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基于電子汽車衡秤臺的設(shè)計研究：

水泥倉下的空間非常有限，以分段式秤臺組合而成的全電子式汽車衡成為水泥企業(yè)的選擇。內(nèi)部結(jié)構(gòu)采用U型鋼對秤臺面板的支撐筋板數(shù)量，相對槽鋼秤臺增加了75%，當(dāng)面板承載時，原來*部由1根筋板支撐的面板變成了1.75根，筋板對面板的有效支撐面積擴大了75%，這樣水泥罐車后軸每個雙胎承壓面板下的支撐筋板至少有3根，使面板*部承壓能力明顯提*。采用*方法確定主梁型材、面板厚度以及對組建好的模型進(jìn)行有限元分析，可確保汽車衡的效費比。

0引言

國外許多水泥廠項目都在水泥倉下配置了汽車衡這*稱重設(shè)備以稱量其水泥罐車的重量，再把由汽車衡獲得的重量信號傳給水泥灌裝系統(tǒng)以達(dá)到控制汽車灌裝量的目的。由汽車衡及灌裝設(shè)備共同組成水泥倉下的槽車灌裝系統(tǒng)，在此系統(tǒng)中，由于汽車衡秤體部分屬于體積、重量較大的結(jié)構(gòu)組件，又是車輛的主承載體，需要*機具進(jìn)行吊裝的，但水泥倉下的空間非常有限，*旦汽車衡的秤體部分在現(xiàn)場發(fā)生損壞則非常不易更換和維護(hù)。本文結(jié)合在多個項目中的實際情況，對汽車衡秤臺的設(shè)計進(jìn)行論述，試圖從適應(yīng)性設(shè)計角度對該設(shè)備進(jìn)行分析。

1秤臺的組合方式

目前汽車衡多為全電子式汽車衡，采用電阻應(yīng)變片式傳感器獲取重量值，以分段式秤臺組合方式替代了原來的機械式整體秤臺。分段式模塊秤臺的組合方式在*大程度上避免了機械整體秤臺因重量大、自變形量大而引起較大的計量誤差。電子式汽車衡秤臺下部支點增多，模塊單元的有效支撐長度縮短，秤體厚度大幅降低就可以達(dá)到衡器的許用單位撓度要求。這樣的模塊組合方式既能降低整體秤臺因自重產(chǎn)生的內(nèi)部變形因素影響，又能削弱因外部溫度變化對秤體產(chǎn)生的外部變形因素影響，這也是電子汽車衡與機械汽車衡相比的*個明顯優(yōu)勢。因為電子汽車衡秤臺具備了模塊化組合這樣的特點，*以它的安裝及調(diào)試相對于機械汽車衡更加簡易和方便，秤臺對整秤的*度影響更小，調(diào)校周期也更長，使用穩(wěn)定性更好，秤臺的制造材料也更加節(jié)省，更方便運輸和安裝。

*質(zhì)量的電子汽車衡秤臺應(yīng)是在相同規(guī)格的秤臺單元間可具互換性的，且秤臺間的搭接完全應(yīng)是自由搭接，而不再需要螺栓等剛性措施輔助聯(lián)接，這樣也才能充分發(fā)揮電子汽車衡的特點和優(yōu)勢，這*點也是*電子汽車衡秤臺必須具備的*個基本要素。秤臺在相同規(guī)格條件下的互換性要求其實對大多數(shù)衡器制造廠商都是*個挑戰(zhàn)，這要求制造廠要具備*強的工序間質(zhì)量控制能力，有相當(dāng)?shù)漠a(chǎn)品制造規(guī)模和完整的內(nèi)部工序糾錯體系，能進(jìn)行流水線生產(chǎn)，把秤臺上的各種部件做成標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行統(tǒng)*組裝，而不是對某種規(guī)格的秤體進(jìn)行直線式*體化制造，采用這種直線式制造的秤臺在相同規(guī)格條件下肯定是不能進(jìn)行互換的，因為這樣生產(chǎn)出來的秤臺單元只是*個獨立的產(chǎn)品，而不是標(biāo)準(zhǔn)件式的模塊。模塊拼裝式結(jié)構(gòu)則完全不同，*先模塊的制造來自多條并行生產(chǎn)線，*后把按既定工藝條件生產(chǎn)的各個模塊整體組裝到*起，形成*個有條不紊的并行制造工藝體系，這種生產(chǎn)模式適用于大規(guī)模量產(chǎn)，還可以保證出廠產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性和產(chǎn)品可追溯性。

