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第五屆全國稱重技術(shù)研討會(huì)論文集
有關(guān)皮帶秤循環(huán)鏈碼檢驗(yàn)裝置應(yīng)用的兩點(diǎn)分析
北京市春海技術(shù)開發(fā)有限公司 周有守
[摘要] 本文就有關(guān)皮帶秤循環(huán)鏈碼檢驗(yàn)裝置應(yīng)用的兩個(gè)議題試進(jìn)行分析闡述：第一個(gè)議題是分析闡述循環(huán)鏈碼與普通鏈碼計(jì)量特性的區(qū)別，說明為什么循環(huán)鏈碼會(huì)有普通鏈碼無法達(dá)到的檢驗(yàn)重復(fù)性精度；第二個(gè)議題是對(duì)目前出現(xiàn)的帶有驅(qū)動(dòng)的循環(huán)鏈碼裝置進(jìn)行了剖析，認(rèn)為這是一種有害無益、不可取的設(shè)計(jì)。
關(guān)鍵詞：皮帶秤（belt weigher）
循環(huán)鏈碼（cycling chain weights）
模擬載荷試驗(yàn) （simulation load test）
皮帶秤循環(huán)鏈碼檢驗(yàn)裝置是一種新型的皮帶秤模擬載荷試驗(yàn)裝置，1997年通過了國家定型鑒定。該裝置安裝使用方便、檢驗(yàn)準(zhǔn)確度高、造價(jià)及使用成本較低，為皮帶秤檢驗(yàn)開創(chuàng)了一條新路。該檢定方法已經(jīng)納入到國家計(jì)量檢定規(guī)程JJG195-2002《連續(xù)累計(jì)自動(dòng)衡器（皮帶秤）》中。近年來皮帶秤循環(huán)鏈碼檢驗(yàn)裝置的應(yīng)用日趨廣泛。本文就有關(guān)皮帶秤循環(huán)鏈碼檢驗(yàn)裝置應(yīng)用的兩個(gè)議題試進(jìn)行分析闡述。
一、循環(huán)鏈碼與普通鏈碼計(jì)量特性的區(qū)別
1.明顯的數(shù)據(jù)反差
大量試驗(yàn)證明，雖然循環(huán)鏈碼與普通鏈碼同樣都是模擬載荷試驗(yàn)裝置，但循環(huán)鏈碼裝置的檢驗(yàn)重復(fù)性明顯優(yōu)于普通鏈碼（又稱平面鏈碼或滾動(dòng)鏈碼）。例如，2000年12月，以中國計(jì)量科學(xué)研究院為組長的全國質(zhì)量計(jì)量技術(shù)委員會(huì)電子皮帶秤檢定方法比對(duì)小組在江蘇常熟電廠輸煤3號(hào)皮帶機(jī)上用循環(huán)鏈碼裝置（北京春海公司制造）與實(shí)物檢定裝置和普通鏈碼在一臺(tái)電子皮帶秤（華東電子儀器廠制造，帶速3.29m/s，最大流量2880t/h，0.5級(jí)，四托輥雙杠桿秤架）上進(jìn)行比對(duì)試驗(yàn)，用循環(huán)鏈碼裝置檢出皮帶秤示值的重復(fù)性為0.11%，而用普通鏈碼檢出皮帶秤示值的重復(fù)性為1.01%
[1]。在同一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)，原電力部熱工計(jì)量測(cè)試中心曾從2000年的2月28日到5月26日用春海公司的循環(huán)鏈碼裝置對(duì)該皮帶秤進(jìn)行了三個(gè)月的跟蹤檢驗(yàn)，“在三個(gè)月中模擬實(shí)物檢測(cè)裝置（指循環(huán)鏈碼裝置-本文作者注）檢測(cè)皮帶秤時(shí)的最大變差為-0.085%，不超過0.1%。”
[2]
上述重復(fù)性誤差中當(dāng)然也包含了皮帶秤本身的誤差。用循環(huán)鏈碼能檢出重復(fù)性好得多的數(shù)據(jù)，這說明了用普通鏈碼檢定時(shí)，檢測(cè)方法本身帶來的不確定性就已明顯超過了皮帶秤本身的誤差。
