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）

汽車衡是一種大型地磅，是工礦企業(yè)用于大宗貨物稱量的衡器，主要用于汽車載貨重量的稱量。 汽車衡是列入國家強制檢定目錄的工作計量器具，實行強制檢定，過磅的準確性不僅影響物流過磅績效，也關(guān)乎企業(yè)的聲譽。

云南云天化紅磷化工有限公司過磅中心于2009 年3 月建成投用， 主要由4 臺（編號為1#、2#、3#、4#）120t 的靜態(tài)電子汽車衡及其管理系統(tǒng)組成。汽車衡的型號為SCS-D-120，長18m、寬3.4m，秤體由3 段6m 長的模塊搭接構(gòu)成， 采用8 個HBM C16iC3/40t 柱式傳感器。過磅中心每年過磅車輛約5.4 萬輛、物料凈重約3 000kt。 公司對汽車運輸?shù)某善?、煤、硫磺、礦石和廠內(nèi)倒運物料按流程過磅計量，過磅數(shù)據(jù)作為雙方結(jié)算的依據(jù)。

1 問題的提出

4 臺汽車衡在投用后不到1 年就陸續(xù)出現(xiàn)較大的偏差、段差，同一車輛在同一汽車衡上的不同位置，其偏差、段差也不一樣，袋裝成品發(fā)運時由于車輛過磅超差不符合公司的放行要求而需要復(fù)磅。 同一車輛的毛重與皮重不在同一臺汽車衡上過磅時，凈重會產(chǎn)生較大的偏差，因此對于成品或是價值較高的物料，要求車輛的毛重和皮重在同一臺汽車衡上過磅。4 臺汽車衡的檢修、段差調(diào)整頻繁， 檢修周期為1 個月。 4 臺汽車衡從2009 年3 月投用到2015 年10 月停用，共損壞稱重傳感器78 個。 2013 年11 月2#汽車衡秤體塌臺，把整個秤體吊出來檢查時發(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#汽車衡的解決方案是重新采購一臺，秤體按150t 標準制作， 選用HBM C16iC3/60t 柱式傳感器，基礎(chǔ)不作任何改動，限位裝置和方式不變。2#汽車衡更換后由于秤體縱向擺動幅度過大，8個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2#汽車衡更換后出現(xiàn)的問題，文獻［1］已有論述，表明2#汽車衡的這一改造方式不妥。

2 120t 汽車衡存在的問題和傳感器損壞原因分析

電子汽車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、限位裝置、稱重傳感器、接線盒和稱重儀表組成［2］。被稱重物或載重汽車置于秤體上，在重力作用下，秤體將重力傳遞至稱重傳感器，使稱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)變計橋路失去平衡，輸出與質(zhì)量值成正比的電信號，通過稱重儀表后處理顯示出過磅車輛的質(zhì)量值［3］。

2.1 120t 汽車衡存在的問題

2.1.1 汽車衡秤體

汽車衡秤體（承載器）承受汽車載荷，作用是把承載車輛的實際重量準確有效地傳遞到測量裝置的稱重傳感器上。 秤體（臺）是由臺面鋼板、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平臺型構(gòu)件。技術(shù)文件顯示：120t 汽車衡秤體由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 型梁間焊有加強筋板、模塊搭接處有蓋板。

實測損壞的2#汽車衡秤體的部分數(shù)據(jù)如下：

a. 3 段秤體模塊的總重量12t， 對120t 汽車衡秤體來說，重量偏輕。

b. 6m 長的U 型梁由3 段2m 長的U 型梁拼焊而成，U 型梁鋼板厚4mm、 高300mm。 文獻［4，5］認為U 型梁的鋼板厚度、高度、拼焊對120t汽車衡秤體的結(jié)構(gòu)設(shè)計來說是不合理的，將直接影響秤體的剛度和強度。

c. 秤體焊接工藝和質(zhì)量存在問題。

運行過程中出現(xiàn)的問題：

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、傳感器的支點和受力點不重合， 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. 一些邊角受力點的焊縫易炸裂，需經(jīng)常補焊。

綜上所述，秤體的結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，制造工藝不達標，剛度和強度達不到120t 汽車衡的實際使用要求。

2.1.2 汽車衡限位

汽車駛?cè)氤芋w時，會使秤體在水平方向有較大幅度的擺動，特別是重載車輛以較快的速度駛?cè)霑r，會產(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)擺動并保護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)點是： 結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、成本低，適用于要求不高的汽車衡。 缺點是：當溫差變化較大時，秤臺的熱脹冷縮會使限位間隙產(chǎn)生變化，間隙過小易造成秤體卡死，間隙過大會使秤體晃動幅度過大，對傳感器和稱量精度造成影響。

2.1.3 稱重傳感器量程核算

當汽車衡的量程確定后，傳感器的量程計算式為［8］：

式中 C——單個傳感器的額定量程，t；

K0——保險系數(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——秤體所采用支撐點的數(shù)量；

W——秤體自重，t；

Wmax——被稱物體凈重的最大值，t。

120t 汽車衡秤體自重12t，采用8 個傳感器，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 汽車衡選用40t 量程的傳感器即能滿足要求。

2.2 120t 汽車衡傳感器頻繁損壞的原因

秤體的結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理和制造工藝不達標，秤體的剛度和強度達不到120t 汽車衡的實際使用要求。 當重載車輛過磅時，秤體的變形量大且不均勻，傳感器易單只過載而損壞。 由于秤體變形，調(diào)整角差時需要在相應(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，秤體的擺動幅度就越大。