而直線式制造只是串行生產(chǎn)由始至終的*個過程，這種生產(chǎn)模式實質(zhì)上還處于工業(yè)化制造的初級階段，雖然也可以生產(chǎn)出較大數(shù)量的產(chǎn)品，但整個生產(chǎn)過程顯得非常無序，既不便保證整體產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定，也不能實現(xiàn)出廠產(chǎn)品的可追溯性，當(dāng)然也更不能做到相同規(guī)格條件下的秤臺互換。從大量的現(xiàn)場使用中得出的結(jié)論是*臺汽車衡的多個秤臺不會同時損壞（除非是選購到了質(zhì)量非常惡劣的產(chǎn)品），那么當(dāng)其中*個秤臺損壞時，只需要更換那個損壞的秤臺就可以了，而不必消耗更多的費用更換整秤。*以，在初期選擇汽車衡的時候總體價格固然重要，但還是得綜合評估和計算效費比。另外，關(guān)于*個秤臺單元的工作長度，目前接觸到的各生產(chǎn)商也不盡相同，以3.4m×21m、80t汽車衡為例，有的廠商做成3節(jié)，有的做成4節(jié)。就大量現(xiàn)場使用情況分析，4節(jié)組合的使用壽命更長，從簡支梁受力的角度分析，支點間距越小，綜合受力狀況越好，秤體也越輕巧，不足是要增加2只傳感器，這對于可自制傳感器的廠商并不是問題，但對于傳感器需要外購的廠商則增加了成本和維護(hù)壓力，選擇低性能傳感器保證不了汽車衡使用壽命，選擇*性能傳感器又無法控制制造成本。但對使用者而言，選擇能統(tǒng)*制造設(shè)備元器件的廠商，因為這樣無論從使用還是維護(hù)角度分析，性價比都是**的。

2秤臺的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

現(xiàn)在有許多使用者在選擇汽車衡的時候還會考慮到生產(chǎn)商提供的秤臺重量，并把這個數(shù)據(jù)作為*個招標(biāo)的要求。結(jié)合實際使用分析，秤臺確實需要*定的重量以維持作業(yè)穩(wěn)定性，但并不是越重越好，因為從計量的角度來看，需要的效果是合適的量程和皮重配合，如果*臺80t的秤在計量范圍以外就要承受70t的非計量結(jié)構(gòu)件重量，而需要稱量的物體只有1t的話，那么*后的計量結(jié)果將非常不*。

隨著各種加工方式的不斷改進(jìn)，制造設(shè)備的不斷更新，設(shè)計理念的不斷優(yōu)化，現(xiàn)在*的汽車衡秤體已經(jīng)非常成熟地引入了橋梁設(shè)計理論，其實這兩者是有共性的，橋梁的作用也是承重，把秤臺兩端的傳感器簡化為橋墩，秤臺也就成為了*個簡易橋梁，橋墩中間的橋梁是由中空的U型鋼混結(jié)構(gòu)梁組成的*個正交各向異性結(jié)構(gòu)平臺，這種結(jié)構(gòu)*般用于大跨度橋梁，其自身同時具備*負(fù)載和跨度重量輕的特點，同理，秤臺結(jié)構(gòu)的演化方向也是如此，在充分保證*度*要求的單位撓度前提下，盡量降低自身重量，確保秤臺整體剛性和*部強度也就成為了各衡器制造商追逐的目標(biāo)。但要兼顧這些并不容易，除了需要制造商配置特殊加工設(shè)備外，更需要制造商要有與之相匹配的設(shè)計能力。