2. 普通鏈碼為什么重復(fù)性不好
下面試分析普通鏈碼檢測(cè)值不確定性的來源以及循環(huán)鏈碼怎樣有效地克服這些不確定穩(wěn)定因素。
引起皮帶秤示值誤差的原因非常多，但鏈碼檢測(cè)帶入的誤差基本只與稱重傳遞誤差有關(guān)�，F(xiàn)以單稱重輥單秤架皮帶秤為例，看從皮帶物料質(zhì)量到稱重傳感器受到的力的傳遞關(guān)系（見圖1）。
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圖1
皮帶秤稱重力傳遞 |
當(dāng)皮帶上的物料通過皮帶秤時(shí)，物料重量通過稱重輥壓在秤架上，秤架以耳軸為支點(diǎn)，將負(fù)荷傳給傳感器。設(shè)皮帶帶動(dòng)物料運(yùn)動(dòng)到某一位置時(shí)，傳感器上由于物料質(zhì)量引起的力F可由下式表示：
F= c1c2q(x)cosδdx （式1）
式中：q(x)為在坐標(biāo)為x（在此設(shè)x為沿皮帶方向，稱重輥處為x=0）處物料線密度，kg；即此處dx范圍內(nèi)物料質(zhì)量為q(x)dx。
δ為皮帶輸送機(jī)的傾角，（°
）。
c1為載荷分配系數(shù)，表示在x處質(zhì)量為q(x)dx物料的重荷分配作用在稱重輥上的為cq(x)dx。
c2為杠桿比系數(shù)，在此c2=L1/L2。
從A到B表示皮帶秤兩端沿皮帶方向物料的一個(gè)區(qū)間，在此區(qū)間內(nèi)的物料對(duì)稱重輥的荷重有影響。
若是多稱重輥和雙秤架的皮帶秤（懸浮式皮帶秤除外），稱重力的傳遞關(guān)系相應(yīng)復(fù)雜一些，但原理相同。
在物料運(yùn)行中，F(xiàn)隨著q(x)變化而變化，所以稱重傳感器的測(cè)量輸出值對(duì)應(yīng)著皮帶秤上物料重量。當(dāng)它與由速度傳感器輸出的皮帶速度積算后，即可得出物料的累計(jì)量。
用普通鏈碼模擬實(shí)物物料對(duì)皮帶秤進(jìn)行檢驗(yàn)時(shí)，在力的傳遞中為什么明顯地增加附加不確定因素呢？
1）普通鏈碼在檢測(cè)中容易激發(fā)隨機(jī)振動(dòng)，干擾了稱重傳感器的工作輸出。
普通鏈碼檢測(cè)裝置如圖2所示。
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圖2
普通鏈碼示意圖 |
皮帶前進(jìn)時(shí)，鏈碼在皮帶上滾動(dòng)。鏈碼兩端用繩索固定于皮帶機(jī)架上，且有一定的預(yù)張緊力。如圖中預(yù)張緊力
F ≥ WLg sinδ （N）
式中：W為鏈碼總質(zhì)量，kg 。
鏈碼形成了一個(gè)質(zhì)量-彈簧系統(tǒng)。當(dāng)有外界干擾時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)。可能的外界干擾因素有：鏈碼不同心引起的跳動(dòng)、托輥不同心引起的跳動(dòng)、皮帶運(yùn)動(dòng)中的跳動(dòng)和機(jī)架的振動(dòng)等等。由于干擾因素的多元化，實(shí)際產(chǎn)生的振動(dòng)是由不同頻率、不同相位和方向合成的無規(guī)則隨機(jī)振動(dòng)。振動(dòng)所產(chǎn)生的慣性力，特別是沿y方向的慣性力，將嚴(yán)重干擾傳感器的工作輸出。
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圖3
普通鏈碼的位置效應(yīng) |
