旋鎖載荷稱(chēng)重系統(tǒng)研究

朱人平

（上海振華重工（集團(tuán)）股份有限公司，上海 201913）

為了實(shí)現(xiàn)安全、高效和可靠的運(yùn)輸與工程操作，準(zhǔn)確測(cè)量設(shè)備、車(chē)輛或系統(tǒng)所承受的載荷至關(guān)重要。因此，優(yōu)化旋鎖載荷稱(chēng)重系統(tǒng)十分必要。旋鎖載荷稱(chēng)重系統(tǒng)通過(guò)旋轉(zhuǎn)鎖技術(shù)和先進(jìn)的傳感器技術(shù)的結(jié)合，為載荷測(cè)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(zhǔn)確測(cè)量靜止?fàn)顟B(tài)下的載荷，還能在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和記錄載荷變化。旋鎖載荷稱(chēng)重系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)不僅表現(xiàn)在載荷測(cè)量的準(zhǔn)確性上，還體現(xiàn)在其對(duì)環(huán)境變化的適應(yīng)能力。耐高溫、耐腐蝕、抗震動(dòng)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(yùn)行，為各類(lèi)工業(yè)應(yīng)用提供可靠的數(shù)據(jù)支持。

1 傳統(tǒng)的岸橋質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)組成

目前，常用的岸橋質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)主要由鋼絲繩、PAT 銷(xiāo)軸式傳感器、控制箱等組成。質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)的核心是PAT 銷(xiāo)軸式傳感器，它將鋼絲繩傳來(lái)的壓力等效轉(zhuǎn)換為電路中4 ～20 mA 的電流信號(hào)或0 ～2 500 mV 的電壓信號(hào)。PAT 銷(xiāo)軸式傳感器是一個(gè)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(gè)外側(cè)部分、傳感器支撐區(qū)以及2 個(gè)測(cè)量槽。測(cè)量裝置為惠斯特電橋，安裝在銷(xiāo)軸式傳感器內(nèi)，以防外部不良影響的干擾，如機(jī)械損傷、灰塵、潮濕。

PAT 銷(xiāo)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(yīng)力引起的變形轉(zhuǎn)換成與載荷成正比的電信號(hào)?？紤]測(cè)量形式，銷(xiāo)軸式傳感器有一個(gè)最佳測(cè)量方向，在最佳方向上輸出信號(hào)可達(dá)到最大值。此時(shí)，傳感器中間部分上的壓力方向與主要測(cè)量方向一致，測(cè)量方向由2 個(gè)箭頭在傳感器上表示出來(lái)。除了剪切應(yīng)力，傳感器測(cè)量槽還會(huì)產(chǎn)生一種彎應(yīng)力，不過(guò)彎應(yīng)力和溫度的影響已在傳感器中進(jìn)行了補(bǔ)償。另外，當(dāng)銷(xiāo)軸式傳感器受到軸向應(yīng)力時(shí)，顯示值會(huì)有所降低，但無(wú)法測(cè)定降低幅度。PAT 銷(xiāo)軸式傳感器工作原理如圖1 所示。

圖1 PAT 銷(xiāo)軸式傳感器的工作原理

1.2 質(zhì)量標(biāo)定方法

傳統(tǒng)的質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)在標(biāo)定質(zhì)量前要先對(duì)吊具進(jìn)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(duì)質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)的每個(gè)角進(jìn)行單獨(dú)標(biāo)定調(diào)平[1]。在質(zhì)量標(biāo)定時(shí)，通常采用額定質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)箱。在實(shí)際應(yīng)用中通常只用40 尺標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行標(biāo)定，僅對(duì)4 個(gè)邊角進(jìn)行標(biāo)定，缺少專(zhuān)門(mén)針對(duì)中鎖的質(zhì)量標(biāo)定。以4 ～20 mA的電流信號(hào)輸出為例，在標(biāo)定質(zhì)量時(shí)，由于4 個(gè)角近似水平，在4 個(gè)角輸出電流值偏差不大的情況下，默認(rèn)4 個(gè)角的質(zhì)量完全相同，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)箱取用的是平均值，得到的質(zhì)量即為該輸出電流所對(duì)應(yīng)的實(shí)際質(zhì)量[2]。

2 旋鎖載荷稱(chēng)重系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)組成

旋鎖載荷稱(chēng)重系統(tǒng)由集成在吊具旋鎖內(nèi)的測(cè)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(jī)室的報(bào)警顯示單元與系統(tǒng)對(duì)外通信總線以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元組成，如圖2 所示。

