一种新型卸船机在线称重料斗装置

宣旭东 王 磊

1 南京西坝码头有限公司 2 武汉开锐海洋起重技术有限公司

1 引言

南京港西坝港区大型散货码头项目年接卸能力3 000万t，吞吐量5 000万t，作为南京市重点规划建设的海江联运枢纽港，是长江中下游最大的专业散货码头之一。西坝码头的直取过驳业务占公司总业务量近40%，作业工艺是使用卸船机直接将大吨位散货船上运输的煤炭等散货接卸后转运到小吨位的驳船上。直取过驳作业流程线上很难布置电子皮带秤，如何对卸船机直取过驳的物料进行精确计量，是西坝码头作业过程中面临的主要难题。

目前港口煤炭贸易以第三方商检机构出具的水尺报告作为商务结算依据，实行发货计量结算，这种计量模式存在以下不足：一是水尺计量与人为读取相关，读取水尺刻度容易受到观察角度、视线和波浪等影响，造成发货量存在误差；二是物料在卸船、堆存、转运、装船等环节都存在一定的货损。上述2个因素造成用户实际到货量比发货运单上的数量少，由此导致货主与码头之间发生商业纠纷[1]，而实现到货计量可解决以上问题。

2 现有称重计量工艺

散货码头现有的称重计量工艺主要有4种：电子皮带秤、静态称量料斗、地磅和船舶水尺，其主要特点如下。

(1)电子皮带秤属于连续动态计量，理论计量精度可以达到0.5%，但在码头的实际工作中，由于受到使用环境因素的影响，电子皮带秤校验后的零点漂移大，计量稳定性差，达不到理论计量精度。此外电子皮带秤实物校验操作流程繁琐，计量检定时所需物料需达到额定计量物料的20%，在港口难以实现。挂码等其他校验方式，不符合计量规则，因此不能作为商务结算依据[2]。

(2)静态称量料斗主要构成为接料斗、计量斗和卸料斗，此方式虽然精度满足要求，能够作为商务结算依据，但是存在以下弊端：一是为了不产生振动，静态计量时卸船机的抓斗必须停止作业，大大降低卸船效率；二是增加了接料斗、计量斗两层料斗高度，进而增加抓斗提升高度，延长取料周期，降低生产效率；三是系统结构复杂，设备故障点多，维修工作量大[3]。

(3)地磅属于一种位置固定的静态计量，主要布置在码头的后方堆场，用于汽车运输方式的精确计量，是码头后方堆场的主要商务结算依据。其特点是：抗腐蚀能力强，特别适用于化学品侵蚀及海边潮湿地带的场所；使用寿命长，一般寿命都有20年以上；计量精度高、定位准(摆动小)、不变形、准确度稳定性好。但是不适合使用在码头前沿的装卸设备上[4]。

(4)船舶水尺的计量准确性是由各项测量值所决定，在实际测量中会受风浪、船舶周边水密度以及船舶自身变化等多种因素影响，同时测量人员的专业素质有关，其计量精度最高在0.5%左右，目前是散货码头使用的主要商务结算依据[5]。

通过对散货码头现有的计量设备和工艺进行分析，现有的计量方式在西坝码头的卸船机上使用均存在一定的难度，希望通过改进卸船机自身机构或装置来实现货物称重计量，满足计量精度达到0.25%～0.5%且不影响卸船机额定生产率的要求。

3 在线称重斗计量工艺

3.1 在线称重料斗组成

为解决西坝卸船机对直取过驳的物料进行精确计量的难题，设计了一种新型卸船机在线称重料斗装置(见图1)。该装置由称重计量系统、称重斗系统、支撑系统、砝码校验系统、接料系统、控制与管理系统等组成。

1.称重斗系统 2.支撑系统 3.砝码校验系统 4.接料系统图1 在线称重斗装置布置图

称重计量系统由称重传感器、带标准码的修正传感器、校验挂码机构及相关控制仪表等组成。工作过程中低频随机振动一直存在，并伴随无规律的高、低频振动以及风振，在线称重计量系统用于检测系统工作过程中自身或外部振动引起的振动，通过动态补偿法修正称重误差，保证计量准确性。

称重斗系统由称重斗、放料闸门、安全限位装置等组成，为满足卸船机额定的生产率，依靠双层料斗的结构设计来实现，称重斗下方布置4个可快速开闭的放料闸门，采用液压驱动开式齿形颚式斗门来实现机械同步动作。

