CN108986251A - 重型机械的预测替换 - Google Patents

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Abstract

本发明提供用于预测工业机器的部件的替换的系统和方法。所述系统包括电子处理器，所述电子处理器被配置成：基于所述部件的当前尺寸和所述部件的历史尺寸来确定所述部件的磨损率，以及确定所述部件的替换成本。确定所述替换成本包括：基于用于替换所述部件的时间和在替换所述部件的时间期间所述工业机器的停机成本来确定用于替换所述部件的停机成本、确定替换所述部件的材料成本、以及确定与未替换所述部件相关的工业机器的运行成本。所述电子处理器还被配置成基于所述磨损率、所述替换成本和丢弃标准来确定用于所述部件的替换建议；以及输出所述替换建议。

Description

重型机械的预测替换
本申请要求于2017年5月30日提交的申请号为62/512,593的美国临时专利申请的优先权，其全部内容以参考的方式并入本申请。
技术领域
本申请所述的实施例涉及检测重型机器部件(重型机器齿)的磨损，更具体地说，涉及使用检测到的磨损来预测何时应替换或修理这些部件。
背景技术
重型机器(例如，采矿设备，诸如拉铲挖掘机和铲车)通常包括随时间磨损的部件。例如，铲车和挖掘机包括带有地面接合工具(GET，比如钢齿)的铲斗。挖入地 面时，齿比铲斗提供更小的表面积。表面积的较小点有助于打碎泥土，并且比铲斗的 较大表面积仅需要更小的力。另外，随着齿的磨损，可替换齿而无需更换铲斗。
发明内容
齿的磨损水平影响机器的生产力。例如，磨损的齿可能需要力来穿透物料。因此，应根据需要识别和更换磨损的齿，以保持适当的生产力水平。一些监测齿磨损的方法 是主观的和不一致的。例如，经验丰富的采矿人员可在视觉上检查齿的磨损并基于感 觉到的磨损程度和历史经验估计何时应该替换齿。然而，由于机器的位置、采矿环境 中的其他机器或其他物体、灰尘和碎屑等，这些人员在机器的主动运行期间可能无法 在视觉上看到齿。此外，即使齿可见，替换决定也是主观的。因此，齿可能被替换得 太早，这是昂贵的并导致机器不必要的停机。相反，齿被允许磨损超过最佳磨损水平， 这可能会导致生产力下降、机器损坏或机器故障。同样，即使使用自动化系统检测齿 的磨损程度，人员仍然需要在替换齿时作出主观判断，这会重新引入错误或不一致的 可能性，并且可能无法考虑其他因素，如生产力水平、停机考量、采矿条件或影响齿 磨损率的其他因素。
因此，在此描述的实施例提供了用于检测机器磨损(例如，齿磨损)并使用检测 到的磨损来预测机器的工具或部件何时应被替换或修理的方法和系统。一种系统包括 磨损检测装置和控制器。所述磨损检测装置收集关于在工业机器上的地面接合工具的 数据。在一些实施例中，磨损检测装置使用光检测及测距技术来收集所述数据。例如， 磨损检测装置可包括安装在工业机器上的至少一个光源和至少一个传感器。当工业机 器是铲车时，磨损检测装置可安装在铲车的滑轮上，柄指向铲车的铲斗，铲斗包括多 个可拆卸的齿。
控制器被配置成从磨损检测装置接收数据、基于所述数据来自动确定地面接合工具的磨损水平，并基于磨损水平来自动预测用于所述地面接合工具的替换时间。在一 些实施例中，控制器被配置成通过基于工业机器的使用和历史磨损率而预测用于地面 接合工具的未来磨损水平，以自动预测替换时间。控制器还可考虑执行替换(停机、 材料、人力)的成本以及工业机器上的替换所产生的生产力效果，以确定优化的替换 时间。
控制器还被配置成输出替换时间，输出所述替换时间包括实时向至少一个显示器输出所述替换时间。控制器还可将替换时间输出至数据库，所述数据库可从多个工业 机器中的每个工业机器收集替换数据。所述数据库可由至少一个用户装置访问以允许 用户查看和管理一个或多个工业机器的替换策略和调度表，即使在用户远离所述工业 机器的位置时也是如此。
例如，一个实施例提供一种用于预测工业机器部件的替换的系统。所述系统包括电子处理器，所述电子处理器被配置成：基于所述部件的当前尺寸和所述部件的历史 尺寸来确定所述部件的磨损率，以及确定所述部件的替换成本。确定所述替换成本包 括：基于用于替换所述部件的时间和在替换所述部件的时间期间所述工业机器的停机 成本来确定用于替换所述部件的停机成本、确定替换所述部件的材料成本、以及确定 与未替换所述部件相关的工业机器的运行成本。所述电子处理器还被配置成基于所述 磨损率、替换成本和丢弃标准来确定用于所述部件的替换建议；以及输出所述替换建 议。
另一个实施例提供一种用于预测工业机器中包括的部件的替换的方法。所述方法包括：使用电子处理器接收由磨损检测装置收集的数据，所述数据表示所述部件的当 前尺寸；以及使用所述电子处理器将所述部件的当前尺寸与丢弃标准比较，所述丢弃 标准包括所述部件的丢弃尺寸。响应于所述部件的当前尺寸小于所述部件的丢弃尺 寸，所述方法包括丢弃所述部件。响应于所述部件的当前尺寸大于所述部件的丢弃尺 寸，所述方法包括使用所述电子处理器确定在未来时间所述部件的虚拟测量值，使用 所述电子处理器将所述部件的虚拟测量值与所述丢弃尺寸比较，以及响应于所述部件 的虚拟测量值小于所述丢弃尺寸，使用所述电子处理器将所述部件添加到用过的部件 库中。
又一个实施例提供一种存储指令的非暂时性计算机可读介质，当由所述电子处理器执行时，所述指令执行一组功能。所述一组功能包括：确定多种布置中的每一种布 置的工业机器的部件的替换成本；基于与所述多种布置中的每一种布置相关的替换成 本来确定所述部件的替换建议；以及输出所述替换建议。确定所述替换成本包括：基 于用于替换所述部件的时间和在替换所述部件的时间期间所述工业机器的停机成本 来确定用于替换所述部件的停机成本、确定替换所述部件的材料成本、以及确定与未 替换所述部件相关的工业机器的运行成本；
