旋鎖載荷稱重系統(tǒng)研究

朱人平

（上海振華重工（集團）股份有限公司，上海 201913）

為了實現(xiàn)安全、高效和可靠的運輸與工程操作，準確測量設備、車輛或系統(tǒng)所承受的載荷至關重要。因此，優(yōu)化旋鎖載荷稱重系統(tǒng)十分必要。旋鎖載荷稱重系統(tǒng)通過旋轉(zhuǎn)鎖技術和先進的傳感器技術的結(jié)合，為載荷測量提供了高度精確和可靠的解決方案。這一系統(tǒng)不僅能夠準確測量靜止狀態(tài)下的載荷，還能在運動狀態(tài)下實時監(jiān)測和記錄載荷變化。旋鎖載荷稱重系統(tǒng)的優(yōu)勢不僅表現(xiàn)在載荷測量的準確性上，還體現(xiàn)在其對環(huán)境變化的適應能力。耐高溫、耐腐蝕、抗震動等特性使得這一系統(tǒng)在極端工作條件下依然能夠穩(wěn)定、可靠地運行，為各類工業(yè)應用提供可靠的數(shù)據(jù)支持。

1 傳統(tǒng)的岸橋質(zhì)量檢測系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)組成

目前，常用的岸橋質(zhì)量檢測系統(tǒng)主要由鋼絲繩、PAT 銷軸式傳感器、控制箱等組成。質(zhì)量檢測系統(tǒng)的核心是PAT 銷軸式傳感器，它將鋼絲繩傳來的壓力等效轉(zhuǎn)換為電路中4 ～20 mA 的電流信號或0 ～2 500 mV 的電壓信號。PAT 銷軸式傳感器是一個中空的圓柱體，由防銹、防酸鋼制成，主要包括中間部分（即壓力承載區(qū)）、2 個外側(cè)部分、傳感器支撐區(qū)以及2 個測量槽。測量裝置為惠斯特電橋，安裝在銷軸式傳感器內(nèi)，以防外部不良影響的干擾，如機械損傷、灰塵、潮濕。

PAT 銷軸式傳感器中間部分力的輸入形式為剪切載荷。作用在傳感器左、右兩部分的支撐力使傳感器發(fā)生變化，將剪切應力引起的變形轉(zhuǎn)換成與載荷成正比的電信號。考慮測量形式，銷軸式傳感器有一個最佳測量方向，在最佳方向上輸出信號可達到最大值。此時，傳感器中間部分上的壓力方向與主要測量方向一致，測量方向由2 個箭頭在傳感器上表示出來。除了剪切應力，傳感器測量槽還會產(chǎn)生一種彎應力，不過彎應力和溫度的影響已在傳感器中進行了補償。另外，當銷軸式傳感器受到軸向應力時，顯示值會有所降低，但無法測定降低幅度。PAT 銷軸式傳感器工作原理如圖1 所示。

圖1 PAT 銷軸式傳感器的工作原理

1.2 質(zhì)量標定方法

傳統(tǒng)的質(zhì)量檢測系統(tǒng)在標定質(zhì)量前要先對吊具進行調(diào)平，要求吊具的所有鎖頭必須在同一水平面上，而不是對質(zhì)量檢測系統(tǒng)的每個角進行單獨標定調(diào)平[1]。在質(zhì)量標定時，通常采用額定質(zhì)量的標準箱。在實際應用中通常只用40 尺標準進行標定，僅對4 個邊角進行標定，缺少專門針對中鎖的質(zhì)量標定。以4 ～20 mA的電流信號輸出為例，在標定質(zhì)量時，由于4 個角近似水平，在4 個角輸出電流值偏差不大的情況下，默認4 個角的質(zhì)量完全相同，對標準箱取用的是平均值，得到的質(zhì)量即為該輸出電流所對應的實際質(zhì)量[2]。

2 旋鎖載荷稱重系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)組成

旋鎖載荷稱重系統(tǒng)由集成在吊具旋鎖內(nèi)的測力單元、吊具電氣柜內(nèi)的數(shù)據(jù)處理單元和系統(tǒng)內(nèi)的通信總線、司機室的報警顯示單元與系統(tǒng)對外通信總線以及數(shù)據(jù)存儲單元組成，如圖2 所示。

