基于電子汽車(chē)衡秤臺的設計研究：
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(chē)衡成為水泥企業(yè)的選擇。內部結構采用U型鋼對秤臺面板的支撐筋板數量，相對槽鋼秤臺增加了75%，當面板承載時(shí)，原來(lái)*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(chē)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、面板厚度以及對組建好的模型進(jìn)行有限元分析，可確保汽車(chē)衡的效費比。
0引言
國外許多水泥廠(chǎng)項目都在水泥倉下配置了汽車(chē)衡這*稱(chēng)重設備以稱(chēng)量其水泥罐車(chē)的重量，再把由汽車(chē)衡獲得的重量信號傳給水泥灌裝系統以達到控制汽車(chē)灌裝量的目的。由汽車(chē)衡及灌裝設備共同組成水泥倉下的槽車(chē)灌裝系統，在此系統中，由于汽車(chē)衡秤體部分屬于體積、重量較大的結構組件，又是車(chē)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(chē)衡的秤體部分在現場(chǎng)發(fā)生損壞則非常不易更換和維護。本文結合在多個(gè)項目中的實(shí)際情況，對汽車(chē)衡秤臺的設計進(jìn)行論述，試圖從適應性設計角度對該設備進(jìn)行分析。
1秤臺的組合方式
目前汽車(chē)衡多為全電子式汽車(chē)衡，采用電阻應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(lái)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(chē)衡秤臺下部支點(diǎn)增多，模塊單元的有效支撐長(cháng)度縮短，秤體厚度大幅降低就可以達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(chē)衡與機械汽車(chē)衡相比的*個(gè)明顯優(yōu)勢。因為電子汽車(chē)衡秤臺具備了模塊化組合這樣的特點(diǎn)，*以它的安裝及調試相對于機械汽車(chē)衡更加簡(jiǎn)易和方便，秤臺對整秤的*度影響更小，調校周期也更長(cháng)，使用穩定性更好，秤臺的制造材料也更加節省，更方便運輸和安裝。
*質(zhì)量的電子汽車(chē)衡秤臺應是在相同規格的秤臺單元間可具互換性的，且秤臺間的搭接完全應是自由搭接，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(chē)衡的特點(diǎn)和優(yōu)勢，這*點(diǎn)也是*電子汽車(chē)衡秤臺必須具備的*個(gè)基本要素。秤臺在相同規格條件下的互換性要求其實(shí)對大多數衡器制造廠(chǎng)商都是*個(gè)挑戰，這要求制造廠(chǎng)要具備*強的工序間質(zhì)量控制能力，有相當的產(chǎn)品制造規模和完整的內部工序糾錯體系，能進(jìn)行流水線(xiàn)生產(chǎn)，把秤臺上的各種部件做成標準件進(jìn)行統*組裝，而不是對某種規格的秤體進(jìn)行直線(xiàn)式*體化制造，采用這種直線(xiàn)式制造的秤臺在相同規格條件下肯定是不能進(jìn)行互換的，因為這樣生產(chǎn)出來(lái)的秤臺單元只是*個(gè)獨立的產(chǎn)品，而不是標準件式的模塊。模塊拼裝式結構則完全不同，*先模塊的制造來(lái)自多條并行生產(chǎn)線(xiàn)，*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)模式適用于大規模量產(chǎn)，還可以保證出廠(chǎng)產(chǎn)品質(zhì)量的穩定性和產(chǎn)品可追溯性。
而直線(xiàn)式制造只是串行生產(chǎn)由始至終的*個(gè)過(guò)程，這種生產(chǎn)模式實(shí)質(zhì)上還處于工業(yè)化制造的初級階段，雖然也可以生產(chǎn)出較大數量的產(chǎn)品，但整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程顯得非常無(wú)序，既不便保證整體產(chǎn)品的質(zhì)量穩定，也不能實(shí)現出廠(chǎng)產(chǎn)品的可追溯性，當然也更不能做到相同規格條件下的秤臺互換。從大量的現場(chǎng)使用中得出的結論是*臺汽車(chē)衡的多個(gè)秤臺不會(huì )同時(shí)損壞（除非是選購到了質(zhì)量非常惡劣的產(chǎn)品），那么當其中*個(gè)秤臺損壞時(shí)，只需要更換那個(gè)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(chē)衡的時(shí)候總體價(jià)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(gè)秤臺單元的工作長(cháng)度，目前接觸到的各生產(chǎn)商也不盡相同，以3.4m×21m、80t汽車(chē)衡為例，有的廠(chǎng)商做成3節，有的做成4節。就大量現場(chǎng)使用情況分析，4節組合的使用壽命更長(cháng)，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，這對于可自制傳感器的廠(chǎng)商并不是問(wèn)題，但對于傳感器需要外購的廠(chǎng)商則增加了成本和維護壓力，選擇低性能傳感器保證不了汽車(chē)衡使用壽命，選擇*性能傳感器又無(wú)法控制制造成本。但對使用者而言，選擇能統*制造設備元器件的廠(chǎng)商，因為這樣無(wú)論從使用還是維護角度分析，性?xún)r(jià)比都是**的。
2秤臺的內部結構
