CN109682447B - 一种装载机铲斗中物料重量动态称量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种装载机铲斗中物料重量动态称量方法，在装载机变幅臂的运动幅度中取一个微小区间进行研究，通过先计算或测量出来变幅油缸受力F，然后分析恒定物料重量下的静态情况下，物料重量W和变幅油缸受力F_v的关系，继而再考虑不同物料重量下，求出未知量，然后引入铲斗举升时对变幅油缸造成的额外附加力，并通过软件拟合其中的参数，最终确定物料重量W和变幅油缸油液压力F的函数对应关系。本发明在装载机快速动态装载过程中实时精确计算装载物料的重量，误差为0.6％以内，该重量可以直接用于结算，大大提高装载机作业效率。

Description

一种装载机铲斗中物料重量动态称量方法

技术领域

本发明涉及一种称重计算方法，具体涉及一种装载机铲斗中物料重量动态称量方法。

背景技术

装载机是一种广泛用于公路、铁路、建筑、水电、港口、矿山等建设工程的土石方施工机械，它主要用于铲装土壤、砂石、石灰、煤炭等散状物料，也可对矿石、硬土等作轻度铲挖作业。换装不同的辅助工作装置还可进行铲装、搬运、卸载、平整散装物料、松土和推土、起重、装木料及钢管、轻度挖掘原生土、岩石装卸作业。

其中在对散料装载时，需要知道装载物料的重量，便于装载量结算和公路、铁路超载运输提前识别。传统方式是每斗物料装车之前进行过磅称重，由于地磅和作业区距离会因具体装载活动不同而不同，作业效率很低。

发明内容

本发明的目的是提供一种装载机铲斗中物料重量动态称量方法，能够动态的实时称量出物料重量。

为实现上述目的，本发明采用的一种装载机铲斗中物料重量动态称量方法，包括如下步骤：

S1：实时监测变幅油缸油液压力F；

S2：取装载机变幅臂的运动幅度中的其中一个微小区间；分析变幅臂在该区间内不同位置下，装载机铲斗中的物料重量W与变幅油缸受力F_v在该微小区间内的关系：建立变幅油缸受力F_v和装载机铲斗中的物料重量W线性关系：

W＝a×F_v+b；

恒定物料重量的静态情况下，变幅油缸油液压力F即可反映该变幅油缸受力F_v，即F_v＝F，因此，

W＝a×F+b；

其中，a、b为常数，变幅臂的位置不同，a、b的值不同；

S3：不同物料重量的静态情况下，计算装载机铲斗中的物料重量W与变幅油缸油液压力F之间的线性关系参数a和b：

在空载状态下，计算出b值；满载或近满载状态下，计算出a值；

S4：动态情况下，计算铲斗举升时，变幅油缸受力F_v：

其中，

为铲斗举升对变幅油缸产生的额外作用力，

为关于铲斗举升通过S2中微小区间内的时间T的函数；

S5：结合步骤S2和步骤S3，保持一定举升速度的动态情况下，装载机铲斗中的物料重量W与变幅油缸油液压力F之间的关系为：

其中，通过采集多点数据，软件拟合出

其中不同举升速度的动态情况下，

C＝d×F+e，

d、e为常数；

S6：根据步骤S5，求出不同举升速度的动态情况下，装载机铲斗中的物料重量W与变幅油缸油液压力F之间的关系为：

进一步地，步骤S1中，根据以下方式计算变幅油缸油液压力F：通过在变幅油缸的无杆腔安装油压传感器A测出无杆腔压强P₁，有杆腔安装油压传感器B测出有杆腔压强P₂；测量出无杆腔横截面积S₁，有杆腔除去杆体的横截面积为S₂；则变幅油缸油液压力F为：

F＝P₁×S₁-P₂×S₂。

进一步地，步骤S3中，将步骤S2中所述的微小区间的始点标记为SW1，终点标记为SW2，保持每次铲斗的举升姿态一致，计算a、b的值方式如下：

①、铲斗空载情况下，SW1和SW2点分别存在铲斗中的物料重量W₁与变幅油缸油液压力F的关系：

W₁＝a₁×F_k_sw1+b₁，

W₁＝a₂×F_k_sw2+b₂，

公式中，W₁为0，F_k_sw1及F_k_sw2根据步骤S1中计算或测量出来；

②、铲斗满载或近满载状态下，SW1和SW2点分别存在铲斗中的物料重量W₂与变幅油缸油液压力F的关系：

W₂＝a₁×F_m_sw1+b₁，

W₂＝a₂×F_m_sw2+b₂，

公式中，W₂提前测量出来，F_m_sw1及F_m_sw2根据步骤S1中计算或测量出来；

联系步骤①和步骤②，计算出a₁、b₁、a₂、b₂的值；

该微小区间中，将空载情况下的b₁作为零位，a₂作为放大系数，该微小区间中近似满足

W＝a×F+b

其中，a＝a₂，b＝b₁。

优选的，步骤S3中，满载或近满载状态下，保证物料重量W为满载情况下的80％以上。

通过在变幅油缸上安装油压传感器来测量变幅油缸的油压、在变幅臂上安装角度传感器及位置传感器来测量装载机变幅臂的运动幅度及位置，安装可编程控制器用来安装计算程序及处理数据，安装图形化显示器来实时显示物料重量。

