地下鏟運(yùn)機(jī)稱重系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

□ 郭 鑫 □ 戰(zhàn) 凱 □ 顧洪樞 □ 李恒通

北京礦冶研究總院 北京 100160

地下鏟運(yùn)機(jī)主要應(yīng)用于地下礦山的礦石鏟裝，通過(guò)安裝自動(dòng)稱重系統(tǒng)，以及布置合適的傳感器，可以實(shí)現(xiàn)在工作過(guò)程中自動(dòng)對(duì)料斗中的礦石進(jìn)行稱重，這對(duì)減輕操作人員的工作量、避免運(yùn)輸車輛超載都有重要意義。當(dāng)前，地下鏟運(yùn)機(jī)只有個(gè)別進(jìn)口車型帶有自動(dòng)稱重系統(tǒng)，據(jù)使用該設(shè)備的礦山反映，精度誤差較大。筆者以國(guó)產(chǎn)KCY-2型地下鏟運(yùn)機(jī)為試驗(yàn)對(duì)象，設(shè)計(jì)了自動(dòng)稱重系統(tǒng)，結(jié)合大量的試驗(yàn)，找到了靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的稱重規(guī)律，并編寫靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的稱重算法，使其精度滿足工業(yè)使用的要求。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與硬件選型

1.1 力學(xué)建模

地下鏟運(yùn)機(jī)與輪式裝載機(jī)的工作機(jī)構(gòu)類似，借鑒裝載機(jī)的工作機(jī)構(gòu)力學(xué)模型，對(duì)地下鏟運(yùn)機(jī)的工作機(jī)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析建模［1］［2］，如圖 1 所示，推導(dǎo)出礦石質(zhì)量算式：

式中：O1為舉升大臂與機(jī)體連接的旋轉(zhuǎn)點(diǎn)；O2為舉升油缸與機(jī)體連接的旋轉(zhuǎn)點(diǎn)；O3為舉升油缸與舉升大臂連接的旋轉(zhuǎn)點(diǎn)；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(zhì)心G到大臂與機(jī)架鉸接中心 O1的距離；t為時(shí)間；J為舉升大臂、鏟斗和物料作為整體，繞點(diǎn)O1的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；F為舉升油缸的舉升力；γ為鏟運(yùn)機(jī)橫向擺動(dòng)角度（圖中未體現(xiàn)）。

▲圖1 地下鏟運(yùn)機(jī)工作機(jī)構(gòu)力學(xué)模型

1.2 技術(shù)方案及選型

由式(1)可知，需要測(cè)量的參數(shù)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(cè)量舉升大臂的進(jìn)、出口油壓來(lái)間接表示舉升力F，型號(hào)為HDA4844-A-250，精度≤±0.125%FS，最小量程時(shí)的線性誤差為≤±0.06%FS；選用倍加福兩維傾角傳感器分別測(cè)量縱向和橫向的角度值 θ、γ，型號(hào)為 INY360D-F99-B16-V15，如圖 3 所示，可以非接觸測(cè)量?jī)蓚€(gè)獨(dú)立的軸向0～360°傾角，測(cè)量精度±0.5°，重復(fù)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(chǎn)的針對(duì)行走設(shè)備、運(yùn)動(dòng)機(jī)械進(jìn)行控制的專用控制器，其可靠性、防水、防震等防護(hù)等級(jí)非常高，可以達(dá)到IP67的防護(hù)等級(jí)，可接收模擬信號(hào)和使用CAN總線進(jìn)行數(shù)據(jù)通信；選用派芬公司的顯示器HD064MV2進(jìn)行稱重結(jié)果的顯示，如圖5所示。技術(shù)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(tǒng)流程圖

2 試驗(yàn)

2.1 靜態(tài)稱重試驗(yàn)

將選定的傳感器和控制器安裝在地下鏟運(yùn)機(jī)上，分別用已知質(zhì)量的物料在鏟斗內(nèi)做靜態(tài)稱重試驗(yàn)，即鏟斗將物料舉升到高位，靜止一段時(shí)間，通過(guò)CanMonitor采集各個(gè)傳感器在此工作過(guò)程中的數(shù)據(jù)曲線。以1 t標(biāo)定稱重為例，傳感器工作曲線如圖7所示。當(dāng)大臂轉(zhuǎn)角到高位靜止約4 s后，大臂的進(jìn)出兩個(gè)油壓值處于穩(wěn)定恒值狀態(tài)。通過(guò)不同質(zhì)量的標(biāo)定稱重發(fā)現(xiàn)，在大臂處于規(guī)定角度的高位時(shí)，稱重物料質(zhì)量與此穩(wěn)態(tài)恒定值有一定的關(guān)系，如圖8所示。