圖2 旋鎖載荷稱(chēng)重系統(tǒng)

其中，集成在吊具旋鎖內(nèi)的測(cè)力單元負(fù)責(zé)測(cè)量吊具旋鎖的受力情況，通過(guò)內(nèi)置的傳感器和電子設(shè)備，將測(cè)出的受力情況轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。吊具電氣柜內(nèi)的數(shù)據(jù)處理單元接收來(lái)自測(cè)力單元的電信號(hào)，通過(guò)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(fù)責(zé)在各個(gè)單元之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。司機(jī)室內(nèi)的報(bào)警顯示單元與系統(tǒng)對(duì)外通信總線負(fù)責(zé)將處理后的數(shù)據(jù)顯示給司機(jī)，同時(shí)是系統(tǒng)與外部進(jìn)行通信的接口。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元負(fù)責(zé)存儲(chǔ)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。旋鎖載荷稱(chēng)重系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目的是實(shí)現(xiàn)吊具的載荷監(jiān)控、安全操作和遠(yuǎn)程管理。通過(guò)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(yuǎn)程管理提供數(shù)據(jù)支持。

測(cè)力單元由轉(zhuǎn)銷(xiāo)裝置與測(cè)力傳感器組成，如圖3所示。吊具的4 個(gè)邊角以及中鎖的4 個(gè)角上，均設(shè)有轉(zhuǎn)銷(xiāo)裝置。每個(gè)轉(zhuǎn)校裝置上設(shè)有固定套，固定套上安裝有稱(chēng)重傳感器，即測(cè)力傳感器。傳感器通過(guò)光信號(hào)向解調(diào)儀發(fā)送測(cè)得的質(zhì)量信息。

圖3 測(cè)力單元結(jié)構(gòu)

稱(chēng)重傳感器通過(guò)定位銷(xiāo)固定在固定套上，安裝在固定套和座套之間，以防止磨損。稱(chēng)重傳感器僅承受垂直方向的拉力，故而能夠保障稱(chēng)重精度。在吊運(yùn)集裝箱時(shí)，由于稱(chēng)重傳感器設(shè)在旋鎖機(jī)構(gòu)所在的位置，能夠直接測(cè)出集裝箱各個(gè)角的質(zhì)量，提高了吊運(yùn)的安全性和吊運(yùn)效率[3]。

2.2 系統(tǒng)工作原理

旋鎖載荷稱(chēng)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(cè)力單元，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)每個(gè)吊點(diǎn)上的載荷，并將信息通過(guò)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(gè)吊點(diǎn)的載荷信息后，通過(guò)解調(diào)儀將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，并將各吊點(diǎn)載荷以及總起吊質(zhì)量等信息通過(guò)系統(tǒng)內(nèi)通信總線及時(shí)傳輸?shù)剿緳C(jī)室報(bào)警顯示單元，使司機(jī)可以直觀了解吊具的起吊情況，如圖5 所示。同時(shí)，載荷及質(zhì)量信息通過(guò)內(nèi)部通信總線記錄在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元中。當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到非正常起吊時(shí)，安裝在司機(jī)室內(nèi)的報(bào)警顯示單元將發(fā)出聲光報(bào)警，提醒司機(jī)停止操作，報(bào)警信息通過(guò)系統(tǒng)內(nèi)通信總線傳輸。系統(tǒng)對(duì)外通信總線可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與外部的信息交換，如讀取存儲(chǔ)單元中的數(shù)據(jù)、進(jìn)行系統(tǒng)監(jiān)測(cè)等[4]。

圖4 旋鎖載荷稱(chēng)重系統(tǒng)工作原理

圖5 信息采集和數(shù)據(jù)處理過(guò)程

旋鎖稱(chēng)重方式與傳統(tǒng)稱(chēng)重方式的稱(chēng)重原理相同，均默認(rèn)輸出的電流值與被測(cè)質(zhì)量之間為簡(jiǎn)單的一次線性函數(shù)。在標(biāo)定時(shí)利用已知的標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量的載荷確定一個(gè)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(shí)際使用時(shí)，按照實(shí)際輸出的電流值代入函數(shù)式得到質(zhì)量值。但是，旋鎖稱(chēng)重方式與傳統(tǒng)稱(chēng)重方式的標(biāo)定方法不同，旋鎖稱(chēng)重在標(biāo)定額定質(zhì)量時(shí)不僅采用標(biāo)定總質(zhì)量的方式，還對(duì)包括中鎖的旋鎖在內(nèi)的8 個(gè)角進(jìn)行單角額定載荷的標(biāo)定，而總質(zhì)量根據(jù)所有旋鎖的輸出加和確定。同時(shí)，在標(biāo)定時(shí)會(huì)對(duì)整體質(zhì)量進(jìn)行標(biāo)定，但僅用來(lái)測(cè)試單角標(biāo)定后測(cè)得的總質(zhì)量的準(zhǔn)確率[5]。

