地下鏟運機自動稱重高精度模型與影響因素分析

王 凱，李恒通，王振啟，楊支海，高澤宇，張元清

（1.礦冶科技集團有限公司，北京 100160；2.北礦機電科技有限責任公司，北京 100160；3.紫金礦業(yè)集團股份有限公司，福建 上杭 361008；4.云南馳宏鋅鍺股份有限公司會澤冶煉分公司 云南 曲靖 654211）

近年來，隨著礦物開采的深部化，惡劣的環(huán)境使得人工作業(yè)條件越來越差，遙控化和智能化鏟運機成為了未來的主流。地下鏟運機自動稱重技術(shù)在實際遙控和智能作業(yè)中有舉足輕重的作用。其對于生產(chǎn)礦石噸位的準確計量有利于作業(yè)量統(tǒng)計及后續(xù)工藝安排，至關(guān)重要，但鏟運機結(jié)構(gòu)特殊，井下條件復雜惡劣，提高稱重精度有種種制約。

目前地下鏟運機生產(chǎn)商SANDVIK在其部分鏟運機機型中配置山特維克智能控制系統(tǒng)、My Sandvik Digital Services Knowledge Box車載硬件和Auto Mine就緒系統(tǒng)。可選配集成式稱重系統(tǒng)（IWS），以測量鏟斗中的有效負載及一個班次裝填的鏟斗數(shù)量。我國目前的地下鏟運機稱重的研究和應用還相對滯后，所以國家課題對這方面給予了支持。

以往地表的裝載機及地下的鏟運機采用的稱重方式有兩種：1）直接在裝載機機架與大臂接觸位置安裝壓力傳感器，但其測量誤差大，故障率高，目前已基本不采用這種方法；2）通過建模，以舉升油缸傳感器壓力計算礦石質(zhì)量值，這種方法精度高，故障率低，是目前的主流方法［1］。

在十二五國家863計劃中，礦冶科技集團對鏟運機自動稱重開展研究，采用第二種稱重方法，建立了稱重的理論模型，提出了稱重的理論及方程，最終經(jīng)過試驗，稱重精度達到3.5%，達到了具備實際應用的精度［2-4］。

但在十二五的測試中，我們發(fā)現(xiàn)想要進一步提高稱重精度，已經(jīng)困難重重，主要原因是稱重過程中的關(guān)鍵參數(shù)油壓值的影響因素多，難以逐一精確控制，進而影響稱重精度的進一步提高。

本次通過“國家重點研發(fā)計劃“的支持，對地下鏟運機自動稱重過程中多個影響因素復雜耦合關(guān)系進行分析研究，找出不同狀態(tài)下油壓的變化規(guī)律，提高自動稱重的精度及工業(yè)應用范圍。

1 鏟運機稱重的基本原理

本文采用的稱重基本原理為：鏟運機在對礦石進行舉升時，需要通過舉升油缸，通常當?shù)V石質(zhì)量不同時，舉升油缸的壓力也不同，通過對舉升油缸壓力的測量，實現(xiàn)對礦石質(zhì)量的計量［5］。

稱重的力學模型見圖1。

圖1 稱重原理圖Fig.1 Diagram of the automatic weighing principle

其中：O為大臂旋轉(zhuǎn)圓心；A為舉升油缸安裝點，OA長為l2，B為舉升油缸活動端，OB長為l3，AB長為l4；C為質(zhì)心位置，G為大臂和物料的重力，OC長為l1；F為舉升缸驅(qū)動力；β為OC的豎直夾角；θ為舉升缸與OA的夾角；μ為OB與OA的夾角；AB與OA的夾角θ，AB與水平方向的夾角γ，A B 1的長度l5。大臂舉升角為σ，AB與OA的夾角θ1，AB與水平方向的夾角γ1。

