為了對一輛集卡裝載的2個(gè)20英尺集裝箱進(jìn)行分別稱(chēng)重,設計了新的地磅結構,推導出計算公 式并進(jìn)行實(shí)驗驗證,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(chēng)重方法。

在港口貨運計量中，常用的計量器具為地磅、 軌道衡、吊鉤秤、散料秤、包裝秤等，其中地磅發(fā)揮 著(zhù)重要作用，每年約有60%的港口貨物吞吐量通過(guò) 汽車(chē)衡計量。傳統的地磅是通過(guò)稱(chēng)量包括運輸車(chē) 輛的皮重和貨物凈重在內的總重,再通過(guò)車(chē)輛回皮 的方式得到貨物凈重。但當一輛集卡同時(shí)運輸2個(gè) 20英尺集裝箱時(shí)，只能得到兩箱的總重而無(wú)法判別 每只箱的重量。隨著(zhù)港口集裝箱運輸業(yè)的快速發(fā) 展，為了更好地適應港口裝船快速合理的配載和保 護裝卸設備、吊具等的需要,提高港口物流效率,一 次稱(chēng)量就能識別單個(gè)集裝箱重量的需求越來(lái)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(mén)港等都嘗試了很多的方法,但都沒(méi)有獲得較為滿(mǎn) 意的結果。本文通過(guò)理論分析與實(shí)驗,提出了一種 新型的集裝箱汽車(chē)衡結構,并對集裝箱卡車(chē)和集裝 箱進(jìn)行力學(xué)分析，推導出了集裝箱單箱重量公式及 修正公式,然后通過(guò)對實(shí)驗結果的分析，確定了最佳 修正量，也驗證了此方法的可行性。

1.公式推導

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

(1)牽引車(chē)受力情況分析（見(jiàn)圖1)

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

根據受力平衡方程可得：

圖中，偽掛車(chē)中心銷(xiāo)與中間軸之間的距離。

為了得到3個(gè)支點(diǎn)的反力，本文對傳統的1個(gè) 稱(chēng)重平臺的結構進(jìn)行了改進(jìn),新型汽車(chē)衡由3個(gè)小 型稱(chēng)重平臺組成，這樣在稱(chēng)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(chē)與裝 載集裝箱的總重。

空載情況（見(jiàn)圖2):

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

1式中，G為貨物總重通過(guò)稱(chēng)重可得到);1為20英

尺集裝箱的長(cháng)度（已知）。

(3)分析圖4,可知單集裝箱的重量公式如下(假

設:單集裝箱內貨物裝配均勻,重心在中心位置）:

2.實(shí)驗設計

在完成公式的推導后，需要進(jìn)行實(shí)驗以驗證公 式的可行性。實(shí)驗必須考慮到：①如何使得到的實(shí) 驗數據能夠覆蓋碼頭集裝箱掛車(chē)的大部分質(zhì)量。② 實(shí)驗加載遵循怎樣的變化規律。③實(shí)驗的規模和精 度。于是實(shí)驗設定為固定前箱，后箱以4 t的公差 逐級增加，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(chēng)重的實(shí)際情況。

通過(guò)實(shí)施上述實(shí)驗，得到48組實(shí)驗數據。把實(shí) 驗所得的數據代入公式進(jìn)行計算，得到前后箱重及 誤差。表1中列出了其中的10組數據。

公式計算結果

公式所計算出的部分結果與實(shí)驗結果偏差較 大，如組號為1、2、4等組數據有超過(guò)±5%的誤差。 這個(gè)誤差與±3%的實(shí)際應用目標有較大的距離。 所以需要尋找一個(gè)有效的誤差修正方法，使公式計 算結果達到實(shí)際應用目標的要求。

3.公式修正

上文所推導出的集裝箱單箱的計算公式的成立 是建立在一個(gè)假設前提下，即單集裝箱內貨物裝配 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，所以這可能是導致公式計算結果誤差較大的 個(gè)重要因素。為此，以集裝箱重心偏移為修正因子對公式進(jìn)行修正推導。

假設兩個(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。

設圖中掛車(chē)對兩集裝箱整體的合力為N，對整

體進(jìn)行受力分析可得

N =G

對圖中單箱及雙箱進(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.修正結果分析

在本文第4節中,推導出了修正公式,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用到修正 公式后計算出的單箱重量誤差不超過(guò)±3%的范圍。

圍繞著(zhù)上述要求,課題組著(zhù)重對重心偏移的實(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。根據經(jīng)驗,裝滿(mǎn)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(guò) ±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 和計算過(guò)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)行誤差對比分析。

結合這24個(gè)修正值,將本文第3節所描述的實(shí) 驗所測的數據代到修正之后的公式中,得到各組實(shí) 驗數據及其相對于標準重量的相對誤差。在表2中 列出了 48組數據經(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中略去了后箱計算結果。

表2 24種修正值修正效果對比

& 修正值 相對誤差 絕對誤差

取值萬(wàn)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xi =0、x, =0, 2時(shí),修正 結果相對誤差平均值及絕對誤差平均值均最小。根 據預期要求,最后所得的修正結果要使得每組數據 都能滿(mǎn)足±3%的精度要求,所有組的數據經(jīng)過(guò)修正 后要在這個(gè)精度范圍內，才能滿(mǎn)足修正精度要求。 對當xi =0、x, =0. 2時(shí)各組實(shí)驗數據進(jìn)行觀(guān)察分 析,確定每一組數據均在這個(gè)要求范圍內,見(jiàn)表3。

可見(jiàn),這個(gè)修正量對公式的修正能使所有實(shí)驗 組數據誤差控制在±3%之內,且經(jīng)過(guò)統計分析誤差 絕對值平均值有大幅度的降低,誤差重量大大減小 了 ,見(jiàn)表 4。

從分析的結果及評價(jià)的效果來(lái)看,代入修正值 后精度大幅度提高,對原公式來(lái)說(shuō),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 1. 00%,其絕對誤差平均值也可達到174 kg 。綜合 以上計算分析結果,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.結語(yǔ)

經(jīng)過(guò)實(shí)驗證明,本文所研究的新型集裝箱汽車(chē) 衡稱(chēng)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)際應用。采用這種方法,可適應港口裝船快 速合理的配載和保護裝卸設備吊具等的需要,提高 港口物流效率。