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大宗散狀物料( 煤炭、礦石等) 的裝卸是港口作業(yè)的基本方式，在運輸過程中對物料進行準確計量和控制，對于提高港口作業(yè)率、降低設(shè)備空轉(zhuǎn)率及確保船舶航行安全有著重要的意義。本文擬在“計量控制點設(shè)置模式”的分析基礎(chǔ)上，介紹“移動式皮帶稱重”的相關(guān)技術(shù)，并對利用移動式皮帶秤進行“定量裝船”和“原煤配送”的控制方法進行介紹。
1 散料裝船過程中的計量控制模式
1. 1 模式一: 控制點設(shè)在末端以水尺計重數(shù)據(jù)為依據(jù)，在輸料線的末端設(shè)置控制點。首先設(shè)定一個停機提前量，待水尺讀得的裝船量達到設(shè)定值( 設(shè)定值= 額定裝船數(shù)－ 提前量) 時，停止輸料線前端取料設(shè)備。此時從前端取料點到末端裝船點之間有物料停留，停留的物料量有以下三種情況:
① 停留物料量等于設(shè)定值，此次裝船量控制成功。
② 停留物料量小于設(shè)定值，則在途物料全部裝船后，仍未達到額定裝船量。如需補足，則需要重復(fù)上述控制過程。發(fā)生此種情況后，要求對補加量有一個更為準確的控制，同時在兩次補料作業(yè)過程間，存在一段輸料設(shè)備空轉(zhuǎn)期。導(dǎo)致裝船作業(yè)時間延長和設(shè)備空轉(zhuǎn)耗能，輸料線越長，其影響越大。
③ 停留物料量大于設(shè)定值，則將出現(xiàn)實際裝船物料量大于額定裝船量的現(xiàn)象。如其超過了允許的偏差值，則會造成船舶超載，而這是嚴格禁止的，必須將超裝的物料卸出并返回原場地，如此勢必造成作業(yè)時間延長和作業(yè)成本增加的后果。如果為避免出現(xiàn)超載，在作業(yè)途中就得停止裝船，造成輸送線帶料停車，而帶料停車將導(dǎo)致整條輸送線無法啟動的嚴重后果。顯然這種控制模式不是理想的模式。
試舉一例:輸送線皮帶機額定流量為6000t /h、皮帶速度為4m/s、取料點至裝船點距離為2500m。經(jīng)計算，此時的設(shè)定停料量1041t、提前停止輸料時間為625s，為保險起見，提前時間應(yīng)小于625s。由于輸送線物料量不易控制、流量不均勻恒定，最終導(dǎo)致裝船量有較大的變數(shù)，二次補料不可避免。
1. 2 模式二: 控制點設(shè)在輸料線中途在整個裝船輸料線的某個中間位置設(shè)置一臺計量皮帶秤，對裝船物料進行計量與控制。顯然，控制點距前端取料點越近、補料量越小，對準確控制越有利。但這一控制模式同樣有一個提前量的設(shè)定問題，當這個設(shè)定量出現(xiàn)偏差時，結(jié)果與“末端控制”模式相同。尤其是當散貨料場縱深較長時，取料機取料時的位置就造成了不可忽略的影響。例: 貨場長度為1000m 時，取料機在料場二端的位置差將造成約1000m 皮帶長度的物料量偏差。仍以前例: 輸送線額定流量為6000t /h、皮帶速度為4m/s，則此1000m 皮帶的物料偏差即為416t。顯然，這一誤差量還是很大的，對裝船作業(yè)是不能允許的。另一種常見情況是當多臺取料機共同作業(yè)裝船時，情況將更為復(fù)雜，補料量將更難確定和控制。顯然，在這種情況下，只能通過調(diào)度員對實際情況的及時跟蹤了解，并根據(jù)經(jīng)驗計算得出計量控制的提前量，最終實現(xiàn)準確裝船。由于對于裝船總量的單向性要求( 不允許超載) ，依據(jù)調(diào)度人員的經(jīng)驗和估算就存在較大的風(fēng)險。此種模式也不是一種理想的模式。
