Устройство для измерения загрузки ковша экскаватора

ад ППП Патеа ИПИ . Заказ 1130/244 вдн т й УззаРО649 йо сале УйейфЕЗПМЭМ рИзобретение относится к средствам автоматизации одноковшовыхэкскаваторов, а именно к устройствам измерения загрузки ковша экскаватора механической лопаты, н можетбыть использовано для автоматического контроля и учета выработки экскаватора и работающего с ним в комплексе транспорта, а также для дозирования загрузки последнего.Известно устройство для контроляпроизводительности одноковшовогоэкскаватора; содержащее совокупностьвзаимосвязанных элементов, осуществляющую контроль величины загрузкиковша, а именно, динамометр усилий в(подъемных канатах, йнтегратор, компенсатор добавочного веса, измеритель положения ковша, управляемыйключ 1,Однако -известное устройство необладает точностью, достаточной дляучета производительности экскаватораза короткий промежуток времени, например за время погрузки одноготранспортного средства; и тем самымдля учета производительности и дозирования загрузки транспорта. Этопроисходит по следующим причинам.Усилия в подъемном канате во времяпереноса и установки ковша над местом разгрузки содержат динамические составляющие, обусловленныеизменениями скорости перемещающихковш приводов и достигающие 207. отполного усилия. Причем динамическиеусилия являются как периодическимиколебаниями, связанными с упругостью каната, так и различными непериодическими функциями времени, связанными с изменениями скоростейприводов, Частотапериодическихсоставляющих находится в пределахнескольких герц, а длительностьнепериодических достигает 1,5-2 с.Интегрирование сигнала динамометрав известном устройстве в течениекороткого промежутка времени (долей секунд, так как взвешиваниездесь происходит в моменты началаи окончания разгрузки). может скомпенсировать только высшие гармоники периодических составляющих динамических усилий в канате и совсем не компенсирует апериодическиесоставляющие,Известно также устройство дляизмерения загрузки ковша одноков 145099 1шового экскаватора, включающее датчики положения ковша относительно О15 103035405055 стрелы, совокупность элементов, осуществляющих косвенное измерение силы натяжения подъемного каната, включающую датчики тока и угловой скорости двигателя подъема; дифференциатор с сумматором, нульорган, управляющий имеющим два значения сопротивления резистором, а такжеузел вычисления веса содержимогоковша, выполненный на операционномусилителе с управляемыми дешифратором координат резисторами 21.В данном устройстве вес содержимого ковша непрерывно вычисляется как функцйя координат ковша и косвенно иэмеренно (по току двигателя подъемной лебедки) усилия в подъемном канате, Погрешность косвенногоизмерения устройством усилия в канате существенно более высокая, чем при непосредственном измерениидинамометром, главным образом из-за погрешности реального дифференциатора и приближенности реализуемой в устройстве формулы, описывающей связь между током двигателя и натяжением каната, В устройстве отсутствуют также узлы, компенсирующие динамическую составляющую силынатяжения подъемного каната, вызванную колебаниями и ускоренными перемещениями ковша с рукоятью. Адля вычисления веса содержимого ковша в устройстве реализуется выражение, полученное из уравнения равновесия ковша. Поэтому устройство имеет значительные динамические погрешности взвешивания.Наиболее близким к изобретению является устройство автоматического контроля загрузки ковша, содержащее датчик силы натяжения подъем" ного каната, датчики выдвижения и угла наклона рукояти, подключенные к первому и второму входам вычислителя загрузки ковша, выход которого соединен с входом ключа, к управляющему входу которого подключен выход блока определения момента времени измерения 3 .В этом устройстве измерения осуществляются на основании той же зависимости, связывающей в статике натяжение подъемного каната с весом и координатами ковша, что используется в устройстве Г 21. Однако исходная функция аппроксимирована полиномом-, коэффициенты которого вычисляются на основании статистической обработки результатов измерений. Значения этих коэффициентов должны быть близкими к коэффициентам, которые можно получить аналитически, аппроксимируя исходную зависимость, если эта зависимость близка к реальной, связываю щей в статике усилия в подъемном канате, вес и координаты ковша.Тем более, что коэффициенты исходной аналитической зависимости могут быть также уточнены эксперименталь 1но.Исследования работы экскаватора попокаэали, что для любой пары значений координат ковша в вертикальной плоскости и фиксированной его заг рузке значения динамической составляющей натяжения подъемного каната, а значит, и полного усилия.