CN112834183A - 自动识别轮斗挖掘机斗齿健康状态的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种自动识别轮斗挖掘机斗齿健康状态的装置及方法，涉及露天煤开采领域。该方法利用红外线光电感应传感器漫反射接近开关对斗齿进行监测，斗齿每旋转一周经过斗轮遮挡板时都会对采集到的开关量数据进行判断，若开关量数据有变化则判断斗齿有脱落风险。该方法能够提前对斗齿是否脱落进行预警，减少造成停工停产，能够保证生产过程安全可靠的进行。该方法采用的设备简单，易于实现，成本低，便于布设及安装，为矿山的安全开采提供了夯实的基础。
Description
技术领域
本发明涉及露天煤开采领域,特别涉及一种自动识别轮斗挖掘机斗齿健康状态的装置及方法。
背景技术
轮斗挖掘机主要应用于露天煤矿开采，但是由于露天煤矿的煤层赋存条件复杂，存在夹矸情况。对于正常工作时的轮斗挖掘机影响较大，一旦出现斗齿断裂、掉落等情况可能会割伤轮斗受料臂皮带、排料臂皮带、带式输送机皮带等,造成轮斗连续系统停产等情况发生，后续还会产生一系列的安全隐患。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种自动识别轮斗挖掘机斗齿健康状态的装置及方法。
本发明所采用的技术方案是：一种自动识别轮斗挖掘机斗齿健康状态的装置,包括PLC控制器，其技术要点是，包括调节支架及安装在调节支架上的红外线光电感应传感器漫反射接近开关，所述的调节支架固定在轮斗上且位于斗轮体遮挡板的上方，所述的调节支架包括三角形支撑骨架和带有安装孔的安装板，所述的支撑骨架一个顶点与安装板一端焊接，安装板另一端焊接在与支撑骨架顶点对应的底边上；红外线光电感应传感器漫反射接近开关安装在安装板的安装孔内,红外线光电感应传感器漫反射接近开关与PLC控制器通讯连接。
一种自动识别轮斗挖掘机斗齿健康状态的方法，其技术要点是，包括以下步骤：
调节红外线光电感应传感器漫反射接近开关的角度，使各红外线光电感应传感器漫反射接近开关分别与进入监测范围内的斗轮体上的各铲斗斗齿一一对应；单独布设一个中心红外线光电感应传感器漫反射接近开关，其角度与靠近它的位于中心的两个红外线光电感应传感器漫反射接近开关一致，用于监测铲斗上两个中心斗齿之间未被遮挡物遮挡的方向上的开关量值；
实时获取红外线光电感应传感器漫反射接近开关的开关量数据的步骤，首先手动测量斗轮体遮挡板与轮斗最近铲斗斗齿之间的距离L；然后获取铲斗斗齿厚度h；调节接近开关监测距离N，若N满足L≤N≤L+h，则开始数据采集；
数据融合和处理的步骤；实时采集轮斗斗轮自转转速和自转电流数据；将采集到的开关量数据、时间数据与上述轮斗斗轮自转转速和自转电流数据进行数据融合形成数组，并以时间步长法进行存储；
判断斗齿健康状态的步骤；具体包括：
比较同一数组中的由中心红外线光电感应传感器漫反射接近开关采集到的开关量值，在一个周期后，该段时间内数组中的其余数据存在0，则认为该位置的斗齿掉落或损坏；
依据轮斗斗轮自转转速和自转电流计算铲斗受外力的大小，若斗齿受力突然增加，即采集轮斗自转转速和电流的某一项突然增加，达到斗齿最大抗剪切力和抗弯力，则可间接确定斗齿掉落或损坏；
反馈实时信息的步骤，将轮斗斗齿健康状态判断信息实时反馈给轮斗司机，以预警预报的形式提示司机，如果问题较为严重，可随时提示司机停机检查，降低轮斗的故障率。
上述方案中，包括以下步骤：以事件步长法进行存储时，若经过一个周期后，融合后的数据中有数据由0变为1或由1变为0，则将原始数据进行存储，否则，不进行存储。
本发明的有益效果是：该自动识别轮斗挖掘机斗齿健康状态的装置及方法，利用红外线光电感应传感器漫反射接近开关对斗齿进行监测，斗齿每旋转一周经过斗轮遮挡板时都会对采集到的开关量数据进行判断，若开关量数据有变化则判断斗齿有脱落风险。该方法能够提前对斗齿是否脱落进行预警，减少造成停工停产，能够保证生产过程安全可靠的进行。该方法采用的设备简单，易于实现，成本低，便于布设及安装，为矿山的安全开采提供了夯实的基础。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中轮斗挖掘机的结构示意图；
