武 徽，張緒帥

1天地科技股份有限公司 北京 100013

2煤炭科學(xué)研究總院儲裝技術(shù)研究分院 北京 100013

快速定量裝車站通過其配備的定量倉對散體物料進行定量稱重后，將其卸入火車或者汽車車廂中。其多見于大型煤礦企業(yè)、散料集運站和港口，適用于糧食、煤炭和礦石等的定量稱重。裝車站的秤常被作為結(jié)算秤使用，其計量靜態(tài)準(zhǔn)確度需要達到 Ⅲ、0.5 級。在具體使用過程中，由于其結(jié)構(gòu)特點易出現(xiàn)角差問題，而角差的出現(xiàn)又會對稱量準(zhǔn)確度產(chǎn)生很大影響。通過分析裝車站定量倉稱重原理和現(xiàn)場實際使用情況，對角差的產(chǎn)生原因和解決方法進行了研究。

1 定量倉稱重系統(tǒng)組成

快速定量裝車站的定量倉稱重系統(tǒng)[1]主要由定量倉、稱重傳感器組、接線盒、稱重儀表和砝碼校驗裝置等組成，如圖 1 所示。倉角設(shè) 3～4 個立柱，立柱下方設(shè)安裝板用來連接傳感器；定量倉體側(cè)壁設(shè)有吊耳，用于安裝砝碼提升液壓缸。鏈條與砝碼連接，在正常使用時液壓缸伸出，鏈條自然下垂；標(biāo)定時液壓缸縮回，提起砝碼。

常規(guī)的裝車站定量倉可根據(jù)需求進行多樣化設(shè)計，主要參數(shù)為：計量秤額定效率為 1 000～5 400 t/h；計量靜態(tài)準(zhǔn)確度為 Ⅲ、0.5 級；單秤額定稱量為 30～100 t；分度值為 10、20、50 kg。

圖1 定量倉稱重系統(tǒng)組成Fig.1 Constitution of weighing system of weighing bin

常規(guī)的定量倉形式有正四棱錐形、圓臺圓錐形、雙曲線形以及矩形等形式，如圖 2 所示。倉體形式的選擇主要與所裝物料的種類、自動化衡器的工藝以及現(xiàn)場實際工況等有關(guān)。

上述定量倉形式中，正四棱錐形料倉和矩形料倉因受倉體結(jié)構(gòu)的限制，只能使用四支點稱重，而圓臺圓錐形料倉和雙曲線形料倉[2]則可以根據(jù)需要選擇三支點稱重或四支點稱重。

圖2 各種類型的定量倉Fig.2 Various weighing bins

2 三支點定量倉稱重原理

裝車站定量倉的稱重過程為靜態(tài)稱重。靜態(tài)稱重時需滿足 2 個條件：一個是合力為 0，另一個是合力矩為 0。

當(dāng)圓臺圓錐形料倉或者雙曲線形料倉采用三支點稱重時，3 個傳感器分別放置在圓周A、B、C點上，相隔 120°均勻分布，呈等邊三角形，如圖 3 所示。

圖3 基于三支點的定量倉稱重傳感器分布Fig.3 Distribution of weighing sensors of weighing bin based on three points

當(dāng)進行稱重時，質(zhì)量為m、重量為G的物料可位于倉內(nèi)任意點處，整個稱重系統(tǒng)滿足靜止條件，即合力矩為 0，則可以得到：

式中：FA、FB、FC分別為位于點A、B、C的傳感器的受力；HA、HB、HC分別為三角形頂點A、B、C到底邊的高；HmA、HmB、HmC分別為物料到三角形各邊的垂直距離。則推導(dǎo)出：

根據(jù)等邊三角形的性質(zhì)可知，等邊三角形內(nèi)任意點到三邊的距離之和等于這個三角形的高。對于等邊三角形來說，HA=HB=HC，

從式 (7)可以看出，理想情況下傳感器處于同一平面，在三支點定量倉稱重模式下，可以有效避免物料的位置變化對稱量結(jié)果造成的影響，無論物體置于這個平面的哪個位置，稱重結(jié)果都是一致的。

3 四支點定量倉稱重原理

當(dāng)倉體采用四支點稱重時，4 個傳感器分布在正方形的 4 個頂點，如圖 4 所示。正方形的中心為倉體中心，以倉體中心為圓點建立坐標(biāo)軸，在倉內(nèi)任意位置放置質(zhì)量為m、重量為G的物料，其位置坐標(biāo)為(x0，y0)。當(dāng)進行稱重時，稱重系統(tǒng)處于靜止?fàn)顟B(tài)。

