ОБНАРУЖЕНИЕ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОЛОЖЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО ИНСТРУМЕНТА
DETECTION AND DETERMINATION OF METAL TOOL POSITION

Настоящее изобретение относится к обнаружению и определению положения зуба тяжелой машины, более конкретно -  к использованию радиочастотных идентификационных меток для определения, когда металлический инструмент отсутствует на ковше тяжелой машины.
В конструкции ковшей тяжелых машин (например, в горнодобывающем оборудовании, таком как канатно-скребковые экскаваторы и механические лопаты) используются стальные зубья. Эти зубья применяются по различным причинам: они имеют меньшую площадь поверхности при копании земли, они способствуют разрыхлению земли и они требуют меньшей силы, чем большая площадь поверхности самого ковша. Дополнительно, зубья являются легко заменяемыми изнашиваемыми точками, которые предотвращают износ самого ковша. Однако зубья изнашиваются и в настоящее время нет способа измерить износ без физического снятия самого зуба.
Когда зубья изношены, они обычно выпадают. Современный способ обнаружения выпадения зубьев основан на применении дорогих систем машинного зрения, которые осматривают ковш и обнаруживают факт потери зуба. Такая система чрезвычайно дорога в установке и позволяет оператору лишь определить, что зуб потерян, но не дает информации о том, где он находится. Когда экипаж обнаруживает утрату зуба, ему приходится переместить в среднем такое количество материала, которого хватит для загрузки десяти самосвалов, в надежде найти и достать выпавший зуб. Если они не могут найти зуб, он в конце концов попадет в дробилку. Помимо того, что зуб может застрять в дробилке, он может быть выброшен из дробилки и потенциально может повредить другое оборудование.
Краткое описание изобретения
В одном варианте настоящего изобретения предлагается способ мониторинга зуба тяжелой машины. Этот способ содержит этап, на котором к зубу тяжелой машины присоединяют радиочастотную идентификационную метку и устанавливают считывающее устройство для считывания радиочастотной идентификационной метки. Считывающее устройство радиочастотных идентификационных меток выдает индикацию об отсоединении зуба от тяжелой машины.
В других вариантах изобретения предлагается система мониторинга зуба тяжелой машины, которая содержит зуб тяжелой машины, сконфигурированный для установки на ковш тяжелой машины, активную радиочастотную идентификационную метку, соединенную с зубом, и считывающее устройство радиочастотных меток, сконфигурированное для считывания данных с радиочастотных идентификационных меток.
Другие аспекты изобретения будут очевидны из нижеследующего описания и приложенных чертежей.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 - вид сбоку иллюстративной механической лопаты.
Фиг. 2А и 2В - работа иллюстративной горнодобывающей площадки.
Фиг. 3 - разнесенный вид конструкции зуба ковша с радиочастотной идентификационной меткой.
Фиг. 4 - другой вид зуба ковша по фиг. 3.
Фиг. 5 - вид зуба ковша по фиг. 3 с вырезом.
Фиг. 6 - вид сверху другой конструкции зуба ковша с радиочастотной идентификационной меткой.
Фиг. 7 - множество видов третьей конструкции зуба ковша с радиочастотной идентификационной меткой.
Фиг. 8 - вид сверху конструкции керамической вставки для установки радиочастотной идентификационной метки в зуб ковша по фиг. 7.
Фиг. 9 - схема цепи определения износа.
Подробное описание
Прежде, чем перейти к подробному описанию любых вариантов настоящего изобретения, следует понять, что изобретение не ограничивается деталями конструкции и расположением компонентов, указанными в нижеследующем описании или показанными на приложенных чертежах. Изобретение может иметь другие варианты и может быть реализовано другими способами.
Тяжелые машины используют для перемещения больших объемов земли в таких отраслях как горнодобывающая и строительная. Некоторые тяжелые машины (например, электрические механические лопаты) содержат ковши для копания земли. Ковши часто сдержат множество зубьев, которые способствуют разрыхлению земли и облегчают зачерпывание земли в ковш.