图2为本发明实施例中某一斗齿与接近开关的放大示意图；
图3为本发明实施例中斗轮上的斗齿结构示意图；
图4为本发明实施例中调节支架结构示意图；
图5为本发明实施例中自动识别轮斗挖掘机斗齿健康状态的方法的流程图；
图中序号说明如下：1红外线光电感应传感器漫反射接近开关、2调节支架、21三角形支撑骨架、22安装板、3斗齿、4斗轮体遮挡板、5轮斗。
具体实施方式
使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图1～图5和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本实施例采用的自动识别轮斗挖掘机斗齿健康状态的方法，包括：
步骤1，安装红外线光电感应传感器漫反射接近开关的步骤。
本实施例以新疆淖毛湖疆纳兴盛露天煤矿的DWY2000轮斗挖掘机为例进行说明，其中轮斗挖掘机的轮斗5具有18个铲斗、每个铲斗带有6个斗齿3，分别用X1、X2、X3、X4、X5和X6表示。由于轮斗挖掘机工作性质关系，铲斗上面均匀分布的斗齿布设位置不是统一垂直的位置，但6个斗齿3是呈分布式对称分布的，所以为了在同一时间采集到6个斗齿的健康状态，需要利用调节支架2来调整红外线光电感应传感器漫反射接近开关1(以下简称接近开关)的角度，调节支架2固定在轮斗5上且位于斗轮体遮挡板4的上方，主要由三角形支撑骨架21和带有6个安装孔的安装板22，支撑骨架21一个顶点与安装板22一端焊接，安装扳22另一端焊接在与支撑骨架21顶点对应的底边上；接近开关安装在安装扳22的安装孔内。
本实施例中的调节支架2利用三角形具有稳定性原理，还可以防止斗轮体遮挡板4振动造成接近开关损坏。
在斗轮体遮挡板4上方、每个斗齿3的水平中线位置处各安装一个与斗齿3垂直的接近开关，本实施例的六个接近开关分别用Y1、Y2、Y3、Y4、Y5和Y6表示。以X3和X4两个斗齿的采集时间为准，偏转Y1、Y2、Y5、Y6四个接近开关的角度，并手动测量每个接近开关与斗轮体遮挡板4之间的垂直距离：本实施例经测量后，X3、X4两个斗齿距离斗轮体遮挡板4的垂直距离为44.2cm，X2、X5两个斗齿距离斗轮体遮挡板4的垂直距离为51.3cm，X1、X6两个斗齿距离斗轮体遮挡板4的垂直距离为64.5cm。而斗轮体遮挡板4距离下一个铲斗的最短距离为90cm。而且铲斗斗齿垂直厚度2cm，斗齿3的长度为32cm，所以Y3、Y4两个接近开关的监测距离为46cm，Y2、Y5两个接近开关的监测距离为53cm，Y1、Y6两个接近开关的监测距离为66cm，以保证同一时间内，各接近开关分别与各自测量的斗齿3相互垂直。
步骤2，实时采集开关量数据的步骤。
(1)本实施例中的六个接近开关对经过斗轮体遮挡板4的各斗齿3的开关量信号进行采集，若有返回信号则开关量信号为1，认为斗齿3正常；若没有返回信号则开关量为0，认为斗齿3脱落。
(2)在斗轮体遮挡板4上方、位于Y3和Y4两个斗齿中间水平位置处增设一个接近开关Z，用于为其余6个接近开关做参考使用。将上述7个接近开关的实时数据和当前时间T以数组的形式记为Ai(T，Y1,Y2,Y3,Y4,Y5,Y6,Z)(其中i＝1,...,18)存储至数据表中。再通过无线数传电台传输至电控柜西门子PLC中，利用光纤通讯将数据传输至服务端西门子数据库中。
步骤3，进行数据I融合及预处理的步骤。
(1)实时采集轮斗斗轮自转转速n和自转电流数据I的步骤。
轮斗挖掘机采用EPEC控制器集成各方线路。EPEC控制器中PWM端口输出斗轮自转转速n和电流I，先将PWM信号转换为4-20mA模拟量数据，再通过无线数传电台传输至电控柜西门子PLC中，利用光纤通讯将数据传输至服务端西门子数据库中，其中自转转速n、电流I和当前时间T以数组的形式记为Bj(T,n,I)(其中j＝0,1,2,...)存入数据表中，以备数据融合使用。
(2)进行数据融合的步骤。
将采集到的7个接近开关监测的数据，与轮斗斗轮自转转速n、自转电流I经采集的时间T为共用数据点进行数据融合，两个数组Ai(T，Y1,Y2,Y3,Y4,Y5,Y6,Z)(其中i＝1,...,18)、Bj(T,n,I)(其中j＝0,1,2,...)进行数据融合，组成包含9个数据点的数组Ck(T,Y1,Y2,Y3,Y4,Y5,Y6,Z,n,I)(其中k＝0,1,2,...)，该数组以事件步长法进行存储数据，当数组中Y1,Y2,Y3,Y4,Y5,Y6,Z数值发生变化时触发存储功能，将数据存入数据表中以备后续判断斗齿健康状态使用。
