120t 電子汽車(chē)衡稱(chēng)重傳感器頻繁損壞的原因分析與解決方案

劉燕江 高良祥 蘇紅生 李高橋

（云南云天化紅磷化工有限公司）

汽車(chē)衡是一種大型地磅，是工礦企業(yè)用于大宗貨物稱(chēng)量的衡器，主要用于汽車(chē)載貨重量的稱(chēng)量。 汽車(chē)衡是列入國(guó)家強(qiáng)制檢定目錄的工作計(jì)量器具，實(shí)行強(qiáng)制檢定，過(guò)磅的準(zhǔn)確性不僅影響物流過(guò)磅績(jī)效，也關(guān)乎企業(yè)的聲譽(yù)。

云南云天化紅磷化工有限公司過(guò)磅中心于2009 年3 月建成投用， 主要由4 臺(tái)（編號(hào)為1#、2#、3#、4#）120t 的靜態(tài)電子汽車(chē)衡及其管理系統(tǒng)組成。汽車(chē)衡的型號(hào)為SCS-D-120，長(zhǎng)18m、寬3.4m，秤體由3 段6m 長(zhǎng)的模塊搭接構(gòu)成， 采用8 個(gè)HBM C16iC3/40t 柱式傳感器。過(guò)磅中心每年過(guò)磅車(chē)輛約5.4 萬(wàn)輛、物料凈重約3 000kt。 公司對(duì)汽車(chē)運(yùn)輸?shù)某善?、煤、硫磺、礦石和廠內(nèi)倒運(yùn)物料按流程過(guò)磅計(jì)量，過(guò)磅數(shù)據(jù)作為雙方結(jié)算的依據(jù)。

1 問(wèn)題的提出

4 臺(tái)汽車(chē)衡在投用后不到1 年就陸續(xù)出現(xiàn)較大的偏差、段差，同一車(chē)輛在同一汽車(chē)衡上的不同位置，其偏差、段差也不一樣，袋裝成品發(fā)運(yùn)時(shí)由于車(chē)輛過(guò)磅超差不符合公司的放行要求而需要復(fù)磅。 同一車(chē)輛的毛重與皮重不在同一臺(tái)汽車(chē)衡上過(guò)磅時(shí)，凈重會(huì)產(chǎn)生較大的偏差，因此對(duì)于成品或是價(jià)值較高的物料，要求車(chē)輛的毛重和皮重在同一臺(tái)汽車(chē)衡上過(guò)磅。4 臺(tái)汽車(chē)衡的檢修、段差調(diào)整頻繁， 檢修周期為1 個(gè)月。 4 臺(tái)汽車(chē)衡從2009 年3 月投用到2015 年10 月停用，共損壞稱(chēng)重傳感器78 個(gè)。 2013 年11 月2#汽車(chē)衡秤體塌臺(tái)，把整個(gè)秤體吊出來(lái)檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)3 段秤體模塊部分的U 型梁有不同程度的裂紋，第2 段秤體模塊右邊最外側(cè)2 條U 型梁斷裂。

2#汽車(chē)衡的解決方案是重新采購(gòu)一臺(tái)，秤體按150t 標(biāo)準(zhǔn)制作， 選用HBM C16iC3/60t 柱式傳感器，基礎(chǔ)不作任何改動(dòng)，限位裝置和方式不變。2#汽車(chē)衡更換后由于秤體縱向擺動(dòng)幅度過(guò)大，8個(gè)傳感器上頭部均有不同程度的損傷而不能正常投用。 需要指出的是C16iC3/60t 柱式傳感器高度為210mm， 而C16iC3/40t 柱式傳感器高度為150mm。對(duì)2#汽車(chē)衡更換后出現(xiàn)的問(wèn)題，文獻(xiàn)［1］已有論述，表明2#汽車(chē)衡的這一改造方式不妥。