圖4 基于四支點的定量倉稱重傳感器分布Fig.4 Distribution of weighing sensors of weighing bin based on four points

根據(jù)力矩平衡原理，在x方向上有

在y方向上有

式中：FA、FB、FC分別為位于點A、B、C的傳感器的受力；d為各傳感器到坐標(biāo)軸的垂直距離。

無論是將式 (8)、(9)相加，還是將式 (10)、(11)相加，均可得到

理想情況下，當(dāng)傳感器完全處于同一平面時，4 個傳感器的受力之和即為最終的稱重值，和距離無關(guān)，也就是說，無論物料置于這個平面哪個位置，稱重結(jié)果都是一致的。

4 角差及偏載的調(diào)節(jié)

4.1 角差及偏載問題的出現(xiàn)

在定量倉上加載相同的重量，放在不同位置如果產(chǎn)生差值，只要其絕對值大于等于一個規(guī)定的分度值，就認為此稱重系統(tǒng)存在角差問題。

無論上述哪種稱重模式，若要使物料置于同一平面任何位置都不會出現(xiàn)角差問題，需滿足以下 2 個條件：一是稱重傳感器的安裝位置均勻分布，且使每個傳感器盡量受到相同的載荷；二是稱重傳感器的安裝位置盡可能保持高度一致，高度差一般不超過 3 mm。

第 1 個條件在設(shè)計階段即可實現(xiàn)，第 2 個條件則需要在安裝過程中實現(xiàn)，且有一定難度。由于定量倉體積比較大 (稱量值往往從 30 t 到 100 t 不等)，倉體形式各異，很多倉體需要現(xiàn)場拼裝，倉體的拼裝精度又會對支撐情況產(chǎn)生影響，尤其是圓臺圓錐形料倉和雙曲線形料倉拼裝難度更大。為了降低成本和便于安裝，現(xiàn)場常常采用地面組裝再配合吊裝的工藝，拼裝精度的控制要更困難一些[3]。

此外，受到傳感器的安裝條件、安裝測量手段不齊全等的限制，傳感器之間的相對高度不易掌握，容易造成高度差超出允許的范圍。

當(dāng)各支點安裝后出現(xiàn)了高度差，理想的平衡狀態(tài)就會被打破?，F(xiàn)以最常見的四支點衡器進行研究和分析。四支點衡器屬于靜不定系統(tǒng)[4]，會出現(xiàn) 4 個支點不在一個平面但又同時受力的情況，更重要的是各支點的受力情況不一樣，4 個傳感器的力臂也隨之發(fā)生變化。當(dāng)物料置于同一平面的不同位置時，受力之和的顯示結(jié)果就不再一致，這就是由于物料偏載而造成稱量結(jié)果不一樣的情況。偏載檢測是定量倉必須要完成的常規(guī)檢測項目之一。

在裝車站實際配料過程中，是由緩沖倉向定量倉進行配料的，如圖 5 所示。為了提高配料精度，配料過程通常是從粗配到精配。開始時，緩沖倉所有閘門開啟放料，到達一定閾值后粗配閘門關(guān)閉，精配閘門在受控情況下繼續(xù)放料。在物料流動性一般的情況下，精配閘門下放到稱重系統(tǒng)的物料的堆積量往往要大于粗配閘門下放的堆積量，物料在定量倉中必然不是均勻分布，物料重心在稱重系統(tǒng)中必然處于偏載的狀態(tài)。

圖5 裝車站配料過程Fig.5 Operating process of loading station

由于稱重系統(tǒng)出現(xiàn)了角差，加之物料偏載，必然對裝車過程中的稱重誤差產(chǎn)生重大的影響，稱重結(jié)算的準(zhǔn)確度也會出現(xiàn)誤差。對于一個裝車站用的大型衡器來講，必須保證稱重結(jié)果與物料在倉內(nèi)的重心無關(guān)，在不同位置的稱量結(jié)果之間的差值必須小于允許最大偏差。因此，在稱重系統(tǒng)安裝完畢后，必須對稱重系統(tǒng)的角差問題進行調(diào)整和修正。

