為了對一輛集卡裝載的2個20英尺集裝箱進行分別稱重,設計了新的地磅結構,推導出計算公 式并進行實驗驗證,得到了一種可以保證作業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 汽車衡計量。傳統的地磅是通過稱量包括運輸車 輛的皮重和貨物凈重在內的總重,再通過車輛回皮 的方式得到貨物凈重。但當一輛集卡同時運輸2個 20英尺集裝箱時，只能得到兩箱的總重而無法判別 每只箱的重量。隨著港口集裝箱運輸業的快速發 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 次稱量就能識別單個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 意的結果。本文通過理論分析與實驗,提出了一種 新型的集裝箱汽車衡結構,并對集裝箱卡車和集裝 箱進行力學分析，推導出了集裝箱單箱重量公式及 修正公式,然后通過對實驗結果的分析，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，需要對牽引車和掛車在不同情況下的受 力狀況進行分析。

(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個支點的反力，本文對傳統的1個 稱重平臺的結構進行了改進,新型汽車衡由3個小 型稱重平臺組成，這樣在稱重時就可以得到3個支 點反力 ,而 3個支點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.實驗設計

在完成公式的推導后，需要進行實驗以驗證公 式的可行性。實驗必須考慮到：①如何使得到的實 驗數據能夠覆蓋碼頭集裝箱掛車的大部分質量。② 實驗加載遵循怎樣的變化規律。③實驗的規模和精 度。于是實驗設定為固定前箱，后箱以4 t的公差 逐級增加，得到各軸的軸荷。這樣，分析的時候可以 盡可能的接近港口集裝箱稱重的實際情況。

通過實施上述實驗，得到48組實驗數據。把實 驗所得的數據代入公式進行計算，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驗結果偏差較 大，如組號為1、2、4等組數據有超過±5%的誤差。 這個誤差與±3%的實際應用目標有較大的距離。 所以需要尋找一個有效的誤差修正方法，使公式計 算結果達到實際應用目標的要求。

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，而實際情況不會是這樣理 想的，所以這可能是導致公式計算結果誤差較大的 個重要因素。為此，以集裝箱重心偏移為修正因子對公式進行修正推導。

假設兩個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。

設圖中掛車對兩集裝箱整體的合力為N，對整

體進行受力分析可得

N =G

對圖中單箱及雙箱進行力矩分析可得：

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±3%的范圍。

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

(1)兩個集裝箱的重心內偏，此種工況具體包 括 xi >0, xi <0。

a)兩個集裝箱的重心外偏’此種工況具體包 括 xi <0, x2 >0。

(3 )兩個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。

兩個集裝箱中,前箱的重心偏移量接近于 零為簡化分析,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種工況實際上包含 了 8種xi、的取值方法。根據經驗,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。這樣可以大大簡化分析 和計算過程。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 體值進行誤差對比分析。

結合這24個修正值,將本文第3節所描述的實 驗所測的數據代到修正之后的公式中,得到各組實 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,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 都能滿足±3%的精度要求,所有組的數據經過修正 后要在這個精度范圍內，才能滿足修正精度要求。 對當xi =0、x, =0. 2時各組實驗數據進行觀察分 析,確定每一組數據均在這個要求范圍內,見表3。

可見,這個修正量對公式的修正能使所有實驗 組數據誤差控制在±3%之內,且經過統計分析誤差 絕對值平均值有大幅度的降低,誤差重量大大減小 了 ,見表 4。

從分析的結果及評價的效果來看,代入修正值 后精度大幅度提高,對原公式來說,代入X1 =0、X2 =0. 2時修正的效果最好,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

經過實驗證明,本文所研究的新型集裝箱汽車 衡稱重方法有很好的實用性,此方法已在天津港進 行了實際應用。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。