CN111089642A - 露天矿矿用自卸卡车的载重检测装置及方法 - Google Patents

露天矿矿用自卸卡车的载重检测装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种露天矿矿用自卸卡车的载重检测装置及方法，装置包括：油压传感器、销轴称重传感器、倾角传感器、超声波接近开关和工控机，油压传感器设置于提升液压缸的缸套上，倾角传感器设置于车厢底部平面上，销轴称重传感器设置于车厢尾部与后桥的铰接位置，超声波接近开关设置于车厢尾部边缘下方，采用销轴称重传感器与油压传感器相结合的方式对车厢载重直接进行检测，并采用水平分力补偿系数竖直分力补偿系数削弱销轴传感器受力检测的正交效应，获得矿用自卸卡车的载重，结构新颖，可靠实用，经济性良好。

Description

露天矿矿用自卸卡车的载重检测装置及方法
技术领域
本发明涉及露天矿汽车运输领域，具体涉及一种露天矿矿用自卸卡车的载重检测装置及方法。
背景技术
矿用自卸卡车是国内外大型露天矿区汽车运输的主要装备，担负着运输矿石、岩土的重要任务。矿用自卸卡车主要由车头、车架、车厢、车轮以及附带的动力、制动、减震缓冲装置等构成，具备自重大、载重大、体积大的特点，担负着运输矿石和岩土的重要任务。
载重是衡量矿用自卸卡车效能的核心参数，是企业制定合理采掘和排土任务的主要依据，也是考核驾驶员工作绩效的重要指标。目前，针对矿用自卸卡车的载重检测主要有以下几种方式：第一，采用载重计称重，对外加于自卸卡车的前轮及后轮的载荷进行检测，并基于车体的倾斜角度和重心位置进行校正，如日本专利JP昭61-34425和美国专利US5817989A，也有学者针对载重计称重的方式进行改进，融合第1载荷、第2载荷和车体倾斜角度计算载重，如专利授权号为ZL 200510004511.1、ZL 200510004512.6的载重检测装置，可以应用于铰接式自卸卡车；第二，采用地磅称重，称重传感器将卡车的重量值转换成电信号进行测量；第三，采用激光雷达扫描车厢，获得矿石的体积，根据预估的矿石密度，测定车厢的矿石重量，如专利申请号为CN 201910041379.3的车厢载重量检测方法；第四，基于振动加速度等参数间接反馈露天矿卡的载重状态，如专利授权号为ZL 201620486864.3的载重状态识别装置，可以依据矿卡沿垂直方向线加速度的变化频率及变化幅度，识别矿卡当前处于空载状态还是重载状态。
然而，现有研究尚存在以下问题：第一，采用称重计称重，需要对多对车轮的悬吊缸或减震弹簧添加压力传感器，成本高，同时依靠悬吊缸和减震弹簧的压力检测反映车轮承受的压力，忽视了车架构件与车轮之间的铰接等因素，且对载荷重心位置的变化敏感，称重误差较大；第二，由于露天矿区行车道路经常变换，对车辆进行称重的地点经常变换，而地磅的结构特点决定了其不能够经常变换布置，导致采用地磅称重的形式经济性和灵活性较差；第三，露天矿区地质结构的复杂性，决定了采掘过程中矿石的密度并不稳定，激光雷达扫描仅获得了矿石的体积，对载重的估算误差大；第四，采用振动加速度等参数间接反馈矿用卡车的载重状态，仅是定性分析矿卡的承载状态，而不是定量分析。因而，有必要研究一种矿用自卸卡车的载重检测装置，能够直接检测车厢中的载重，且需要原理可靠、结构简单、成本较低，以便快速准确地检测矿用自卸卡车的载重。
发明内容
技术问题：本发明的目的是克服已有技术中的不足之处，提供一种结构简单、操作方便、可靠性高的露天矿矿用自卸卡车的载重检测装置及方法。
为了实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：
