一種新型卸船機(jī)在線稱重料斗裝置

宣旭東 王 磊

1 南京西壩碼頭有限公司 2 武漢開銳海洋起重技術(shù)有限公司

1 引言

南京港西壩港區(qū)大型散貨碼頭項(xiàng)目年接卸能力3 000萬t，吞吐量5 000萬t，作為南京市重點(diǎn)規(guī)劃建設(shè)的海江聯(lián)運(yùn)樞紐港，是長江中下游最大的專業(yè)散貨碼頭之一。西壩碼頭的直取過駁業(yè)務(wù)占公司總業(yè)務(wù)量近40%，作業(yè)工藝是使用卸船機(jī)直接將大噸位散貨船上運(yùn)輸?shù)拿禾康壬⒇浗有逗筠D(zhuǎn)運(yùn)到小噸位的駁船上。直取過駁作業(yè)流程線上很難布置電子皮帶秤，如何對卸船機(jī)直取過駁的物料進(jìn)行精確計(jì)量，是西壩碼頭作業(yè)過程中面臨的主要難題。

目前港口煤炭貿(mào)易以第三方商檢機(jī)構(gòu)出具的水尺報(bào)告作為商務(wù)結(jié)算依據(jù)，實(shí)行發(fā)貨計(jì)量結(jié)算，這種計(jì)量模式存在以下不足：一是水尺計(jì)量與人為讀取相關(guān)，讀取水尺刻度容易受到觀察角度、視線和波浪等影響，造成發(fā)貨量存在誤差；二是物料在卸船、堆存、轉(zhuǎn)運(yùn)、裝船等環(huán)節(jié)都存在一定的貨損。上述2個(gè)因素造成用戶實(shí)際到貨量比發(fā)貨運(yùn)單上的數(shù)量少，由此導(dǎo)致貨主與碼頭之間發(fā)生商業(yè)糾紛[1]，而實(shí)現(xiàn)到貨計(jì)量可解決以上問題。

2 現(xiàn)有稱重計(jì)量工藝

散貨碼頭現(xiàn)有的稱重計(jì)量工藝主要有4種：電子皮帶秤、靜態(tài)稱量料斗、地磅和船舶水尺，其主要特點(diǎn)如下。

(1)電子皮帶秤屬于連續(xù)動(dòng)態(tài)計(jì)量，理論計(jì)量精度可以達(dá)到0.5%，但在碼頭的實(shí)際工作中，由于受到使用環(huán)境因素的影響，電子皮帶秤校驗(yàn)后的零點(diǎn)漂移大，計(jì)量穩(wěn)定性差，達(dá)不到理論計(jì)量精度。此外電子皮帶秤實(shí)物校驗(yàn)操作流程繁瑣，計(jì)量檢定時(shí)所需物料需達(dá)到額定計(jì)量物料的20%，在港口難以實(shí)現(xiàn)。掛碼等其他校驗(yàn)方式，不符合計(jì)量規(guī)則，因此不能作為商務(wù)結(jié)算依據(jù)[2]。

(2)靜態(tài)稱量料斗主要構(gòu)成為接料斗、計(jì)量斗和卸料斗，此方式雖然精度滿足要求，能夠作為商務(wù)結(jié)算依據(jù)，但是存在以下弊端：一是為了不產(chǎn)生振動(dòng)，靜態(tài)計(jì)量時(shí)卸船機(jī)的抓斗必須停止作業(yè)，大大降低卸船效率；二是增加了接料斗、計(jì)量斗兩層料斗高度，進(jìn)而增加抓斗提升高度，延長取料周期，降低生產(chǎn)效率；三是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)備故障點(diǎn)多，維修工作量大[3]。

(3)地磅屬于一種位置固定的靜態(tài)計(jì)量，主要布置在碼頭的后方堆場，用于汽車運(yùn)輸方式的精確計(jì)量，是碼頭后方堆場的主要商務(wù)結(jié)算依據(jù)。其特點(diǎn)是：抗腐蝕能力強(qiáng)，特別適用于化學(xué)品侵蝕及海邊潮濕地帶的場所；使用壽命長，一般壽命都有20年以上；計(jì)量精度高、定位準(zhǔn)(擺動(dòng)小)、不變形、準(zhǔn)確度穩(wěn)定性好。但是不適合使用在碼頭前沿的裝卸設(shè)備上[4]。

(4)船舶水尺的計(jì)量準(zhǔn)確性是由各項(xiàng)測量值所決定，在實(shí)際測量中會受風(fēng)浪、船舶周邊水密度以及船舶自身變化等多種因素影響，同時(shí)測量人員的專業(yè)素質(zhì)有關(guān)，其計(jì)量精度最高在0.5%左右，目前是散貨碼頭使用的主要商務(wù)結(jié)算依據(jù)[5]。

