任曉力

中國煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司 山西太原 30006

運(yùn) 煤車是煤礦井下短距離運(yùn)輸?shù)闹饕O(shè)備，井下工人在裝載時(shí)為了追求短期效益，多拉快跑，導(dǎo)致車輛由于長期超載運(yùn)行，降低了車輛的使用壽命，帶來安全風(fēng)險(xiǎn)和隱患。車輛超載、頻繁制動(dòng)會(huì)影響傳動(dòng)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(jī)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(shí)，車輛內(nèi)承載質(zhì)量通過機(jī)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(jī)構(gòu)上，直接采集貨物質(zhì)量傳感信號(hào)。

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(jī)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(gè)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(huì)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?，F(xiàn)有稱重傳感器自身有一定的厚度，安裝后會(huì)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(dòng)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(tái)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(yùn)煤車這種實(shí)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(hào)處理以及相應(yīng)的算法，即可計(jì)算出車輛的載荷情況[3-4]。

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

圖1 運(yùn)煤車承載結(jié)構(gòu)示意

2 運(yùn)煤車車載稱重

2.1 傳感器的選擇

運(yùn)煤車的行走速度一般不超過 10 km/h。設(shè)計(jì)中，未采用減震裝置，其 4 個(gè)輪胎通過輪邊減速器與機(jī)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(dòng)時(shí)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(yùn)煤車裝載煤炭時(shí)，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(shí)自動(dòng)停止。車輛運(yùn)動(dòng)過程中的震動(dòng)會(huì)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(yùn)煤車所有的力均由 4 個(gè)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(shí)際計(jì)算過程中會(huì)存在G偏離的情況，會(huì)導(dǎo)致 4 個(gè)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(jì)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(yùn)煤車左右會(huì)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(jì)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(bǔ)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(shí)，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(huì)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(shí)的電阻值，Ω；R0為溫度t0時(shí)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(huì)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(yùn)行溫度升高自身溫升可能會(huì)達(dá)到 50 ℃，加上環(huán)境溫度后，減速器表面溫度會(huì)達(dá)到 90 ℃，這樣傳感器就會(huì)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(bǔ)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(bǔ)償法對傳感器中電阻應(yīng)變片的溫度誤差進(jìn)行補(bǔ)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(huì)引起電阻變化，符號(hào)相反，大小相等，可以自動(dòng)抵消，因此能達(dá)到溫度補(bǔ)償?shù)男Ч?/p>

4 結(jié)語

筆者以現(xiàn)有運(yùn)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(yùn)煤車稱重傳感的總體方案設(shè)計(jì)，并給出了車載靜態(tài)載荷算法，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)煤車載荷的實(shí)時(shí)監(jiān)測，對限制車輛超載，保障車輛安全運(yùn)行具有現(xiàn)實(shí)意義。