有關皮帶秤循環鏈碼檢驗裝置應用的兩點分析

有關皮帶秤循環鏈碼檢驗裝置應用的兩點分析

北京市春海技術開發有限公司 周有守

    [摘要] 本文就有關皮帶秤循環鏈碼檢驗裝置應用的兩個議題試進行分析闡述：第一個議題是分析闡述循環鏈碼與普通鏈碼計量特性的區別，說明為什么循環鏈碼會有普通鏈碼無法達到的檢驗重復性精度；第二個議題是對目前出現的帶有驅動的循環鏈碼裝置進行了剖析，認為這是一種有害無益、不可取的設計。
    關鍵詞：皮帶秤（belt weigher）
            循環鏈碼（cycling chain weights）
            模擬載荷試驗 （simulation load test）
    皮帶秤循環鏈碼檢驗裝置是一種新型的皮帶秤模擬載荷試驗裝置，1997年通過了國家定型鑒定。該裝置安裝使用方便、檢驗準確度高、造價及使用成本較低，為皮帶秤檢驗開創了一條新路。該檢定方法已經納入到國家計量檢定規程JJG195-2002《連續累計自動衡器（皮帶秤）》中。近年來皮帶秤循環鏈碼檢驗裝置的應用日趨廣泛。本文就有關皮帶秤循環鏈碼檢驗裝置應用的兩個議題試進行分析闡述。
一、循環鏈碼與普通鏈碼計量特性的區別
    1.明顯的數據反差
    大量試驗證明，雖然循環鏈碼與普通鏈碼同樣都是模擬載荷試驗裝置，但循環鏈碼裝置的檢驗重復性明顯優于普通鏈碼（又稱平面鏈碼或滾動鏈碼）。例如，2000年12月，以中國計量科學研究院為組長的全國質量計量技術委員會電子皮帶秤檢定方法比對小組在江蘇常熟電廠輸煤3號皮帶機上用循環鏈碼裝置（北京春海公司制造）與實物檢定裝置和普通鏈碼在一臺電子皮帶秤（華東電子儀器廠制造，帶速3.29m/s，最大流量2880t/h，0.5級，四托輥雙杠桿秤架）上進行比對試驗，用循環鏈碼裝置檢出皮帶秤示值的重復性為0.11%，而用普通鏈碼檢出皮帶秤示值的重復性為1.01% [1]。在同一個現場，原電力部熱工計量測試中心曾從2000年的2月28日到5月26日用春海公司的循環鏈碼裝置對該皮帶秤進行了三個月的跟蹤檢驗，“在三個月中模擬實物檢測裝置（指循環鏈碼裝置-本文作者注）檢測皮帶秤時的最大變差為-0.085%，不超過0.1%。” [2]
    上述重復性誤差中當然也包含了皮帶秤本身的誤差。用循環鏈碼能檢出重復性好得多的數據，這說明了用普通鏈碼檢定時，檢測方法本身帶來的不確定性就已明顯超過了皮帶秤本身的誤差。
    2. 普通鏈碼為什么重復性不好
    下面試分析普通鏈碼檢測值不確定性的來源以及循環鏈碼怎樣有效地克服這些不確定穩定因素。
    引起皮帶秤示值誤差的原因非常多，但鏈碼檢測帶入的誤差基本只與稱重傳遞誤差有關。現以單稱重輥單秤架皮帶秤為例，看從皮帶物料質量到稱重傳感器受到的力的傳遞關系（見圖1）。

圖1  皮帶秤稱重力傳遞

    當皮帶上的物料通過皮帶秤時，物料重量通過稱重輥壓在秤架上，秤架以耳軸為支點，將負荷傳給傳感器。設皮帶帶動物料運動到某一位置時，傳感器上由于物料質量引起的力F可由下式表示：
    F=c1c2q(x)cosδdx （式1）
    式中：q(x)為在坐標為x（在此設x為沿皮帶方向，稱重輥處為x=0）處物料線密度，kg；即此處dx范圍內物料質量為q(x)dx。
          δ為皮帶輸送機的傾角，（° ）。
          c1為載荷分配系數，表示在x處質量為q(x)dx物料的重荷分配作用在稱重輥上的為cq(x)dx。
          c2為杠桿比系數，在此c2=L1/L2。
    從A到B表示皮帶秤兩端沿皮帶方向物料的一個區間，在此區間內的物料對稱重輥的荷重有影響。
    若是多稱重輥和雙秤架的皮帶秤（懸浮式皮帶秤除外），稱重力的傳遞關系相應復雜一些，但原理相同。
    在物料運行中，F隨著q(x)變化而變化，所以稱重傳感器的測量輸出值對應著皮帶秤上物料重量。當它與由速度傳感器輸出的皮帶速度積算后，即可得出物料的累計量。
    用普通鏈碼模擬實物物料對皮帶秤進行檢驗時，在力的傳遞中為什么明顯地增加附加不確定因素呢？
    1）普通鏈碼在檢測中容易激發隨機振動，干擾了稱重傳感器的工作輸出。
    普通鏈碼檢測裝置如圖2所示。

