阅读说明：本技术 大型矿用挖掘机的物料称重方法 (Material weighing method of large mining excavator ) 是由 赵腾云 王创民 王晓明 王勇澎 李光 毛瑞 乔建强 孙刚 刘晓星 许玉明 李佳林 于 2019-11-01 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种大型矿用挖掘机的物料称重方法,包括步骤：1、在天轮轴处力传感器,可以得到实时提升绳拉力；2、在绷绳端部A型架处安装力传感器,可以得到实时的绷绳拉力；3、在A型架处安装测距仪；在鞍座处安装角度传感器；可以利用角度和距离定位设备状态的绝对零位,消除定位误差；4、以整个工作装置(包括起重臂、斗杆、铲斗、物料)为研究对象,对跟脚销中心进行力矩平衡求解,可以推导出物料重量；5、在计算过程中根据物料装满小于1/2,大于1/2斗设置不同的重心位置,根据结果和理论值对比,进行修改,提高物料测算的精度。(The invention discloses a material weighing method of a large mining excavator, which comprises the following steps: 1. a force sensor is arranged at the head sheave shaft, so that the real-time lifting rope tension can be obtained; 2. a force sensor is arranged at the A-shaped frame at the end part of the guy rope, so that the real-time guy rope tension can be obtained; 3. installing a distance measuring instrument at the A-shaped frame; an angle sensor is arranged at the saddle; the absolute zero position of the state of the angle and distance positioning equipment can be utilized to eliminate the positioning error; 4. the whole working device (comprising a crane boom, a bucket rod, a bucket and materials) is taken as a research object, the moment balance solution is carried out on the heel pin center, and the weight of the materials can be deduced; 5. in the calculation process, different gravity center positions are set according to the fact that the material filling amount is smaller than 1/2 and larger than 1/2 buckets, and modification is carried out according to comparison between a result and a theoretical value, so that the material measurement and calculation accuracy is improved.)

大型矿用挖掘机的物料称重方法

技术领域

本发明属于矿山机械类，特别涉及到一种大型矿用挖掘机的物料称重方法。

背景技术

2016年，我国发布了《全国矿产资源规划(2016-2020)》，明确提出要大力推进矿业领域科技创新，加快建设自动化、信息化、数字化、智能化矿山，大力发展“互联网+矿业”。

国家煤矿安全监察局公告(2019年第1号)：煤矿机器人重点研发目录(掘进类)露天矿电铲智能远程控制自动装载系统基本要求：研发露天矿电铲智能远程控制自动装载系统，具备矿区环境感知与三维重现、无线通讯与远程监控、自动装车对位、移动铲位、故障智能识别与报警等功能，实现露天电铲作业智能化与无人化。

基于高精度的称重系统可以实现铲斗的单斗物料统计，可以作为评价司机操作行为的基础；统计单斗、单车、班次、月产量，可以作为物料统计系统的基础；通过单斗物料称重可以避免单斗过载以及矿用卡车过载，提高挖掘机和矿用卡车使用寿命，可以作为设备健康管理的基础。

而高精度的称重系统是现实无人挖掘的基础，设备挖掘物料满足要求的依据是物料满斗率在90％以上，而实时高精度称重系统为无人挖掘分阶段操作提供判断依据。

因此，适合大型矿用挖掘机高精度称重系统有特别重要的意义。

发明内容

为此，本发明提供了一种大型矿用挖掘机的物料称重方法，包括如下步骤：

S1：在A型架的均衡梁上安装力传感器，用于测量绷绳的实时拉力Fs，在A型架上安装测距仪，用于检测斗杆实时的水平位置，在鞍座下部安装角度传感器，用于检测斗杆实时的角度，在起重臂的天轮装置附近安装力传感器，用于测量提升绳的实时拉力Fh；测得鞍座跟脚销轴到鞍座中心的距离是固定值Lo，测得起重臂的重量Gb、铲斗活动组件的重量Gd、以及斗杆的重量Gdh，其中Gb、Gd和Gdh为固定值；

S2：以起重臂跟脚销为原点O，水平方向、竖直方向分别为X、Y轴，建立坐标系，以挖掘机某个位置为初始位置，在该位置下：测得绷绳到起重臂跟脚销O点的力臂Ls，测得提升绳到起重臂跟脚销O点的力臂Lh，测得起重臂重心到起重臂跟脚销O点的力臂Lb；

S3：在挖掘机工作时，通过挖掘机推压传动系统上的编码器，得到斗杆的伸缩量△xdh、铲斗的伸缩量△xd和物料的伸缩量△xm；

S4：从角度传感器测得角度变化a；

S5：根据力矩平衡公式：Fs·Ls+Fh·Lh＝Gb·Lb+Gd·[cos(a)·△xd+Lo]+Gm·[cos(a)·△xm+Lo]，得到物料的重量Gm＝{Fs·Ls+Fh·Lh-Gb·Lb-Gd·[cos(a)·△xd+Lo]}/[cos(a)·△xm+Lo]。

在上述大型矿用挖掘机的物料称重方法中，所述步骤S5中，当物料的重量Gm大于等于额定正常载荷的二分之一的时候，确定该得到的数值可信；当物料的重量Gm小于额定正常载荷的二分之一的时候，重新设置重物的中心位置，重复步骤S1、S2、S3、S4、S5，直到得到的Gm大于等于额定正常载荷的二分之一。

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，下面将对实施例或现有技术描述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，还可以根据这些附图获得其他的附图，附图中：

