取料机三维体积速率控制器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于控制料堆取料机的取料速率的三维体积(3D volume)速率控制方法和装置，并且特别地但不排他地涉及应用于回转斗轮(slewing bucket-wheel)取料机的这样的方法和装置。
【背景技术】
[0002]回转斗轮取料机是在铁矿石和煤炭行业中使用的最常见的取料机类型。取料机的另一种常见类型是桥式取料机。
[0003]斗轮取料机是高成本的矿山资产。单个机器的成本可能超过3000万美元，与之配套的堆场基础设施增加了显著的成本。在取料机生产率中的相对小的改进将对业务提供显著的经济利益。作为能够实现的经济利益的一个例子在下面给出:
[0004]200千吨(kt)在10，000吨每小时(tph)下的船舶装载时间为20小时。
[0005]2.5%的取料速率提高(10，000吨每小时到10，250吨每小时)将船舶装载时间减少约30分钟。
[0006]基于每年300天的机器生产天数，这相当于在机器运行时间减少150小时。
[0007]持续提高速率将提供>5000吨每天的机器生产增加。
[0008]基于每年300天的机器使用天数，这相当于每年超过150万吨的生产机会。
[0009]回转斗轮取料机以下列方式操作。如图2所示，料堆以一系列“台阶(Benches)”的方式被取料，其中每个台阶限定一层料堆。每层的高度取决于斗轮尺寸，典型的台阶高度等于斗轮半径(5.0米)，而最大的台阶高度是直径的0.65倍(6.5米)。如图2所示，取料机在先前堆积的料堆顶部台阶处开始，并通过在料堆的整个面上回转(摆动)斗轮而以一系列的径向切削对所述台阶取料。
[0010]在每个切削面的端部时，取料机向前行驶(步进)一个短的距离(对于5.0米斗轮通常是1.0米)，然后开始下一切削。在面切削过程中的取料速率通过调节回转运动的速度而控制。在挖掘全高度的台阶面时，在沿切削面的任何点处以立方米每秒表示的用于取料速率的一般公式是:
[0011]面高度(米)X面切削深度(米)X径向回转速度(米每秒)。
[0012]其中:面切削深度=余弦(回转角)X步进距离
[0013]实际速率将取决于在斗轮面处的料堆形状。
[0014]绝大多数斗轮取料机都配有基于功率的取料速率控制器。基于功率的取料速率控制器得到基于所述斗轮挖掘功率的隐含取料速率。
[0015]取料是为了通过传输系统将产品从料堆移动到目的地而进行的，所述目的地无论是火车、轮船或其他料堆。
[0016]一般地，移动产品的最低成本是通过在传输设备支持的最大速率下传输产品实现的。传输设备支持的最大速率是由最大体积速率确定的。例如:
[0017]1.对于带式运送机的最大传输速率通常是被在不溢出所述带边缘的情况下能够处理的体积所限制的。
[0018]2.对于传输槽的最大传输速率是被能够通过所述溜槽而不阻塞的体积所限制的。
[0019]虽然体积通常是限制因素，目前的取料速率控制器使用隐含的取料重量速率控制器(以吨每小时的方式控制)。现有技术的取料速率控制器的一个缺点是无法根据体积控制取料速率。这是由于无法测定在斗轮处的体积速率而导致的。无法控制体积速率意味着它们不能达到最大的传输体积速率。
[0020]虽然体积通常是对运输设备的限制因素，存在重量也是一个限制因素的情况。例如，输送机支架可能具有优先于(overrides)带式输送机本身的体积限制的重量限制。在这些情况下，最大传输效率是通过保持一致的传输速率来实现的。当前的取料速率控制器在速率波动方面表现不佳。这是由于它们不能基于隐含的测量技术精确地测量取料速率。这将在下面的部分中进一步解释。
[0021]在有对在低速率下取料的需求的情况下，现有的速率控制器的不精确速率测量导致不正确的速率和高的速率波动。基于功率的速率控制器在低取料速率下无法确定料堆边缘，因而常常需要操作员的干预以设置固定的取料回转范围限制。
