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—— 試論科學思維與行為方式對研發(fā)陣列式皮帶秤的作用

科學的思維方式和科學的行為方式，是科學技術取得實質(zhì)性進步的保障。郭沫若曾說:“既異想天開，又實事求是”是科技工作者特有的風格。因為,“科學是講求實際的。科學是老老實實的學問，來不得半點虛假，需要付出艱巨的勞動。同時，科學也需要研發(fā)，需要幻想，有幻想才能打破傳統(tǒng)的束縛，才能發(fā)展科學。”“深究現(xiàn)狀、勇于創(chuàng)造、嚴謹驗證”是科學的思維行為方式，也是每一位成功者必需的基本素質(zhì)。只有對現(xiàn)有技術有了深入研究，對其現(xiàn)狀乃至歷史中所顯示和隱含的優(yōu)點以及缺陷與不足十分熟悉，才會有改進的意愿與設想；只有大膽突破現(xiàn)有技術所依托的理論依據(jù)，才能構(gòu)思出新穎的技術方案；只有對新方案進行全方位的嚴格測試，不厭其煩地仔細驗證，才能使所研造的技術經(jīng)得起推敲，能在實際中發(fā)揮前所未有的進步作用。

1. 對現(xiàn)有技術的深入探究催生了新型皮帶秤的研發(fā)

1.1 皮帶秤的推廣應用為何困難重重

帶式輸送機是當今使用最普遍的散料連續(xù)輸送設備，具有輸送量可小可大、傳輸距離可近可遠、設備與配套設施總價低廉、適用場合廣泛、安裝位置靈活等優(yōu)點。嵌裝于帶式輸送機的皮帶秤不僅繼承了帶式輸送機的全部優(yōu)點，并且能在物料連續(xù)輸送過程中同時實現(xiàn)自動累計稱重，作業(yè)效率高、便于跟自動化系統(tǒng)組合。在礦山、冶金、港口、電力等行業(yè)常需輸送與計量大宗散料，照理，皮帶秤應當是用戶的首要選擇。然而現(xiàn)實情況是，倘有經(jīng)常性的良好維護和校準條件，皮帶秤的使用誤差約為1～5％，而大多數(shù)皮帶秤還達不到，正是“欲說愛你不容易！”。因此，那些皮帶秤的潛在客戶有時不得不選擇效率低、不能實現(xiàn)連續(xù)作業(yè)的非自動衡器，甚而沿用看船舶吃水線這樣的落后計量方式。

對普通皮帶秤進行分析后發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有技術存在以下問題：

⑴ 準確度不夠

皮帶秤作為連續(xù)累計自動衡器，現(xiàn)行國內(nèi)外標準規(guī)定的準確度等級是0.5級，低于非連續(xù)累計自動衡器(如料斗秤) 和非自動衡器(如汽車秤)。

⑵ 制造成本高

按傳統(tǒng)理論，要求稱重框架在最大流量下?lián)隙刃∮?/span>0.5mm，托輥的徑向跳動應小于0.2mm，軸向竄動小于0.5mm。因此，為提高剛度、秤體結(jié)構(gòu)笨重；托輥需要精密制造精密裝配。

⑶ 對現(xiàn)場配套的皮帶輸送機要求高，適用性差

按傳統(tǒng)理論制造的皮帶秤，對與之相連的輸送機的縱梁撓度、傾角，皮帶的整圈長度、密度一致性和接縫，附屬的皮帶糾偏裝置和卸料裝置，落料點數(shù)量，等等都有嚴格的規(guī)定，適用場合受很多限制。