通过考虑详细描述和附图，本发明的其它方面将变得显而易见。
附图说明
图1是铲车的侧视图。
图2A是图1铲车使用的齿的透视图。
图2B是图2A的齿的俯视图。
图2C是图2A的齿的侧视图。
图3是2A的齿的侧视图，其示出了多种磨损水平。
图4示意性示出了用于检测图1所示铲车包括的齿的磨损并预测该齿的替换时间的自动化系统。
图5示出了图4系统中包括的磨损检测装置。
图6、7和8示出了图5所示磨损检测装置安装在图1所示铲车上。
图9是根据一些实施例的、由图4所示系统执行的预测替换过程的流程图。
图10是根据一些实施例的、由图4所示系统执行的消耗品拆卸算法的流程图。
具体实施方式
在详细说明本发明的任何实施例之前，应理解，本发明的应用不限于以下描述中阐述的或附图中示出的部件的构造和布置的细节。本发明可以具有其他实施例并且能 够以各种方式实践或执行。
而且，应理解，本发明使用的措辞和术语是为了描述的目的，而不应该被认为是限制性的。本文中“包括”、“包含”或“具有”及其变体的使用意在包括其后列出的项目 及其等同物，以及附加的项目。术语“安装”、“连接”和“耦接”广泛地使用并且包括直 接和间接安装、连接和耦合。另外，“连接”和“耦接”不限于物理或机械的连接或耦 接，而是可包括电连接或耦接，无论是直接还是间接。此外，电子通信和通知可使用 任何已知的手段来执行，包括直接连接、无线连接等。
还应该注意，可利用多个基于硬件和软件的设备以及多个不同的结构部件来实现本发明。此外，应理解，本发明的实施例可包括硬件、软件和电子组件或模块，为了 说明目的，其可被图示和描述为诸如大多数部件仅以硬件实现。然而，本领域普通技 术人员基于阅读该详细描述将认识到，在至少一个实施例中，本发明的基于电子的方 面可通过由一个或多个电子处理器执行的软件(例如，存储在非临时性计算机可读介 质上)实施。因此，还应该注意，可利用多个基于硬件和软件的设备以及多个不同的 结构部件来实施本发明。例如，说明书中描述的“控制单元”和“控制器”可包括一个或 多个电子处理器、包括非暂时性计算机可读介质的一个或多个存储器模块、一个或多 个输入/输出接口以及连接部件的各种连接装置(例如，系统总线)。
图1示出了铲车100。虽然在此参照铲车100说明了实施例，但本发明不限于铲 车100。相反，本发明所述的方法和系统可与其他类型的铲车和其他类型的机器和重 型机械一起使用。同样，虽然本发明参照检测包括在铲车中的齿的磨损和预测其替换 或维修来进行说明，但本发明所述方法和系统可用来为可能随时间磨损的其他类型的 机器部件(包括铲车中有的其他地面接合工具(GET))来检测磨损并预测替换。
铲车100包括支撑在驱动履带110上的移动基座105。移动基座105支撑转台115 和机械甲板120。转台115允许机械甲板120相对于基座105进行转动(例如，约360 度的转动)。悬臂125在接合点130处可枢转地连接至机械甲板120。悬臂125通过 拉索135形式的支架或龙门架相对于甲板120保持向上且向外延伸的关系，拉索135 锚定至刚性安装在机械甲板120上的撑杆结构145的后撑杆140。
铲车100还包括铲斗150，铲斗150包括多个重型机械齿152(在此单独称为“齿152”，也统称为“齿152”或“唇部”)。铲斗150由柔性提升绳索或缆绳155从滑轮160 悬挂出来。缆绳155锚接至安装在机械甲板120上的绞车鼓轮165。当绞车鼓轮165 旋转时，缆绳155被放出或拉入，以降低或升高铲斗150。滑轮160引导缆绳155中 的张力，以在铲斗150上直线向上拉动来产生有效的挖掘力。铲斗150刚性附接至臂 或手柄170。手柄170可滑动地支撑在鞍座块175上，鞍座块175在接合点180处可 枢转地安装在悬臂125上。手柄170具有接合安装在鞍座块175中的驱动小齿轮或运 送轴(未示出)的齿条-齿结构(未示出)。驱动小齿轮由电动机和传动单元185驱 动，以相对于鞍座块175伸出和缩回手柄170。铲斗150还包括铲斗门190(参见图6、 7和8)，铲斗门190被松开(打开)以允许倾倒包含在铲斗150中的物料。
齿152中的一个或多个可拆卸地附接至铲斗150。图2A-2C示出了齿152的一个 实施例。齿152由刚性材料形成，例如钢。如图2A所示，齿152包括工作端200和 与工作端相对的安装端202。工作端200设计成与工作物料(例如，石头，岩石，碎 石等)相互作用。安装端202设计成可拆卸地将齿152耦接至铲斗150。在一些实施 例中，安装端202直接附接至铲斗150。在其他实施例中，安装端202间接附接至铲 斗150，比如，通过将齿152耦接至铲斗150的适配器(安装支架)或另一中间装置。 如图2A-2C所示，齿152包括顶面204a、左侧面204b、右侧面204c和底面204d。 如在本申请中所使用的“左”和“右”参考从安装端202到工作端200测量的视角。在一 些实施例中，齿152由钢模制而成。
当铲车100挖掘时，齿152由于与工作物料相互作用而受到磨损。例如，齿152 受到的磨损水平取决于工作物料(例如，更粗糙的物料相对于较不粗糙的物料对齿152 造成更大的磨损)、齿152的使用持续时间(例如，较长的使用持续时间通常会比较 短的使用持续时间对齿152造成更大的磨损)或其组合。图3示出了齿152的多个磨 损水平。特别地，图3示出了齿152的第一磨损水平206、第二磨损水平208和第三 磨损水平210。更接近安装端202的磨损水平被认为比更接近工作端200的磨损水平 更高或更大(例如，更多的齿152的材料受到磨损)。例如，第一磨损水平206表示 比第二磨损水平208更低的磨损水平，而第二磨损水平208表示比第三磨损水平210 更低的磨损水平。
