一种液氢罐车装卸称重装置及方法
技术领域
本发明涉及称重装置，具体涉及一种液氢罐车装卸称重装置及方法。
背景技术
目前，随着能源危机和环境危机的日益严重，氢能由于清洁无污染等优点，是人类未来最理想的能源，越来越受到世界各国的重视。目前国内氢能基础设施产业发展还有许多问题需要解决，其中之一就是氢的高效运输问题。液氢具有运输成本低、储氢纯度高、低压储存等优势，是解决氢的规模化、商业化储运供应的理想方式。
目前一般利用液氢罐车进行液氢运输，由于液氢的特殊性，液氢的供给方往往同时也是需求方，因此液氢计量的准确性并不影响整体经济性，往往不被重视。随着氢能市场的发展，未来液氢供给方将会对接多个需求方，这时液氢计量的准确性就变得尤为重要。由于液氢温度低、粘度低、密度小的特性，再加上用户需求量少，目前市场上暂无可靠的液氢流量计。液氢罐车空车重量往往是满载液氢净重量的10倍以上，若用常规称量装置，总量程大，液氢净重量误差也不容忽视。对于称重传感器，一般量程上限越大，精度越低。
对于液氢罐车装卸过程，如何提高液氢净重量的称重精度是一个难点，是采用称重法计量液氢罐车装卸量的关键。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种液氢罐车装卸称重装置及方法，解决了采用称重法计量液氢罐车装卸量准确度不高的难点，可根据液氢罐车总重量，有效缩短量程区间，以便采用量程小而精度高的传感器，提高针对液氢净重量的称重精度。
这种液氢罐车装卸称重装置，包括水平承重板、竖向平衡杆、水平连接结构、支撑平衡结构、滑轮、重量平衡台、压力传感器、空气压缩机、水平承重板气动定位装置、竖向平衡杆气动定位装置、重量平衡台气动定位装置、排气管、复位卸力缓冲支撑块、复位防撞缓冲块、应急保护缓冲块和配重块；水平承重板、竖向平衡杆和水平连接结构自上而下连接固定成一个整体；支撑平衡结构主要由内部支撑平衡结构、外侧支撑平衡结构和底部支撑结构组成；内部支撑平衡结构固定在水平承重板下方，滑轮固定在内部支撑平衡结构下表面；重量平衡台位于水平连接结构下方，水平连接结构与重量平衡台通过滑轮以绳索连接，滑轮两侧的绳索保持竖直；外侧支撑平衡结构固定于内部支撑平衡结构外侧；底部支撑结构位于重量平衡台下方；压力传感器固定在内部支撑平衡结构两侧下表面并与重量平衡台相对应；空气压缩机固定在内部支撑平衡结构下表面；水平承重板气动定位装置固定在外侧支撑平衡结构的内侧面与水平承重板之间，重量平衡台气动定位装置固定在外侧支撑平衡结构的内侧面与重量平衡台之间，竖向平衡杆气动定位装置固定在内部支撑平衡结构内；排气管布置在外侧支撑平衡结构中；复位卸力缓冲支撑块布置在底部支撑结构上表面；复位防撞缓冲块朝上布置在竖向平衡杆的水平结构上，并位于内部支撑平衡结构下方；应急保护缓冲块朝上布置在内部支撑平衡结构上表面；重量平衡台底部与配重块相配合。
作为优选：水平承重板与水平承重板气动定位装置紧密配合，两者相配合表面之间由水平承重板气动定位装置产生的高压气膜进行润滑并保持非接触状态。
作为优选：内部支撑平衡结构设有若干竖向通孔，通孔内布置有竖向平衡杆气动定位装置，竖向平衡杆穿过竖向平衡杆气动定位装置并与之紧密配合，两者相配合表面之间由竖向平衡杆气动定位装置产生的高压气膜进行润滑并保持非接触状态；内部支撑平衡结构的竖向通孔采用圆柱形通孔，穿过竖向通孔的竖向平衡杆部分的水平截面为圆形。
作为优选：重量平衡台与重量平衡台气动定位装置紧密配合，两者相配合表面之间由重量平衡台气动定位装置产生的高压气膜进行润滑并保持非接触状态。
作为优选：空气压缩机分别通过轻质软管与水平承重板气动定位装置、竖向平衡杆气动定位装置和重量平衡台气动定位装置连接。
作为优选：水平承重板与内部支撑平衡结构的夹层空间、内部支撑平衡结构与重量平衡台的夹层空间以及重量平衡台与底部支撑结构的夹层空间均通过排气管与外界环境相连通。
作为优选：重量平衡台下部开有若干凹槽，凹槽为子弹壳形结构，凹槽顶部布置有电磁吸盘，配重块被电磁吸盘吸取时，配重块底面与重量平衡台底面齐平。