一种露天矿矿用自卸卡车的载重检测装置，包括：
油压传感器，设置于提升液压缸的缸套上，用于检测提升液压缸对车厢的支撑力；
倾角传感器，设置于车厢底部平面上，用于检测车厢底部平面与水平线的夹角；
销轴称重传感器，替换车厢尾部与后桥铰接位置处的铰接销，用于检测车厢对后桥尾部铰接销轴施加的径向载荷；
超声波接近开关，设置于车厢尾部边缘下方，用于检测车厢尾部是否有矿石落下；
工控机，与所述的油压传感器、销轴称重传感器、倾角传感器和超声波接近开关信号连接。
一种基于所述露天矿矿用自卸卡车的载重检测方法，包括以下几个步骤：
)通过所述油压传感器检测提升液压缸的油压P液；
通过倾角传感器检测车厢底部平面与水平线的夹角α；
通过销轴称重传感器检测车厢对后桥铰接销轴处施加的水平载荷Fx和竖直载荷Fy；
通过超声波接近开关检测车厢尾部是否有矿石落下；
b)对销轴称重传感器进行标定，在车厢空载情况下，使用提升液压缸抬升车厢，并通过工控机同时采集过程中的油压P液标、夹角α标、水平载荷Fx标和竖直载荷Fy标，此时，通过公式(1)获得后桥对车厢铰接点水平支持力的理论计算值Fx理和后桥对车厢铰接点竖直支持力的理论计算值Fy理，
Figure BDA0002348931100000031
式(1)中，β为提升液压缸的伸缩杆铰接点与后桥铰接点的连线与水平线之间的夹角；
L1为提升液压缸的伸缩杆铰接点与后桥铰接点之间的距离；
L2为提升液压缸的缸套铰接点与后桥铰接点之间的距离；
θ标为提升液压缸的伸缩方向与铅垂线之间的夹角；
G空为车厢的空载重力；
S为提升液压缸活塞杆的受力面积；
考虑销轴称重传感器受力的正交效应，通过公式(2)得到Fx理、Fy理同时作用时竖直方向力引起的水平分力补偿系数Kxy和Fx理、Fy理同时作用时水平方向力引起的竖直分力补偿系数Kyx：
Figure BDA0002348931100000032
依据抬升空载车厢整个过程获得的水平分力补偿系数{Kxy}和垂直分力补偿系数{Kyx}，基于3σ原则剔除异常值，对剩余数据求取算术平均值，获得校正后的水平分力补偿系数Kxy校和竖直分力补偿系数Kyx校；
c)当对车厢负载称重时，利用提升液压缸抬升车厢过程，在提升液压缸开始抬升车厢，直至超声波接近开关检测到矿石开始从车厢尾部滑落的时间段内，基于三力汇交平衡原理，车厢主要承受自身重力、提升液压缸支撑力和后桥铰接点支撑力，依据工控机在此过程中检测到的油压P液测、夹角α测、水平载荷Fx测和竖直载荷Fy测，通过公式(3)和公式(4)得到车厢的理论载重，
Figure BDA0002348931100000041
G载重＝F液测×cosθ测+Fy-G空
(4)
，同时针对此时间段内获得的所有{G载重}，基于3σ原则剔除异常值，对剩余数据求取算术平均值，从而获得最终的车厢载重。
本发明的有益效果：
第一、本发明基于三力汇交平衡原理，针对提升液压缸抬升车厢直到矿石刚开始滑落的过程，考虑此时车厢主要承受自身重力、提升液压缸支撑力和后桥支撑力，采用销轴称重传感器与油压传感器相结合的方式对车厢载重直接进行检测，避免了采用载重计等间接检测方式带来的误差；采用销轴称重传感器直接对铰接销轴的径向载荷检测，避免了在车厢和后桥上贴装应变片换算载荷带来的理论计算误差；
第二、采用水平分力补偿系数竖直分力补偿系数，削弱了销轴传感器受力检测的正交效应，能够对销轴称重进行准确地标定；
第三、采用超声波接近开关可以及时判断矿石是否开始卸落，从而准确截取提升液压缸抬升车厢直到矿石刚开始滑落的区段，对该区段内检测到的载重数据剔除离散值、概率统计、求取算术平均值等操作，最终获得矿用自卸卡车的载重，结构新颖，可靠实用，在本技术领域内具有广泛的应用性。
