Fördermengenregelung eines Schaufelradbaggers oder Schaufelradaufnehmers im Tagebau

Abstract

 Die Efindung bezieht sich auf eine Fördermengenregelung eines Schaufelradaufnehmers (6) im Tagebau, bei der die Schwenkgeschwindig­keit des Schaufelradauslegers (7) und/oder seine Höhenlage unter Be­rücksichtigung des Schaufelrad-Antriebsstromes sowie des Gewich­tes und Volumens des geförderten Gutes geregelt wird, wobei als weitere Regelgröße das vom Schaufelrad geschnittene Festmaterial­Fördervolumen verwendet wird.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft die Fördermengenregelung eines Schaufelrad­baggers oder Schaufelradaufnehmers im Tagebau, bei der die Schwenk­geschwindigkeit des Schaufelradauslegers und/oder seine Höhenlage unter Berücksichtigung des Schaufelradantriebsstromes sowie des Gewichtes und Volumens des geförderten Gutes geregelt wird.

[0002] Für den Betrieb eines Schaufelradbaggers ist es wesentlich, die Hub- und/oder Schwenkbewegung des Schaufelradauslegers so zu regeln, daß das größtmögliche Fördervolumen erreicht wird, ohne den Schaufelradantrieb sowie die abfördernden Bänder zu über­lasten. Zur Regelung eines Schaufelradbaggers oder Schaufelrad­aufnehmers ist es bekannt, den Schaufelradantriebsstrom sowie das Gewicht und das Volumen des geförderten Gutes zu messen und danach die Schwenkbewegung und möglicherweise die Hubhöhe des Schaufelrades zu regeln. Mit diesen Regelgrößen ist die Förde­rung eines Schaufelradbaggers oder Schaufelradaufnehmers bereits zufriedenstellend, eine Regelung an der äußersten Leistungsgren­ze des Schaufelradbaggers oder Schaufelradaufnehmers ist jedoch noch nicht möglich, da das Gewicht und das Volumen des geför­derten Gutes nur mit zeitlichem Abstand zum eigentlichen För­dervorgang und ungenau ermittelt werden kann.

[0003] Eine direkte Messung des Schnittvolumens am Schaufelrad ist bisher nicht bekannt und erscheint mit den heutigen technischen Mitteln auch nicht lösbar. Bekannt sind bisher Verfahren, durch die Messung von geometrischen Parametern des Baggers indirekt auf das Volumen des vom Schaufelrad momentan geschnittenen Spans zu schließen. In die Berechnung geht unter anderem die nach jedem Schwenkvorgang vom Bagger durchgeführte Spanvorfahrt ein, die als Maß für die Dicke des Spans herangezogen wird. Die Weiterfahrt des Baggers wird beispielsweise mittels Wegmeßauf­nehmer an den Baggerfahrwerken gemessen. Dieser Meßwert ist jedoch oft mit erheblichen Fehlern behaftet, bedingt durch mechanische Ungenauigkeiten und Verschmutzungsprobleme. Ein Rückschluß vom geförderten zum zu schneidenden Volumen ist aufgrund des variierenden Auflockerungsfaktors nur bedingt möglich.

[0004] Die bekannten Meßverfahren ergeben einen nicht unerheblichen Meßfehler, so daß sie eine Regelung des Baggers im Grenzbereich zwischen Überlastung und größtmöglicher Fördermenge nicht erlauben. Auch die Regelung nach dem aufgenommenen Strom des Schaufelradantriebes ist hierzu nicht in der Lage, insbesondere da in diesen die unterschiedlichen, materialabhängigen Reibungs­verhältnisse am Schaufelrad eingehen.

[0005] Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Fördermengenregelung anzu­geben, die eine sichere Führung des Abbauvorganges an der Grenze einer vorgegebenen Förderleistung ermöglicht, die der maximal zulässigen Förderleistung des Fördergerätes oder nach­geschalteter Förderanlagen entspricht.

