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皮帶秤自上世紀(jì)八十年代以來，經(jīng)歷了初期的快速發(fā)展，得到了普遍的應(yīng)用。但與其它衡器如：汽車衡、軌道衡等相比，在準(zhǔn)確度上仍存在明顯的差距；更重要的是皮帶秤的耐久性能存在明顯的缺陷，而這一缺陷正是制約皮帶秤進(jìn)一步發(fā)展的最大障礙。本文擬從基本誤差理論分析入手，結(jié)合筆者大量的試驗結(jié)果，分析造成皮帶秤準(zhǔn)確度誤差與耐久性缺失的根本原因。

一、傳統(tǒng)的誤差理論

傳統(tǒng)的皮帶秤誤差公式如下式：

E_相＝±2KdT/qa² —單托輥誤差公式

E_相＝±2KdT/nqa² —多托輥誤差公式

式中：E_相 — 相對誤差；

K — 皮帶特性系數(shù)；

d — 荷重下稱重托輥的垂直位移；

T — 作用于稱量段的皮帶張力；

q — 皮帶單位長度上的物料荷重；

a — 托輥問距；

n — 稱重托輥組數(shù)

為簡化起見，取托輥間距a＝1m，將上述單托輥誤差公式作如下簡化：

E_相＝±2KdT/q=△/q 公式中：

△＝±2KdT

作單托輥皮帶秤的受力分析圖如圖1。

從受力分析圖中可見，誤差的原因是皮帶張力T向上托起（或向下壓）物料，因此產(chǎn)生的托起（下壓）力即為誤差，數(shù)值為2TSinα，而由圖1明顯可見： 第十一屆稱重技術(shù)研討2 稱重科技

通過對誤差公式中的幾個影響因子進(jìn)行分析，可對皮帶秤基本誤差理論得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）皮帶張力T是一個重要因素，T值大小直接決定了誤差的大小。由于皮帶張力是皮帶運(yùn)輸?shù)幕�本屬性�?/SPAN>T的存在不可回避。T值即使穩(wěn)定不變，其對誤差的影響仍存在，而T值的大小變化則可能引起皮帶秤誤差的變化，這一現(xiàn)象影響皮帶秤的耐久性。

圖1

（2）d是稱重托輥荷重下沉值，從上圖可見：d/T＝Sinα。

造成d值變化的因素有傳感器荷重下沉，秤體的荷重變形等。顯然這是皮帶秤設(shè)備本身所造成的，也是皮帶秤制造廠能加以改進(jìn)的主要方向。

問題是這一變形是和物料載荷相對應(yīng)的、多數(shù)情況下有著較好的重復(fù)性，顯然與皮帶秤耐久性差，誤差變化很大的現(xiàn)象并不吻合，顯然不是造成皮帶秤耐久性差的主要原因。

（3）K為皮帶特性系數(shù)，是一個與“托輥間距、皮帶彈性、皮帶截面形狀和皮帶張力相關(guān)的函數(shù)，K值大，皮帶的剛度就越大”。這是一個頗為神秘的函數(shù)、難以捉摸。一直以來為大家公認(rèn)、但無法量化的神秘變量。迄今為止，尚無對它的定性描述，更不用說消除它的影響了。

在上述背景下，多年以來，人們解決皮帶秤耐久性能差、提高皮帶秤準(zhǔn)確度只能在以下二個方向作出努力：

（1）提高秤體與稱重傳感器的剛度，降低其在荷重時的下沉量。因而，皮帶秤秤架的剛度歷來是皮帶秤制造廠最為重視的方向。追求皮帶秤架剛度的結(jié)果，使得皮帶秤十分笨重，給制造、安裝與維護(hù)帶來了極大的麻煩、也帶來了新的誤差。 第十一屆稱重技術(shù)3 自 動 衡 器 篇

