一種高精度雙托輥稱重單元的設(shè)計(jì)研究

熊 健 ，蒲 林，王宏兵，羅清敏，高族穎

XIONG Jian1 ,PU Lin1,WANG Hong-bing2,LUO Qing-min2,GAO Zu-ying2

（1.貴州中煙工業(yè)有限責(zé)任公司貴定卷煙廠，貴定 551300；2.云南昆船電子設(shè)備有限公司，昆明 650217）

0 引言

目前在煙草行業(yè)中大量使用的電子皮帶秤的稱重裝置基本上有以下幾種：?jiǎn)蝹鞲衅鞲軛U秤臺(tái)、雙傳感器杠桿秤臺(tái)、雙傳感器單托輥直壓秤臺(tái)，四傳感器雙托輥直壓秤臺(tái)等等。杠桿式秤臺(tái)由于中間環(huán)節(jié)因素過(guò)多，這種技術(shù)已經(jīng)逐漸被淘汰；直壓式稱重，如果采用框架式秤臺(tái)，必須采用三只以上的傳感器才能托住一個(gè)秤臺(tái)，現(xiàn)有一般的托輥式最小稱重單元都是單托輥的，也必須用一只或兩只（帶寬較寬時(shí)必須是兩只）傳感器支撐一根稱重輥，采用兩組或更多稱重單元必須采用更多的傳感器來(lái)支撐?？蚣苁匠优_(tái)笨重，而且需要傳感器數(shù)量較多，不經(jīng)濟(jì)，傳統(tǒng)托輥式秤臺(tái)為了提高穩(wěn)定性和精度至少采用兩組稱重單元，稱重所需的傳感器數(shù)量不會(huì)低于四只，如果采用更多的托輥數(shù)量來(lái)減小誤差，需要的稱重單元更多，傳感器數(shù)量也更多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜也不經(jīng)濟(jì)，而且也無(wú)法滿足已有的一些老式的托輥秤臺(tái)的改造。依據(jù)皮帶秤相對(duì)誤差理論，采用更多的稱重托輥或?qū)⑹瞧С酉蚋呔劝l(fā)展的一個(gè)必然趨勢(shì)，而同時(shí)如何盡可能地降低傳感器安裝數(shù)量也是需要解決的一大難題。

1 減小相對(duì)誤差的手段分析

雙輥稱重單元主要依據(jù)對(duì)相對(duì)誤差的研究分析，揚(yáng)長(zhǎng)避短進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1）相對(duì)誤差的定義

相對(duì)誤差是稱重過(guò)程中設(shè)備稱量結(jié)果的相對(duì)差值與真實(shí)結(jié)果的比值。

2）相對(duì)誤差理論研究

為了直觀體現(xiàn)相對(duì)誤差與各相關(guān)因子的關(guān)系，便于皮帶秤的設(shè)計(jì)者們有針對(duì)性的來(lái)設(shè)計(jì)、優(yōu)化稱重機(jī)構(gòu)，對(duì)相對(duì)誤差產(chǎn)生的過(guò)程做一個(gè)簡(jiǎn)單的推導(dǎo)研究：如圖1所示，是一個(gè)采用2組單輥稱重單元稱重的簡(jiǎn)化示意圖，黑色梯形線是傳感器的受力曲線圖。假設(shè)每米料重q，托輥間距為a，根據(jù)受力曲線圖，兩組稱重輥的傳感器實(shí)際采集到的物料重量為G=2aq。根據(jù)受力曲線圖，稱重托輥間的受力都是直線，如果有3組稱重托輥，采集到的物料重量為G=3aq，一次類推如果有n組稱重托輥，那么采集到的物料重應(yīng)該是：

實(shí)際在稱重過(guò)程中，物料壓在皮帶面上，傳感器自身形變、皮帶下榻、托輥受力彎曲、稱重輥安裝高低都會(huì)導(dǎo)致帶面是有一定量的下沉，如圖2所示，假設(shè)下沉量為d，皮帶的張力為Fp。皮帶的張力會(huì)產(chǎn)生一個(gè)向上的分力（如果皮帶秤稱重輥安裝的比過(guò)度輥高皮帶張力產(chǎn)生一個(gè)向下的分力），抵消（或增加）一部分物料的重力。所以傳遞給傳感器的真實(shí)重力為：

