【摘 要】 皮帶秤是物料輸送過(guò)程中，普遍使用的計(jì)量設(shè)備，其稱量方式為連續(xù)、動(dòng)態(tài)稱量。被

稱物料的重量值，在稱量值附近做上下波動(dòng)，形成連續(xù)的脈動(dòng)循環(huán)。稱重傳感器受力和其他靜態(tài)衡

器不同，是承受脈動(dòng)循環(huán)應(yīng)力，受力時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)。本文試圖分析皮帶秤用稱重傳感器在連續(xù)、脈

動(dòng)、循環(huán)受力的情況下，對(duì)稱重傳感器性能的影響。

 

一、概述

 

電子皮帶秤由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，直接安裝在皮帶輸送機(jī)上，與皮帶輸送機(jī)有著較好的安裝、匹配

關(guān)系，構(gòu)件少、成本低，在物料輸送過(guò)程中完成稱重計(jì)量任務(wù)，所以，獲得了廣泛的應(yīng)用。在港口、

煤礦、礦山等領(lǐng)域，到處可以見(jiàn)到電子皮帶秤。其稱量原理為：利用安裝在皮帶輸送機(jī)上的稱重傳

感器和測(cè)速傳感器輸出的電信號(hào)，稱重、計(jì)算單位時(shí)間里流過(guò)皮帶秤的物料重量，與物料通過(guò)的時(shí)

間相乘積，即得到被輸送物料的重量。雖然流過(guò)電子皮帶秤的物料，在秤的前方通過(guò)檔煤器等裝置

控制物料（如煤層）的高度，進(jìn)行了物料流量平衡，但是由于通過(guò)電子秤的物料高低不同、比重不

同，其重量值還是在其稱量值附近波動(dòng)，呈現(xiàn)出脈動(dòng)、連續(xù)的稱量。所以，稱重傳感器的受力，基

本上是在稱量值附近上下波動(dòng)，稱重傳感器受到來(lái)自傳力架的交變載荷的重量，這對(duì)于稱重傳感器

的金屬?gòu)椥泽w來(lái)講，處于疲勞工作狀態(tài)。所以，研究振動(dòng)對(duì)皮帶秤用稱重傳感器的影響，尤其是長(zhǎng)

期穩(wěn)定性的影響，有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

 

二、皮帶秤用稱重傳感器及受力范圍

 

皮帶秤以秤架結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行分類，有單托輥式，多托輥式和懸浮式皮帶秤。一般的都是使用懸

臂梁式稱重傳感器或S型稱重傳感器。如圖1和圖2所示。

 

懸臂梁式稱重傳感器受力端與秤架之間可以通過(guò)連桿——上、下球頭座用球面連接，這樣傳力

精度高，可以有自動(dòng)調(diào)心的功能；也可以直接用螺紋連接，需要調(diào)整好連接桿的長(zhǎng)度和末端的連接

結(jié)構(gòu)；S型傳感器與秤架之間一般用關(guān)節(jié)軸承連接，也具有自動(dòng)調(diào)心功能，可以消除側(cè)向力，并且

潤(rùn)滑情況要優(yōu)越，旋轉(zhuǎn)靈活。

 

在稱重傳感器量程選擇上，是根據(jù)皮帶秤最大流量這個(gè)技術(shù)指標(biāo)來(lái)選擇實(shí)際量程。由于皮帶張

力和皮帶自重的影響，稱重傳感器會(huì)受到一個(gè)初始載荷。一般的，初始載荷在稱重傳感器量程的20%

 

圖1 懸臂梁傳感器及球面聯(lián)接件

 

圖2 S型傳感器及關(guān)節(jié)軸承聯(lián)軸器

 

左右，實(shí)際使用的量程在60%左右，留出量程的20%作為安全載荷，考慮振動(dòng)、過(guò)載等的影響。也

有按照30∶40∶30（初始載荷：使用載荷：預(yù)留量程）的比例來(lái)確定設(shè)計(jì)稱重傳感器的受力情況的。

即：稱重傳感器使用量程一般在稱重傳感器滿量程的70%～80%左右。

 

傳感器的滿量程信號(hào)輸出計(jì)算公式如下：

 

RbSKRinε=

 

公式中的符號(hào)：S—靈敏度，一般為 2 mV/V；

 

K—應(yīng)變計(jì)靈敏系數(shù)，一般K＝2.1；

 

Rb—稱重傳感器輸出電阻；

 

Rin—稱重傳感器輸入電阻。

 

 