2）鏈碼負(fù)荷的位置效應(yīng)導(dǎo)致了稱重力傳遞的不確定性。
從式1看出，除了均布載荷外，質(zhì)量相同的物體若處于皮帶的不同位置（x坐標(biāo)），傳感器的輸出可能不同，此特性由式中的系數(shù)c來表征。物料隨皮帶運(yùn)行時(shí)，其每一組元都要依次經(jīng)過整個(gè)皮帶秤的稱量區(qū)域，即都要受到c的全過程影響。所以從物料質(zhì)量到稱重傳感器輸出再到皮帶秤儀表的積算值的量值傳遞就有一個(gè)相對(duì)固定的關(guān)系。而普通鏈碼卻不同：它不隨皮帶運(yùn)行，而且是輥狀的，沿x方向?qū)ζ┘拥氖堑乳g隔的集中載荷，而不是均布載荷。當(dāng)它放落的位置相對(duì)于皮帶秤的稱重輥有變化時(shí)，c的影響就會(huì)突現(xiàn)出來。從圖3看出，當(dāng)鏈碼輥的位置有△x的位移時(shí)，各輥重量分擔(dān)在稱重輥上的載荷都會(huì)變化，因而帶來傳感器輸出的變化。即質(zhì)量量值的傳遞具有不確定性。我們?cè)诖朔Q其為“位置效應(yīng)”。若是多稱重輥或是雙秤架，位置效應(yīng)可得到一定的補(bǔ)償，但是不可能完全消除這種影響。從資料[1]提供的數(shù)據(jù)看出，用同一條普通鏈碼，檢驗(yàn)同一臺(tái)皮帶秤，其兩組示值的算術(shù)平均值之差竟達(dá)到計(jì)算值的0.92%�？梢娖湮恢眯�(yīng)的嚴(yán)重。普通鏈碼在檢驗(yàn)中出現(xiàn)△x（即位置不確定）的原因有：
（1） 鏈碼沿x 方向的振動(dòng)引起鏈碼輥在各自平衡位置前后振蕩。
（2） 鏈碼的蛇形運(yùn)動(dòng)引起鏈碼輥位置變化。
（3） 鏈碼安裝狀態(tài)的不確定或工作中受動(dòng)態(tài)因素影響而使鏈碼工作位置有了變動(dòng)等。
3. 循環(huán)鏈碼裝置有什么不同（見圖4）
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圖4
循環(huán)鏈碼示意圖 |
1）循環(huán)鏈碼裝置不會(huì)形成普通鏈碼那樣的質(zhì)量-彈簧振動(dòng)系統(tǒng)。因?yàn)檠h(huán)鏈碼運(yùn)轉(zhuǎn)的原因是落在皮帶上的碼塊與皮帶間摩擦力作用下，碼塊被皮帶帶動(dòng)前進(jìn)；循環(huán)鏈碼是自然垂落在皮帶上，整條鏈碼處于柔性鏈索狀態(tài)，鏈碼總體上不會(huì)出現(xiàn)引起振動(dòng)的彈性位移、彈性恢復(fù)力。因此在外界有干擾因素時(shí)，鏈碼本身不會(huì)出現(xiàn)機(jī)械振動(dòng)，不會(huì)出現(xiàn)普通鏈碼可能引起的慣性干擾力。
2）循環(huán)鏈碼是設(shè)計(jì)成質(zhì)量均布的循環(huán)鏈，落在皮帶上的鏈碼對(duì)皮帶施加的是沿x方向的均布載荷。由式1看出，此時(shí)q(x)為常數(shù)q，所以不管運(yùn)轉(zhuǎn)中哪一段鏈碼在皮帶秤上方，稱重輥上分擔(dān)的載荷始終是個(gè)定值：qc1dx，所以傳感器受力F也為一個(gè)定值：
F=c2qcosδc1dx
這說明，鏈碼質(zhì)量到傳感器負(fù)荷的傳遞關(guān)系是確定的，不存在普通鏈碼由于集中載荷力點(diǎn)的變化而引起傳感器輸出變化的情況。
綜合上述兩點(diǎn)可看出，循環(huán)鏈碼與普通鏈碼相比，更為接近散裝物料的工作狀態(tài)，明顯避免和減小了模擬試驗(yàn)裝置本身在檢驗(yàn)中帶入的不確定因素。正因?yàn)檠h(huán)鏈碼裝置有著較高的重復(fù)性，這就為提高它的檢驗(yàn)準(zhǔn)確度打下了必不可少的基礎(chǔ)。
