一種高精度雙托輥稱重單元的設計研究

熊 健 ，蒲 林，王宏兵，羅清敏，高族穎

XIONG Jian1 ,PU Lin1,WANG Hong-bing2,LUO Qing-min2,GAO Zu-ying2

（1.貴州中煙工業有限責任公司貴定卷煙廠，貴定 551300；2.云南昆船電子設備有限公司，昆明 650217）

0 引言

目前在煙草行業中大量使用的電子皮帶秤的稱重裝置基本上有以下幾種：單傳感器杠桿秤臺、雙傳感器杠桿秤臺、雙傳感器單托輥直壓秤臺，四傳感器雙托輥直壓秤臺等等。杠桿式秤臺由于中間環節因素過多，這種技術已經逐漸被淘汰；直壓式稱重，如果采用框架式秤臺，必須采用三只以上的傳感器才能托住一個秤臺，現有一般的托輥式最小稱重單元都是單托輥的，也必須用一只或兩只（帶寬較寬時必須是兩只）傳感器支撐一根稱重輥，采用兩組或更多稱重單元必須采用更多的傳感器來支撐。框架式秤臺笨重，而且需要傳感器數量較多，不經濟，傳統托輥式秤臺為了提高穩定性和精度至少采用兩組稱重單元，稱重所需的傳感器數量不會低于四只，如果采用更多的托輥數量來減小誤差，需要的稱重單元更多，傳感器數量也更多，結構復雜也不經濟，而且也無法滿足已有的一些老式的托輥秤臺的改造。依據皮帶秤相對誤差理論，采用更多的稱重托輥或將是皮帶秤向高精度發展的一個必然趨勢，而同時如何盡可能地降低傳感器安裝數量也是需要解決的一大難題。

1 減小相對誤差的手段分析

雙輥稱重單元主要依據對相對誤差的研究分析，揚長避短進行優化設計。

1）相對誤差的定義

相對誤差是稱重過程中設備稱量結果的相對差值與真實結果的比值。

2）相對誤差理論研究

為了直觀體現相對誤差與各相關因子的關系，便于皮帶秤的設計者們有針對性的來設計、優化稱重機構，對相對誤差產生的過程做一個簡單的推導研究：如圖1所示，是一個采用2組單輥稱重單元稱重的簡化示意圖，黑色梯形線是傳感器的受力曲線圖。假設每米料重q，托輥間距為a，根據受力曲線圖，兩組稱重輥的傳感器實際采集到的物料重量為G=2aq。根據受力曲線圖，稱重托輥間的受力都是直線，如果有3組稱重托輥，采集到的物料重量為G=3aq，一次類推如果有n組稱重托輥，那么采集到的物料重應該是：

實際在稱重過程中，物料壓在皮帶面上，傳感器自身形變、皮帶下榻、托輥受力彎曲、稱重輥安裝高低都會導致帶面是有一定量的下沉，如圖2所示，假設下沉量為d，皮帶的張力為Fp。皮帶的張力會產生一個向上的分力（如果皮帶秤稱重輥安裝的比過度輥高皮帶張力產生一個向下的分力），抵消（或增加）一部分物料的重力。所以傳遞給傳感器的真實重力為：

根據相對誤差的定義，相對誤差的表達式為：

由式(3)可以看出，±2FpSinα就是誤差項，將式(1)、式(2)代入式(3)，便可得到相對誤差E的表達式：

由于皮帶面的下沉量d比較小，α值也就非常小，近似的認為Sinα=d/a，代入式(4)，就可以得出相對誤差：E=±2Fp.d/n.q.a2。由于皮帶是傳力介質，考慮到皮帶自身的物理因素的引入皮帶效應系數K，就可以得出前面所講的相對誤差公式：

其中：E為相對誤差；K為皮帶效應系數；Fp為皮帶張力；d為稱重輥垂直位移；n為稱重輥組數；q為每米料重；a為托輥間距。

圖2 張力影響力學分析簡圖

3）減小相對誤差E的手段分析

減小相對誤差的有效手段就是減小分子，增大分母。分子的皮帶效應系數K，跟皮帶自身有關，一旦皮帶選定就無法改變，皮帶張力Fp必須滿足皮帶不打滑的最小張力，保持張力的恒定，使張力產生的誤差基本可控。目前市場上的皮帶秤廠家大多都采用了皮帶恒張緊裝置。從分子上的因素來看，只有減小稱重輥的垂直位移d可行。如此看來分子上的因子目前基本沒有太好的措施就只能看分母上的因子了：