2 120t 汽車(chē)衡存在的問(wèn)題和傳感器損壞原因分析

電子汽車(chē)衡由基本部分和外圍設(shè)備兩部分組成，基本部分主要由基礎(chǔ)、秤臺(tái)、限位裝置、稱(chēng)重傳感器、接線盒和稱(chēng)重儀表組成［2］。被稱(chēng)重物或載重汽車(chē)置于秤體上，在重力作用下，秤體將重力傳遞至稱(chēng)重傳感器，使稱(chēng)重傳感器的彈性體產(chǎn)生變形，粘貼于彈性體應(yīng)變梁上的應(yīng)變計(jì)橋路失去平衡，輸出與質(zhì)量值成正比的電信號(hào)，通過(guò)稱(chēng)重儀表后處理顯示出過(guò)磅車(chē)輛的質(zhì)量值［3］。

2.1 120t 汽車(chē)衡存在的問(wèn)題

2.1.1 汽車(chē)衡秤體

汽車(chē)衡秤體（承載器）承受汽車(chē)載荷，作用是把承載車(chē)輛的實(shí)際重量準(zhǔn)確有效地傳遞到測(cè)量裝置的稱(chēng)重傳感器上。 秤體（臺(tái)）是由臺(tái)面鋼板、主梁、端梁、傳感器支撐座及秤體之間的連接裝置等鋼結(jié)構(gòu)件組合焊接而成的一個(gè)平臺(tái)型構(gòu)件。技術(shù)文件顯示：120t 汽車(chē)衡秤體由3 段U 型梁結(jié)構(gòu)的模塊搭接而成、面板厚16mm、端板厚16mm、7 條300mm 高的U 型梁、U 型梁間焊有加強(qiáng)筋板、模塊搭接處有蓋板。

實(shí)測(cè)損壞的2#汽車(chē)衡秤體的部分?jǐn)?shù)據(jù)如下：

a. 3 段秤體模塊的總重量12t， 對(duì)120t 汽車(chē)衡秤體來(lái)說(shuō)，重量偏輕。

b. 6m 長(zhǎng)的U 型梁由3 段2m 長(zhǎng)的U 型梁拼焊而成，U 型梁鋼板厚4mm、 高300mm。 文獻(xiàn)［4，5］認(rèn)為U 型梁的鋼板厚度、高度、拼焊對(duì)120t汽車(chē)衡秤體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)是不合理的，將直接影響秤體的剛度和強(qiáng)度。

c. 秤體焊接工藝和質(zhì)量存在問(wèn)題。

運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題：

a. 秤體模塊搭接處的蓋板固定螺栓易脫落，從而導(dǎo)致蓋板變形翹起。

b. 秤體模塊搭接間隙大、傳感器的支點(diǎn)和受力點(diǎn)不重合， 在軸載荷重作用下產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)力矩，使秤體連接處翹起。

c. 一些邊角受力點(diǎn)的焊縫易炸裂，需經(jīng)常補(bǔ)焊。

綜上所述，秤體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，制造工藝不達(dá)標(biāo)，剛度和強(qiáng)度達(dá)不到120t 汽車(chē)衡的實(shí)際使用要求。

2.1.2 汽車(chē)衡限位

汽車(chē)駛?cè)氤芋w時(shí)，會(huì)使秤體在水平方向有較大幅度的擺動(dòng)，特別是重載車(chē)輛以較快的速度駛?cè)霑r(shí)，會(huì)產(chǎn)生水平方向的沖擊力，使秤體和傳感器發(fā)生搖擺。 為保證秤體在技術(shù)允許范圍內(nèi)擺動(dòng)并保護(hù)傳感器不受較大水平分力的影響，設(shè)置縱橫向限位裝置［6］。 120t 汽車(chē)衡的限位裝置是在秤體模塊1 和模塊3 的四角設(shè)置四縱四橫8 顆可調(diào)節(jié)螺栓，即四角八位碰撞限位裝置［7］（圖1）。