圖2  普通鏈碼示意圖

    皮帶前進時，鏈碼在皮帶上滾動。鏈碼兩端用繩索固定于皮帶機架上，且有一定的預張緊力。如圖中預張緊力
       F ≥ WLg sinδ  （N）
      式中：W為鏈碼總質量，kg 。
    鏈碼形成了一個質量-彈簧系統。當有外界干擾時，就會產生振動。可能的外界干擾因素有：鏈碼不同心引起的跳動、托輥不同心引起的跳動、皮帶運動中的跳動和機架的振動等等。由于干擾因素的多元化，實際產生的振動是由不同頻率、不同相位和方向合成的無規則隨機振動。振動所產生的慣性力，特別是沿y方向的慣性力，將嚴重干擾傳感器的工作輸出。

圖3  普通鏈碼的位置效應

    2）鏈碼負荷的位置效應導致了稱重力傳遞的不確定性。
    從式1看出，除了均布載荷外，質量相同的物體若處于皮帶的不同位置（x坐標），傳感器的輸出可能不同，此特性由式中的系數c來表征。物料隨皮帶運行時，其每一組元都要依次經過整個皮帶秤的稱量區域，即都要受到c的全過程影響。所以從物料質量到稱重傳感器輸出再到皮帶秤儀表的積算值的量值傳遞就有一個相對固定的關系。而普通鏈碼卻不同：它不隨皮帶運行，而且是輥狀的，沿x方向對皮帶施加的是等間隔的集中載荷，而不是均布載荷。當它放落的位置相對于皮帶秤的稱重輥有變化時，c的影響就會突現出來。從圖3看出，當鏈碼輥的位置有△x的位移時，各輥重量分擔在稱重輥上的載荷都會變化，因而帶來傳感器輸出的變化。即質量量值的傳遞具有不確定性。我們在此稱其為“位置效應”。若是多稱重輥或是雙秤架，位置效應可得到一定的補償，但是不可能完全消除這種影響。從資料[1]提供的數據看出，用同一條普通鏈碼，檢驗同一臺皮帶秤，其兩組示值的算術平均值之差竟達到計算值的0.92%。可見其位置效應的嚴重。普通鏈碼在檢驗中出現△x（即位置不確定）的原因有：
    （1） 鏈碼沿x 方向的振動引起鏈碼輥在各自平衡位置前后振蕩。
    （2） 鏈碼的蛇形運動引起鏈碼輥位置變化。
    （3） 鏈碼安裝狀態的不確定或工作中受動態因素影響而使鏈碼工作位置有了變動等。
    3. 循環鏈碼裝置有什么不同（見圖4）