（2）提高稱重托輥的制造、安裝精細(xì)度。如托輥的徑向跳動指標(biāo)由0.2mm提高到0.1mm，稱量段安裝的共面性要求提高到0.5mm或更高，因而出現(xiàn)了采用進(jìn)口軸承制造、安裝調(diào)試時使用激光準(zhǔn)直儀或光學(xué)瞄準(zhǔn)鏡進(jìn)行校準(zhǔn)的措施，以圖解決皮帶秤的準(zhǔn)確度問題。

幾十年來，皮帶秤廠家在上述方面的可謂殫精竭慮，可皮帶秤的準(zhǔn)確度仍停滯不前、耐久性能上更是問題多多。原因何在？在經(jīng)歷了長達(dá)幾十年的努力而成效甚微的情況下，該是仔細(xì)分析和反思皮帶秤基本技術(shù)方向的時候了。

二、皮帶秤誤差影響因素分析

1、稱量段荷重下沉是耐久性影響因素嗎?

在前述皮帶秤誤差理論分析三個影響因素中：皮帶張力T是皮帶機(jī)的基本屬性，我們無法改變；皮帶特性系數(shù)K又不可知，當(dāng)然也談不上消除其影響；人們能做的只有在稱量段荷重下沉上做文章了，所以一直以來提高皮帶秤精度和耐久性能的措施只能是圍繞它進(jìn)行。

筆者設(shè)計過各種型式的皮帶秤秤架，在剛度方面考慮得十分仔細(xì)。從理論計算到實測的數(shù)據(jù)看，大部分秤體的中心點(diǎn)荷重下沉量均≤0.5mm，按照前述的誤差公式計算，這一變形量對于皮帶秤誤差的影響量≤0.02%，基本可以忽略。而且，經(jīng)過一段時間得運(yùn)行后，重新測量，這一下沉量值基本不變。因此可以確定：在排除了結(jié)構(gòu)明顯缺陷后，秤體的荷重下沉量是基本穩(wěn)定的、其造成的誤差理也是很小的。而皮帶秤的耐久性誤差常常高達(dá)1%以上，顯然荷重下沉不是皮帶秤產(chǎn)生誤差的主要因素。

2、皮帶張力的影響有多大?

4 稱重科技

過改變皮帶的張緊力大小來檢測該試驗裝置的準(zhǔn)確性，同時對此時的皮帶秤的稱重誤差進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)以下幾點(diǎn)現(xiàn)象：

a）該測試方法基本準(zhǔn)確。在一點(diǎn)檢測皮帶張力，當(dāng)改變皮帶張緊力后（通過施加于皮帶機(jī)張緊重錘的水箱重量改變），所測得的張力亦變化，其變化量與水箱重量的變化基本相當(dāng)，說明了這種方法的基本原理是正確的。

b）在兩次重復(fù)試驗中，皮帶張力的數(shù)值及變化量基本相同。也就是說，皮帶張力的狀態(tài)與變化是重復(fù)的。

c）在相同的皮帶張力作用下，兩次相同的試驗，誤差可能不同，存在不同步現(xiàn)象。

在上述皮帶張力可以準(zhǔn)確測得的情況下，怎么應(yīng)用這一皮帶張力、在基本誤差公式中如何處理?顯然，到目前為止尚沒有明確的用法。

（2）皮帶張力的構(gòu)成

作用于稱量段的皮帶張力由以下幾部分力組成：

a）皮帶張緊力

這部分力就是張緊裝置產(chǎn)生的力，在重錘式張緊皮帶機(jī)中為重錘的重量值，這個力是固定的、可知的。

b）皮帶機(jī)系統(tǒng)的阻力

這部分力由皮帶機(jī)系統(tǒng)摩擦力組成，主要由各托輥的轉(zhuǎn)動阻力形成。相對較小且較穩(wěn)定，在一段時間內(nèi)，這一數(shù)值也基本穩(wěn)定，但測量這部分力有困難。

c）物料形成的阻力

由于皮帶在物料作用下產(chǎn)生下垂，所以在皮帶向前運(yùn)動時，會產(chǎn)生一定的阻力，這部分力隨物料多少而變化，是影響皮帶張力恒定的主要因素。同時由于物料對托輥的壓力導(dǎo)致軸承的阻力增加；皮帶機(jī)有向上傾角時物料提升所需的張力就大等因素，使得此時的皮帶張力變化較大。當(dāng)皮帶秤安裝靠近頭輪時，這一影響會更大。