1. 3 模式三: 控制點設(shè)在前端
此種模式是在整個輸送線最前端的取料機上安裝一臺皮帶秤，對取料機所取的物料進行計量，皮帶秤計量數(shù)值就是最終裝船的物料量，無需設(shè)定提前量及頻繁地開停輸送線皮帶機，也不存在上述兩種控制模式中存在的各種問題。顯然，這應(yīng)該是一種理想的模式。
2 前端控制設(shè)備———移動式皮帶秤
裝船輸送線的前端取料設(shè)備一般都是移動式堆取料機，通過取料機懸臂前端的旋轉(zhuǎn)頭輪將物料“刮”起，再通過數(shù)十米長的懸臂皮帶機將物料送出，在懸臂皮帶機上安裝皮帶秤是目前絕大多數(shù)前端計量設(shè)備所共同采用的方法。
由于該皮帶秤是在懸臂作多維移動的情況下計量的，故稱之為“移動式皮帶秤”。這是一種特殊形式的皮帶秤，由于其對解決類似的裝船控制問題的獨特作用，受到用戶的歡迎; 也由于使用中存在精度低、耐久性能差的問題，普遍受到用戶的詬病。
2. 1 移動式皮帶秤的現(xiàn)狀
眾所周知，固定式皮帶秤( 普通皮帶秤) 在使用中問題多，尤其是皮帶秤的長期穩(wěn)定性，更是其難以克服的頑疾。綜觀皮帶秤使用情況，凡使用較好者大多是具備方便的實物檢定條件、具有專業(yè)隊伍精心維護的用戶。這些要求對于大部分港口用戶來說，過于苛刻。目前的現(xiàn)狀是，港口在用的皮帶秤中，如能適度維護，計量準確度大致在1% ～ 5%之間; 不能正常維護的用戶，情況會更差。
現(xiàn)在使用的移動式皮帶秤，基本都是在固定式皮帶秤基礎(chǔ)上，加裝一個角度檢測裝置構(gòu)成。由于皮帶秤常常處于移動狀態(tài)，使得原來影響皮帶秤長期穩(wěn)定性的因素大為擴大，常規(guī)的角度測量又引入新的誤差，使得移動式皮帶秤的誤差在固定式皮帶秤的基礎(chǔ)上又有較大的增加，其準確度指標大大下降，稱量的數(shù)據(jù)僅作參考用，且其不確定性大?？梢哉f，目前意義上的移動式皮帶秤已從計量裝置蛻變?yōu)樘峁┒ㄐ詤⒖嫉墓ぞ?，與“秤”的概念漸行漸遠了。
2. 2 移動式皮帶秤主要技術(shù)難點
( 1) 秤體受力狀態(tài)不斷改變
在固定式皮帶秤中，物料的重力方向垂直向下，作用于秤架上力的方向是恒定的。而在移動式皮帶秤中，物料的重力仍垂直向下，但作用于秤體力的方向則隨著懸臂的角度變化而不斷改變，這就意味著相同的物料重量，在秤體上的作用力大小是不同的，空帶
運行時的皮重也是不同的，常規(guī)的皮帶秤數(shù)學(xué)模型已不適用。因此，在移動式皮帶秤中，確定的狀態(tài)消失了，一切都隨角度而變化。
( 2) “角度”的定義與“角度”的“二維”變化
移動式皮帶秤的計量準確度取決于“角度”測量的準確與否。而“角度”的準確定義是什么? 從嚴格意義上講，這里的“角度”并不是指懸臂的角度，而應(yīng)當是皮帶秤架在該狀態(tài)下物料重力方向與運行方向之間的夾角。重力方向垂直向下，物料的運行方向如何確定? 經(jīng)過分析我們發(fā)現(xiàn)，物料的運行方向是由秤架上稱重托輥所確定，也就是說，皮帶秤的稱重托輥與皮帶接觸部分的切向決定了物料的運行方向。
對于現(xiàn)代皮帶秤來說，一般都采用多托輥方式，多組托輥上表面切向角度才是物料的實際運行方向。當我們考慮實際情況時還發(fā)現(xiàn): 皮帶秤架不僅隨著懸臂的俯、仰運動改變角度，懸臂本身還會產(chǎn)生左、右側(cè)傾。即對于皮帶秤來說，承載于其上的物料重力有了上、下和左、右的二維角度變化，而任一維角度的變化都會直接影響到皮帶秤稱重傳感器載荷的數(shù)值變化。
因此，移動式皮帶秤需要解決以下兩個問題:
① 如何確定多托輥秤架所等效的物料運行角度?