[0006] Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß als weitere Regelgröße das vom Schaufelrad erfaßte Festmaterial-Fördervolumen verwendet wird. Das vom Schaufelrad erfaßte Festmaterial-Fördervolumen erlaubt eine direkte Aussage über die Beanspruchung des Baggers und seine Auslastung. Der Schaufelradbagger oder der Schaufel­radaufnehmer kann daher vorteilhaft so geregelt werden, daß er die momentan vorgegebene Fördermenge aufnimmt. Dies kann so­wohl durch eine Veränderung der Schwenkgeschwindigkeit des Schaufelradauslegerarmes allein oder in Verbindung mit der Veränderung der Hubhöhe der Fall sein. In Lösung der Aufgabe ist vorgesehen, daß die Ermittlung des vom Schaufelrad erfaßten Festmaterial-Fördervolumens durch einen Laserstrahl erfolgt, der die Kontur des Festmaterials in Schwenkrichtung vor dem Schaufelrad abtastet. Die Abtastung der Kontur des Festmateri­als in Schwenkrichtung vor dem Schaufelrad durch einen Laser­strahl, der vorzugsweise mit einer Wellenlänge von 905 Nanometer, einer Pulsrate von 3,6 kHz und einer Pulsdauer von ca. 10 Nano­sekunden arbeitet, erlaubt eine besonders genaue, gegen unter­schiedliche Temperaturen, aufgewirbelten Staub und weitere Umwelteinflüsse unempfindliches Ermitteln des abzubauenden Schnittvolumens. So steht eine betriebssichere Messung des abzubauen den Schnittvolumens zur Verfügung, die eine sichere Regelung der Fördermenge des Schaufelradbaggers oder Schaufel­radaufnehmers erlaubt.

[0007] In Ausgestaltung der Erfindung ist weiterhin vorgesehen, daß der Laserstrahl von einem in Schaufelradnähe angeordneten, lageorientierten Meßlaser erzeugt wird, der über die von einem Rechner ausgewerteten Laufzeitmessungen des gepulsten Laserlichts, die Kontur des anstehenden Festmaterials mißt.

[0008] Die Verwendung eines Meßlasers, insbesondere in Form eines Laserscanners, hat bei dieser Anwendung den Vorteil, daß eine linienförmige Erfassung des abzuspanenden Gebietes erfolgt. Durch die zeilenweise oder wellenlinienförmige Abtastung werden nicht nur Einzeldaten, sondern die Konfiguration der Abbaufront erfaßbar. Durch eine aufwandsarme Optik kann über das gering streuende Licht eines Laserscanners eine hohe momentane Energiedichte erreicht werden, wodurch Fehler durch zu starke Streuung, ungenügender Reflektion etc. vermieden oder verklei­nert werden. Insgesamt ergibt sich so ein besonders betriebs­sicheres, tagebaugerechtes Meß- und Regelverfahren.

[0009] Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, anhand der Zeichnung und in Verbindung mit den Unteransprüchen. Es zeigen:

FIG 1 eine Sicht auf den Abbauort,

FIG 2 eine Darstellung der geometrischen Verhältnisse bei einer Spanmessung und

FIG 3 eine Darstellung der geometrischen Verhältnisse am Abbauort in vereinfachter Form.

[0010] Die FIG 1 zeigt die Ermittlung der Einzelheiten des Abbauortes durch zwei Meßlaser, insbesondere Laserscanner 8, 9, die das Oberflächenprofil auf dem Abbaumaterial 1 und die abgearbei­tete Fläche 3 durch scannen auf den Scanlinien 10, 11 vertikal vermessen. Die Laserscanner 8, 9 sind neben dem Schaufelrad 6 mit den Schaufeln 5 am Schaufelradträger 7 angebracht und ver­messen vornehmlich den nach unten gerichteten Profilteil 2. Das Profil wird aus Entfernung/Winkel-Wertepaaren ermittelt. Es wird in erster Linie das Profil 1, 2 derjenigen Seite für die Rege­lung verwendet, auf die sich das Schaufelrad 6 zubewegt. Bei gleichmäßiger Bewegung in nur eine Richtung und wenn keine Dif­ferenzmessung erfolgt, kann auch auf den zweiten Profilscanner verzichtet werden. Während der Schwenkbewegung dreht sich das Schaufelrad 6 und fräst das Festmaterial 1 um das Oberflächen­maß 4 ab.