通過(guò)大臂油缸的油壓差值與物料的質(zhì)量關(guān)系，可推導(dǎo)出計(jì)算物料質(zhì)量的算式，結(jié)合式(1)，將鏟運(yùn)機(jī)橫向擺動(dòng)角度γ考慮進(jìn)去，得出靜態(tài)稱重的算式。編程后，再重新進(jìn)行稱重試驗(yàn)，對(duì)算式參數(shù)作適當(dāng)微調(diào)。通過(guò)大量試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在保證液壓油溫穩(wěn)定、動(dòng)作完成后保持一定時(shí)間進(jìn)行稱重計(jì)算，可得到更精確的稱重?cái)?shù)值。在多次反復(fù)試驗(yàn)中誤差始終保持在1%以內(nèi)，見表1。

表1 靜態(tài)稱重試驗(yàn)誤差

2.2 動(dòng)態(tài)稱重

靜態(tài)稱重需要大臂舉升結(jié)束后靜止3～5 s，對(duì)于工作效率有一定的影響。為了提高效率，需要進(jìn)行動(dòng)態(tài)稱重的研究，即地下鏟運(yùn)機(jī)在物料鏟裝過(guò)程中完成稱重。對(duì)前期大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析，發(fā)現(xiàn)在大臂與水平地面角度為50～55°之間，舉升大臂的進(jìn)出口油壓值相當(dāng)穩(wěn)定，基本無(wú)振蕩，故選定此區(qū)間作為動(dòng)態(tài)稱重的采樣區(qū)間，對(duì)進(jìn)出口油壓的差值進(jìn)行4次采樣取均值，研究與稱重物料質(zhì)量之間的關(guān)系。

▲圖7 各傳感器數(shù)據(jù)工作曲線

▲圖8 大臂油缸油壓差值-稱重物料質(zhì)量關(guān)系

▲圖9 不同負(fù)載下轉(zhuǎn)速對(duì)油壓差值的影響

對(duì)于同一質(zhì)量的物料，油門開度變化后，測(cè)得的油壓差值也不相同，隨著油門增大、轉(zhuǎn)速提高，油壓差值也增大，如圖9所示。從大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)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(guān)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(tài)稱重有區(qū)別的地方。舉升大臂的角速度又與油門的開度正相關(guān)，把發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速作為新的參數(shù)考慮進(jìn)去，記錄不同轉(zhuǎn)速下大臂的角速度，并與油壓差值、稱重物料質(zhì)量等數(shù)據(jù)共同分析。

表2 部分動(dòng)態(tài)稱重試驗(yàn)誤差

經(jīng)過(guò)大量試驗(yàn)分析，物料質(zhì)量與舉升大臂油壓差值、大臂舉升角度的平方值有關(guān)。由圖7中可知，大臂舉升角度幾乎勻速，結(jié)合式(1)，通過(guò)數(shù)據(jù)擬合出動(dòng)態(tài)稱重公式，得出適合動(dòng)態(tài)稱重的算式。將動(dòng)態(tài)稱重算式編程寫入控制器中，再進(jìn)行試驗(yàn)，效果良好，誤差在1%以內(nèi)，部分動(dòng)態(tài)試驗(yàn)的數(shù)據(jù)見表2。

3 結(jié)論

影響地下鏟運(yùn)機(jī)稱重精度的因素很多，通過(guò)大量試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，要準(zhǔn)確獲得舉升油缸對(duì)大臂的作用力，除了采用油壓傳感器的信號(hào)作為稱重計(jì)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(yàn)得到的稱重算式，使動(dòng)態(tài)稱重時(shí)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(duì)操作人員的要求。

［1］ 張棟林.地下鏟運(yùn)機(jī)［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，2002.

［2］ 劉傳榕,李學(xué)忠.裝載機(jī)載重測(cè)量系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型［J］.工程機(jī)械,1997(1):11-12.

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

［4］ 劉文濤.基于SIMPACK的礦用鏟運(yùn)機(jī)工作裝置動(dòng)力學(xué)仿真分析［J］.煤礦機(jī)械，2012，33（8）:101-103.

［5］ 王松柏,魏洪興,王偉.裝載機(jī)動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究［J］.制造業(yè)自動(dòng)化，2007，29（1）:29-32.