如上所述，当齿152磨损时，采矿生产可能会受到影响，因为一般来说，钝的或 磨损的齿可能不会像未磨损的齿那样有效地穿透或挖掘工作物料。然而，太频繁地替 换齿152在铲车100的机器部件和停机方面都是代价高的。同样，使齿152受到更多 的磨损在生产上也是代价高的。
因此，图4示意性示出了自动系统300，自动系统300检测齿152的磨损并预测 何时应替换齿152。如在本申请中所使用的，“替换”齿包括(i)拆下齿并用新齿或用 过的齿(来自用过的齿库)来替换该齿，(ii)将齿与用过的齿调换，该用过的齿可 以在用过的齿库中，或是当前安装在铲车100上的另一个齿，或者(iii)修复齿。基 于当前齿在其当前位置的磨损率，当直到随后的维护时机为止齿无法维持(保持大于 丢弃长度的长度)时，那么就可能需要拆下齿。例如，维护时机可能定期出现，比如， 大约每天或每隔一天。如果拆下的齿在其当前位置无法持久，但在另一位置(比如具 有较低磨损率的位置)可以持久，则可将拆下的齿添加到用过的齿库中(在本发明中 有时被称为“用过的库”)。
当需要拆下齿时，可能会进行调换(参见上一段)，但也可能在不需要拆下齿时 进行调换。例如，如下更详细所述，可在下面描述的方法期间评估重新布置当前安装 的齿，以确定在给定时间调换齿是否具有成本效益。因此，即使根据丢弃标准不要求 拆下齿，齿也可被调换。如上所述，调换所包含的齿可包括一个或多个来自用过的库 中的齿、当前安装在铲车100上的其他齿，或其组合。例如，即使在特定时间点用过 的库中没有齿，当将齿拆下作为调换的一部分时，调换当前安装的齿在技术上向用过 的库中添加了齿。例如，如果唇部包括九个齿，则所有这些齿都可被视为用过的库的 一部分，以作为潜在调换的一部分，这样可在所有布置中对所有位置进行评估。
如图4所示，系统300包括磨损检测装置302，其被配置成检测齿152的磨损水 平。磨损检测装置302可使用各种技术来检测齿152的磨损水平。例如，磨损检测装 置302可使用光、雷达、红外技术、射频识别、超声波技术、图像数据中的目标识别 或其他形式的非接触检测来检测齿152的大小(一个或多个尺寸)，该大小用于确定 齿152的磨损水平。在一些实施例中，磨损检测装置302包括一个或多个安装在铲车 100上或远离铲车100安装的传感器。传感器可定位成在倾倒动作期间，或者在铲车100或铲斗150的另一预定动作或状态期间观察齿152。例如，传感器可被配置成在 满足一个或多个条件时收集数据，比如，当铲斗门190已经被松开(打开)且齿152 暴露时。因此，在该情况下，传感器可收集每次从铲斗150倾倒物料时的数据。为了 确定条件是否满足，传感器可与铲车100中包含的其他系统或控制装置进行通信，比 如，铲斗门传感器。在其他实施例中，传感器可重复收集数据，而不管是否满足任何 条件。在该情况下，所收集的数据可随后被处理，以识别与铲车100的其他部件或采 矿环境内的其他物体(比如，工作物料)相比的、与齿152有关的收集数据。
在一个实施例中，磨损检测装置302包括光检测及测距技术(LIDAR)装置，如 图5所示。LIDAR技术通过用脉冲激光照射目标并用传感器测量反射脉冲来测量到目 标的距离。返回时间差和反射脉冲波长用于生成目标的数字表示(点云数据)。因此， 在如图5所示的实施例中，磨损检测装置302包括一个或多个光源304，和一个或多 个光传感器306。光源304包括配置成产生光脉冲的激光器，且这些光脉冲的反射由 光传感器306检测。光源304和光传感器306可安装在支架308上，支架308允许磨 损检测装置302安装到铲车100上。例如，如图6、7和8所示，支架308可安装在 滑轮160上，从而光源304可直接朝向齿152。如图6、7和8所示，当铲斗门190 关闭时，铲斗门190可阻挡一个或多个齿152的至少一部分。因此，如上所述，光源 304、光传感器306或二者可被配置成当铲斗门190被松开(打开)时启动和收集数 据，以使得齿152的视线被较少地遮挡。应当理解，图6、7和8所示的磨损检测装 置302的配置和位置表示一种可能的配置和位置，其他配置和位置(在铲车100上和 远离铲车100)是可能的。
如图4所示，控制器310与磨损检测装置302通信，且具体地接收由磨损检测装 置302收集(或由其生成)的数据。在一些实施例中，控制器310包括在磨损检测装 置302中或包括在与磨损检测装置302共用的壳体中。在其他实施例中，控制器310 远离磨损检测装置302(在铲车100上或远离铲车100)，并通过有线或无线连接与 磨损检测装置302通信。应当理解，磨损检测设备302和控制器310可直接或者通过 一个或多个中间装置(路由器、网关、中继器等)进行通信。另外，在一些实施例中， 控制器310与多个磨损检测装置302通信。
如图4所示，控制器310包括电子处理器312(例如微处理器、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或被配置成处理数据的其他合适的电子装置)、 存储装置314和通信接口316。在一些实施例中，控制器310还包括人机界面(HMI) 318。电子处理器312、存储装置314、通信接口316和(可选的)HMI 318通过一个 或多个通信线路或者总线、无线地、或者其组合进行通信耦接。应当理解，在其他构 造中，控制器310包括与图4所示那些相比附加的、较少的或不同的部件。