（1）增大單位長度上料重q，看似是很有效的手段。一種物料的容重是固定的，要提高秤臺上每米料重就只有加高料層，但料層不能無限加高，料層過高物料會塌翻，落料不均，“雪崩”現象嚴重。制絲線最大料層厚度一般也就在200mm左右，打葉復烤線煙葉料厚300mm左右。

（2）稱重輥間距a，依據誤差公式來看，增大a應該是最有效的。相對誤差公式里給出的只是誤差因子與誤差的一個相對關系。托輥間距過大，會導致皮帶塌拉效應嚴重，適得其反。皮帶間距過大，皮帶塌拉嚴重，由于皮帶張力產生的2Fpsinα誤差更大。

從以上分析來看，減小相對誤差E目前可以采取的有效措施有：

（1）尋找適合皮帶秤的優質皮帶，盡量消除皮帶自身的效應系數K；

（2）提高秤臺鋼性，減小帶料時的帶面下沉量d；

（3）采用形變量更小的傳感器，也是減小帶料時的帶面下沉量d；

（4）增加稱重托輥組數n。

2 自聯式雙托輥稱重單元的研究

直壓式稱重是最簡潔、最穩定可靠的稱重方式，目前稱重技術一直停留在單托輥稱重單元（如圖3左邊部分）的基礎上，沒有進一步的突破。依據正確理論引導，保持與原有電子皮帶秤的互換性，設計結構簡潔、輕便、不增加傳感器數量的雙托輥單元式電子皮帶秤，突破單托輥稱重單元技術的瓶頸，是皮帶秤技術發展的趨勢所需。下面介紹一種可行的雙托輥稱重單元。

圖3 典型單、雙托輥稱重單元結構圖

如圖3右邊部分（1為稱重輥；2為高強度鋁板；3為端軸；4為調整滑塊組合；5為稱重傳感器；6為端軸固定座）所示的雙托輥稱重單元是根據相對誤差理論的各影響因子的分析，采取可行的方法進行優化設計。該結構為自聯式，采用鋼制波紋管傳感器替代傳統的鋁制傳感器，減小傳感器的形變。該結構包括有由兩根平行的托輥和兩塊平行的連接板連接組成的矩形框架，分別安裝于兩塊連接板中間的兩個端軸、分別設置于連接板外側的兩個端軸固定座、兩個端軸固定座分別與稱重傳感器連接。

稱重托輥由空心芯軸、筒體、軸承等組成。芯軸采用兩端軸頭與空心管焊接后加工而成，軸承套裝在軸頭上，筒體套裝在軸承外；兩端軸頭分別插入連接板開設的連接孔中。在連接板的連接孔外側面開設有壓板可嵌入的沉孔，沉頭螺釘穿過壓板擰入軸頭內拉緊，將托輥軸頭與連接板緊固連接。在端軸外側面銑有平面，端軸置于固定座的U型槽里，兩顆調節螺釘從外側穿過U型槽頂向端軸平面將端軸鎖緊。

兩根稱重輥與兩塊連接板形成了一個結構穩固的矩形框架，加之托輥采用空心管結構以及重量較輕的鋁合金制做，避免了傳統多托輥稱重單元在框架上固定托輥的笨重結構，其結構簡單、輕便、緊湊。整個框架以端軸的軸心為中心成對稱結構，抵消物料重量形成兩側托輥的壓力對傳感器造成側向扭矩，通過調節固定座側面調節螺釘的擰入長度，使稱重單元的端軸在固定座U型槽里旋轉，調節兩邊托輥的高低，達到找平稱重面的目的。調整滑塊組合可以方便調整稱重單元的高低，結構可以做成與以往單輥稱重單元調整滑塊組合完全互換，這樣可以在原有皮帶秤改動很小的情況下，完全替代原有的單輥稱重單元。