通過建立理論模型及方程將兩立方地下鏟運機的數(shù)據(jù)代入，得到具體方程為：

其中：P1、P2分別是舉升油缸進出口壓力；σ為大臂舉升角。

2 影響油壓的多因素分析

基于稱重原理，一般采用測量舉升油缸的進出口壓力的方法，進行自動稱重。但實際稱重過程中，即使礦石質(zhì)量不變，發(fā)動機轉(zhuǎn)速、油溫、大臂舉升角、閥門開度也會對舉升油缸進出口壓力產(chǎn)生影響，進而影響稱重精度。而且各個影響因素之間是一個復雜的耦合關(guān)系，使稱重精度的提高顯得愈發(fā)困難［6-8］。

本文的處理思路為：對上述因素進行逐個分析，將部分因素進行精準控制，降低影響因素的個數(shù)后，再進行分析研究。

液壓油油溫，液壓油油溫主要對稱重過程中的沿程阻力和閥門開度及死區(qū)有影響，但當車輛在正常運行時，油溫會穩(wěn)定在一定范圍，同時井下環(huán)境是一個溫度比較穩(wěn)定環(huán)境，環(huán)境溫度會常年在一個小范圍內(nèi)波動，鏟運機的工作油溫相對來說非常穩(wěn)定，油溫對于稱重的影響可以忽略，故基于此，本文不再對油溫開展單獨研究，而是在試驗中采取車輛啟動一段時間，液壓油油溫穩(wěn)定后再進行后續(xù)試驗［9］。

舉升油缸的電磁閥閥門開度受電磁閥控制電壓及閥塊死區(qū)影響，電磁閥的控制電壓可以通過車載控制器CR0032進行精準控制，保證其每次稱重時電磁閥控制電壓的統(tǒng)一，同時保證控制電壓大于死區(qū)電壓，便可以克服死區(qū)的影響。故可以通過控制器消除閥門開度的影響，本文也不再單獨對閥門開度開展單項研究［10］。

發(fā)動機轉(zhuǎn)速，齒輪泵的轉(zhuǎn)速與發(fā)動機轉(zhuǎn)速直接相關(guān)，隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速的升高，齒輪泵的輸出流量變大，液壓管內(nèi)液壓油流速變化會導致壓力變化，即使鏟斗裝載量相同時，發(fā)動機轉(zhuǎn)速不同也會對舉升油缸進出口壓力產(chǎn)生影響。以往地下鏟運機采用的大多是道依茨風冷拉線式發(fā)動機，難以對發(fā)動機的轉(zhuǎn)速實現(xiàn)精準控制及測量；此次換裝了康明斯電噴發(fā)動機，發(fā)動機轉(zhuǎn)速可以通過ECU進行精確控制，可穩(wěn)定在多個不同轉(zhuǎn)速下進行稱重［11］。

大臂舉升角，是力學建模中與稱重質(zhì)量相關(guān)的一個核心因素，以往采用傾角傳感器，通過測量大臂與重力方向的夾角，來測量大臂舉升角，但是這種方式是間接式測量，受地面坡度影響較大；本次采用非接觸式角度傳感器，能直接測量大臂舉升角，更直接更精確。

所以本文主要對不同礦石質(zhì)量下，發(fā)動機轉(zhuǎn)速、大臂舉升角、舉升油缸進出口壓力的影響開展研究。

3 硬件系統(tǒng)搭建

在試驗研究階段，布置了三類傳感器分別對舉升油缸進出口壓力、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、大臂舉升角進行檢測，閥門開度則由控制閥門的電壓值來實現(xiàn)控制。

基于上述分析對鏟運機進行了傳感器控制器的選型及布置，搭建了稱重系統(tǒng)。系統(tǒng)主要包括三個部分：1）傳感器檢測系統(tǒng)；2）計算控制系統(tǒng)（主要是工控機和車載控制器）；3）顯示系統(tǒng)。具體系統(tǒng)圖見圖2。

圖2 稱重系統(tǒng)圖Fig.2 Diagram of the automatic weighing system

3.1 傳感器檢測系統(tǒng)

大臂轉(zhuǎn)角，通過MOBIL533系列非接觸式角度傳感器，重復精度在±0.3°以內(nèi)，測量滯后時間在5～10 ms。其通訊方式為CAN總線通訊。