圖2 旋鎖載荷稱重系統(tǒng)

其中，集成在吊具旋鎖內(nèi)的測力單元負責測量吊具旋鎖的受力情況，通過內(nèi)置的傳感器和電子設備，將測出的受力情況轉(zhuǎn)化為電信號。吊具電氣柜內(nèi)的數(shù)據(jù)處理單元接收來自測力單元的電信號，通過內(nèi)置的處理器和算法，處理和分析數(shù)據(jù)。系統(tǒng)內(nèi)的通信總線負責在各個單元之間進行數(shù)據(jù)傳輸。司機室內(nèi)的報警顯示單元與系統(tǒng)對外通信總線負責將處理后的數(shù)據(jù)顯示給司機，同時是系統(tǒng)與外部進行通信的接口。數(shù)據(jù)存儲單元負責存儲系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。旋鎖載荷稱重系統(tǒng)的設計目的是實現(xiàn)吊具的載荷監(jiān)控、安全操作和遠程管理。通過這些組件的集成和協(xié)作，系統(tǒng)能夠提高吊具的工作效率，提升操作的安全性，并為遠程管理提供數(shù)據(jù)支持。

測力單元由轉(zhuǎn)銷裝置與測力傳感器組成，如圖3所示。吊具的4 個邊角以及中鎖的4 個角上，均設有轉(zhuǎn)銷裝置。每個轉(zhuǎn)校裝置上設有固定套，固定套上安裝有稱重傳感器，即測力傳感器。傳感器通過光信號向解調(diào)儀發(fā)送測得的質(zhì)量信息。

圖3 測力單元結(jié)構(gòu)

稱重傳感器通過定位銷固定在固定套上，安裝在固定套和座套之間，以防止磨損。稱重傳感器僅承受垂直方向的拉力，故而能夠保障稱重精度。在吊運集裝箱時，由于稱重傳感器設在旋鎖機構(gòu)所在的位置，能夠直接測出集裝箱各個角的質(zhì)量，提高了吊運的安全性和吊運效率[3]。

2.2 系統(tǒng)工作原理

旋鎖載荷稱重系統(tǒng)工作原理如圖4 所示。集成在岸橋吊具旋鎖內(nèi)部的測力單元，實時監(jiān)測每個吊點上的載荷，并將信息通過光介質(zhì)傳輸給吊具上的數(shù)據(jù)處理器。數(shù)據(jù)處理器在接收到多個吊點的載荷信息后，通過解調(diào)儀將光信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，并將各吊點載荷以及總起吊質(zhì)量等信息通過系統(tǒng)內(nèi)通信總線及時傳輸?shù)剿緳C室報警顯示單元，使司機可以直觀了解吊具的起吊情況，如圖5 所示。同時，載荷及質(zhì)量信息通過內(nèi)部通信總線記錄在數(shù)據(jù)存儲單元中。當系統(tǒng)監(jiān)測到非正常起吊時，安裝在司機室內(nèi)的報警顯示單元將發(fā)出聲光報警，提醒司機停止操作，報警信息通過系統(tǒng)內(nèi)通信總線傳輸。系統(tǒng)對外通信總線可以實現(xiàn)系統(tǒng)與外部的信息交換，如讀取存儲單元中的數(shù)據(jù)、進行系統(tǒng)監(jiān)測等[4]。

圖4 旋鎖載荷稱重系統(tǒng)工作原理

圖5 信息采集和數(shù)據(jù)處理過程

旋鎖稱重方式與傳統(tǒng)稱重方式的稱重原理相同，均默認輸出的電流值與被測質(zhì)量之間為簡單的一次線性函數(shù)。在標定時利用已知的標準質(zhì)量的載荷確定一個輸出電流值，從而得到質(zhì)量與輸出電流之間一次線性函數(shù)的斜率。實際使用時，按照實際輸出的電流值代入函數(shù)式得到質(zhì)量值。但是，旋鎖稱重方式與傳統(tǒng)稱重方式的標定方法不同，旋鎖稱重在標定額定質(zhì)量時不僅采用標定總質(zhì)量的方式，還對包括中鎖的旋鎖在內(nèi)的8 個角進行單角額定載荷的標定，而總質(zhì)量根據(jù)所有旋鎖的輸出加和確定。同時，在標定時會對整體質(zhì)量進行標定，但僅用來測試單角標定后測得的總質(zhì)量的準確率[5]。

