王 凱，李恒通，王振啟，楊支海，高澤宇，張?jiān)?/p>

（1.礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 100160；2.北礦機(jī)電科技有限責(zé)任公司，北京 100160；3.紫金礦業(yè)集團(tuán)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(huì)澤冶煉分公司 云南 曲靖 654211）

近年來(lái)，隨著礦物開(kāi)采的深部化，惡劣的環(huán)境使得人工作業(yè)條件越來(lái)越差，遙控化和智能化鏟運(yùn)機(jī)成為了未來(lái)的主流。地下鏟運(yùn)機(jī)自動(dòng)稱重技術(shù)在實(shí)際遙控和智能作業(yè)中有舉足輕重的作用。其對(duì)于生產(chǎn)礦石噸位的準(zhǔn)確計(jì)量有利于作業(yè)量統(tǒng)計(jì)及后續(xù)工藝安排，至關(guān)重要，但鏟運(yùn)機(jī)結(jié)構(gòu)特殊，井下條件復(fù)雜惡劣，提高稱重精度有種種制約。

目前地下鏟運(yùn)機(jī)生產(chǎn)商SANDVIK在其部分鏟運(yùn)機(jī)機(jī)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)?？蛇x配集成式稱重系統(tǒng)（IWS），以測(cè)量鏟斗中的有效負(fù)載及一個(gè)班次裝填的鏟斗數(shù)量。我國(guó)目前的地下鏟運(yùn)機(jī)稱重的研究和應(yīng)用還相對(duì)滯后，所以國(guó)家課題對(duì)這方面給予了支持。

以往地表的裝載機(jī)及地下的鏟運(yùn)機(jī)采用的稱重方式有兩種：1）直接在裝載機(jī)機(jī)架與大臂接觸位置安裝壓力傳感器，但其測(cè)量誤差大，故障率高，目前已基本不采用這種方法；2）通過(guò)建模，以舉升油缸傳感器壓力計(jì)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(guó)家863計(jì)劃中，礦冶科技集團(tuán)對(duì)鏟運(yùn)機(jī)自動(dòng)稱重開(kāi)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(guò)試驗(yàn)，稱重精度達(dá)到3.5%，達(dá)到了具備實(shí)際應(yīng)用的精度［2-4］。

但在十二五的測(cè)試中，我們發(fā)現(xiàn)想要進(jìn)一步提高稱重精度，已經(jīng)困難重重，主要原因是稱重過(guò)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(jìn)而影響稱重精度的進(jìn)一步提高。

本次通過(guò)“國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“的支持，對(duì)地下鏟運(yùn)機(jī)自動(dòng)稱重過(guò)程中多個(gè)影響因素復(fù)雜耦合關(guān)系進(jìn)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(dòng)稱重的精度及工業(yè)應(yīng)用范圍。

1 鏟運(yùn)機(jī)稱重的基本原理

本文采用的稱重基本原理為：鏟運(yùn)機(jī)在對(duì)礦石進(jìn)行舉升時(shí)，需要通過(guò)舉升油缸，通常當(dāng)?shù)V石質(zhì)量不同時(shí)，舉升油缸的壓力也不同，通過(guò)對(duì)舉升油缸壓力的測(cè)量，實(shí)現(xiàn)對(duì)礦石質(zhì)量的計(jì)量［5］。

稱重的力學(xué)模型見(jiàn)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(diǎn)，OA長(zhǎng)為l2，B為舉升油缸活動(dòng)端，OB長(zhǎng)為l3，AB長(zhǎng)為l4；C為質(zhì)心位置，G為大臂和物料的重力，OC長(zhǎng)為l1；F為舉升缸驅(qū)動(dòng)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(zhǎng)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(guò)建立理論模型及方程將兩立方地下鏟運(yùn)機(jī)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(jìn)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(cè)量舉升油缸的進(jìn)出口壓力的方法，進(jìn)行自動(dòng)稱重。但實(shí)際稱重過(guò)程中，即使礦石質(zhì)量不變，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、油溫、大臂舉升角、閥門(mén)開(kāi)度也會(huì)對(duì)舉升油缸進(jìn)出口壓力產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響稱重精度。而且各個(gè)影響因素之間是一個(gè)復(fù)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(duì)上述因素進(jìn)行逐個(gè)分析，將部分因素進(jìn)行精準(zhǔn)控制，降低影響因素的個(gè)數(shù)后，再進(jìn)行分析研究。