通過對散貨碼頭現(xiàn)有的計(jì)量設(shè)備和工藝進(jìn)行分析，現(xiàn)有的計(jì)量方式在西壩碼頭的卸船機(jī)上使用均存在一定的難度，希望通過改進(jìn)卸船機(jī)自身機(jī)構(gòu)或裝置來實(shí)現(xiàn)貨物稱重計(jì)量，滿足計(jì)量精度達(dá)到0.25%～0.5%且不影響卸船機(jī)額定生產(chǎn)率的要求。

3 在線稱重斗計(jì)量工藝

3.1 在線稱重料斗組成

為解決西壩卸船機(jī)對直取過駁的物料進(jìn)行精確計(jì)量的難題，設(shè)計(jì)了一種新型卸船機(jī)在線稱重料斗裝置(見圖1)。該裝置由稱重計(jì)量系統(tǒng)、稱重斗系統(tǒng)、支撐系統(tǒng)、砝碼校驗(yàn)系統(tǒng)、接料系統(tǒng)、控制與管理系統(tǒng)等組成。

1.稱重斗系統(tǒng) 2.支撐系統(tǒng) 3.砝碼校驗(yàn)系統(tǒng) 4.接料系統(tǒng)圖1 在線稱重斗裝置布置圖

稱重計(jì)量系統(tǒng)由稱重傳感器、帶標(biāo)準(zhǔn)碼的修正傳感器、校驗(yàn)掛碼機(jī)構(gòu)及相關(guān)控制儀表等組成。工作過程中低頻隨機(jī)振動(dòng)一直存在，并伴隨無規(guī)律的高、低頻振動(dòng)以及風(fēng)振，在線稱重計(jì)量系統(tǒng)用于檢測系統(tǒng)工作過程中自身或外部振動(dòng)引起的振動(dòng)，通過動(dòng)態(tài)補(bǔ)償法修正稱重誤差，保證計(jì)量準(zhǔn)確性。

稱重斗系統(tǒng)由稱重斗、放料閘門、安全限位裝置等組成，為滿足卸船機(jī)額定的生產(chǎn)率，依靠雙層料斗的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)，稱重斗下方布置4個(gè)可快速開閉的放料閘門，采用液壓驅(qū)動(dòng)開式齒形顎式斗門來實(shí)現(xiàn)機(jī)械同步動(dòng)作。

支撐系統(tǒng)由雙段液壓阻尼減震器、除大塊格柵、支撐鋼結(jié)構(gòu)等組成，除大塊格柵置于支撐鋼結(jié)構(gòu)上，可避免抓斗落料的瞬間沖擊對計(jì)量系統(tǒng)的影響。

砝碼校驗(yàn)系統(tǒng)由一套標(biāo)準(zhǔn)砝碼校驗(yàn)裝置組成，該裝置可對稱重斗進(jìn)行校驗(yàn)以保證計(jì)量精度，符合計(jì)量檢定規(guī)則。

接料系統(tǒng)由1個(gè)帶自動(dòng)放料功能的料斗組成，該系統(tǒng)設(shè)置在稱重斗下方，稱重斗稱重完畢后，可將物料均勻地供到碼頭廊道皮帶機(jī)上。

控制和管理系統(tǒng)是稱重系統(tǒng)的核心，由2部分構(gòu)成：一是由工控機(jī)、PLC以及其他低壓電氣設(shè)備組成的控制系統(tǒng)；二是由工控機(jī)與稱重儀表組成的數(shù)據(jù)通信與管理系統(tǒng)。數(shù)據(jù)通信與管理系統(tǒng)是一個(gè)軟件系統(tǒng),可保證稱重系統(tǒng)數(shù)據(jù)、卸船機(jī)數(shù)據(jù)與碼頭數(shù)據(jù)之間準(zhǔn)確可靠通信，同時(shí)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)記錄、保存和查詢功能。

3.2 稱重斗系統(tǒng)工作原理

在線稱重斗裝置用于檢測系統(tǒng)工作過程中自身或外部振動(dòng)引起的振動(dòng)，通過動(dòng)態(tài)補(bǔ)償法修正稱重誤差，保證計(jì)量準(zhǔn)確性。稱重計(jì)量系統(tǒng)機(jī)構(gòu)見圖2，其工作原理如下。

1.計(jì)量料斗 2.支架 3.稱重傳感器 4.補(bǔ)償稱重裝置 5.安裝底板圖2 稱重系統(tǒng)計(jì)量原理圖

由于計(jì)量料斗及補(bǔ)償稱重裝置的傳感器在額定重量下的變形小于0.2 mm，稱重系統(tǒng)的固有頻率可近似表示為：

(1)

根據(jù)單自由度振動(dòng)理論，當(dāng)基礎(chǔ)以頻率f振動(dòng)時(shí)，料倉中物體或參考秤上物體振動(dòng)的加速度與基礎(chǔ)振動(dòng)加速度的比值近似為：

(2)