圖4  循環鏈碼示意圖

    1）循環鏈碼裝置不會形成普通鏈碼那樣的質量-彈簧振動系統。因為循環鏈碼運轉的原因是落在皮帶上的碼塊與皮帶間摩擦力作用下，碼塊被皮帶帶動前進；循環鏈碼是自然垂落在皮帶上，整條鏈碼處于柔性鏈索狀態，鏈碼總體上不會出現引起振動的彈性位移、彈性恢復力。因此在外界有干擾因素時，鏈碼本身不會出現機械振動，不會出現普通鏈碼可能引起的慣性干擾力。
    2）循環鏈碼是設計成質量均布的循環鏈，落在皮帶上的鏈碼對皮帶施加的是沿x方向的均布載荷。由式1看出，此時q(x)為常數q，所以不管運轉中哪一段鏈碼在皮帶秤上方，稱重輥上分擔的載荷始終是個定值：qc1dx，所以傳感器受力F也為一個定值：
    F=c2qcosδc1dx
    這說明，鏈碼質量到傳感器負荷的傳遞關系是確定的，不存在普通鏈碼由于集中載荷力點的變化而引起傳感器輸出變化的情況。
    綜合上述兩點可看出，循環鏈碼與普通鏈碼相比，更為接近散裝物料的工作狀態，明顯避免和減小了模擬試驗裝置本身在檢驗中帶入的不確定因素。正因為循環鏈碼裝置有著較高的重復性，這就為提高它的檢驗準確度打下了必不可少的基礎。
二、帶驅動的循環鏈碼裝置在檢定中存在的問題
    近來從有關資料上看到出現了一種帶驅動的循環鏈碼裝置，即循環鏈碼在一驅動裝置驅動下運轉，并驅動裝置與皮帶機的測速傳感器形成閉環，目的是想使循環鏈碼與皮帶速度保持同步。本人認為這種方式存在下述問題,分析如下：
    1.循環鏈碼帶有驅動裝置后將會引起皮帶張力的無常變動，增加了檢驗示值的不確定性，從而降低了檢驗結果的的可信程度。
    當循環鏈碼帶有驅動裝置后，鏈碼是同時處于兩種驅動之下：循環鏈碼本身驅動裝置的驅動和皮帶的驅動：
          P1+P2= R
    式中：P1為循環鏈碼本身的驅動裝置的驅動力；
    P2為皮帶驅動力，其值為循環鏈碼放下前后，對應皮帶上鏈碼前端的皮帶位置處（如圖4中“A”所示位置）的張力增量，在此表示為：
    P=△T
    R 為循環鏈碼平穩運轉時的總阻力。
    在正常的設計下，無論是循環鏈碼本身的驅動裝置或皮帶機驅動裝置，都有單獨驅動鏈碼穩定運轉的潛力。循環鏈碼在驅動裝置的驅動下運行，如果鏈碼的線速度略大于皮帶線速度，則鏈碼對皮帶的摩擦力朝向皮帶前進方向，即循環鏈碼的驅動裝置不僅驅動鏈碼，還參與了對皮帶機的驅動，即P2（即△T）可能出現負值。反之，如在循環鏈碼本身的驅動裝置下，鏈碼的線速度略小于皮帶線速度，則鏈碼對皮帶的摩擦力朝向阻礙皮帶前進的方向，即皮帶機不僅驅動鏈碼，還會通過鏈碼將力（力矩）作用到循環鏈碼本身的驅動裝置驅動輪上；即P2（即△T）可能超過R值。特別是在有速度反饋的閉環系統，鏈碼的速度在不停地動態調整中，所以皮帶秤稱重輥處的皮帶張力將因之不斷振蕩變化。
    另外，因為循環鏈碼本身的驅動裝置與皮帶機的測速傳感器形成閉環，根據兩者的速度差，將有強制性的正的或負的加速度加在鏈碼上，即鏈碼上附加了慣性力的作用，使循環鏈碼運轉的所需的驅動力上下波動：
        △R= qLa
    式中：△R 為因加速度a而產生的驅動力變化值，符號與a相同。
    △R的產生又增加了皮帶張力的變化。
    眾所周知，對于皮帶秤而言，產生稱量誤差的主要因素是皮帶秤稱重力誤差，其中皮帶張力變化和非準直度的共同作用是引起皮帶秤稱重力誤差的主要原因[3]。由于循環鏈碼的驅動裝置引起皮帶張力的附加變化，必將會引起循環鏈碼裝置檢驗重復性誤差的明顯增大。本人根據對應用于各種流量皮帶秤的循環鏈碼運轉阻力約值分析估算出這種皮帶張力的附加變化值有可能達到500N至2500N；這樣大的張力變化在與皮帶秤非準直度的共同作用下引起的附加重復性誤差有可能達到0.2%至0.5% 。這將使循環鏈碼本身檢驗重復性高（優于0.1%）的優勢喪失殆盡。
    2. 刻意維持鏈碼與皮帶的同步是沒有必要的。
    皮帶秤連續累計稱量的基本公式為：
    W=q(t)v(t)dt
    式中：W 為T時間間隔的物料累計量，kg ；
    T 為物料通過皮帶秤的時間，s ；
    q(t)為皮帶單位長度上的物料重量，kg/m ；
    v(t)為物料隨皮帶的運行速度，m/s 。
    在用循環鏈碼檢驗皮帶秤時，用鏈碼模擬物料，鏈碼的單位長度質量是個定值，即有：
    q(t)=q，則上式變為：
    W=qv(t)dt
    即：用循環鏈碼進行檢驗的累計量W與 q和v(t)是否同步無關。對于循環鏈碼裝置而言，鏈碼與皮帶是基本同步的，即使有不同步的情況產生也無關緊要，不會影響檢驗工作的正確性，完全沒有必要用犧牲裝置檢驗準確度為代價來刻意維持鏈碼與皮帶的同步。
    3. 循環鏈碼啟動時對皮帶的磨耗影響完全可以忽略不計。
    有關資料解釋增加循環鏈碼驅動裝置是為了減少循環鏈碼啟動時對皮帶的磨耗。其實循環鏈碼啟動時對皮帶的磨耗影響是完全可以忽略不計的。
    當物體落向皮帶機時，運轉中的皮帶將物體沿皮帶前進方向的速度從零增加到與皮帶同一速度。從力學的角度看，皮帶機克服了物體的慣性阻力作功，增加了物體的動能。增加的動能為：
     ?mV
    式中：m 為物體的質量，kg ；
    V 為皮帶的速度，m/s 。
    物體的慣性阻力作用在皮帶與物體的接觸面上，會給皮帶帶來磨耗這是不可避免的，而且物體動能增加越大，皮帶磨耗越厲害。當皮帶速度一定時，皮帶的磨耗，隨被增速的物體質量增大而增加。循環鏈碼被皮帶啟動時，被增速的質量僅僅是該組循環鏈碼的質量；與此相對照，在皮帶機的入料口皮帶要將落下的物料全部增速到皮帶的速度，這些物料的質量遠大于循環鏈碼的質量。比如說：某皮帶機帶速為2m/s，每天工作6小時；循環鏈碼每周檢驗皮帶秤一次，鏈碼長21m；鏈碼的每米質量與入口物料的流量相當。不難算出，這一周內，入料口被皮帶帶動的物料質量是該組循環鏈碼質量的14400倍。所以皮帶啟動鏈碼所遭受的磨耗與入料口處皮帶啟動落下物料時所遭受的磨耗相比是微乎其微的。
    在皮帶機的工作中，還有比入料口處皮帶受到的磨耗更大的環節，例如犁式卸料器。犁式卸料器將運動中物料強行轉向，使物料與皮帶產生摩擦。設一臺工作流量為600t/h 的皮帶機，帶寬為1米，帶速為2m/s，按資料[4]提供的計算公式，入料口的摩擦阻力約為333N，而犁式卸料器的摩擦阻力約為1500N，為入料口的4.5倍。若將皮帶啟動鏈碼所遭受的磨耗與犁式卸料器相比，更是微乎其微了。
    由此可看出，就為滿足皮帶機正常工作而設計和選用的皮帶而言，循環鏈碼降落啟動時對皮帶的磨耗影響完全可以忽略不計，沒有必要用驅動裝置來減輕循環鏈碼對皮帶的磨耗。而且設計者原本想用來減輕磨耗的驅動裝置實際上只會適得其反，因為在有了驅動裝置后，鏈碼若與皮帶速度有了差異，兩者間就會有強制性的相對運動，反而會增加彼此的摩擦。