[0011] Das hintere Profil 12 (weggefrästes Festmaterial) ist, wie FIG 2 zeigt, durch die Kontur des Schaufelrades 6 vorgegeben, da al­les vorstehende Material zwangsweise weggefräst wird. Aus der hinteren Kontur 12 und dem gemessenen Profil 13 wird die Quer­schnittsfläche 14 des jeweiligen Spans errechnet. Die Überlap­pung des Schaufelrades 6 über das gemessene Profil des Laser­scanners stellt diese Differenzfläche dar. Durch die Schwenkbe­wegung des Baggers fräst sich das Schaufelrad 6 seitlich in das Festmaterial. Das Volumen des Spans ist umso größer, je schneller diese Schwenkbewegung erfolgt. Das von der Spanquerschnittsflä­che 14 überstrichene Volumen pro Zeiteinheit stellt den geför­derten Volumenstrom des momentan weggefrästen Festmaterials dar. Die erforderlichen Rechnungen für Festmaterial, Fördervolumen, Spandicke, Spanhöhe, Lage der Schnittfläche und Aufmaß (separat vermessen), werden in einem Rechner vorgenommen, der dem Laser­scanner nachgeschaltet ist. Dieser Rechner kann im Laserscanner integriert sein. Für die Berechnung ist im wesentlichen der Schwenkradius, die Schwenkgeschwindigkeit, der Hubwinkel (α) des Schaufelradauslegers, die Anbauposition des Laserscanners 8, 9, weitere geometrische Abmessungen des Baggers sowie seine Lage im Raum notwendig. Diese Informationen können im Rechner des Laserscanners leicht gespeichert werden. Vorteilhaft wird der Rechner mit einem beschreibbaren Permanentspeicher ausgerüstet.

[0012] Da der Montageort und die Ausrichtung des Laserscanners 8, 9 relativ zum Bagger 16 bekannt ist, bzw. einmalig bestimmt werden kann, ist der Hubwinkel (α) des Schaufelradauslegers direkt im Laserscanner 8, 9 oder im nachgeschalteten Rechner zu verwerten. Die Länge des Schaufelradauslegers ist ein bekannter Parameter. In Verbindung mit der Schwenkgeschwindigkeit reichen die Infor­mationen aus, um im Laserscanner 8, 9 oder im nachgeschalteten Rechner den Festmaterial-Volumenstrom aus den Profildaten zu berechnen, ohne daß weitere Meßwerte dem Laserscanner 8, 9 bzw. dem nachgeschalteten Rechner zugeleitet werden müssen. Bei einer Schrägstellung des Baggers 16 ist gegebenenfalls eine Korrektur notwendig, die aus einer Lotmessung ermittelt werden kann und als Korrekturgröße dem Rechner aufgegeben wird. Für die Vorgabe einer Schnittfläche ist, wie FIG 2 zeigt, das räumliche Profil durch Bezug auf das Lot 15 im Raum zu orientieren.

[0013] Der Profilteil auf dem Planum 3 (abgearbeitete Fläche) ist durch eine Gerade approximierbar. Die Steigung dieser Geraden ist be­rechenbar. Die Höhe des Schaufelrades 6 über Planum kann eben­falls aus dem Profil bestimmt werden, in dem aus der Schrägent­fernung auf die approximierte Gerade in Planum die Projektion auf die Vertikale berechnet wird. Aus beiden Größen können IST-­Werte für den Ort des Schaufelrades 6 berechnet werden. Damit ist der Ort des Schaufelrades 6 relativ zum Standpunkt des Baggers 16 kontinuierlich vermeßbar. Gibt man für den Ort des Schaufel­rades 6 SOLL-Werte vor, so kann aus der Differenz der IST-Werte und SOLL-Werte eine Regelgröße zur Steuerung des Schaufelrades 6 auf beliebige Oberflächenformen abgeleitet werden.

[0014] Da sowohl die Lage des Schaufelradauslegers 7 als auch die Ober­flächenkontur des Planums 3 und der Fräsfläche bekannt sind, kann auch der Abstand des Auslegers 7 zum anstehenden Material berechnet werden. Die Unterschreitung eines bestimmten Abstandes kann sehr vorteilhaft dazu benutzt werden, einen Kollisionsalarm auszulösen.

[0015] Die vorstehende Erfindung, die ein bisher als unlösbar angese­henes Grundproblem bei der Arbeit von Schaufelradbaggern löst, ist bevorzugt mit Laserscannern, insbesondere IR-Laserscannern, durchführbar. Es versteht sich jedoch für den Fachmann von selbst, daß auch andere, einem Laser vergleichbare Strahlungs­quellen eingesetzt werden können, z.B. elektromagnetische Strahler sehr hoher Frequenz und vergleichbarer Strahlbündelung. Desgleichen sind auch andere, als in der Zeichnung angegebene, Positionen der Maßlaser möglich. Bei großer Staubentwicklung empfiehlt sich z.B. eine Anbringung am Bagger und eine Kontur­erfassung der Abbaufront in einem Abstand von 10-20 m vom Schaufelrad.