本发明在装载机快速动态装载过程中实时精确计算装载物料的重量，误差为0.6％以内，该重量可以直接用于结算，大大提高装载机作业效率。

附图说明

图1是变幅油缸结构示意图；

图2为采用本发明的硬件连接关系图；

图中：1.无杆腔，2.有杆腔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

装载机装卸物料时，变幅臂的一端旋转固定在装载机上、另一端固定铲斗，通过变幅油缸来控制变幅臂的运动，进而实现物料的装卸。

本发明提出的一种装载机铲斗中物料重量动态称量方法，将变幅油缸油液压力F和铲斗中的物料重量W建立起函数对应关系，由于物料重量W的变化、变幅臂运动的位置、变幅臂的举升速度均影响函数变化。因此，本方法通过分步拆解各影响要素来进行分析，具体包括如下步骤：

S1：实时监测变幅油缸油液压力F；具体可以采用以下方式：油缸结构如图1所示，通过在变幅油缸的无杆腔安装油压传感器A测出无杆腔压强P₁，有杆腔安装油压传感器B测出有杆腔压强P₂；测量出无杆腔横截面积S₁，有杆腔除去杆体的横截面积为S₂；则变幅油缸油液压力F为：

F＝P₁×S₁-P₂×S₂；

S2：为了测量出铲斗中物料的重量W，可以取装载机变幅臂的运动幅度中的其中一个微小区间进行研究，在该微小区间内建立起物料的重量W与变幅油缸受力F_v在该微小区间内的关系即可；以下步骤中，均在该微小区间内进行研究；

分析变幅臂不同位置下，装载机铲斗中的物料重量W与变幅油缸受力F_v在该微小区间内的关系，建立变幅油缸受力F_v和装载机铲斗中的物料重量W线性关系，

W＝a×F_v+b

恒定物料重量的静态情况下，变幅油缸油液压力F即可反映该变幅油缸受力F_v，即F_v＝F，因此，

W＝a×F+b

其中，a、b为常数，变幅臂的位置不同，a、b的值不同；即在上述微小区间内，随着变幅臂的位置的变化，a、b的值也在变化；

S3：不同物料重量的静态情况下，计算装载机铲斗中的物料重量W与变幅油缸油液压力F之间的线性关系参数a和b：在空载状态下，计算出b值；满载或近满载状态下，计算出a值；

具体而言，将步骤S2中所述的微小区间的始点标记为SW1，终点标记为SW2，保持每次铲斗的举升姿态一致，计算a、b的值方式如下：

①、铲斗空载情况下，SW1和SW2点分别存在铲斗中的物料重量W₁与变幅油缸油液压力F的关系：

W₁＝a₁×F_k_sw1+b₁，

W₁＝a₂×F_k_sw2+b₂，

公式中，W₁为0，F_k_sw1及F_k_sw2根据步骤S1中计算或测量出来；

②、铲斗满载或近满载状态下，为了得到更准确的计算结果，最好保证物料重量W为满载情况下的80％以上，SW1和SW2点分别存在铲斗中的物料重量W₂与变幅油缸油液压力F的关系：

W₂＝a₁×F_m_sw1+b₁，

W₂＝a₂×F_m_sw2+b₂，

公式中，W₂提前测量出来，F_m_sw1及F_m_sw2根据步骤S1中计算或测量出来；

联系步骤①和步骤②，计算出a₁、b₁、a₂、b₂的值；

该微小区间中，将空载情况下的b₁作为零位，a₂作为放大系数，该微小区间中近似满足

W＝a×F+b

其中，a＝a₂，b＝b₁；即在以下步骤中，a和b的值均为已知常数；

S4：变幅臂旋转时，整个举升装置会对变幅油缸产生一定离心作用力；根据离心力公式F’＝m×r×ω²，上述举升装置的旋转半径不变，在研究的微小区间中，角速度ω与铲斗通过该微小区间内地时间T呈反比。因此，动态情况下，变幅油缸受力Fv应为变幅油缸通过油压测出的压力F以及离心力在变幅油缸上的分力之和：