靈敏度與稱重傳感器的受到的應(yīng)變量成正比。設(shè)計(jì)中，取滿量程時(shí)稱重傳感器對(duì)應(yīng)的應(yīng)變量為

1200με，則稱重傳感器的靈敏度輸出為2mv/V，70%～80%的應(yīng)變量為：840～960με；初始零點(diǎn)

附近的20％的應(yīng)變量，其變形量為240με。對(duì)于物料輸送量變化較大的皮帶秤，稱重傳感器的受

力在240～960με之間變化，一般皮帶輸送機(jī)會(huì)在最大輸送能力的狀態(tài)下運(yùn)行，稱重傳感器的受力

在70%～80%之間變化。

 

三、稱重傳感器受到的振動(dòng)

 

皮帶輸送機(jī)在運(yùn)行中，由于物料的濕度、黏度等問(wèn)題，會(huì)造成皮帶粘附物料、托輥粘附上物料

使托輥直徑不均、被輸送物料由于水分不同等影響造成重量不均勻等，會(huì)使皮帶機(jī)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)。

另外，在皮帶機(jī)的開(kāi)機(jī)運(yùn)行（和關(guān)機(jī)運(yùn)行）的過(guò)程中，皮帶輸送機(jī)整機(jī)的運(yùn)行頻率會(huì)由小變大（或

由大變小），在頻率變化的過(guò)程中，皮帶輸送機(jī)在某一頻率點(diǎn)上會(huì)發(fā)生共振，使皮帶產(chǎn)生較大的振

幅，也會(huì)影響到傳感器的性能和長(zhǎng)期穩(wěn)定性。所以，稱重架附近的皮帶機(jī)支撐架，應(yīng)進(jìn)行良好的固

定，增加其強(qiáng)度、剛度，提高抗沖擊能力。

 

一般皮帶上粘附了物料和物料不均勻造成的振動(dòng)，由于其粘附的長(zhǎng)度不固定，輸送的物料厚度

不固定，所以屬于一種不規(guī)則的振動(dòng)；而托輥上粘附了物料造成的振動(dòng)，屬于一種周期性的振動(dòng)。

我們以后一種情況分析如下：

 

皮帶秤的速度，由0.8～2.5m/s，0.8～3.15m/s，1.0～5.0m/s等幾種設(shè)計(jì)；對(duì)應(yīng)的物體流量為40～

500t/h，100～1000t/h，800～6000t/h；設(shè)托輥的直徑為108mm，其線速度計(jì)算公式為：

 

v＝2πrn m/s

 

式中n為圈數(shù)/s。計(jì)算上述速度下，對(duì)應(yīng)的托輥轉(zhuǎn)數(shù)。

 

表1 皮帶秤線速度與旋轉(zhuǎn)圈數(shù)的關(guān)系

 

序號(hào)

 

速度m/s（秒）

 

圈數(shù)/s（秒）

 

圈數(shù)/h（小時(shí)）

 

1

 

0.8～2.5

 

2.36～7.37

 

8496～26532

 

2

 

0.8～3.15

 

2.36～9.29

 

8496～33444

 

3

 

1.0～5.0

 

2.95～14.74

 

10620～53064

 

若把上述數(shù)據(jù)當(dāng)作是由于托輥粘附了物料使直徑不均勻而產(chǎn)生了振動(dòng)，設(shè)托輥粘附的物料面積

較小，則可以簡(jiǎn)單地認(rèn)為是每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈振動(dòng)一次。這個(gè)振動(dòng)，通過(guò)秤架、連桿，直接傳遞到稱重傳

感器上。

 

根據(jù)現(xiàn)有設(shè)計(jì)手冊(cè)查到的數(shù)據(jù)顯示，總結(jié)現(xiàn)有的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以把加載頻率分為如下三種范圍：

 

（1）正常頻率 （5～300Hz）；

 

（2）低頻 （0.1～0.5Hz）；

 

（3）高頻 （300～10000Hz）；

 

所以，皮帶機(jī)托輥粘附物料使托輥直徑不均勻造成的振動(dòng)，屬于正常頻率振動(dòng)范圍，但接近于

低頻振動(dòng)。

 

四、振動(dòng)對(duì)稱重傳感器性能的影響

 

將鋼、鋁及其它高熔點(diǎn)的金屬試樣在不同的頻率下進(jìn)行試驗(yàn)，其結(jié)果說(shuō)明，室溫下的加載頻率

在相當(dāng)大范圍內(nèi)變化時(shí)，對(duì)疲勞極限沒(méi)有明顯影響。

 

美國(guó)材料與試驗(yàn)學(xué)會(huì)（ASTM）根據(jù)他們的試驗(yàn)結(jié)果得出，至少在200～7000c/min的范圍內(nèi)，