могут быть различными. Отсюда, значения предложенного аппроксимирующе го полинома для пары постоянных координат, но различных (вследствие различных динамических составляющих) усилиях в канате также будут различными. Следовательно, использование в вычислителе загрузки аппроксимирующего полинома компенсация динамической погрешности взвешивания ковша не обеспечивается. Частичная компенсация таким методом35 была бы возможна при условии, что для каждой пары координат ковша существовала бы область преимущественных значений динамических составляющих натяжения каната, что весьма проблематично из-за большого числа влияюших факторов, например, даже от навыков машиниста экскаватора.В соответствии с видом аппроксимирующего полинома построена ана логовая вычислительная схема устройства. Влияние динамической составляющей натяжения йодъемного каната на результат измерения уменьшается выбором момента взвешивания 50 узлом распознования и пропусканием управляемым ключом результата только в те моменты; когда динамичес кая составляющая не должна. быть большой. 55Недостатком известного устройства является то, что особенности работы экскаватора таковы, что не всегда можно выделить моменты времени (например, при малых углах поворота на выгрузку), когда динамические составляющие натяжения каната невелики: такие моменты времени могут вообще отсутствовать. Необходимых для компенсации динамических составляющих натяжения каната функциональных узлов в устройстве нет. Влияние динамических составляющих безусловно частичноснижает ся за счет правильного выбора момента взвешивания, особенно при контроле выработки экскаватора эа относительно большой промежуток времени. Однако решить проблему повышения точности взвешивания содержимого ковша экскаватора в целом путем компенсации динамической составляющей натяжения подъемного каната в каждом измерении с помощью известного устройства нельзя.Цель изобретения - повышение точ ности работы устройства.Поставленная цель достигается тем, что устройство для измерения загрузки ковша экскаватора, содержащее датчик силы натяжения подъемного каната, датчики выдвижения и угла наклона рукояти, подключенные к первому и второму входам вычис- лителя загрузки ковша, выход кото-рого соединен с входом ключа, к управляющему входу которого подключен выход блока определения момента времени измерения, снабжено сумматором, вычислителем динамической составляющей силы натяжения подъемного каната, датчиками трансверсального и радиального ускорений ковша, выходы которых подключены соответственно к первому и второму входам вычислителя динамической составляющей силы натяжения подъемного каната, выход которого подключен к вычитающему входу сумматора, к суммирующему входу которого подключен выход датчика силы натяжения подъемного каната, выход сумматора подключен к третьему входу вычислителя загрузки ковша, к третьему, четвертому и пятому входам вычислителя динамическрй составляющей силы натяжения подъемного каната подключены соответственно выходы датчиков выдвижения и угла наклона рукояти и высислителя загрузки ковша.20 30 35 40 4 50 55 Вычислитель динамической состав- ляющей силы натяжения подъемного каната может быть выполнен в виде функционального преобразователя двух переменных, двух сумматоров и четырех множительных блоков.Вычислитель динамической составляющей, включенный в цепь обратной связи вычислителя загрузки ковша, совместно с Датчиками трансверсальной и радиальной составляющих вектора ускорения ковша образует канал измерения динамической составляющей силы натяжения подъемного каната. Введение такого канала обеспечивает принципиальное решение задачи повышения точности взвешивания ковша, поскольку Формируемый каналом сигнал является результатоМ вычисления в дополнительном вычислительном блоке Функции, моделирующей зависимость динамической составляющей натяжения каната от ускорения и координат ковша при известной его загрузке. Поскольку вес содержимого ковша не известен заранее, вычислитель динамической составляющей натяжения включен в цепь обратной связи вычислителя загрузки. Такое включение эффективно, так как скорость изменения сигналов датчиков пренебрежимо мала по сравнению с быстродействием вычислителей.На фиг. 1 представлена структурная схема устройства для измерения загрузки ковша экскаватора, на фиг, 2 и 3 - структурные схемывычислителя динамической составляющей силы натяжения подъемного каната и вычислителя загрузки ковша на фиг, 4 - схема Функционального преобразователя, воспроизводящего зависимость натяжения подъемного каната от координат порожнего ковша. 1Устройство для измерения загрузки ковша содержит датчики силы натяжения подъемного каната 1, выдвижения и угла наклона рукоятки 2 и 3, трансверсального и радиального ускорений ковша 4 и 5. Выход датчика натяжения 1 подключен к входу сумматора 6, второй вычитающий вход которого подключен к выходу вычислительного блока 7. Первый и второц входы вычислительного блока 7 подключены к выходам датчиков трансверсального и радиального ускорений ковша 4 и 5, третий и четвертый входы подключены к выходам датчиков выдвижения и угла наклона рукояти 2 и За пятый вход подключен к выходу вычислителя загрузки ковша 8 и к входу ключа 9. Первый и второй входы вычислителя загрузки ковша 8 подключены к выходам датчиков выдвижения и угла наклона рукояти 2 и 3, третий вход подключен к выходу сумматора 6.