現在有許多使用者在選擇汽車(chē)衡的時(shí)候還會(huì )考慮到生產(chǎn)商提供的秤臺重量，并把這個(gè)數據作為*個(gè)招標的要求。結合實(shí)際使用分析，秤臺確實(shí)需要*定的重量以維持作業(yè)穩定性，但并不是越重越好，因為從計量的角度來(lái)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的非計量結構件重量，而需要稱(chēng)量的物體只有1t的話(huà)，那么*后的計量結果將非常不*。
隨著(zhù)各種加工方式的不斷改進(jìn)，制造設備的不斷更新，設計理念的不斷優(yōu)化，現在*的汽車(chē)衡秤體已經(jīng)非常成熟地引入了橋梁設計理論，其實(shí)這兩者是有共性的，橋梁的作用也是承重，把秤臺兩端的傳感器簡(jiǎn)化為橋墩，秤臺也就成為了*個(gè)簡(jiǎn)易橋梁，橋墩中間的橋梁是由中空的U型鋼混結構梁組成的*個(gè)正交各向異性結構平臺，這種結構*般用于大跨度橋梁，其自身同時(shí)具備*負載和跨度重量輕的特點(diǎn)，同理，秤臺結構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。但要兼顧這些并不容易，除了需要制造商配置特殊加工設備外，更需要制造商要有與之相匹配的設計能力。
這些特殊設備的購置需要占用大量流動(dòng)資金，這對制造商的產(chǎn)業(yè)規模是*個(gè)考驗，而設計能力則要求制造商具備深厚的行業(yè)開(kāi)發(fā)經(jīng)驗和人力資源儲備。秤臺實(shí)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，當罐車(chē)或車(chē)輛車(chē)輪輾壓到槽鋼秤臺上時(shí)，車(chē)輪與秤臺面板的接觸為*個(gè)面，因受槽鋼截面特性限制，車(chē)輪與秤臺橫向接觸的大部分面板下部是沒(méi)有支撐筋板的，當車(chē)輪內壓較大時(shí)，這個(gè)問(wèn)題更加突出，因為秤臺面板的*部壓強會(huì )因車(chē)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(wú)法在沒(méi)有下部筋板支撐的工況中長(cháng)期堅持，對面板進(jìn)行*部修復的諸多方法*后的效果都不好，主要原因是面板母材在使用中產(chǎn)生的內應力制約了施焊修補效果。再來(lái)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量相對槽鋼秤臺增加了75%，當面板承載時(shí)，原來(lái)*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(chē)后軸每個(gè)雙胎承壓面板下的支撐筋板至少有3根（8根槽鋼主梁的秤臺只有2根，如果布*不合理，2根都達不到），使面板*部承壓能力明顯提*，這種結構是橋梁建造工藝在秤臺設計中的*個(gè)典型應用。
再來(lái)看秤臺整體剛性的問(wèn)題，秤臺沿行車(chē)方向的長(cháng)度與兩端的傳感器支點(diǎn)可在二維平面的撓度線(xiàn)計算中被簡(jiǎn)化為*個(gè)簡(jiǎn)支梁進(jìn)行，其慣性矩參數取自秤臺橫截面計算的結果，通過(guò)這兩步計算可以確立定長(cháng)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(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(chē)軸載的變化范圍，計算時(shí)初選的軸載參數來(lái)自車(chē)輛的設計數據表和現場(chǎng)實(shí)測數據，這就對制造商的行業(yè)開(kāi)發(fā)經(jīng)驗和設計人員提出了較*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算數據應該是個(gè)不錯的選擇。
3秤臺的定型
上述提到的秤臺主梁型材的設計確定，可以通過(guò)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(lái)須確定秤臺的面板厚度。先根據罐車(chē)的*大設計軸重設定*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*款不錯的三維仿真分析軟件，可以模擬罐車(chē)軸載的變化范圍及不同載荷對秤臺的影響，用它提供的結構動(dòng)力學(xué)分析類(lèi)型來(lái)分析秤臺的單位撓度、*大應力值、承壓及聯(lián)接構件強度等指標，再用得出的結果比對初始設計目標要求，對不滿(mǎn)足或超出指標參數的部分要進(jìn)行修正。
通過(guò)上述設計分析，經(jīng)過(guò)修正的秤臺結構設計已經(jīng)成形，可以直接進(jìn)入定型制造流程。但現場(chǎng)很多時(shí)候工況是復雜的，而且制造出來(lái)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(lái)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(shí)工況時(shí)的使用壽命。類(lèi)似的工廠(chǎng)內檢測看似多余，其實(shí)不然，這正好從*個(gè)側面反饋出*個(gè)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(chē)輪反復對秤臺不同部位加載，加載力參照車(chē)輛實(shí)際的*大輪載重量，液壓頭的壓力值可調，目前已有制造商做到了加載百萬(wàn)次以上而秤臺不發(fā)生損壞，這就從實(shí)用角度驗證了設計的可靠性。
4結束語(yǔ)
汽車(chē)衡秤臺是該計量設備的三大主要部件*，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，只有在設計中盡量多地考慮實(shí)際使用狀況，積累更多現場(chǎng)經(jīng)驗，爭取創(chuàng )造條件做更多的廠(chǎng)內分析測試，*終出廠(chǎng)的產(chǎn)品才能勝任不同使用者的工作需求。
基于電子汽車(chē)衡秤臺的設計研究