二、帶驅(qū)動(dòng)的循環(huán)鏈碼裝置在檢定中存在的問題
近來從有關(guān)資料上看到出現(xiàn)了一種帶驅(qū)動(dòng)的循環(huán)鏈碼裝置，即循環(huán)鏈碼在一驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)下運(yùn)轉(zhuǎn)，并驅(qū)動(dòng)裝置與皮帶機(jī)的測(cè)速傳感器形成閉環(huán)，目的是想使循環(huán)鏈碼與皮帶速度保持同步。本人認(rèn)為這種方式存在下述問題,分析如下：
1.循環(huán)鏈碼帶有驅(qū)動(dòng)裝置后將會(huì)引起皮帶張力的無常變動(dòng)，增加了檢驗(yàn)示值的不確定性，從而降低了檢驗(yàn)結(jié)果的的可信程度。
當(dāng)循環(huán)鏈碼帶有驅(qū)動(dòng)裝置后，鏈碼是同時(shí)處于兩種驅(qū)動(dòng)之下：循環(huán)鏈碼本身驅(qū)動(dòng)裝置的驅(qū)動(dòng)和皮帶的驅(qū)動(dòng)：
P1+P2= R
式中：P1為循環(huán)鏈碼本身的驅(qū)動(dòng)裝置的驅(qū)動(dòng)力；
P2為皮帶驅(qū)動(dòng)力，其值為循環(huán)鏈碼放下前后，對(duì)應(yīng)皮帶上鏈碼前端的皮帶位置處（如圖4中“A”所示位置）的張力增量，在此表示為：
P=△T
R 為循環(huán)鏈碼平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的總阻力。
在正常的設(shè)計(jì)下，無論是循環(huán)鏈碼本身的驅(qū)動(dòng)裝置或皮帶機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置，都有單獨(dú)驅(qū)動(dòng)鏈碼穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)的潛力。循環(huán)鏈碼在驅(qū)動(dòng)裝置的驅(qū)動(dòng)下運(yùn)行，如果鏈碼的線速度略大于皮帶線速度，則鏈碼對(duì)皮帶的摩擦力朝向皮帶前進(jìn)方向，即循環(huán)鏈碼的驅(qū)動(dòng)裝置不僅驅(qū)動(dòng)鏈碼，還參與了對(duì)皮帶機(jī)的驅(qū)動(dòng)，即P2（即△T）可能出現(xiàn)負(fù)值。反之，如在循環(huán)鏈碼本身的驅(qū)動(dòng)裝置下，鏈碼的線速度略小于皮帶線速度，則鏈碼對(duì)皮帶的摩擦力朝向阻礙皮帶前進(jìn)的方向，即皮帶機(jī)不僅驅(qū)動(dòng)鏈碼，還會(huì)通過鏈碼將力（力矩）作用到循環(huán)鏈碼本身的驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)輪上；即P2（即△T）可能超過R值。特別是在有速度反饋的閉環(huán)系統(tǒng)，鏈碼的速度在不停地動(dòng)態(tài)調(diào)整中，所以皮帶秤稱重輥處的皮帶張力將因之不斷振蕩變化。
另外，因?yàn)檠h(huán)鏈碼本身的驅(qū)動(dòng)裝置與皮帶機(jī)的測(cè)速傳感器形成閉環(huán)，根據(jù)兩者的速度差，將有強(qiáng)制性的正的或負(fù)的加速度加在鏈碼上，即鏈碼上附加了慣性力的作用，使循環(huán)鏈碼運(yùn)轉(zhuǎn)的所需的驅(qū)動(dòng)力上下波動(dòng)：
△R= qLa