圖1 四角八位限位裝置示意圖

四角八位碰撞限位裝置的優(yōu)點(diǎn)是： 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、成本低，適用于要求不高的汽車(chē)衡。 缺點(diǎn)是：當(dāng)溫差變化較大時(shí)，秤臺(tái)的熱脹冷縮會(huì)使限位間隙產(chǎn)生變化，間隙過(guò)小易造成秤體卡死，間隙過(guò)大會(huì)使秤體晃動(dòng)幅度過(guò)大，對(duì)傳感器和稱(chēng)量精度造成影響。

2.1.3 稱(chēng)重傳感器量程核算

當(dāng)汽車(chē)衡的量程確定后，傳感器的量程計(jì)算式為［8］：

式中 C——單個(gè)傳感器的額定量程，t；

K0——保險(xiǎn)系數(shù)，一般取1.2～1.3；

K1——沖擊系數(shù)；

K2——秤體的重心偏移系數(shù)；

K3——風(fēng)壓系數(shù)；

N——秤體所采用支撐點(diǎn)的數(shù)量；

W——秤體自重，t；

Wmax——被稱(chēng)物體凈重的最大值，t。

120t 汽車(chē)衡秤體自重12t，采用8 個(gè)傳感器，相關(guān)參數(shù)為Wmax=120t、W=12t、N=8、K0=1.25、K1=1.18、K2=1.03、K3=1.02，則傳感器的量程C=25.6t。

在實(shí)際使用中，一般應(yīng)使傳感器工作在其額定量程的30%～70%內(nèi)， 則傳感器的選型量程范圍在36.6～85.3t， 因此120t 汽車(chē)衡選用40t 量程的傳感器即能滿足要求。

2.2 120t 汽車(chē)衡傳感器頻繁損壞的原因

秤體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理和制造工藝不達(dá)標(biāo)，秤體的剛度和強(qiáng)度達(dá)不到120t 汽車(chē)衡的實(shí)際使用要求。 當(dāng)重載車(chē)輛過(guò)磅時(shí)，秤體的變形量大且不均勻，傳感器易單只過(guò)載而損壞。 由于秤體變形，調(diào)整角差時(shí)需要在相應(yīng)的傳感器下壓頭鋼墊板下加減薄鋼墊板，這樣秤體越墊越變形、越墊越扭曲，傳感器越易損壞。 秤體的變形量大，相應(yīng)的限位間隙變大，秤體的擺動(dòng)幅度就越大。

限位裝置不合理， 秤體模塊搭接間隙大，當(dāng)重載車(chē)輛從秤體模塊1 駛?cè)霑r(shí)，其沖擊力由模塊1 碰撞到模塊2 再到模塊3 逐級(jí)放大， 經(jīng)過(guò)三級(jí)放大的沖擊力由模塊3 縱向限位螺栓沖擊到預(yù)埋鋼板上實(shí)現(xiàn)碰撞限位。 由于沖擊力大，縱向限位螺栓易損壞。 秤體變形量大，使傳感器的擺動(dòng)幅度過(guò)大，重力作用不再沿著傳感器的軸線方向傳遞，產(chǎn)生的剪切分力不僅影響稱(chēng)重且易損壞傳感器，極端情況下使傳感器上下頭部在剪切力的反復(fù)作用下折斷。

安裝傳感器下壓頭的鋼墊板沒(méi)有與基礎(chǔ)板進(jìn)行可靠的固定連接。 在重載車(chē)輛反復(fù)沖擊的綜合作用下，鋼墊板易移位，使傳感器傾斜，更加容易損壞傳感器。

近年來(lái)， 隨著運(yùn)輸車(chē)輛類(lèi)型的不斷增多，裝載能力不斷提高，部分車(chē)輛已超出120t 的稱(chēng)重范圍。 現(xiàn)場(chǎng)部分重載車(chē)為后8 輪車(chē)輛，其最大軸載達(dá)70t，已超國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的50t 軸載［9］，進(jìn)一步加劇了秤體的變形和傳感器的損壞。

綜上所述，汽車(chē)衡秤體剛度和強(qiáng)度達(dá)不到實(shí)際使用要求、限位裝置不合理、傳感器下壓頭的鋼墊板沒(méi)有與基礎(chǔ)板進(jìn)行可靠固定，是過(guò)磅偏差大、準(zhǔn)確性差和傳感器頻繁損壞的主要原因。

