基于電子汽車衡秤臺(tái)的設(shè)計(jì)研究：
水泥倉下的空間非常有限，以分段式秤臺(tái)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(duì)秤臺(tái)面板的支撐筋板數(shù)量，相對(duì)槽鋼秤臺(tái)增加了75%，當(dāng)面板承載時(shí)，原來*部由1根筋板支撐的面板變成了1.75根，筋板對(duì)面板的有效支撐面積擴(kuò)大了75%，這樣水泥罐車后軸每個(gè)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(duì)組建好的模型進(jìn)行有限元分析，可確保汽車衡的效費(fèi)比。
0引言
國(guó)外許多水泥廠項(xiàng)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(hào)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(jī)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(chǎng)發(fā)生損壞則非常不易更換和維護(hù)。本文結(jié)合在多個(gè)項(xiàng)目中的實(shí)際情況，對(duì)汽車衡秤臺(tái)的設(shè)計(jì)進(jìn)行論述，試圖從適應(yīng)性設(shè)計(jì)角度對(duì)該設(shè)備進(jìn)行分析。
1秤臺(tái)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(tái)組合方式替代了原來的機(jī)械式整體秤臺(tái)。分段式模塊秤臺(tái)的組合方式在*大程度上避免了機(jī)械整體秤臺(tái)因重量大、自變形量大而引起較大的計(jì)量誤差。電子式汽車衡秤臺(tái)下部支點(diǎn)增多，模塊單元的有效支撐長(zhǎng)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(tái)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(duì)秤體產(chǎn)生的外部變形因素影響，這也是電子汽車衡與機(jī)械汽車衡相比的*個(gè)明顯優(yōu)勢(shì)。因?yàn)殡娮悠嚭獬优_(tái)具備了模塊化組合這樣的特點(diǎn)，*以它的安裝及調(diào)試相對(duì)于機(jī)械汽車衡更加簡(jiǎn)易和方便，秤臺(tái)對(duì)整秤的*度影響更小，調(diào)校周期也更長(zhǎng)，使用穩(wěn)定性更好，秤臺(tái)的制造材料也更加節(jié)省，更方便運(yùn)輸和安裝。
*質(zhì)量的電子汽車衡秤臺(tái)應(yīng)是在相同規(guī)格的秤臺(tái)單元間可具互換性的，且秤臺(tái)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(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，這*點(diǎn)也是*電子汽車衡秤臺(tái)必須具備的*個(gè)基本要素。秤臺(tái)在相同規(guī)格條件下的互換性要求其實(shí)對(duì)大多數(shù)衡器制造廠商都是*個(gè)挑戰(zhàn)，這要求制造廠要具備*強(qiáng)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(cuò)體系，能進(jìn)行流水線生產(chǎn)，把秤臺(tái)上的各種部件做成標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行統(tǒng)*組裝，而不是對(duì)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(tái)在相同規(guī)格條件下肯定是不能進(jìn)行互換的，因?yàn)檫@樣生產(chǎn)出來的秤臺(tái)單元只是*個(gè)獨(dú)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(gè)模塊整體組裝到*起，形成*個(gè)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(gè)過程，這種生產(chǎn)模式實(shí)質(zhì)上還處于工業(yè)化制造的初級(jí)階段，雖然也可以生產(chǎn)出較大數(shù)量的產(chǎn)品，但整個(gè)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(shí)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(tái)互換。從大量的現(xiàn)場(chǎng)使用中得出的結(jié)論是*臺(tái)汽車衡的多個(gè)秤臺(tái)不會(huì)同時(shí)損壞（除非是選購(gòu)到了質(zhì)量非常惡劣的產(chǎn)品），那么當(dāng)其中*個(gè)秤臺(tái)損壞時(shí)，只需要更換那個(gè)損壞的秤臺(tái)就可以了，而不必消耗更多的費(fèi)用更換整秤。*以，在初期選擇汽車衡的時(shí)候總體價(jià)格固然重要，但還是得綜合評(píng)估和計(jì)算效費(fèi)比。另外，關(guān)于*個(gè)秤臺(tái)單元的工作長(zhǎng)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(chǎng)使用情況分析，4節(jié)組合的使用壽命更長(zhǎng)，從簡(jiǎn)支梁受力的角度分析，支點(diǎn)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(duì)于可自制傳感器的廠商并不是問題，但對(duì)于傳感器需要外購(gòu)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(duì)使用者而言，選擇能統(tǒng)*制造設(shè)備元器件的廠商，因?yàn)檫@樣無論從使用還是維護(hù)角度分析，性價(jià)比都是**的。
2秤臺(tái)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(shí)候還會(huì)考慮到生產(chǎn)商提供的秤臺(tái)重量，并把這個(gè)數(shù)據(jù)作為*個(gè)招標(biāo)的要求。結(jié)合實(shí)際使用分析，秤臺(tái)確實(shí)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?yàn)閺挠?jì)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(tái)80t的秤在計(jì)量范圍以外就要承受70t的非計(jì)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(jì)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(jì)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(jì)理論，其實(shí)這兩者是有共性的，橋梁的作用也是承重，把秤臺(tái)兩端的傳感器簡(jiǎn)化為橋墩，秤臺(tái)也就成為了*個(gè)簡(jiǎn)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(gè)正交各向異性結(jié)構(gòu)平臺(tái)，這種結(jié)構(gòu)*般用于大跨度橋梁，其自身同時(shí)具備*負(fù)載和跨度重量輕的特點(diǎn)，同理，秤臺(tái)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(tái)整體剛性和*部強(qiáng)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(jì)能力。