液壓油油溫，液壓油油溫主要對(duì)稱重過(guò)程中的沿程阻力和閥門(mén)開(kāi)度及死區(qū)有影響，但當(dāng)車輛在正常運(yùn)行時(shí)，油溫會(huì)穩(wěn)定在一定范圍，同時(shí)井下環(huán)境是一個(gè)溫度比較穩(wěn)定環(huán)境，環(huán)境溫度會(huì)常年在一個(gè)小范圍內(nèi)波動(dòng)，鏟運(yùn)機(jī)的工作油溫相對(duì)來(lái)說(shuō)非常穩(wěn)定，油溫對(duì)于稱重的影響可以忽略，故基于此，本文不再對(duì)油溫開(kāi)展單獨(dú)研究，而是在試驗(yàn)中采取車輛啟動(dòng)一段時(shí)間，液壓油油溫穩(wěn)定后再進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)［9］。

舉升油缸的電磁閥閥門(mén)開(kāi)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(guò)車載控制器CR0032進(jìn)行精準(zhǔn)控制，保證其每次稱重時(shí)電磁閥控制電壓的統(tǒng)一，同時(shí)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(guò)控制器消除閥門(mén)開(kāi)度的影響，本文也不再單獨(dú)對(duì)閥門(mén)開(kāi)度開(kāi)展單項(xiàng)研究［10］。

發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，齒輪泵的轉(zhuǎn)速與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速直接相關(guān)，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)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(huì)導(dǎo)致壓力變化，即使鏟斗裝載量相同時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不同也會(huì)對(duì)舉升油缸進(jìn)出口壓力產(chǎn)生影響。以往地下鏟運(yùn)機(jī)采用的大多是道依茨風(fēng)冷拉線式發(fā)動(dòng)機(jī)，難以對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制及測(cè)量；此次換裝了康明斯電噴發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速可以通過(guò)ECU進(jìn)行精確控制，可穩(wěn)定在多個(gè)不同轉(zhuǎn)速下進(jìn)行稱重［11］。

大臂舉升角，是力學(xué)建模中與稱重質(zhì)量相關(guān)的一個(gè)核心因素，以往采用傾角傳感器，通過(guò)測(cè)量大臂與重力方向的夾角，來(lái)測(cè)量大臂舉升角，但是這種方式是間接式測(cè)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(cè)量大臂舉升角，更直接更精確。

所以本文主要對(duì)不同礦石質(zhì)量下，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、大臂舉升角、舉升油缸進(jìn)出口壓力的影響開(kāi)展研究。

3 硬件系統(tǒng)搭建

在試驗(yàn)研究階段，布置了三類傳感器分別對(duì)舉升油缸進(jìn)出口壓力、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、大臂舉升角進(jìn)行檢測(cè)，閥門(mén)開(kāi)度則由控制閥門(mén)的電壓值來(lái)實(shí)現(xiàn)控制。

基于上述分析對(duì)鏟運(yùn)機(jī)進(jìn)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(gè)部分：1）傳感器檢測(cè)系統(tǒng)；2）計(jì)算控制系統(tǒng)（主要是工控機(jī)和車載控制器）；3）顯示系統(tǒng)。具體系統(tǒng)圖見(jiàn)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(cè)系統(tǒng)

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

發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，通過(guò)電噴發(fā)動(dòng)機(jī)的ECU進(jìn)行控制，其中ECU也是通過(guò)CAN總線來(lái)和上一級(jí)模塊進(jìn)行通訊。

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

3.2 計(jì)算控制系統(tǒng)和顯示系統(tǒng)

易福門(mén)CR0032車載控制器通過(guò)CAN總線來(lái)接收發(fā)動(dòng)機(jī)ECU發(fā)來(lái)的轉(zhuǎn)速信息、大臂轉(zhuǎn)角信息、數(shù)據(jù)模塊轉(zhuǎn)換過(guò)來(lái)的進(jìn)出油口壓力值信息；同時(shí)通過(guò)CR0032發(fā)出模擬信號(hào)來(lái)控制舉升電磁閥來(lái)控制稱重動(dòng)作，通過(guò)CAN總線發(fā)出發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制信息。

工控機(jī)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(guò)CAN總線實(shí)現(xiàn)與車載控制器CR0032之間的通訊。工控機(jī)通過(guò)HDMI連接顯示系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)工控機(jī)運(yùn)算將稱重信息進(jìn)行顯示。

4 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，舉升位置與油壓關(guān)系試驗(yàn)

4.1 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速選取

對(duì)兩立方地下鏟運(yùn)機(jī)（滿載4 t，發(fā)動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速2 500 rpm）進(jìn)行試驗(yàn)，首先在2 t負(fù)載下，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)于稱重油壓的影響進(jìn)行了研究。將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)置在1 000、1 500、2 000、2 500 rpm分別進(jìn)行了大臂舉升角和舉升油壓差關(guān)系的計(jì)量試驗(yàn)。

