快速定量裝車站定量倉稱重偏載角差問題的研究

武 徽，張緒帥

1天地科技股份有限公司 北京 100013

2煤炭科學研究總院儲裝技術研究分院 北京 100013

快速定量裝車站通過其配備的定量倉對散體物料進行定量稱重后，將其卸入火車或者汽車車廂中。其多見于大型煤礦企業、散料集運站和港口，適用于糧食、煤炭和礦石等的定量稱重。裝車站的秤常被作為結算秤使用，其計量靜態準確度需要達到 Ⅲ、0.5 級。在具體使用過程中，由于其結構特點易出現角差問題，而角差的出現又會對稱量準確度產生很大影響。通過分析裝車站定量倉稱重原理和現場實際使用情況，對角差的產生原因和解決方法進行了研究。

1 定量倉稱重系統組成

快速定量裝車站的定量倉稱重系統[1]主要由定量倉、稱重傳感器組、接線盒、稱重儀表和砝碼校驗裝置等組成，如圖 1 所示。倉角設 3～4 個立柱，立柱下方設安裝板用來連接傳感器；定量倉體側壁設有吊耳，用于安裝砝碼提升液壓缸。鏈條與砝碼連接，在正常使用時液壓缸伸出，鏈條自然下垂；標定時液壓缸縮回，提起砝碼。

常規的裝車站定量倉可根據需求進行多樣化設計，主要參數為：計量秤額定效率為 1 000～5 400 t/h；計量靜態準確度為 Ⅲ、0.5 級；單秤額定稱量為 30～100 t；分度值為 10、20、50 kg。

圖1 定量倉稱重系統組成Fig.1 Constitution of weighing system of weighing bin

常規的定量倉形式有正四棱錐形、圓臺圓錐形、雙曲線形以及矩形等形式，如圖 2 所示。倉體形式的選擇主要與所裝物料的種類、自動化衡器的工藝以及現場實際工況等有關。

上述定量倉形式中，正四棱錐形料倉和矩形料倉因受倉體結構的限制，只能使用四支點稱重，而圓臺圓錐形料倉和雙曲線形料倉[2]則可以根據需要選擇三支點稱重或四支點稱重。

圖2 各種類型的定量倉Fig.2 Various weighing bins

2 三支點定量倉稱重原理

裝車站定量倉的稱重過程為靜態稱重。靜態稱重時需滿足 2 個條件：一個是合力為 0，另一個是合力矩為 0。

當圓臺圓錐形料倉或者雙曲線形料倉采用三支點稱重時，3 個傳感器分別放置在圓周A、B、C點上，相隔 120°均勻分布，呈等邊三角形，如圖 3 所示。

圖3 基于三支點的定量倉稱重傳感器分布Fig.3 Distribution of weighing sensors of weighing bin based on three points

當進行稱重時，質量為m、重量為G的物料可位于倉內任意點處，整個稱重系統滿足靜止條件，即合力矩為 0，則可以得到：

式中：FA、FB、FC分別為位于點A、B、C的傳感器的受力；HA、HB、HC分別為三角形頂點A、B、C到底邊的高；HmA、HmB、HmC分別為物料到三角形各邊的垂直距離。則推導出：

根據等邊三角形的性質可知，等邊三角形內任意點到三邊的距離之和等于這個三角形的高。對于等邊三角形來說，HA=HB=HC，

從式 (7)可以看出，理想情況下傳感器處于同一平面，在三支點定量倉稱重模式下，可以有效避免物料的位置變化對稱量結果造成的影響，無論物體置于這個平面的哪個位置，稱重結果都是一致的。

3 四支點定量倉稱重原理

當倉體采用四支點稱重時，4 個傳感器分布在正方形的 4 個頂點，如圖 4 所示。正方形的中心為倉體中心，以倉體中心為圓點建立坐標軸，在倉內任意位置放置質量為m、重量為G的物料，其位置坐標為(x0，y0)。當進行稱重時，稱重系統處于靜止狀態。

圖4 基于四支點的定量倉稱重傳感器分布Fig.4 Distribution of weighing sensors of weighing bin based on four points

根據力矩平衡原理，在x方向上有

在y方向上有

式中：FA、FB、FC分別為位于點A、B、C的傳感器的受力；d為各傳感器到坐標軸的垂直距離。

無論是將式 (8)、(9)相加，還是將式 (10)、(11)相加，均可得到

理想情況下，當傳感器完全處于同一平面時，4 個傳感器的受力之和即為最終的稱重值，和距離無關，也就是說，無論物料置于這個平面哪個位置，稱重結果都是一致的。

4 角差及偏載的調節

4.1 角差及偏載問題的出現

在定量倉上加載相同的重量，放在不同位置如果產生差值，只要其絕對值大于等于一個規定的分度值，就認為此稱重系統存在角差問題。

無論上述哪種稱重模式，若要使物料置于同一平面任何位置都不會出現角差問題，需滿足以下 2 個條件：一是稱重傳感器的安裝位置均勻分布，且使每個傳感器盡量受到相同的載荷；二是稱重傳感器的安裝位置盡可能保持高度一致，高度差一般不超過 3 mm。

第 1 個條件在設計階段即可實現，第 2 個條件則需要在安裝過程中實現，且有一定難度。由于定量倉體積比較大 (稱量值往往從 30 t 到 100 t 不等)，倉體形式各異，很多倉體需要現場拼裝，倉體的拼裝精度又會對支撐情況產生影響，尤其是圓臺圓錐形料倉和雙曲線形料倉拼裝難度更大。為了降低成本和便于安裝，現場常常采用地面組裝再配合吊裝的工藝，拼裝精度的控制要更困難一些[3]。

