一種大型礦用自卸車(chē)自動(dòng)稱(chēng)重系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

孫衛(wèi)陽(yáng)

( 湘電重型裝備股份有限公司，湘潭411101 )

過(guò)去，大型礦用自卸車(chē)裝載礦物的重量測(cè)量是靠估方或卸貨后測(cè)量的方式，由于地磅測(cè)量的范圍小，因此這些測(cè)試方法存在測(cè)量數(shù)據(jù)誤差大、耗時(shí)長(zhǎng)等缺陷，因此一套能實(shí)時(shí)、方便地檢測(cè)大型礦用自卸車(chē)裝載礦物重量的測(cè)試系統(tǒng)對(duì)駕駛員和調(diào)度管理部門(mén)顯得十分必要。

盡管進(jìn)口的 930E、MT4400AC和 MT5500大型礦用自卸車(chē)已裝有車(chē)載礦物自動(dòng)稱(chēng)重系統(tǒng)，但國(guó)內(nèi)大型礦用自卸車(chē)車(chē)載礦物自動(dòng)稱(chēng)重系統(tǒng)研究還很少。

本文介紹了湘電重型裝備股份有限公司生產(chǎn)的SF33900大型礦用自卸車(chē)自動(dòng)稱(chēng)重系統(tǒng)，其適用于大噸位氮?dú)鈶覓煨蛙?chē)輛。該系統(tǒng)能實(shí)時(shí)顯示車(chē)輛的載荷、車(chē)速、坡度、時(shí)間、懸掛壓力和故障信息等功能參數(shù)；同時(shí)，系統(tǒng)還具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)記錄、報(bào)警和上位機(jī)數(shù)據(jù)下載、數(shù)據(jù)庫(kù)查詢(xún)、故障分析等功能，能記錄駕駛員每班、每日、每月、每季運(yùn)載的次數(shù)、運(yùn)載的總量、車(chē)輛超載時(shí)間等信息；系統(tǒng)具有 RS232、RS485及 CAN總線等通信接口，系統(tǒng)獲取的數(shù)據(jù)能通過(guò)這些接口與車(chē)輛信息管理等智能系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)。

1 大型礦用自卸車(chē)自動(dòng)稱(chēng)重系統(tǒng)的組成

如圖1所示，SF33900大型礦用自卸車(chē)自動(dòng)稱(chēng)重系統(tǒng)主要由主控制器、壓力傳感器、雙軸傾斜計(jì)、液晶顯示器模塊、載荷指示燈及其它輸入/輸出信號(hào)等部分組成。

其中，主控制器是自動(dòng)稱(chēng)重系統(tǒng)的核心，其具有信號(hào)輸入/輸出處理、載荷計(jì)算、運(yùn)輸循環(huán)管理、數(shù)據(jù)/事件記錄及通訊等功能。主控制器利用接受到的四個(gè)壓力信號(hào)、坡度信號(hào)、部分車(chē)輛狀態(tài)信號(hào)以及設(shè)定條件，判斷分析車(chē)輛的運(yùn)行工況、狀態(tài)；經(jīng)過(guò)內(nèi)部采樣、濾波、分析、模態(tài)仿真、非線性校正等算法，可計(jì)算出車(chē)輛的有效載重；同時(shí)，通過(guò)采集車(chē)速傳感器信號(hào)，算出負(fù)載運(yùn)輸公里，并累計(jì)折算出運(yùn)載的噸公里。

自動(dòng)稱(chēng)重系統(tǒng)CPU采用抗干擾能力強(qiáng)、集成度高、運(yùn)算速度快的 DSP處理器TMS320F2812[1,2]，主控制器采用鋁制機(jī)殼安裝，可提高抗電磁干擾能力。

4個(gè)壓力傳感器裝于懸掛上，每個(gè)傳感器能將測(cè)得的懸掛壓力的變化信號(hào)轉(zhuǎn)換成 4～20 mA的模擬信號(hào)，并送至主控制器。雙軸傾斜計(jì)裝于司機(jī)室內(nèi)，其先將車(chē)輛行駛途中的坡度信號(hào)轉(zhuǎn)換成0～5 V電信號(hào)，然后送至主控制器。系統(tǒng)通過(guò)模態(tài)仿真計(jì)算，可提高在坡度時(shí)的載荷計(jì)算精確度。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

