铣削机,尤其是表面采矿机,和用于露天挖掘采矿表面的采矿铣削材料的方法

摘要

在用于铣削露天挖掘采矿表面或用于铣削沥青或混凝土交通路面的脱离层的方法中，具有移除地表面的铣削机，通过沿着具有预定长度的预定的铣削轨迹铣削地面，通过经由传送设备将铣削的材料传送到至少一个卡车的容器，该卡车靠近铣削机行进，提供用于实现下述特征：作为当前有效工作宽度和铣削深度的函数，从当前铣削轨迹的长度计算最大总装载量，该铣削深度已经基于预定的、优选的最大铣削能力而优化，计算铣削轨迹的最大总装载量所需的卡车装载的数量，确定当前铣削轨迹的有效总装载量，其产生自最接近的总装载数量的量，和调整在铣削轨迹长度上铣削机的可调整的总铣削量，以匹配得出总装载数量的有效的总装载量。

说明书

本发明涉及分别根据权利要求1和6所述的方法，以及分别根据权利要求18和23所述的铣削机(milling machine)。

在采矿、土方和岩石操作中，铣削材料(milled material)形式的固体土地材料的开采相对于钻进和爆破具有很大的优点，因为其可以以更大的经济效益进行。

铣削机，通常称为表面采矿机(surface miner)，能够将采矿材料(mined material)碾压为这样小的尺寸，使其能够在无需任何或只需较小的后续处理下得到处理。通过铣削鼓移除的材料经由装载传送器装载到靠近铣削机的卡车上。在该过程中，铣削的材料被切割、碾压和最终被装载。

已知的方法规定露天挖掘采矿表面的地面沿着具有预定长度的预定的铣削轨迹而铣削。在该过程中，根据机器的能力和被铣削的材料的类型，铣削操作在铣削深度和铣削速度方面得到优化。

铣削的材料通过传送设备传送到沿着靠近铣削机行进的卡车的至少一个容器上，所述卡车每个装载具有预定的最大装载量。一旦卡车被完全地装载，代替以未装载的卡车。

在铣削轨迹的端部，铣削机转向，从而可以移除相邻的铣削轨迹。这在该过程中是不利的，因为卡车在铣削轨迹的端部可能不能完全地装载，从而车辆或者需要只部分装载铣削材料后就传送，或者还需要等待完成转向操作，这种情况下，工作过程在下一个卡车更换过程中将不得不再次中断，直至完成卡车的更换。为了最小化运行中的中断，还已知的是采用提供有一个或几个拖车的卡车和拖车的组合。然而对于这样的卡车和拖车的组合，存在更多的问题，卡车和拖车组合在铣削轨迹的端部没有完全地装载。由于这样的卡车不能进行转向操作，该方案中更加存在问题，不能够完全地装载卡车和拖车的组合。

还有的问题在于均匀地装载卡车的容器，使得能够最大地利用容器的容量。

因此本发明的目的在于确定用于铣削露天挖掘采矿表面的方法，其能够以更大的经济效益进行。

上述目标通过权利要求1、6、18和23的特征而实现。

为此，下面是根据本发明的方法提供的：

—作为当前有效工作宽度和铣削深度的函数，从当前铣削轨迹的长度计算最大总装载量，该铣削深度已经基于预定的、优选的最大铣削能力而优化，

—计算铣削轨迹的最大总装载量所需的卡车装载的数量，

—确定当前铣削轨迹的有效总装载量，其产生自最接近的总装载数量的量，和

—调整在铣削轨迹长度上铣削机的可调整的总铣削量，以匹配导致总装载数量的有效的总装载量。

本发明能够这样优化铣削过程，在当前铣削轨迹的端部，卡车的一个或多个容器得到完全地装载，从而避免了卡车或具有容器的卡车和拖车的组合的不完全地装载的行程，这样还最小化运行中为替换卡车而中断的数量。

同时，前进速度可以增加，例如，当在减小的铣削深度下工作时，从而可以减少铣削铣削轨迹所需的时间。

最好假定调整铣削轨迹中可调整的铣削机的总铣削量调整以匹配总装载量，该总装载量由最接近的较小的总装载数量产生。

在这种情况下，最好通过改变铣削深度调整该总铣削量以匹配特定的有效总装载量。理由是，通过减小铣削深度，在铣削轨迹中的总铣削量可以这样减少，使其对应于特定的有效总装载量，使得在铣削轨迹中能够达到总装载数量。