為了測試這一阻力數(shù)值，我們采用了如圖3所示的測試方法：

5 自 動 衡 器 篇

該方法將一組托輥安裝在一轉(zhuǎn)軸上，安裝一傳感器檢測物料運(yùn)行時產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)力矩，從而推算出該組托輥運(yùn)行方向上產(chǎn)生的阻力。表1為筆者在“QPS皮帶秤試驗中心”4號皮帶機(jī)上試驗的數(shù)據(jù)：

通過以上裝置與試驗數(shù)據(jù)表明：

A. 托輥組的阻力與流量大致成線性關(guān)系，即流量大，阻力同步增大。

B. 處于皮帶機(jī)前部的托輥組水平阻力較小，這與該處皮帶張力較大，皮帶垂度較小，物料運(yùn)行時產(chǎn)生的水平阻力也較小有關(guān)。

C. 同樣結(jié)構(gòu)的托輥組測試，二此測試的數(shù)據(jù)會有一定差距。其中有可能是試驗的精確度影響，也有可能是該二組托輥本身差異所致。

顯然，上述每一組托輥都會產(chǎn)生新增的阻力，而任一點(diǎn)皮帶的張力數(shù)值是其后面所有托輥新增阻力之和，所以，皮帶秤越往前裝，皮帶張力的影響就越大。 <, /P>

在對上述皮帶張力影響分析后我們發(fā)現(xiàn)：張力構(gòu)成中，前二種基本固定，物料產(chǎn)生的阻力則與流量大致成正比，即也是相對固定的、其對皮帶秤耐久性的影響也就很小。因此我們可以認(rèn)為：皮帶張力也并不是皮帶秤耐久性差的主要影響因素。

3、皮帶狀態(tài)的影響

在流量大致接近的兩次檢定中，皮帶張力的變化其實是很小的。前面分析過，稱量段的荷重下沉量也可以認(rèn)為基本不變，但標(biāo)定結(jié)果則可能變化較大，尤其是這二次標(biāo)定是在一定時間間隔后進(jìn)行時，這種變化尤為明顯。因此可以確定，另外還存在著影響皮帶秤耐久性的重要因素。

在此我們重點(diǎn)研究第三個影響因素：皮帶特性系數(shù)K。

二組試驗數(shù)據(jù)的啟示，見圖4、圖5。

表中：橫坐標(biāo)為流量（t/h）、縱坐標(biāo)為誤差（%）

上述試驗是在南京三埃工控股份有限公司“QPS皮帶秤試驗中心”進(jìn)行試驗測得的。無論從試驗順序、流量及料量都十分接近，可以認(rèn)為是兩組完全一樣的實物測試。

第一組試驗的第一次在2011年11月18日進(jìn)行，環(huán)境溫度為攝氏22℃；第二次試驗在2011年11月21日進(jìn)行，恰逢降溫、環(huán)境溫度為攝氏10℃。從兩次試驗的誤差情況看，總體誤差水平接近，但降溫后誤差呈現(xiàn)小流量正向增大，大流量負(fù)向減小的趨勢。

圖5

第二組試驗分別在2011年3月和6月兩次進(jìn)行，也在“QPS皮帶秤試驗中心”進(jìn)行。在三個月完全沒有任何機(jī)械、電氣調(diào)整的情況下，檢定的流量、物料料量、流程均十分接近的情況下，誤差明顯變大、出現(xiàn)了系統(tǒng)漂移。