作为优选：配重块采用子弹壳形结构，其任意水平截面为圆形，配重块顶部设置磁性金属层，配重块顶面设有缓冲层。
这种液氢罐车装卸称重装置的称重方法，包括液氢装车和液氢卸车两个过程，具体包括以下步骤：
1)当进行液氢装车时，先吸取所有配重块，液氢罐车驶入水平承重板上方区域后，若压力传感器的示数为0，则放下一组配重块，再检查压力传感器的示数，若还是为0则再放下一组配重块，如此循环；直到压力传感器的示数大于0，则停止放下配重块，此时压力传感器的示数为F1；然后连接液氢连接管线进行液氢装车，随着液氢不断地注入液氢罐车的储罐内，压力传感器的示数不断增大；装车结束后，断开液氢连接管线，此时压力传感器的示数为F2；液氢装车过程的所装液氢总重F装＝F2-F1；
2)当进行液氢卸车时，先吸取所有配重块，液氢罐车驶入水平承重板上方区域后，若压力传感器的示数为0，则放下一组配重块，再检查压力传感器的示数，若还是为0则再放下一组配重块，如此循环；直到压力传感器的示数大于0，此时不停止放下配重块，而是根据已放下的配重块数量，依据已有车型，判断出液氢罐车的空载重量以及满载重量的范围，再放下一部分配重块，使得此时的压力传感器的示数大于满载条件下的液氢净重量，此时压力传感器的示数为F3；然后连接液氢连接管线进行液氢卸车，随着液氢不断地从液氢罐车的储罐输出，压力传感器的示数不断减小；卸车结束后，断开液氢连接管线，此时压力传感器的示数为F4；液氢卸车过程的所卸液氢总重F卸＝F3-F4。
本发明的有益效果是：
1、本发明利用滑轮的平衡原理，通过重量平衡台和配重块的组合形式，可根据液氢罐车重量，相应地有效缩短量程区间，以便采用量程小而精度高的传感器，提高针对液氢净重量的称重精度。
2、本发明设置了气动定位装置，利用高压气膜进行润滑限位，在保证装置内部活动部件竖向自由的前提下实现水平位置的固定，同时减小由竖向摩擦及各传感器的受力不均引起的系统误差。
附图说明
图1是液氢罐车装卸称重装置的结构示意图；
图2是压缩空气气膜产生原理图；
图3是装车过程操作流程逻辑图；
图4是卸车过程操作流程逻辑图；
图5是配重块结构示意图。
附图标记说明：1、水平承重板；2、竖向平衡杆；3、水平连接结构；4.1、内部支撑平衡结构；4.2、外侧支撑平衡结构；4.3、底部支撑结构；5、滑轮；6、重量平衡台；7、压力传感器；8、空气压缩机；9、水平承重板气动定位装置；10、竖向平衡杆气动定位装置；11、重量平衡台气动定位装置；12、排气管；13、复位卸力缓冲支撑块；14、复位防撞缓冲块；15、应急保护缓冲块；16、电磁吸盘；17、配重块；17.1、缓冲层；17.2、磁性金属层。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本发明。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
如图1所示，所述液氢罐车装卸称重装置，包括水平承重板1、竖向平衡杆2、水平连接结构3、支撑平衡结构、滑轮5、重量平衡台6、压力传感器7、空气压缩机8、水平承重板气动定位装置9、竖向平衡杆气动定位装置10、重量平衡台气动定位装置11、排气管12、复位卸力缓冲支撑块13、复位防撞缓冲块14、应急保护缓冲块15、电磁吸盘16、配重块17。整体结构及内部布局，长宽方向分别对称，以实现装置内活动结构的水平重力平衡。
水平承重板1、竖向平衡杆2、水平连接结构3自上而下连接固定成一个整体。支撑平衡结构包括内部支撑平衡结构4.1、外侧支撑平衡结构4.2、底部支撑结构4.3。内部支撑平衡结构4.1固定在水平承重板1下方，滑轮5固定在内部支撑平衡结构4.1下表面。重量平衡台6位于水平连接结构3下方，水平连接结构3与重量平衡台6通过滑轮5以绳索连接，滑轮5两侧的绳索保持竖直。压力传感器7固定在内部支撑平衡结构4.1两侧下表面并与重量平衡台6相对应。空气压缩机8固定在内部支撑平衡结构4.1下表面，为水平承重板气动定位装置9、竖向平衡杆气动定位装置10、重量平衡台气动定位装置11提供高压空气。水平承重板气动定位装置9固定在外侧支撑平衡结构4.2的内侧面，重量平衡台气动定位装置11固定在外侧支撑平衡结构4.2的内侧面，竖向平衡杆气动定位装置10固定在内部支撑平衡结构4.1内。排气管12布置在外侧支撑平衡结构4.2中。复位卸力缓冲支撑块13布置在底部支撑结构4.3上表面。复位防撞缓冲块14朝上布置在竖向平衡杆2的水平结构上，并位于内部支撑平衡结构4.1下方。应急保护缓冲块15朝上布置在内部支撑平衡结构4.1上表面。