[0022]由于在料堆面切削的外回转区域的低切削深度，对于在用单个较长切削清理脊部之前的几个切削，提早地完成所述切削是有利的。这种做法被称为“清理操作”的“华尔兹舞步”(‘Waltz Step’ of 'Clean-Up Pass’ )。然而“华尔兹舞步‘取料很少用于基于功率的速率控制器，这主要是由于它们在当前面与外脊之间的切削深度上的阶跃变化过程中不能充分地控制速率。
[0023]当前的取料速率控制系统使用隐含的方法来测量取料速率，包括挖掘能量(斗轮电流)或挖掘力(斗轮扭矩)。所达到的取料速率取决于斗轮挖掘效率(立方米每单位能量/力)，其受一系列的参数影响，包括:
[0024].产品类型(特别是颗粒大小)
[0025]?产品矿物成分(矿体的矿井和断面(mine and sect1n of ore body))
[0026].产品密度(源产品的变化)
[0027].水分含量(来自雨或尘埃抑制喷雾剂)
[0028].二次加工(粉碎、筛分和混合的组合)
[0029]?不同产品的斗轮切削效率
[0030].顺时针与逆时针的斗轮切削效率对比
[0031].由于磨损的斗轮切削效率
[0032].产品压实(自堆积之后的时间)
[0033].堆积模式
[0034].无负载电流/扭矩漂移
[0035].非线性的负载速率关系
[0036]由于料堆的状态是未知的，因此不可能对这些因素提供补偿。这导致小于最佳的取料速率。提高取料机生产率的努力被取料速率的测量误差限制。
[0037]各种系统试图通过使用单点或二维(2D)雷达传感器提高隐含取料速率的精确性。这些系统可以共同被称为“预测速率控制器”。预测速率控制器使用二维雷达扫描仪来预测将要被斗轮获取的近似体积。基于预测体积的系统执行料堆表面的垂直取向二维扫描，第三维度由回转运动提供。二维扫描器位于在斗轮前面的位置处。
[0038]利用二维雷达扫描仪的现有技术的预测速率控制器的一个例子是由Indurad(德国)作为“斗轮挖掘机预测切削控制器”销售的系统。所述控制器被描述为对客户提供“预测体积流量信息和操作员协助”的益处。
[0039]在现有的预测系统中使用的雷达扫描仪基于77GHz的车辆防撞雷达单元。视场(FOV)角分辨率(通常为4度)与目标距离精确度(通常为± 150mm)的组合导致无法测量料堆面体积，特别是当斗轮切削深度小于I米(1.0m)时。
[0040]在取料操作的过程中，在斗轮周围的料堆区域随着产品被移除会崩塌和流动。取料速率的精确测量需要在邻接斗轮的区域中的体积被连续地测量。预测体积扫描系统的二维特性意味着由斗轮取料的实际体积不能被测量。相反，所述取料体积是预测的。由于产品流动的料堆崩塌和动态运动没有被测量。
[0041]预测体积系统通常在手动操作的取料机中用于操作员协助，或用作隐含(电流/转矩)取料速率控制器的理论(前馈)速度。虽然预测体积系统提高了隐含速率控制器的性能，所述控制性能仍然受到与标准隐含速率控制器相同的因素的影响。
[0042]用于堆积机和取料机的三维激光扫描的现有技术使用在欧洲专利EP1278918中描述，还被公开为US 2005/0246133。此现有技术文献在下文中被称为P2。
[0043]为了控制取料机的移动到面对(facing up)位置并且为了在取料过程中确定斗轮的回转范围，在P2中所描述的系统扫描料堆以确定料堆形状。
[0044]P2寻求克服的问题之一是在使用二维扫描仪时发生的料堆模型中的不精确，其中料堆的形状最初通过斗轮装置和二维扫描仪的测量操作而确定，然后在移除或堆积过程开始之后，控制器计算临时的料堆模型。
[0045]然而，这种二维系统不能检测出在斗轮装置的操作过程中发生的料堆形状的变化，例如，由于降雨和自然下滑过程之类，以及由移除过程本身触发的滑动或下滑。P2通过使用三维激光扫描仪扫描料堆以独立于斗轮装置的操作确定实际的料堆形状而克服了这些问题。在P2中