3 150t 新汽車(chē)衡的選用

汽車(chē)衡的硬件主要由稱(chēng)重儀表、稱(chēng)重傳感器和秤體3 部分組成。 大多數(shù)汽車(chē)衡生產(chǎn)商只生產(chǎn)秤體，稱(chēng)重傳感器、儀表選配和秤體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺乏合理的計(jì)算，生產(chǎn)制造工藝差別大，甚至同一秤體可以根據(jù)需要作為不同最大稱(chēng)量汽車(chē)衡的秤體［10］。 有關(guān)秤體的技術(shù)規(guī)范較少，只在GB/T 7723—2017《固定式電子衡器》第6 款提到結(jié)構(gòu)的一般要求， 給出30～200t 大型衡器秤體的相對(duì)變形量技術(shù)指標(biāo)和基礎(chǔ)要求［11］，對(duì)汽車(chē)衡秤體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)只有最大載荷變形量要求，而沒(méi)有著力點(diǎn)合理性的要求，實(shí)際上著力點(diǎn)是否合理直接影響汽車(chē)衡計(jì)量性能的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。

結(jié)合過(guò)磅中心的實(shí)際情況， 選用2 臺(tái)梅特勒-托利多（常州）測(cè)量技術(shù)有限公司的VTS256型150t 汽車(chē)衡，更換1#、4#汽車(chē)衡，稱(chēng)重儀表的量程仍按120t 設(shè)置。

3.1 150t 新汽車(chē)衡秤體

汽車(chē)衡U 型鋼組焊秤體結(jié)構(gòu)采用正交各向異性理論設(shè)計(jì)［12］，秤體整體強(qiáng)度高、抗扭和抗側(cè)向力強(qiáng)，剛度優(yōu)于1/1000，安全系數(shù)大于2.5。 U型梁一體化冷彎成形，定位時(shí)加載預(yù)拱，除增加秤體的承載力外還使臺(tái)面不易積水。 U 型梁之間沒(méi)有加強(qiáng)筋板，秤體焊接采用全自動(dòng)埋弧焊。

技術(shù)文件顯示：150t 汽車(chē)衡秤體由3 段U 型梁結(jié)構(gòu)的模塊搭接而成，搭接處無(wú)蓋板；面板厚16mm； 端板厚30mm；7 條380mm 高U 型梁，秤體中間3 條U 型梁鋼板厚6mm， 其余4 條U 型梁鋼板厚8mm；3 段秤體模塊設(shè)計(jì)用鋼量約16t，實(shí)重16.5t。

3 段秤體模塊分為主秤體、 副秤體和中間秤體，結(jié)構(gòu)基本一樣，區(qū)別主要是搭接部分。 秤體模塊的搭接頭由錐型銷(xiāo)軸從下向上實(shí)現(xiàn)緊密連接，銷(xiāo)軸的軸線下方安裝稱(chēng)重傳感器，秤體的支撐點(diǎn)與著力點(diǎn)重合，使秤體連接處不會(huì)翹起。

3.2 150t 新汽車(chē)衡限位

如圖2 所示，合理的限位裝置可以較好地控制沖擊力對(duì)秤體和傳感器產(chǎn)生的擺動(dòng)幅度，從而減少對(duì)傳感器和基礎(chǔ)預(yù)埋板的沖擊，提高汽車(chē)衡的使用壽命。 150t 汽車(chē)衡采用專(zhuān)利技術(shù)限位裝置，縱向限位設(shè)置在兩段秤體模塊連接的中部位置，橫向限位設(shè)置在秤體兩端的側(cè)面，縱橫12 個(gè)限位點(diǎn)，縱橫限位立板與預(yù)埋基礎(chǔ)板連為一體。