頻率變化對(duì)疲勞強(qiáng)度不產(chǎn)生任何影響。他們發(fā)現(xiàn)，高頻試驗(yàn)時(shí)試樣發(fā)熱，試樣愈大發(fā)熱越大、愈甚。

但這種發(fā)熱只是在足以引起材料發(fā)生蠕變時(shí)才起有害作用。

 

可以認(rèn)為，在大氣條件下，當(dāng)試驗(yàn)溫度小于50℃時(shí)，頻率在正常頻率范圍內(nèi)變化對(duì)于大多數(shù)金

屬（除了易熔合金及其它熔點(diǎn)低的金屬）的疲勞極限沒(méi)有影響。而低頻使疲勞極限降低，高頻使疲

勞極限升高。因?yàn)榈皖l振動(dòng)條件下，容易造成疲勞裂紋擴(kuò)展。

 

1、振動(dòng)對(duì)稱重傳感器工藝布線的影響

 

由上述理論可知，低頻振動(dòng)，對(duì)易溶合金的疲勞極限是有影響的。在稱重傳感器上，主要就是

對(duì)焊錫點(diǎn)的影響，應(yīng)防止由于振動(dòng)疲勞而發(fā)生開(kāi)裂、脫焊。為了消除這種影響，在稱重傳感器的工

藝布線及焊接中，就要認(rèn)真進(jìn)行考慮。在應(yīng)變計(jì)制做過(guò)程中所焊接的應(yīng)變計(jì)引線，一般是直徑0.12～

0.15mm的鍍銀銅線。由于焊接工經(jīng)過(guò)了培訓(xùn)上崗，并且是在顯微鏡下進(jìn)行的專門焊接，焊點(diǎn)質(zhì)量

要求較高，質(zhì)量較好，可以耐得住振動(dòng)影響。當(dāng)粘貼到稱重傳感器上之后，加壓固化如果壓力過(guò)高，

會(huì)使焊點(diǎn)的熔點(diǎn)溫度下降，接近應(yīng)變膠的固化要求溫度，發(fā)生焊點(diǎn)脫焊，造成焊點(diǎn)質(zhì)量下降；在應(yīng)

變計(jì)組橋過(guò)程中，如果焊接工技術(shù)不熟練，靠近應(yīng)變計(jì)的第一個(gè)配線點(diǎn)焊接時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，通過(guò)引線傳

遞到應(yīng)變計(jì)上的焊點(diǎn)的熱量過(guò)多，也會(huì)造成應(yīng)變計(jì)上的焊點(diǎn)脫焊或者焊錫弱化，影響質(zhì)量；有些稱

重傳感器制造廠，喜歡在貼片后，將應(yīng)變計(jì)的引線焊接去掉，直接用配線材和應(yīng)變計(jì)連接，這樣一

是會(huì)省材料，二也因?yàn)闇p少了焊點(diǎn)，可提高效率，但是，應(yīng)變計(jì)是處于應(yīng)變區(qū)范圍內(nèi)，焊錫是低熔

點(diǎn)合金，配線材的直徑較應(yīng)變計(jì)引線為粗，所以，一定要有良好的焊接技術(shù)，才可以進(jìn)行這樣的工

藝焊接方法。所以，皮帶秤用稱重稱重傳感器從工藝布線上，就要考慮振動(dòng)對(duì)稱重傳感器性能的影

響。

 

2、振動(dòng)對(duì)稱重傳感器性能的影響

 

超載靜壓、脈動(dòng)疲勞，是消除稱重傳感器內(nèi)應(yīng)力的有效方法。以脈動(dòng)疲勞的方法效果更佳。所

以，皮帶秤的連續(xù)運(yùn)行所產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)，無(wú)形中消除了稱重傳感器的初始內(nèi)應(yīng)力，使稱重傳感器

渡過(guò)初始不平衡期，而進(jìn)入到穩(wěn)定工作期。稱重傳感器的耐久性，在GB/T 7551-87《電阻應(yīng)變稱重

傳感器》中，有加速壽命試驗(yàn)與此相近。規(guī)定在稱重傳感器上施加30%~80%的額定載荷，每1min

加載5～200次，用100000次循環(huán)的脈動(dòng)載荷進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，頻率相當(dāng)于：0.08～3.33Hz。此時(shí)要

求稱重傳感器的零點(diǎn)、靈敏度不能超差。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，對(duì)0.02級(jí)的稱重傳感器，靈敏度不穩(wěn)定的衡量

是：在6個(gè)月中，變化量小于0.04%。濟(jì)南金鐘電子衡器股份有限公司早在90年代末期，曾經(jīng)委

 