自動(dòng)稱(chēng)重系統(tǒng)配備有1個(gè)RS232通訊接口、1個(gè)RS485接口與1個(gè)CAN接口，RS232與RS485接口采用MODBUS現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議，CAN通信采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的總線通信協(xié)議，具有很好的通用性，可方便地實(shí)現(xiàn)與其它車(chē)輛智能系統(tǒng)的互聯(lián)[3,4]。主控制器表面設(shè)有液晶顯示屏和功能按鍵，通過(guò)顯示屏可以看到車(chē)輛的工作情況和有關(guān)數(shù)據(jù)；載荷指示燈裝于甲板兩側(cè)。

2 工作原理

2.1 車(chē)輛載荷的測(cè)量原理

自卸車(chē)多為油氣懸掛式自卸車(chē)，車(chē)斗由4個(gè)油氣懸掛固定安裝，車(chē)斗及貨物的重量傳遞給油氣懸掛，將引起懸掛壓力變化[5]。

SF33900大型礦用自卸車(chē)貨箱作用在四懸掛上的作用力計(jì)算公式為：

式中，F(xiàn)為自卸車(chē)貨箱對(duì)懸掛的作用力；P為懸掛內(nèi)氮?dú)鈮毫?；S是懸掛氮缸的內(nèi)截面積。

本文根據(jù)測(cè)量的懸掛壓力、車(chē)輛傾斜度等數(shù)據(jù)，結(jié)合四懸掛在車(chē)架上的安裝結(jié)構(gòu)尺寸，建立了車(chē)輛載荷計(jì)算模型；利用四個(gè)壓力傳感器對(duì)懸掛壓力進(jìn)行了測(cè)量；并通過(guò)傾斜儀，檢測(cè)了車(chē)輛與水平面的空間夾角。其中，車(chē)輛載荷計(jì)算模型的計(jì)算公式如下示：

式中，k1、k2、k3、k4、k5為稱(chēng)重系數(shù)，由車(chē)輛及其車(chē)斗、懸掛的安裝結(jié)構(gòu)尺寸決定。W表示車(chē)輛載荷，單位為t；P1、P2、P3、P4分別為前左、前右、后左、后右四個(gè)油氣懸掛的壓力；P01、P02、P03、P04分別為空車(chē)時(shí)各懸掛對(duì)應(yīng)的壓力，壓力單位為MPa。

2.2 自動(dòng)稱(chēng)重系統(tǒng)的重量計(jì)算流程

大型自卸車(chē)車(chē)輛循環(huán)運(yùn)輸常分8個(gè)不同階段或狀態(tài)——自重測(cè)量、空車(chē)、裝載、調(diào)度、測(cè)重、運(yùn)輸、卸車(chē)及卸車(chē)完畢。每個(gè)階段或狀態(tài)都需要自動(dòng)稱(chēng)重系統(tǒng)進(jìn)行不同的計(jì)算和儲(chǔ)存不同的數(shù)據(jù)。其載荷計(jì)算及控制流程如圖2。

其中，1) 自動(dòng)稱(chēng)重系統(tǒng)在卸車(chē)10 s之后，應(yīng)確認(rèn)載荷已被卸掉。如果有效載重量少于額定載荷的20%，自動(dòng)稱(chēng)重系統(tǒng)將切換到自重測(cè)量，并開(kāi)始計(jì)算新的空車(chē)自重；如果有效載重量未降到額定載荷的20%以下，測(cè)量器將返回到調(diào)度或運(yùn)輸狀態(tài)，直至卸車(chē)系統(tǒng)將計(jì)數(shù)運(yùn)行一次。

