水泥倉下的空間非常有限，以分段式秤臺組合而成的全電子式汽車衡成為水泥企業(yè)的首選。內(nèi) 部結(jié)構(gòu)采用U型鋼對秤臺面板的支撐筋板數(shù)量，相對槽鋼秤臺增加了75%，當(dāng)面板承載時，原來局部由1根筋 板支撐的面板變成了1.75根，筋板對面板的有效支撐面積擴大了75%，這樣水泥罐車后軸每個雙胎承壓面板 下的支撐筋板至少有3根，使面板局部承壓能力明顯提高。采用科學(xué)方法確定主梁型材、面板厚度以及對組 建好的模型進行有限元分析，可確保汽車衡的效費比。

0.引言

國外許多水泥廠項目都在水泥倉下配置了汽 車衡這一稱重設(shè)備以稱量其水泥罐車的重量，再把 由汽車衡獲得的重量信號傳給水泥灌裝系統(tǒng)以達到 控制汽車灌裝量的目的。由汽車衡及灌裝設(shè)備共同 組成水泥倉下的槽車灌裝系統(tǒng)，在此系統(tǒng)中，由于 汽車衡秤體部分屬于體積、重量較大的結(jié)構(gòu)組件， 又是車輛的主承載體，需要專用機具進行吊裝的， 但水泥倉下的空間非常有限，一旦汽車衡的秤體部 分在現(xiàn)場發(fā)生損壞則非常不易更換和維護。本文結(jié) 合在多個項目中的實際情況，對汽車衡秤臺的設(shè)計 進行論述，試圖從適應(yīng)性設(shè)計角度對該設(shè)備進行 分析。

1.秤臺的組合方式

目前汽車衡多為全電子式汽車衡，采用電阻 應(yīng)變片式傳感器獲取重量值，以分段式秤臺組合方 式替代了原來的機械式整體秤臺。分段式模塊秤臺 的組合方式在極大程度上避免了機械整體秤臺因 重量大、自變形量大而引起較大的計量誤差。電子 式汽車衡秤臺下部支點增多，模塊單元的有效支撐 長度縮短，秤體厚度大幅降低就可以達到衡器的許 用單位撓度要求。這樣的模塊組合方式既能降低整 體秤臺因自重產(chǎn)生的內(nèi)部變形因素影響，又能削弱 因外部溫度變化對秤體產(chǎn)生的外部變形因素影響， 這也是電子汽車衡與機械汽車衡相比的一個明顯優(yōu) 勢。

因為電子汽車衡秤臺具備了模塊化組合這樣 的特點，所以它的安裝及調(diào)試相對于機械汽車衡 更加簡易和方便，秤臺對整秤的精度影響更小，調(diào) 校周期也更長，使用穩(wěn)定性更好，秤臺的制造材料 也更加節(jié)省，更方便運輸和安裝。高質(zhì)量的電子汽 車衡秤臺應(yīng)是在相同規(guī)格的秤臺單元間可具互換性 的，且秤臺間的搭接完全應(yīng)是自由搭接，而不再需 要螺栓等剛性措施輔助聯(lián)接，這樣也才能充分發(fā)揮 電子汽車衡的特點和優(yōu)勢，這一點也是優(yōu)質(zhì)電子汽 車衡秤臺必須具備的一個基本要素。

秤臺在相同規(guī)格條件下的互換性要求其實對 大多數(shù)衡器制造廠商都是一個挑戰(zhàn)，這要求制造 廠要具備極強的工序間質(zhì)量控制能力，有相當(dāng)?shù)漠a(chǎn) 品制造規(guī)模和完整的內(nèi)部工序糾錯體系，最好是能 進行流水線生產(chǎn)，把秤臺上的各種部件做成標(biāo)準(zhǔn)件 進行統(tǒng)一組裝，而不是對某種規(guī)格的秤體進行直線 式一體化制造，采用這種直線式制造的秤臺在相同 規(guī)格條件下肯定是不能進行互換的，因為這樣生產(chǎn) 出來的秤臺單元只是一個獨立的唯一產(chǎn)品，而不是 標(biāo)準(zhǔn)件式的模塊。模塊拼裝式結(jié)構(gòu)則完全不同，首 先模塊的制造來自多條并行生產(chǎn)線，最后把按既定 工藝條件生產(chǎn)的各個模塊整體組裝到一起，形成一 個有條不紊的并行制造工藝體系，這種生產(chǎn)模式適 用于大規(guī)模量產(chǎn)，還可以保證出廠產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定 性和產(chǎn)品可追溯性。而直線式制造只是串行生產(chǎn)由 始至終的一個過程，這種生產(chǎn)模式實質(zhì)上還處于工業(yè)化制造的初級階段，雖然也可以生產(chǎn)出較大數(shù)量 的產(chǎn)品，但整個生產(chǎn)過程顯得非常無序，既不便保證 整體產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定，也不能實現(xiàn)出廠產(chǎn)品的可追溯 性，當(dāng)然也更不能做到相同規(guī)格條件下的秤臺互換。