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    皮帶秤循環鏈碼檢驗裝置是一種很有發展前景的皮帶秤檢驗裝置，同時它還有不少地方需要完善。我們對循環鏈碼的認識必將隨著生產和科研的實踐不斷地深入，循環鏈碼裝置的生命力必將隨之不斷地發揮出來，它將更好地服務于社會。
參考文獻
    [1] 數據摘自《一種新的電子皮帶秤檢定法-模擬實物檢定法》 作者：中國計量科學研究院 唐煜、王翔、馮瑞冬。該文發表于2003年第六屆亞太地區質量、力和扭矩計量學術會議（APMF 2003/IMEKO TC3），見該會議論文集4.2，P155。
    [2]《北京春海技術公司DCX型電子皮帶秤模擬實物檢測裝置測試情況》 電力工業部熱工計量測試中心 2001年3月。
    [3]《皮帶秤》 P160，作者：羅才生、鄒炳易、張家緯， 中國計量出版社。
    [4]《運輸機械設計選用手冊》 上冊 P136至 P137 （表2-31、表2-32）， 化學工業出版社。
    作者：周有守 教授級高級工程師 。

此文寫的非常好，謝謝分享。

皮帶速度非勻速，循環鏈碼的同步是個大問題，增加引入了不確定度分量。
第一段的重復性數據，沒有實物效驗數據支持，完全沒有意義