Управляющий вход. ключа 9 подключен к выходу блока определения момента времени измерения 10, а выход ключа является выходом устройства для измерения загрузки ковша.Вычислитель динамической составляющей силы натяжения подъемного каната 7, включенный в цепь обратной связи вычислителя загрузки ковша 8, содержит функциональ.ный преобразователь двух переменных 11, первый и второй входы которого подключены соответственно к четвертому и третьему входам вычислителя 7, причем второй вход функционального преобразователя 11 связан также с первым входом множительного блока 12 и первым входом сумматора 13, Второй вход множительного блока 12 соединен с третьим входом сумматора 13 и первым входом множительного блока 14 и подключен к пятому входу вычислителя 7, первый и второй входы которого соответственно подключены к второму входу множительного блока 15 и второму входу множительного блока 14. Второй вход блока 14 соединен также с третьим входом сумматора 16, первый и второй входы которого соединены соответственно с выходами множительных блоков 15 и 14; а выход соединен с вторым входом множительного блока 17. Выход множительного блока 12 соединен с вторым входом сумматора 13, четвертый вход которого подключен к источнику постоянного сигнала, а выход соединен с первым входом множительного блока 15. Выход функционального преобразователя 11 соединен с первым входом множительного блока 17, выход которого является выходом вычислительного блока 7,Вычислитель загрузки ковша 8 содержит два функциональных преоб1145099 1 О 15 20 25 30 35 . Датчики трансверсального и радиального ускорений ковша - это40 45 дикулярна оси рукояти, а датчика ра" 50 разователя двух переменных 18 и 19. сумматор 20 и множительный блок 21. Первый и второй входы вычислителя загрузки 8 соединены соответственно с первыми и вторыми входами функциональных преобразователей 18 и 19, а его третий вход соединен с вторым входом сумматора 20,. первый вход которого соединен с выходом функционального преобразователя 18. Выход сумматора 20 соединен с вторым входом множительного блока 21., первый вход которого соединен с выходом функционального преобразователя 19, а выход является выходом вычислителя загрузки ковша 8.Функциональный преобразователь 18 содержит суммирующий операционный усилитель 22, число входов которого равно числу слагаемых, представляющих элементы разложения воспроизводимой Функциональным преобразователем функции, а вид каждой из входных цепей операционного усилителя определяется видом элемента разложения. Для постоянной и линейно зависимых от координат ковша 3 исоставляющих разложения воспроизводимой функции входные цепи операционного усилителя - резисторы 23-25. Для нелинейных составляющих, являющихся функциями одной переменной, входные цепи операционного усилителя - резисторно-диодные элементы 26 и 27, а для нелинейных составляющих - функций двух переменных - резисторно-диодные элементы 28-32, причем включение диодов в элементах 29-32 одинаковое. На входы Функционального преобразователя 18 подаются разнополярные сигналы +0 и +Бр пропорциональные соответственно выдвижению ь и углу наклонарукоятки. Для задания смещений диодов в нелинейных элементах и задания постоянной составляющей воспроизводимой функции ко входам функционального преобразователя подключены опорные напряжения +О. функциональные преобразователя 11 и 19 построены аналогично; Вопросы построения функциональных преобразователей двух переменных подробно изложены в 45Датчик силы натяжения подъемного каната 1 включает силовоспринимающее устройство,. содержащее силовоспринимающий блок и два симметрично распо- ложенных с ним в одной плоскости отклоняющих блока, создающих прогиб участка подъемного каната. Под силовоспринимающим блоком в опорном стакане размещен стандартный тензорезисторный бесклеевой датчик. Датчик силы, натяжения размещен на стреле экскаватора под подъемным ка. натом, причем канат запасован так, что огибает отклоняющие блоки снизу, а силовоспринимающий блок сверху.Датчики выдвижения и угла наклона рукояти 2 и 3 представляют собой линейные вращающиеся трансформаторы с подключенными к их выходам Фаэочувствительными выпрямителями. Вращающийся трансформатор датчика выдвижения рукояти установлен в корпусе имеющегося на экскаваторе командоаппарата ограничения хода рукояти, причем вал командоаппарата связан с валом вращающегося трансформатора. Датчик угла наклона рукояти установлен на седловом подшипнике экскаватора так, что оси вращающегося трансформатора и напорного вала экскаватора совпадают. Статор трансформатора неподвижно зафиксирован относительно седлового подшипника, а ротор посредством установленной на его валу тяги зафиксирован относительно стрелы экскаватора. стандартные акселерометры, которыеустанавливаются в защитном корпусена задней стенке ковша с.