旋锁载荷称重系统研究

朱人平

（上海振华重工（集团）股份有限公司，上海 201913）

为了实现安全、高效和可靠的运输与工程操作，准确测量设备、车辆或系统所承受的载荷至关重要。因此，优化旋锁载荷称重系统十分必要。旋锁载荷称重系统通过旋转锁技术和先进的传感器技术的结合，为载荷测量提供了高度精确和可靠的解决方案。这一系统不仅能够准确测量静止状态下的载荷，还能在运动状态下实时监测和记录载荷变化。旋锁载荷称重系统的优势不仅表现在载荷测量的准确性上，还体现在其对环境变化的适应能力。耐高温、耐腐蚀、抗震动等特性使得这一系统在极端工作条件下依然能够稳定、可靠地运行，为各类工业应用提供可靠的数据支持。

1 传统的岸桥质量检测系统

1.1 系统组成

目前，常用的岸桥质量检测系统主要由钢丝绳、PAT 销轴式传感器、控制箱等组成。质量检测系统的核心是PAT 销轴式传感器，它将钢丝绳传来的压力等效转换为电路中4 ～20 mA 的电流信号或0 ～2 500 mV 的电压信号。PAT 销轴式传感器是一个中空的圆柱体，由防锈、防酸钢制成，主要包括中间部分（即压力承载区）、2 个外侧部分、传感器支撑区以及2 个测量槽。测量装置为惠斯特电桥，安装在销轴式传感器内，以防外部不良影响的干扰，如机械损伤、灰尘、潮湿。

PAT 销轴式传感器中间部分力的输入形式为剪切载荷。作用在传感器左、右两部分的支撑力使传感器发生变化，将剪切应力引起的变形转换成与载荷成正比的电信号。考虑测量形式，销轴式传感器有一个最佳测量方向，在最佳方向上输出信号可达到最大值。此时，传感器中间部分上的压力方向与主要测量方向一致，测量方向由2 个箭头在传感器上表示出来。除了剪切应力，传感器测量槽还会产生一种弯应力，不过弯应力和温度的影响已在传感器中进行了补偿。另外，当销轴式传感器受到轴向应力时，显示值会有所降低，但无法测定降低幅度。PAT 销轴式传感器工作原理如图1 所示。

图1 PAT 销轴式传感器的工作原理

1.2 质量标定方法

传统的质量检测系统在标定质量前要先对吊具进行调平，要求吊具的所有锁头必须在同一水平面上，而不是对质量检测系统的每个角进行单独标定调平[1]。在质量标定时，通常采用额定质量的标准箱。在实际应用中通常只用40 尺标准进行标定，仅对4 个边角进行标定，缺少专门针对中锁的质量标定。以4 ～20 mA的电流信号输出为例，在标定质量时，由于4 个角近似水平，在4 个角输出电流值偏差不大的情况下，默认4 个角的质量完全相同，对标准箱取用的是平均值，得到的质量即为该输出电流所对应的实际质量[2]。

2 旋锁载荷称重系统

2.1 系统组成

旋锁载荷称重系统由集成在吊具旋锁内的测力单元、吊具电气柜内的数据处理单元和系统内的通信总线、司机室的报警显示单元与系统对外通信总线以及数据存储单元组成，如图2 所示。

图2 旋锁载荷称重系统

其中，集成在吊具旋锁内的测力单元负责测量吊具旋锁的受力情况，通过内置的传感器和电子设备，将测出的受力情况转化为电信号。吊具电气柜内的数据处理单元接收来自测力单元的电信号，通过内置的处理器和算法，处理和分析数据。系统内的通信总线负责在各个单元之间进行数据传输。司机室内的报警显示单元与系统对外通信总线负责将处理后的数据显示给司机，同时是系统与外部进行通信的接口。数据存储单元负责存储系统的数据。旋锁载荷称重系统的设计目的是实现吊具的载荷监控、安全操作和远程管理。通过这些组件的集成和协作，系统能够提高吊具的工作效率，提升操作的安全性，并为远程管理提供数据支持。

测力单元由转销装置与测力传感器组成，如图3所示。吊具的4 个边角以及中锁的4 个角上，均设有转销装置。每个转校装置上设有固定套，固定套上安装有称重传感器，即测力传感器。传感器通过光信号向解调仪发送测得的质量信息。

图3 测力单元结构

称重传感器通过定位销固定在固定套上，安装在固定套和座套之间，以防止磨损。称重传感器仅承受垂直方向的拉力，故而能够保障称重精度。在吊运集装箱时，由于称重传感器设在旋锁机构所在的位置，能够直接测出集装箱各个角的质量，提高了吊运的安全性和吊运效率[3]。