⑷ 安裝調(diào)整困難

由于秤體笨重，秤架在輸送機上就位時十分不易，勞動強度大還不安全。

普通皮帶秤要求諸托輥與皮帶接觸的共面度(亦稱準直性) 不大于0.5mm，需要仔細調(diào)整，十分繁瑣。

校準須用物料試驗，滿足要求的控制衡器價格貴、不易獲得，模擬載荷校準的置信度差。

⑸ 耐久性差

由于上述要求不易做到，即使暫時做到了，但在通常的環(huán)境和工況下也難以保持，因此普通皮帶秤不能長久地保持檢定時的性能指標。

⑹ 使用麻煩

為了維持使用性能，用戶必須經(jīng)常維護，頻繁地清掃秤架、調(diào)校托輥、校正參數(shù)。

1.2 用戶對所期盼皮帶秤的要求

顯然，尚未克服上述種種弊端的皮帶秤，并非是用戶真心所需要的。能讓用戶滿意的皮帶秤應滿足下列要求：

·具有同汽車秤、料斗秤相近的準確度，且能長期保持；

·對嵌裝皮帶秤的輸送機要求不高，能適應各種現(xiàn)場使用；

·無需頻繁調(diào)校，日常使用免維護，可采用簡便的手段進行有效地校準；

·高度智能化運行、狀態(tài)早期自診斷，具有遙測、遙訊、遙控功能。

皮帶秤是與皮帶輸送機相連的自動衡器，而通常皮帶輸送機的工作環(huán)境和技術狀態(tài)滿足不了皮帶秤所需的上述種種要求。大多數(shù)制造商走的道路是，改造皮帶輸送機及其環(huán)境使之適應皮帶秤，然而，改造的有些要求近于苛刻，且難以長久保持；因此，大多數(shù)用戶更希望的是皮帶秤能夠盡量適應他們的皮帶輸送機和現(xiàn)場條件。用戶所期盼的是我們的愿景，也是我們據(jù)以全新的理念，“造世界皮帶秤”成了南京三埃人的奮斗目標。

2. 對傳統(tǒng)理論的大膽突破指引了新型皮帶秤的設計

2.1 傳統(tǒng)理論使皮帶秤的改進長期停滯不前

皮帶具有足夠的切向張力T是輸送機正常運行所必需的，然而皮帶不僅會將物料及其自身重力M傳遞給稱重托輥使之下沉，其自身還會在相鄰托輥間距內(nèi)產(chǎn)生下垂，使皮帶與水平方向形成夾角α，于是在皮帶的法向產(chǎn)生分力2T?sinα，這一使稱重傳感器測到的力變?yōu)?/span>W =M -2T?sinα，而不等于M。

分析皮帶秤誤差時，常被引用的公式是[1]：

ER＝±2kdT/nqL2

式中：ER—相對誤差，k—皮帶效應系數(shù)，d—稱重輥垂直位移，T—皮帶張力，n—稱重輥組數(shù)，q—單位長度皮帶上的料重，L—托輥間距

據(jù)此可知，欲減小ER應當減小k、d、T，增加n、q、L。但是，

（1）系數(shù)k是一個多元函數(shù)，目前還難以定量，只知道皮帶的剛度越大時k值也越大。通常認為，皮帶的剛度與皮帶的彈性模量、托輥組槽型、托輥組間距及皮帶張力等多重因素有關，因此歷來都繞開了k系數(shù)；

（2）T的減小受到限制，太小了會使皮帶不能張緊而下垂量加大，容易造成撒料，并致皮帶與水平方向的夾角α隨之增大，皮帶張力的法向分力2T?sinα也增大，還會導致運行時打滑；為了T不至于過分大，皮帶的整圈長度不能太長，托輥間距也不能過大；

（3）L帶有平方指數(shù)，增加L似乎能明顯帶來好處，然而并不能過于加長，因為L大了也會使皮帶的下垂量加大，并導致α也增大；

（4）要減小d就需使秤框、稱重托輥支架、輸送機縱梁、稱重傳感器支承梁的撓度乃至稱重傳感器彈性體的變形量小，因此就需加強機械構(gòu)件的剛度和降低傳感器的靈敏度；同時要保證相鄰托輥組的準直性；

