自上料混凝土攪拌車物料稱量系統研究

蔡 林，何繼盛，張淑君，馮 敏

（1.徐州徐工隨車起重機有限公司，江蘇 徐州 221004；2.徐州徐工施維英機械有限公司，江蘇 徐州 221004）

自上料混凝土攪拌車（以下簡稱自上料攪拌車），是集混凝土運輸和攪拌功能為一體的設備，它集自動裝料、計量、攪拌、出料功能與一身，并可實現運輸和現場施工作業。主要用于道路鋪設、水壩及城鎮化建設的小型工程。由于自上料攪拌車功能全面，在小方量混凝土施工和普通攪拌車難以到達的施工場地，具有明顯的應用優勢[1]。

圖1 自上料混凝土攪拌車

對物料進行精確稱量并嚴格按照混凝土配方控制各種物料的配比，是保證生產混凝土質量的關鍵。同時，減少物料稱量所耗費的時間，提高作業效率也十分重要。因此，自上料攪拌車物料稱量系統應具備較高的精度和較短的稱重耗時。

1 上料裝置動力學分析

圖2 上料裝置等效圖

上料裝置可等效為圖2 所示。圖2 中，W為舉升油缸-車架絞點，V為舉升臂-車架絞點，U為轉斗油缸-車架絞點，C為舉升油缸-舉升臂絞點，B為轉斗油缸-料斗絞點，A為舉升臂-料斗絞點，R為料斗幾何中心，WC為舉升油缸，UB為轉斗油缸，VCA為舉升臂。整個上料裝置由舉升油缸WC驅動，轉斗油缸在舉升過程中長度不變。則有

對于VUBA有，聯立其在x軸、y軸分量表達式，得：

忽略料斗沿A點的轉動慣性力影響，僅考慮舉升裝置沿V點轉動慣量。舉升油缸勻速伸出，伸出速度為v。

圖3 上料裝置力矩計算

圖3 中，以A點作為支點，根據力矩平衡關系有：

以V點作為支點，根據力矩平衡關系有：

其中，F0、L0分別為鏟斗自重等效的阻力和力臂。由式（7)可見，當k1在所選取的測量區間θ1∈[θ10-τ，θ10-τ]，趨近于零時，則在該區間內機構角加速度較小，轉動慣量對測量的影響也較小。舉升臂通過測量區間的用時為Δt，且Δt∝1/v。轉動慣量可近似為鏟斗和物料重量乘以轉動半徑的平方，進一步地在測量區間內正比于舉升油缸力。聯立式（5)、（6)得：

同時，在選取測量區間時，期望在測量區間內a近似為常數，有助于降低測量誤差。

以上述方法對某型自上料攪拌車上料裝置進行仿真計算，并與ADMAS 同條件下的動力學仿真結果進行對比。計算條件為：鏟斗舉升油缸長度變化范圍為804～1 264mm，油缸伸出速度分別為10mm/s 和100mm/s；鏟斗內裝入水泥0.29cm3，鏟斗和物料總重量1 049.7kg。分析結果如圖4 所示。

圖4 仿真分析結果對比

通過對比發現，式（8)可以近似表達舉升油缸力同鏟斗及物料重量和舉升速度間的關系。分析和仿真誤差主要是由于分析計算中沒有考慮舉升油缸和轉斗油缸的重量導致。

鏟斗舉升初期液壓系統壓力波動大，不宜作為測量區間。θ1超過120°后，舉升速度對油缸力的影響較大，不宜作為稱量區間。鏟斗角度和舉升臂角度的二階導數在區間θ1∈[70°，80°]趨近于零，且舉升速度對油缸力影響較小，是進行動態稱量的理想區間。

2 物料稱量系統設計

如圖5 所示，稱量系統由主機、兩只油壓傳感器、兩只接近開關和檢測塊組成。油壓傳感器測量舉升油缸的有桿腔和無桿腔壓力，用于計算舉升油缸的舉升力FWC。兩只接近開關布置于車體上，檢測塊安裝于舉升臂上；并根據所選取的測量區間配合布置。在舉升臂舉升過程中檢測塊觸發接近開關，接近開關觸發的時間差即為舉升臂通過稱量區間的用時Δt。

圖5 稱量系統組成

1 號接近開關開始觸發上升沿時開始采集油壓傳感器數據，2 號接近開關結束觸發的下降沿停止采集油壓傳感器數據。所采集信號通過平均值濾波法剔除油壓傳感器檢測信號瞬態干擾。舉升裝置在上料過程中，通過稱量區間即可完成本次上料鏟斗內物料的稱量，并完成累計上料重量的累加。由此，物料稱量不會降低上料作業的效率。

為保證稱量系統通用性，以適應不同結構參數的上料裝置，以及消除上料裝置參數變化對稱量精度的影響。稱量裝置在使用之前可進行稱量精度標定，系統自動計算并修正式（8)中的系數a、b、c。標定時，慢速舉升空斗一次，分別以慢速和快速舉升已知重物一次，即可完成稱量系統的標定和校準。該動態稱量系統經裝車測試，綜合測量誤差小于等于3%。

3 結論

通過對上料裝置的動力學分析，得出了物料重量與舉升油缸舉升力和舉升速度之間的關系，并應用于自上料攪拌車物料稱量系統。該系統可實現動態稱量，提高了上料作業效率，測量精度可滿足施工要求。