控制器310通过通信接口316与磨损检测装置302通信。在一些实施例中，通信 接口316包括无线收发器，用于与磨损检测装置302进行无线通信，比如，用于通过 通信网络(例如，互联网、局域网、Wi-Fi、蓝牙或其组合)进行通信的射频(RF) 收发器。替代地或附加地，通信接口316可包括用于接收电缆(诸如以太网电缆)的 端口，以用于与磨损检测装置302(通过专用有线连接或通过通信网络)通信。在一 些实施例中，磨损检测装置302包括类似的通信接口。
存储装置314包括存储程序指令和数据的非暂时性计算机可读存储介质。电子处理器312被配置成从存储装置314检索指令并执行指令以实现包括本发明所述方法的 一组功能。HMI 318从用户接收输入并向用户提供输出，所述用户例如是负责监视齿 152并根据需要替换齿152的采矿人员。HMI 318可包括键盘、小键盘、麦克风、相 机、光标控制设备(例如，鼠标、操纵杆、轨迹球、触摸板等)、显示器(例如，液 晶显示器(LCD)、发光二极管(LED)显示器、触摸屏)、扬声器或其组合。
控制器310(电子处理器312通过执行指令)将由磨损检测装置302收集的数据 转换成齿152的一个或多个参数，比如，齿152的大小(至少一个尺寸)(例如，长 度、宽度、体积等)。控制器310使用齿152的这些参数来预测替换齿152的有效时 间(替换时间)。如上所述，替换齿152包括移动铲斗150上的齿152的位置、从铲 斗150拆下齿152并在其位置安装新齿152，或在一些实施例中修复齿152。当预测 替换时间时，控制器310也可考虑其他因素。例如，当预测替换时间时，控制器310 可考虑挖掘路径、物料堆的形状和大小、碎片以及特定齿152的先前磨损历史。控制 器310可实时或接近实时地考虑这些参数中的全部或一些，这允许控制器310实时或 接近实时地提供替换时间。如在本申请中所使用的，“实时”意指与一个或多个参数的 实际值同时(例如，在毫秒内)。因此，当齿152的磨损水平或由控制器310考虑的 其他参数改变时，控制器310可提供更新的预测替换时间和相关替换信息。
基于与实际检测到的磨损相关的因素以及有效的替换策略、相似部件的磨损、替换时间、生产率效益和替换成本来确定推荐替换时间的能力，能够允许控制器310提 供优化的替换策略。例如，在一些实施例中，控制器310基于与能量使用相关的铲车 100的性能因素来预测齿的替换，这允许控制器310确定替换齿152的成本在特定时 间是否更有利于管理(节省)铲车的能量消耗。
在一些实施例中，除了预测齿的替换时间之外，控制器310还被配置为确定替换齿的类型。例如，控制器310可访问控制器310可使用的库存信息来确定在替换齿152 时何种类型的齿(新的、翻新的、型号等)可用或将可用。另外，考虑到当前齿152 的磨损率，控制器310可被配置为推荐最适合于采矿条件的一种替换齿152。例如， 当齿152比预期磨损更快时，控制器310可建议使用构造成承受更高的挖掘力的齿152 来替换磨损的齿152，或使用设计成在特定采矿条件下工作(比如，硬质工作物料) 的齿152来替换磨损的齿152。还应理解，除了检测磨损的齿152并提供替换时间之 外，控制器310还可配置成检测破损或缺失的齿152并预测替换这些齿152的替换时 间。
在预测替换时间(和其他替换信息)之后，控制器310可将该信息输出给用户(诸如机器操作员)。该信息可通过包含在控制器310中的HMI 318输出。替代地或附加 地，控制器310可将该信息传输到远程装置，比如铲车100的驾驶室中包含的显示器， 以向用户显示。无论信息显示在何处，输出的信息都可显示在一个或多个图形用户界 面(GUI)内。在一些实施例中，输出的信息可包括天数、工作时间或直到替换的剩 余挖掘周期或实际的替换日期或时间。当已经检测到特定的磨损水平或者当齿152没 有如推荐的那样被替换时，警报和其他通知也可被显示(或通过电子邮件、文本消息 等单独发送)。因此，由控制器310输出的信息可识别或警告操作员一个或多个情况， 包括但不限于，何时应该安排替换，何时由于齿磨损、临界齿磨损等而导致生产率或 生产率损失下降到特定阈值以下。
控制器310可被配置成以各种频率或响应于各种触发事件来输出该信息，这可基于用户偏好。例如，在一些实施例中，控制器310可实时或接近实时地输出预测的替 换时间。在其他实施例中，当这些时间发生时(或它们发生之前的预定时间)，控制 器310可输出预测的替换时间以提醒机器操作员即将到来的替换。
在一些实施例中，控制器310还将预测的替换时间(和其他替换信息)存储至一 个或多个数据库或服务器。例如，如图4所示，控制器310可与数据库320通信。控 制器310可直接经由通信接口316(例如，经由RF发射器或有线连接)或通过通信 网络与数据库320通信。同样在一些实施例中，控制器310通过一个或多个中间装置 与数据库320通信。例如，当控制器310以无线方式与数据库320通信时，铲车100 可能移出数据库320的范围并失去其与数据库320的连接。在这些情况下，中间装置 可用作控制器310和数据库320之间的中继，这消除了关闭或移动控制器310的需要。