② 如何準確測量皮帶秤二維方向的角度變化?這二個問題無論從技術(shù)上和實際應(yīng)用的可操作性上都有相當大的難度。
( 3) 角度檢測的難度
如上所述，移動式皮帶秤秤架的角度是一個等效角度，且這個變化有二維度變化量，如何檢測這一角度的變化量是一個技術(shù)難點，其關(guān)鍵是在什么位置上進行角度測量才能代表實際的等效角度?，F(xiàn)有的移動式皮帶秤大多都采用在懸臂轉(zhuǎn)軸安裝角度傳感器來檢測懸臂角度及變化量，實踐證明，這一方法引入的誤差很大。這種方法的主要誤差有二個: 一個是不能測量懸臂左、右側(cè)傾造成的角度變化; 另一個是轉(zhuǎn)軸處的絕對角度值并不是秤架真正的等效角度，它與秤體等效角度值之間存在一個固定的角度差，而這一差值在不同角度時引起的誤差很大。
( 4) 余弦函數(shù)的非線性影響
如上分析，在移動式皮帶秤中，物料重力與等效運行方向之間產(chǎn)生夾角，秤架上稱重傳感器所受力為:
P = G × cosα式中: P 為傳感器受力; G 為物料重力; α 為重力與等效運行方向夾角。
Cos 為余弦函數(shù)，其典型特性是其非線性，相同的角度變化在0° 附近時，影響很小，而在一定角度( 如15°) 時則引起很大變化。
從表1 可以看出:同樣角度增加0. 5°，在0°附近時基本沒有變化，而在15°時則變化達0. 2381%，由此可有以下結(jié)論:
① 角度測量的準確度要求較高，微小的偏差，帶來的影響很大。
② 當角度測量點位置選擇不當，造成所測角度值和物料運行等效方向的角度值有所偏差( 如表1 的0. 5°) 時，將引入誤差。
③ 角度測量的準確性是移動式皮帶秤的主要誤差來源。
( 5) 秤體結(jié)構(gòu)對角度變化的適應(yīng)性對于大部分結(jié)構(gòu)型式的皮帶秤架而言，整個秤體發(fā)生移動時，對其稱重準確度的影響是致命的。這是因為皮帶秤為了追求消除皮帶張力影響采用了較大剛度和多點支承與緊固的方法，這些笨重的秤體在角度變化時產(chǎn)生了側(cè)向分力，并給各緊固點施加了額外的并不斷變化的力，這打破了秤體穩(wěn)定的受力平衡系統(tǒng)，直接造成了秤體結(jié)構(gòu)的位移或受力狀態(tài)的變化，最終導(dǎo)致了原有準確度的喪失。
2. 3 最新的移動式皮帶秤技術(shù)
針對移動式皮帶秤的上述技術(shù)難點，我們建設(shè)了一套移動式皮帶秤的實物試驗系統(tǒng)，用于對移動式皮帶秤技術(shù)進行系統(tǒng)研究，并成功地研究完成了全新一代移動式皮帶秤技術(shù)，徹底解決了現(xiàn)有移動式皮帶秤存在的問題。根據(jù)這一新技術(shù)研制出的產(chǎn)品成功應(yīng)用
于某港口的帶寬B = 1800mm、帶速v = 4. 5m/s 的堆取料機上，經(jīng)過調(diào)試和實際運行試驗，在堆取料機以最高速度進行行走、同時懸臂作左右旋轉(zhuǎn)、上下俯仰動作時，在最大和最小角度的計量誤差優(yōu)于0. 5%，實現(xiàn)了在三維運動情況下保持稱重準確度的目標。
該項新技術(shù)有以下特點:
( 1) 采用陣列式稱重技術(shù)，整個稱重系統(tǒng)由多個稱重單元組成，一方面擴大了有效的稱重范圍，更重要的是利用其“內(nèi)力理論”克服了皮帶張力帶來的影響。
( 2) 采用最新發(fā)明專利三維姿態(tài)跟蹤技術(shù)———“全方位稱重單元姿態(tài)跟蹤”，完成稱重系統(tǒng)的角度變化跟蹤、檢測，解決了懸臂運行時產(chǎn)生的二維角度變化的影響，對物料重力的變化進行準確補償。
