郝 瑞

(中國神華哈爾烏素露天煤礦 選煤廠，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010300)

電子膠帶秤不同于常用的靜態(tài)測量儀表。如何分析膠帶秤使用中的問題、正確使用膠帶秤，并且正確對待膠帶秤在正常運行中產(chǎn)生的測量誤差，給維護管理膠帶秤計量設(shè)備的技術(shù)人員帶來很多困惑。

1 膠帶秤計量原理

膠帶秤的作用是稱量膠帶輸送物料的瞬時流量和累計重量。其測量方法是，通過檢測某一段膠帶上物料的重量和膠帶運行速度或膠帶通過的長度，使用數(shù)學方法計算出瞬時流量及累計輸送量[1-2]。

在輸送膠帶系統(tǒng)中的某一個托輥下安裝稱重傳感器，可以測量托輥上承載的垂直力的大小，此托輥稱為稱重托輥。它可以稱量出與其相鄰的兩個托輥間膠帶上的物料和膠帶重量，因此把這兩個與之相鄰的托輥之間的距離稱為稱重空間。假設(shè)：稱重托輥到它兩側(cè)的托輥距離相等，長度為L；速度傳感器用于測量膠帶移動的步長，產(chǎn)生的每個脈沖代表膠帶運行長度為S；此時準確地測量各時刻膠帶上的物料對稱重托輥產(chǎn)生的垂直作用力G，那么，累計計算過程如下：

(1)測速傳感器發(fā)出的每個脈沖觸發(fā)一次累加過程，計算累加值；

(2)計算此脈沖與上個脈沖之間的時間間隔t；

(3)計算瞬時流量。

2 膠帶與托輥受力分析

由于膠帶本身柔性很強，但同時又具有相當?shù)膭傂?，因此在分析膠帶受力時不能以純?nèi)嵝晕矬w或純剛性體的分析方法進行。當膠帶張力是采用固定重量的重錘產(chǎn)生的情況下，在膠帶處于靜止狀態(tài)下(不考慮膠帶與托輥間的摩擦力)，位于托輥頂點處的膠帶上各點沿膠帶切線方向的力是大小相等的，等于膠帶張力，即重錘重量的一半。此時，使用膠帶張緊力和膠帶與托輥頂端連線的夾角分析托輥受力。受力分析如圖1所示，分析結(jié)果如下：

F=F0×(sinα+sinβ)

圖1 托輥受力分析示意

如果托輥間距被n等分，在膠帶每運行1/n間距時，進行測量累計運算。

圖2 托輥右端實際膠帶受力分析

F2是此時稱重托輥測量得到的力。由于膠帶處于運行狀態(tài)，出現(xiàn)如圖3狀況，其中物料與稱重托輥間距離為L，可得到如下算式：

圖3 托輥左端實際膠帶受力分析

將兩次的結(jié)果相加，得到：

因為物料完全通過稱重空間需要經(jīng)過2n次累加，相當于n個上述結(jié)果累加，因此總的累加結(jié)果為：

Q=(2×G0+G)×n

將每次累計值減去G0，再乘以系數(shù)1/n，結(jié)果就是需要的累計值。

3 計量誤差分析

3.1 計算產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差

如果托輥間距被n等分，在膠帶每運行1/n間距時，即使當一份長度為托輥間距1/n的自身重量分布極端不均勻的物料通過稱重空間時，分析其過程可知，只要n為整數(shù)，就可以準確的對其進行累計計算。

實際計量中，累計的最小步長S不能整分稱重空間。這將使結(jié)果出現(xiàn)偏差，通過分析可知由此產(chǎn)生的相對誤差最大值接近1/n。

對于柔性膠帶，若一份長度為s的物料重量為g，稱重托輥與相鄰托輥之間距離為L，并且L不能被s整除，L/s=n·m，n為整數(shù)部分，m為小數(shù)部分，托輥間膠帶重量為G，稱重托輥兩側(cè)膠帶與托輥頂端連線之間的夾角分別為α和β，此時膠帶張緊力為F，可以計算出當此物料通過稱量空間時，累計結(jié)果為：等分數(shù)越大，系統(tǒng)計算的相對誤差越小。當?shù)确謹?shù)無窮大時，計量系統(tǒng)的相對誤差將接近于0。