4.2 角差及偏載問題的解決

關(guān)于角差及偏載問題的解決，現(xiàn)場經(jīng)常采用的辦法是在空倉情況下測量傳感器的值。通過在稱重系統(tǒng)受力平面的不同象限加載相同質(zhì)量的砝碼，并且調(diào)整傳感器底部墊片高度進而改變 4 個傳感器的受力，盡量使傳感器的受力一致。這種思路一方面可以理解為將傳感器受力平面盡量保持齊平，剔除力臂的影響；另一方面可以理解為稱重系統(tǒng)安裝好以后，結(jié)構(gòu)已經(jīng)固定，每個稱重點的力矩是確定的，但是力臂無法控制，因此通過改變每個點的受力，實現(xiàn)各點的受力之和與砝碼重量之間的差值在一個可接受的范圍內(nèi)。但是這種方法存在一個問題，加墊片會改變倉體支撐的結(jié)構(gòu)，需要在現(xiàn)場反復(fù)測試和調(diào)整，是一個憑借施工經(jīng)驗逐步逼近理想結(jié)果的過程。

換一個思路，在力矩平衡的前提下，倉體結(jié)構(gòu)不變，每個點的受力不變，在一個允許的范圍內(nèi)，通過補償力臂最終實現(xiàn)測量值與真實值的近似一致。

由圖 4 可以看到，在理想情況下，每個傳感器到坐標(biāo)軸的垂直距離皆為d。但是出現(xiàn)上述情況后，造成了傳感器組并不真正在一個平面上，這樣每個傳感器投影到這個平面后與坐標(biāo)軸之間的距離并不一定是d。設(shè)每個傳感器與力矩平衡點之間的真正距離為L，這樣由式 (12)可以得到：

式中：LAx為在點A的傳感器在x方向上與力矩平衡點之間的真正距離，其他以此類推。

可以得到

具體實施則是為每個傳感器提供補償以實現(xiàn)測量值與真實值的近似一致。但是，定量倉最常用的模擬稱重傳感器組是并聯(lián)使用的，初始安裝前將 4 只傳感器的靈敏度偏差調(diào)在千分之一以內(nèi)，輸出阻抗也一樣。當(dāng)稱量結(jié)果之間的差值超過最大允許偏差時，改變每個傳感器的橋壓或輸出阻抗，繼而改變傳感器的靈敏度，以調(diào)節(jié)稱量結(jié)果。但是這 4 個傳感器是并聯(lián)的，彼此互為負載，當(dāng)改變橋壓和輸出阻抗時，各傳感器的工作狀態(tài)都會發(fā)生變化[5]，因此模擬傳感器的調(diào)節(jié)并不容易?，F(xiàn)在越來越多的裝車站開始采用數(shù)字稱重傳感器組。數(shù)字稱重傳感器組的優(yōu)勢在于每個傳感器都是獨立工作的，每個傳感器單獨發(fā)送其測量的數(shù)據(jù)，然后根據(jù)每個傳感器的測量數(shù)據(jù)建立方程組，得到每個傳感器所對應(yīng)的補償系數(shù)，最終得到修正值。

由式 (14)可以看到，有 4 個未知數(shù)需要求解，分別是KA、KB、KC和KD，因此必須建立 4 個四元一次方程求解。在裝車站具體使用中，分度值選用 50 kg，采用 10 t 砝碼矯正儀表，砝碼置于定量倉的 4 個角，每個 2.5 t，即m=2 500 kg。分別提起 4 個角的砝碼進行測試，得到表 1 中的數(shù)據(jù)。4 次測量中有 3次測量的FA、FB、FC、FD之和與G有較大差值，說明該稱重系統(tǒng)存在角差問題，需要計算補償系數(shù)KA、KB、KC和KD。

表1 修正前各傳感器測量值及其和Tab.1 Test data of various sensors and their sum before correction kg

建立方程組

計算后得到KA=0.957 2，KB=0.977 1，KC=0.910 7，KD=1.168 8。

再次在定量倉的 4 個角吊起砝碼進行稱量，得到表 2 中的數(shù)據(jù)。

表2 修正后各傳感器測量值及其和Tab.2 Test data of various sensors and their sum after correction kg

由表 2 可以看出，經(jīng)過修正后，在定量倉的 4 個角再次提起砝碼，得到的稱量值與 2 500 kg 相差無幾。此時，物料無論置于倉體內(nèi)任何位置，都能得到在最大允許偏差內(nèi)的稱量值，不會因為偏載出現(xiàn)稱量值超出最大允許偏差的現(xiàn)象。

5 結(jié)語

對裝車站定量倉稱重的原理和倉體結(jié)構(gòu)形式進行了分析，并結(jié)合裝車站定量倉實際配料過程對角差產(chǎn)生的原因和機理進行了探討，提出了通過補償傳感器測量值的方法以，解決了因角差引起的偏載問題。該方法可操作性強，精度高，具有較強的指導(dǎo)意義和推廣價值。