本文分析了  PKV-100型裝載機(jī)電子秤設(shè)計(jì)上存在的問題，結(jié)合鐵路貨運(yùn)計(jì)量管理的要求提出改進(jìn)方案，經(jīng)改進(jìn)形成了新一代智能化 PKV-300M型產(chǎn)品，使裝車操作更加方便、快捷，更好地滿足了鐵路貨運(yùn)裝車計(jì)量要求。

1.引言

近年來，隨著裝載機(jī)電子秤在我國鐵路貨運(yùn)裝卸系統(tǒng)的大量應(yīng)用，對裝車數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性要求越來越顯著，操作者則更加追求操作簡便、效率更高、功能豐富實(shí)用、適應(yīng)環(huán)境能力更強(qiáng)的產(chǎn)品，設(shè)計(jì)原理及其結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足量值準(zhǔn)確的要求，實(shí)現(xiàn)的計(jì)量方式要與鐵路實(shí)際相適應(yīng)。PKV-100型裝載機(jī)電子秤自2003年在中國鐵路行業(yè)應(yīng)用以來，在準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性方面基本滿足鐵路貨運(yùn)計(jì)量技術(shù)要求，2007年10月關(guān)于裝載機(jī)電子秤的部門計(jì)量檢定規(guī)程《鐵路用輪式裝載機(jī)裝載量檢測儀》開始實(shí)施，鐵路計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)開始對裝載機(jī)電子秤進(jìn)行檢定，檢定合格的裝載機(jī)電子秤單次和累計(jì)測量準(zhǔn)確度等級分別能夠達(dá)到2級、1級，但產(chǎn)品在應(yīng)用中存在操作方式不完全適應(yīng)現(xiàn)場使用條件等缺陷。

芬蘭 TAMTRON公司針對鐵路部門近年來提出的改進(jìn)方案，對產(chǎn)品做了有效的改進(jìn)，形成了新一代智能化PKV-300M型產(chǎn)品，并于2014年在西安鐵路局獲得應(yīng)用。該項(xiàng)產(chǎn)品的技術(shù)在歐洲和中國申請了發(fā)明專利，2015年在太原鐵路局投入使用。改進(jìn)后的裝載機(jī)電子秤更加適應(yīng)了鐵路現(xiàn)場作業(yè)要求，保證了鐵路運(yùn)輸安全生產(chǎn)。

2.工作原理

2.1系統(tǒng)原理

裝載機(jī)電子秤的工作原理是通過測量液壓活塞兩端的壓力差，運(yùn)用數(shù)學(xué)模型軟件將壓力差轉(zhuǎn)換為重量信號，在鏟裝物料和連續(xù)提升的過程中進(jìn)行稱重。它是對預(yù)定的散裝物料自動稱量的自動衡器。通過動態(tài)稱量的方式，在稱量過程中能自行指示單次重量、累計(jì)總重量，裝載機(jī)電子秤在裝載機(jī)行進(jìn)中完成稱量的特有功能，適應(yīng)在不能使用固定

電子衡器的貨場、建筑工地等場合。裝載機(jī)電子秤可以用于輪式、履帶式裝載機(jī)，它主要由承載器、液壓傳輸裝置、位置傳感器和動態(tài)稱重顯示器等組成，一般具有打印裝置等。

2.2舉升過程分析

圖1為裝載機(jī)動臂舉升示意圖，結(jié)合圖2所示，受動臂提升角度和裝載機(jī)本身所在位置傾角變化的影響，所稱物料重心與裝載機(jī)舉升油缸的壓力值（油缸液壓壓力）都會產(chǎn)生變化。在動臂舉升過程中由于動臂舉升角度的變化，鏟斗內(nèi)物料的重心位置會發(fā)生前后傾角的變化，鏟斗內(nèi)的物料質(zhì)量W（kg）不變，但受分力的影響，油缸出力F值（N）

卻會發(fā)生變化。裝載機(jī)在有前傾、后傾角度約0°～13°（裝載機(jī)安全作業(yè)角度）左右范圍內(nèi)進(jìn)行舉臂稱重時(shí)，貨物的重心受分力影響會產(chǎn)生位移。

依據(jù)杠桿原理，重心前移會造成油缸出力 F（N）值增大，反之則 F(N)值會減小。

因此，在整個(gè)系統(tǒng)中還需要安裝“角度傳感器”來對裝載機(jī)車輛本身和動臂的各種角度以及位置進(jìn)行補(bǔ)償，同時(shí)也需要在鏟斗處安裝位置傳感器來對貨物重心的位置進(jìn)行限定或跟蹤。

PKV-100型裝載機(jī)電子秤設(shè)計(jì)中，不但需要安裝用于角度補(bǔ)償?shù)慕嵌葌鞲衅鳎€需要固定采集測試數(shù)據(jù)的稱重區(qū)間，將在稱重區(qū)收集到的信號加以運(yùn)算和補(bǔ)償，確保采集數(shù)據(jù)的穩(wěn)定和可靠，此類設(shè)計(jì)雖然可以使測量設(shè)備在稱重中的數(shù)據(jù)達(dá)到精度要求，但由于固定稱重區(qū)限定了舉升角度范圍和工作方式，不便于現(xiàn)場操作。