上述二組試驗數(shù)據(jù)有以下幾個特點(diǎn)：

a）試驗條件十分相近：試驗流量、試驗物料量、操作環(huán)節(jié)等基本相同；

b）被試皮帶秤和皮帶機(jī)均未進(jìn)行人為的機(jī)械、電氣調(diào)整，不存在稱量段荷重下沉量不同、也

(6)自 動 衡 器 篇

不存在皮帶張力變化，可以排除這二個因素的影響。

c）對比試驗的時間不同、溫度不一樣，其影響的只能是皮帶狀態(tài)的變化。

以上二個試驗說明：皮帶狀態(tài)的變化，我們稱之為：皮帶效應(yīng)，明顯地影響皮帶秤稱重的數(shù)據(jù)穩(wěn)定性、即皮帶秤的耐久性。雖然皮帶效應(yīng)，目前還沒有定量的分析公式，甚至是沒有準(zhǔn)確的文字表述，但它確實存在、并且是影響皮帶秤耐久性能的重要的、甚至是主要的因素！

（2）皮帶效應(yīng)對皮帶秤線性度的影響

檢定規(guī)程規(guī)定：皮帶秤進(jìn)行實物檢定時，應(yīng)在20－100%的流量范圍內(nèi)均能滿足允許誤差要求，這是一個頗艱巨的任務(wù)，尤其是高精度皮帶秤，往往是難以完成的任務(wù)。為此，很多皮帶秤常通過軟件修正來實現(xiàn)。

筆者經(jīng)過大量的試驗發(fā)現(xiàn)：皮帶秤的量程線性度曲線并不是一個不變的曲線，而是一個隨著時間變化的曲線，即使在一天中的上午和下午，線性度也會發(fā)生變化。對于低精度要求的皮帶秤而言，這一變化的影響并不大，但對于高精度皮帶秤而言，這個變化是致命的。即使采用通常的軟件來修正，也不能保證線性度誤差不超標(biāo)。

下面我們從以下幾個方面來探討分析產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因：

a）是稱量段荷重下沉引起的嗎？

我們通過靜態(tài)加載試驗發(fā)現(xiàn)，皮帶秤秤架荷重下沉量呈現(xiàn)出很好的線性。這是因為稱重傳感器本身是一個線性變形元件，而秤架多為剛性很好的鋼結(jié)構(gòu)件。在彈性范圍內(nèi)，嚴(yán)格遵守“虎克”定律，不會產(chǎn)生非線性現(xiàn)象。因此，稱量段荷重下沉不是產(chǎn)生線性度誤差的原因。

b）是皮帶張力變化造成的嗎？

不同的流量下皮帶張力當(dāng)然是不同的。但前面已經(jīng)我們已經(jīng)介紹過，皮帶力的增加基本與流量成正比，兩次相同的試驗情況下，皮帶張力的數(shù)值基本是相同的。因此我們認(rèn)為：“皮帶張力的變化造成線性度變化”是說不通的。一臺秤重新安裝一次或者重新調(diào)整稱重托輥上表面的平面度，就會造成線性度的明顯變化：原本上凸的誤差曲線，會變成下凹曲線。類似的現(xiàn)象在我們的試驗中經(jīng)常碰到，充分說明非線性誤差并非是由于皮帶張力變化所引起。

上述分析表明：皮帶秤的誤差發(fā)生的各種變化與稱量段的荷重下沉無關(guān)、也與皮帶張力變化無關(guān)，因此可以把其歸結(jié)于皮帶狀態(tài)造成的影響這種變化，這個現(xiàn)象正是皮帶秤耐久性能差的典型表現(xiàn)。

三、新的皮帶秤誤差公式

在本文開頭提到的皮帶秤誤差公式：

E_相＝±2KdT/qa² — 單托輥皮帶秤誤差公式

E_相＝±2KdT/nqa² — 多托輥皮帶秤誤差公式

公式包括了我們上面分析的三個因素：d、T、K

公式中d和T是變量、K是一個固定的系數(shù)，只有d和T發(fā)生變化時、才會產(chǎn)生誤差。

(7)稱重科技

而在我們上述的分析中，很多時候d和T并沒有發(fā)生變化、誤差卻發(fā)生了變化。這就無法用上述公式來解釋皮帶秤產(chǎn)生誤差的原因了，這一矛盾說明K不是一個衡量、它的影響在上述公式中并沒有表述清楚。

