井下運煤車車載稱重技術(shù)研究

任曉力

中國煤炭科工集團太原研究院有限公司 山西太原 30006

運 煤車是煤礦井下短距離運輸?shù)闹饕O(shè)備，井下工人在裝載時為了追求短期效益，多拉快跑，導(dǎo)致車輛由于長期超載運行，降低了車輛的使用壽命，帶來安全風(fēng)險和隱患。車輛超載、頻繁制動會影響傳動軸和減速器的可靠性和使用壽命，承載超過了輪胎的額定承載能力，使得輪胎磨損嚴(yán)重，對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)也有一定影響，超載后轉(zhuǎn)向阻力增大，轉(zhuǎn)向機構(gòu)受力增加，重心偏移，在車輛在轉(zhuǎn)彎過程中，導(dǎo)致離心力影響車輪的受力，使得車輛的操作性變差，影響車輛行駛的安全[1-2]。

1 常用車載稱重技術(shù)

最常見的車載稱重方法有間接稱重法和直接稱重法 2 種。間接稱重法是車輛承載時，車輛內(nèi)承載質(zhì)量通過機架傳遞到車廂的受力部件上，受力部件上的傳感器記錄載荷變化的數(shù)據(jù)。直接稱重法是將傳感器直接安裝在車輛的承載機構(gòu)上，直接采集貨物質(zhì)量傳感信號。

目前，車載稱重的方法是在車輛的承重位置設(shè)置傳感器，例如在輪胎、車橋、機架、彈簧板等受力部位安裝傳感器，不同類型的傳感器安裝的監(jiān)測位置不同，因此采用的承重算法對整個承重系統(tǒng)的性能指標(biāo)有較大影響。

車輛超載包括以下幾種情況。

(1)車輛超載會使車架發(fā)生彈性變形，根據(jù)車架安的傳感器彈性形變量來測出車輛質(zhì)量。

(2)在車輛的彈簧板與車軸的連接位置安裝壓力稱重傳感器，直接讀取壓力值，這種稱重方法讀數(shù)直接，精度相對較高，但安裝復(fù)雜，維修不方便。現(xiàn)有稱重傳感器自身有一定的厚度，安裝后會降低車輛的穩(wěn)定性。

(3)在車橋和車架之間安裝感應(yīng)傳感器，通過感應(yīng)檢測車橋和車架之間垂直方向移動變化測量質(zhì)量，該方法的測量精度容易受外界環(huán)境影響，而且每臺車出廠都要重新標(biāo)定。

(4)胎壓傳感器內(nèi)置于輪胎內(nèi)部，測量胎壓來間接測量車輛的載重。但此種方法不適合運煤車這種實心輪胎，且該方法受環(huán)境因素干擾較大，精度也不高。

(5)傳統(tǒng)車輛使用板彈簧減震和承載，將電阻應(yīng)變傳感器粘貼到彈簧鋼板表面，檢測其應(yīng)變工況，通過信號處理以及相應(yīng)的算法，即可計算出車輛的載荷情況[3-4]。

運煤車承載結(jié)構(gòu)如圖1 所示，運煤車通過 4 個輪邊減速器與機架硬連接，根據(jù)該結(jié)構(gòu)特點，車載稱重只能選擇在 4 個承載的輪邊減速器上安裝傳感器。

圖1 運煤車承載結(jié)構(gòu)示意

2 運煤車車載稱重

2.1 傳感器的選擇

運煤車的行走速度一般不超過 10 km/h。設(shè)計中，未采用減震裝置，其 4 個輪胎通過輪邊減速器與機架硬連接，沒有車橋和減震板彈簧，車架的材料不具有彈性變形，稱重傳感器安裝到輪邊減速器的外殼上。承重傳感器的性能參數(shù)如表1 所列。考慮到車輛的加減速和抗干擾，車輛靜止不動時視速度為零，測量靜態(tài)車輛裝載量安裝應(yīng)變傳感器(見圖2)。

表1 承重傳感器的性能參數(shù)

圖2 應(yīng)變傳感器

2.2 傳感器安裝位置的確定

傳感器安裝位置與其自身變形量相匹配，經(jīng)過對減速器進(jìn)行受力分析，尋找到減速器變形與傳感器變形最吻合的位置。減速器變形分析結(jié)果如圖3 所示，傳感器安裝位置如圖4 所示。