如图4所示，可由一个或多个用户装置330访问(直接或通过通信网络)数据库320。用户装置330可包括便携式计算机、台式计算机、平板电脑、智能手表、智能 电话等，并可包括与上述控制器310类似的部件。通过用户装置330，用户可远程访 问替换信息，例如通过与现场提供的GUI或其他类型的报告或仪表板相似的GUI。通 过数据库320可访问的替换信息可与一个或多个不同的铲车(或其他类型的机器)相 关联。例如，每个挖掘机(或其他机器)可与类似于上述控制器310的控制器相关联， 且这些控制器中的每一个可将相应的替换信息报告给数据库320。因此，通过用户装 置330，用户可访问整个矿区或在不同矿山或地点运行的大型机器的(实时)替换信 息。用户可使用这些信息来管理多台机器的替换，这可进一步提高替换的有效管理水 平。例如，用户可安排一台机器的替换以协调其他机器的替换(以有效利用维护团队 或防止多台挖掘机同时停机维护)。在一些实施例中，控制器310还可被配置为访问 其他机器的替换信息并在当预测如上所述的替换时间时使用该信息。
应当理解，在一些实施例中，控制器310在本地(在存储装置314内)存储替换 信息，用户装置330访问在控制器310上存储的信息，而不是访问存储在数据库320 中的信息，或作为访问存储在数据库320中的信息的附加选项。同样，在一些实施例 中，上面关于控制器310描述的功能的至少一部分可由数据库320或另一装置来执行。 换句话说，上面描述的用于控制器310的功能可以通过各种配置分布在多个装置之间。
图9示出了根据一个实施例的所述由控制器310(电子处理器312通过执行指令)执行的方法900，以检测机器磨损并自动预测替换。然而，应当理解，方法900的各 部分可由其他部件执行，包括例如磨损检测装置302、数据库320、一个或多个服务 器(包括在云计算环境中提供的服务器)或其组合。这里描述的方法900根据齿152 的长度来检测磨损水平。然而，如上所述，这仅仅是方法900的一个示例应用，方法 900可应用于其他类型的GET，其中磨损水平可被不同地检测或者定义。另外，图9 所示的方法900包括功能步骤以及可被用作特定功能步骤的一部分的描述数据的一些 数据输入步骤。因此，与传统流程图相比，方法900被以图形方式表示为功能步骤和 数据输入或约束、中间步骤等的混合。
如图9所示，方法900包括获得GET的当前尺寸(方框902处)。如图9所示， 当前尺寸可根据检查频率来确定，该检查频率可由用户例如经由包含在控制器310中 的HMI 318来设置。检查频率定义在给定持续时间期间确定并记录当前磨损状态的时 间量。因此，检查频率可按照每个时间段的检查次数来定义。
还如图9所示，可手动地或以自动化的方式执行该检查，如使用上面关于磨损检测装置302所描述的LIDAR。在一些实施例中，用户可指定检查是手动还是自动地执 行，以作为指定检查频率的一部分。当手动记录时，这种检查可能需要停止并关闭机 器。因此，与执行手动磨损部件检查相关的停机存在成本。此外，机器的使用可能会 影响检查频率。例如，较低的利用率可提供更多的检查机会。进行更频繁的检查(和 相关的测量)，控制器310在预测替换时更有效。例如，当一天一次地在一个小时的 期间内手动执行一次检查时，不考虑一天中的其他二十三小时，这可能导致控制器310 忽略有效的维护时间。具体而言，尽管历史数据提供了对每个位置的磨损率以及物料 堆、物料、布置或其组合如何影响磨损率的理解，但是从一个小时到另一个小时可能 存在显著差异。因此，增加检查频率可提高磨损率准确度，从而提高预测准确性。
如上所述，可使用LIDAR技术或其他类型的位置感测或跟踪技术来以自动方式 检测GET的当前磨损水平。用于评估和记录GET的尺寸(例如长度)的自动化方法 允许控制器310以比使用用于评估和记录尺寸的手动方法时更高效且成本有效的方式 执行预测。具体来说，如上所述，手动记录要求现场人员评估GET的尺寸，这增加 了停机成本、总体安全风险，且没有优化替换时间。例如，利用LIDAR技术，检测 频率可无限增加而不增加成本。分析实时数据还可使磨损率朝着当前的运行状况加权 (例如，基于被挖掘的物料和物料堆)，而不是严重依赖历史数据，这提高了准确性、 可靠性和风险预防，并优化了决策方法900。
如图9所示，控制器310使用GET的当前尺寸(长度)来确定GET的磨损率(方 框904处)。在一些实施例中，控制器310使用存储在一个或多个数据库(例如，数 据库320)中的磨损数据来确定磨损率。例如，如图9所示，控制器310可访问包括 GET和机器(以及可选的其他类似机器)的历史尺寸、磨损率或两者的磨损数据以及 GET和机器(以及可选的其他类似机器)的特定操作状况下(例如特定物料、物料堆、 碎片等)的磨损数据。例如，GET测量值可手动记录，也可自动记录，以进入数据库。 每个记录还可与机器数据相关联，例如挖掘、挖掘持续时间、有效载荷、齿行程、消 耗的能量以及连接，控制器可用这些来确定磨损率。例如，磨损数据可存储GET的 先前记录的尺寸，控制器可将该尺寸与当前确定的尺寸进行比较，以计算GET的磨 损率。替代地或附加地，控制器310可访问关于其他GET或其他机器的历史磨损率 的数据或关于特定操作状况的磨损率的数据，控制器310可独立地使用这些数据作为 GET的磨损率，或与实际确定的磨损率结合使用以作为GET的磨损率。例如，使用 历史数据和实际的当前磨损资料可允许准确的替换预测。应当理解，在一些实施例中， 控制器310确定每个GET的磨损率。然而，在其他实施例中，控制器310可被配置 成确定多个部件的组合或合计(例如，平均)的磨损率。
如图9所示，控制器310使用所确定的磨损率(方框904处)来确定用于GET 的替换成本(方框906处)，其用于提供指定是否需要替换的输出(方框908处)， 如果需要，指定何时应进行替换。如上所述，输出可经由HMI 318、经由数据库320 或其组合来提供。输出可基于丢弃标准，该标准可由用户例如经由HMI 318输入。丢 弃标准可包括长度、体积、定义何时需要替换磨损部件的其他变量，或其组合。在一 些实施例中，丢弃标准与机器(铲车100)的性能不相关。作为替代，丢弃标准可由 下述方法限定：在部件从机器(适配器或其他锁定工具)脱离或致使适配器磨损而阻 止新部件替换当前部件的风险提高之前磨损部件能被磨损的最小量。