3.系統(tǒng)組成

裝載機(jī)電子秤一般由三大部分組成（以 PKV-100型為例）：（1）兩只壓力傳感器：

用來測定裝載機(jī)液壓系統(tǒng)的壓力變化；（2）兩只位置傳感器：當(dāng)動臂舉升地面后在達(dá)到采樣角度和采樣空間時(shí)，對液壓數(shù)據(jù)進(jìn)行采集；（3）車載稱重顯示器：對稱重?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，并在稱重顯示器的顯示屏幕上顯示出稱重結(jié)果。

4.鐵路貨運(yùn)計(jì)量要求及主要技術(shù)參數(shù)

4.1鐵路貨運(yùn)計(jì)量要求

（1）根據(jù)鐵路貨車超偏載檢測裝置運(yùn)用管理辦法相關(guān)規(guī)定，鐵路貨車裝的散裝貨物不得大于貨車容許載重量5t。鐵路超偏載檢測裝置檢測的貨車超載分為嚴(yán)重、一般分兩級，作為行車事故分析的依據(jù)。大于貨車容許載重量5t、不超過10t為一般超載，大于貨車容許載重量10t為嚴(yán)重超載。用于對鐵路貨車裝車計(jì)量的裝載機(jī)電子秤應(yīng)滿足以

上規(guī)定。

（2）裝載機(jī)電子秤應(yīng)盡量消除司機(jī)使用中因操作停頓、變換檔位引起提升速度的變化和車輛行進(jìn)時(shí)的顛簸對稱重結(jié)果的影響。

（3）通過儀表自動完成稱重和累計(jì)工作。在非連續(xù)裝車的情況下，儀表可提供多個(gè)車廂的同時(shí)裝載供操作人員任意切換目標(biāo)車輛，司機(jī)在稱重過程中無論是動臂或是車輛都無需停頓，保證連貫的提升和傾倒。

（4）儀表的累計(jì)計(jì)量方式為，提升到測量穩(wěn)定高度以上翻斗累計(jì)。測量穩(wěn)定高度可由調(diào)試人員根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)際情況來設(shè)定，在未達(dá)到測量穩(wěn)定高度時(shí)打開或關(guān)閉翻斗儀表不會累計(jì)數(shù)據(jù)，但可以顯示出翻斗內(nèi)的現(xiàn)有重量。

4.2主要技術(shù)參數(shù)

（1）稱重顯示器分辨率（Imageresolution）：320x240；（2）顯示分度值：10kg、20kg、50kg；（3）準(zhǔn)確度等級：達(dá)到 JJG(鐵道)195-2007檢定規(guī)程規(guī)定的準(zhǔn)確度等級，單次測量準(zhǔn)確度等級達(dá)到1、2、5級，累計(jì)測量準(zhǔn)確度等級達(dá)到0.5、1、2級；或達(dá)到OIMLY(b)級；（3）工作電壓：（9～30）VDC；（4）工作溫度范圍：（-30～+50）℃；（5）

傳感器測量范圍：0～35Mpa（6）根據(jù)裝載機(jī)車型、參數(shù)不同，裝載機(jī)電子秤單次最大秤量范圍為：（5～10）t。

5存在的問題及改進(jìn)方案

5.1  PKV-100型裝載機(jī)電子秤存在的問題

（1）電子秤的稱重區(qū)所在位置通常固定在圖3中的a～b之間，一般稱重區(qū)間α角度范圍在α =5～10內(nèi)。裝載機(jī)稱重時(shí)受稱重區(qū)域范圍的限制，在高站臺或裝車高度較低的情況下，司機(jī)的稱重操作就會很不方便，操作中容易出現(xiàn)錯誤或者因?yàn)閯颖厶崤e的太高倒料造成貨物的遺撒。

具體操作：高站臺裝載時(shí)司機(jī)需要將動臂舉過稱重區(qū)稱出翻斗內(nèi)物料的重量，然后為避免傾倒時(shí)的遺撒將動臂降低后再傾倒，如此的操作不但麻煩、耽誤時(shí)間而且在操作中還容易引發(fā)錯誤數(shù)據(jù)的產(chǎn)生。

（2）受固定稱重區(qū)范圍的影響，在動臂經(jīng)過稱重區(qū)時(shí)應(yīng)盡量保證油門平穩(wěn)，特別是在顛簸路面上行進(jìn)中稱重時(shí)，如剛好在動臂經(jīng)過稱重區(qū)電子秤采集數(shù)據(jù)時(shí)，裝載機(jī)有過度的顛簸、傾斜或司機(jī)因變換檔位而造成油門間歇，電子秤很有可能判為無效操作從而要求重新提舉稱重。為避免數(shù)據(jù)采集時(shí)的干擾，在使用中應(yīng)盡量避免行進(jìn)中稱重。