可选的可能性包括通过改变有效的工作宽度调整总铣削量以匹配特定的有效总装载量，这是通过选择相邻铣削轨迹的不同的交叠而实现的。

在这种情况下，保持了铣削过程中优化的铣削深度，为调整到总装载量的总铣削量的减少通过部分地行进在以前的铣削轨迹之上而调整。

在该方案中假定这样调整铣削机的前进速度以匹配有效的总铣削量，使得预选的铣削能力，最好是最大的铣削能力得以保持或实现。

为了改进铣削过程的效力和容器的均匀装载，还可以假定这样控制作为铣削机前进速度的函数的卡车的前进速度，使得至少一个容器的装载空间均匀并完全地在长度上装载，直至最大装载量。

这最好通过控制作为铣削机前进速度和容器的测量到的装载条件的函数的卡车的前进速度以调整装载过程而实现。

作为铣削机前进速度或者铣削机在当前铣削轨迹中行进的距离或传送设备当前排放位置的函数的卡车的前进速度或当前位置可以可选地得到控制。

还可以假定这样控制卡车的前进速度或当前位置，使得传送设备的排放位置在至少一个容器的上面，从容器里面的前或后端位置到达纵向上相对的端部位置。

优选这样控制卡车的行进速度，使得卡车的行进速度高于或等于铣削机的前进速度。

可选地还可以假设，这样控制卡车的行进速度，使得卡车的行进速度与铣削机的前进速度显示恒定的位置差。

可选地可以假定，这样控制卡车的行进速度，使得卡车的行进速度以不连续的方式改变。

在装载过程的开始处，可以假定，只有在足够高的初始填充已经排放在前或后端位置之后，将卡车的速度控制为比铣削机前进速度更高。

该方法可以有利地采用，尤其当使用具有在以铰接的方式互相连接在一起的几个拖车的卡车和拖车的组合时。

为了能够实现连续的装载过程，本方案中尤其有利，如果采用在以铰接的方式互相连接在一起的几个拖车上的容器，其中相邻容器的相对端壁的上方的端部边缘交叠。

容器可以用于本方案中，其相对端壁这样提供有互相适合的弯曲，该弯曲绕着垂直于地面的轴线，使得端壁具有最小可能的相互距离，但是仍然能够进行拖车的在斜坡过渡区域的相互侧转运动。

还可以采用容器，该容器的前端壁侧以凸起的方式弯曲，并最好在前端边缘处提供有突出的凸缘，其覆盖卡车的驾驶室和/或在前面行进的容器的端壁的后部上方凹进地弯曲的端部边缘。

下面结合附图更加详细地解释本发明的实施方式。其中：

图1是称为露天挖掘采矿表面的露天挖掘坑的图示，

图2是经由铣削机传送机的卡车容器的装载，

图3是表面采矿机的侧视图，

图4是表面采矿机的顶视图，

图5是坑在铣削机工作方向上的完整的横截面，

图6是坑横向于工作方向的完整的横截面，

图7是实际切割深度的定义，

图8是具有现实和理想装载的材料堆，和

图9是卡车控制单元的基本结构。

图1表示露天挖掘采矿表面的露天挖掘坑，其中参考符号4表示将要处理的地面，区域6表示斜坡，该斜坡通向升高的在露天挖掘的坑的各自的外围中转向区域8。表面采矿机3能够在采矿轨迹(milling track)消除之后拐入所述转向区域8中，以在相反方向上处理相邻的铣削轨迹。

露天挖掘坑例如具有约100m宽和约500m长的尺寸。

如可以在图2中看到的，通过表面采矿机3移除的铣削材料，例如矿石或煤，经由传送机2装置到卡车1上，该卡车1还可以提供有一个或几个容器10。容器位于卡车1上，所述容器具有例如100t的装载容量。通常采用组合有总数为三个的100t的容器的卡车和拖车，每个容器安装在拖车上，从而这样的卡车总的装载量总计约为300t。当采用具有100t容器的卡车时，卡车的替换需要在大约500m的采矿轨迹长度上执行大约16至17次。这意味着在卡车替换过程中，每过30m就需要操作的短暂中断，因为传送机需要停下来，并且由于铣削机高的铣削动力，在车辆替换过程中，铣削过程也需要短暂地中断。