作为确定替换成本的一部分，控制器310可考虑位置改变度量、维护度量和未使用的材料度量。位置改变度量可确定执行替换所需的时间量(例如，在时间方面)， 而维护度量可考虑与在替换期间使机器关闭相关联的停机成本，其可基于机器或操作 环境(矿区)的调度表而变化。未使用的材料度量可考虑与丢弃当前GET相关的成 本以及当前或替换GET对机器的操作成本的影响。
例如，位置改变度量可指定维修度量，该维修度量基于GET类型来表示替换GET(安装新的或使用的部件)所需的时间量。这个时间可能包括关闭一个设备的最少时 间，然后为每个部件添加一个附加的添加物。在一些实施例中，这个时间由等式y＝mx +b指定。该方程中的变量“m”是根据一旦该机器被设置进行维护时与替换磨损部件相 关的时间研究来确定的。该值可能因被执行的替换类型(手动或自动)、GET的设计 或其组合而变化。例如，通过使用自动更换方法可减少与此变量相关的时间。
该等式中的变量“x”是位置改变度量，位置改变度量由需要从其当前状态改变的位置数量(例如，需要替换的GET的数量)确定。例如，当不需要改变位置时，该 变量的值可被设置为“0”。然而，当GET包括唇部且所有的齿152需要被替换时，该 变量的值可设置为“9”。
该等式中的变量“b”也可根据与接近操作设备相关的矿场特定要求(例如环境变量、安全实践、停工步骤和设备类型)的时间研究来确定。同样，该变量的值可能会 根据替换类型而有所不同。例如，通过使用自动更换方法可减少此变量的值。
如图9所示，以分钟为单位的维修度量、停机的成本和采矿计划可用于确定替换成本(方框906处)。停机成本可由机器在给定时间范围内(例如每分钟、每小时、 每天等)产生的货币(美元)操作量来定义。因此，维修度量(以分钟为单位)可乘 以停机成本以确定至少一部分替换成本。停机的成本可能会有所不同，因此可能会导 致恒定的或变化的输入。变化的输入可由运行或采矿计划定义。例如，开采矿石或物 料的类型以及多少卡车可用于装载可能会影响停机的成本。实际上，在一些情况下， 考虑到与采矿的调度表正确关联，例如，预防性维护日，停机成本可下降到零。相反， 在开采重矿体时，停机的成本可能非常高，以至于在任何长度大于丢弃标准的情况下， 替换磨损部件都可能是不合需要的。
如图9所示，用于确定替换成本的其他输入(方框906处)可包括GET的成本， 以及机器能量或运行的成本。GET的成本可能由单个部件的可用物料的成本决定。可 用物料定义为大于丢弃标准的所有物料。因此，GET的成本可能代表每个度量或单位 的未使用物料的货币金额(美元金额)。当拆下部件并且该部件不会被替换至新的位 置，未使用的物料将被丢弃并表示磨损的未使用美元。
机器(铲车)能量通过分析机器在运行期间(例如，在挖掘操作期间)消耗的能 量来确定。除了磨损部件的布置之外，挖掘期间消耗的能量多少可根据磨损部件的磨 损水平(长度)而变化。因此，较短磨损部件所消耗的能量的增加是影响替换成本的 变量，且最终决定是否以及何时应该执行替换。
如图9所示，在一些实施例中，控制器310确定用于GET的多种物理布置的替 换成本(方框906处)。例如，当GET包括唇部时，铲斗150中包括的一个或多个 齿152可与铲斗150上的现有齿152调换或重新排列，可用新齿152替换，或上述组 合。因此，在该示例中，控制器310可被配置为确定用于重新排列或调换现有的齿152、 替换一个齿152、替换两个齿152等等，以及包括用新齿替换所有现有的齿152的多 种组合在内的替换成本。因此，控制器310可被配置成评估如上所述的GET的每种 布置，以确定要采取的最有效的动作。
如上所述，替换成本(方框906处)用于生成指示是否建议更换GET的输出(方 框908处)。如果建议更换，可手动或以自动的方式执行更换。在一些实施例中，来 自控制器310的输出可指定或推荐一种类型的更换，或可提供与更换类型相关联的统 计，以便用户可权衡与每种类型相关联的成本。如图9所示，该输出可被控制器310 用作反馈以进一步改进预测。例如，当铲斗上的大量或全部齿152已经被替换时，检 查频率可在特定时间段内减少。替代地或附加地，在一个齿152被替换之后，可增加 检查频率以检测可能需要替换的其他齿152。同样，控制器310可被配置成基于替换 是手动执行还是以自动方式执行来修改在确定替换成本时使用的变量。
图10示出了用于确定是否拆下或调换GET(比如齿152)的替代性或补充方法1000。应当理解，方法1000可与如上所述的方法900一起使用或者作为方法900的 替代方案。例如，在一些实施例中，方法1000可用于在如上面关于方法900所描述 的那样确定替换成本之前确定是否建议部件的更换(拆下和替换或调换)。同样，在 一些实施例中，方法1000可用于检测那些虽然当前不满足丢弃标准但是可能在后续 检查或维护周期时满足标准的部件。此外，在一些实施例中，可执行方法900和1000 两者，以确定两个建议，并可比较建议以确定最终建议而进行输出。
