自上料混凝土攪拌車物料稱量系統(tǒng)研究

蔡 林，何繼盛，張淑君，馮 敏

（1.徐州徐工隨車起重機(jī)有限公司，江蘇 徐州 221004；2.徐州徐工施維英機(jī)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(yùn)輸和攪拌功能為一體的設(shè)備，它集自動裝料、計量、攪拌、出料功能與一身，并可實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸和現(xiàn)場施工作業(yè)。主要用于道路鋪設(shè)、水壩及城鎮(zhèn)化建設(shè)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(dá)的施工場地，具有明顯的應(yīng)用優(yōu)勢[1]。

圖1 自上料混凝土攪拌車

對物料進(jìn)行精確稱量并嚴(yán)格按照混凝土配方控制各種物料的配比，是保證生產(chǎn)混凝土質(zhì)量的關(guān)鍵。同時，減少物料稱量所耗費(fèi)的時間，提高作業(yè)效率也十分重要。因此，自上料攪拌車物料稱量系統(tǒng)應(yīng)具備較高的精度和較短的稱重耗時。

1 上料裝置動力學(xué)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(diǎn)，V為舉升臂-車架絞點(diǎn)，U為轉(zhuǎn)斗油缸-車架絞點(diǎn)，C為舉升油缸-舉升臂絞點(diǎn)，B為轉(zhuǎn)斗油缸-料斗絞點(diǎn)，A為舉升臂-料斗絞點(diǎn)，R為料斗幾何中心，WC為舉升油缸，UB為轉(zhuǎn)斗油缸，VCA為舉升臂。整個上料裝置由舉升油缸WC驅(qū)動，轉(zhuǎn)斗油缸在舉升過程中長度不變。則有

對于VUBA有，聯(lián)立其在x軸、y軸分量表達(dá)式，得：

忽略料斗沿A點(diǎn)的轉(zhuǎn)動慣性力影響，僅考慮舉升裝置沿V點(diǎn)轉(zhuǎn)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(diǎn)作為支點(diǎn)，根據(jù)力矩平衡關(guān)系有：

以V點(diǎn)作為支點(diǎn)，根據(jù)力矩平衡關(guān)系有：

其中，F(xiàn)0、L0分別為鏟斗自重等效的阻力和力臂。由式（7)可見，當(dāng)k1在所選取的測量區(qū)間θ1∈[θ10-τ，θ10-τ]，趨近于零時，則在該區(qū)間內(nèi)機(jī)構(gòu)角加速度較小，轉(zhuǎn)動慣量對測量的影響也較小。舉升臂通過測量區(qū)間的用時為Δt，且Δt∝1/v。轉(zhuǎn)動慣量可近似為鏟斗和物料重量乘以轉(zhuǎn)動半徑的平方，進(jìn)一步地在測量區(qū)間內(nèi)正比于舉升油缸力。聯(lián)立式（5)、（6)得：

同時，在選取測量區(qū)間時，期望在測量區(qū)間內(nèi)a近似為常數(shù)，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(jìn)行仿真計算，并與ADMAS 同條件下的動力學(xué)仿真結(jié)果進(jìn)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(nèi)裝入水泥0.29cm3，鏟斗和物料總重量1 049.7kg。分析結(jié)果如圖4 所示。

圖4 仿真分析結(jié)果對比

通過對比發(fā)現(xiàn)，式（8)可以近似表達(dá)舉升油缸力同鏟斗及物料重量和舉升速度間的關(guān)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(zhuǎn)斗油缸的重量導(dǎo)致。

鏟斗舉升初期液壓系統(tǒng)壓力波動大，不宜作為測量區(qū)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(qū)間。鏟斗角度和舉升臂角度的二階導(dǎo)數(shù)在區(qū)間θ1∈[70°，80°]趨近于零，且舉升速度對油缸力影響較小，是進(jìn)行動態(tài)稱量的理想?yún)^(qū)間。

2 物料稱量系統(tǒng)設(shè)計

如圖5 所示，稱量系統(tǒng)由主機(jī)、兩只油壓傳感器、兩只接近開關(guān)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(guān)布置于車體上，檢測塊安裝于舉升臂上；并根據(jù)所選取的測量區(qū)間配合布置。在舉升臂舉升過程中檢測塊觸發(fā)接近開關(guān)，接近開關(guān)觸發(fā)的時間差即為舉升臂通過稱量區(qū)間的用時Δt。

圖5 稱量系統(tǒng)組成

1 號接近開關(guān)開始觸發(fā)上升沿時開始采集油壓傳感器數(shù)據(jù)，2 號接近開關(guān)結(jié)束觸發(fā)的下降沿停止采集油壓傳感器數(shù)據(jù)。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(tài)干擾。舉升裝置在上料過程中，通過稱量區(qū)間即可完成本次上料鏟斗內(nèi)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(yè)的效率。

為保證稱量系統(tǒng)通用性，以適應(yīng)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的上料裝置，以及消除上料裝置參數(shù)變化對稱量精度的影響。稱量裝置在使用之前可進(jìn)行稱量精度標(biāo)定，系統(tǒng)自動計算并修正式（8)中的系數(shù)a、b、c。標(biāo)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(tǒng)的標(biāo)定和校準(zhǔn)。該動態(tài)稱量系統(tǒng)經(jīng)裝車測試，綜合測量誤差小于等于3%。

3 結(jié)論

通過對上料裝置的動力學(xué)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(guān)系，并應(yīng)用于自上料攪拌車物料稱量系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)動態(tài)稱量，提高了上料作業(yè)效率，測量精度可滿足施工要求。