至于采用兩顆調節螺釘擰入長度來調節稱重框架的水平面，感覺太單薄，可以在具體設計、制作、驗證過程中進行優化，考慮了其他兩種方案（如圖4所示），可以供參考。

圖4 雙托輥稱重單元結構參考圖

圖4左邊的方案采用刀口、刀承作為旋轉支點，通過調節另一端螺釘來調整雙輥的水平。圖4右邊的方案采用的圓弧面作為旋轉支點，這幾種結構形式各有千秋，可以在樣機試制和使用過程中進行驗證，從加工經濟性、工藝性、功能方面進行比對優化，采用最優的方式。

3 自聯式雙托輥稱重單元的優勢分析

自聯式雙輥稱重單元的研發設計完全符合相對誤差理論公式，跟目前流行的單輥稱重單元相比有很多的優勢。

1）有效計量段加大

如圖5所示，傳統單托輥稱重單元有效計量段為L/2，本論文所述的自聯式雙托輥稱重裝置的有效計量段長度為2L/3（托輥間距均布）。在稱重區域長度L不改變的情況下有效計量段增大，可提高當前秤臺上采樣的物料重量，減小皮重變化在整個稱重中影響量，有利于提高皮帶秤的計量精度。另外稱重區域長度不改變，皮帶秤的輸送機長度可以與原來保持一致，采用自聯式雙輥稱重單元的皮帶秤可以直接替換原有的舊秤，方便新舊設備的改造替換。

圖5 有效計量段計算示意圖

2）鋼性加強

以帶寬B=1800mm的稱重輥為例，對單輥稱重單元和本論文敘述的雙輥稱重單元在自重和負載30kg的情況下進行CAE位移分析，單輥稱重單元托輥最大下沉量為0.59mm，而本論文敘述的雙輥稱重單元下沉量為0.41mm。所以采用自聯式雙輥稱重單元在同樣的負載下，托輥下沉量d減小了0.18mm，相對誤差E的公式里可以看出，d減小則相對誤差也減小。雖然增加了一根托輥，但并不笨重，鋼性反而得到了加強，對提高稱重精度秤臺的穩定性都有好處。

3）應用靈活多變

本雙輥稱重單元是皮帶秤稱重部分的最小單元，可以單組使用，單組使用時相當于采用2組單輥稱重單元的效果，但只需2只傳感器，2組單輥稱重單元必須要4只傳感器，降低了成本。

自聯式雙托輥稱重單元除了可以單組使用外，也可以多組使用，如圖6所示，是使用2組自聯式雙托輥稱重單元與2根過渡托輥組成的一個雙秤臺示意圖，兩組稱重單元成對稱安裝，輸送過程中對傳感器產生的有害水平力矩對傳感器的作用相反，一組使傳感器受壓，一組使傳感器受拉，對整個稱重系統就相互抵消，精度和穩定性相對單組稱重單元來說更高。采用兩組時，可以直接替換目前市場上廣泛采用的兩組單托輥稱重單元的雙計量皮帶秤，而且不影響原有的控制系統。當采用更多的組數時，建議使用偶數數量，這樣每兩組成對稱安裝，相互抵消有害水平力，有利于計量精度的提高。

圖6 兩組雙托輥稱重單元組成的雙秤臺示意圖

4 結語

提高皮帶秤的稱重精度和穩定性是皮帶秤發展永恒的主題和目標，本論文所闡述的自聯式雙托輥稱重單元，增加了托輥組數，可提高電子皮帶秤秤臺的鋼性，減小因托輥彎曲導致的秤臺的下沉量，從而減小誤差因子2Fpsinα的影響量。同時增加了稱重托輥的有效計量段長度，可提高秤臺上采樣的物料重量，減小皮重變化在整個稱重中的影響量，使皮帶秤的計量精度和長期穩定性進一步提高。在單輥稱重單元無法進一步突破的情況下，減小相對誤差采用雙托輥稱重單元是行之有效的手段，雖然直壓直聯式雙托輥稱重單元目前在煙草電子秤行業還未曾大量出現和應用，但它將是皮帶秤發展需求的必然產物，也將是下一代皮帶秤的主推形式和皮帶秤技術發展的必然趨勢。