這些特殊設(shè)備的購置需要占用大量流動資金，這對制造商的產(chǎn)業(yè)規(guī)模是*個考驗，而設(shè)計能力則要求制造商具備深厚的行業(yè)開發(fā)經(jīng)驗和人力資源儲備。秤臺實際上比采用了8根槽鋼主梁的秤臺在秤臺橫向上的支撐筋板增加了6根，由于槽鋼上下翼板的寬度與秤臺寬度相比是非常有限的，對于秤臺面板的支撐只能等效成*塊比鋼板略厚的支撐筋板，當(dāng)罐車或車輛車輪輾壓到槽鋼秤臺上時，車輪與秤臺面板的接觸為*個面，因受槽鋼截面特性限制，車輪與秤臺橫向接觸的大部分面板下部是沒有支撐筋板的，當(dāng)車輪內(nèi)壓較大時，這個問題更加突出，因為秤臺面板的*部壓強會因車輪與面板的接觸面積減小而增大，在這種情況下，秤臺面板再厚也無法在沒有下部筋板支撐的工況中長期堅持，對面板進(jìn)行*部修復(fù)的諸多方法*后的效果都不好，主要原因是面板母材在使用中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力制約了施焊修補效果。再來分析U型鋼對秤臺面板的支撐，因為面板下部的支撐筋板數(shù)量相對槽鋼秤臺增加了75%，當(dāng)面板承載時，原來*部由1根筋板支撐的面板變成了1.75根，筋板對面板的有效支撐面積擴大了75%，這樣水泥罐車后軸每個雙胎承壓面板下的支撐筋板至少有3根（8根槽鋼主梁的秤臺只有2根，如果布*不合理，2根都達(dá)不到），使面板*部承壓能力明顯提*，這種結(jié)構(gòu)是橋梁建造工藝在秤臺設(shè)計中的*個典型應(yīng)用。

再來看秤臺整體剛性的問題，秤臺沿行車方向的長度與兩端的傳感器支點可在二維平面的撓度線計算中被簡化為*個簡支梁進(jìn)行，其慣性矩參數(shù)取自秤臺橫截面計算的結(jié)果，通過這兩步計算可以確立定長秤臺*需要的*度（秤臺厚度）范圍。材料力學(xué)的平面計算只是*個初步估算，它可以選定主梁型材的*度，但不能直接確定面板的厚度和模擬水泥罐車軸載的變化范圍，計算時初選的軸載參數(shù)來自車輛的設(shè)計數(shù)據(jù)表和現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，這就對制造商的行業(yè)開發(fā)經(jīng)驗和設(shè)計人員提出了較*要求，使用者在選擇制造商的時候要求他們提供這些初始計算數(shù)據(jù)應(yīng)該是個不錯的選擇。

3秤臺的定型

上述提到的秤臺主梁型材的設(shè)計確定，可以通過手工計算的方法得到，也可以使用AutoCADMechanical軟件更快地得到（圖5為計算截圖）。主梁型材確定后，接下來須確定秤臺的面板厚度。先根據(jù)罐車的*大設(shè)計軸重設(shè)定*個面板的厚度，與已選好的主梁型材進(jìn)行組合，將組建好的模型進(jìn)行有限元分析，ANSYS是*款不錯的三維仿真分析軟件，可以模擬罐車軸載的變化范圍及不同載荷對秤臺的影響，用它提供的結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析類型來分析秤臺的單位撓度、*大應(yīng)力值、承壓及聯(lián)接構(gòu)件強度等指標(biāo)，再用得出的結(jié)果比對初始設(shè)計目標(biāo)要求，對不滿足或超出指標(biāo)參數(shù)的部分要進(jìn)行修正。

通過上述設(shè)計分析，經(jīng)過修正的秤臺結(jié)構(gòu)設(shè)計已經(jīng)成形，可以直接進(jìn)入定型制造流程。但現(xiàn)場很多時候工況是復(fù)雜的，而且制造出來的產(chǎn)品也需要進(jìn)*步檢驗其制作工藝質(zhì)量，在這樣的情況下需要*臺疲勞試驗機來對秤臺進(jìn)行耐久性檢測，目的是為了更加*地掌握秤臺*貼近真實工況時的使用壽命。類似的工廠內(nèi)檢測看似多余，其實不然，這正好從*個側(cè)面反饋出*個制造商對待其產(chǎn)品的態(tài)度，選擇其產(chǎn)品自然也能得到更多的*回報。疲勞試驗主要是利用試驗機上的液壓頭模擬車輪反復(fù)對秤臺不同部位加載，加載力參照車輛實際的*大輪載重量，液壓頭的壓力值可調(diào)，目前已有制造商做到了加載百萬次以上而秤臺不發(fā)生損壞，這就從實用角度驗證了設(shè)計的可靠性。

4結(jié)束語

汽車衡秤臺是該計量設(shè)備的三大主要部件*，又時刻處于*惡劣的工作環(huán)境中，因此它的耐受性非常關(guān)鍵，只有在設(shè)計中盡量多地考慮實際使用狀況，積累更多現(xiàn)場經(jīng)驗，爭取創(chuàng)造條件做更多的廠內(nèi)分析測試，*終出廠的產(chǎn)品才能勝任不同使用者的工作需求。

基于電子汽車衡秤臺的設(shè)計研究