從大量的現(xiàn)場使用中得出的結(jié)論是一臺汽車 衡的多個秤臺不會同時損壞（除非是選購到了質(zhì)量 非常惡劣的產(chǎn)品），那么當(dāng)其中一個秤臺損壞時， 只需要更換那個損壞的秤臺就可以了，而不必消耗 更多的費用更換整秤。所以，在初期選擇汽車衡的 時候總體價格固然重要，但還是得綜合評估和計算 效費比。

另外，關(guān)于一個秤臺單元的工作長度，目前 接觸到的各生產(chǎn)商也不盡相同，以3.4 mx21 m、 80 t汽車衡為例，有的廠商做成3節(jié)，有的做成4 節(jié)。就大量現(xiàn)場使用情況分析，4節(jié)組合的使用壽 命更長，從簡支梁受力的角度分析，支點間距越 小，綜合受力狀況越好，秤體也越輕巧，唯一不足 是要增加2只傳感器，這對于可自制傳感器的廠商 并不是問題，但對于傳感器需要外購的廠商則增加 了成本和維護壓力，選擇低性能傳感器保證不了汽 車衡使用壽命，選擇高性能傳感器又無法控制制造 成本。但對使用者而言，最好選擇能統(tǒng)一制造設(shè)備 元器件的廠商，因為這樣無論從使用還是維護角度 分析，性價比都是最高的。

2.秤臺的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

現(xiàn)在有許多使用者在選擇汽車衡的時候還會 考慮到生產(chǎn)商提供的秤臺重量，并把這個數(shù)據(jù)作為 一個招標(biāo)的要求。結(jié)合實際使用分析，秤臺確實需 要一定的重量以維持作業(yè)穩(wěn)定性，但并不是越重越 好，因為從計量的角度來看，需要的最佳效果是合 適的量程和皮重配合，如果一臺80 t的秤在計量范 圍以外就要承受70 t的非計量結(jié)構(gòu)件重量，而需要 稱量的物體只有1 t的話，那么最后的計量結(jié)果將非 常不準(zhǔn)確。

隨著各種加工方式的不斷改進，制造設(shè)備的 不斷更新，設(shè)計理念的不斷優(yōu)化，現(xiàn)在優(yōu)秀的汽車 衡秤體已經(jīng)非常成熟地引人了橋梁設(shè)計理論，其實 這兩者是有共性的，橋梁的作用也是承重，把秤臺 兩端的傳感器簡化為橋墩，秤臺也就成為了一個簡 易橋梁，橋墩中間的橋梁是由中空的U型鋼混結(jié)構(gòu) 梁組成的一個正交各向異性結(jié)構(gòu)平臺，這種結(jié)構(gòu)一 般用于大跨度橋梁，其自身同時具備高負載和跨度 重量輕的特點，同理，秤臺結(jié)構(gòu)的演化方向也是如 此，在充分保證計量精度所要求的單位撓度前提 下，盡量降低自身重量，確保秤臺整體剛性和局部 強度也就成為了各衡器制造商追逐的目標(biāo)。但要兼 顧這些并不容易，除了需要制造商配置特殊加工 設(shè)備外，更需要制造商要有與之相匹配的設(shè)計能 力。這些特殊設(shè)備的購置需要占用大量流動資金，這 對制造商的產(chǎn)業(yè)規(guī)模是一個考驗，而設(shè)計能力則要求 制造商具備深厚的行業(yè)開發(fā)經(jīng)驗和人力資源儲備。

從圖1、圖2可以分析，采用了7根U型主梁的

秤臺實際上比采用了8根槽鋼主梁的秤臺在秤臺橫 向上的支撐筋板增加了6根，由于槽鋼上下翼板的 寬度與秤臺寬度相比是非常有限的，對于秤臺面板 的支撐只能等效成一塊比鋼板略厚的支撐筋板，當(dāng) 圖3、圖4所示的罐車或車輛車輪輾壓到槽鋼秤臺上 時，車輪與秤臺面板的接觸為一個面，因受槽鋼截面特性限制，車輪與秤臺橫向接觸的大部分面板下 部是沒有支撐筋板的，當(dāng)車輪內(nèi)壓較大時，這個問 題更加突出，因為秤臺面板的局部壓強會因車輪與 面板的接觸面積減小而增大，在這種情況下，秤臺 面板再厚也無法在沒有下部筋板支撐的工況中長期 堅持，對面板進行局部修復(fù)的諸多方法最后的效果 都不好，主要原因是面板母材在使用中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力制約了施焊修補效果。

