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基于电子汽车衡秤台的设计研究
时间:2019/9/18 15:33:20 点击次数:192

基于电子汽车衡秤台的设计研究:

水泥仓下的空间非常有限,以分段式秤台组合而成的全电子式汽车衡成为水泥企业的选择。内部结构采用U型钢对秤台面板的支撑筋板数量,相对槽钢秤台增加了75%,当面板承载时,原来局部由1根筋板支撑的面板变成了1.75根,筋板对面板的有效支撑面积扩大了75%,这样水泥罐车后轴每个双胎承压面板下的支撑筋板至少有3根,使面板局部承压能力明显提高。采用科学方法确定主梁型材、面板厚度以及对组建好的模型进行有限元分析,可确保汽车衡的效费比。

0引言

国外许多水泥厂项目都在水泥仓下配置了汽车衡这一称重设备以称量其水泥罐车的重量,再把由汽车衡获得的重量信号传给水泥灌装系统以达到控制汽车灌装量的目的。由汽车衡及灌装设备共同组成水泥仓下的槽车灌装系统,在此系统中,由于汽车衡秤体部分属于体积、重量较大的结构组件,又是车辆的主承载体,需要专用机具进行吊装的,但水泥仓下的空间非常有限,一旦汽车衡的秤体部分在现场发生损坏则非常不易更换和维护。本文结合在多个项目中的实际情况,对汽车衡秤台的设计进行论述,试图从适应性设计角度对该设备进行分析。

1秤台的组合方式

目前汽车衡多为全电子式汽车衡,采用电阻应变片式传感器获取重量值,以分段式秤台组合方式替代了原来的机械式整体秤台。分段式模块秤台的组合方式在极大程度上避免了机械整体秤台因重量大、自变形量大而引起较大的计量误差。电子式汽车衡秤台下部支点增多,模块单元的有效支撑长度缩短,秤体厚度大幅降低就可以达到衡器的许用单位挠度要求。这样的模块组合方式既能降低整体秤台因自重产生的内部变形因素影响,又能削弱因外部温度变化对秤体产生的外部变形因素影响,这也是电子汽车衡与机械汽车衡相比的一个明显优势。因为电子汽车衡秤台具备了模块化组合这样的特点,所以它的安装及调试相对于机械汽车衡更加简易和方便,秤台对整秤的精度影响更小,调校周期也更长,使用稳定性更好,秤台的制造材料也更加节省,更方便运输和安装。

高质量的电子汽车衡秤台应是在相同规格的秤台单元间可具互换性的,且秤台间的搭接完全应是自由搭接,而不再需要螺栓等刚性措施辅助联接,这样也才能充分发挥电子汽车衡的特点和优势,这一点也是优质电子汽车衡秤台必须具备的一个基本要素。秤台在相同规格条件下的互换性要求其实对大多数衡器制造厂商都是一个挑战,这要求制造厂要具备极强的工序间质量控制能力,有相当的产品制造规模和完整的内部工序纠错体系,能进行流水线生产,把秤台上的各种部件做成标准件进行统一组装,而不是对某种规格的秤体进行直线式一体化制造,采用这种直线式制造的秤台在相同规格条件下肯定是不能进行互换的,因为这样生产出来的秤台单元只是一个独立的产品,而不是标准件式的模块。模块拼装式结构则完全不同,首先模块的制造来自多条并行生产线,最后把按既定工艺条件生产的各个模块整体组装到一起,形成一个有条不紊的并行制造工艺体系,这种生产模式适用于大规模量产,还可以保证出厂产品质量的稳定性和产品可追溯性。

而直线式制造只是串行生产由始至终的一个过程,这种生产模式实质上还处于工业化制造的初级阶段,虽然也可以生产出较大数量的产品,但整个生产过程显得非常无序,既不便保证整体产品的质量稳定,也不能实现出厂产品的可追溯性,当然也更不能做到相同规格条件下的秤台互换。从大量的现场使用中得出的结论是一台汽车衡的多个秤台不会同时损坏(除非是选购到了质量非常恶劣的产品),那么当其中一个秤台损坏时,只需要更换那个损坏的秤台就可以了,而不必消耗更多的费用更换整秤。所以,在初期选择汽车衡的时候总体价格固然重要,但还是得综合评估和计算效费比。另外,关于一个秤台单元的工作长度,目前接触到的各生产商也不尽相同,以3.4m×21m、80t汽车衡为例,有的厂商做成3节,有的做成4节。就大量现场使用情况分析,4节组合的使用寿命更长,从简支梁受力的角度分析,支点间距越小,综合受力状况越好,秤体也越轻巧,不足是要增加2只传感器,这对于可自制传感器的厂商并不是问题,但对于传感器需要外购的厂商则增加了成本和维护压力,选择低性能传感器保证不了汽车衡使用寿命,选择高性能传感器又无法控制制造成本。但对使用者而言,选择能统一制造设备元器件的厂商,因为这样无论从使用还是维护角度分析,性价比都是最高的。

2秤台的内部结构

现在有许多使用者在选择汽车衡的时候还会考虑到生产商提供的秤台重量,并把这个数据作为一个招标的要求。结合实际使用分析,秤台确实需要一定的重量以维持作业稳定性,但并不是越重越好,因为从计量的角度来看,需要的效果是合适的量程和皮重配合,如果一台80t的秤在计量范围以外就要承受70t的非计量结构件重量,而需要称量的物体只有1t的话,那么最后的计量结果将非常不准确。