通過(guò)圖3可以得出，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，舉升油缸油壓會(huì)隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的上升而上升，但是并不是正比例關(guān)系，發(fā)動(dòng)機(jī)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(diǎn)，所以對(duì)此不再做深入研究。只對(duì)何種轉(zhuǎn)速下，發(fā)動(dòng)機(jī)油壓比較穩(wěn)定，進(jìn)而能使稱重計(jì)量結(jié)果準(zhǔn)確進(jìn)行探討。通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果得出，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在1 500 rpm時(shí)，舉升油壓最為穩(wěn)定，平緩階段最長(zhǎng)，波動(dòng)量最小。故選擇發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 500 rpm進(jìn)行后續(xù)的分析與標(biāo)定試驗(yàn)。

圖3 不同發(fā)動(dòng)機(jī)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(duì)稱重的實(shí)際曲線進(jìn)行分析，選擇最佳的稱重位置，進(jìn)行標(biāo)定。

對(duì)2 t負(fù)載，在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 500 rpm進(jìn)行試驗(yàn)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(huì)隨著大臂舉升角β的變化而變化。這個(gè)變化過(guò)程，分為四個(gè)階段。第一階段，隨著鏟斗從靜止到運(yùn)動(dòng)，大臂舉升角β從35°～38°運(yùn)動(dòng)時(shí)，油壓P會(huì)急劇增加；第二階段，隨著大臂舉升角度增加，從38°～60°時(shí)，油壓P會(huì)在一個(gè)較大的范圍波動(dòng)，而且波動(dòng)幅度越來(lái)越小。第三階段，隨著大臂舉升角度增加，從60°～115°時(shí)，油壓數(shù)據(jù)在一個(gè)小范圍內(nèi)波動(dòng)，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(dá)到液壓系統(tǒng)溢流壓力。

對(duì)于稱重系統(tǒng)而言，取油壓平穩(wěn)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析及標(biāo)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(shí)舉升油缸油壓的變化趨勢(shì)。

如圖5所示，在第三階段的舉升過(guò)程，舉升油缸壓力值也是一個(gè)上升－平穩(wěn)－下降三個(gè)階段。本文將這個(gè)過(guò)程也劃分為A，B，C三個(gè)位置。A位置，大臂舉升角β從60°～87.5°時(shí)，油壓P會(huì)緩慢上升；B位置，大臂舉升角β從87.5°～97.5°時(shí)，油壓P在一個(gè)極小范圍保持穩(wěn)定。C位置，大臂舉升角β從97.5°～115°時(shí)，油壓P會(huì)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(jìn)行標(biāo)定，系統(tǒng)最穩(wěn)定。

5 稱重試驗(yàn)及標(biāo)定

分別使用標(biāo)準(zhǔn)3、4 t砝碼在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 500 rpm時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)。

各個(gè)試驗(yàn)圖見(jiàn)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(xì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 稱重?cái)?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(dāng)β為固定數(shù)值時(shí)，σ也為固定數(shù)值，加入相應(yīng)的修正系數(shù)后，可得到公式（1）：

用表1數(shù)據(jù)對(duì)公式（1）進(jìn)行擬合：

將上述數(shù)據(jù)代入進(jìn)行校核：

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

6 第三方測(cè)試精度

為保證試驗(yàn)稱重精確的有效性，對(duì)稱重結(jié)果進(jìn)行再次試驗(yàn)校核。并請(qǐng)第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行認(rèn)證。

檢測(cè)單位：中機(jī)科（北京）車輛檢測(cè)工程研究院有限公司

檢測(cè)工具：標(biāo)準(zhǔn)砝碼，每個(gè)1 t，共計(jì)4個(gè)。

檢測(cè)儀器：自動(dòng)稱重系統(tǒng)。

檢測(cè)方法：

1）將標(biāo)準(zhǔn)砝碼按要求的質(zhì)量2 t裝入鏟斗；

2）用自動(dòng)稱重系統(tǒng)進(jìn)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(jìn)行稱重，并記錄數(shù)據(jù)。鏟運(yùn)機(jī)自動(dòng)稱重圖見(jiàn)圖8。

圖8 鏟運(yùn)機(jī)自動(dòng)稱重圖Fig.8 The LHD automatic weighing diagram

結(jié)果如下：

表3 實(shí)際稱重?cái)?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(guò)了第三方檢測(cè)，最大稱重誤差為1.85%。

7 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)地下鏟運(yùn)機(jī)稱重原理及過(guò)程的研究，建立了稱重模型，對(duì)影響稱重的關(guān)鍵因素進(jìn)行了分析和實(shí)驗(yàn)研究，確定了最佳的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和稱重位置。針對(duì)不同噸位下的砝碼進(jìn)行了試驗(yàn)，修正了理論模型，得出了高精度稱重計(jì)算模型。稱重檢測(cè)結(jié)果表明，本稱重技術(shù)能精確計(jì)量出鏟運(yùn)機(jī)鏟斗的物料質(zhì)量。最大稱重誤差不超過(guò)1.85%。

本稱重技術(shù)可大幅提高目前的鏟運(yùn)機(jī)礦石質(zhì)量自動(dòng)計(jì)量精度，有很高的實(shí)用價(jià)值［12］。