限位裝置不合理， 秤體模塊搭接間隙大，當重載車輛從秤體模塊1 駛?cè)霑r，其沖擊力由模塊1 碰撞到模塊2 再到模塊3 逐級放大， 經(jīng)過三級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，使傳感器的擺動幅度過大，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有與基礎(chǔ)板進行可靠的固定連接。 在重載車輛反復(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， 隨著運輸車輛類型的不斷增多，裝載能力不斷提高，部分車輛已超出120t 的稱重范圍。 現(xiàn)場部分重載車為后8 輪車輛，其最大軸載達70t，已超國家標準規(guī)定的50t 軸載［9］，進一步加劇了秤體的變形和傳感器的損壞。

綜上所述，汽車衡秤體剛度和強度達不到實際使用要求、限位裝置不合理、傳感器下壓頭的鋼墊板沒有與基礎(chǔ)板進行可靠固定，是過磅偏差大、準確性差和傳感器頻繁損壞的主要原因。

3 150t 新汽車衡的選用

汽車衡的硬件主要由稱重儀表、稱重傳感器和秤體3 部分組成。 大多數(shù)汽車衡生產(chǎn)商只生產(chǎn)秤體，稱重傳感器、儀表選配和秤體結(jié)構(gòu)設(shè)計缺乏合理的計算，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量汽車衡的秤體［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變形量技術(shù)指標和基礎(chǔ)要求［11］，對汽車衡秤體結(jié)構(gòu)設(shè)計只有最大載荷變形量要求，而沒有著力點合理性的要求，實際上著力點是否合理直接影響汽車衡計量性能的穩(wěn)定性和準確性。

結(jié)合過磅中心的實際情況， 選用2 臺梅特勒-托利多（常州）測量技術(shù)有限公司的VTS256型150t 汽車衡，更換1#、4#汽車衡，稱重儀表的量程仍按120t 設(shè)置。

3.1 150t 新汽車衡秤體

汽車衡U 型鋼組焊秤體結(jié)構(gòu)采用正交各向異性理論設(shè)計［12］，秤體整體強度高、抗扭和抗側(cè)向力強，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，定位時加載預(yù)拱，除增加秤體的承載力外還使臺面不易積水。 U 型梁之間沒有加強筋板，秤體焊接采用全自動埋弧焊。

技術(shù)文件顯示：150t 汽車衡秤體由3 段U 型梁結(jié)構(gòu)的模塊搭接而成，搭接處無蓋板；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)計用鋼量約16t，實重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軸從下向上實現(xiàn)緊密連接，銷軸的軸線下方安裝稱重傳感器，秤體的支撐點與著力點重合，使秤體連接處不會翹起。

3.2 150t 新汽車衡限位

如圖2 所示，合理的限位裝置可以較好地控制沖擊力對秤體和傳感器產(chǎn)生的擺動幅度，從而減少對傳感器和基礎(chǔ)預(yù)埋板的沖擊，提高汽車衡的使用壽命。 150t 汽車衡采用專利技術(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 個限位點，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)點是縱橫向限位均外置可見，調(diào)整方便；能夠克服秤體熱脹冷縮對限位間隙的影響，縱向以兩段秤體模塊連接中部為基準，讓秤體熱脹冷縮的變形量從中間往兩端擴展，基本可以保證一次調(diào)整好限位間隙后，將來幾乎不用調(diào)整或只需微調(diào)。 缺點是對基礎(chǔ)的制作要求高，一次投入較大。

圖2 專利技術(shù)限位裝置

3.3 150t 新汽車衡稱重傳感器量程

150t 汽車衡秤體自重為16.5t，采用8 個傳感器，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，在本例的工程實施中，150t 汽車衡實際是當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)板實現(xiàn)了可靠的固定，徹底解決了原120t 汽車衡鋼墊板易移位的弊端。

4 1#、4#汽車衡運行效果

改造后的1#、4#汽車衡按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2#、3#汽車衡停用），到目前為止已連續(xù)正常運行了近5 年，即改造后的2 臺汽車衡不僅承擔了原來由4 臺汽車衡的全部過磅任務(wù)且過磅數(shù)據(jù)準確。 袋裝成品發(fā)運時由于重量超差而返回裝車點進行點包核實，點包后的事實無一例外地說明了過磅數(shù)據(jù)的準確性，不僅每年為公司挽回了數(shù)十萬元的直接經(jīng)濟損失，還改善了裝車系統(tǒng)的運行績效。 2016～2019 年的過磅數(shù)據(jù)統(tǒng)計見表1。

表1 2016～2019 年的過磅數(shù)據(jù)統(tǒng)計

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

5 結(jié)束語

設(shè)計合理、做工精良的電子汽車衡不僅能夠明顯降低未來多年的維護和修理成本，而且能防止因為精度誤差造成潛在的產(chǎn)品或利潤損失。 隨著公司的發(fā)展， 過磅量逐漸增加，2#、3#汽車衡的改造已提上日程，120t 汽車衡稱重傳感器頻繁損壞的綜合原因分析以及1#、4#汽車衡的成功改造可作為直接的經(jīng)驗與指導(dǎo)，同時也為企業(yè)合理選用汽車衡提供參考案例。