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有关皮带秤循环链码检验装置应用的两点分析 |
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作者：北京市春海技术开发公司 周有守 |
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摘要：本文就有关皮带秤循环链码检验装置应用的两个议题试进行分析阐述：第一个议题是分析阐述循环链码与普通链码计量特性的区别，说明为什么循环链码会有普通链码无法达到的检验重复性精度；第二个议题是对目前出现的带有驱动的循环链码装置进行了剖析，认为这是一种有害无益、不可取的设计。
关键词：皮带秤（belt weigher）；循环链码（cycling chain weights）；模拟载荷试验 （simulation load test）
皮带秤循环链码检验装置是一种新型的皮带秤模拟载荷试验装置，1997年通过了国家定型鉴定。该装置安装使用方便、检验准确度高、造价及使用成本较低，为皮带秤检验开创了一条新路。该检定方法已经纳入到国家计量检定规程JJG195-2002《连续累计自动衡器（皮带秤）》中。近年来皮带秤循环链码检验装置的应用日趋广泛。本文就有关皮带秤循环链码检验装置应用的两个议题试进行分析阐述。
一、循环链码与普通链码计量特性的区别
1.明显的数据反差
大量试验证明，虽然循环链码与普通链码同样都是模拟载荷试验装置，但循环链码装置的检验重复性明显优于普通链码（又称平面链码或滚动链码）。例如，2000年12月，以中国计量科学研究院为组长的全国质量计量技术委员会电子皮带秤检定方法比对小组在江苏常熟电厂输煤3号皮带机上用循环链码装置（北京春海公司制造）与实物检定装置和普通链码在一台电子皮带秤（华东电子仪器厂制造，带速3.29m/s，最大流量2880t/h，0.5级，四托辊双杠杆秤架）上进行比对试验，用循环链码装置检出皮带秤示值的重复性为0.11%，而用普通链码检出皮带秤示值的重复性为1.01% [1]。在同一个现场，原电力部热工计量测试中心曾从2000年的2月28日到5月26日用春海公司的循环链码装置对该皮带秤进行了三个月的跟踪检验，“在三个月中模拟实物检测装置（指循环链码装置-本文作者注）检测皮带秤时的最大变差为-0.085%，不超过0.1%。” [2]
上述重复性误差中当然也包含了皮带秤本身的误差。用循环链码能检出重复性好得多的数据，这说明了用普通链码检定时，检测方法本身带来的不确定性就已明显超过了皮带秤本身的误差。
2. 普通链码为什么重复性不好
下面试分析普通链码检测值不确定性的来源以及循环链码怎样有效地克服这些不确定稳定因素。
引起皮带秤示值误差的原因非常多，但链码检测带入的误差基本只与称重传递误差有关。现以单称重辊单秤架皮带秤为例，看从皮带物料质量到称重传感器受到的力的传递关系（见图1）。
图1 皮带秤称重力传递
当皮带上的物料通过皮带秤时，物料重量通过称重辊压在秤架上，秤架以耳轴为支点，将负荷传给传感器。设皮带带动物料运动到某一位置时，传感器上由于物料质量引起的力F可由下式表示：
式中：q(x)为在坐标为x（在此设x为沿皮带方向，称重辊处为x=0）处物料线密度，kg；即此处dx范围内物料质量为q(x)dx。
δ为皮带输送机的倾角，（° ）。
c1为载荷分配系数，表示在x处质量为q(x)dx物料的重荷分配作用在称重辊上的为cq(x)dx。
c2为杠杆比系数，在此c2=L1/L2。
从A到B表示皮带秤两端沿皮带方向物料的一个区间，在此区间内的物料对称重辊的荷重有影响。
若是多称重辊和双秤架的皮带秤（悬浮式皮带秤除外），称重力的传递关系相应复杂一些，但原理相同。
在物料运行中，F随着q(x)变化而变化，所以称重传感器的测量输出值对应着皮带秤上物料重量。当它与由速度传感器输出的皮带速度积算后，即可得出物料的累计量。
用普通链码模拟实物物料对皮带秤进行检验时，在力的传递中为什么明显地增加附加不确定因素呢？
1）普通链码在检测中容易激发随机振动，干扰了称重传感器的工作输出。
普通链码检测装置如图2所示。
图2 普通链码示意图
皮带前进时，链码在皮带上滚动。链码两端用绳索固定于皮带机架上，且有一定的预张紧力。如图中预张紧力
F ≥ WLg sinδ （N）
式中：W为链码总质量，kg 。
链码形成了一个质量-弹簧系统。当有外界干扰时，就会产生振动。可能的外界干扰因素有：链码不同心引起的跳动、托辊不同心引起的跳动、皮带运动中的跳动和机架的振动等等。由于干扰因素的多元化，实际产生的振动是由不同频率、不同相位和方向合成的无规则随机振动。振动所产生的惯性力，特别是沿y方向的惯性力，将严重干扰传感器的工作输出。