На фиг. 1 показана иллюстративная электрическая механическая лопата 100, используемая для открытых горных работ. Электрическая механическая лопата 100 содержит мобильное основание 105, поддерживаемое на гусеницах 110. Мобильное основание 105 поддерживает поворотный стол 115 и платформу 120 для механического оборудования. Поворотный стол 115 позволяет платформе 120 вращаться на 360° относительно основания 105.
Стрела 125 шарнирно установлена в точке 130 на платформе 120. Стрела 125 удерживается в положении вверх и наружу относительно платформы вантой или растяжкой в форме тросов 135, работающих на растяжение, которые закреплены на задней стойке 140 вантовой структуры 145, жестко установленной на платформе 120. Черпак или ковш 150 содержит множество зубьев 152 и подвешен на гибком грузоподъемном тросе 155, отходящем от шкива или желобчатого колеса 160, при этом грузоподъемный трос закреплен на барабане 165 лебедки, которая установлена на платформе. Когда барабан лебедки вращается, грузоподъемный трос 155 либо стравливается, либо наматывается, опуская или поднимая черпак 150. Шкив 160 стрелы направляет натяжение в грузоподъемном тросе 155 так, чтобы он натягивал черпак 150 механической лопаты непосредственно вверх, тем самым создавая эффективное усилие резания грунта, с которым производится выемка материала. Черпак 150 имеет жестко прикрепленную к нему рукоять 170, установленную с возможностью скольжения в опорном блоке 175, который шарнирно установлен на стреле 125 в точке 180. Рукоять 170 черпака имеет зубчатую рейку (не показана), которая находится в зацеплении с ведущей шестерней или поворотной цапфой (не показана), установленной в опорном блоке 175. Ведущая шестерня приводится в действие узлом 185 электродвигателя и трансмиссии для выдвижения или втягивания рукояти черпака 170 относительно опорного блока 175.
Стрела 125 механической лопаты является основным структурным компонентом по размеру, форме и весу. Ее основное назначение - удерживать шкив 160 стрелы в преимущественном положении для эффективного направления усилия черпака сквозь пласт материала. Другим основным назначением стрелы 125 является установка поворотной цапфы на достаточной высоте и радиальном расстоянии от центра вращения механической лопаты 100. Поворотная цапфа приводит в действие рукоять, чтобы выдвигать и втягивать черпак 150. Эти два признака копающего оборудования механической лопаты позволяют механической лопате безопасно дотягиваться и извлекать материал из пластов, расположенных на расстоянии от механической лопаты. Поэтому механическая лопата также может выбрать большой объем материала, находясь на одном месте, не приближаясь к пласту.
Зубья 152 ковша съемно прикреплены к ковшу 150. Это позволяет легко заменять сломанные или изношенные зубья 152. Однако это приводит к тому, что зубья 152 иногда отламываются или выпадают с ковша 150. В некоторых обстоятельствах зуб 152 отламывается или выпадает с ковша 150 и оказывается в извлекаемом грунте (например, в ковше 150). Когда грунт из ковша 150 загружается в грузовик, зуб 162 также попадает в грузовик. Часто грунт из грузовика попадает в дробилку для измельчения. Когда грузовик выгружает груз в дробилку, зуб 152 также попадает в дробилку, что может привести к повреждению дробилки или к выбросу из дробилки с возможным повреждением другого оборудования, или зуб может разрушиться в дробилке.
На фиг. 2А и 2В показана типичная горная операция. Механическая лопата 100 выкапывает грунт 200 ковшом 150 и сгружает грунт 200 в грузовик 205. Когда грузовик 205 заполнен, он перевозит грунт 200 в другое место (например, на месте разработки или в другое место). При некоторых операциях грузовик 205 перевозит грунт 200 к дробилке 210. Грузовик 205 сгружает грунт 200 на конвейер 215, который подает грунт 200 на дробилку 210, которая измельчает грунт 200 на мелкие компоненты 220.
