重錘式稱重裝置設計

張志榜，儲劍森，丁念紅

（南京消防器材股份有限公司，江蘇南京 211112）

0 前言

目前消防行業氣體滅火系統所使用的稱重裝置主要以彈簧秤為主，此裝置長期使用，彈簧受力容易疲勞，造成稱量誤差，從而影響系統正常工作，在某種程度上制約了相關氣體系統的應用。因此開發新的更為可靠的稱重裝置已成為當務之急。

重錘式稱重裝置性能穩定、靈敏度高、安裝調試簡單方便，也克服了彈簧秤所存在的缺陷，它的成功開發必將很快占領市場，實現經濟效益。依據國外客戶的理念和習慣，希望在滅火劑鋼瓶失重時應有較直觀的物位狀態顯示，而目前無論是彈簧秤式或拉力傳感器式稱重機構均不能實現此功能。

1 設計分析

重錘式稱重裝置主要由內軸承座、外軸承座、軸承、連接板、砝碼、銷軸、接桿及連接件組成（圖1）。

1.1 主要性能參數

稱量范圍:115～140 kg（70 L）;

重錘調節質量（常量）:0.76 kg/圈（70 L）;

聲報警信號距離1 m遠處的聲壓級不低于65 dB（在額定電壓下）。

1.2 設計計算

a）設計依據

GB16669－2010《CO2滅火系統及部件通用技術條件》

圖1 結構及原理

b）材料選用

稱重裝置（70 L）一般所承受的拉力為115 kg～140 kg，且內、外軸承座采用精密鑄造，要求其材料應具有一定的強度及良好的鑄造性能、機械加工性能，同時還應考慮選材的通用性，優選06Cr19Ni10，其機械性能:σb=450 MPa，σs=200 MPa;連接件材料為 45號鋼，σb=600 MPa，σs=355 MPa。

c）工作原理

重錘式稱重裝置是以內軸承座、砝碼及儲瓶組件組成的以O點為支點的偏心機構（一種特殊形式的杠桿機構）（圖 1）。

其在位置1的平衡條件如下:

G儲瓶×OO1×cos40°=G砝碼 ×OO2×cos40°+G砝碼 ×O2O2＇× cos40°

而實際工作時處于不平衡狀態:即:

G儲瓶×OO1×cos40°＞G砝碼×OO2×cos40°

而G砝碼 ×O2O2＇×cos40°=4.2 ×O2O2＇× cos40°（滅火劑最大允許泄漏量產生的力矩）。

d）調節參數確定

依據標準規定當滅火劑泄漏至充裝量的10%時，相應稱重裝置須動作并報警。通常對于70 L二氧化碳滅火系統，其充裝量為600 kg/m3，則最大泄漏量為:70×0.6×10%=4.2 kg。

式中:m1——砝碼質量（2.1 kg）;

m2——接桿質量（0.1 kg）;

M0——儲瓶組件質量;

L——接桿重心臂長;

OO1——偏心機構偏心距3 mm。

該計算結果為理論值，實際應用時應考慮動、靜摩擦，經試驗驗證:砝碼實際偏移距離為5 mm（即5.5圈）。

對M10x1 螺紋而言，4.2 kg/5.5=0.76 kg，即0.76 kg/圈。

e）安裝調試

1）先固定好稱重裝置，將儲瓶組件掛好并離地2 cm～3 cm;

2）緩慢調節砝碼，使接桿上翹至位置1（限位點）剛好處于平衡（臨界狀態），記下砝碼上方向箭頭的位置;

3）再將砝碼向內旋5.5圈，然后用螺母鎖緊即可。

實際上砝碼移動5.5 mm剛好可以平衡滅火劑的最大允許泄漏量4.2 kg，所以滅火劑泄漏量小于4.2 kg的情況下，砝碼始終停留在位置1;當失重量略大于4.2 kg時，杠桿的平衡狀態被打破，砝碼便加速下落至位置2。

從調試方法可知，在正常工作狀態下，杠桿機構本身實際上處于不平衡狀態，而是通過內、外軸承座的限位（相當于給砝碼一個預壓力，該預壓力是由于將砝碼向內移動5.5圈引起的）后處于平衡狀態，當滅火劑失重量達到規定值4.2 kg時，預壓力解除，杠桿機構又趨于平衡（臨界狀態）。

f）強度校核

稱重裝置的聯接螺紋均受軸向載荷，所以應校核螺紋抗拉強度。

1）螺紋的強度校核

本裝置的聯接接頭只承受靜載荷，其規格為M12，材料45 號鋼，σb=600 MPa，σs=355 MPa。

式中，F——最大軸向外載荷，F=140 kg

dc——螺栓螺紋部分危險截面直徑，dc=d1－H/6（d1－螺紋小徑）;

H——螺紋牙形三角形高度，對于普通螺紋H≈0.866 p=0.866 ×1.75=1.515 5 mm）

可見 σ ＜［σ］，過載試驗:2σ ＜［σ］

所以，聯接接頭螺紋強度滿足要求。

2）銷軸的強度校核

銷軸材料為06Cr19Ni10，σb=450 MPa，σs=200 MPa。主要校核軸的彎曲應力（軸的轉矩很小可忽略不計）。

式中:M——軸的彎矩 N·mm，M=F/2×9.8×L/2，

L——軸的有效長度（mm），

d——軸的直徑（mm）。

可見，σ ＜ σb，過載試驗:2σ ＜ σb

所以，銷軸強度滿足要求。

3）軸承選擇

根據已知軸徑及內、外軸承座孔徑，初選軸承型號分別為6201－2Z和6009－2Z。由于軸承只承受靜載荷:140 kg×9.8 N/kg=1 372 N;

過載試驗時承受載荷為1 372 N×2=2 744 N;

而軸承的基本額定負荷:Cr=5.25 kN（6 201－2Z），Cr=16.2 kN（6 009－2Z），可見軸承的基本額定負荷均大于實際工作載荷，因此初選軸承型號符合要求。

1.3 電氣部分

有以上分析可知，當儲瓶內滅火劑泄漏超過充裝量10%時，稱重裝置應動作并觸發相應泄露報警裝置，產生聲、光報警信號至泄漏報警器，再遠傳到相應控制室。根據不同的應用場所，泄漏報警裝置可以選用位置開關，也可以采用紅外線對射裝置。前者位置開關與稱重裝置一一對應，若選用防爆位置開關，可用于防爆場所;后者一組紅外線對射裝置可以實現對若干個稱重裝置進行監控（感應距離通常6 m），安裝簡單，價格有優勢。其原理如圖2所示。

圖2 電氣原理

2 結論與展望

目前國內外市場上稱重裝置的結構型式有杠桿式（非偏心機構），彈簧秤式，拉力傳感器式等。杠桿式成本低，但安裝調試復雜且靈敏度低，目前已逐步淘汰;國內目前應用較多的為彈簧秤式，價格較低，安裝相對簡單，但存在長期受力會產生疲勞，影響精度的缺陷;拉力傳感器式安裝簡單、精度高，抗疲勞好，但價格較昂貴，主要滿足高端客戶群的需求。而重錘式綜合了上述各形式的優點:結構簡單、成本較低、便于安裝維護;性能穩定、可靠，靈敏度高，有廣闊的市場前景。

［1］吳宗澤.機械設計手冊（下冊）［M］.北京:機械工業出版社，2002.

［2］周開勤.機械零件手冊（第四版）［M］.天津:高等教育出版社，1994.

［3］張一公.常用工程材料選用手冊［M］.北京:機械工業出版社，1998.