井下运煤车车载称重技术研究

任晓力

中国煤炭科工集团太原研究院有限公司 山西太原 30006

运 煤车是煤矿井下短距离运输的主要设备，井下工人在装载时为了追求短期效益，多拉快跑，导致车辆由于长期超载运行，降低了车辆的使用寿命，带来安全风险和隐患。车辆超载、频繁制动会影响传动轴和减速器的可靠性和使用寿命，承载超过了轮胎的额定承载能力，使得轮胎磨损严重，对转向系统也有一定影响，超载后转向阻力增大，转向机构受力增加，重心偏移，在车辆在转弯过程中，导致离心力影响车轮的受力，使得车辆的操作性变差，影响车辆行驶的安全[1-2]。

1 常用车载称重技术

最常见的车载称重方法有间接称重法和直接称重法 2 种。间接称重法是车辆承载时，车辆内承载质量通过机架传递到车厢的受力部件上，受力部件上的传感器记录载荷变化的数据。直接称重法是将传感器直接安装在车辆的承载机构上，直接采集货物质量传感信号。

目前，车载称重的方法是在车辆的承重位置设置传感器，例如在轮胎、车桥、机架、弹簧板等受力部位安装传感器，不同类型的传感器安装的监测位置不同，因此采用的承重算法对整个承重系统的性能指标有较大影响。

车辆超载包括以下几种情况。

(1)车辆超载会使车架发生弹性变形，根据车架安的传感器弹性形变量来测出车辆质量。

(2)在车辆的弹簧板与车轴的连接位置安装压力称重传感器，直接读取压力值，这种称重方法读数直接，精度相对较高，但安装复杂，维修不方便。现有称重传感器自身有一定的厚度，安装后会降低车辆的稳定性。

(3)在车桥和车架之间安装感应传感器，通过感应检测车桥和车架之间垂直方向移动变化测量质量，该方法的测量精度容易受外界环境影响，而且每台车出厂都要重新标定。

(4)胎压传感器内置于轮胎内部，测量胎压来间接测量车辆的载重。但此种方法不适合运煤车这种实心轮胎，且该方法受环境因素干扰较大，精度也不高。

(5)传统车辆使用板弹簧减震和承载，将电阻应变传感器粘贴到弹簧钢板表面，检测其应变工况，通过信号处理以及相应的算法，即可计算出车辆的载荷情况[3-4]。

运煤车承载结构如图1 所示，运煤车通过 4 个轮边减速器与机架硬连接，根据该结构特点，车载称重只能选择在 4 个承载的轮边减速器上安装传感器。

图1 运煤车承载结构示意

2 运煤车车载称重

2.1 传感器的选择

运煤车的行走速度一般不超过 10 km/h。设计中，未采用减震装置，其 4 个轮胎通过轮边减速器与机架硬连接，没有车桥和减震板弹簧，车架的材料不具有弹性变形，称重传感器安装到轮边减速器的外壳上。承重传感器的性能参数如表1 所列。考虑到车辆的加减速和抗干扰，车辆静止不动时视速度为零，测量静态车辆装载量安装应变传感器(见图2)。

表1 承重传感器的性能参数

图2 应变传感器

2.2 传感器安装位置的确定

传感器安装位置与其自身变形量相匹配，经过对减速器进行受力分析，寻找到减速器变形与传感器变形最吻合的位置。减速器变形分析结果如图3 所示，传感器安装位置如图4 所示。

图3 减速器受力仿真结果

图4 传感器安装位置

3 车载载荷算法研究

3.1 车载静态载荷算法

运煤车装载煤炭时，车辆是静止的，对其进行装载量检测，达到车辆的额定载荷时自动停止。车辆运动过程中的震动会对称重传感器产生干扰，影响传感器测量的准确性。因此先研究其静态载荷的算法，再进行修正[5-6]。车载称重简化模型如图5 所示，X为承载力到重心水平方向的距离，Y为承载力到重心的距离，L为车辆轴距，B为轮距。

图5 车载称重简化模型图

由如图5 可知，运煤车所有的力均由 4 个轮胎承载，承载力分别为F1、F2、F3、F4，重力为G，则有

如果G处于绝对的中心位置，上式是成立的，但实际计算过程中会存在G偏离的情况，会导致 4 个轮胎的承载力分量不一致。此处引入重力分量权重值k，上式可变为

权重值与承载力到重心的距离有关，而承载力到重心的距离可以计算得出。

以传感器 4 为例，L为轴距，B为轮距，则

以传感器 3 为例，

因运煤车左右会存在一定的偏差，重心不在左右中心线上，但偏差较小，为了计算方便，进行简化处理，即认为重心位置处于中心线上。

3.2 温度误差及补偿方法

由于井下环境温度为 0～45 ℃，变化幅度较大，因此载荷的算法需要考虑温度变化因素。应变传感器测量时，其电阻值只是随外力变化而改变，但温度对应变传感器电阻的变化影响较大。传感器会随温度变化而发生变化，导致测量的误差。产生温度误差原因有电阻热效应和被测物体与敏感栅热膨胀不协调。

3.2.1 电阻热效应

敏感元件本身阻值随外界温度的改变而改变，其阻值与温度之间的关系为

式中：Rt为温度t时的电阻值，Ω；R0为温度t0时的电阻值，Ω；α为电阻温度系数，℃-1；Δt为温度变化值，Δt=t-t0。

由温度改变而带来的电阻值变化量为

3.2.2 被测物体与敏感栅热膨胀不协调

被测物体与传感器紧密接触，因膨胀系数不同，会使传感器产生额外的变形和电阻变化。安装在轮边减速器上的称重传感器随着运行温度升高自身温升可能会达到 50 ℃，加上环境温度后，减速器表面温度会达到 90 ℃，这样传感器就会产生额外的阻值变化，其电阻变化量为

式中：K为应变片的灵敏系数；α1为被测件的线膨胀系数，℃-1；α2为应变丝的线膨胀系数，℃-1。

由外界温度的改变而引起总电阻的相对变化量为

换算成相应的应变值

对应变片温度补偿的本质就是消除测量应变干扰的虚假应变，采用自补偿法对传感器中电阻应变片的温度误差进行补偿，应变片的敏感栅是由两种电阻温度系数电阻材料一负一正串联而成，温度与膨胀的原因会引起电阻变化，符号相反，大小相等，可以自动抵消，因此能达到温度补偿的效果。

4 结语

笔者以现有运煤车的结构为基础，结合现有称重传感技术，制定了运煤车称重传感的总体方案设计，并给出了车载静态载荷算法，实现了运煤车载荷的实时监测，对限制车辆超载，保障车辆安全运行具有现实意义。