散体放置于旋转槽(2)内，旋转槽(2)处于水平位置，此时监测装置侧得的散体重量为G；
S2：旋转槽(2)前端在提升装置的作用下竖直向上运动，旋转槽(2)的后端水平向前运动，所述前端的转动连接和所述后端的转动连接的轴线间距离为l；监测装置实时监测旋转槽(2)内散体的重量值变化，并且实时监测旋转槽(2)前端滑块(5)的提升高度h1；旋转槽(2)的角度小于散体的外摩擦角α时，监测装置测得的重量值为理论值G′，
给定测得的重量值G″的合理范围为((1-a)G′，(1+a)G′)，a为重力阈值，取5％；
当测得的重量值G″的不在合理区间内时，记录此时的h1，由
得到外摩擦角α。
8.如权利要求7所述的自动测定散体外摩擦角的方法，其特征在于：
S2中，还测量提升装置提升的高度h2，令
则，
得到外摩擦角α。
9.如权利要求7或8所述的自动测定散体外摩擦角的方法，其特征在于，S1包括如下步骤：
S11，将散体放置于旋转槽(2)内；
S12，控制系统控制提升装置运行，监测装置监测提升装置状态，如果提升装置未运行，则执行故障报警，如果提升装置运行，则进行下一步；
S13，控制系统确定监测装置的称重传感器(13)和激光测距传感器(15)的状态，若二者有任一一个处于非工作状态，则执行故障警报，若二者都处于工作状态，则使用激光测距传感器(15)确定旋转槽(2)是否处于水平位置，若处于，则执行S2，若不处于，则使用提升装置调整至水平，再执行S2，此时监测装置侧得的散体重量为G；
S2还包括：接近开关(16)实时监测电机(12)，若电机(12)未转动则停止程序并执行故障报警；
两个激光测距传感器(15)实时监测滑块(5)的位置，测得的两个数值的差值大于设定范围c时，c取两个激光测距传感器(15)横向距离的0.04倍～0.08倍，停止程序并执行故障报警；
还包括S3：旋转槽(2)提升至最高位置，再下降到水平位置，保存实验数据；程序结束。
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