3 兩種稱(chēng)重系統(tǒng)的比較

3.1 傳統(tǒng)稱(chēng)重系統(tǒng)面臨的問(wèn)題

傳統(tǒng)的集裝箱起重機(jī)載荷監(jiān)測(cè)方法較為簡(jiǎn)單，直接監(jiān)測(cè)鋼絲繩上的受力，同時(shí)由于標(biāo)定時(shí)采用的標(biāo)準(zhǔn)默認(rèn)4 個(gè)角受力在近似水平狀態(tài)下近似相等，標(biāo)定時(shí)難免產(chǎn)生較大的誤差。此外，這種監(jiān)測(cè)方法受外部因素影響較大，且無(wú)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(cè)方法主要存在3 個(gè)問(wèn)題。

第一，由于測(cè)量的是鋼絲繩上的受力，實(shí)際測(cè)得的質(zhì)量為鋼絲繩、吊具、上架與被測(cè)集裝箱的質(zhì)量之和。鋼絲繩、上架和吊具的質(zhì)量為標(biāo)定時(shí)的質(zhì)量，在使用一段時(shí)間后，若進(jìn)行更換則會(huì)導(dǎo)致較大的誤差，使測(cè)得的質(zhì)量偏離實(shí)際值。

第二，集裝箱、吊具機(jī)構(gòu)與測(cè)力單元之間使用鋼絲繩進(jìn)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(fēng)、起升機(jī)構(gòu)加速度等外部因素影響極大。

第三，對(duì)異常信息的檢測(cè)存在較為明顯的滯后性，半空中報(bào)警停車(chē)的異常現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，而且當(dāng)集裝箱質(zhì)量接近額定載重量時(shí)，此現(xiàn)象尤為明顯。

3.2 載荷稱(chēng)重系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

基于旋鎖載荷稱(chēng)重的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠有效解決傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的上述缺陷。該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)如下。

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

第二，由于測(cè)力單元直接布置在前端，可以方便、快速地測(cè)量受力情況。測(cè)力單元與被測(cè)集裝箱之間通過(guò)旋鎖連接，在受力時(shí)兩者之間近似于硬連接。同時(shí)，采集時(shí)間較短，可以避免加、減速運(yùn)動(dòng)過(guò)程對(duì)數(shù)據(jù)采集精確度的干擾。

第三，在質(zhì)量標(biāo)定時(shí)，對(duì)于每個(gè)角單獨(dú)標(biāo)定，同時(shí)對(duì)中鎖的旋鎖進(jìn)行相同標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)定。故而，該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的集裝箱質(zhì)量檢測(cè)精度更高，測(cè)得的質(zhì)量更加接近實(shí)際質(zhì)量。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著全球貿(mào)易的不斷增長(zhǎng)和港口業(yè)務(wù)量的日益增加，對(duì)港口起重機(jī)的安全性和效率的要求越來(lái)越高。在此背景下，旋鎖載荷稱(chēng)重系統(tǒng)作為一種新型起重機(jī)載荷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，具有廣闊的應(yīng)用前景和發(fā)展空間。未來(lái)，旋鎖載荷稱(chēng)重系統(tǒng)將朝著更加智能化、自動(dòng)化和精準(zhǔn)化的方向發(fā)展。通過(guò)引入先進(jìn)的傳感器技術(shù)、數(shù)據(jù)處理算法和人工智能技術(shù)，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)更加精確的載荷測(cè)量和更加智能化的故障預(yù)警，有效提升起重機(jī)的安全性和可靠性。同時(shí)，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，旋鎖載荷稱(chēng)重系統(tǒng)將與其他港口設(shè)備和系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)縫連接，實(shí)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(chēng)重系統(tǒng)將朝著更加節(jié)能環(huán)保的方向發(fā)展。通過(guò)采用新型的材料和設(shè)計(jì)，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。