再來分析U型鋼對秤臺面板的支撐，因為面板 下部的支撐筋板數(shù)量相對槽鋼秤臺增加了75%，當(dāng)面板承載時，原來局部由1根筋板支撐的面板變 成了1.75根，筋板對面板的有效支撐面積擴大了 75%，這樣水泥罐車后軸每個雙胎承壓面板下的支 撐筋板至少有3根（8根槽鋼主梁的秤臺只有2根， 如果布局不合理，2根都達不到），使面板局部承 壓能力明顯提高，這種結(jié)構(gòu)是橋梁建造工藝在秤臺 設(shè)計中的一個典型應(yīng)用。

再來看秤臺整體剛性的問題，秤臺沿行車方 向的長度與兩端的傳感器支點可在二維平面的撓度 線計算中被簡化為一個簡支梁進行，其慣性矩參數(shù) 取自秤臺橫截面計算的結(jié)果，通過這兩步計算可 以確立定長秤臺所需要的高度（秤臺厚度）范圍。 材料力學(xué)的平面計算只是一個初步估算，它可以選 定主梁型材的高度，但不能直接確定面板的厚度和 模擬水泥罐車軸載的變化范圍，計算時初選的軸載 參數(shù)來自車輛的設(shè)計數(shù)據(jù)表和現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，這就 對制造商的行業(yè)開發(fā)經(jīng)驗和設(shè)計人員提出了較高要 求，使用者在選擇制造商的時候要求他們提供這些 初始計算數(shù)據(jù)應(yīng)該是個不錯的選擇。

3.秤臺的定型

上述提到的秤臺主梁型材的設(shè)計確定，可以 通過手工計算的方法得到，也可以使用AutoCAD Mechanical軟件更快地得到（圖5為計算截圖）。

主梁型材確定后，接下來須確定秤臺的面板 厚度。先根據(jù)罐車的最大設(shè)計軸重設(shè)定一個面板的 厚度，與已選好的主梁型材進行組合，將組建好的 模型進行有限元分析，ANSYS是一款不錯的三維仿 真分析軟件，可以模擬罐車軸載的變化范圍及不同 載荷對秤臺的影響（圖6)，用它提供的結(jié)構(gòu)動力

學(xué)分析類型來分析秤臺的單位撓度、最大應(yīng)力值、 承壓及聯(lián)接構(gòu)件強度等指標(biāo)，再用得出的結(jié)果比對 初始設(shè)計目標(biāo)要求，對不滿足或超出指標(biāo)參數(shù)的部 分要進行修正。

通過上述設(shè)計分析，經(jīng)過修正的秤臺結(jié)構(gòu)設(shè) 計已經(jīng)成形，可以直接進人定型制造流程。但現(xiàn)場 很多時候工況是復(fù)雜的，而且制造出來的產(chǎn)品也需要 進一步檢驗其制作工藝質(zhì)量，在這樣的情況下需要一 臺疲勞試驗機來對秤臺進行耐久性檢測，目的是為了 更加準(zhǔn)確地掌握秤臺最貼近真實工況時的使用壽命。 類似的工廠內(nèi)檢測看似多余，其實不然，這正好從一 個側(cè)面反饋出一個制造商對待其產(chǎn)品的態(tài)度，選擇其 產(chǎn)品自然也能得到更多的優(yōu)質(zhì)回報。

疲勞試驗主要是利用試驗機上的液壓頭模擬 車輪反復(fù)對秤臺不同部位加載，加載力參照車輛 實際的最大輪載重量，液壓頭的壓力值可調(diào)，目前 已有制造商做到了加載百萬次以上而秤臺不發(fā)生損 壞，這就從實用角度驗證了設(shè)計的可靠性。

4.結(jié)束語

汽車衡秤臺是該計量設(shè)備的三大主要部件之 一，又時刻處于最惡劣的工作環(huán)境中，因此它的耐 受性非常關(guān)鍵，只有在設(shè)計中盡量多地考慮實際使 用狀況，積累更多現(xiàn)場經(jīng)驗，爭取創(chuàng)造條件做更多 的廠內(nèi)分析測試，最終出廠的產(chǎn)品才能勝任不同使 用者的工作需求。