步骤4，判断斗齿健康状态的步骤。
以下方案，满足任一一个即可认为斗齿健康出现问题。
若同一组的Y1,Y2,Y3,Y4,Y5,Y6和Z采集的开关量数值中，当Z值等于0时，该段时间内对比其余数据，如果Y1,Y2,Y3,Y4,Y5,Y6数据中存在1，则可判断显示0的位置的斗齿掉落或损坏。若Z值由0转为1，且如果Y1,Y2,Y3,Y4,Y5,Y6数据中也均为1，则可判断接近开关被遮挡，这种遮挡有可能是由轮斗斗轮自转后斗轮轮斗其他部分遮挡接近开关造成的，因此该种情况不应作为斗齿是否掉落判断的依据，数组中数据作为噪点数据应舍弃。
依据轮斗斗轮自转转速n和自转电流I的数据采集，根据公式
轮斗输出的电压为U，且U恒定，根据电流I与转速n，公式反算即可得到铲斗受外力F的大小：
F≈U×I×n
由于这期间轮斗3受外界因素的影响，会有一部分的功率抵消，所以只能得到铲斗受外力的粗略数值。
依据轮斗斗轮自转转速和自转电流计算铲斗受外力的大小，若斗齿受力突然增加，即采集轮斗自转转速和电流的某一项突然增加，达到斗齿最大抗剪切力和抗弯力等，则说明斗齿的受冲击状态增加，斗齿发生断裂的几率增加，可间接确定斗齿掉落或损坏。
步骤5，判断斗齿信息实时反馈轮斗司机的步骤。
将上述轮斗斗齿健康状态判断信息实时反馈给轮斗司机，以预警预报的形式提示司机，如果问题较为严重，可随时提示司机停机检查，以降低轮斗的故障率。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (3)
1.一种自动识别轮斗挖掘机斗齿健康状态的装置, 包括PLC控制器， 其特征在于，包括调节支架及安装在调节支架上的红外线光电感应传感器漫反射接近开关，所述的调节支架固定在轮斗上且位于斗轮体遮挡板的上方，所述的调节支架包括三角形支撑骨架和带有安装孔的安装板，所述的支撑骨架一个顶点与安装板一端焊接，安装板另一端焊接在与支撑骨架顶点对应的底边上；红外线光电感应传感器漫反射接近开关安装在安装板的安装孔内, 红外线光电感应传感器漫反射接近开关与PLC控制器通讯连接。
2.如权利要求1所述的自动识别轮斗挖掘机斗齿健康状态的方法，其特征在于，包括以下步骤：
调节红外线光电感应传感器漫反射接近开关的角度，使各红外线光电感应传感器漫反射接近开关分别与进入监测范围内的斗轮体上的各铲斗斗齿一一对应；单独布设一个中心红外线光电感应传感器漫反射接近开关，其角度与靠近它的位于中心的两个红外线光电感应传感器漫反射接近开关一致，用于监测铲斗上两个中心斗齿之间未被遮挡物遮挡的方向上的开关量值；
实时获取红外线光电感应传感器漫反射接近开关的开关量数据的步骤，首先手动测量斗轮体遮挡板与轮斗最近铲斗斗齿之间的距离L；然后获取铲斗斗齿厚度h；调节接近开关监测距离N，若N满足L≤N≤L+h，则开始数据采集；
数据融合和处理的步骤；实时采集轮斗斗轮自转转速和自转电流数据；将采集到的开关量数据、时间数据与上述轮斗斗轮自转转速和自转电流数据进行数据融合形成数组，并以时间步长法进行存储；
判断斗齿健康状态的步骤；具体包括：
比较同一数组中的由中心红外线光电感应传感器漫反射接近开关采集到的开关量值，在一个周期后，该段时间内数组中的数据存在0，则认为该位置的斗齿掉落或损坏；
依据轮斗斗轮自转转速和自转电流计算铲斗受外力的大小，若斗齿受力突然增加，即采集轮斗自转转速和电流的某一项突然增加，达到斗齿最大抗剪切力和抗弯力，则可间接确定斗齿掉落或损坏；
反馈实时信息的步骤，将轮斗斗齿健康状态判断信息实时反馈给轮斗司机，以预警预报的形式提示司机，如果问题较为严重，可随时提示司机停机检查，降低轮斗的故障率。
3.如权利要求1所述的自动识别轮斗挖掘机斗齿健康状态的方法，其特征在于，包括以下步骤：以事件步长法进行存储时，若经过一个周期后，融合后的数据中有数据由0变为1或由1变为0，则将原始数据进行存储，否则，不存储。
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