3.2 摩擦力引起的誤差

采用稱重傳感器直接安裝在托輥底部的稱重系統(tǒng)，一般采用單剪梁式稱重傳感器。對于這樣的稱重系統(tǒng)，摩擦力大小為f，它對稱重傳感器的作用力大小為F。由于H遠遠大于L0，因此膠帶與稱重托輥間的摩擦力將會產(chǎn)生很大的影響。如果摩擦力在各種運行工況下都不發(fā)生改變，那么此影響可以通過零點校驗和量程校驗的方法予以排除。但是，在膠帶運行中，往往由于物料堆積不均勻，摩擦力處于不停的變化中，由此而產(chǎn)生相當大的測量誤差。實地觀測，采用此結(jié)構(gòu)的測量托輥在膠帶運行過程中會發(fā)生明顯的前后晃動，這說明摩擦力在不停的影響測量結(jié)果，而且其作用對測量結(jié)果是不利的。另外，如果摩擦力的作用較大，會使需要的有用信號G變得相對較小，致使膠帶秤的測量精度和抗干擾性能下降。

3.3 長度測量誤差

膠帶運行長度的測量在膠帶秤系統(tǒng)中一般采用光電編碼器配合測量輪實現(xiàn)。但是由于膠帶和測量輪之間往往存在滑動，膠帶自身的拉伸變長等原因，使膠帶運行長度測量發(fā)生誤差。實際上，在使用壓輪進行膠帶長度的測量時，由于壓輪與膠帶接觸面積小，壓輪本身重量輕，其間的滑動現(xiàn)象十分嚴重。長期使用以后，壓輪會發(fā)生一定磨損，使其本身的尺寸發(fā)生變化，這時如果膠帶秤累計儀表如仍使用原有的參數(shù)，就會產(chǎn)生一定的測量誤差。

3.4 測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和狀態(tài)變化產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差

由于膠帶是非剛性體，受膠帶自重和物料重量的作用，膠帶會下垂，這使得托棍間膠帶長度大于托輥間距。若每個計量脈沖代表的膠帶運行長度為s，托輥間距為L，實際膠帶長度為La，測量重量為G，由于G是長度La膠帶上物料的重量，在膠帶通過L后，累計結(jié)果將為G，而實際情況是在膠帶通過La后累計結(jié)果才應(yīng)為G。說明這種膠帶變形產(chǎn)生了相對誤差。

在膠帶張力無窮大的情況下，La將無限接近L，就是說由于膠帶下垂而產(chǎn)生的誤差無限接近于零。但是，為保證膠帶安全運行，膠帶張力不能過大。在膠帶張力一定的情況下，膠帶上物料的重量越大，膠帶下垂會越嚴重，由此造成的測量誤差會越大。

4 改善和提高測量精度的方法

4.1 減少每次累計步長

減少每次累計步長的方法就是提高測速脈沖頻率。但是當膠帶運行速度固定后，測速脈沖頻率提高到一定程度，必然要求計量儀表的檢測能力很高。達到一定標準后的測量儀表造價上升，不利于其廣泛使用，這會導致其使用價值下降。

4.2 增加稱量距離

如果單純增加稱重托輥和與其相鄰的非稱重托輥之間的直線距離，從以上分析中可以發(fā)現(xiàn)，在膠帶張力一定的情況下，會使實際膠帶長度大大偏離用于理論計算的膠帶長度，不僅不能改善系統(tǒng)的測量精度，反而可能使情況變得更加糟糕。為了實現(xiàn)此目的，雙稱重托輥測量系統(tǒng)、三稱重托輥測量系統(tǒng)、甚至五稱重托輥測量系統(tǒng)應(yīng)運而生。分析多個稱重托輥的稱重系統(tǒng)的方法與前面所述方法相同。同時，由于采用了多個稱重托輥，使物料的計量更趨于均衡，因此對測量累計結(jié)果是有利的。

4.3 使用恰當?shù)某芋w結(jié)構(gòu)

針對前面論述的關(guān)于摩擦力的影響，改用如下的秤體結(jié)構(gòu)將會產(chǎn)生良好的作用：由于兩個稱重托輥(可以采用多個)固定在同一個支撐架上，任意一個托輥上摩擦力的方向與支撐架方向平行，通過分析可分別計算出摩擦力對前稱重傳感器及后稱重傳感器的作用力大小，由于稱重累計儀表測量的重量信號是各個稱重傳感器產(chǎn)生信號的平均值，因此，摩擦力的作用對于稱重累計儀表來說不存在。

在秤架結(jié)構(gòu)中，前后稱重傳感器采用相向安裝，這樣做的優(yōu)點是可以去除秤架在摩擦力的作用下稱重傳感器所受前后方向力的影響。正常情況下，懸臂梁或單剪梁稱重傳感器對于拉伸方向的力并不敏感，但在較大的力的作用下仍然可能對正常的測量輸出產(chǎn)生一定的影響。因此上述結(jié)構(gòu)將是最理想的膠帶秤秤架結(jié)構(gòu)。

采用上述秤架結(jié)構(gòu)將使得秤體在膠帶運行狀態(tài)和靜止狀態(tài)下傳感器輸出的平均信號沒有區(qū)別。這意味著在膠帶靜止的情況下對膠帶秤進行零點和量程校驗成為可能。但是由于膠帶運行的復雜性、膠帶本身的不均勻等原因，這種理想的校驗方式仍難以進行。