В настоящем изобретении используется радиочастотная идентификационная метка, встроенная в металлический зуб 152 ковша тяжелой машины, или прикрепленная к нему, чтобы обеспечить возможность обнаружения зуба 152, отсутствующего на ковше 150.
В изобретении используется считыватель 225 радиочастотных идентификационных меток, расположенный на структуре (например, на выездных воротах), через которую грузовик 205 проходит после загрузки. Считыватель 225 радиочастотных идентификационных меток проверяет, не прошла ли радиочастотная идентификационная метка рядом с этой структурой. Если обнаруживается радиочастотная идентификационная метка, можно запустить сигнал тревоги, позволяющий обыскать грузовик 205, чтобы определить, находится ли обнаруженная радиочастотная метка и соответствующий ей зуб 152 в кузове грузовика 205. Если зуб 152, содержащий радиочастотную идентификационную метку, отломился или отвалился с ковша 150 и находится в грузовике 205, он может быть обнаружен до того, как грузовик покинет место разработки или попадет в дробилку 210. Предпочтительно считыватель 225 радиочастотных идентификационных меток установлен достаточно далеко от ковша 150, чтобы считыватель 225 на реагировал на зубья 152, все еще остающиеся на месте на ковше 150.
Дополнительно считыватель 230 радиочастотных идентификационных меток может быть установлен перед входом в дробилку 210 для обнаружения радиочастотной идентификационной метки на зубе 152 до того, как зуб 152 попадет в дробилку 210 (например, считыватель 230 можно установить над конвейером 215, запитывающим дробилку 210). И вновь, если считыватель 230 обнаружит радиочастотную идентификационную метку, срабатывает сигнал тревоги и конвейер 215 и/или дробилка 210 останавливается, позволяя найти зуб 152 до того, как он попадет в дробилку 210.
Радиочастотная идентификационная метка в зубе 152 может содержать информацию, идентифицирующую зуб 152. Например, в радиочастотную идентификационную метку может быть записана информация, помимо прочего, о серийном номере, происхождении, дате изготовления и прочее. Эта хранящаяся информация может позволить пользователю легко определить, откуда взялся зуб 152, что способствует быстрому ремонту ковша 150, или вернуть зуб.
В некоторых вариантах считыватель 235 радиочастотных идентификационных меток встроен в саму тяжелую машину 100 (см. фиг. 1). Считыватель 235 считывает все радиочастотные идентификационные метки, расположенные на машине 100, включая метки на зубьях 152. Контроллер или компьютер получает информацию от считывателя 235 об обнаруженных метках. Контроллер затем передает диагностическую информацию пользователю. Эта информация может включать дату установки зуба 152, сколько времени зуб 152 был в работе и т.п. Кроме того, если зуб 152 сломается/выпадет, контроллер предупреждает пользователя об этом состоянии, позволяя быстро найти и заменить потерянный зуб 152.
В некоторых вариантах в радиочастотную идентификационную метку включены дополнительные цепи, позволяющие определить величину износа зуба, что дает возможность выполнять планово-предупредительный ремонт еще до отказа зуба.
В некоторых вариантах радиочастотная идентификационная метка 300 приглушается, когда зуб 152 устанавливается на ковш 150. Когда зуб 152 ломается/выпадает с ковша 150, сила сигнала радиочастотной идентификационной метки 300 увеличивается. Считыватель 235 обнаруживает увеличение силы сигнала и определяет, что зуб 152 сломался/выпал с ковша 150.