圖3 減速器受力仿真結(jié)果

圖4 傳感器安裝位置

3 車載載荷算法研究

3.1 車載靜態(tài)載荷算法

運煤車裝載煤炭時，車輛是靜止的，對其進(jìn)行裝載量檢測，達(dá)到車輛的額定載荷時自動停止。車輛運動過程中的震動會對稱重傳感器產(chǎn)生干擾，影響傳感器測量的準(zhǔn)確性。因此先研究其靜態(tài)載荷的算法，再進(jìn)行修正[5-6]。車載稱重簡化模型如圖5 所示，X為承載力到重心水平方向的距離，Y為承載力到重心的距離，L為車輛軸距，B為輪距。

圖5 車載稱重簡化模型圖

由如圖5 可知，運煤車所有的力均由 4 個輪胎承載，承載力分別為F1、F2、F3、F4，重力為G，則有

如果G處于絕對的中心位置，上式是成立的，但實際計算過程中會存在G偏離的情況，會導(dǎo)致 4 個輪胎的承載力分量不一致。此處引入重力分量權(quán)重值k，上式可變?yōu)?/p>

權(quán)重值與承載力到重心的距離有關(guān)，而承載力到重心的距離可以計算得出。

以傳感器 4 為例，L為軸距，B為輪距，則

以傳感器 3 為例，

因運煤車左右會存在一定的偏差，重心不在左右中心線上，但偏差較小，為了計算方便，進(jìn)行簡化處理，即認(rèn)為重心位置處于中心線上。

3.2 溫度誤差及補償方法

由于井下環(huán)境溫度為 0～45 ℃，變化幅度較大，因此載荷的算法需要考慮溫度變化因素。應(yīng)變傳感器測量時，其電阻值只是隨外力變化而改變，但溫度對應(yīng)變傳感器電阻的變化影響較大。傳感器會隨溫度變化而發(fā)生變化，導(dǎo)致測量的誤差。產(chǎn)生溫度誤差原因有電阻熱效應(yīng)和被測物體與敏感柵熱膨脹不協(xié)調(diào)。

3.2.1 電阻熱效應(yīng)

敏感元件本身阻值隨外界溫度的改變而改變，其阻值與溫度之間的關(guān)系為

式中：Rt為溫度t時的電阻值，Ω；R0為溫度t0時的電阻值，Ω；α為電阻溫度系數(shù)，℃-1；Δt為溫度變化值，Δt=t-t0。

由溫度改變而帶來的電阻值變化量為

3.2.2 被測物體與敏感柵熱膨脹不協(xié)調(diào)

被測物體與傳感器緊密接觸，因膨脹系數(shù)不同，會使傳感器產(chǎn)生額外的變形和電阻變化。安裝在輪邊減速器上的稱重傳感器隨著運行溫度升高自身溫升可能會達(dá)到 50 ℃，加上環(huán)境溫度后，減速器表面溫度會達(dá)到 90 ℃，這樣傳感器就會產(chǎn)生額外的阻值變化，其電阻變化量為

式中：K為應(yīng)變片的靈敏系數(shù)；α1為被測件的線膨脹系數(shù)，℃-1；α2為應(yīng)變絲的線膨脹系數(shù)，℃-1。

由外界溫度的改變而引起總電阻的相對變化量為

換算成相應(yīng)的應(yīng)變值

對應(yīng)變片溫度補償?shù)谋举|(zhì)就是消除測量應(yīng)變干擾的虛假應(yīng)變，采用自補償法對傳感器中電阻應(yīng)變片的溫度誤差進(jìn)行補償，應(yīng)變片的敏感柵是由兩種電阻溫度系數(shù)電阻材料一負(fù)一正串聯(lián)而成，溫度與膨脹的原因會引起電阻變化，符號相反，大小相等，可以自動抵消，因此能達(dá)到溫度補償?shù)男Ч?/p>

4 結(jié)語

筆者以現(xiàn)有運煤車的結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，結(jié)合現(xiàn)有稱重傳感技術(shù)，制定了運煤車稱重傳感的總體方案設(shè)計，并給出了車載靜態(tài)載荷算法，實現(xiàn)了運煤車載荷的實時監(jiān)測，對限制車輛超載，保障車輛安全運行具有現(xiàn)實意義。