根據(jù)相對(duì)誤差的定義，相對(duì)誤差的表達(dá)式為：

由式(3)可以看出，±2FpSinα就是誤差項(xiàng)，將式(1)、式(2)代入式(3)，便可得到相對(duì)誤差E的表達(dá)式：

由于皮帶面的下沉量d比較小，α值也就非常小，近似的認(rèn)為Sinα=d/a，代入式(4)，就可以得出相對(duì)誤差：E=±2Fp.d/n.q.a2。由于皮帶是傳力介質(zhì)，考慮到皮帶自身的物理因素的引入皮帶效應(yīng)系數(shù)K，就可以得出前面所講的相對(duì)誤差公式：

其中：E為相對(duì)誤差；K為皮帶效應(yīng)系數(shù)；Fp為皮帶張力；d為稱重輥垂直位移；n為稱重輥組數(shù)；q為每米料重；a為托輥間距。

圖2 張力影響力學(xué)分析簡(jiǎn)圖

3）減小相對(duì)誤差E的手段分析

減小相對(duì)誤差的有效手段就是減小分子，增大分母。分子的皮帶效應(yīng)系數(shù)K，跟皮帶自身有關(guān)，一旦皮帶選定就無(wú)法改變，皮帶張力Fp必須滿足皮帶不打滑的最小張力，保持張力的恒定，使張力產(chǎn)生的誤差基本可控。目前市場(chǎng)上的皮帶秤廠家大多都采用了皮帶恒張緊裝置。從分子上的因素來(lái)看，只有減小稱重輥的垂直位移d可行。如此看來(lái)分子上的因子目前基本沒(méi)有太好的措施就只能看分母上的因子了：

（1）增大單位長(zhǎng)度上料重q，看似是很有效的手段。一種物料的容重是固定的，要提高秤臺(tái)上每米料重就只有加高料層，但料層不能無(wú)限加高，料層過(guò)高物料會(huì)塌翻，落料不均，“雪崩”現(xiàn)象嚴(yán)重。制絲線最大料層厚度一般也就在200mm左右，打葉復(fù)烤線煙葉料厚300mm左右。

（2）稱重輥間距a，依據(jù)誤差公式來(lái)看，增大a應(yīng)該是最有效的。相對(duì)誤差公式里給出的只是誤差因子與誤差的一個(gè)相對(duì)關(guān)系。托輥間距過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致皮帶塌拉效應(yīng)嚴(yán)重，適得其反。皮帶間距過(guò)大，皮帶塌拉嚴(yán)重，由于皮帶張力產(chǎn)生的2Fpsinα誤差更大。

從以上分析來(lái)看，減小相對(duì)誤差E目前可以采取的有效措施有：

（1）尋找適合皮帶秤的優(yōu)質(zhì)皮帶，盡量消除皮帶自身的效應(yīng)系數(shù)K；

（2）提高秤臺(tái)鋼性，減小帶料時(shí)的帶面下沉量d；

（3）采用形變量更小的傳感器，也是減小帶料時(shí)的帶面下沉量d；

（4）增加稱重托輥組數(shù)n。

2 自聯(lián)式雙托輥稱重單元的研究

直壓式稱重是最簡(jiǎn)潔、最穩(wěn)定可靠的稱重方式，目前稱重技術(shù)一直停留在單托輥稱重單元（如圖3左邊部分）的基礎(chǔ)上，沒(méi)有進(jìn)一步的突破。依據(jù)正確理論引導(dǎo)，保持與原有電子皮帶秤的互換性，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、輕便、不增加傳感器數(shù)量的雙托輥單元式電子皮帶秤，突破單托輥稱重單元技術(shù)的瓶頸，是皮帶秤技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)所需。下面介紹一種可行的雙托輥稱重單元。