發(fā)動機轉(zhuǎn)速，通過電噴發(fā)動機的ECU進行控制，其中ECU也是通過CAN總線來和上一級模塊進行通訊。

舉升油缸進出油口壓力，通過油壓傳感器進行檢測，但是油壓傳感器只能輸出模擬信號4～20 mA，需通過數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換模塊，將模擬信號轉(zhuǎn)換為CAN信號，再發(fā)出。

3.2 計算控制系統(tǒng)和顯示系統(tǒng)

易福門CR0032車載控制器通過CAN總線來接收發(fā)動機ECU發(fā)來的轉(zhuǎn)速信息、大臂轉(zhuǎn)角信息、數(shù)據(jù)模塊轉(zhuǎn)換過來的進出油口壓力值信息；同時通過CR0032發(fā)出模擬信號來控制舉升電磁閥來控制稱重動作，通過CAN總線發(fā)出發(fā)動機轉(zhuǎn)速的控制信息。

工控機采用EAXVA04型控制器，內(nèi)部有NVIDIA的Xavier芯片和英飛凌的TC297芯片。通過CAN總線實現(xiàn)與車載控制器CR0032之間的通訊。工控機通過HDMI連接顯示系統(tǒng)，經(jīng)過工控機運算將稱重信息進行顯示。

4 發(fā)動機轉(zhuǎn)速，舉升位置與油壓關(guān)系試驗

4.1 發(fā)動機轉(zhuǎn)速選取

對兩立方地下鏟運機（滿載4 t，發(fā)動機額定轉(zhuǎn)速2 500 rpm）進行試驗，首先在2 t負載下，對發(fā)動機轉(zhuǎn)速對于稱重油壓的影響進行了研究。將發(fā)動機轉(zhuǎn)速設(shè)置在1 000、1 500、2 000、2 500 rpm分別進行了大臂舉升角和舉升油壓差關(guān)系的計量試驗。

通過圖3可以得出，隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速的增加，舉升油缸油壓會隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速的上升而上升，但是并不是正比例關(guān)系，發(fā)動機轉(zhuǎn)速與舉升油壓的這種非線性關(guān)系并不是本次研究的重點，所以對此不再做深入研究。只對何種轉(zhuǎn)速下，發(fā)動機油壓比較穩(wěn)定，進而能使稱重計量結(jié)果準確進行探討。通過試驗結(jié)果得出，當發(fā)動機轉(zhuǎn)速在1 500 rpm時，舉升油壓最為穩(wěn)定，平緩階段最長，波動量最小。故選擇發(fā)動機轉(zhuǎn)速1 500 rpm進行后續(xù)的分析與標定試驗。

圖3 不同發(fā)動機轉(zhuǎn)速下壓力與夾角關(guān)系圖－2000 kgFig.3 Relationship diagram between pressure and angle with different engine speed－2000 kg

4.2 最佳稱重位置選取

在1 500 rpm轉(zhuǎn)速下，對稱重的實際曲線進行分析，選擇最佳的稱重位置，進行標定。

對2 t負載，在發(fā)動機轉(zhuǎn)速為1 500 rpm進行試驗分析。數(shù)據(jù)如圖4所示。

圖4 壓力與夾角關(guān)系圖－2 000 kg&1 500 rpmFig.4 Relationship diagram between pressure and angle－2 000 kg&1 500 rpm

圖4可以看出，隨著大臂舉升，油壓P會隨著大臂舉升角β的變化而變化。這個變化過程，分為四個階段。第一階段，隨著鏟斗從靜止到運動，大臂舉升角β從35°～38°運動時，油壓P會急劇增加；第二階段，隨著大臂舉升角度增加，從38°～60°時，油壓P會在一個較大的范圍波動，而且波動幅度越來越小。第三階段，隨著大臂舉升角度增加，從60°～115°時，油壓數(shù)據(jù)在一個小范圍內(nèi)波動，比較平穩(wěn)。第四階段，大臂舉升到極限位置，油壓急劇增加達到液壓系統(tǒng)溢流壓力。