水平承重板1与水平承重板气动定位装置9紧密配合，两者相配合表面之间由水平承重板气动定位装置9产生的高压气膜进行润滑并保持非接触状态，以此使水平承重板1在保证竖向自由的前提下实现水平位置的固定。可增大水平承重板1与水平承重板气动定位装置9的配合面积，以增强竖向的润滑效果及水平位置的固定效果。
内部支撑平衡结构4.1设有若干竖向通孔，通孔内布置竖向平衡杆气动定位装置10。竖向平衡杆2穿过竖向平衡杆气动定位装置10并与之紧密配合，两者相配合表面之间由竖向平衡杆气动定位装置10产生的高压气膜进行润滑并保持非接触状态，以此使竖向平衡杆2在保证竖向自由的前提下实现水平位置的固定。内部支撑平衡结构4.1的竖向通孔采用圆柱形通孔，相对应的，通过竖向通孔的竖向平衡杆部分的水平截面为圆形。
重量平衡台6与重量平衡台气动定位装置11紧密配合，两者相配合表面之间由重量平衡台气动定位装置11产生的高压气膜进行润滑并保持非接触状态，以此使重量平衡台6在保证竖向自由的前提下实现水平位置的固定。
空气压缩机8分别通过轻质软管与水平承重板气动定位装置9、竖向平衡杆气动定位装置10、重量平衡台气动定位装置11进行连接，且不影响竖向平衡杆2和重量平衡台6的移动。
排气管12使水平承重板1与内部支撑平衡结构4.1的夹层空间、内部支撑平衡结构4.1与重量平衡台6的夹层空间、重量平衡台6与底部支撑结构4.3的夹层空间，与外界环境相连通，可排出维持高压气膜时进入夹层空间的多余空气，以维持压力平衡，避免竖向的力干扰，提高测量精度。
重量平衡台6下部开有若干凹槽，凹槽顶部布置有电磁吸盘16，任意电磁吸盘可独立通电进而通过磁力吸住配重块17。配重块17被吸取时，其底面与重量平衡台6底面齐平。
如图5所示，配重块17采用子弹壳形，其任意水平截面为圆形，顶部设置磁性金属层17.2，顶面采用缓冲层17.1(渐缩结构)；相对应的，重量平衡台6下部凹槽也采用子弹壳形。这一方案可通过凹槽与配重块17之间的滑动，对配重块17进行位置调整，以避免多次吸放配重块后配重块位置偏移过大导致配重块与凹槽之间的摩擦影响测量准确性。
空气压缩机8连续工作，为水平承重板气动定位装置9、竖向平衡杆气动定位装置10、重量平衡台气动定位装置11持续提供高压空气，以产生的高压气膜进行润滑并与相对应的被平衡件保持非接触状态，以此实现被平衡件保证竖向自由的前提下实现水平位置的固定。压缩空气气膜产生原理如图2所示。上述气动定位装置与被平衡件的对应关系为：水平承重板气动定位装置9-水平承重板1；竖向平衡杆气动定位装置10-竖向平衡杆2；重量平衡台气动定位装置11-重量平衡台6。水平承重板1与内部支撑平衡结构4.1的夹层空间、内部支撑平衡结构4.1与重量平衡台6的夹层空间、重量平衡台6与底部支撑结构4.3的夹层空间，排气管12使这些夹层空间与外界环境相连通，可排出维持高压气膜时进入夹层空间的多余空气，以维持压力平衡，避免竖向的力干扰，提高测量精度。
重量平衡台6的底部凹槽内的电磁吸盘16，通电后产生强磁力便可吸取其下方的配重块17，断电后放下配重块17。每次称重开始前，即水平承重板1上无液氢罐车时，所有电磁吸盘16都通电使所有配重块17都处于被吸取状态，此时重量平衡台6和被吸的配重块17的总重量达到最大值。不吸取任何配重块17时，水平承重板1、竖向平衡杆2、水平连接结构3的总重G1，重量平衡台6的重量G2，满足(G2-G1)略小于常用最小车重的液氢罐车的空车重量。水平承重板1、竖向平衡杆2、水平连接结构3的总重G1，重量平衡台6以及所有配重块17的总重G3，满足(G3-G1)略小于常用最大车重的液氢罐车的满载重量。为不影响装置内部平衡，以矩形对称分布的四块配重块17为一组，对配重块17的吸放以组为单位进行。