式中，g為重力加速度；Δ為稱重系統(tǒng)傳感器的額定變形；ξ為阻尼系數(shù)；λ=f/fn。當(dāng)基礎(chǔ)振動(dòng)頻率較低時(shí)，α≈1，只要料倉的整體剛度足夠大，料倉及其料倉中物料受到的平均加速度與補(bǔ)償用稱重裝置所受到的平均加速度就會保持一致。

假設(shè)計(jì)量料倉內(nèi)物料的重量為Mg；料倉的皮重為M0；參考秤的靜態(tài)重量為w0；參考秤的動(dòng)態(tài)重量為w；料倉的動(dòng)態(tài)重量為W1，有：

(3)

利用計(jì)算公式(3)，可得到計(jì)量料倉中物料的真實(shí)重量Mg。

3.3 在線稱重斗裝置工作流程

在線稱重斗裝置不改變原有的卸船機(jī)作業(yè)工藝，融入直取過駁作業(yè)流程。稱重作業(yè)時(shí)，在線稱重斗的斗門閉合，卸船機(jī)的抓斗取料后將物料卸入在線稱重斗中，在線稱重斗對此時(shí)的物料進(jìn)行一次稱重。隨后將在線稱重斗的斗門打開，物料進(jìn)入放料斗，此時(shí)在線稱重斗再對空斗進(jìn)行一次稱重，兩次稱重之間的差值在預(yù)先設(shè)定的范圍內(nèi)(±20 kg)才會認(rèn)為稱重取值成功，即為式(3)計(jì)量料倉中單次物料的真實(shí)重量Mg。通過系統(tǒng)的累積計(jì)算即可對卸船作業(yè)的物料進(jìn)行精確計(jì)量，同時(shí)消除由于振動(dòng)和沖擊產(chǎn)生的計(jì)量誤差，達(dá)到精確計(jì)量的目的，其具體的稱重流程見圖3。

圖3 稱重流程示意圖

4 實(shí)施效果分析

為驗(yàn)證卸船機(jī)在線稱重斗裝置的實(shí)際使用效果，以實(shí)物校驗(yàn)方式進(jìn)行驗(yàn)證。具體方法為：預(yù)先在后方堆場規(guī)劃7個(gè)1 500 t的貨堆，采用卸船機(jī)進(jìn)行卸料，物料分別采用在線稱重斗裝置和船舶水尺進(jìn)行稱重計(jì)量。物料被輸送到后方堆場后分堆存放，并立即組織自卸車進(jìn)行地磅稱重。地磅屬于靜態(tài)計(jì)量設(shè)備，技術(shù)成熟穩(wěn)定，故以地磅數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，對其他2種計(jì)量設(shè)備所得數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，對比數(shù)據(jù)見表1。

表1 在線稱重斗裝置與船舶水尺、地磅稱重?cái)?shù)據(jù)對比表

通過表1數(shù)據(jù)可知，船舶水尺稱重?cái)?shù)據(jù)與地磅數(shù)據(jù)誤差最小在-2.13%，最大誤差達(dá)到-2.38%；而在線稱重料斗裝置與地磅稱重?cái)?shù)據(jù)誤差最小在0.01%，最大誤差為0.11%。通過計(jì)量數(shù)據(jù)對比可以得出以下結(jié)論：

(1)在線稱重料斗裝置計(jì)量稱重的最大誤差僅為0.11%，相比較于船舶水尺稱重最大誤差-2.38%，計(jì)量精度提高了20.6倍。

(2)在線稱重料斗裝置計(jì)量稱重的最大誤差僅為0.11%，遠(yuǎn)低于國家法定計(jì)量精度規(guī)定的0.25%～0.5%，計(jì)量精度為靜態(tài)Ⅲ級、動(dòng)態(tài)0.5級，完全滿足港口和貨主的精確計(jì)量要求。

卸船機(jī)在線稱重斗裝置投產(chǎn)以來，逐步得到客戶的信賴，海輪接卸進(jìn)場及直取過駁流程，均以卸船機(jī)在線稱重斗裝置的稱重?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行商務(wù)結(jié)算。

5 結(jié)語

在線稱重斗裝置使得大宗散貨精準(zhǔn)計(jì)量有了重大的突破，解決了長期困擾散貨運(yùn)輸行業(yè)的難題。通過在線稱重斗裝置改變現(xiàn)有的發(fā)貨計(jì)量工藝，使港口的計(jì)量方式改變?yōu)榈截浻?jì)量，不僅能夠?yàn)榭蛻魻幦「罄妫瑫r(shí)解決了船舶水尺和運(yùn)輸過程中存在的貨損等計(jì)量弊端，為港口規(guī)避了由于計(jì)量誤差而產(chǎn)生的爭執(zhí)和商業(yè)糾紛。借助在線稱重斗裝置可幫助碼頭建立起精準(zhǔn)計(jì)量的品牌和口碑，提高企業(yè)核心競爭力，提升碼頭業(yè)務(wù)和營業(yè)收入，實(shí)現(xiàn)碼頭、貨主、行業(yè)三方共贏，具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。