附图说明
图1是本发明装置的结构示意图；
图2是本发明装置的销轴称重传感器标定原理示意图；
图3是本发明装置的矿石载重检测原理示意图；
图中：1—车头，2—工控机，3—车架，4—油压传感器，5—提升液压缸，6—倾角传感器，7—车厢，8—销轴称重传感器，9—后桥，10—车轮，11—超声波接近开关，12—矿石。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步的描述：
如图1～图3所示，本发明公开了一种露天矿矿用自卸卡车，包括：车体；设置于所述车体上的车厢，所述车厢底部后端与车体上的后桥9通过铰接销铰接，车厢底部前端通过提升液压缸与车体连接，其特征在于，还包括：
油压传感器4、销轴称重传感器8、倾角传感器6、超声波接近开关11和工控机2，其中，所述的油压传感器4设置于提升液压缸5的缸套上，用于检测提升液压缸5对车厢7的支撑力；
所述的倾角传感器6设置于车厢7底部平面上，用于检测车厢7底部平面与水平线的夹角；
所述的销轴称重传感器8替换铰接销，设置于车厢7尾部与后桥9的铰接位置，用于检测车厢7对后桥9尾部铰接销轴施加的径向载荷；
所述的超声波接近开关11设置于车厢7尾部边缘下方，用于检测车厢7尾部是否有矿石12落下；
所述的油压传感器4、销轴称重传感器8、倾角传感器6和超声波接近开关11连接到位于车头1的工控机2。
一种基于所述露天矿矿用自卸卡车的载重检测方法，包括以下几个步骤：
a)通过所述油压传感器4检测提升液压缸5的油压P液；
通过倾角传感器6检测车厢7底部平面与水平线的夹角α；
通过销轴称重传感器8检测车厢7对后桥9铰接销轴处施加的水平载荷Fx和竖直载荷Fy；
通过超声波接近开关11检测车厢7尾部是否有矿石12落下；
b)对销轴称重传感器8进行标定，在车厢7空载情况下，使用提升液压缸5抬升车厢7，并通过工控机2同时采集过程中的油压P液标、夹角α标、水平载荷Fx标和竖直载荷Fy标，此时，通过公式(1)获得后桥对车厢铰接点水平支持力的理论计算值Fx理和后桥对车厢铰接点竖直支持力的理论计算值Fy理，
Figure BDA0002348931100000061
式(1)中，β为提升液压缸5的伸缩杆铰接点与后桥9铰接点的连线与水平线之间的夹角；
L1为提升液压缸5的伸缩杆铰接点与后桥9铰接点之间的距离；
L2为提升液压缸5的缸套铰接点与后桥9铰接点之间的距离；
θ标为提升液压缸5的伸缩方向与铅垂线之间的夹角；
Fx理为后桥9对车厢7铰接点水平支持力的理论计算结果；
Fy理为后桥9对车厢7铰接点竖直支持力的理论计算结果；
G空为车厢7的空载重力；
S为提升液压缸5活塞杆的受力面积；
考虑销轴称重传感器8受力的正交效应，通过公式(2)获得Fx理、Fy理同时作用时竖直方向力引起的水平分力补偿系数Kxy和Fx理、Fy理同时作用时水平方向力引起的竖直分力补偿系数Kyx，
Figure BDA0002348931100000062
依据抬升空载车厢7整个过程获得的水平分力补偿系数{Kxy}和垂直分力补偿系数{Kyx}，基于3σ原则剔除异常值，对剩余数据求取算术平均值，获得校正后的水平分力补偿系数Kxy校和竖直分力补偿系数Kyx校；
c)当对车厢负载称重时，利用提升液压缸5抬升车厢7过程，在提升液压缸5开始抬升车厢7，直至超声波接近开关11检测到矿石12开始从车厢7尾部滑落的时间段内，基于三力汇交平衡原理，车厢7主要承受自身重力、提升液压缸7支撑力和后桥9铰接点支撑力，依据工控机2在此过程中检测到的油压P液测、夹角α测、水平载荷Fx测和竖直载荷Fy测，通过公式(3)和公式(4)初步获得车厢的载重，