3 兩種稱重系統(tǒng)的比較

3.1 傳統(tǒng)稱重系統(tǒng)面臨的問題

傳統(tǒng)的集裝箱起重機載荷監(jiān)測方法較為簡單，直接監(jiān)測鋼絲繩上的受力，同時由于標定時采用的標準默認4 個角受力在近似水平狀態(tài)下近似相等，標定時難免產(chǎn)生較大的誤差。此外，這種監(jiān)測方法受外部因素影響較大，且無法判斷鋼絲繩與滑輪組之間、鋼絲與鋼絲之間是否存在較大的摩擦。傳統(tǒng)的載荷監(jiān)測方法主要存在3 個問題。

第一，由于測量的是鋼絲繩上的受力，實際測得的質(zhì)量為鋼絲繩、吊具、上架與被測集裝箱的質(zhì)量之和。鋼絲繩、上架和吊具的質(zhì)量為標定時的質(zhì)量，在使用一段時間后，若進行更換則會導致較大的誤差，使測得的質(zhì)量偏離實際值。

第二，集裝箱、吊具機構(gòu)與測力單元之間使用鋼絲繩進行軟性連接，鋼絲繩存在彈性，因此傳統(tǒng)的載荷監(jiān)控方法受大風、起升機構(gòu)加速度等外部因素影響極大。

第三，對異常信息的檢測存在較為明顯的滯后性，半空中報警停車的異常現(xiàn)象時有發(fā)生，而且當集裝箱質(zhì)量接近額定載重量時，此現(xiàn)象尤為明顯。

3.2 載荷稱重系統(tǒng)的優(yōu)勢

基于旋鎖載荷稱重的監(jiān)測系統(tǒng)能夠有效解決傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)的上述缺陷。該監(jiān)測系統(tǒng)的優(yōu)點如下。

第一，測力單元集成在每個旋鎖結(jié)構(gòu)中，使得該監(jiān)測系統(tǒng)能夠基于每個角單獨的受力情況判斷吊具整體或部分的受力情況，可以及時檢測出是否脫鉤，而且此種檢測方法對鋼絲繩的纏繞方法不敏感。

第二，由于測力單元直接布置在前端，可以方便、快速地測量受力情況。測力單元與被測集裝箱之間通過旋鎖連接，在受力時兩者之間近似于硬連接。同時，采集時間較短，可以避免加、減速運動過程對數(shù)據(jù)采集精確度的干擾。

第三，在質(zhì)量標定時，對于每個角單獨標定，同時對中鎖的旋鎖進行相同標準的標定。故而，該監(jiān)測系統(tǒng)的集裝箱質(zhì)量檢測精度更高，測得的質(zhì)量更加接近實際質(zhì)量。

4 結(jié)語

隨著全球貿(mào)易的不斷增長和港口業(yè)務量的日益增加，對港口起重機的安全性和效率的要求越來越高。在此背景下，旋鎖載荷稱重系統(tǒng)作為一種新型起重機載荷監(jiān)測系統(tǒng)，具有廣闊的應用前景和發(fā)展空間。未來，旋鎖載荷稱重系統(tǒng)將朝著更加智能化、自動化和精準化的方向發(fā)展。通過引入先進的傳感器技術、數(shù)據(jù)處理算法和人工智能技術，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)更加精確的載荷測量和更加智能化的故障預警，有效提升起重機的安全性和可靠性。同時，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的不斷發(fā)展，旋鎖載荷稱重系統(tǒng)將與其他港口設備和系統(tǒng)進行無縫連接，實現(xiàn)信息的共享和協(xié)同工作，從而提高港口的整體作業(yè)效率和管理水平。此外，旋鎖載荷稱重系統(tǒng)將朝著更加節(jié)能環(huán)保的方向發(fā)展。通過采用新型的材料和設計，該系統(tǒng)能夠降低自身的能耗和環(huán)境污染，符合可持續(xù)發(fā)展的要求。