此外，受到傳感器的安裝條件、安裝測量手段不齊全等的限制，傳感器之間的相對高度不易掌握，容易造成高度差超出允許的范圍。

當各支點安裝后出現了高度差，理想的平衡狀態就會被打破?，F以最常見的四支點衡器進行研究和分析。四支點衡器屬于靜不定系統[4]，會出現 4 個支點不在一個平面但又同時受力的情況，更重要的是各支點的受力情況不一樣，4 個傳感器的力臂也隨之發生變化。當物料置于同一平面的不同位置時，受力之和的顯示結果就不再一致，這就是由于物料偏載而造成稱量結果不一樣的情況。偏載檢測是定量倉必須要完成的常規檢測項目之一。

在裝車站實際配料過程中，是由緩沖倉向定量倉進行配料的，如圖 5 所示。為了提高配料精度，配料過程通常是從粗配到精配。開始時，緩沖倉所有閘門開啟放料，到達一定閾值后粗配閘門關閉，精配閘門在受控情況下繼續放料。在物料流動性一般的情況下，精配閘門下放到稱重系統的物料的堆積量往往要大于粗配閘門下放的堆積量，物料在定量倉中必然不是均勻分布，物料重心在稱重系統中必然處于偏載的狀態。

圖5 裝車站配料過程Fig.5 Operating process of loading station

由于稱重系統出現了角差，加之物料偏載，必然對裝車過程中的稱重誤差產生重大的影響，稱重結算的準確度也會出現誤差。對于一個裝車站用的大型衡器來講，必須保證稱重結果與物料在倉內的重心無關，在不同位置的稱量結果之間的差值必須小于允許最大偏差。因此，在稱重系統安裝完畢后，必須對稱重系統的角差問題進行調整和修正。

4.2 角差及偏載問題的解決

關于角差及偏載問題的解決，現場經常采用的辦法是在空倉情況下測量傳感器的值。通過在稱重系統受力平面的不同象限加載相同質量的砝碼，并且調整傳感器底部墊片高度進而改變 4 個傳感器的受力，盡量使傳感器的受力一致。這種思路一方面可以理解為將傳感器受力平面盡量保持齊平，剔除力臂的影響；另一方面可以理解為稱重系統安裝好以后，結構已經固定，每個稱重點的力矩是確定的，但是力臂無法控制，因此通過改變每個點的受力，實現各點的受力之和與砝碼重量之間的差值在一個可接受的范圍內。但是這種方法存在一個問題，加墊片會改變倉體支撐的結構，需要在現場反復測試和調整，是一個憑借施工經驗逐步逼近理想結果的過程。

換一個思路，在力矩平衡的前提下，倉體結構不變，每個點的受力不變，在一個允許的范圍內，通過補償力臂最終實現測量值與真實值的近似一致。

由圖 4 可以看到，在理想情況下，每個傳感器到坐標軸的垂直距離皆為d。但是出現上述情況后，造成了傳感器組并不真正在一個平面上，這樣每個傳感器投影到這個平面后與坐標軸之間的距離并不一定是d。設每個傳感器與力矩平衡點之間的真正距離為L，這樣由式 (12)可以得到：

式中：LAx為在點A的傳感器在x方向上與力矩平衡點之間的真正距離，其他以此類推。

可以得到

具體實施則是為每個傳感器提供補償以實現測量值與真實值的近似一致。但是，定量倉最常用的模擬稱重傳感器組是并聯使用的，初始安裝前將 4 只傳感器的靈敏度偏差調在千分之一以內，輸出阻抗也一樣。當稱量結果之間的差值超過最大允許偏差時，改變每個傳感器的橋壓或輸出阻抗，繼而改變傳感器的靈敏度，以調節稱量結果。但是這 4 個傳感器是并聯的，彼此互為負載，當改變橋壓和輸出阻抗時，各傳感器的工作狀態都會發生變化[5]，因此模擬傳感器的調節并不容易?，F在越來越多的裝車站開始采用數字稱重傳感器組。數字稱重傳感器組的優勢在于每個傳感器都是獨立工作的，每個傳感器單獨發送其測量的數據，然后根據每個傳感器的測量數據建立方程組，得到每個傳感器所對應的補償系數，最終得到修正值。

由式 (14)可以看到，有 4 個未知數需要求解，分別是KA、KB、KC和KD，因此必須建立 4 個四元一次方程求解。在裝車站具體使用中，分度值選用 50 kg，采用 10 t 砝碼矯正儀表，砝碼置于定量倉的 4 個角，每個 2.5 t，即m=2 500 kg。分別提起 4 個角的砝碼進行測試，得到表 1 中的數據。4 次測量中有 3次測量的FA、FB、FC、FD之和與G有較大差值，說明該稱重系統存在角差問題，需要計算補償系數KA、KB、KC和KD。

表1 修正前各傳感器測量值及其和Tab.1 Test data of various sensors and their sum before correction kg

建立方程組

計算后得到KA=0.957 2，KB=0.977 1，KC=0.910 7，KD=1.168 8。

再次在定量倉的 4 個角吊起砝碼進行稱量，得到表 2 中的數據。

表2 修正后各傳感器測量值及其和Tab.2 Test data of various sensors and their sum after correction kg

由表 2 可以看出，經過修正后，在定量倉的 4 個角再次提起砝碼，得到的稱量值與 2 500 kg 相差無幾。此時，物料無論置于倉體內任何位置，都能得到在最大允許偏差內的稱量值，不會因為偏載出現稱量值超出最大允許偏差的現象。

5 結語

對裝車站定量倉稱重的原理和倉體結構形式進行了分析，并結合裝車站定量倉實際配料過程對角差產生的原因和機理進行了探討，提出了通過補償傳感器測量值的方法以，解決了因角差引起的偏載問題。該方法可操作性強，精度高，具有較強的指導意義和推廣價值。