图3表示表面采矿机3，其提供有控制单元12，用于在露天挖掘采矿表面的铣削材料的开采过程中或者在沥青或混凝土交通路面层的铣削过程中控制移除过程，并用于控制移除的铣削材料传送走以装载在卡车上。

地表面沿着具有预定长度的预定铣削轨迹被移除。

铣削的材料经由传送设备——例如传送器2——传送到卡车1的至少一个容器，该卡车沿着邻近的铣削机行进，所述卡车1每个装载具有预定的最大装载量。

当卡车的装载达到最大装载量时，充分装载的卡车由没有装载的卡车替换。

铣削机3的控制单元12计算：

—最大总装载量，其基于当前铣削轨迹的长度产生，作为当前有效工作宽度和铣削深度的函数，其已经关于预定的优选的最大铣削能力而优化，

—铣削轨迹最大总装载量所需的卡车装载的数量，和确定

—当前铣削轨迹有效的总装载量，其产生自最接近的总装载数量。

然后，控制单元12调整铣削机在铣削轨迹长度上可调整的总铣削量以匹配该有效的总装载量，该总装载量产生装载总的数量。

为了设置和调整总的铣削量，控制单元12可以计算有效总装载量，该有效总装载量由最接近的较小的总装载数量产生。

为了调整该可调整的总铣削量以匹配专门有效的总装载量，控制单元12可以改变，最好减少铣削深度。

为了调整该可调整的总铣削量以匹配专门有效的总装载量，控制单元12还可以通过选择相邻铣削轨迹不同的交叠而改变有效的工作宽度。

控制单元12可以将铣削机的前进速度设定到预选的铣削能力，最好是最大的铣削能力。

此外，控制单元12可以以这样的方式控制作为铣削机行进速度的函数的卡车的行进速度，使得至少一个容器的装载空间在长度上得到均匀和完全的装载，以达到最大装载量。

控制单元12可以通过控制卡车的行进速度而调整至少一个容器的装载过程，该行进速度是铣削机的前进速度和容器测量到的装载条件的函数。

控制单元12可以控制卡车的行进速度或当前位置，该行进速度或当前位置作为铣削机前进速度或铣削机在当前铣削轨迹中行进的距离或传送设备相对于卡车当前的排放位置的函数。

在该方案中，控制单元12可以这样控制卡车的行进速度或当前位置，使得传送设备的排放位置在至少一个容器的上面，从容器里面的前或后端到达纵向上相对的端部位置。

优选地，控制单元可以这样控制卡车的行进速度，使得卡车的行进速度高于或等于铣削机的前进速度。

只有在前或后端位置上已经达到足够高的初始填充之后，控制单元12才可以增加卡车的行进速度。

容器可以设置在互相以铰接方式连接在一起的几个拖车上，其中相对端壁的相邻上端边缘交叠在一起。

在互相以铰接方式连接在一起的几个拖车上的容器的相邻端壁可以这样提供有互相适应的弯曲，该弯曲绕着垂直于地面的轴线，使得端壁具有最小可能的相互距离，但是仍然能够进行拖车的侧转运动。

容器可以在前端壁侧以凸起的方式弯曲，并优选在前端缘处提供有突出的凸缘，其覆盖卡车的驾驶室和/或在前面行进的容器的端壁的后部上方凹进地弯曲的端部边缘。

自动化露天挖掘采矿的尺寸和控制概念(control concept)描述在下面。该过程包括如下步骤：

—为每层计算/量出切割深度(作为“垂直”露天挖掘采矿过程的函数，假定坑尺寸是已知的)以为每层实现最优的卡车装载，

—为露天挖掘采矿/装载过程施加控制概念，以最小化的控制和通信努力实现最优的卡车装载。

下面的控制概念的基本优点在于这样的事实，在卡车和露天挖掘铣削机之间——其中它们都以恒速行进——连续的装载过程相对于控制概念特别容易实现，并且几乎不要求在铣削机和卡车之间进行通信(除了开始处和在装载过程的末端处)。

本发明的原则包括控制作为铣削机实际位置和速度(或者分别地铣削机的传送带位置和速度)的函数的卡车的速度和方向，铣削机的切割深度和切割宽度，和其他预先已知的过程参数，例如卡车的最大有效载荷、卡车等量填充的长度和铣削材料的密度。