2) 在自重測(cè)量狀態(tài)下，當(dāng)車(chē)速大于 5 km/h時(shí)，自動(dòng)稱(chēng)重系統(tǒng)采用先進(jìn)的計(jì)算方法計(jì)算自卸車(chē)空車(chē)時(shí)懸掛承受重量。這個(gè)自重?cái)?shù)值將從有效載荷的懸掛承受重量中扣除，以計(jì)算最后的有效載重量。如果檢測(cè)到有回轉(zhuǎn)載荷，自動(dòng)稱(chēng)重系統(tǒng)將從自重測(cè)量或空車(chē)狀態(tài)切換到裝車(chē)狀態(tài)。

3) 如果已施加制動(dòng)鎖定，自動(dòng)稱(chēng)重系統(tǒng)將通過(guò)分析懸掛壓力以檢測(cè)回轉(zhuǎn)載荷。如果檢測(cè)到有回轉(zhuǎn)載荷，自動(dòng)稱(chēng)重系統(tǒng)將切換到裝車(chē)狀態(tài)，檢測(cè)回轉(zhuǎn)載荷的最小值為額定載荷的10%，檢測(cè)回轉(zhuǎn)載荷一般要用4 s至6 s。如果載荷增至額定載荷的50%并已達(dá)10 s還未施加制動(dòng)鎖定，自動(dòng)稱(chēng)重系統(tǒng)也會(huì)切換到裝車(chē)。

4) 只要自卸車(chē)一開(kāi)始移動(dòng)，自動(dòng)稱(chēng)重系統(tǒng)立即從裝車(chē)切換到調(diào)度。調(diào)度區(qū)域?yàn)?60 m，以便讓駕駛員把自卸車(chē)重新定位到裝載機(jī)下面。在調(diào)度區(qū)內(nèi)的任何時(shí)間都可添加更多的有效載重量。自卸車(chē)一旦行走了160 m，自動(dòng)稱(chēng)重系統(tǒng)進(jìn)入測(cè)重階段。在測(cè)重階段，如果移動(dòng)速度超過(guò)了 5 km/h，自動(dòng)稱(chēng)重系統(tǒng)就采用先進(jìn)的計(jì)算方法計(jì)算負(fù)載時(shí)懸掛承受重量。測(cè)重結(jié)束后進(jìn)入運(yùn)輸狀態(tài)。

5) 如果自動(dòng)稱(chēng)重系統(tǒng)收到箱斗舉升信號(hào)，自動(dòng)稱(chēng)重系統(tǒng)將從測(cè)重階段切換到卸車(chē)狀態(tài)。如果自卸車(chē)在測(cè)重階段里已運(yùn)動(dòng)了不到 1 min，自動(dòng)稱(chēng)重系統(tǒng)將采用精確性較低的平均法來(lái)計(jì)算最后有效載重量。當(dāng)自卸車(chē)箱斗降回原位時(shí)，自動(dòng)稱(chēng)重系統(tǒng)就切換到自重測(cè)量，進(jìn)入下一個(gè)運(yùn)輸循環(huán)。

圖2 載荷計(jì)算及控制流程圖

2.3 自動(dòng)稱(chēng)重系統(tǒng)的基本功能

自動(dòng)稱(chēng)重系統(tǒng)具有以下功能：

1) 自動(dòng)稱(chēng)重系統(tǒng)可將每個(gè)運(yùn)輸循環(huán)的信息保存于數(shù)據(jù)FLASH中，最多可保存 5208個(gè)運(yùn)輸循環(huán)數(shù)據(jù)，每個(gè)運(yùn)輸循環(huán)需包含有效載重量、駕駛員 ID號(hào)碼信息、負(fù)載和空車(chē)的行駛距離、每天空車(chē)行駛和停車(chē)作業(yè)時(shí)間、裝車(chē)時(shí)間、負(fù)載和空車(chē)最大速度、負(fù)載和空車(chē)平均速度、車(chē)架最大的正扭矩和懸上最大載荷等。

