一種新型卸船機在線稱重料斗裝置

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有限公司

1 引言

南京港西壩港區大型散貨碼頭項目年接卸能力3 000萬t，吞吐量5 000萬t，作為南京市重點規劃建設的海江聯運樞紐港，是長江中下游最大的專業散貨碼頭之一。西壩碼頭的直取過駁業務占公司總業務量近40%，作業工藝是使用卸船機直接將大噸位散貨船上運輸的煤炭等散貨接卸后轉運到小噸位的駁船上。直取過駁作業流程線上很難布置電子皮帶秤，如何對卸船機直取過駁的物料進行精確計量，是西壩碼頭作業過程中面臨的主要難題。

目前港口煤炭貿易以第三方商檢機構出具的水尺報告作為商務結算依據，實行發貨計量結算，這種計量模式存在以下不足：一是水尺計量與人為讀取相關，讀取水尺刻度容易受到觀察角度、視線和波浪等影響，造成發貨量存在誤差；二是物料在卸船、堆存、轉運、裝船等環節都存在一定的貨損。上述2個因素造成用戶實際到貨量比發貨運單上的數量少，由此導致貨主與碼頭之間發生商業糾紛[1]，而實現到貨計量可解決以上問題。

2 現有稱重計量工藝

散貨碼頭現有的稱重計量工藝主要有4種：電子皮帶秤、靜態稱量料斗、地磅和船舶水尺，其主要特點如下。

(1)電子皮帶秤屬于連續動態計量，理論計量精度可以達到0.5%，但在碼頭的實際工作中，由于受到使用環境因素的影響，電子皮帶秤校驗后的零點漂移大，計量穩定性差，達不到理論計量精度。此外電子皮帶秤實物校驗操作流程繁瑣，計量檢定時所需物料需達到額定計量物料的20%，在港口難以實現。掛碼等其他校驗方式，不符合計量規則，因此不能作為商務結算依據[2]。

(2)靜態稱量料斗主要構成為接料斗、計量斗和卸料斗，此方式雖然精度滿足要求，能夠作為商務結算依據，但是存在以下弊端：一是為了不產生振動，靜態計量時卸船機的抓斗必須停止作業，大大降低卸船效率；二是增加了接料斗、計量斗兩層料斗高度，進而增加抓斗提升高度，延長取料周期，降低生產效率；三是系統結構復雜，設備故障點多，維修工作量大[3]。

(3)地磅屬于一種位置固定的靜態計量，主要布置在碼頭的后方堆場，用于汽車運輸方式的精確計量，是碼頭后方堆場的主要商務結算依據。其特點是：抗腐蝕能力強，特別適用于化學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；計量精度高、定位準(擺動小)、不變形、準確度穩定性好。但是不適合使用在碼頭前沿的裝卸設備上[4]。

(4)船舶水尺的計量準確性是由各項測量值所決定，在實際測量中會受風浪、船舶周邊水密度以及船舶自身變化等多種因素影響，同時測量人員的專業素質有關，其計量精度最高在0.5%左右，目前是散貨碼頭使用的主要商務結算依據[5]。

通過對散貨碼頭現有的計量設備和工藝進行分析，現有的計量方式在西壩碼頭的卸船機上使用均存在一定的難度，希望通過改進卸船機自身機構或裝置來實現貨物稱重計量，滿足計量精度達到0.25%～0.5%且不影響卸船機額定生產率的要求。

3 在線稱重斗計量工藝

3.1 在線稱重料斗組成

為解決西壩卸船機對直取過駁的物料進行精確計量的難題，設計了一種新型卸船機在線稱重料斗裝置(見圖1)。該裝置由稱重計量系統、稱重斗系統、支撐系統、砝碼校驗系統、接料系統、控制與管理系統等組成。

1.稱重斗系統 2.支撐系統 3.砝碼校驗系統 4.接料系統圖1 在線稱重斗裝置布置圖

稱重計量系統由稱重傳感器、帶標準碼的修正傳感器、校驗掛碼機構及相關控制儀表等組成。工作過程中低頻隨機振動一直存在，并伴隨無規律的高、低頻振動以及風振，在線稱重計量系統用于檢測系統工作過程中自身或外部振動引起的振動，通過動態補償法修正稱重誤差，保證計量準確性。

稱重斗系統由稱重斗、放料閘門、安全限位裝置等組成，為滿足卸船機額定的生產率，依靠雙層料斗的結構設計來實現，稱重斗下方布置4個可快速開閉的放料閘門，采用液壓驅動開式齒形顎式斗門來實現機械同步動作。