如方法900一样，方法1000被描述为由控制器310执行(通过电子处理器312 执行指令)。然而，应当理解，方法1000的一些部分可由其他部件执行，包括例如， 磨损检测装置302、数据库320、一个或多个服务器(包括在云计算环境中提供的服 务器)或其组合。另外，同方法900一样，根据齿152的长度来检测磨损水平来描述 方法1000。然而，如上所述，这仅仅是方法1000的一个示例应用，且方法1000可应 用于其他类型的GET，其中磨损水平可被不同地检测或者定义。另外，图10所示的 方法1000包括功能步骤以及可被用作特定功能步骤的一部分的描述数据的一些数据 输入步骤。因此，与传统流程图相比，方法1000被以图形方式表示为功能步骤和数 据输入或约束、中间步骤等的混合。
如图10所示，方法1000包括获得消耗品(GET)的测量值，如上面关于图9所 述的长度Li(方框1002处)。测量值Li可表示当前时间T的测量值。将该测量值(方 框1004处)与丢弃标准(1003)比较，如上所述，可包括丢弃长度LC。当测量值Li小于丢弃标准LC时，消耗品被丢弃(方框1006处)。然而，当测量值Li不小于丢弃 标准LC(例如，大于丢弃标准)时，在未来时间为消耗品确定虚拟测量值(方框1108 处)。未来时间可基于标准维护周期Tm(1100)。标准维护周期Tm可指定发生维护 事件的标准或历史频率。例如，对于特定的机器或类型的机器或者对于特定的GET 或类型的GET，在历史角度上讲可每隔四十八小时执行一次维护事件。因此，标准维 护周期Tm可用于确定在下次维护事件中的消耗品的预测测量。在这方面，为了效率 的目的，尚未磨损到丢弃水平的消耗品可在当前维护事件期间被替换，以便完全消除 对未来维护事件的需要。
如图10所示，虚拟测量值还可基于机器调度使用(machine scheduleutilization) 度量(1112)，机器调度使用度量可从0％的使用变化到100％的使用。机器调度使 用度量可用于调整标准维护时间Tm，比如，通过考虑可能影响维护事件的频率的计划停机或机器的有限操作。替代地或附加地，机器调度使用度量112可用于调整消耗 品Wi(1114)的估计磨损率。如上面参考图9所示，磨损率可基于消耗品的历史记 录(测量值)以及可选的其他历史或标准数据来确定。因此，控制器310可被配置成 估计磨损率Wi(如可选地由机器调度使用度量调整的)并使用该磨损率Wi来估计在 当前时间T和下一次维护事件(T+Tm)之间发生的消耗品ΔLi(1116)磨损的虚拟 磨损量。控制器310从当前测量值Li中减去该虚拟磨损量ΔLi以生成虚拟测量值(方 框1008处)。如上所述，使用自动化检查在测量频率和磨损率预测相关准确性方面 提供了优势。
控制器310将虚拟测量结果(Li-ΔLi)与丢弃标准LC进行比较(方框1120处)。 当虚拟测量值(Li-ΔLi)不小于丢弃标准LC时，消耗品保持在机器上以继续使用(方 框1124处)。替代地，当虚拟测量值(Li-ΔLi)小于丢弃标准LC时，消耗品被替换 (方框1122处)。在一些实施例中，如果消耗品被拆下(相较于被调换或在用新部 件替换时被丢弃)，则消耗品也被添加到用过的库中，用过的库中包括在特定情况下 可能仍然在机器上使用的消耗品(因为消耗品的长度不低于丢弃标准LC)。可追踪 用过的库中消耗品的长度，并在这种情况下，添加到用过的库(Uk)中的消耗品的长 度可被设置为当前测量值Li。在一些实施例中，而不是将拆下的消耗品添加到用过的 库中，消耗品可与其他消耗品调换或重新排列，以最小化废弃物料并优化总体运行成 本。例如，基于例如消耗品成本、维护开销等，可应用各种阈值和算法来确定如何使 用拆下的消耗品。
因此，在此描述的方法和系统自动检测机器磨损，例如齿磨损，并使用检测到的磨损来自动预测工具或部件替换。所述方法和系统可通过监测实时或接近实时的磨损 水平并基于机器使用和相同机器或其他类似机器的历史磨损率度量而预测未来磨损 水平，来预测最有效的替换策略和时间。通过分析停机成本与机器性能和磨损关系相 结合，所述方法和系统可预测和规定优化生产率的替换。例如，所述方法和系统甚至 可通过在用户到达机器进行检查之前定义用户(维护人员)可接近的替换范围(人工、 物料、紧急性等)来减少机器停机。所述方法和系统从过程中去除了主观猜测、不确 定性和人员经验。另外，所述方法和系统优化了部件的使用，同时考虑了多个采矿管 理考量。此外，所述方法和系统在一个或多个用户装置可访问的一个或多个数据库中 收集替换信息。因此，即使当用户(例如，机器操作员)远离采矿环境时，用户也可 访问替换信息。通过查看考虑了磨损和生产率数据的机器部件的未来状态，所述方法 和系统提供了新的独特技术，用于监控和管理机器部件的替换。另外，应了解，尽管 本发明在检测齿磨损方面描述了实施例，但是所述方法和系统可用于检测包括其他类 型的地面接合工具的任何类型机器部件的磨损。另外，尽管这里根据采矿铲车或挖掘 铲车描述了实施例，但是所述方法和系统可与经历磨损的其他类型重型机器一起使 用。
在权利要求中阐述了本发明的各种特征和优点。

Claims (20)

1.一种用于预测工业机器的部件的替换的系统，其特征在于，所述系统包括：
电子处理器，所述电子处理器被配置成：
基于所述部件的当前尺寸和所述部件的历史尺寸来确定所述部件的磨损率，
确定所述部件的替换成本，其中确定所述替换成本包括：基于用于替换所述部件的时间和在替换所述部件的时间期间所述工业机器的停机成本来确定用于替换所述部件的停机成本、确定替换所述部件的材料成本、以及确定与未替换所述部件相关的工业机器的运行成本；
基于所述磨损率、所述替换成本和丢弃标准来确定用于所述部件的替换建议；以及
输出所述替换建议。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括磨损检测装置，所述磨损检测装置被配置成检测所述部件的当前尺寸。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述磨损检测装置包括光检测及测距装置。