2) 運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控，即對(duì)影響車(chē)輛壽命的幾個(gè)參數(shù)的峰值數(shù)據(jù)及發(fā)生時(shí)間進(jìn)行保存，數(shù)據(jù)用戶(hù)無(wú)法刪除，在車(chē)輛出現(xiàn)故障時(shí)，供維護(hù)/管理人員進(jìn)行故障分析與責(zé)任追索。這些數(shù)據(jù)包括排行最前的5個(gè)最大載荷和時(shí)間、自動(dòng)稱(chēng)重系統(tǒng)記錄了排行前5位的車(chē)架正峰值扭矩和負(fù)峰值扭矩的數(shù)值及其產(chǎn)生時(shí)間、排行最前的5個(gè)車(chē)架正負(fù)扭矩和時(shí)間以及排行最前的5個(gè)最高速度和時(shí)間。

3) 錯(cuò)誤或報(bào)警記錄。自動(dòng)稱(chēng)重系統(tǒng)具有一定的故障診斷與記錄功能，為維護(hù)管理人員分析故障與數(shù)據(jù)提供依據(jù)，主要包括：傳感器故障、設(shè)備硬件故障、通訊故障及內(nèi)存故障等。在運(yùn)輸循環(huán)過(guò)程中，只要傳感器出現(xiàn)一個(gè)故障，稱(chēng)重系統(tǒng)就不能正確的計(jì)算有效載重量。帶有這種警告標(biāo)志的運(yùn)輸循環(huán)將不會(huì)被認(rèn)為是準(zhǔn)確的。

4) 自動(dòng)稱(chēng)重系統(tǒng)配備有設(shè)備維護(hù)與管理軟件，將安裝有該維護(hù)與管理軟件的個(gè)人電腦連接到自動(dòng)稱(chēng)重系統(tǒng)的通訊端口，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)檢測(cè)、參數(shù)整定、記錄下載與分析管理等功能。

5) 通訊接口。自動(dòng)稱(chēng)重系統(tǒng)可通過(guò)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的CAN2.0B協(xié)議向外定時(shí)發(fā)送車(chē)輛的實(shí)時(shí)載荷、前后傾斜度、左右傾斜度、班噸位累計(jì)、班運(yùn)輸次數(shù)、總噸位累計(jì)、總運(yùn)輸次數(shù)、車(chē)輛編號(hào)等數(shù)據(jù)發(fā)送至車(chē)輛管理系統(tǒng)，并由車(chē)輛管理系統(tǒng)無(wú)線發(fā)送至Intel網(wǎng)上，可以通過(guò)Intel網(wǎng)瀏覽車(chē)輛的實(shí)時(shí)運(yùn)行情況，并可以很方便的統(tǒng)計(jì)車(chē)輛的運(yùn)行產(chǎn)量。

3 自動(dòng)稱(chēng)重系統(tǒng)的測(cè)量精度和誤差分析

3.1 測(cè)量結(jié)果比較

根據(jù)SF33900型220t電動(dòng)輪自卸車(chē)懸掛空載和重載的氮?dú)鈮毫碚撝岛捅疚闹泄剑?）（車(chē)輛載荷計(jì)算公式）計(jì)算理論載荷如表1所示；電動(dòng)輪自卸車(chē)在平道運(yùn)行時(shí)，自動(dòng)稱(chēng)重系統(tǒng)顯示的載荷和車(chē)輛現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試載荷結(jié)果如表2所示；而自卸車(chē)在上坡4°和左傾2°運(yùn)行時(shí)，自動(dòng)稱(chēng)重系統(tǒng)顯示的載荷和車(chē)輛現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試載荷結(jié)果如表3所示。

表1 SF33900型220 t電動(dòng)輪自卸車(chē)懸掛內(nèi)氮?dú)鈮毫屠碚撚?jì)算載荷

表2 SF33900型220t電動(dòng)輪自卸車(chē)車(chē)輛載荷現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果1

表3 SF33900型220t電動(dòng)輪自卸車(chē)車(chē)輛載荷現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果2

表中結(jié)果顯示，按規(guī)定充氣時(shí)整車(chē)載荷與理論計(jì)算公式的計(jì)算非常接近，證明計(jì)算公式的正確性。同時(shí)，自動(dòng)稱(chēng)重系統(tǒng)測(cè)量顯示值與車(chē)輛裝載貨物卸荷后實(shí)測(cè)兩者之間誤差小于 2%，證明此系統(tǒng)能滿(mǎn)足使用性能要求。

