為了對(duì)一輛集卡裝載的2個(gè)20英尺集裝箱進(jìn)行分別稱重,設(shè)計(jì)了新的地磅結(jié)構(gòu),推導(dǎo)出計(jì)算公 式并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,得到了一種可以保證作業(yè)安全且能為港口和貨主接受的集裝箱地磅稱重方法。

在港口貨運(yùn)計(jì)量中，常用的計(jì)量器具為地磅、 軌道衡、吊鉤秤、散料秤、包裝秤等，其中地磅發(fā)揮 著重要作用，每年約有60%的港口貨物吞吐量通過 汽車衡計(jì)量。傳統(tǒng)的地磅是通過稱量包括運(yùn)輸車 輛的皮重和貨物凈重在內(nèi)的總重,再通過車輛回皮 的方式得到貨物凈重。但當(dāng)一輛集卡同時(shí)運(yùn)輸2個(gè) 20英尺集裝箱時(shí)，只能得到兩箱的總重而無法判別 每只箱的重量。隨著港口集裝箱運(yùn)輸業(yè)的快速發(fā) 展，為了更好地適應(yīng)港口裝船快速合理的配載和保 護(hù)裝卸設(shè)備、吊具等的需要,提高港口物流效率,一 次稱量就能識(shí)別單個(gè)集裝箱重量的需求越來越迫 切。為了解決這一難題，SCT (上海集裝箱碼頭）、 SECT (上海外高橋集裝箱碼頭）、寧波港、大連港、廈 門港等都嘗試了很多的方法,但都沒有獲得較為滿 意的結(jié)果。本文通過理論分析與實(shí)驗(yàn),提出了一種 新型的集裝箱汽車衡結(jié)構(gòu),并對(duì)集裝箱卡車和集裝 箱進(jìn)行力學(xué)分析，推導(dǎo)出了集裝箱單箱重量公式及 修正公式,然后通過對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，確定了最佳 修正量，也驗(yàn)證了此方法的可行性。

1.公式推導(dǎo)

首先，需要對(duì)牽引車和掛車在不同情況下的受 力狀況進(jìn)行分析。

(1)牽引車受力情況分析（見圖1)

圖中，^為牽引車的自重集裝箱掛車的自重為 g') ; F1為掛車通過連接銷施加在中間軸上的力; P1、P2分別為各軸的重力。

根據(jù)受力平衡方程可得：

圖中，偽掛車中心銷與中間軸之間的距離。

為了得到3個(gè)支點(diǎn)的反力，本文對(duì)傳統(tǒng)的1個(gè) 稱重平臺(tái)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn),新型汽車衡由3個(gè)小 型稱重平臺(tái)組成，這樣在稱重時(shí)就可以得到3個(gè)支 點(diǎn)反力 ,而 3個(gè)支點(diǎn)反力之和就是集裝箱卡車與裝 載集裝箱的總重。

空載情況（見圖2):

i' = P3' y (D +1") /g' - 1" (2)

1式中，G為貨物總重通過稱重可得到);1為20英

尺集裝箱的長(zhǎng)度（已知）。

(3)分析圖4,可知單集裝箱的重量公式如下(假

設(shè):單集裝箱內(nèi)貨物裝配均勻,重心在中心位置）:

2.實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

在完成公式的推導(dǎo)后，需要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)證公 式的可行性。實(shí)驗(yàn)必須考慮到：①如何使得到的實(shí) 驗(yàn)數(shù)據(jù)能夠覆蓋碼頭集裝箱掛車的大部分質(zhì)量。② 實(shí)驗(yàn)加載遵循怎樣的變化規(guī)律。③實(shí)驗(yàn)的規(guī)模和精 度。于是實(shí)驗(yàn)設(shè)定為固定前箱，后箱以4 t的公差 逐級(jí)增加，得到各軸的軸荷。這樣，分析的時(shí)候可以 盡可能的接近港口集裝箱稱重的實(shí)際情況。

通過實(shí)施上述實(shí)驗(yàn)，得到48組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。把實(shí) 驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)代入公式進(jìn)行計(jì)算，得到前后箱重及 誤差。表1中列出了其中的10組數(shù)據(jù)。