随着各种加工方式的不断改进,制造设备的不断更新,设计理念的不断优化,现在优秀的汽车衡秤体已经非常成熟地引入了桥梁设计理论,其实这两者是有共性的,桥梁的作用也是承重,把秤台两端的传感器简化为桥墩,秤台也就成为了一个简易桥梁,桥墩中间的桥梁是由中空的U型钢混结构梁组成的一个正交各向异性结构平台,这种结构一般用于大跨度桥梁,其自身同时具备高负载和跨度重量轻的特点,同理,秤台结构的演化方向也是如此,在充分保证计量精度所要求的单位挠度前提下,尽量降低自身重量,确保秤台整体刚性和局部强度也就成为了各衡器制造商追逐的目标。但要兼顾这些并不容易,除了需要制造商配置特殊加工设备外,更需要制造商要有与之相匹配的设计能力。

这些特殊设备的购置需要占用大量流动资金,这对制造商的产业规模是一个考验,而设计能力则要求制造商具备深厚的行业开发经验和人力资源储备。秤台实际上比采用了8根槽钢主梁的秤台在秤台横向上的支撑筋板增加了6根,由于槽钢上下翼板的宽度与秤台宽度相比是非常有限的,对于秤台面板的支撑只能等效成一块比钢板略厚的支撑筋板,当罐车或车辆车轮辗压到槽钢秤台上时,车轮与秤台面板的接触为一个面,因受槽钢截面特性限制,车轮与秤台横向接触的大部分面板下部是没有支撑筋板的,当车轮内压较大时,这个问题更加突出,因为秤台面板的局部压强会因车轮与面板的接触面积减小而增大,在这种情况下,秤台面板再厚也无法在没有下部筋板支撑的工况中长期坚持,对面板进行局部修复的诸多方法最后的效果都不好,主要原因是面板母材在使用中产生的内应力制约了施焊修补效果。再来分析U型钢对秤台面板的支撑,因为面板下部的支撑筋板数量相对槽钢秤台增加了75%,当面板承载时,原来局部由1根筋板支撑的面板变成了1.75根,筋板对面板的有效支撑面积扩大了75%,这样水泥罐车后轴每个双胎承压面板下的支撑筋板至少有3根(8根槽钢主梁的秤台只有2根,如果布局不合理,2根都达不到),使面板局部承压能力明显提高,这种结构是桥梁建造工艺在秤台设计中的一个典型应用。

再来看秤台整体刚性的问题,秤台沿行车方向的长度与两端的传感器支点可在二维平面的挠度线计算中被简化为一个简支梁进行,其惯性矩参数取自秤台横截面计算的结果,通过这两步计算可以确立定长秤台所需要的高度(秤台厚度)范围。材料力学的平面计算只是一个初步估算,它可以选定主梁型材的高度,但不能直接确定面板的厚度和模拟水泥罐车轴载的变化范围,计算时初选的轴载参数来自车辆的设计数据表和现场实测数据,这就对制造商的行业开发经验和设计人员提出了较高要求,使用者在选择制造商的时候要求他们提供这些初始计算数据应该是个不错的选择。

3秤台的定型

上述提到的秤台主梁型材的设计确定,可以通过手工计算的方法得到,也可以使用AutoCADMechanical软件更快地得到(图5为计算截图)。主梁型材确定后,接下来须确定秤台的面板厚度。先根据罐车的最大设计轴重设定一个面板的厚度,与已选好的主梁型材进行组合,将组建好的模型进行有限元分析,ANSYS是一款不错的三维仿真分析软件,可以模拟罐车轴载的变化范围及不同载荷对秤台的影响,用它提供的结构动力学分析类型来分析秤台的单位挠度、最大应力值、承压及联接构件强度等指标,再用得出的结果比对初始设计目标要求,对不满足或超出指标参数的部分要进行修正。

通过上述设计分析,经过修正的秤台结构设计已经成形,可以直接进入定型制造流程。但现场很多时候工况是复杂的,而且制造出来的产品也需要进一步检验其制作工艺质量,在这样的情况下需要一台疲劳试验机来对秤台进行耐久性检测,目的是为了更加准确地掌握秤台最贴近真实工况时的使用寿命。类似的工厂内检测看似多余,其实不然,这正好从一个侧面反馈出一个制造商对待其产品的态度,选择其产品自然也能得到更多的优质回报。疲劳试验主要是利用试验机上的液压头模拟车轮反复对秤台不同部位加载,加载力参照车辆实际的最大轮载重量,液压头的压力值可调,目前已有制造商做到了加载百万次以上而秤台不发生损坏,这就从实用角度验证了设计的可靠性。

4结束语

汽车衡秤台是该计量设备的三大主要部件之一,又时刻处于最恶劣的工作环境中,因此它的耐受性非常关键,只有在设计中尽量多地考虑实际使用状况,积累更多现场经验,争取创造条件做更多的厂内分析测试,最终出厂的产品才能胜任不同使用者的工作需求。

基于电子汽车衡秤台的设计研究

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