限位裝置組件及其基礎(chǔ)預(yù)埋板由制造商整體提供，制造精度和質(zhì)量有保證。 優(yōu)點(diǎn)是縱橫向限位均外置可見(jiàn)，調(diào)整方便；能夠克服秤體熱脹冷縮對(duì)限位間隙的影響，縱向以?xún)啥纬芋w模塊連接中部為基準(zhǔn)，讓秤體熱脹冷縮的變形量從中間往兩端擴(kuò)展，基本可以保證一次調(diào)整好限位間隙后，將來(lái)幾乎不用調(diào)整或只需微調(diào)。 缺點(diǎn)是對(duì)基礎(chǔ)的制作要求高，一次投入較大。

圖2 專(zhuān)利技術(shù)限位裝置

3.3 150t 新汽車(chē)衡稱(chēng)重傳感器量程

150t 汽車(chē)衡秤體自重為16.5t，采用8 個(gè)傳感器，Wmax=150t、W=16.5t、N=8、K0=1.25、K1=1.18、K2=1.03、K3=1.02，據(jù)式（1）計(jì)算得到傳感器的量程C′=32.3t。

如使傳感器工作在其額定量程的30%～70%， 則傳感器的選型量程范圍在46.1～107.7t，因此選用50t 量程的傳感器即可滿足要求。此外，在本例的工程實(shí)施中，150t 汽車(chē)衡實(shí)際是當(dāng)120t用，已預(yù)留了足夠的安全余量。 從圖2 還可以看出，安裝傳感器下壓頭的鋼墊板與基礎(chǔ)板實(shí)現(xiàn)了可靠的固定，徹底解決了原120t 汽車(chē)衡鋼墊板易移位的弊端。

4 1#、4#汽車(chē)衡運(yùn)行效果

改造后的1#、4#汽車(chē)衡按JJG 539—2016《數(shù)字指示秤》檢定規(guī)程檢定合格［13］，2015 年10 月正式投用（同時(shí)2#、3#汽車(chē)衡停用），到目前為止已連續(xù)正常運(yùn)行了近5 年，即改造后的2 臺(tái)汽車(chē)衡不僅承擔(dān)了原來(lái)由4 臺(tái)汽車(chē)衡的全部過(guò)磅任務(wù)且過(guò)磅數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。 袋裝成品發(fā)運(yùn)時(shí)由于重量超差而返回裝車(chē)點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)包核實(shí)，點(diǎn)包后的事實(shí)無(wú)一例外地說(shuō)明了過(guò)磅數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，不僅每年為公司挽回了數(shù)十萬(wàn)元的直接經(jīng)濟(jì)損失，還改善了裝車(chē)系統(tǒng)的運(yùn)行績(jī)效。 2016～2019 年的過(guò)磅數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 2016～2019 年的過(guò)磅數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

幾年來(lái)的運(yùn)行數(shù)據(jù)表明： 改造后的1#、4#汽車(chē)衡運(yùn)行狀況良好，每年1 次的周期檢定過(guò)程及其數(shù)據(jù)給出了明確而又權(quán)威的結(jié)論。 實(shí)踐還表明： 合理的限位裝置可以有效限制秤體的振動(dòng)，降低沖擊力造成的過(guò)大振幅，限制傳感器彈性體的擺動(dòng)幅度，可以提高稱(chēng)重系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和稱(chēng)重準(zhǔn)確度，減小外界對(duì)傳感器的疲勞荷載［14］。

5 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)合理、做工精良的電子汽車(chē)衡不僅能夠明顯降低未來(lái)多年的維護(hù)和修理成本，而且能防止因?yàn)榫日`差造成潛在的產(chǎn)品或利潤(rùn)損失。 隨著公司的發(fā)展， 過(guò)磅量逐漸增加，2#、3#汽車(chē)衡的改造已提上日程，120t 汽車(chē)衡稱(chēng)重傳感器頻繁損壞的綜合原因分析以及1#、4#汽車(chē)衡的成功改造可作為直接的經(jīng)驗(yàn)與指導(dǎo)，同時(shí)也為企業(yè)合理選用汽車(chē)衡提供參考案例。