井下運煤車車載稱重技術研究

任曉力

中國煤炭科工集團太原研究院有限公司 山西太原 30006

運 煤車是煤礦井下短距離運輸的主要設備，井下工人在裝載時為了追求短期效益，多拉快跑，導致車輛由于長期超載運行，降低了車輛的使用壽命，帶來安全風險和隱患。車輛超載、頻繁制動會影響傳動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，使得輪胎磨損嚴重，對轉向系統也有一定影響，超載后轉向阻力增大，轉向機構受力增加，重心偏移，在車輛在轉彎過程中，導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

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，車輛內承載質量通過機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據。直接稱重法是將傳感器直接安裝在車輛的承載機構上，直接采集貨物質量傳感信號。

目前，車載稱重的方法是在車輛的承重位置設置傳感器，例如在輪胎、車橋、機架、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測位置不同，因此采用的承重算法對整個承重系統的性能指標有較大影響。

車輛超載包括以下幾種情況。

(1)車輛超載會使車架發生彈性變形，根據車架安的傳感器彈性形變量來測出車輛質量。

(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，這種稱重方法讀數直接，精度相對較高，但安裝復雜，維修不方便。現有稱重傳感器自身有一定的厚度，安裝后會降低車輛的穩定性。

(3)在車橋和車架之間安裝感應傳感器，通過感應檢測車橋和車架之間垂直方向移動變化測量質量，該方法的測量精度容易受外界環境影響，而且每臺車出廠都要重新標定。

(4)胎壓傳感器內置于輪胎內部，測量胎壓來間接測量車輛的載重。但此種方法不適合運煤車這種實心輪胎，且該方法受環境因素干擾較大，精度也不高。

(5)傳統車輛使用板彈簧減震和承載，將電阻應變傳感器粘貼到彈簧鋼板表面，檢測其應變工況，通過信號處理以及相應的算法，即可計算出車輛的載荷情況[3-4]。

運煤車承載結構如圖1 所示，運煤車通過 4 個輪邊減速器與機架硬連接，根據該結構特點，車載稱重只能選擇在 4 個承載的輪邊減速器上安裝傳感器。

圖1 運煤車承載結構示意

2 運煤車車載稱重

2.1 傳感器的選擇

運煤車的行走速度一般不超過 10 km/h。設計中，未采用減震裝置，其 4 個輪胎通過輪邊減速器與機架硬連接，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如表1 所列。考慮到車輛的加減速和抗干擾，車輛靜止不動時視速度為零，測量靜態車輛裝載量安裝應變傳感器(見圖2)。

表1 承重傳感器的性能參數

圖2 應變傳感器

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，經過對減速器進行受力分析，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 車載靜態載荷算法

運煤車裝載煤炭時，車輛是靜止的，對其進行裝載量檢測，達到車輛的額定載荷時自動停止。車輛運動過程中的震動會對稱重傳感器產生干擾，影響傳感器測量的準確性。因此先研究其靜態載荷的算法，再進行修正[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，運煤車所有的力均由 4 個輪胎承載，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，但實際計算過程中會存在G偏離的情況，會導致 4 個輪胎的承載力分量不一致。此處引入重力分量權重值k，上式可變為

權重值與承載力到重心的距離有關，而承載力到重心的距離可以計算得出。

以傳感器 4 為例，L為軸距，B為輪距，則

以傳感器 3 為例，

因運煤車左右會存在一定的偏差，重心不在左右中心線上，但偏差較小，為了計算方便，進行簡化處理，即認為重心位置處于中心線上。

3.2 溫度誤差及補償方法

由于井下環境溫度為 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。應變傳感器測量時，其電阻值只是隨外力變化而改變，但溫度對應變傳感器電阻的變化影響較大。傳感器會隨溫度變化而發生變化，導致測量的誤差。產生溫度誤差原因有電阻熱效應和被測物體與敏感柵熱膨脹不協調。

3.2.1 電阻熱效應

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系為

式中：Rt為溫度t時的電阻值，Ω；R0為溫度t0時的電阻值，Ω；α為電阻溫度系數，℃-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調

被測物體與傳感器緊密接觸，因膨脹系數不同，會使傳感器產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行溫度升高自身溫升可能會達到 50 ℃，加上環境溫度后，減速器表面溫度會達到 90 ℃，這樣傳感器就會產生額外的阻值變化，其電阻變化量為

式中：K為應變片的靈敏系數；α1為被測件的線膨脹系數，℃-1；α2為應變絲的線膨脹系數，℃-1。

由外界溫度的改變而引起總電阻的相對變化量為

換算成相應的應變值

對應變片溫度補償的本質就是消除測量應變干擾的虛假應變，采用自補償法對傳感器中電阻應變片的溫度誤差進行補償，應變片的敏感柵是由兩種電阻溫度系數電阻材料一負一正串聯而成，溫度與膨脹的原因會引起電阻變化，符號相反，大小相等，可以自動抵消，因此能達到溫度補償的效果。

4 結語

筆者以現有運煤車的結構為基礎，結合現有稱重傳感技術，制定了運煤車稱重傳感的總體方案設計，并給出了車載靜態載荷算法，實現了運煤車載荷的實時監測，對限制車輛超載，保障車輛安全運行具有現實意義。