（5）增加q會使輸送機及秤架等機械構(gòu)件的變形量增加，就需進一步加大機械構(gòu)件的強度與剛度；

（6）對于常規(guī)有框架的懸浮式或杠桿式稱量臺，增加稱重托輥組n也就意味著需要同時增加秤框的長度和鋼材的截面積。

雖然上述分析有一定道理，但是據(jù)此對皮帶秤所提出的要求也是苛刻的。秤架為了提高剛度而越做約笨重。圖2是澳大利亞知名皮帶秤制造商CST公司生產(chǎn)的一種皮帶秤稱量臺的秤框和托輥支架，是何等的“壯實”喲！為了使全部稱重托輥組及相鄰的若干組輸送托輥圓周面與皮帶相切的各條母線的共面度(準直性)在0.5mm以內(nèi)，需要十分精心仔細地調(diào)校，即使有的廠家動用激光準直儀在安裝時暫且做到了，然而，氣候和時效中的應力變化都可能使原本精心調(diào)好的準直性遭到破壞，而皮帶、托輥的松動或沾料更可能使改變的尺寸遠遠超過要求的共面度公差，又怎能體現(xiàn)皮帶秤的耐久性呢？種種不切實際的要求妨礙了皮帶秤的發(fā)展與進步。

圖1 皮帶張力的法向分力對稱重的影響                圖2 澳大利亞CST公司生產(chǎn)的秤框和托輥支架

2.2 皮帶秤新誤差理論要點及其指導作用

南京三埃公司董事長及其帶領的新品研發(fā)團隊有多人從事電子秤的事業(yè)二三十年以上，具有先后服務于用戶與生產(chǎn)廠的經(jīng)歷，同時擁有兩種角色的視角和關注面，又做了大量的科學實驗，在吸收傳統(tǒng)理論的同時進行了揚棄和突破，總結(jié)出了一套新的皮帶秤誤差理論，設計出了其結(jié)構(gòu)按傳統(tǒng)理論不可思議的陣列式皮帶秤，并取得了成功。

2.2.1“內(nèi)力”理論

南京三埃公司的“內(nèi)力”理論認為：在一個連續(xù)排布的稱重陣列中，相鄰單元皮帶張力的影響會相互抵消，皮帶張力的影響對于陣列內(nèi)部各單元總的影響量為零、僅首、尾單元受其影響。

據(jù)此理論，南京三埃公司創(chuàng)造的陣列式皮帶秤，由連續(xù)安裝的多個獨立稱重單元級聯(lián)而成。它不僅把張力影響轉(zhuǎn)化為了“內(nèi)力”；并且大大增加了稱重托輥組數(shù)n，又因各單元之間沒有連接框架而不笨重。

2.2.2 “皮帶效應主導”理論

南京三埃公司的“皮帶效應主導”理論認為：在皮帶秤的各種誤差因子中，皮帶張力T和垂直位移d造成的誤差是相對固定且可以消除的，不是皮帶秤產(chǎn)生誤差的主要原因；導致皮帶秤產(chǎn)生耐久性誤差的罪魁禍首是皮帶效應系數(shù)k。

皮帶效應是指皮帶的硬度、彈性等物理特性及截面形狀等對稱重產(chǎn)生的效應。它作用在秤架上，對皮帶秤的受力及力的傳遞產(chǎn)生極大的影響。皮帶效應系數(shù)k取決于皮帶狀態(tài)及所處環(huán)境。

不同氣候和環(huán)境條件下試驗的對比分析數(shù)據(jù)表明，皮帶狀態(tài)在短期內(nèi)相對穩(wěn)定、長時間后變化明顯；皮帶狀態(tài)對α關系不大；皮帶狀態(tài)隨時間、溫度、張力、流量及皮帶材質(zhì)、軟硬度、截面形狀而變化，對稱量結(jié)果影響很大，是皮帶秤長期穩(wěn)定性差的最大影響因素。三埃公司通過大量的實驗并利用物聯(lián)網(wǎng)技術，積累了大量的狀態(tài)參數(shù)，對k系數(shù)有了比他人更加深入的了解。

因此，南京三埃公司不再把主攻方向放在提高秤體的剛度和托輥的準直性上，而是放在了各種環(huán)境的適應性補償機制上。例如，不僅要考慮溫度對傳感器和稱重儀表等電子部件的影響，還顧及了溫度對皮帶、秤架等機械構(gòu)件的影響。