對于稱重系統(tǒng)而言，取油壓平穩(wěn)時進行數(shù)據(jù)分析及標定，是比較理想的，所以本文著重分析舉升第三階段，大臂舉升角度在60°～115°時舉升油缸油壓的變化趨勢。

如圖5所示，在第三階段的舉升過程，舉升油缸壓力值也是一個上升－平穩(wěn)－下降三個階段。本文將這個過程也劃分為A，B，C三個位置。A位置，大臂舉升角β從60°～87.5°時，油壓P會緩慢上升；B位置，大臂舉升角β從87.5°～97.5°時，油壓P在一個極小范圍保持穩(wěn)定。C位置，大臂舉升角β從97.5°～115°時，油壓P會緩慢下降。

圖5 第三階段壓力圖－2 000 kg&1 500 rpmFig.5 The third phase pressure diagram－2 000 kg&1 500 rpm

綜上，在第三階段的B位置進行標定，系統(tǒng)最穩(wěn)定。

5 稱重試驗及標定

分別使用標準3、4 t砝碼在發(fā)動機轉(zhuǎn)速為1 500 rpm時進行試驗。

各個試驗圖見圖6、7。

圖6 第三階段壓力圖－3 000 kg&1 500 rpmFig.6 The third phase pressure diagram－3 000 kg&1 500 rpm

圖7 第三階段壓力圖－4 000 kg&1 500 rpmFig.7 The third phase pressure diagram－4 000 kg&1 500 rpm

詳細試驗數(shù)據(jù)見表1。

表1 稱重數(shù)據(jù)1 500 rpm＠β＝92.5°Table 1 Weighing data 1 500 rpm＠β＝92.5°

根據(jù)圖1稱重原理圖，隨著OC繞O旋轉(zhuǎn)，σ與β變化率是相同的。當β為固定數(shù)值時，σ也為固定數(shù)值，加入相應的修正系數(shù)后，可得到公式（1）：

用表1數(shù)據(jù)對公式（1）進行擬合：

將上述數(shù)據(jù)代入進行校核：

表2 稱重數(shù)據(jù)校驗1 500 rpm＠β＝92.5°Table 2 Weighing data verification 1 500 rpm＠β＝92.5°

6 第三方測試精度

為保證試驗稱重精確的有效性，對稱重結(jié)果進行再次試驗校核。并請第三方檢測機構(gòu)進行認證。

檢測單位：中機科（北京）車輛檢測工程研究院有限公司

檢測工具：標準砝碼，每個1 t，共計4個。

檢測儀器：自動稱重系統(tǒng)。

檢測方法：

1）將標準砝碼按要求的質(zhì)量2 t裝入鏟斗；

2）用自動稱重系統(tǒng)進行稱重，將稱重結(jié)果顯示在顯示屏，共稱重三次，記錄數(shù)據(jù)；

3）按上述方法在3、4 t質(zhì)量下進行稱重，并記錄數(shù)據(jù)。鏟運機自動稱重圖見圖8。

圖8 鏟運機自動稱重圖Fig.8 The LHD automatic weighing diagram

結(jié)果如下：

表3 實際稱重數(shù)據(jù)1 500 rpm＠β＝92.5°Table 3 Practical weighing data 1 500 rpm＠β＝92.5°

上述結(jié)果經(jīng)過了第三方檢測，最大稱重誤差為1.85%。

7 結(jié)論

本文通過對地下鏟運機稱重原理及過程的研究，建立了稱重模型，對影響稱重的關(guān)鍵因素進行了分析和實驗研究，確定了最佳的發(fā)動機轉(zhuǎn)速和稱重位置。針對不同噸位下的砝碼進行了試驗，修正了理論模型，得出了高精度稱重計算模型。稱重檢測結(jié)果表明，本稱重技術(shù)能精確計量出鏟運機鏟斗的物料質(zhì)量。最大稱重誤差不超過1.85%。

本稱重技術(shù)可大幅提高目前的鏟運機礦石質(zhì)量自動計量精度，有很高的實用價值［12］。