计算作为垂直地前进的层采集过程的函数的优化的切削深度：

一般定义和关系：

已知的处理参数和变量：

l_mine，max单位[m]：需要开采的最大总水平距离，不包括铣削机的调头(包括斜坡和平坦部；参见图5)

α_ramp单位[m]：采矿斜坡角度；参见图5

ρ_mat单位[t/m³]：开采的材料的密度

M_pay单位[t]：卡车的有效载荷

L单位[-]：疏松因子，切割材料的密度和装载材料的密度之间的关系

F_T，max单位[m]：最大切割深度

F_B单位[m]：切割宽度

F_T，act单位[m]：实际切割深度

需要确定的未知过程变量(以说明的顺序)：

l_mine，act单位[m]：需要开采的实际总水平距离，不包括铣削机的调头(包括斜坡和平坦部；参见图5)

l_ramp，act单位[m]：铣削机在斜坡上时需要开采的实际水平距离；参见图7

l_flat，act单位[m]：铣削机在坑横截面的平坦部上时需要开采的实际水平距离；参见图7

Q_ramp，act单位[m³]：在斜坡上需要装载的材料量

Q_flat，act单位[m³]：在采矿轨迹的平坦部上需要装载的材料量

Q_total，act单位[m³]：在单个轨迹中需要装载的总材料量

M_total，act单位[t]：在单个轨迹中需要装载的总重量

n_trucks单位[-]：单个轨迹的总装载所需的卡车数量。

图1表示坑的例子的顶视图，而图5和6表示相应的横截面。在铣削机的工作方向上完整的坑横截面描述在图5中。在图5中，16表示最大坑长度，18表示最大采矿长度，21表示最大采矿深度，而20表示采矿斜坡，所述采矿斜坡具有例如1∶10～5.71°的斜度。横向于工作方向的完整的坑横截面描述在图6中。在图6中，22表示最大采矿深度，而24表示采矿斜坡，所述采矿斜坡具有例如1∶0.25～76°的斜度。假设总的坑尺寸和横截面在开始采矿过程之前是已知的。尺寸的确定典型地通过对开采样品的广泛分析在开始采矿过程之前进行。

计算过程：

—通过将l_flat，act调整到轨迹长度的开始和通过将切割深度调整到最大切割深度，在坑的顶部处开始

—通过引用的过程计算所需的卡车数量

—将所需的卡车数量减少到下一个较小的总数量

—重新计算切割深度和在平坦部上的实际水平距离l_flat，act

—为l_min e，act将l_flat，act设置为开始值以计算下一个切割深度

在斜坡上需要装载的材料量可以如下计算

$Q_{\mathrm{ramp},\mathrm{act}}=\frac{1}{2}·l_{\mathrm{ramp},\mathrm{act}}·F_{T,\mathrm{act}}·F_B·L.$

类似地，在平坦部上需要装载的材料量可以如下获得

Q_flat，act＝l_flat，act·F_T，act·F_B·L.

对于整个轨迹需要装载的总的材料简单地为

Q_total，act＝Q_flat，act+2·Q_ramp，act.

取代斜坡和平坦部的材料量，结果为

$Q_{\mathrm{total},\mathrm{act}}=l_{\mathrm{flat},\mathrm{act}}·F_{T,\mathrm{act}}·F_B·L+2·\frac{1}{2}·l_{\mathrm{ramp},\mathrm{act}}·F_{T,\mathrm{act}}·F_B·L,$

其可以进一步简化为

需要装载的总重量是

M_total，act＝Q_total，act·ρ_mat

总装载所需的卡车装载数量是

n_trucks＝M_total，act/M_pay.

通过为切割深度解上述等式，现在可以十分容易地进行重新计算所需的切割深度，结果为

$F_{T,\mathrm{act}}=\frac{Q_{\mathrm{total},\mathrm{act}}}{F_B·L·l_{\min e,\mathrm{act}}}.$

平坦部当前总水平距离可以通过最初计算斜坡距离而确定

$l_{\mathrm{ramp},\mathrm{act}}=\frac{F_{T,\mathrm{act}}}{\tan \left({\alpha }_{\mathrm{ramp}}\right)}.$

然后可以从下式中计算平坦部的剩余距离l_flat，act(图7)

l_flat，act＝l_min e，act-2·l_ramp，act.

