水泥倉(cāng)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)的首選。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(lái)局部由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，使面板局部承壓能力明顯提高。采用科學(xué)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(cāng)下配置了汽 車衡這一稱重設(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(cāng)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，需要專用機(jī)具進(jìn)行吊裝的， 但水泥倉(cāng)下的空間非常有限，一旦汽車衡的秤體部 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(lái)的機(jī)械式整體秤臺(tái)。分段式模塊秤臺(tái) 的組合方式在極大程度上避免了機(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)械汽車衡相比的一個(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)，所以它的安裝及調(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)整秤的精度影響更小，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。高質(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)，這一點(diǎn)也是優(yōu)質(zhì)電子汽 車衡秤臺(tái)必須具備的一個(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)衡器制造廠商都是一個(gè)挑戰(zhàn)，這要求制造 廠要具備極強(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，最好是能 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)一組裝，而不是對(duì)某種規(guī)格的秤體進(jìn)行直線 式一體化制造，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(lái)的秤臺(tái)單元只是一個(gè)獨(dú)立的唯一產(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，首 先模塊的制造來(lái)自多條并行生產(chǎn)線，最后把按既定 工藝條件生產(chǎn)的各個(gè)模塊整體組裝到一起，形成一 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 始至終的一個(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(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(guò)程顯得非常無(wú)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)論是一臺(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)其中一個(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。所以，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)于一個(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3.4 mx21 m、 80 t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，唯一不足 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(wèn)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，選擇高性能傳感器又無(wú)法控制制造 成本。但對(duì)使用者而言，最好選擇能統(tǒng)一制造設(shè)備 元器件的廠商，因?yàn)檫@樣無(wú)論從使用還是維護(hù)角度 分析，性價(jià)比都是最高的。

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 一個(gè)招標(biāo)的要求。結(jié)合實(shí)際使用分析，秤臺(tái)確實(shí)需 要一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(lái)看，需要的最佳效果是合 適的量程和皮重配合，如果一臺(tái)80 t的秤在計(jì)量范 圍以外就要承受70 t的非計(jì)量結(jié)構(gòu)件重量，而需要 稱量的物體只有1 t的話，那么最后的計(jì)量結(jié)果將非 常不準(zhǔn)確。

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)在優(yōu)秀的汽車 衡秤體已經(jīng)非常成熟地引人了橋梁設(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)也就成為了一個(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) 梁組成的一個(gè)正交各向異性結(jié)構(gòu)平臺(tái)，這種結(jié)構(gòu)一 般用于大跨度橋梁，其自身同時(shí)具備高負(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，在充分保證計(jì)量精度所要求的單位撓度前提 下，盡量降低自身重量，確保秤臺(tái)整體剛性和局部 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)模是一個(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(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)和人力資源儲(chǔ)備。

從圖1、圖2可以分析，采用了7根U型主梁的

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 的支撐只能等效成一塊比鋼板略厚的支撐筋板，當(dāng) 圖3、圖4所示的罐車或車輛車輪輾壓到槽鋼秤臺(tái)上 時(shí)，車輪與秤臺(tái)面板的接觸為一個(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(méi)有支撐筋板的，當(dāng)車輪內(nèi)壓較大時(shí)，這個(gè)問(wèn) 題更加突出，因?yàn)槌优_(tái)面板的局部壓強(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(wú)法在沒(méi)有下部筋板支撐的工況中長(zhǎng)期 堅(jiān)持，對(duì)面板進(jìn)行局部修復(fù)的諸多方法最后的效果 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(lái)分析U型鋼對(duì)秤臺(tái)面板的支撐，因?yàn)槊姘?/span> 下部的支撐筋板數(shù)量相對(duì)槽鋼秤臺(tái)增加了75%，當(dāng)面板承載時(shí)，原來(lái)局部由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， 如果布局不合理，2根都達(dá)不到），使面板局部承 壓能力明顯提高，這種結(jié)構(gòu)是橋梁建造工藝在秤臺(tái) 設(shè)計(jì)中的一個(gè)典型應(yīng)用。

再來(lái)看秤臺(tái)整體剛性的問(wèn)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)化為一個(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(guò)這兩步計(jì)算可 以確立定長(zhǎng)秤臺(tái)所需要的高度（秤臺(tái)厚度）范圍。 材料力學(xué)的平面計(jì)算只是一個(gè)初步估算，它可以選 定主梁型材的高度，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(lái)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(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)和設(shè)計(jì)人員提出了較高要 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(guò)手工計(jì)算的方法得到，也可以使用AutoCAD Mechanical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(lái)須確定秤臺(tái)的面板 厚度。先根據(jù)罐車的最大設(shè)計(jì)軸重設(shè)定一個(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是一款不錯(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（圖6)，用它提供的結(jié)構(gòu)動(dòng)力

學(xué)分析類型來(lái)分析秤臺(tái)的單位撓度、最大應(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(guò)上述設(shè)計(jì)分析，經(jīng)過(guò)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)人定型制造流程。但現(xiàn)場(chǎng) 很多時(shí)候工況是復(fù)雜的，而且制造出來(lái)的產(chǎn)品也需要 進(jìn)一步檢驗(yàn)其制作工藝質(zhì)量，在這樣的情況下需要一 臺(tái)疲勞試驗(yàn)機(jī)來(lái)對(duì)秤臺(tái)進(jìn)行耐久性檢測(cè)，目的是為了 更加準(zhǔn)確地掌握秤臺(tái)最貼近真實(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，這正好從一 個(gè)側(cè)面反饋出一個(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優(yōu)質(zhì)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)際的最大輪載重量，液壓頭的壓力值可調(diào)，目前 已有制造商做到了加載百萬(wàn)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(yǔ)

汽車衡秤臺(tái)是該計(jì)量設(shè)備的三大主要部件之 一，又時(shí)刻處于最惡劣的工作環(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，最終出廠的產(chǎn)品才能勝任不同使 用者的工作需求。