2.2 系统工作原理

旋锁载荷称重系统工作原理如图4 所示。集成在岸桥吊具旋锁内部的测力单元，实时监测每个吊点上的载荷，并将信息通过光介质传输给吊具上的数据处理器。数据处理器在接收到多个吊点的载荷信息后，通过解调仪将光信号转化为数字信号，并将各吊点载荷以及总起吊质量等信息通过系统内通信总线及时传输到司机室报警显示单元，使司机可以直观了解吊具的起吊情况，如图5 所示。同时，载荷及质量信息通过内部通信总线记录在数据存储单元中。当系统监测到非正常起吊时，安装在司机室内的报警显示单元将发出声光报警，提醒司机停止操作，报警信息通过系统内通信总线传输。系统对外通信总线可以实现系统与外部的信息交换，如读取存储单元中的数据、进行系统监测等[4]。

图4 旋锁载荷称重系统工作原理

图5 信息采集和数据处理过程

旋锁称重方式与传统称重方式的称重原理相同，均默认输出的电流值与被测质量之间为简单的一次线性函数。在标定时利用已知的标准质量的载荷确定一个输出电流值，从而得到质量与输出电流之间一次线性函数的斜率。实际使用时，按照实际输出的电流值代入函数式得到质量值。但是，旋锁称重方式与传统称重方式的标定方法不同，旋锁称重在标定额定质量时不仅采用标定总质量的方式，还对包括中锁的旋锁在内的8 个角进行单角额定载荷的标定，而总质量根据所有旋锁的输出加和确定。同时，在标定时会对整体质量进行标定，但仅用来测试单角标定后测得的总质量的准确率[5]。

3 两种称重系统的比较

3.1 传统称重系统面临的问题

传统的集装箱起重机载荷监测方法较为简单，直接监测钢丝绳上的受力，同时由于标定时采用的标准默认4 个角受力在近似水平状态下近似相等，标定时难免产生较大的误差。此外，这种监测方法受外部因素影响较大，且无法判断钢丝绳与滑轮组之间、钢丝与钢丝之间是否存在较大的摩擦。传统的载荷监测方法主要存在3 个问题。

第一，由于测量的是钢丝绳上的受力，实际测得的质量为钢丝绳、吊具、上架与被测集装箱的质量之和。钢丝绳、上架和吊具的质量为标定时的质量，在使用一段时间后，若进行更换则会导致较大的误差，使测得的质量偏离实际值。

第二，集装箱、吊具机构与测力单元之间使用钢丝绳进行软性连接，钢丝绳存在弹性，因此传统的载荷监控方法受大风、起升机构加速度等外部因素影响极大。

第三，对异常信息的检测存在较为明显的滞后性，半空中报警停车的异常现象时有发生，而且当集装箱质量接近额定载重量时，此现象尤为明显。

3.2 载荷称重系统的优势

基于旋锁载荷称重的监测系统能够有效解决传统监测系统的上述缺陷。该监测系统的优点如下。

第一，测力单元集成在每个旋锁结构中，使得该监测系统能够基于每个角单独的受力情况判断吊具整体或部分的受力情况，可以及时检测出是否脱钩，而且此种检测方法对钢丝绳的缠绕方法不敏感。

第二，由于测力单元直接布置在前端，可以方便、快速地测量受力情况。测力单元与被测集装箱之间通过旋锁连接，在受力时两者之间近似于硬连接。同时，采集时间较短，可以避免加、减速运动过程对数据采集精确度的干扰。

第三，在质量标定时，对于每个角单独标定，同时对中锁的旋锁进行相同标准的标定。故而，该监测系统的集装箱质量检测精度更高，测得的质量更加接近实际质量。

4 结语

随着全球贸易的不断增长和港口业务量的日益增加，对港口起重机的安全性和效率的要求越来越高。在此背景下，旋锁载荷称重系统作为一种新型起重机载荷监测系统，具有广阔的应用前景和发展空间。未来，旋锁载荷称重系统将朝着更加智能化、自动化和精准化的方向发展。通过引入先进的传感器技术、数据处理算法和人工智能技术，该系统能够实现更加精确的载荷测量和更加智能化的故障预警，有效提升起重机的安全性和可靠性。同时，随着物联网技术的不断发展，旋锁载荷称重系统将与其他港口设备和系统进行无缝连接，实现信息的共享和协同工作，从而提高港口的整体作业效率和管理水平。此外，旋锁载荷称重系统将朝着更加节能环保的方向发展。通过采用新型的材料和设计，该系统能够降低自身的能耗和环境污染，符合可持续发展的要求。