通过重量平衡台6和不同数量配重块17的组合，可实现重量平衡台6和被吸配重块17的总重量的变化，以应对不同型号液氢罐车的称重需求。通过一定的逻辑判断，选取合适的重量平衡台6和不同数量配重块17的组合，利用滑轮5的力平衡作用，有效缩短称重量程区间，以便采用量程小而精度高的压力传感器7，提高针对液氢净重量的称重精度。
图3为装车过程操作流程逻辑图。进行液氢装车时，液氢罐车驶入水平承重板1上方区域后，若压力传感器7的示数为0，则放下一组配重块17，再检查压力传感器7的示数，若还是为0则再放下一组配重块17，如此循环。以上过程可通过单片机或电脑控制，直到压力传感器7的示数大于0，则停止放下配重块17，此时压力传感器7的示数为F1。随后，连接液氢连接管线进行液氢装车，随着液氢不断地注入液氢罐车的储罐内，压力传感器7的示数不断增大。装车结束后，断开液氢连接管线，此时压力传感器7的示数为F2。液氢装车过程的所装液氢总重F装为F2-F1。
图4为卸车过程操作流程逻辑图。液氢卸车过程与液氢装车过程稍有不同。进行液氢卸车时，液氢罐车驶入水平承重板1上方区域后，若压力传感器7的示数为0，则放下一组配重块17，再检查压力传感器7的示数，若还是为0则再放下一组配重块17，如此循环。以上过程可通过单片机或电脑控制。一般液氢罐车车重越大，所配液氢储罐越大，此外由于液氢密度小，满载时液氢总重也远小于车重，因此根据已放下配重块17的数量，依据已有车型，可判断大致的液氢罐车的空载重量以及满载重量。因此与液氢装车过程不同，液氢卸车过程中，直到压力传感器7的示数大于0，此时不停止放下配重块17，而是根据已放下配重块17的数量判断出大致的液氢罐车的空载重量以及满载重量，再放下一部分配重块17，使得此时的压力传感器7的示数略大于满载条件下的液氢净重量，此时压力传感器7的示数为F3。随后，连接液氢连接管线进行液氢卸车，随着液氢不断地从液氢罐车的储罐输出，压力传感器7的示数不断减小。卸车结束后，断开液氢连接管线，此时压力传感器7的示数为F4。液氢卸车过程的所卸液氢总重F卸为F3-F4。
上述先吸取所有配重块17，再调整配重至合适值的操作过程，可以防止压力传感器7受力过大造成损坏。
液氢罐车对水平承重板1的力是不均匀的，通过高压气膜的润滑及水平限位作用，在保证装置内部活动部件竖向自由的前提下实现装置水平位置的固定，同时减小由竖向摩擦及各传感器的受力不均引起的系统误差。
称重开始前，重量平衡台6底部与复位卸力缓冲支撑块13接触，复位卸力缓冲支撑块13起到支撑作用。称重开始后，当滑轮5的绕绳对重量平衡台6的拉力大于重量平衡台6及所吸配重块17的总重后，重量平衡台6向上挤压压力传感器7。称重结束后，液氢罐车离开水平承重板1，重量平衡台6下落与复位卸力缓冲支撑块13接触，复位卸力缓冲支撑块13起到缓冲作用。重量平衡台6下落的同时，水平承重板1、竖向平衡杆2、水平连接结构3上升，由于惯性，重量平衡台6下落停止后，水平承重板1、竖向平衡杆2、水平连接结构3会弹起，复位防撞缓冲块14起到防撞缓冲作用，限制水平承重板1、竖向平衡杆2、水平连接结构3弹起高度。
为了应对可能发生的滑轮5绕绳断裂风险，应急保护缓冲块15的设置可起到对水平承重板1的缓冲作用，防止水平连接结构3与重量平衡台6发生碰撞。
复位卸力缓冲支撑块13与重量平衡台6的距离L1，复位防撞缓冲块14与内部支撑平衡结构4.1的距离L2，正常使用时，始终满足L1＜L2的关系。
压力传感器7与重量平衡台6之间的距离L4，正常使用时，始终同时小于重量平衡台6与水平连接结构3之间的距离L5和应急保护缓冲块15与水平承重板1的距离L3。
本专利可根据液氢罐车重量，相应地有效缩短量程区间，以便采用量程小而精度高的传感器，提高针对液氢净重量的称重精度。
实际操作中，应对装车、卸车的不同场景，按对应操作流程，可根据液氢罐车重量调整配重块使用数量，以符合传感器适量程区间。利用高压气膜进行润滑限位，保证装置内部活动部件水平平衡，减小由竖向摩擦及各传感器的受力不均引起的系统误差。