внешнейстороны так, что их измерительныеоси лежат в вертикальной плоскости,проходящей через стрелу и рукоять,причем измерительная ось датчикатрансверсального ускорения перпендиального ускорения параллельна ей.Блок определения момента времени,:измерения 10 введен в устройстводля измерения загрузки ковша, поскольку для использования сигнала вычислителя загрузки 8 необходимо выбирать интервалы времени, когдаэтот сигнал соответствует измеряемой загрузке. Соответствие имеетместо в течение интервалов от момента окончания операции копания до начала разгрузки и при переносе ковша к месту копания. Блок ,10 яв1145099 50 55 ляется самостоятельным устройством,применяемым в системах автоматичес-кого контроля и учета параметровпроцесса экскавации, и включает ло-.гическую схему и датчики (режимоврработы приводов, включения ступеней командоконтроллеров приводови т. и,), по сигналам которых логической схемой контролируется вы"полнение отдельных операций циклаэкскавации в заданной. последовательности и формируются сигналы,обеспечивающие контроль и регистрацию параметров процесса экскавации, в том числе и разрешающиевзвешивание ковша. Подобные устройства описаны, например, в Я .Устройство для измерения загрузки ковша работает следующим образом,При транспортировании груженогоковша к месту разгрузки или порожнего к месту копания натяжения .подъемного каната зависит от координат и ускорения ковша, а такжевеса его содержимого. Сила натяжения каната измеряется датчиком 1,выходной сигнал которого есть сумма составляющих, пропорциональныхстатическому и динамическому усилиям. Этот сигнал поступает навход сумматора 6, на второй входкоторого однонременно поступаетсигнал, пропорциональный динамической составляющей силы натяжения вподъемном канате и Формируемыйв вычислителе 7. В сумматоре 6 формируется сигнал, пропорциональньйстатическому усилию в канате, равный разности сигналов датчика 1и вычислителя 7. Этот сигнал поступает на вход вычислителя загрузкиковша 8, на два других входа которого одновременно поступают сигналы с датчиков 2 и 3, измеряющихвыдвижение и угол наклона рукоят"ки. В вычислителе загрузки 8 Формируется сигнал, пропорциональныйвесу содержимого ковша, вычисляемому по ФормулеС,; - Е, (0, Р.) ГО, - Ц," (,р)3,где 9( , 3 ) - кусочно-линейнаяфункцйя, аппроксимирующая зависимость статического усилия в подъемном канате от координат пустогоковша,Яс - величина статической состав(ляющей усилия в подъемном канате; 15 20 25 30 35 40 45 1 ОЕ , ( Р, р ) - безразмерная кусочно-линейная функция координат ковша, аппроксимирующая зависимостьЕ, ( Р, Р ) = з Ы СР ( Е, Р ) /соз (ив- /),м - угол наклона стрелы, обычно равный 1 /4,3" выдвижение и угол наклонарукояти по отношению к стреле,Ч - угол между подъемным канатом и осью рукояти, зависящий от 1и /) вФункция Я ( Е,) воспроизводит-ся функциональным преобразователемЪ18, а функция Е,(18) - Функциональным преобразователем 19 вычислителя загрузки 8. На выходе сумматора 20 получается сигнал, пропорциональный разности статическойсоставляющей измеренного датчиком1 усилия в подъемном канате и статического усилия, которое было быв канате при текущих значениях координат ковша 1 и, но при пустомковше. Сигнал, имеющийся на выходесумматора 20, умножается в множительном блоке 21 на сигнал, поступающий с выхода функциональногопреобразователя 19, в результате чего на выходе множительного блокаимеется сигнал, пропорциональныйзагрузке ковша С.Величина динамической составляющей натяжения подъемного каната 9косвенно измеряется вычислителем7 с подключенными к его входам датчиками трансверсального и радиального ускорений ковша 4 и 5. Геометрическая сумма величин, пропорциональных сигналам датчиков 4 и 5,равна вектору ускорения ковша ввертикальной плоскости, проходящейчерез стрелу и рукоять, Вектор ускорения при известных координатахковша и весе его содержимого полностью определяет динамическуюсоставляющую натяжения подъемногоканата, равную сумме проекций на ось каната сил инерции, обусловленных изменениями скоростей приводов,перемещающих ковш в вертикальнойплоскости, переносным движением ковша вместе с поворотной платформой, колебаниями ковша с рукоятьювследствие упругости подъемногоканата и каната стрелового полиспаста. Поскольку вес содержимогоковша не известен заранее, вычисли".33 1 ный весу невыгруженной из-за налипачия на стенки ковша породы Сравнение по точности известных и предлагаемого устройств, проведенное при одинаковых величинах измерительных параметров (загрузки и координат ковша, динамических усилий в канате) показало, что благодаря компенсации динамической сос 145099 14тавляющей силы натяжения подъемного каната в каждом единичном взвешивании погрешность предлагаемого устройства меньше в несколько раз.Такая точность устройства позволяет контролировать и дозировать загрузку обслуживающих, экскаватор транспортных средствчто повышаеткоэфФициент использования их грузоподъемности.