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环卫集装箱变形自动检测系统设计实现

2019/06/03 阅读:

摘要:针对20英尺环卫集装箱的结构特点与运输条件,研究适用于环卫集装箱在载重情况下箱体变形的检测方法,应用激光测距技术,设计和开发环卫集装箱箱体变形度检测系统,对箱体变形性态进行分析判别,以确保垃圾在末端处置中,满载的集装箱能正常装船运输,防止因箱体变形对导轨的损坏。通过大量的现场实验,验证了检测方法和系统的可行性。

关键词:环卫集装箱;变形度;检测系统;激光测距

在垃圾的集装化运输中,集装箱在各种因素的作用下箱体产生变形,主要包括:在垃圾压缩处理过程中,压缩打包机对集装箱内侧施加强大的压力;在运输途中,大块固态垃圾由于震动对箱体结构造成冲击载荷;集装箱中的厨余垃圾等酸性液体对箱体结构的腐烛。因此,这些外部因素和恶劣的环境条件容易使环卫集装箱产生箱体变形,导致整个结构失效,进而产生不可想象的后果,或造成安全事故和财产损失,严重影响垃圾集装化运输的安全性和可靠性。本文考虑环卫集装箱受到压缩打包机对内部的内压力,以及运输过程中大块固态垃圾对箱体的冲击,在长期使用过程中会出现箱体变形或裂纹现象,研究适用于20英尺环卫集装箱在载重情况下箱体变形的自动检测系统,及时掌握集装箱变形数据,对箱体变形进行预警,一旦发现变形超过极限,立即采取措施,确保设备与人身安全。通过对激光测距[1]、三维激光扫描[2]、超声波检测[3]、光纤陀螺[4]、GPS[5]等变形检测方法的特点及优缺点的比较与分析,基于激光测距技术在测量精度、报错概率、测量范围、体积小、重量轻、可靠性高、转换效率高、功耗低、价格低廉、使用安全等特点,设计的检测系统采用激光测距方法[7]。

一、系统的构建

集装箱的箱体由骨架和面板组成,箱体骨架由方钢焊接而成,箱体面板焊接在箱体骨架上,面板为了防止变形表面有焊接筋,实际的箱体面板是一个凹凸不平的表面,箱体面板的筋和箱体的骨架处于同一个平面。变形是指物体受外力作用而产生体积或形状的改变。这里的改变是相对于原来的体积或形状。如果要检测出这样的变形那么就需要找到一个基准面,由于箱体的骨架是由方钢焊接而成,可以认为骨架的易变形程度要远远低于箱体面板的变形程度,因此,可以通过骨架确定基准面,然后基于该基准面进行箱体面板形变的检测。对于形变的检测,本系统采用测距传感器测量被测面与传感器的距离来确定。当一个未发生形变的被测面,按照一条直线通过测距传感器时,被测面的每一点距离测距传感器的距离都是相等的。当一个中间凸起的被测量通过测距传感器时,中间的测量距离值要比两变测量出的距离值要小。由此,设计的垃圾集装箱变形度的自动检测系统由6支测距传感器、1个信号采集控制器和1套控制软件组成。检测系统原理图如图1所示。

二、硬件平台的搭建

实验平台通过在箱体左右两侧分别树立一根垂直的柱子平行于箱体的侧面,通过测距传感器可以测量出柱子与箱体表面的距离。两侧立柱间距为3m,除去箱体的宽度2.4m,左右留有0.3m,处于选用的某传感器的工作范围内(测量范围为200~600mm)。由于一个传感器只能测量一处的变形量,考虑到箱体变形的部位可能处于箱体测面的不同部位,因此,将箱体高度等分为5份,在中间3份处安装3只传感器进行测量。立柱和传感器的安装如示意图2所示。