Figure BDA0002348931100000071
G载重＝F液测×cosθ测+Fy-G空
(4)
，同时针对此时间段内获得的所有{G载重}，基于3σ原则剔除异常值，对剩余数据求取算术平均值，从而获得最终的车厢7载重。

Claims (2)

1.一种露天矿矿用自卸卡车的载重检测装置，其特征在于，包括：
油压传感器，设置于提升液压缸的缸套上，用于检测提升液压缸对车厢的支撑力；
倾角传感器，设置于车厢底部平面上，用于检测车厢底部平面与水平线的夹角；
销轴称重传感器，替换车厢尾部与后桥铰接位置处的铰接销，用于检测车厢对后桥尾部铰接销轴施加的径向载荷；
超声波接近开关，设置于车厢尾部边缘下方，用于检测车厢尾部是否有矿石落下；
工控机，与所述的油压传感器、销轴称重传感器、倾角传感器和超声波接近开关信号连接。
2.一种基于权利要求1所述露天矿矿用自卸卡车载重检测装置的检测方法，其特征在于，包括以下几个步骤：
a)通过所述油压传感器检测提升液压缸的油压P液；
通过倾角传感器检测车厢底部平面与水平线的夹角α；
通过销轴称重传感器检测车厢对后桥铰接销轴处施加的水平载荷Fx和竖直载荷Fy；
通过超声波接近开关检测车厢尾部是否有矿石落下；
b)对销轴称重传感器进行标定，在车厢空载情况下，使用提升液压缸抬升车厢，并通过工控机同时采集过程中的油压P液标、夹角α标、水平载荷Fx标和竖直载荷Fy标，此时，通过公式(1)获得后桥对车厢铰接点水平支持力的理论计算值Fx理和后桥对车厢铰接点竖直支持力的理论计算值Fy理，
Figure FDA0002348931090000011
式(1)中，β为提升液压缸的伸缩杆铰接点与后桥铰接点的连线与水平线之间的夹角；
L1为提升液压缸的伸缩杆铰接点与后桥铰接点之间的距离；
L2为提升液压缸的缸套铰接点与后桥铰接点之间的距离；
θ标为提升液压缸的伸缩方向与铅垂线之间的夹角；
G空为车厢的空载重力；
S为提升液压缸活塞杆的受力面积；
考虑销轴称重传感器受力的正交效应，通过公式(2)得到Fx理、Fy理同时作用时竖直方向力引起的水平分力补偿系数Kxy和Fx理、Fy理同时作用时水平方向力引起的竖直分力补偿系数Kyx：
Figure FDA0002348931090000021
依据抬升空载车厢整个过程获得的水平分力补偿系数{Kxy}和垂直分力补偿系数{Kyx}，基于3σ原则剔除异常值，对剩余数据求取算术平均值，获得校正后的水平分力补偿系数Kxy校和竖直分力补偿系数Kyx校；
c)当对车厢负载称重时，利用提升液压缸抬升车厢过程，在提升液压缸开始抬升车厢，直至超声波接近开关检测到矿石开始从车厢尾部滑落的时间段内，基于三力汇交平衡原理，车厢主要承受自身重力、提升液压缸支撑力和后桥铰接点支撑力，依据工控机在此过程中检测到的油压P液测、夹角α测、水平载荷Fx测和竖直载荷Fy测，通过公式(3)和公式(4)初步得到车厢的载重，
Figure FDA0002348931090000022
式(3)中有一处α标修改为α测
G载重＝F液测×cosθ测+Fy-G空 (4)
式(3)和式(4)中，θ测为提升液压缸的伸缩方向与铅垂线之间的夹角；，同时针对此时间段内获得的所有{G载重}，基于3σ原则剔除异常值，对剩余数据求取算术平均值，从而获得最终的车厢载重。
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