( 3) 獨有的稱重數(shù)學(xué)模型和軟件技術(shù)，準確計算各角度下重量的變化，有效地解決了余弦函數(shù)的非線性誤差影響; 各稱重單元等效運行角的相關(guān)計算與補償; 溫度對稱重系統(tǒng)影響的自動補償; 安裝與使用簡便易行。
( 4) 具有獨創(chuàng)性的稱重結(jié)構(gòu)設(shè)計，可以在各種運動狀態(tài)下保持稱重系統(tǒng)的穩(wěn)定性，消除因運動對稱重結(jié)構(gòu)帶來的各種影響。
( 5) 可以在長期免維護的情況下實現(xiàn)稱重準確度≤0. 5%，完全滿足港口裝船與計量的要求。3 移動式皮帶秤的典型應(yīng)用
3. 1 單物料裝船系統(tǒng)
( 1) 系統(tǒng)構(gòu)成
移動式皮帶秤系統(tǒng)一套( 含稱重單元一組; 測速系統(tǒng)一套; 姿態(tài)跟蹤單元一套; 移動式皮帶秤儀表一套) ; 與調(diào)度室聯(lián)絡(luò)系統(tǒng); 與輸送線皮帶機電氣控制聯(lián)鎖系統(tǒng)。
( 2) 運行流程
由調(diào)度室發(fā)出裝船總量信息送往皮帶秤儀表→皮帶秤對所取物料進行計量→到達調(diào)度室發(fā)出的總量數(shù)值時發(fā)出停機信號→人工停止裝料或系統(tǒng)自動按順序停機。系統(tǒng)裝船控制準確度≤0. 5%。
( 3) 系統(tǒng)特點
一旦調(diào)度室給出裝船總量信息后，不再需要人工干預(yù)，由移動皮帶秤在總量到達時發(fā)出信號，完成停止裝料程序。在裝船準確度≤0. 5% 可以滿足要求的情況下，一次即可完成整個裝船過程，無需設(shè)置提前量和進行多次補料作業(yè)。
3. 2 多種物料配比裝船
如有二種( 或以上) 物料( 如煤) 需在裝船時進行配比控制，以保證其理化指標( 如熱值) 符合用戶要求，則需要二臺( 或多臺) 取料機同時工作，在完成各自裝船總量控制的同時，需按設(shè)定的流量進行瞬時量控制，保證二種物料混合均勻，達到配比要求。
( 1) 系統(tǒng)構(gòu)成
移動式皮帶秤系統(tǒng)二套( 或多臺) ; 與調(diào)度室聯(lián)絡(luò)系統(tǒng); 與輸送線皮帶機電氣控制聯(lián)鎖系統(tǒng); 其中取料機具有按設(shè)定流量進行取料速度自動控制的功能。
( 2) 運行流程
調(diào)度室對各臺移動式皮帶秤分別設(shè)定各自的瞬時流量與裝料總量數(shù)值→各皮帶秤按設(shè)定流量數(shù)值控制裝料物料流量→到達預(yù)定裝船總量時發(fā)出提示信號或控制停機。各物料裝船總量準確度≤0. 5%; 配比控制準確度≤1% ( 與取料機控制性能有關(guān)) 。
( 3) 系統(tǒng)特點
調(diào)度室發(fā)出配比與總量指令后，配料工作由皮帶秤儀表自動控制完成，無需人工干預(yù)，調(diào)度室可隨時觀察二種物料配料過程與總量情況，直至裝船過程結(jié)束。裝船總量準確度≤0. 5%，整個裝船過程可一次完成，無需二次補料作業(yè)。當取料機可控性能好時，配比控制可達較高精度，保證二種物料的瞬時混合配比達到≤1% 的指標，使系統(tǒng)運行發(fā)揮最大效益。移動式皮帶秤有其獨特的用途和技術(shù)難度。但由于在港口裝船控制和其它各種作業(yè)環(huán)境中具有不可替代的作用，研究并發(fā)展這一技術(shù)，對促進港口物流技術(shù)的進步、提高裝卸作業(yè)的效率及提高經(jīng)濟效益的作用是十分明顯的。為此我們在已取得成果的基礎(chǔ)上將作更進一步努力，最終為實現(xiàn)整個港口行業(yè)的裝船控制技術(shù)的更新?lián)Q代貢獻力量。
 

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