圖3 典型單、雙托輥稱重單元結(jié)構(gòu)圖

如圖3右邊部分（1為稱重輥；2為高強(qiáng)度鋁板；3為端軸；4為調(diào)整滑塊組合；5為稱重傳感器；6為端軸固定座）所示的雙托輥稱重單元是根據(jù)相對(duì)誤差理論的各影響因子的分析，采取可行的方法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。該結(jié)構(gòu)為自聯(lián)式，采用鋼制波紋管傳感器替代傳統(tǒng)的鋁制傳感器，減小傳感器的形變。該結(jié)構(gòu)包括有由兩根平行的托輥和兩塊平行的連接板連接組成的矩形框架，分別安裝于兩塊連接板中間的兩個(gè)端軸、分別設(shè)置于連接板外側(cè)的兩個(gè)端軸固定座、兩個(gè)端軸固定座分別與稱重傳感器連接。

稱重托輥由空心芯軸、筒體、軸承等組成。芯軸采用兩端軸頭與空心管焊接后加工而成，軸承套裝在軸頭上，筒體套裝在軸承外；兩端軸頭分別插入連接板開(kāi)設(shè)的連接孔中。在連接板的連接孔外側(cè)面開(kāi)設(shè)有壓板可嵌入的沉孔，沉頭螺釘穿過(guò)壓板擰入軸頭內(nèi)拉緊，將托輥軸頭與連接板緊固連接。在端軸外側(cè)面銑有平面，端軸置于固定座的U型槽里，兩顆調(diào)節(jié)螺釘從外側(cè)穿過(guò)U型槽頂向端軸平面將端軸鎖緊。

兩根稱重輥與兩塊連接板形成了一個(gè)結(jié)構(gòu)穩(wěn)固的矩形框架，加之托輥采用空心管結(jié)構(gòu)以及重量較輕的鋁合金制做，避免了傳統(tǒng)多托輥稱重單元在框架上固定托輥的笨重結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輕便、緊湊。整個(gè)框架以端軸的軸心為中心成對(duì)稱結(jié)構(gòu)，抵消物料重量形成兩側(cè)托輥的壓力對(duì)傳感器造成側(cè)向扭矩，通過(guò)調(diào)節(jié)固定座側(cè)面調(diào)節(jié)螺釘?shù)臄Q入長(zhǎng)度，使稱重單元的端軸在固定座U型槽里旋轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)兩邊托輥的高低，達(dá)到找平稱重面的目的。調(diào)整滑塊組合可以方便調(diào)整稱重單元的高低，結(jié)構(gòu)可以做成與以往單輥稱重單元調(diào)整滑塊組合完全互換，這樣可以在原有皮帶秤改動(dòng)很小的情況下，完全替代原有的單輥稱重單元。

至于采用兩顆調(diào)節(jié)螺釘擰入長(zhǎng)度來(lái)調(diào)節(jié)稱重框架的水平面，感覺(jué)太單薄，可以在具體設(shè)計(jì)、制作、驗(yàn)證過(guò)程中進(jìn)行優(yōu)化，考慮了其他兩種方案（如圖4所示），可以供參考。

圖4 雙托輥稱重單元結(jié)構(gòu)參考圖

圖4左邊的方案采用刀口、刀承作為旋轉(zhuǎn)支點(diǎn)，通過(guò)調(diào)節(jié)另一端螺釘來(lái)調(diào)整雙輥的水平。圖4右邊的方案采用的圓弧面作為旋轉(zhuǎn)支點(diǎn)，這幾種結(jié)構(gòu)形式各有千秋，可以在樣機(jī)試制和使用過(guò)程中進(jìn)行驗(yàn)證，從加工經(jīng)濟(jì)性、工藝性、功能方面進(jìn)行比對(duì)優(yōu)化，采用最優(yōu)的方式。

3 自聯(lián)式雙托輥稱重單元的優(yōu)勢(shì)分析

自聯(lián)式雙輥稱重單元的研發(fā)設(shè)計(jì)完全符合相對(duì)誤差理論公式，跟目前流行的單輥稱重單元相比有很多的優(yōu)勢(shì)。