Ansprüche

1. Fördermegenregelung eines Schaufelradbaggers oder Schaufel­radaufnehmers im Tagebau, bei der die Schwenkgeschwindigkeit des Schaufelradauslegers und/oder seine Höhenlage unter Be­rücksichtigung des Schaufelrad-Antriebsstromes sowie des Gewichtes und Volumens des geförderten Gutes geregelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß als weitere Regelgröße das vom Schaufelrad geschnittene Fest­material-Fördervolumen verwendet wird.

2. Fördermengenregelung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ermittlung des vom Schaufelrad geschnittenen Festmaterial-Fördervolumens durch einen Laserstrahl erfolgt, der die Kontur des Festmaterials in Schwenkrichtung vor dem Schaufelrad abtastet.

3. Fördermengenregelung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstrahl von einem in Schaufelradnähe angeordneten, lageorientierten Meßlaser erzeugt wird, der über die an einem Rechner ausgewertete Laufzeitmessungen des gepulsten Laserlichtes, die Kontur des anstehenden Festmaterials mißt.

4. Fördermengenregelung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstrahl die Kontur des neben dem Schaufelrad anstehenden Festmaterials durch fort­laufende Messung von Entfernung und Winkel auf die Material­oberfläche mißt, diese Daten dem Rechner zuführt und daß in die­sem Rechner aus diesen Daten ein Profilverlauf errechnet wird.

5. Fördermengenregelung nach Anspruch 2,3 oder 4, da­durch gekennzeichnet, daß aus dem Profil, den geometrischen Abmessungen des Schaufelrades, sowie der Anbauposition des Meßlasers, die Querschnittsfläche des vom Schaufelrad erfaßten Spans berechnet wird.

6. Fördermengenregelung nach Anspruch 1,2,3,4 oder 5, da­durch gekennzeichnet, daß aus der Differenz des Oberflächenprofils und der äußeren Kontur des Schaufelrades, sowie dem Hubwinkel und der Schwenkgeschwindig­keit das Volumen des geschnittenen Festmaterials berechnet wird.

7. Fördermengenregelung nach Anspruch 1,2,3,4,5 oder 6, da­durch gekennzeichnet, daß durch kontinu­ierliche Messung das Profil beidseitig neben dem Schaufelrad ermittelt und aus der Profildifferenz und der Schwenkgeschwin­digkeit ein Momentanwert des geschnittenen Festmaterials ermittelt wird.

8. Fördermengenregelung nach Anspruch 3,4,5,6 oder 7, da­durch gekennzeichnet, daß der Meßlaser und der Rechner mit einem beschreibbaren Permanentspeicher verbunden sind, in dem Parameter über den Bagger und über die Anbauposition des Laserscanners und Justagewerte gespeichert werden.

9. Fördermengenregelung nach Anspruch 3,4,5,6,7 oder 8, da­durch gekennzeichnet, daß der Meßlaser in den Winkelbereichen, die nicht zur Profilauswertung herangezogen werden, auf ein geräteinternes Ziel mißt und die dabei gemessene, bekannte Entfernung als Kontrollwert für die Funktionsfähigkeit des Gerätes und als Eichwert verwendet wird.

10. Fördermengenregelung nach einem oder mehreren der vorher­gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­net, daß der Meßlaser mit Impulsdauern von 1-10 Nano­sekunden und einer Impulsrate im Kilohertzbereich, vorzugsweise im 3-30 kHz-Bereich, arbeitet.

11. Fördermengenregelung nach einem oder mehreren der vorher­gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­net, daß für die Impulslaufzeitmessung zunächst ein Start­puls generiert wird, dessen reflektierter Anteil über Verzöge­rungsleitungen, vorzugsweise in Spulenform, laufzeitverlängert und für eine Start-Stop-Messung verwendet wird.

12. Fördermengenregelung nach einem oder mehreren der vorher­gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­net, daß zur Fördermengenregelung eines Tagebaufördergerätes ein vom Gerät mitgeführter Laserscanner verwendet wird.

Zeichnung