1. 對研發(fā)樣機的嚴格測評保障了新型皮帶秤的性能

3.1  立足實踐，一切以數(shù)據(jù)說話

南京三埃公司在研發(fā)過程中堅持奉行“實踐是檢驗真理的標準”這一科學原則，對于任何新的想法或改進方案須一律經(jīng)過大量的實際試驗來驗證其真實性和可行性。陣列式皮帶秤從研發(fā)雛形構(gòu)思到產(chǎn)品正式定型推向市場之前，進行了四年多的物料試驗。

目前皮帶秤動態(tài)試驗的資源還很缺乏，在評價皮帶秤時普遍采用無皮帶輸送機的靜態(tài)模擬試驗方法，試驗結(jié)果的可信度往往不夠。為保證試驗過程與實際使用的相似性，南京三埃公司不惜投入2000萬元巨資，建設了一個皮帶秤實驗室。（2011年4月在倫敦英國國家法制計量院召開的OIML 皮帶秤國際建議(草案)第3稿研討會上澳大利亞代表Mr.Chris Davies、荷蘭NMI的Mr. P Kok的發(fā)言）”

3.2 以特有的惡劣工況適應性試驗考核產(chǎn)品的耐久性

計量器具能否長期提供可靠的計量數(shù)據(jù)是用戶的主要關注點，現(xiàn)行皮帶秤技術法規(guī)也設置了耐久性條款，然而沒有提出如何評價皮帶秤耐久性的具體試驗方法與指標。鑒于皮帶秤的耐久性在很大程度上體現(xiàn)在它對于惡劣環(huán)境和工況的適應能力，我們采用了能夠量化并可復現(xiàn)的模擬惡劣工況試驗來評價皮帶秤的耐久性，包括：（1）給料流量變動影響試驗，（2）皮帶張力變動影響試驗，（3）托輥跳動和非準直性影響試驗，（4）水平力影響試驗，（5）帶速變動影響試驗等在內(nèi)的試驗項目列入了企業(yè)標準，不僅要求陣列式皮帶秤在普通狀態(tài)下物料試驗的自動稱量誤差達到檢定時的指標；還要求在模擬惡劣工況下的誤差不大于正常狀態(tài)下使用中檢驗的指標。有些同行認為我們在企業(yè)標準中加入這些條款無疑是“作繭自縛”， 好心地勸誡我們別“自討苦吃”。確實，這些年來我們在這個試驗中心的勞作中吃了不少的苦，但“作繭”的成果是“化蝶”，而不是“自縛”。通過大量的物料試驗，我們積累了許多資料，發(fā)現(xiàn)并驗證了諸多完善產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、改進產(chǎn)品性能的辦法，使陣列式皮帶秤得以能在各種惡劣的環(huán)境和工況中長期保持優(yōu)于0.2%的準確度，成為客戶樂于選用的大宗散狀物料快速貿(mào)易計量的解決方案。

4 結(jié)語

2008年，南京三埃有限公司向全世界公開了經(jīng)過其長期研究和驗證所獲得的成果—陣列式電子皮帶秤，揭開了我國皮帶秤向海外強盛國家發(fā)展的序幕。與普通皮帶秤相比，陣列式皮帶秤的穩(wěn)定性、準確度、耐久性、可維護性等各項關鍵性能均有很大的提高，超越了國際法制計量組織(OIML)現(xiàn)行國際建議(R50:1997E)準確度等級(0.5級)的性能指標。因此，受到了越來越多的用戶青睞，并得到OMIL皮帶秤工作組外國專業(yè)技術人員的贊賞。

陣列式皮帶秤能取得如此巨大的成功，有多方面的因素，跟它的秤架及稱重儀表軟硬件的都有關系。本文僅涉及“深究現(xiàn)狀、勇于創(chuàng)造、嚴謹驗證”這種科學的思維和行為方式對于研發(fā)的構(gòu)思、創(chuàng)意、改進的重要作用。

[ 參考文獻 ]

[1] [英] K.E.Norden著，陸伯勤等譯. 工業(yè)過程用電子秤[M]. 北京，冶金工業(yè)出版社，1991：212~213.