三、软件的实现

首先建立一个二维的平面坐标系,坐标系的零点选取箱体背面的中心,两根立柱的距离可以测量得出为d,通过上中下三个传感器可测量出箱体骨架与传感器的距离为x11,x21,x31,设三个传感器的高度分别为y1,y2,y3,那么可以得到测量的三个点的坐标为(d/2-x11,y1),(d/2-x21,y2),(d/2-x31,y3),这样,当箱体通过测量柱时,就可以得到一系列的测量点,(d/2-x1n,y1),(d/2-x2n,y2),(d/2-x3n,y3),(n=1,2,3......),前述已分析可以通过箱体骨架确定一个基准面,那么检测箱体变形的问题实则转换成了测量出的箱体面板的坐标点与箱体骨架确定的基准面的距离D,D越大表示变形越大,D越小表示变形越小。由于y值不变,因此,可以将测量点建立一个x-n的坐标系。由于箱体的骨架不会变形,测量点中第一个点和最后一个点分别是骨架前后的测量距离,中间的测量点是中间筋的距离,当中间筋的距离没有超过前后骨架测量点的连线,即为箱体没有变形,当超过了测量点的连线即为严重变形。变形类别的判定:根据箱体框架的尺寸图纸,框架比筋高出20mm,正常的箱体,得到的测量值应该是筋的连线几乎是一条直线,而变形的箱体筋的连线是一条带曲度的线,如果曲度的线超过了框架测量点的连线,这样就可以设定一个变形标准:(1)所有筋的测量的距离未超过框架的测量距离,且距离相差大于10mm则认为是正常箱体,如图3。(2)所有筋的测量的距离未超过框架的测量距离,且距离相差小于10mm则认为是轻微变形箱体,如图4。(3)筋的测量的距离超过框架的测量距离,则认为是严重变形箱体,如图5。理想情况下,车箱绝对的正,箱体的中心与立柱的中心一致,车辆在倒车时处于匀速并沿直线倒车。如图6所示。实际测试时,可以保证直线倒车,但是箱体无法绝对的正,可能存在一个角度,这样倒车线路与理想垂直线路存在一个角度偏差,若此时箱体倒车线路的中心与测量立柱的连线的中心一致,由于测量就是中心处的距离,所以此种情况可以正常进行测量,不会影响测量结果。如图7所示。另一种情况是箱体倒车线路的中心与测量立柱连线的中心不一致,有可能偏上或者偏下,此时单边测量的距离会前后不一致,如一边测量的结果是前大后小,另一边测量的结果是前小后大,这样单边的测量结果会不容易处理。假设两边测量的结果分别为AXn,BXn(n=1,2,3...),两根立柱的间距是d,那么测量到车箱的宽度为d-(AXn+BXn),(n=1,2,3),因为车箱的宽度是固定的,所以可以认为两边测量的和为一个常数,这样就可以将两边的测量结果相加后得到的测量数据依据给定的判定标准进行判定。如图8所示。采样频率的设置:车箱整长6m左右,假定车速控制在5km/h,即5×1,000/3,600=1.389m/s。箱体筋的宽度为0.14m,那么每一个箱体筋通过传感器的时间为0.14/1.389=0.1s,即筋通过传感器的周期T为0.1s,那么系统的采集频率f=2/T,即20次/s。箱体侧面是由筋和面板组成的凹凸不平的,那么实际测量得到的数据点如图9所示,数据点分为上下两层,分别为筋的距离和板的距离,因为要将两侧的测量数据进行相加,而两侧的测量结果会不一致,例如一侧可能会测得连续2个点为板的距离,另一面可能会测得连续2个点为筋的距离,因此当如果连续2个测量点为板或者筋的距离,则只保留一个。处理后的测量点如图10所示,这样就可以保证筋的距离与筋的距离相加,板的距离与板的距离相加。

四、实验结果与分析

1.正常箱体图11中,蓝色线表示箱体框架的数据,即参考线,红色带圈线表示所有筋的测量数据,即测量线。由图11可知,所有筋的测量距离未超过框架的测量距离,且由表1测量数据可知,距离相差大于10mm。由此,检测结果为正常箱体。对于10km至17km段,应当加强回淤监测,定期进行航道水深检测,并根据检测结果进行疏浚维护,确保航道适航水深满足设计要求。特别是在大风过后应及时进行水深检测,并建立大风骤淤应急响应机制,确保航道的正常运行。来港船舶应提前和代理以及港口商务部门沟通,确定最大吃水,确保航行安全。

参考文献

[1]《潍坊港3.5万吨级航道工程水深回淤测量报告》山东正元数字城市建设有限公司.

[2]赵洪强.海上运输通航环境安全评价研究[J].水运科学研究,2007,(3):27-32.

作者:沈聪 单位:上海环境物流有限公司

环卫集装箱变形自动检测系统设计实现

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