【本期聚焦·科研与技革】穿心垫块式重量传感器模式设计

为解决销轴式重量传感器损坏频繁和数据不准确的问题，在不影响双箱场桥结构的前提下，重新设计穿心垫块式重量传感器，并将传感器的位置由上架销轴改为剪切应力作用最小的旋锁垫块。

港口；销轴式重量传感器；旋锁垫块；穿心垫块式重量传感器

双箱场桥在作业过程中需要使用重量传感器采集箱重数据，并根据采集的数据判断是否需要进行超载报警，因此重量传感器关乎场桥安全运行。重量传感器工作原理：起吊时箱重通过吊具旋锁-上架旋锁传导至重量传感器轴承，致使轴承发生小幅形变；重量传感器元器件通过形变变化采集数据（分为阻值式和电流变化式），并将数据通过信号线传输至场桥CPU控制系统；通过逻辑计算（去除吊具、上架自重等非箱重因素）得出具体箱重，并通过逻辑控制决定是否超载，从而保护场桥吊具和钢丝绳。重量传感器位置见图1。

重量传感器所处的位置是所有作用应力最为集中的部位且完全裸露在外，无任何防互措施。通过受力分析发现，重量传感器承载整个吊架、吊具和箱重的全部重量，且由于上架需与钢丝绳有效连接，因此连接耳板将所有晃动及振动产生的剪切力（包括纵向和横向）全部作用于此处。由于销轴孔在剪切转动中与销轴进行磨削，即使在得到充分润滑的情况下，其孔径和孔型也会发生改变，造成形变，导致轴承在1个不规则的轴孔中作圆周剪切运动，使磨损旷量加大，最终损坏结构件，导致数据采集无法正常进行，从而影响场桥作业安全。影响重量传感器工作的耳板部位见图2。

耳板在运行中晃动很频繁，产生的剪切角很大，导致重量传感器承受很多作用力，从而加剧重量传感器的失效。此外，重量传感器的插头连接完全裸露在外，在无全面水密保护的情况下极易造成渗水短路故障。因此，亟需对重量传感器进行改造。

2.1　位置选择

吊具作为直接接触集装箱的装卸设备，是检测受力最为直接的媒介。下面分析在吊具上安装重量传感器的合理位置。

• 端梁。端梁作为承重结构件，是吊具的主要骨架结构，承载所有作用应力及重力传载，但梁体需要进行伸缩运动，在运行中不能有干涉位置及结构件，且唯一的连接位置已被伸缩油缸轴承占据，因此不适合选位。

• 本体。本体上所有轴承连接位置均为吊具连接的必要轴承且受力为非重力源方式，检测数据不准确，因此不适合选位。

• 旋锁。旋锁作为吊具直接抓取集装箱的结构件，其适应性相当强，且作为第一检测结构件，具有检测精度准确的优势。但旋锁位置结构紧凑，受力相对集中且工作环境特别恶劣，无法提供有效线缆安装位置，因此不适合选位。

• 旋锁螺母。旋锁螺母起到固定旋锁的重要作用，通过螺纹承受旋锁在着箱及吊起后的箱重及剪切力，是直接受力位置，但螺母属于侧受力装置，不是直接受箱重挤压的装置，不发生挤压形变，不符合重量传感器的工作原理，因此不适合选位。

• 旋锁曲柄。旋锁曲柄起到固定及传动作用，但不是直接受力承载装置，因此不适合选位。

• 旋锁护套。此类结构件不是直接受力承受源，因此不适合选位。

• 旋锁曲柄垫块。旋锁曲柄垫块（以下简称“垫块”）是直接受力承受源。旋锁箱体内部空间大，也便于安装重量传感器检测线缆。因此，可作为选位结构件。

2.2　重量传感器元器件安装

可直接在垫块底部或中部安装重量传感器检测元器件（电阻抗压式）。

2.3　受力检测方法

在垫块处安装重量传感器最大的优点在于可以直接接受旋锁吊起集装箱时的重力源，其测量的数值直接显示该部位旋锁吊起的集装箱部分的重量，没有作用力的损耗和附加作用力。通过重量传感器上的检测晶片检测垫块形变孔的形变距离，并通过挤压形变系数测定压力值，即可得到旋锁所吊装集装箱部分的箱重。主体垫块位置见图3。

2.4　重量采集方法

每台吊具安装4只改造或重新制作的重量传感器，采用对角安装的方式，中部对角2只，端部对角2只。通过已知的对角线长度及长方形形变夹角的角度，计算出同一受力三角形中同侧端部的受力值，并通过程序计算出旋锁所受重力值，即箱重。

2.5　数据传导通道

将重量传感器采集的重量数值通过通信线缆传输至场桥CPU主机。

2.6　信号传输

使用垂缆中的信号线进行信号传输。由于双箱场桥吊具使用“点对点”控制方式进行吊具-场桥通信，因此不存在添加控制模块或接线板的问题。

2.7　重量传感器取电插针分布

线缆与重量传感器的连接可采用四芯插针式插头接触器，其应用防水等级为IP65。

2.8　重量传感器供电

重量传感器电源由吊具DC电源直接供电。重量传感器电源线路见图4，重量传感器接线插头见图5。

穿心垫块式重量传感器初期设计样品见图6，采集形式为压敏式，将销轴旋转采集受力数据改为垂直采集受力数据，数据采集更准确。

目前，天津港联盟国际集装箱码头共有双箱吊具24台，需改造重量传感器96只，每只重量传感器改造费用在2 000~3 000元，总改造费用约19 200~28 800元。改造可根据实际情况分批进行。