图1是本发明大型矿用挖掘机的物料称重方法所适用的物料称重系统示意图。

附图标记说明：1-天轮装置、2-绷绳、3-均衡梁、4-A型架、5-测距仪、6-提升绳、7-鞍座、8-角度传感器、9-起重臂、10-斗杆、11-铲斗、12-物料。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明的大型矿用挖掘机的物料称重方法所适用的物料称重系统主要由起重臂、斗杆、铲斗、提升绳、绷绳、A型架、物料、力传感器、角度传感器、测距仪组成，其中：A型架的均衡梁上安装有力传感器，用于测量绷绳的实时拉力Fs；A型架上安装有测距仪，用于检测斗杆实时的水平位置；鞍座下部安装有角度传感器，用于检测斗杆实时的角度。

本发明的大型矿用挖掘机的物料称重方法总体上通过建立数学模型，以起重臂跟脚销o点为原点，以起重臂、斗杆、铲斗和物料、提升绳、绷绳为研究对象，根据力学平衡方程，求得物料重量。具体而言，本发明的大型矿用挖掘机的物料称重方法包括：

在A型架中的均衡梁上安装力传感器，可以测得绷绳的实时拉力Fs，绷绳到起重臂跟脚销o点的力臂为Ls，可得绷绳对应的力矩Fs·Ls。

在起重臂天轮装置附近安装力传感器，可以实时测得提升绳的拉力Fh，提升绳到起重臂跟脚销O点的力臂为Lh；可得提升绳对应的力矩为：Fh·Lh。

起重臂为固定组件，其重量为Gb，重心位置对应的力臂为Lb，可得起重臂对应的力臂Gb·Lb。

提出一种设备状态原始定位方法，由于斗杆、铲斗、物料位置在实时变化，因此要实时测出斗杆、铲斗、物料的重心位置，根据推压系统的行程编码器，通过传动比折算可以算出斗杆、铲斗、物料的伸缩变化量；由于每次更换提升钢丝绳完毕，都需要需要设定行程编码器的初始位置，如果每次初始位置不一定，导致计算过程中的数据差异较大，对结果影响较大；因此采用在鞍座下部按照角度传感器，可以实时监测斗杆的角度，在斗杆后方A型架上安装测距仪；可以监测斗杆的水平位置；每次初始位置均以斗杆水平，测距仪为某个固定值为初始位置，可以精确定位该位置的尺寸，同时保证每次更换钢丝绳后斗杆的初始位置保持不变。

由角度传感器测得角度变化a。

斗杆为活动组件重量为Gdh，重心位置对应的力臂为Ldh，斗杆的力臂位置是实时变化的，斗杆的伸缩量为△xdh(△xdh为斗杆重心沿着斗杆方向到鞍座中心的距离，其中△xdh可以通过推压传动系统上的行程编码器直接读到)；其中斗杆到鞍座中心的力臂Ldh’＝cos(a)·△xdh；鞍座跟脚销轴到鞍座中心的距离是固定值Lo；因此斗杆重心到跟脚销中心的力臂为cos(a)·△xdh+Lo；斗杆对应的力矩为(cos(a)·△xdh+Lo)·Gdh。

铲斗为活动组件重量为Gd，重心位置对应的力臂为Ld，铲斗的力臂位置是实时变化的，铲斗的伸缩量为△xd(△xd为铲斗重心沿着斗杆方向到鞍座中心的距离，其中△xd可以通过推压传动系统上的行程编码器直接读到)；其中铲斗到鞍座中心的力臂Ld’＝cos(a)·△xd；鞍座跟脚销轴到鞍座中心的距离是固定值Lo；因此铲斗重心到跟脚销中心的力臂为cos(a)·△xd+Lo；斗杆对应的力矩为(cos(a)·△xd+Lo)·Gd。

物料为活动组件重量为Gm，重心位置对应的力臂为Lm，物料的力臂位置是实时变化的，物料的伸缩量为△xm(△xm为物料重心沿着斗杆方向到鞍座中心的距离，其中△xm可以通过推压传动系统上的行程编码器直接读到)；其中物料到鞍座中心的力臂Lm’＝cos(a)·△xm；鞍座跟脚销轴到鞍座中心的距离是固定值Lo；因此物料重心到跟脚销中心的力臂为cos(a)·△xm+Lo；斗杆对应的力矩为(cos(a)·△xm+Lo)·Gm。

以起重臂跟脚销为研究中心，根据力矩平衡公式：

Fs·Ls+Fh·Lh＝Gb·Lb+Gd·Ld+Gm·Lm

得到Gm＝(Fs·Ls+Fh·Lh-Gb·Lb+Gd·Ld)/Lm

根据以上公式，进行推导、计算，得到称重物料重量为Gm，当称重物料重量为Gm，大于额定正常载荷的1/2时，认为测量的数值是正常的；当称重物料重量为Gm，小于额定正常载荷的1/2时，重新带入物料对应的力臂Lm’，通过优化物料对应的力臂，不同物料重量对应不同的重心位置，提高物料称重的精度。

本发明与现有技术相比，提出一种高精度的适用于齿轮齿轮刚性推压挖掘机的称重方法，本方法利用不同的数学模型，避免计算过程中近似误差；采用力传感器避免计算推压力，避免了推压系统的误差；采用角度和测距仪，提出一种精确定位原始状态的方法，提高计算精度；提出一种闭环控制的方法，考虑实际挖掘过程中物料的实时变化导致的重心位置的实时变换，提高物料精度。提出一种测量物料重量的方法，避免称重过程中重量加速度对物料精度的影响。

需要说明的是，以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明的范围。