2）链码负荷的位置效应导致了称重力传递的不确定性。
从式1看出，除了均布载荷外，质量相同的物体若处于皮带的不同位置（x坐标），传感器的输出可能不同，此特性由式中的系数c来表征。物料随皮带运行时，其每一组元都要依次经过整个皮带秤的称量区域，即都要受到c的全过程影响。所以从物料质量到称重传感器输出再到皮带秤仪表的积算值的量值传递就有一个相对固定的关系。而普通链码却不同：它不随皮带运行，而且是辊状的，沿x方向对皮带施加的是等间隔的集中载荷，而不是均布载荷。当它放落的位置相对于皮带秤的称重辊有变化时，c的影响就会突现出来。
图3 普通链码的位置效应
从图3看出，当链码辊的位置有△x的位移时，各辊重量分担在称重辊上的载荷都会变化，因而带来传感器输出的变化。即质量量值的传递具有不确定性。我们在此称其为“位置效应”。若是多称重辊或是双秤架，位置效应可得到一定的补偿，但是不可能完全消除这种影响。从资料[1]提供的数据看出，用同一条普通链码，检验同一台皮带秤，其两组示值的算术平均值之差竟达到计算值的0.92%。可见其位置效应的严重。普通链码在检验中出现△x（即位置不确定）的原因有：
（1） 链码沿x 方向的振动引起链码辊在各自平衡位置前后振荡。
（2） 链码的蛇形运动引起链码辊位置变化。
（3） 链码安装状态的不确定或工作中受动态因素影响而使链码工作位置有了变动等。
3. 循环链码装置有什么不同（见图4）
图4 循环链码示意图
1）循环链码装置不会形成普通链码那样的质量-弹簧振动系统。因为循环链码运转的原因是落在皮带上的码块与皮带间摩擦力作用下，码块被皮带带动前进；循环链码是自然垂落在皮带上，整条链码处于柔性链索状态，链码总体上不会出现引起振动的弹性位移、弹性恢复力。因此在外界有干扰因素时，链码本身不会出现机械振动，不会出现普通链码可能引起的惯性干扰力。
2）循环链码是设计成质量均布的循环链，落在皮带上的链码对皮带施加的是沿x方向的均布载荷。由式1看出，此时q(x)为常数q，所以不管运转中哪一段链码在皮带秤上方，称重辊上分担的载荷始终是个定值： ，所以传感器受力F也为一个定值：
这说明，链码质量到传感器负荷的传递关系是确定的，不存在普通链码由于集中载荷力点的变化而引起传感器输出变化的情况。
综合上述两点可看出，循环链码与普通链码相比，更为接近散装物料的工作状态，明显避免和减小了模拟试验装置本身在检验中带入的不确定因素。正因为循环链码装置有着较高的重复性，这就为提高它的检验准确度打下了必不可少的基础。
二、带驱动的循环链码装置在检定中存在的问题
近来从有关资料上看到出现了一种带驱动的循环链码装置，即循环链码在一驱动装置驱动下运转，并驱动装置与皮带机的测速传感器形成闭环，目的是想使循环链码与皮带速度保持同步。本人认为这种方式存在下述问题,分析如下：
1.循环链码带有驱动装置后将会引起皮带张力的无常变动，增加了检验示值的不确定性，从而降低了检验结果的的可信程度。
当循环链码带有驱动装置后，链码是同时处于两种驱动之下：循环链码本身驱动装置的驱动和皮带的驱动：
P1+P2= R
式中：P1为循环链码本身的驱动装置的驱动力；
P2为皮带驱动力，其值为循环链码放下前后，对应皮带上链码前端的皮带位置处（如图4中“A”所示位置）的张力增量，在此表示为：
P=△T
R 为循环链码平稳运转时的总阻力。
在正常的设计下，无论是循环链码本身的驱动装置或皮带机驱动装置，都有单独驱动链码稳定运转的潜力。循环链码在驱动装置的驱动下运行，如果链码的线速度略大于皮带线速度，则链码对皮带的摩擦力朝向皮带前进方向，即循环链码的驱动装置不仅驱动链码，还参与了对皮带机的驱动，即P2（即△T）可能出现负值。反之，如在循环链码本身的驱动装置下，链码的线速度略小于皮带线速度，则链码对皮带的摩擦力朝向阻碍皮带前进的方向，即皮带机不仅驱动链码，还会通过链码将力（力矩）作用到循环链码本身的驱动装置驱动轮上；即P2（即△T）可能超过R值。特别是在有速度反馈的闭环系统，链码的速度在不停地动态调整中，所以皮带秤称重辊处的皮带张力将因之不断振荡变化。
另外，因为循环链码本身的驱动装置与皮带机的测速传感器形成闭环，根据两者的速度差，将有强制性的正的或负的加速度加在链码上，即链码上附加了惯性力的作用，使循环链码运转的所需的驱动力上下波动：
△R= qLa
式中：△R 为因加速度a而产生的驱动力变化值，符号与a相同。
△R的产生又增加了皮带张力的变化。