公式計(jì)算結(jié)果

公式所計(jì)算出的部分結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果偏差較 大，如組號(hào)為1、2、4等組數(shù)據(jù)有超過±5%的誤差。 這個(gè)誤差與±3%的實(shí)際應(yīng)用目標(biāo)有較大的距離。 所以需要尋找一個(gè)有效的誤差修正方法，使公式計(jì) 算結(jié)果達(dá)到實(shí)際應(yīng)用目標(biāo)的要求。

3.公式修正

上文所推導(dǎo)出的集裝箱單箱的計(jì)算公式的成立 是建立在一個(gè)假設(shè)前提下，即單集裝箱內(nèi)貨物裝配 均勻且重心在中心位置，而實(shí)際情況不會(huì)是這樣理 想的，所以這可能是導(dǎo)致公式計(jì)算結(jié)果誤差較大的 個(gè)重要因素。為此，以集裝箱重心偏移為修正因子對(duì)公式進(jìn)行修正推導(dǎo)。

假設(shè)兩個(gè)集裝箱重心和中心位置的位移量分別 為$、2，在兩集裝箱加載的情況下，其受力情況如 圖5所示。

設(shè)圖中掛車對(duì)兩集裝箱整體的合力為N，對(duì)整

體進(jìn)行受力分析可得

N =G

對(duì)圖中單箱及雙箱進(jìn)行力矩分析可得：

L ' 31 '

Gi 2 + xi + G 二 + X = N '乂 l

把式（6)代入式（7)得

L ! 31 !

Gi 2 + xi + G 二 + X = G '乂 l

又由于

Gi +G = G 得到單集裝箱的重量修正公式如下：

(3L 1 - 21 + 2 x )

2L - 2 (xi - x)

(21 - L , - 2 xi)

2L 1 - 2 (Xi - X2)

把式（3)代入式（9)可得修正后的單箱計(jì)算公

式

G(3L 1 - 2 ls + 21 + 2x2) - 2 (P3 - P3 ) (D + f) 2L ' - 2 (xi - X2)

G (21s - 21!l - 2xi - L ') + 2 (P3 - P3 ') (D + 1)

2L 1 - 2 (xi - x2)

(i0)

4.修正結(jié)果分析

在本文第4節(jié)中,推導(dǎo)出了修正公式,但其中的 修正量^、x2的值還有待確定。選取^、x的值的 一個(gè)前提條件是,所選取的值必需能在應(yīng)用到修正 公式后計(jì)算出的單箱重量誤差不超過±3%的范圍。

圍繞著上述要求,課題組著重對(duì)重心偏移的實(shí) 際工況進(jìn)行了分析,得到了以下5種工況：

(1)兩個(gè)集裝箱的重心內(nèi)偏，此種工況具體包 括 xi >0, xi <0。

a)兩個(gè)集裝箱的重心外偏’此種工況具體包 括 xi <0, x2 >0。

(3 )兩個(gè)集裝箱的重心同向偏,此種工況具體 包括xi >0, x, >0和xi <0, x, <0兩種情況。

兩個(gè)集裝箱中,前箱的重心偏移量接近于 零為簡(jiǎn)化分析,此處認(rèn)為是零）,此種工況具體包 括 xi =0, x, >0和 xi =0, x, <0兩種情況。

兩個(gè)集裝箱中,后箱的重心偏移量接近于 零（此處認(rèn)為是零）,此種工況具體包括xi >0, x,= 0和xi <0, x, =0兩種情況。

從上面的分析可以看出,5種工況實(shí)際上包含 了 8種xi、的取值方法。根據(jù)經(jīng)驗(yàn),裝滿貨物的 集裝箱的重心和集裝箱中心的偏移量一般不會(huì)超過 ±0. 3 m。另外,為方便研究,在8種xi、x,的取值 方法中均取極限情況的值。這樣可以大大簡(jiǎn)化分析 和計(jì)算過程。綜合這些情況分析,最后課題組確定 了每種取值方法分別取0. 3、0. 2、0. i,總共24種具 體值進(jìn)行誤差對(duì)比分析。