4.4 使用合理的長度測量機構(gòu)

在回程膠帶下使用較長的鋼制輥并采用圖4的安裝方式，使輥與膠帶的接觸面積大大增加，同時可減小膠帶與滾軸間的相對滑動。

圖4 回程膠帶下的安裝方式

4.5 計算修正的方法

為了消除在不同輸送物料重量下膠帶下垂不同的影響，可以采用修正的方法對計量結(jié)果進行修正。由于實際校驗過程中，可能采用了動態(tài)鏈碼或?qū)嵨镄ｒ灥确绞?，那么僅在此情況下膠帶秤是準確的，對于不同的輸送物料重量，結(jié)果仍會出現(xiàn)一定的偏差?？梢酝ㄟ^計算，將不同重量下膠帶的下垂長度與校驗情況下的膠帶長度進行比較，從而得到一個適當?shù)男拚禂?shù)，再用其對計量結(jié)果進行修正，將會得到更加準確的結(jié)果。

5 膠帶秤標定檢定方法分析

通過對膠帶秤定期檢定和調(diào)校，可以消除由于膠帶拉伸導致單位長度膠帶重量變化以及系統(tǒng)內(nèi)電子元器件老化等因素帶來的不利影響。膠帶秤的校驗通常采用砝碼標定校驗和實物校驗兩種方法[3-4]。

5.1 使用砝碼標定

(1)掛碼校驗方法。采用掛碼校驗時，首先進行零點標定，目的是去除膠帶自重。零點標定結(jié)束后，在稱重元件上添加一定重量的砝碼，此砝碼重量為G，測得托輥間距為L，膠帶整圈運行長度為L0，膠帶整圈運行后的計量結(jié)果為：G×L0/L。以此為基準對計量儀表進行校驗修正。

此方法的不足之處在于沒有考慮到實際運行時由于物料重量的影響會使膠帶下垂，即：實際膠帶長度在實際應(yīng)用中將會大于用于計算的理論膠帶長度，而這是不小的誤差源。另外，由于膠帶上有無物料將直接影響到膠帶與托輥間摩擦力的大小，因此采用這種校驗方式從理論上將使膠帶秤在運行中產(chǎn)生計量結(jié)果偏小。

(2)動態(tài)循環(huán)鏈碼校驗方法。采用動態(tài)循環(huán)鏈碼標定時，同樣要先進行零點標定。進行量程標定時，膠帶秤積算儀表應(yīng)處于實物校驗狀態(tài)(為了進行標定校驗，大多累計儀具有實物校驗功能)。開始標定時，動態(tài)鏈碼本身的計量回路與膠帶秤積算儀表同時啟動。動態(tài)鏈碼系統(tǒng)通過累計通過計數(shù)器檢測器的砝碼的數(shù)量，計算通過的砝碼重量，膠帶秤累計儀本身進行實物稱重測量。在系統(tǒng)運行整數(shù)圈后，應(yīng)有控制系統(tǒng)使動態(tài)鏈碼本身稱重系統(tǒng)和膠帶秤積算儀表同時停止積算，此時可使用動態(tài)鏈碼裝置的測量值進行修正。此方法類似實物校驗，可以使膠帶秤累計儀修正某一狀態(tài)下由于膠帶下垂帶來的測量誤差。但是當膠帶上實際的物料重量偏離校驗用的鏈碼重量時，由于膠帶的實際長度不同，測量結(jié)果仍有誤差。由于一般情況并非要求測量結(jié)果極度精確，此方法完全可以使膠帶秤計量儀滿足使用要求。而且此誤差可以通過計算進行一定的修正。與掛碼不同，動態(tài)鏈碼在使用一定時間后，由于動態(tài)鏈碼本身的磨損，其固有重量會發(fā)生一定的變化，這會產(chǎn)生相當?shù)臉硕ㄕ`差。值得提出的是，當今由于膠帶秤累計儀與動態(tài)鏈碼缺乏協(xié)調(diào)的控制接口，精確的完成上述過程一般靠手動實現(xiàn)。因此校驗過程將不可避免的發(fā)生人為的粗大誤差。這樣的校驗結(jié)果很難達到理想的狀態(tài)。

5.2 實物校驗

實物標定方法與上述動態(tài)鏈碼標定有一定的相似性，即使用累計儀本身的實物校驗功能?，F(xiàn)較多采用的實物校驗裝置一般為料斗秤。在沒有料斗秤的情況下，可以采用其他方法。例如：使用軌道衡、汽車衡等衡器計量出定量的物料，然后讓其全部通過膠帶秤，觀察膠帶秤示值與標稱數(shù)值，通過累計儀的修正功能完成標定修正過程。