地下鏟運機稱重系統的設計與試驗

□ 郭 鑫 □ 戰 凱 □ 顧洪樞 □ 李恒通

北京礦冶研究總院 北京 100160

地下鏟運機主要應用于地下礦山的礦石鏟裝，通過安裝自動稱重系統，以及布置合適的傳感器，可以實現在工作過程中自動對料斗中的礦石進行稱重，這對減輕操作人員的工作量、避免運輸車輛超載都有重要意義。當前，地下鏟運機只有個別進口車型帶有自動稱重系統，據使用該設備的礦山反映，精度誤差較大。筆者以國產KCY-2型地下鏟運機為試驗對象，設計了自動稱重系統，結合大量的試驗，找到了靜態和動態的稱重規律，并編寫靜態和動態的稱重算法，使其精度滿足工業使用的要求。

1 系統設計與硬件選型

1.1 力學建模

地下鏟運機與輪式裝載機的工作機構類似，借鑒裝載機的工作機構力學模型，對地下鏟運機的工作機構進行力學分析建模［1］［2］，如圖 1 所示，推導出礦石質量算式：

式中：O1為舉升大臂與機體連接的旋轉點；O2為舉升油缸與機體連接的旋轉點；O3為舉升油缸與舉升大臂連接的旋轉點；θ為O1G與重力方向的夾角；α為 O1O2與 O1O3間的夾角；L為大臂、鏟斗和物料的質心G到大臂與機架鉸接中心 O1的距離；t為時間；J為舉升大臂、鏟斗和物料作為整體，繞點O1的轉動慣量；F為舉升油缸的舉升力；γ為鏟運機橫向擺動角度（圖中未體現）。

▲圖1 地下鏟運機工作機構力學模型

1.2 技術方案及選型

由式(1)可知，需要測量的參數有F、θ、γ。考慮到地下礦山的安裝與可靠性要求，選用賀德克的壓力傳感器（如圖2所示）測量舉升大臂的進、出口油壓來間接表示舉升力F，型號為HDA4844-A-250，精度≤±0.125%FS，最小量程時的線性誤差為≤±0.06%FS；選用倍加福兩維傾角傳感器分別測量縱向和橫向的角度值 θ、γ，型號為 INY360D-F99-B16-V15，如圖 3 所示，可以非接觸測量兩個獨立的軸向0～360°傾角，測量精度±0.5°，重復精度 0.1°；選用 EPEC 控制器 EPEC2038，如圖4所示，它是由芬蘭公司生產的針對行走設備、運動機械進行控制的專用控制器，其可靠性、防水、防震等防護等級非常高，可以達到IP67的防護等級，可接收模擬信號和使用CAN總線進行數據通信；選用派芬公司的顯示器HD064MV2進行稱重結果的顯示，如圖5所示。技術流程方案如圖6所示。

▲圖2 壓力傳感器

▲圖3 兩維傾角傳感器

▲圖4 EPEC控制器

▲圖5 輸出顯示器

▲圖6 系統流程圖

2 試驗

2.1 靜態稱重試驗

將選定的傳感器和控制器安裝在地下鏟運機上，分別用已知質量的物料在鏟斗內做靜態稱重試驗，即鏟斗將物料舉升到高位，靜止一段時間，通過CanMonitor采集各個傳感器在此工作過程中的數據曲線。以1 t標定稱重為例，傳感器工作曲線如圖7所示。當大臂轉角到高位靜止約4 s后，大臂的進出兩個油壓值處于穩定恒值狀態。通過不同質量的標定稱重發現，在大臂處于規定角度的高位時，稱重物料質量與此穩態恒定值有一定的關系，如圖8所示。

通過大臂油缸的油壓差值與物料的質量關系，可推導出計算物料質量的算式，結合式(1)，將鏟運機橫向擺動角度γ考慮進去，得出靜態稱重的算式。編程后，再重新進行稱重試驗，對算式參數作適當微調。通過大量試驗發現，在保證液壓油溫穩定、動作完成后保持一定時間進行稱重計算，可得到更精確的稱重數值。在多次反復試驗中誤差始終保持在1%以內，見表1。

表1 靜態稱重試驗誤差

2.2 動態稱重

靜態稱重需要大臂舉升結束后靜止3～5 s，對于工作效率有一定的影響。為了提高效率，需要進行動態稱重的研究，即地下鏟運機在物料鏟裝過程中完成稱重。對前期大量的試驗數據進一步分析，發現在大臂與水平地面角度為50～55°之間，舉升大臂的進出口油壓值相當穩定，基本無振蕩，故選定此區間作為動態稱重的采樣區間，對進出口油壓的差值進行4次采樣取均值，研究與稱重物料質量之間的關系。

▲圖7 各傳感器數據工作曲線

▲圖8 大臂油缸油壓差值-稱重物料質量關系

▲圖9 不同負載下轉速對油壓差值的影響

對于同一質量的物料，油門開度變化后，測得的油壓差值也不相同，隨著油門增大、轉速提高，油壓差值也增大，如圖9所示。從大量試驗數據分析得出，油壓差值的變化與舉升大臂角速度的平方呈線性關系，考慮到液壓油的沿程阻力損失，可知舉升大臂角速度的平方影響了F值，這是與靜態稱重有區別的地方。舉升大臂的角速度又與油門的開度正相關，把發動機的轉速作為新的參數考慮進去，記錄不同轉速下大臂的角速度，并與油壓差值、稱重物料質量等數據共同分析。

表2 部分動態稱重試驗誤差

經過大量試驗分析，物料質量與舉升大臂油壓差值、大臂舉升角度的平方值有關。由圖7中可知，大臂舉升角度幾乎勻速，結合式(1)，通過數據擬合出動態稱重公式，得出適合動態稱重的算式。將動態稱重算式編程寫入控制器中，再進行試驗，效果良好，誤差在1%以內，部分動態試驗的數據見表2。

3 結論

影響地下鏟運機稱重精度的因素很多，通過大量試驗發現，要準確獲得舉升油缸對大臂的作用力，除了采用油壓傳感器的信號作為稱重計算的主要參考值，油溫和油缸伸出速度是要考慮的重要因素。此次試驗得到的稱重算式，使動態稱重時不必再考慮油門開度的影響，各種油門開度下均可得到精確的稱重值，大大降低對操作人員的要求。

［1］ 張棟林.地下鏟運機［M］.北京:冶金工業出版社，2002.

［2］ 劉傳榕,李學忠.裝載機載重測量系統數學模型［J］.工程機械,1997(1):11-12.

［3］ 張旭.通用型輪式裝載機荷重儀的研制［D］.大連：大連理工大學，2006.

［4］ 劉文濤.基于SIMPACK的礦用鏟運機工作裝置動力學仿真分析［J］.煤礦機械，2012，33（8）:101-103.

［5］ 王松柏,魏洪興,王偉.裝載機動態稱重系統的硬件設計與實驗研究［J］.制造業自動化，2007，29（1）:29-32.