用于计算下一层的总水平距离l_mine，act等于最后计算出的平坦部的距离

l_mine，act＝l_flat，act，

除第一次计算时所述长度需要设置为最大初始水平距离l_min e，max。

图8表示具有现实的和理想的装载28、30的材料堆26，32表示装载长度。

卡车速度的控制规律：

一般定义和关系：

已知的过程参数和变量：

F_T单位[m]：切割深度

F_B单位[m]：切割宽度

v_SM单位[m/min]：铣削机的前进速度

M_pay单位[t]：卡车的有效载荷

L单位[-]：疏松因子，切割材料的密度和装载材料的密度之间的关系

ρ_mat单位[t/m³]：采矿材料的密度

l_lc单位[m]：卡车的等量填充长度

需要确定的未知过程变量(以说明的顺序)：

t_lc单位[min]：卡车装载时间

Q_lc单位[m³]：一个装载循环的材料量

单位[m³/min]：来自铣削机的材料流速

A_tray，cr单位[m²]：卡车浅盘的可装载横截面积

v_Truck单位[m/min]：前进方向的卡车速度

其中：[min]：分钟 [m]：米 [m³/min]：立方米每分钟

作为表面铣削机速度、切割深度、切割宽度和卡车速度的函数的卡车装载横截面积可以通过采用下面简单的假设和关系而计算：

—材料可以装载在卡车上而没有任何角度的放置(参见图8，作为示例)

—卡车1和铣削机3以恒定速度行进。

—卡车1在卡车浅盘的前端开始装载，并且比铣削机行进得快。

—在铣削机3中没有材料存储。

—发生切割材料的恒定的疏松，也即通过传送设备传送的材料等于通过乘以疏松因子的切割材料。

在特定的装载时间t_lc过程中通过铣削机3传送的材料可以计算自

$Q_{\mathrm{lc}}=F_T·F_B·v_{\mathrm{SM}}·L·t_{\mathrm{lc}}=\stackrel{·}{q}·t_{\mathrm{lc}}.$

卡车浅盘最终的横截面装载面积可以计算自

A_tray，cr＝Q_lc/l_lc

其中，l_lc表示等量装载长度，假定堆积在卡车上的装载类似立方体。

通过替换材料量和装载长度可以获得

$A_{\mathrm{tray},\mathrm{cr}}=F_T·F_B·L·\frac{v_{\mathrm{SM}}}{v_{\mathrm{Truck}}-v_{\mathrm{SM}}},---\left(1\right)$

这意味着，对于给定的切割深度、给定的切割宽度和给定的疏松因子，横截面装载面积是铣削机速度和铣削机速度与卡车速度的差的函数。该关系可以非常容易地检验。假定卡车是静止的(Vtruck＝0)，根据上述关系得到

A_tray，cr＝F_T·F_B·L，

这意味着通过铣削机切割的材料的横截面，乘以疏松因子，需要存储在卡车1中。为了能够获得卡车浅盘的专门的横截面装载面积，等式(1)生成控制规律，用于对于给定的切割深度和切割宽度调整卡车速度和/或铣削机速度。实际上，装载面积受到基于卡车浅盘的最大有效载荷的限制。对于给定的卡车浅盘的最大有效载荷，在一个装载循环过程中能够装载的最大材料量定义为

Q_lc，max＝M_pay/ρ_mat.

然后该最大材料量可以转化为最大横截面装载面积

A_{tray，cr，max}＝Q_lc，max/l_lc      (2).

将(2)插入(1)中并求解(1)得到卡车速度，这为卡车速度产生反馈控制规律：

$v_{\mathrm{Truck}}=v_{\mathrm{SM}}(1+\frac{F_T·F_B·L·{\rho }_{\mathrm{mat}}·l_{\mathrm{lc}}}{M_{\mathrm{Pay}}}).$

卡车控制单元的基本结构描述在图9中。卡车位置和速度前馈控制单元34包括用于卡车速度和用于将传送位置映射在卡车位置上的前馈控制规则。该卡车位置和速度前馈控制单元34包括测量值36，例如传送机绝对位置和速度、实际切割深度和实际铣削机速度。存在其他参数38，例如卡车最大有效载荷、疏松因子、材料密度、卡车浅盘的等量装载长度、或者切割宽度。40表示命令的速度和位置(方向和幅度)，42表示卡车控制设备，44表示控制指令、速度指令，46表示卡车，48表示卡车绝对位置，而50表示ATS/GPS。