4.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述工业机器包括挖掘铲车，所述部件包括所述挖掘铲车的铲斗中包含的齿，并且所述磨损检测装置安装在所述挖掘铲车上。
5.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述工业机器包括挖掘铲车，所述部件包括所述挖掘铲车的铲斗中包含的齿，并且所述磨损检测装置基于所述挖掘铲车的铲斗的位置来检测所述齿的磨损水平。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电子处理器远离所述工业机器。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述部件的当前尺寸包括所述部件的当前长度，并且所述丢弃标准包括与替换所述部件相关的所述部件的预定长度。
8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电子处理器被配置成基于所述部件的当前尺寸、所述部件的历史尺寸以及基于选自用于所述工业机器的磨损数据和用于所述工业机器的运行环境的磨损数据组成的群组中的至少一个数据来确定所述部件的磨损率。
9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电子处理器被配置成：通过基于所述工业机器的运行调度表而确定所述工业机器的每单位时间的停机成本，并通过将所述停机成本乘以用于替换所述部件的时间，从而确定所述停机成本。
10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电子处理器被配置成基于所述部件的当前尺寸中的、所述部件中可用材料的量来确定所述材料成本。
11.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电子处理器被配置成：基于与所述部件的当前尺寸相关的所述工业机器所消耗的能量的数量来确定与未替换所述部件相关的所述工业机器的运行成本。
12.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电子处理器还被配置成确定所述部件的多种布置中的每一种布置的替换成本。
13.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述替换建议包括所述部件的建议更换类型，所述建议更换类型包括选自以下类型组成的群组中的至少一种类型：拆除所述部件并使用另一部件替换所述部件，以及将所述部件与用过的部件进行调换。
14.一种用于预测工业机器中包括的部件的替换的方法，其特征在于，所述方法包括：
使用电子处理器接收由磨损检测装置收集的数据，所述数据表示所述部件的当前尺寸；
使用所述电子处理器将所述部件的当前尺寸与丢弃标准比较，所述丢弃标准包括所述部件的丢弃尺寸；
响应于所述部件的当前尺寸小于所述部件的丢弃尺寸，丢弃所述部件；以及
响应于所述部件的当前尺寸大于所述部件的丢弃尺寸，
使用所述电子处理器确定所述部件在未来时间的虚拟测量值，
使用所述电子处理器将所述部件的虚拟测量值与所述丢弃尺寸比较，以及
响应于所述部件的虚拟测量值小于所述丢弃尺寸，使用所述电子处理器将所述部件添加到用过的部件库中。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，确定所述部件的虚拟测量值包括：基于所述部件的磨损率和所述工业机器的调度使用来确定所述虚拟测量值。
16.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，确定所述部件在未来时间的虚拟测量值包括：确定在下一次维护事件时所述部件的虚拟测量值。
17.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：响应于所述部件的虚拟测量值大于所述丢弃尺寸，在所述工业机器上保持使用所述部件。
18.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：响应于所述部件的虚拟测量值小于所述丢弃尺寸，更换所述部件，其中更换所述部件包括以下操作中的至少一种：使用另一部件来替换所述部件，和使用用过的部件来调换所述部件。
19.一种存储指令的非暂时性计算机可读介质，其特征在于，当由电子处理器执行时，所述指令实现一组功能，所述一组功能包括：
确定多种布置中的每一种布置的工业机器的部件的替换成本，其中确定所述替换成本包括：基于用于替换所述部件的时间和在替换所述部件的时间期间所述工业机器的停机成本来确定用于替换所述部件的停机成本、确定替换所述部件的材料成本、以及确定与未替换所述部件相关的工业机器的运行成本；
基于与所述多种布置中的每一种布置相关的替换成本来确定所述部件的替换建议；以及
输出所述替换建议。
20.根据权利要求19所述的非暂时性计算机可读介质，其特征在于，所述一组功能还包括：基于所述部件的当前尺寸和所述部件的历史尺寸来确定所述部件的磨损率，并且确定用于所述多种布置中的每一种布置的替换建议包括：基于所述替换成本、所述磨损率和丢弃标准来确定所述多种布置中的每一种布置的替换建议。
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