支撑系统由双段液压阻尼减震器、除大块格栅、支撑钢结构等组成，除大块格栅置于支撑钢结构上，可避免抓斗落料的瞬间冲击对计量系统的影响。

砝码校验系统由一套标准砝码校验装置组成，该装置可对称重斗进行校验以保证计量精度，符合计量检定规则。

接料系统由1个带自动放料功能的料斗组成，该系统设置在称重斗下方，称重斗称重完毕后，可将物料均匀地供到码头廊道皮带机上。

控制和管理系统是称重系统的核心，由2部分构成：一是由工控机、PLC以及其他低压电气设备组成的控制系统；二是由工控机与称重仪表组成的数据通信与管理系统。数据通信与管理系统是一个软件系统,可保证称重系统数据、卸船机数据与码头数据之间准确可靠通信，同时实现数据记录、保存和查询功能。

3.2 称重斗系统工作原理

在线称重斗装置用于检测系统工作过程中自身或外部振动引起的振动，通过动态补偿法修正称重误差，保证计量准确性。称重计量系统机构见图2，其工作原理如下。

1.计量料斗 2.支架 3.称重传感器 4.补偿称重装置 5.安装底板图2 称重系统计量原理图

由于计量料斗及补偿称重装置的传感器在额定重量下的变形小于0.2 mm，称重系统的固有频率可近似表示为：

(1)

根据单自由度振动理论，当基础以频率f振动时，料仓中物体或参考秤上物体振动的加速度与基础振动加速度的比值近似为：

(2)

式中，g为重力加速度；Δ为称重系统传感器的额定变形；ξ为阻尼系数；λ=f/fn。当基础振动频率较低时，α≈1，只要料仓的整体刚度足够大，料仓及其料仓中物料受到的平均加速度与补偿用称重装置所受到的平均加速度就会保持一致。

假设计量料仓内物料的重量为Mg；料仓的皮重为M0；参考秤的静态重量为w0；参考秤的动态重量为w；料仓的动态重量为W1，有：

(3)

利用计算公式(3)，可得到计量料仓中物料的真实重量Mg。

3.3 在线称重斗装置工作流程

在线称重斗装置不改变原有的卸船机作业工艺，融入直取过驳作业流程。称重作业时，在线称重斗的斗门闭合，卸船机的抓斗取料后将物料卸入在线称重斗中，在线称重斗对此时的物料进行一次称重。随后将在线称重斗的斗门打开，物料进入放料斗，此时在线称重斗再对空斗进行一次称重，两次称重之间的差值在预先设定的范围内(±20 kg)才会认为称重取值成功，即为式(3)计量料仓中单次物料的真实重量Mg。通过系统的累积计算即可对卸船作业的物料进行精确计量，同时消除由于振动和冲击产生的计量误差，达到精确计量的目的，其具体的称重流程见图3。

图3 称重流程示意图

4 实施效果分析

为验证卸船机在线称重斗装置的实际使用效果，以实物校验方式进行验证。具体方法为：预先在后方堆场规划7个1 500 t的货堆，采用卸船机进行卸料，物料分别采用在线称重斗装置和船舶水尺进行称重计量。物料被输送到后方堆场后分堆存放，并立即组织自卸车进行地磅称重。地磅属于静态计量设备，技术成熟稳定，故以地磅数据为基准，对其他2种计量设备所得数据进行对比，对比数据见表1。

表1 在线称重斗装置与船舶水尺、地磅称重数据对比表

通过表1数据可知，船舶水尺称重数据与地磅数据误差最小在-2.13%，最大误差达到-2.38%；而在线称重料斗装置与地磅称重数据误差最小在0.01%，最大误差为0.11%。通过计量数据对比可以得出以下结论：

(1)在线称重料斗装置计量称重的最大误差仅为0.11%，相比较于船舶水尺称重最大误差-2.38%，计量精度提高了20.6倍。

(2)在线称重料斗装置计量称重的最大误差仅为0.11%，远低于国家法定计量精度规定的0.25%～0.5%，计量精度为静态Ⅲ级、动态0.5级，完全满足港口和货主的精确计量要求。

卸船机在线称重斗装置投产以来，逐步得到客户的信赖，海轮接卸进场及直取过驳流程，均以卸船机在线称重斗装置的称重数据进行商务结算。

5 结语

在线称重斗装置使得大宗散货精准计量有了重大的突破，解决了长期困扰散货运输行业的难题。通过在线称重斗装置改变现有的发货计量工艺，使港口的计量方式改变为到货计量，不仅能够为客户争取更大利益，同时解决了船舶水尺和运输过程中存在的货损等计量弊端，为港口规避了由于计量误差而产生的争执和商业纠纷。借助在线称重斗装置可帮助码头建立起精准计量的品牌和口碑，提高企业核心竞争力，提升码头业务和营业收入，实现码头、货主、行业三方共赢，具有重要的工程应用价值。