众所周知，对于皮带秤而言，产生称量误差的主要因素是皮带秤称重力误差，其中皮带张力变化和非准直度的共同作用是引起皮带秤称重力误差的主要原因[3]。由于循环链码的驱动装置引起皮带张力的附加变化，必将会引起循环链码装置检验重复性误差的明显增大。本人根据对应用于各种流量皮带秤的循环链码运转阻力约值分析估算出这种皮带张力的附加变化值有可能达到500N至2500N；这样大的张力变化在与皮带秤非准直度的共同作用下引起的附加重复性误差有可能达到0.2%至0.5% 。这将使循环链码本身检验重复性高（优于0.1%）的优势丧失殆尽。
2. 刻意维持链码与皮带的同步是没有必要的。
皮带秤连续累计称量的基本公式为：
式中：W 为T时间间隔的物料累计量，kg ；
T 为物料通过皮带秤的时间，s ；
q(t)为皮带单位长度上的物料重量，kg/m ；
v(t)为物料随皮带的运行速度，m/s 。
在用循环链码检验皮带秤时，用链码模拟物料，链码的单位长度质量是个定值，即有：
q(t)=q，则上式变为：
即：用循环链码进行检验的累计量W与 q和v(t)是否同步无关。对于循环链码装置而言，链码与皮带是基本同步的，即使有不同步的情况产生也无关紧要，不会影响检验工作的正确性，完全没有必要用牺牲装置检验准确度为代价来刻意维持链码与皮带的同步。
3. 循环链码启动时对皮带的磨耗影响完全可以忽略不计。
有关资料解释增加循环链码驱动装置是为了减少循环链码启动时对皮带的磨耗。其实循环链码启动时对皮带的磨耗影响是完全可以忽略不计的。
当物体落向皮带机时，运转中的皮带将物体沿皮带前进方向的速度从零增加到与皮带同一速度。从力学的角度看，皮带机克服了物体的惯性阻力作功，增加了物体的动能。增加的动能为：
½mV
式中：m 为物体的质量，kg ；
V 为皮带的速度，m/s 。
物体的惯性阻力作用在皮带与物体的接触面上，会给皮带带来磨耗这是不可避免的，而且物体动能增加越大，皮带磨耗越厉害。当皮带速度一定时，皮带的磨耗，随被增速的物体质量增大而增加。循环链码被皮带启动时，被增速的质量仅仅是该组循环链码的质量；与此相对照，在皮带机的入料口皮带要将落下的物料全部增速到皮带的速度，这些物料的质量远大于循环链码的质量。比如说：某皮带机带速为2m/s，每天工作6小时；循环链码每周检验皮带秤一次，链码长21m；链码的每米质量与入口物料的流量相当。不难算出，这一周内，入料口被皮带带动的物料质量是该组循环链码质量的14400倍。所以皮带启动链码所遭受的磨耗与入料口处皮带启动落下物料时所遭受的磨耗相比是微乎其微的。
在皮带机的工作中，还有比入料口处皮带受到的磨耗更大的环节，例如犁式卸料器。犁式卸料器将运动中物料强行转向，使物料与皮带产生摩擦。设一台工作流量为600t/h 的皮带机，带宽为1米，带速为2m/s，按资料[4]提供的计算公式，入料口的摩擦阻力约为333N，而犁式卸料器的摩擦阻力约为1500N，为入料口的4.5倍。若将皮带启动链码所遭受的磨耗与犁式卸料器相比，更是微乎其微了。
由此可看出，就为满足皮带机正常工作而设计和选用的皮带而言，循环链码降落启动时对皮带的磨耗影响完全可以忽略不计，没有必要用驱动装置来减轻循环链码对皮带的磨耗。而且设计者原本想用来减轻磨耗的驱动装置实际上只会适得其反，因为在有了驱动装置后，链码若与皮带速度有了差异，两者间就会有强制性的相对运动，反而会增加彼此的摩擦。
皮带秤循环链码检验装置是一种很有发展前景的皮带秤检验装置，同时它还有不少地方需要完善。我们对循环链码的认识必将随着生产和科研的实践不断地深入，循环链码装置的生命力必将随之不断地发挥出来，它将更好地服务于社会。
参考文献
[1] 数据摘自《一种新的电子皮带秤检定法-模拟实物检定法》 作者：中国计量科学研究院 唐煜、王翔、冯瑞冬。该文发表于2003年第六届亚太地区质量、力和扭矩计量学术会议（APMF 2003/IMEKO TC3），见该会议论文集4.2，P155。
[2]《北京春海技术公司DCX型电子皮带秤模拟实物检测装置测试情况》 电力工业部热工计量测试中心 2001年3月。
[3]《皮带秤》 P160，作者：罗才生、邹炳易、张家纬， 中国计量出版社。
[4]《运输机械设计选用手册》 上册 P136至 P137 （表2-31、表2-32）， 化学工业出版社。
作者：周有守 教授级高级工程师 。2003年于首钢机电设计研究院退休，现在服务于北京市春海技术开发有限公司技术部 。
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(1/17/2006) |
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