支撐系統由雙段液壓阻尼減震器、除大塊格柵、支撐鋼結構等組成，除大塊格柵置于支撐鋼結構上，可避免抓斗落料的瞬間沖擊對計量系統的影響。

砝碼校驗系統由一套標準砝碼校驗裝置組成，該裝置可對稱重斗進行校驗以保證計量精度，符合計量檢定規則。

接料系統由1個帶自動放料功能的料斗組成，該系統設置在稱重斗下方，稱重斗稱重完畢后，可將物料均勻地供到碼頭廊道皮帶機上。

控制和管理系統是稱重系統的核心，由2部分構成：一是由工控機、PLC以及其他低壓電氣設備組成的控制系統；二是由工控機與稱重儀表組成的數據通信與管理系統。數據通信與管理系統是一個軟件系統,可保證稱重系統數據、卸船機數據與碼頭數據之間準確可靠通信，同時實現數據記錄、保存和查詢功能。

3.2 稱重斗系統工作原理

在線稱重斗裝置用于檢測系統工作過程中自身或外部振動引起的振動，通過動態補償法修正稱重誤差，保證計量準確性。稱重計量系統機構見圖2，其工作原理如下。

1.計量料斗 2.支架 3.稱重傳感器 4.補償稱重裝置 5.安裝底板圖2 稱重系統計量原理圖

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

(1)

根據單自由度振動理論，當基礎以頻率f振動時，料倉中物體或參考秤上物體振動的加速度與基礎振動加速度的比值近似為：

(2)

式中，g為重力加速度；Δ為稱重系統傳感器的額定變形；ξ為阻尼系數；λ=f/fn。當基礎振動頻率較低時，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償用稱重裝置所受到的平均加速度就會保持一致。

假設計量料倉內物料的重量為Mg；料倉的皮重為M0；參考秤的靜態重量為w0；參考秤的動態重量為w；料倉的動態重量為W1，有：

(3)

利用計算公式(3)，可得到計量料倉中物料的真實重量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作業工藝，融入直取過駁作業流程。稱重作業時，在線稱重斗的斗門閉合，卸船機的抓斗取料后將物料卸入在線稱重斗中，在線稱重斗對此時的物料進行一次稱重。隨后將在線稱重斗的斗門打開，物料進入放料斗，此時在線稱重斗再對空斗進行一次稱重，兩次稱重之間的差值在預先設定的范圍內(±20 kg)才會認為稱重取值成功，即為式(3)計量料倉中單次物料的真實重量Mg。通過系統的累積計算即可對卸船作業的物料進行精確計量，同時消除由于振動和沖擊產生的計量誤差，達到精確計量的目的，其具體的稱重流程見圖3。

圖3 稱重流程示意圖

4 實施效果分析

為驗證卸船機在線稱重斗裝置的實際使用效果，以實物校驗方式進行驗證。具體方法為：預先在后方堆場規劃7個1 500 t的貨堆，采用卸船機進行卸料，物料分別采用在線稱重斗裝置和船舶水尺進行稱重計量。物料被輸送到后方堆場后分堆存放，并立即組織自卸車進行地磅稱重。地磅屬于靜態計量設備，技術成熟穩定，故以地磅數據為基準，對其他2種計量設備所得數據進行對比，對比數據見表1。

表1 在線稱重斗裝置與船舶水尺、地磅稱重數據對比表

通過表1數據可知，船舶水尺稱重數據與地磅數據誤差最小在-2.13%，最大誤差達到-2.38%；而在線稱重料斗裝置與地磅稱重數據誤差最小在0.01%，最大誤差為0.11%。通過計量數據對比可以得出以下結論：

(1)在線稱重料斗裝置計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%，計量精度提高了20.6倍。

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

卸船機在線稱重斗裝置投產以來，逐步得到客戶的信賴，海輪接卸進場及直取過駁流程，均以卸船機在線稱重斗裝置的稱重數據進行商務結算。

5 結語

在線稱重斗裝置使得大宗散貨精準計量有了重大的突破，解決了長期困擾散貨運輸行業的難題。通過在線稱重斗裝置改變現有的發貨計量工藝，使港口的計量方式改變為到貨計量，不僅能夠為客戶爭取更大利益，同時解決了船舶水尺和運輸過程中存在的貨損等計量弊端，為港口規避了由于計量誤差而產生的爭執和商業糾紛。借助在線稱重斗裝置可幫助碼頭建立起精準計量的品牌和口碑，提高企業核心競爭力，提升碼頭業務和營業收入，實現碼頭、貨主、行業三方共贏，具有重要的工程應用價值。