式中：△R 為因加速度a而產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力變化值，符號(hào)與a相同。
△R的產(chǎn)生又增加了皮帶張力的變化。
眾所周知，對(duì)于皮帶秤而言，產(chǎn)生稱量誤差的主要因素是皮帶秤稱重力誤差，其中皮帶張力變化和非準(zhǔn)直度的共同作用是引起皮帶秤稱重力誤差的主要原因[3]。由于循環(huán)鏈碼的驅(qū)動(dòng)裝置引起皮帶張力的附加變化，必將會(huì)引起循環(huán)鏈碼裝置檢驗(yàn)重復(fù)性誤差的明顯增大。本人根據(jù)對(duì)應(yīng)用于各種流量皮帶秤的循環(huán)鏈碼運(yùn)轉(zhuǎn)阻力約值分析估算出這種皮帶張力的附加變化值有可能達(dá)到500N至2500N；這樣大的張力變化在與皮帶秤非準(zhǔn)直度的共同作用下引起的附加重復(fù)性誤差有可能達(dá)到0.2%至0.5% 。這將使循環(huán)鏈碼本身檢驗(yàn)重復(fù)性高（優(yōu)于0.1%）的優(yōu)勢(shì)喪失殆盡。
2. 刻意維持鏈碼與皮帶的同步是沒有必要的。
皮帶秤連續(xù)累計(jì)稱量的基本公式為：
W= q(t)v(t)dt
式中：W 為T時(shí)間間隔的物料累計(jì)量，kg ；
T 為物料通過皮帶秤的時(shí)間，s ；
q(t)為皮帶單位長度上的物料重量，kg/m ；
v(t)為物料隨皮帶的運(yùn)行速度，m/s 。
在用循環(huán)鏈碼檢驗(yàn)皮帶秤時(shí)，用鏈碼模擬物料，鏈碼的單位長度質(zhì)量是個(gè)定值，即有：
q(t)=q，則上式變?yōu)椋?/p>
W=qv(t)dt
即：用循環(huán)鏈碼進(jìn)行檢驗(yàn)的累計(jì)量W與 q和v(t)是否同步無關(guān)。對(duì)于循環(huán)鏈碼裝置而言，鏈碼與皮帶是基本同步的，即使有不同步的情況產(chǎn)生也無關(guān)緊要，不會(huì)影響檢驗(yàn)工作的正確性，完全沒有必要用犧牲裝置檢驗(yàn)準(zhǔn)確度為代價(jià)來刻意維持鏈碼與皮帶的同步。
3. 循環(huán)鏈碼啟動(dòng)時(shí)對(duì)皮帶的磨耗影響完全可以忽略不計(jì)。
有關(guān)資料解釋增加循環(huán)鏈碼驅(qū)動(dòng)裝置是為了減少循環(huán)鏈碼啟動(dòng)時(shí)對(duì)皮帶的磨耗。其實(shí)循環(huán)鏈碼啟動(dòng)時(shí)對(duì)皮帶的磨耗影響是完全可以忽略不計(jì)的。
當(dāng)物體落向皮帶機(jī)時(shí)，運(yùn)轉(zhuǎn)中的皮帶將物體沿皮帶前進(jìn)方向的速度從零增加到與皮帶同一速度。從力學(xué)的角度看，皮帶機(jī)克服了物體的慣性阻力作功，增加了物體的動(dòng)能。增加的動(dòng)能為：
½mV
式中：m 為物體的質(zhì)量，kg ；
V 為皮帶的速度，m/s 。
物體的慣性阻力作用在皮帶與物體的接觸面上，會(huì)給皮帶帶來磨耗這是不可避免的，而且物體動(dòng)能增加越大，皮帶磨耗越厲害。當(dāng)皮帶速度一定時(shí)，皮帶的磨耗，隨被增速的物體質(zhì)量增大而增加。循環(huán)鏈碼被皮帶啟動(dòng)時(shí)，被增速的質(zhì)量僅僅是該組循環(huán)鏈碼的質(zhì)量；與此相對(duì)照，在皮帶機(jī)的入料口皮帶要將落下的物料全部增速到皮帶的速度，這些物料的質(zhì)量遠(yuǎn)大于循環(huán)鏈碼的質(zhì)量。比如說：某皮帶機(jī)帶速為2m/s，每天工作6小時(shí)；循環(huán)鏈碼每周檢驗(yàn)皮帶秤一次，鏈碼長21m；鏈碼的每米質(zhì)量與入口物料的流量相當(dāng)。不難算出，這一周內(nèi)，入料口被皮帶帶動(dòng)的物料質(zhì)量是該組循環(huán)鏈碼質(zhì)量的14400倍。所以皮帶啟動(dòng)鏈碼所遭受的磨耗與入料口處皮帶啟動(dòng)落下物料時(shí)所遭受的磨耗相比是微乎其微的。