1）有效計(jì)量段加大

如圖5所示，傳統(tǒng)單托輥稱重單元有效計(jì)量段為L(zhǎng)/2，本論文所述的自聯(lián)式雙托輥稱重裝置的有效計(jì)量段長(zhǎng)度為2L/3（托輥間距均布）。在稱重區(qū)域長(zhǎng)度L不改變的情況下有效計(jì)量段增大，可提高當(dāng)前秤臺(tái)上采樣的物料重量，減小皮重變化在整個(gè)稱重中影響量，有利于提高皮帶秤的計(jì)量精度。另外稱重區(qū)域長(zhǎng)度不改變，皮帶秤的輸送機(jī)長(zhǎng)度可以與原來(lái)保持一致，采用自聯(lián)式雙輥稱重單元的皮帶秤可以直接替換原有的舊秤，方便新舊設(shè)備的改造替換。

圖5 有效計(jì)量段計(jì)算示意圖

2）鋼性加強(qiáng)

以帶寬B=1800mm的稱重輥為例，對(duì)單輥稱重單元和本論文敘述的雙輥稱重單元在自重和負(fù)載30kg的情況下進(jìn)行CAE位移分析，單輥稱重單元托輥?zhàn)畲笙鲁亮繛?.59mm，而本論文敘述的雙輥稱重單元下沉量為0.41mm。所以采用自聯(lián)式雙輥稱重單元在同樣的負(fù)載下，托輥下沉量d減小了0.18mm，相對(duì)誤差E的公式里可以看出，d減小則相對(duì)誤差也減小。雖然增加了一根托輥，但并不笨重，鋼性反而得到了加強(qiáng)，對(duì)提高稱重精度秤臺(tái)的穩(wěn)定性都有好處。

3）應(yīng)用靈活多變

本雙輥稱重單元是皮帶秤稱重部分的最小單元，可以單組使用，單組使用時(shí)相當(dāng)于采用2組單輥稱重單元的效果，但只需2只傳感器，2組單輥稱重單元必須要4只傳感器，降低了成本。

自聯(lián)式雙托輥稱重單元除了可以單組使用外，也可以多組使用，如圖6所示，是使用2組自聯(lián)式雙托輥稱重單元與2根過(guò)渡托輥組成的一個(gè)雙秤臺(tái)示意圖，兩組稱重單元成對(duì)稱安裝，輸送過(guò)程中對(duì)傳感器產(chǎn)生的有害水平力矩對(duì)傳感器的作用相反，一組使傳感器受壓，一組使傳感器受拉，對(duì)整個(gè)稱重系統(tǒng)就相互抵消，精度和穩(wěn)定性相對(duì)單組稱重單元來(lái)說(shuō)更高。采用兩組時(shí)，可以直接替換目前市場(chǎng)上廣泛采用的兩組單托輥稱重單元的雙計(jì)量皮帶秤，而且不影響原有的控制系統(tǒng)。當(dāng)采用更多的組數(shù)時(shí)，建議使用偶數(shù)數(shù)量，這樣每?jī)山M成對(duì)稱安裝，相互抵消有害水平力，有利于計(jì)量精度的提高。

圖6 兩組雙托輥稱重單元組成的雙秤臺(tái)示意圖

4 結(jié)語(yǔ)

提高皮帶秤的稱重精度和穩(wěn)定性是皮帶秤發(fā)展永恒的主題和目標(biāo)，本論文所闡述的自聯(lián)式雙托輥稱重單元，增加了托輥組數(shù)，可提高電子皮帶秤秤臺(tái)的鋼性，減小因托輥彎曲導(dǎo)致的秤臺(tái)的下沉量，從而減小誤差因子2Fpsinα的影響量。同時(shí)增加了稱重托輥的有效計(jì)量段長(zhǎng)度，可提高秤臺(tái)上采樣的物料重量，減小皮重變化在整個(gè)稱重中的影響量，使皮帶秤的計(jì)量精度和長(zhǎng)期穩(wěn)定性進(jìn)一步提高。在單輥稱重單元無(wú)法進(jìn)一步突破的情況下，減小相對(duì)誤差采用雙托輥稱重單元是行之有效的手段，雖然直壓直聯(lián)式雙托輥稱重單元目前在煙草電子秤行業(yè)還未曾大量出現(xiàn)和應(yīng)用，但它將是皮帶秤發(fā)展需求的必然產(chǎn)物，也將是下一代皮帶秤的主推形式和皮帶秤技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。