結(jié)合這24個(gè)修正值,將本文第3節(jié)所描述的實(shí) 驗(yàn)所測(cè)的數(shù)據(jù)代到修正之后的公式中,得到各組實(shí) 驗(yàn)數(shù)據(jù)及其相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)重量的相對(duì)誤差。在表2中 列出了 48組數(shù)據(jù)經(jīng)24種修正值修正后的誤差均 值。由于前箱與后箱的重量誤差具有相關(guān)性,故在 表2中略去了后箱計(jì)算結(jié)果。

表2 24種修正值修正效果對(duì)比

& 修正值 相對(duì)誤差 絕對(duì)誤差

取值萬法 &

xi x2 均值/% 均值/kg

0. 3 0. 3 6. 19 848

xi >0、x, <0 0. 2 0. 2 5. 27 739

0. 1 0. i 4. 58 68i

0. 3 0. 3 14. 98 2 544

xi <0、x, <0 0. 2 0. 2 11. 37 1 920

0. 1 0. 1 7. 76 1 297

0. 3 0. 3 6. 67 1 198

xi >0、x, >0 0. 2 0. 2 3. 06 574

0. 1 0. 1 1. 27 180

0. 3 0. 3 3. 33 689

xi <0、x, =0 0. 2 0. 2 3. 48 675

0. 1 0. 1 3. 81 674

0. 3 0 2. 66 479

xi <0、x, >0 0. 2 0 2. 13 303

0. 1 0 2. 69 387

0. 3 0 8. 79 1 565

xi >0、x, =0 0. 2 0 7. 30 1 277

0. 1 0 5. 75 980

0 0. 3 1. 85 288

xi =0、x, >0 0 0. 2 1. 00 174

0 0. 1 2. 23 371

0 0. 3 10. 42 1 657

xi =0、x, <0 0 0. 2 8. 26 1 317

0 0. 1 6. 17 990

分析表2可以看到：當(dāng)xi =0、x, =0, 2時(shí),修正 結(jié)果相對(duì)誤差平均值及絕對(duì)誤差平均值均最小。根 據(jù)預(yù)期要求,最后所得的修正結(jié)果要使得每組數(shù)據(jù) 都能滿足±3%的精度要求,所有組的數(shù)據(jù)經(jīng)過修正 后要在這個(gè)精度范圍內(nèi)，才能滿足修正精度要求。 對(duì)當(dāng)xi =0、x, =0. 2時(shí)各組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行觀察分 析,確定每一組數(shù)據(jù)均在這個(gè)要求范圍內(nèi),見表3。

可見,這個(gè)修正量對(duì)公式的修正能使所有實(shí)驗(yàn) 組數(shù)據(jù)誤差控制在±3%之內(nèi),且經(jīng)過統(tǒng)計(jì)分析誤差 絕對(duì)值平均值有大幅度的降低,誤差重量大大減小 了 ,見表 4。

從分析的結(jié)果及評(píng)價(jià)的效果來看,代入修正值 后精度大幅度提高,對(duì)原公式來說,代入X1 =0、X2 =0. 2時(shí)修正的效果最好,其修正精度平均值可達(dá) 1. 00%,其絕對(duì)誤差平均值也可達(dá)到174 kg 。綜合 以上計(jì)算分析結(jié)果,最終確定A =0、x =0. 2為原 公式的選定修正值。

代入修正值后 ,最終公式為

G(3L ' - 2 is + 21 + 0. 4) - 2 (P3 - P3 ) (D + 1)

G = 2L ' + 0. 4

G(2 is - 21" - L ) + 2 (P3 - P3 ) (D + i)

2L ' + 0. 4

(11)

5.結(jié)語

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)證明,本文所研究的新型集裝箱汽車 衡稱重方法有很好的實(shí)用性,此方法已在天津港進(jìn) 行了實(shí)際應(yīng)用。采用這種方法,可適應(yīng)港口裝船快 速合理的配載和保護(hù)裝卸設(shè)備吊具等的需要,提高 港口物流效率。