3.2 有效載重量誤差的來(lái)源分析

自動(dòng)稱(chēng)重系統(tǒng)計(jì)算自卸車(chē)載重量的誤差主要是由對(duì)懸掛維修時(shí)不正確的充氣氣壓引起。

自動(dòng)稱(chēng)重系統(tǒng)計(jì)算有效載重量是通過(guò)對(duì)自卸車(chē)在空車(chē)時(shí)和負(fù)載時(shí)的懸掛承受重量的差異進(jìn)行測(cè)量而達(dá)到的，懸掛承受重量就是被懸掛支持的自卸車(chē)的重量，確定懸掛承受重量的唯一方法是測(cè)量懸掛內(nèi)氮?dú)獾膲毫Α?/p>

如果懸掛充氮過(guò)量，自動(dòng)稱(chēng)重系統(tǒng)就不能確定自卸車(chē)的空車(chē)彈簧承受重量，自卸車(chē)在空車(chē)行走時(shí)，懸掛的液壓缸必然會(huì)上下運(yùn)動(dòng)，過(guò)度充氮?dú)獾膽覓欤鋬?nèi)部壓力可以把懸掛推桿完全伸出，這時(shí)，液壓缸內(nèi)的壓力就不能準(zhǔn)確地代表支承自卸車(chē)這個(gè)部分所需的力量；如果懸掛充入氮?dú)獠蛔?，自?dòng)稱(chēng)重系統(tǒng)就不能確定自卸車(chē)的負(fù)載彈簧承受重量。自卸車(chē)在負(fù)載行走時(shí)，懸掛的液壓缸必然會(huì)上下運(yùn)動(dòng)，充氮不足的懸掛，其內(nèi)部壓力如果不能支承這個(gè)載荷，懸掛就被壓扁，發(fā)生金屬與金屬的接觸。這時(shí)，液壓缸內(nèi)的壓力就不能準(zhǔn)確地代表支持自卸車(chē)這部分所需的力量。懸掛充油過(guò)少也會(huì)引起誤差，因?yàn)樗荒苷_地支承著一輛負(fù)載的自卸車(chē)，這就是為什么懸掛正確的充氣是有效載重量測(cè)量中的重要因素的原因。

如果懸掛沒(méi)有正確地進(jìn)行維修保養(yǎng)，就不可能進(jìn)行準(zhǔn)確的有效載重量測(cè)量。此外，如果車(chē)輛更換懸掛后最好將自動(dòng)稱(chēng)重系統(tǒng)進(jìn)行一次校正，能減少載荷的測(cè)量誤差。

4 結(jié)束語(yǔ)

在湘電重型裝備股份有限公司生產(chǎn)的SF31904型108 t電動(dòng)輪自卸車(chē)和SF33900型220 t電動(dòng)輪自卸車(chē)上裝設(shè)自動(dòng)稱(chēng)重系統(tǒng)，有效地提高了礦山管理信息化水平，對(duì)提高車(chē)輛運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控、方便車(chē)輛維護(hù)與運(yùn)輸調(diào)度、加強(qiáng)司機(jī)考核等都具有重要意義。

[1]TI Inc.TMS320F2810,TMS320F2812 Digital. Signal Processors Data Manual. http:www.ti.com/litv/pdf/SPRS/174I.pdf,2003,7

[2]龔固豐, 章 兢, 王煉紅, 張小剛. 一種新型船舶智能載重測(cè)量?jī)x的研究與應(yīng)用. 船舶工程, 2009,31(1):19-22.

[3]Modicon Inc. Modbus Protocol Users Guide,1996.

[4]劉篤喜, 徐修明, 許建社等. Modbus協(xié)議在分布式伺服測(cè)角系統(tǒng)中的應(yīng)用機(jī)床與液壓.

[5]趙登峰, 王國(guó)強(qiáng), 周德成, 王吉林. 自卸車(chē)油氣懸掛數(shù)學(xué)模型仿真研究. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào).2003,34(6):40-42.