动态情况下，计算铲斗举升时，变幅油缸受力F_v：

其中，

为铲斗举升产生的额外作用力在变幅油缸上的额外分力，

为关于铲斗举升通过S2中微小区间内的时间T的函数；

S5：结合步骤S2和S3，保持一定举升速度的动态情况下，装载机铲斗中的物料重量W与变幅油缸油缸受力F之间的关系为：

其中，通过采集多点数据，通过在MATLAB中拟合，发现

其中不同举升速度的动态情况下，对应的计算系数C值不同。通过分析，C值与举升过程中的铲斗姿态位置改变具有一定关系。在试验中，采用不同油门位置控制变幅臂进行举升，得到不同举升速度的动态情况下的C值，根据MATLAB拟合结果找出C与F之间关系如下：

C＝d×F+e，

d、e为常数；

S6：根据步骤S5求出不同举升速度的动态情况下，装载机铲斗中的物料重量W与变幅油缸油液压力F之间的关系为：

如图2所示，通过在变幅油缸上安装油压传感器来测量变幅油缸的油压、在变幅臂上安装角度传感器及位置传感器来测量装载机变幅臂的运动幅度及位置，安装可编程控制器用来安装上述计算程序及处理数据，安装图形化显示器来实时显示物料重量。

本发明根据最终公式，即可通过变幅油缸油液压力F推算出来装载机铲斗中的物料重量W，在装载机快速动态装载过程中实时精确计算装载物料的重量，误差为0.6％以内，该重量可以直接用于结算，大大提高装载机作业效率。

Claims (3)

1.一种装载机铲斗中物料重量动态称量方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：实时监测变幅油缸油液压力F；

S2：取装载机变幅臂的运动幅度中的其中一个微小区间；分析变幅臂在该区间内不同位置下，装载机铲斗中的物料重量W与变幅油缸受力F_v在该微小区间内的关系：建立变幅油缸受力F_v和装载机铲斗中的物料重量W线性关系：

W＝a×F_v+b；

恒定物料重量的静态情况下，F_v＝F，因此，

W＝a×F+b；

其中，a、b为常数，变幅臂的位置不同，a、b的值不同；

S3：不同物料重量的静态情况下，计算装载机铲斗中的物料重量W与变幅油缸油液压力F之间的线性关系参数a和b：

按照以下步骤，在空载状态下，计算出b值；满载或近满载状态下，计算出a值：

将微小区间的始点标记为SW1，终点标记为SW2，保持每次铲斗的举升姿态一致，计算a、b的值方式如下：

①、铲斗空载情况下，SW1和SW2点分别存在铲斗中的物料重量W₁与变幅油缸油液压力F的关系：

W₁＝a₁×F_k_sw1+b₁，

W₁＝a₂×F_k_sw2+b₂，

公式中，W₁为0，F_k_sw1及F_k_sw2根据步骤S1中计算或测量出来；

②、铲斗满载或近满载状态下，SW1和SW2点分别存在铲斗中的物料重量W₂与变幅油缸油液压力F的关系：

W₂＝a₁×F_m_sw1+b₁，

W₂＝a₂×F_m_sw2+b₂，

公式中，W₂提前测量出来，F_m_sw1及F_m_sw2根据步骤S1中计算或测量出来；

联系步骤①和步骤②，计算出a₁、b₁、a₂、b₂的值；

该微小区间中，将空载情况下的b₁作为零位，a₂作为放大系数，该微小区间中近似满足

W＝a×F+b

其中，a＝a₂，b＝b₁；

S4：动态情况下，计算铲斗举升时，变幅油缸受力F_v：

其中，

为铲斗举升对变幅油缸产生的额外作用力，

为关于铲斗举升通过S2中微小区间内的时间T的函数；

S5：结合步骤S2和步骤S3，保持一定举升速度的动态情况下，装载机铲斗中的物料重量W与变幅油缸油液压力F之间的关系为：

通过采集多点数据，软件拟合出

而不同举升速度的动态情况下，

C＝d×F+e，

d、e为常数；

S6：根据步骤S5，求出不同举升速度的动态情况下，装载机铲斗中的物料重量W与变幅油缸油液压力F之间的关系为：

2.根据权利要求1所述的一种装载机铲斗中物料重量动态称量方法，其特征在于，步骤S1中，根据以下方式计算变幅油缸油液压力F：通过在变幅油缸的无杆腔(1)安装油压传感器A测出无杆腔压强P₁，有杆腔(2)安装油压传感器B测出有杆腔压强P₂；测量出无杆腔横截面积S₁，有杆腔除去杆体的横截面积为S₂；则变幅油缸油液压力F为：

F＝P₁×S₁-P₂×S₂。

3.根据权利要求1至2任意一项所述的一种装载机铲斗中物料重量动态称量方法，其特征在于，步骤S3中，满载或近满载状态下，保证物料重量W为满载情况下的80％以上。

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