（3）受裝載機(jī)工作時(shí)液壓系統(tǒng)變化和司機(jī)作業(yè)時(shí)操作習(xí)慣的影響，稱重區(qū) α不能夠定得太低。

（4）最后一斗目標(biāo)重量稱重時(shí)，為獲得目標(biāo)重量需在料堆處重復(fù)提舉。方法為：在料堆處將動臂舉起以稱出翻斗內(nèi)的物料重量，而后將動臂降至稱重區(qū)以下根據(jù)司機(jī)的經(jīng)驗(yàn)預(yù)估倒出，再次提舉確認(rèn)翻斗內(nèi)的重量為可接受的重量值，然后再往火車車廂內(nèi)傾倒物料完成裝載。

（5）電子秤在發(fā)生錯誤稱重或報(bào)警的情況下司機(jī)必需在打開翻斗倒料前，降下動臂重新提舉以消除之前的錯誤警報(bào)或錯誤數(shù)據(jù)，否則將會影響到累計(jì)重量的準(zhǔn)確性。

（6）針對不同的用戶和管理者而言，儀表的打印、輸入和報(bào)警等功能還有欠缺。

5.2改進(jìn)方案及效果

5.2.1改進(jìn)方案

針對以往產(chǎn)品的不足，改進(jìn)后設(shè)計(jì)的 PKV-300M型裝載機(jī)電子秤在部件設(shè)計(jì)和操作方式上的變化見表1、表2：

（1）部件上的改進(jìn)

（2）操作方式的改進(jìn)

5.2.2改進(jìn)效果

⑴如圖 3所示，由于數(shù)據(jù)采集的區(qū)域范圍廣（接近動臂的全部舉升空間），在舉臂的過程中電子秤一直在針對數(shù)據(jù)采樣、計(jì)算和補(bǔ)償，同時(shí)濾掉錯誤的數(shù)據(jù)和信息。遇有車輛顛簸、速度變換或加減動臂提升速度時(shí)，程序?qū)⒏鶕?jù)情況自動進(jìn)行調(diào)節(jié)，減少了錯誤數(shù)據(jù)的產(chǎn)生和報(bào)警。

⑵由于多只角度傳感器的應(yīng)用，便于車輛在坡路行駛中稱重時(shí)進(jìn)行角度補(bǔ)償。前后傾角的最大補(bǔ)償值可達(dá)到 12.5，左右傾斜補(bǔ)償值達(dá)到 5，接近裝載機(jī)作業(yè)時(shí)的安全范圍。

⑶程序上的修改，使得裝載機(jī)在最后一斗目標(biāo)重量獲取時(shí)不必再像以往一樣重復(fù)提舉。裝載最后一斗目標(biāo)重量時(shí)，在鏟料后司機(jī)只需將翻斗提升少許就可以讀出此時(shí)斗內(nèi)的重量，既可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)倒出多余的物料，也可以通過儀表上顯示的數(shù)字觀察傾倒物料的情況（在傾倒物料的同時(shí)儀表上會有剩余重量的顯示），然后將裝載機(jī)開到車廂前提

舉即可，省卻重復(fù)提舉的麻煩，提高了工作效率。

⑷可根據(jù)站臺的高度或現(xiàn)場的實(shí)際情況，在調(diào)試時(shí)設(shè)定測量穩(wěn)定高度值，從而避免稱重區(qū)過高影響裝車。

⑸針對未傾倒干凈或粘黏在翻斗內(nèi)的物料，在動臂降下時(shí)程序?qū)⒆詣訌睦塾?jì)重量中將其扣除，累計(jì)重量不會因?yàn)槲锪险扯范a(chǎn)生誤差。

⑹稱重顯示器程序中的“信息項(xiàng)”中大多已由廠家在出廠時(shí)預(yù)先設(shè)定好，司機(jī)在使用中可以通過快捷鍵的方式調(diào)閱和使用。

⑺通過車載單片機(jī)的使用，電子秤將以前的模擬信號傳輸改為數(shù)字信號傳輸，防止了模擬信號在傳輸過程中受外界電磁的干擾；稱重顯示器設(shè)置有密碼權(quán)限，為不同級別的用戶設(shè)定不同使用權(quán)限。以上措施提高了防作弊效果。

⑻儀表增加了外接拓展空間和輔助功能，可通過USB接口外接蜂鳴器、U盤、視頻監(jiān)控系統(tǒng)，或?qū)x表升級為無線傳輸?shù)脑O(shè)備。輔助管理的“燃料報(bào)告”功能更可以幫助車隊(duì)管理者獲取更多車輛運(yùn)行狀況的信息。

⑼改進(jìn)后的裝載機(jī)電子秤經(jīng)現(xiàn)場檢定，單次測量準(zhǔn)確度等級符合1級，累計(jì)測量準(zhǔn)確度等級符合 0.5級。考核用 PKV-300M裝載機(jī)電子秤計(jì)量所裝散裝物料的鐵路貨車，從鐵路超偏載檢測裝置檢測的數(shù)據(jù)來看，均在貨車容許載重量范圍，更好地滿足了鐵路貨運(yùn)計(jì)量要求。