在皮帶機(jī)的工作中，還有比入料口處皮帶受到的磨耗更大的環(huán)節(jié)，例如犁式卸料器。犁式卸料器將運(yùn)動(dòng)中物料強(qiáng)行轉(zhuǎn)向，使物料與皮帶產(chǎn)生摩擦。設(shè)一臺(tái)工作流量為600t/h 的皮帶機(jī)，帶寬為1米，帶速為2m/s，按資料[4]提供的計(jì)算公式，入料口的摩擦阻力約為333N，而犁式卸料器的摩擦阻力約為1500N，為入料口的4.5倍。若將皮帶啟動(dòng)鏈碼所遭受的磨耗與犁式卸料器相比，更是微乎其微了。
由此可看出，就為滿足皮帶機(jī)正常工作而設(shè)計(jì)和選用的皮帶而言，循環(huán)鏈碼降落啟動(dòng)時(shí)對(duì)皮帶的磨耗影響完全可以忽略不計(jì)，沒有必要用驅(qū)動(dòng)裝置來減輕循環(huán)鏈碼對(duì)皮帶的磨耗。而且設(shè)計(jì)者原本想用來減輕磨耗的驅(qū)動(dòng)裝置實(shí)際上只會(huì)適得其反，因?yàn)樵谟辛蓑?qū)動(dòng)裝置后，鏈碼若與皮帶速度有了差異，兩者間就會(huì)有強(qiáng)制性的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，反而會(huì)增加彼此的摩擦。
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皮帶秤循環(huán)鏈碼檢驗(yàn)裝置是一種很有發(fā)展前景的皮帶秤檢驗(yàn)裝置，同時(shí)它還有不少地方需要完善。我們對(duì)循環(huán)鏈碼的認(rèn)識(shí)必將隨著生產(chǎn)和科研的實(shí)踐不斷地深入，循環(huán)鏈碼裝置的生命力必將隨之不斷地發(fā)揮出來，它將更好地服務(wù)于社會(huì)。
參考文獻(xiàn)
[1] 數(shù)據(jù)摘自《一種新的電子皮帶秤檢定法-模擬實(shí)物檢定法》 作者：中國計(jì)量科學(xué)研究院 唐煜、王翔、馮瑞冬。該文發(fā)表于2003年第六屆亞太地區(qū)質(zhì)量、力和扭矩計(jì)量學(xué)術(shù)會(huì)議（APMF 2003/IMEKO TC3），見該會(huì)議論文集4.2，P155。
[2]《北京春海技術(shù)公司DCX型電子皮帶秤模擬實(shí)物檢測(cè)裝置測(cè)試情況》 電力工業(yè)部熱工計(jì)量測(cè)試中心 2001年3月。
[3]《皮帶秤》 P160，作者：羅才生、鄒炳易、張家緯， 中國計(jì)量出版社。
[4]《運(yùn)輸機(jī)械設(shè)計(jì)選用手冊(cè)》 上冊(cè) P136至 P137 （表2-31、表2-32）， 化學(xué)工業(yè)出版社。
作者：周有守 教授級(jí)高級(jí)工程師 。2003年于首鋼機(jī)電設(shè)計(jì)研究院退休，現(xiàn)在服務(wù)于北京市春海技術(shù)開發(fā)有限公司技術(shù)部 。
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<全文完>
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