На фиг. 3-5 показан зуб 152 ковша тяжелой машины. Зуб 152 содержит активную радиочастотную идентификационную метку 300, заключенную в керамический кожух 305, а керамический кожух 305 заключен в сталь 310. В керамический кожух 305 можно встроить отдельные управляющие цепи для активации радиочастотной идентификационной метки 300, когда зуб 152 отгружается или устанавливается, что позволяет экономить энергию аккумулятора и продлить срок службы метки 300. Керамический кожух 305 с радиочастотной идентификационной меткой 300 и любые другие цепи помещают в литейную форму, в которую заливают сталь для изготовления зуба. 152. Керамический кожух 305 защищает радиочастотную идентификационную метку 300 от теплоты жидкой стали. Радиочастотную идентификационную метку 300 настраивают так, чтобы сталь зуба 152 настраивала метку 300 на нужную частоту, и зуб 152 используется как антенна. В некоторых вариантах цепь настройки в метке 300 настраивает метку 300, когда метка 300 активирована в зубе 152.
На фиг. 6 показана другая конструкция зуба 152 тяжелой машины, содержащего радиочастотную идентификационную метку 300. Метка 300 установлена на конце 600 зуба 152. Конец 600 вставлен в монтажный кронштейн 605 и зуб 152 закреплен в монтажном кронштейне 605. В такой конструкции радиочастотная идентификационная метка 300 использует металл зуба 152 и кронштейна 605 для обратного рассеяния, чтобы увеличить интенсивность радиочастотного идентификационного сигнала.
На фиг. 7 показана конструкция зуба 152 тяжелой машины, выполненного с возможностью принимать радиочастотную идентификационную метку. Зуб 152 содержит отверстие 700, просверленное в основании зуба 152. Цилиндрическая радиочастотная идентификационная метка вставлена в это отверстие 700. В некоторых конструкциях поверх радиочастотной идентификационной метки устанавливают керамический диск и отверстие 700 заваривают.
На фиг. 8 показана конструкция керамической пробки 800 для установки в зуб 152 по фиг. 7. В керамической пробке 800 инкапсулирована радиочастотная идентификационная метка и цепь изменения износа зуба. Из керамической пробки 8000 выходят четыре щупа 805, 810, 815 и 820. Когда керамическая пробка 800 вставлена в отверстие 700 зуба 152, щупы 805-820 контактируют с зубом 152 и тем самым находятся в электрическом соединении с зубом 152. Цепь измерения износа использует щупы 805, 810, 815 и 820 для электрического тестирования зуба 152 и измерения его износа. Цепь измерения износа передает в радиочастотную идентификационную метку 300 данные об износе (т.е. величина износа, оставшийся полезный срок службы и прочее). Радиочастотная идентификационная метка 300 затем передает (например, по проводному или беспроводному соединению) информацию об износе на считыватель радиочастотных идентификационных меток (например, в кабине механической лопаты, на портативный считыватель и прочее).
На фиг. 9 показана цепь 900 измерения износа, используемая для измерения износа зуба 152. Цепь 900 использует способ четырехточечного сопротивления для определения износа. Источник 905 тока создает ток, который подается на два из щупов 805 и 820. Ток, текущий через щупы 805 и 820, измеряется датчиком 910 тока. Датчик 915 напряжения цепи 900 измеряет напряжение на других двух щупах 810 и 815. Используя измеренные ток и напряжение, микроконтроллер 920 цепи 900 определяет сопротивление зуба 152. Сопротивление изменяется в зависимости от состава материала зуба 152, магнитной проницаемости зуба 152 и размеров зуба 152. По мере износа зуба 152 его сопротивление меняется. Изменение сопротивления, поэтому, можно использовать для определения износа зуба 152. В некоторых вариантах начальное сопротивление (т.е. когда зуб 152 является новым) записывают в радиочастотную идентификационную метку 300. Кроме того, в некоторых вариантах другие результаты измерения сопротивления (например, ранее измеренное сопротивление) также записывают в радиочастотную идентификационную метку 300.
Различные признаки и преимущества настоящего изобретения изложены в приложенной формуле.