我們試用下述新的誤差公式來分析皮帶秤的誤差：

E_相＝±（2dT＋Kq）/nqa²

在新的誤差公式中，我們將K和q（物料流量）的乘積作為另一個變量進(jìn)行分析。

公式中皮帶特性系數(shù)K是一個獨(dú)立的變量，是一個隨著流量變化的函數(shù)，它和d和T不存在對應(yīng)的關(guān)系，K的影響是單獨(dú)存在的。

四、新的誤差公式的意義

在老的誤差理論公式指導(dǎo)下，皮帶秤技術(shù)發(fā)展了幾十年，鮮有大的突破，特別是耐久性差的問題始終不能解決。說明原有的理論已經(jīng)不能準(zhǔn)確地解釋皮帶秤誤差產(chǎn)生的原因，難以推動皮帶秤技術(shù)的進(jìn)步了。

新的誤差公式把皮帶特性系數(shù)作為單獨(dú)的一個誤差項列出，表達(dá)了除已知的張力T和d兩個影響因素外，還存在著另外一個獨(dú)立的影響因素—皮帶效應(yīng)。

因此提高皮帶秤的精度和耐久性指標(biāo)不能僅依據(jù)傳統(tǒng)的理論在制造和安裝上追求更精、更高、更極致，而應(yīng)認(rèn)真地進(jìn)行探索皮帶效應(yīng)所造成的影響、尋找新的出路。

根據(jù)我們多年來的試驗結(jié)果，筆者認(rèn)為皮帶特性系數(shù)具有以下特性：

1、其與皮帶自身特性，如皮帶厚度、硬度、材質(zhì)等緊密相關(guān)；

2、與皮帶在皮帶機(jī)上截面形狀有密切關(guān)系，如皮帶U型的彎曲程度、托輥組的槽型角度；

3、與溫度緊密相關(guān)，包括環(huán)境溫度和皮帶運(yùn)行后的溫升；

4、與皮帶機(jī)托輥的狀態(tài)緊密相關(guān)，不僅僅是皮帶秤秤架托輥的狀態(tài)，還包括兩端延伸相當(dāng)距離的皮帶機(jī)上托輥組的狀態(tài)；

5、該系數(shù)不是一個固定值，是一個隨上述因素變化的復(fù)雜函數(shù)。無法定量描述并消除其影響，也難以通過采集上述各影響因素推導(dǎo)計算出該函數(shù)值；

6、對于某一條皮帶機(jī)而言，當(dāng)其各項參數(shù)都已確定后，在溫度和工作狀況發(fā)生變化時，該函數(shù)會在一定范圍內(nèi)隨之變化。也就是說，每一條皮帶機(jī)都有一個自已的特定的特性系數(shù)、各不相同。

通過上述描述可以看出，皮帶特性系數(shù)是一個蒙著神秘面紗的、尚未被人們充分認(rèn)識的影響因素。如何破解這一難題、徹底解決皮帶秤的耐久性問題是我們亟待進(jìn)行的任務(wù)。筆者認(rèn)為：首先要打破舊的誤差理論的束縛、正確地認(rèn)識皮帶效應(yīng)及其影響；然后通過一定的實物試驗、找出其變化及影響規(guī)律，編制相應(yīng)的軟件進(jìn)行量化分析、處理、建立每一臺皮帶秤的特定的特性函數(shù)和修正公式，進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償和修正，才能真正的解決皮帶秤耐久性問題。這一工作受皮帶秤工作條件、標(biāo)定手段等限制，存在相當(dāng)大的困難。一些理論上可行的方法，

 (8)自 動衡 器 篇

皮帶秤耐久性問題作為動態(tài)衡器中的老大難問題，許多人為此付出了汗水和艱辛，探索各種理論和解決方法。我們身為其中一員，目標(biāo)是在不遠(yuǎn)的將來，徹底解決皮帶秤耐久性問題，使皮帶秤真正成為：使用免維護(hù)、并能長期地保持0.2%的稱重準(zhǔn)確度的“終極皮帶秤” ！在追尋這個目標(biāo)的道路上，我們已取得了可喜的進(jìn)展，我們還將繼續(xù)努力！