這些特殊設(shè)備的購(gòu)置需要占用大量流動(dòng)資金，這對(duì)制造商的產(chǎn)業(yè)規(guī)模是*個(gè)考驗(yàn)，而設(shè)計(jì)能力則要求制造商具備深厚的行業(yè)開發(fā)經(jīng)驗(yàn)和人力資源儲(chǔ)備。秤臺(tái)實(shí)際上比采用了8根槽鋼主梁的秤臺(tái)在秤臺(tái)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(tái)寬度相比是非常有限的，對(duì)于秤臺(tái)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(tái)上時(shí)，車輪與秤臺(tái)面板的接觸為*個(gè)面，因受槽鋼截面特性限制，車輪與秤臺(tái)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(shí)，這個(gè)問題更加突出，因?yàn)槌优_(tái)面板的*部壓強(qiáng)會(huì)因車輪與面板的接觸面積減小而增大，在這種情況下，秤臺(tái)面板再厚也無法在沒有下部筋板支撐的工況中長(zhǎng)期堅(jiān)持，對(duì)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(bǔ)效果。再來分析U型鋼對(duì)秤臺(tái)面板的支撐，因?yàn)槊姘逑虏康闹谓畎鍞?shù)量相對(duì)槽鋼秤臺(tái)增加了75%，當(dāng)面板承載時(shí)，原來*部由1根筋板支撐的面板變成了1.75根，筋板對(duì)面板的有效支撐面積擴(kuò)大了75%，這樣水泥罐車后軸每個(gè)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(tái)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(tái)設(shè)計(jì)中的*個(gè)典型應(yīng)用。
再來看秤臺(tái)整體剛性的問題，秤臺(tái)沿行車方向的長(zhǎng)度與兩端的傳感器支點(diǎn)可在二維平面的撓度線計(jì)算中被簡(jiǎn)化為*個(gè)簡(jiǎn)支梁進(jìn)行，其慣性矩參數(shù)取自秤臺(tái)橫截面計(jì)算的結(jié)果，通過這兩步計(jì)算可以確立定長(zhǎng)秤臺(tái)*需要的*度（秤臺(tái)厚度）范圍。材料力學(xué)的平面計(jì)算只是*個(gè)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(jì)算時(shí)初選的軸載參數(shù)來自車輛的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)表和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，這就對(duì)制造商的行業(yè)開發(fā)經(jīng)驗(yàn)和設(shè)計(jì)人員提出了較*要求，使用者在選擇制造商的時(shí)候要求他們提供這些初始計(jì)算數(shù)據(jù)應(yīng)該是個(gè)不錯(cuò)的選擇。
3秤臺(tái)的定型
上述提到的秤臺(tái)主梁型材的設(shè)計(jì)確定，可以通過手工計(jì)算的方法得到，也可以使用AutoCADMechanical軟件更快地得到（圖5為計(jì)算截圖）。主梁型材確定后，接下來須確定秤臺(tái)的面板厚度。先根據(jù)罐車的*大設(shè)計(jì)軸重設(shè)定*個(gè)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(cuò)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(duì)秤臺(tái)的影響，用它提供的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析類型來分析秤臺(tái)的單位撓度、*大應(yīng)力值、承壓及聯(lián)接構(gòu)件強(qiáng)度等指標(biāo)，再用得出的結(jié)果比對(duì)初始設(shè)計(jì)目標(biāo)要求，對(duì)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(jì)分析，經(jīng)過修正的秤臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)已經(jīng)成形，可以直接進(jìn)入定型制造流程。但現(xiàn)場(chǎng)很多時(shí)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(yàn)其制作工藝質(zhì)量，在這樣的情況下需要*臺(tái)疲勞試驗(yàn)機(jī)來對(duì)秤臺(tái)進(jìn)行耐久性檢測(cè)，目的是為了更加*地掌握秤臺(tái)*貼近真實(shí)工況時(shí)的使用壽命。類似的工廠內(nèi)檢測(cè)看似多余，其實(shí)不然，這正好從*個(gè)側(cè)面反饋出*個(gè)制造商對(duì)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(bào)。疲勞試驗(yàn)主要是利用試驗(yàn)機(jī)上的液壓頭模擬車輪反復(fù)對(duì)秤臺(tái)不同部位加載，加載力參照車輛實(shí)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(tái)不發(fā)生損壞，這就從實(shí)用角度驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可靠性。
4結(jié)束語
汽車衡秤臺(tái)是該計(jì)量設(shè)備的三大主要部件*，又時(shí)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(jì)中盡量多地考慮實(shí)際使用狀況，積累更多現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，爭(zhēng)取創(chuàng)造條件做更多的廠內(nèi)分析測(cè)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(tái)的設(shè)計(jì)研究