托山東工業(yè)大學(xué)做過(guò)合金鋼傳感器的疲勞試驗(yàn)，當(dāng)時(shí)也是考慮用在配料皮帶秤上。考慮到皮帶秤運(yùn)

 

 

行速度、振動(dòng)頻率的特殊性，將頻率定位5Hz。現(xiàn)將試驗(yàn)情況列表如下：

 

表2 稱重傳感器疲勞試驗(yàn)

 

序號(hào)

 

性能指標(biāo)

 

試驗(yàn)前

 

50萬(wàn)次試驗(yàn)后

 

100萬(wàn)次試驗(yàn)后

 

150萬(wàn)次試驗(yàn)后

 

單位

 

1

 

非線性

 

-0.016

 

-0.017

 

-0.018

 

-0.017

 

%F.S

 

2

 

靈敏度

 

2.000987

 

2.001413

 

2.001477

 

2.001523

 

mV/V

 

3

 

蠕變

 

0.011

 

0.007

 

0.007

 

0.010

 

%F.S/20min

 

4

 

滯后

 

0.021

 

0.026

 

0.024

 

0.026

 

%F.S

 

5

 

重復(fù)性

 

0.002

 

0.005

 

0.001

 

0.005

 

%F.S

 

6

 

蠕變恢復(fù)

 

-0.007

 

-0.006

 

-0.008

 

-0.008

 

%F.S/20min

 

7

 

輸入電阻

 

437.92

 

438.56

 

437.80

 

437.66

 

Ω

 

8

 

輸出電阻

 

352.68

 

352.33

 

352.30

 

352.66

 

Ω

 

9

 

零點(diǎn)

 

0.038

 

0.043

 

0.045

 

0.048

 

mV

 

 

 

試驗(yàn)條件如下：

 

稱重傳感器：S型，2t；靈敏度：2mV/V；材質(zhì)：40CrNiMoA合金鋼。

 

設(shè)備：Instron8502型電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)施加載荷循環(huán)，動(dòng)態(tài)載荷精度不低于0.005%，循環(huán)

載荷最大值：Pmax＝1.6t，循環(huán)載荷最小值：Pmin＝0t；載荷量80%（也可以根據(jù)應(yīng)變量來(lái)設(shè)定最

大變形量），循環(huán)頻率f＝5Hz；15V直流穩(wěn)壓電源；FLUK8505A數(shù)字電壓表。前50萬(wàn)次每一萬(wàn)次

循環(huán)記錄一次零點(diǎn)示值，后100萬(wàn)次，每50萬(wàn)次記錄一次零點(diǎn)示值。

 

由上表可以看出，靈敏度的變化在0.00027（萬(wàn)分之二點(diǎn)七）左右。其余性能變化不大。蠕變

變小的原因是因?yàn)榉Q重傳感器受到長(zhǎng)時(shí)間的脈動(dòng)疲勞，消除了應(yīng)力影響，材料的強(qiáng)度提高的結(jié)果。

 

3、結(jié)論

 

通過(guò)表1和表2可知，當(dāng)皮帶秤受到150萬(wàn)次的循環(huán)疲勞時(shí)，其對(duì)應(yīng)的皮帶秤工作時(shí)間：帶速

0.8～2.5m/s的為176～57小時(shí)；帶速0.8～3.15m/s的為176～45小時(shí)；帶速1～5m/s的為141～28

小時(shí)，所以從靈敏度降低這一方面考慮，皮帶秤在工作一段時(shí)間后，應(yīng)該進(jìn)行量程校正。隨著工作

時(shí)間的延長(zhǎng)，稱重傳感器的穩(wěn)定性會(huì)增強(qiáng)，校正時(shí)間間隔可以增加。

 

五、結(jié)束語(yǔ)

 

本文只是分析了皮帶輸送機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，由于托輥受潮、粘附污物、灰塵而造成托輥直徑不均，

 

在皮帶機(jī)運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生振動(dòng)對(duì)稱重傳感器性能的影響。并用試驗(yàn)數(shù)據(jù)證明：皮帶秤長(zhǎng)期工作時(shí)，

稱重傳感器的性能變化不大，而稱重傳感器的靈敏度會(huì)發(fā)生變化，變化量在0.027％左右。所以皮

帶秤使用一段時(shí)間后，應(yīng)進(jìn)行校準(zhǔn)。皮帶秤的長(zhǎng)期穩(wěn)定性問(wèn)題，受到多種因素的影響，稱重傳感器

是其中之一。需要關(guān)心此事的同仁們共同努力，才能夠在技術(shù)上有所突破。