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電子吊秤使用及機(jī)械安全性分析

  • 發(fā)布日期:2013-05-11      瀏覽次數(shù):2251
    •  

      【摘

      要】 本文從設(shè)計(jì)、制造和使用維護(hù)三個(gè)環(huán)節(jié)分析了電子吊秤在機(jī)械安全方面存

      在的若干問題,并舉了幾個(gè)案例加以說明,提出應(yīng)該按起重機(jī)械的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)來要求電子

      吊秤,以提高電子吊秤的機(jī)械安全水平。

      【關(guān)鍵詞】

      電子吊秤;機(jī)械安全;螺紋;偏心載荷;疲勞;分析

      一、電子吊秤機(jī)械安全的重要性

      隨著社會(huì)和經(jīng)濟(jì)技術(shù)的不斷發(fā)展,安全問題越來越受到人們的重視,對(duì)產(chǎn)品安全性

      的要求也越來越高。其中,起重機(jī)械安全又是國家質(zhì)檢總局關(guān)注的重點(diǎn)之一。其所以成

      為關(guān)注重點(diǎn),與zui近幾年發(fā)生的多起重大起重安全事故有關(guān)。電子吊秤作為起重機(jī)械的

      一個(gè)中間環(huán)節(jié),也應(yīng)該引起我們的關(guān)注。

      電子吊秤在中國出現(xiàn)也就是近三十年的事,比其它起重機(jī)械要晚很多,應(yīng)用范圍也

      小一些,又是以計(jì)量產(chǎn)品的身份出現(xiàn),歸計(jì)量部門管理。計(jì)量部門關(guān)注的更多是計(jì)量性

      能,因此,至今還未形成像起重機(jī)械那樣的機(jī)械設(shè)計(jì)規(guī)范和安全監(jiān)管制度。這就需要我

      們關(guān)注的又一個(gè)原因。我們知道,0.5t 及以上的電子吊秤通常都是在起重機(jī)上使用的。

      電子吊秤上接起重機(jī),下接吊具索具。作為起重機(jī)械使用中的一個(gè)中間環(huán)節(jié),無疑應(yīng)該

      具有與起重機(jī)和吊具索具相當(dāng)?shù)陌踩阅?,才能保證整個(gè)起重機(jī)械系統(tǒng)的安全水平。

      電子吊秤的機(jī)械安全事故的表現(xiàn)形式大致不外乎以下幾種:連接失效或連接件斷

      裂;稱重傳感器斷裂;吊鉤斷裂。電子吊秤作為衡器,主要用于商品交換過程中的計(jì)量,

      但是也用于工業(yè)生產(chǎn)過程中的工藝控制,因此,計(jì)量的對(duì)象可能是一般的商品,也可以

      是熔融的液態(tài)金屬一類的危險(xiǎn)品。電子吊秤的安全事故造成損害可能就不僅是摔壞貨

      物,而是有可能產(chǎn)生更為嚴(yán)重的后果。所以,我們必須對(duì)電子吊秤的安全性給予足夠的

      關(guān)注,防患于未然。

      二、起重機(jī)械相關(guān)零部件和吊具的安全要求

      與電子吊秤上部和下部相連接的起重機(jī)械相關(guān)零部件和吊具,說得具體一點(diǎn)就是各

      類吊鉤和各類吊具。各類吊鉤和各類吊具的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、安全規(guī)程以及使用維護(hù)注意事項(xiàng)

      等具體內(nèi)容很多,按設(shè)計(jì)、制造、使用三個(gè)階段來劃分,可概括如下:

      1、設(shè)計(jì)階段

      承載結(jié)構(gòu)應(yīng)力求簡(jiǎn)單,受力明確,傳力直接,減少應(yīng)力集中的影響。

      設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮動(dòng)載、磨損、腐蝕、溫度、工作環(huán)境等因素對(duì)安全性能的影響。

      承載結(jié)構(gòu)應(yīng)有足夠的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性。


      承載結(jié)構(gòu)的材料通常推薦使用延伸率高,沖擊功較大的低合金鋼等鋼材。

      2、制造階段

      承載件表面與內(nèi)部應(yīng)無足以影響使用的缺陷,且應(yīng)有良好的抗疲勞性能。

      鍛件纖維走向、軋制件軋制方向應(yīng)力與受力方向保持一致。對(duì)采用氣割等方法加

      工表面形成的熱影響區(qū)必須予以消除。

      制造材料、外購零部件必須有制造單位的合格證等技術(shù)證明文件,否則應(yīng)進(jìn)行檢

      驗(yàn),查明性能合格后方可使用。

      高強(qiáng)螺栓連接應(yīng)按技術(shù)設(shè)計(jì)要求使用工具擰緊。

      經(jīng)檢驗(yàn)合格的產(chǎn)品,制造單位應(yīng)在其適當(dāng)位置作出不易磨損的標(biāo)記,并簽發(fā)合格

      證。標(biāo)記內(nèi)容至少應(yīng)包括:額定起重量極限工作載荷、檢驗(yàn)標(biāo)志、生產(chǎn)編號(hào)、制造日

      期、制造單位;合格證內(nèi)容應(yīng)包括主要技術(shù)性能參數(shù);產(chǎn)品售出時(shí),應(yīng)附有安全使用、

      維護(hù)保養(yǎng)說明書。

      3、使用階段

      強(qiáng)調(diào)使用過程中的定期安全檢查。

      有明確的報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn)。

      三、用起重機(jī)械的安全標(biāo)準(zhǔn)來審視電子吊秤

      1、設(shè)計(jì)

      電子吊秤的機(jī)械設(shè)計(jì)可分為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度設(shè)計(jì),兩者對(duì)安全都很重要。這里想就

      結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)多說兩句。

      電子吊秤的結(jié)構(gòu)形式很多,本文也只能選擇其中兩種常見的形式加以分析比較。以

      傳感器的受力方式來分:

      *類結(jié)構(gòu):傳感器受拉力,例如使用 S 型傳感器、LN 拉式傳感器。

      第二類結(jié)構(gòu):傳感器受壓力,例如使用扭環(huán)式傳感器、輪輻式傳感器。

      在傳感器受拉力的吊秤中,又可以分三種:

      采用通用型的 S 型傳感器,即兩端內(nèi)螺紋的 S 型傳感器,再通過上、下連接件分

      別連接卸扣和吊鉤(上部也有直接連接吊環(huán)螺釘?shù)模?。多用?/span> 10t 及以下量程。

      采用通用型的 LN 型拉式傳感器,即兩端外螺紋的 LN 型傳感器,再通過上、下

      連接件分別連接卸扣和吊鉤。多用于 150t 量程。

      整體式 S 型傳感器和 LN 型拉式傳感器,即取消上下螺紋,將上、下連接件和傳

      感器做成一個(gè)整體,可以直接連接卸扣和吊鉤。

      前兩種結(jié)構(gòu)都有螺紋連接承載全部載荷。我們知道,螺紋是機(jī)械連接中應(yīng)用zui為廣

      泛的一種??赡苁且?yàn)閼?yīng)用太普遍了,在當(dāng)今科學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展的今天,人們往往自然

      地偏重高技術(shù),象螺紋連接這類一般技術(shù)往往不被重視,忘記了這是應(yīng)予特別注意的

      零部件,忽視了不少技術(shù)細(xì)節(jié)。螺紋是一種復(fù)雜的表面,影響其疲勞壽命的因素比較多,

      可靠性就比較低。具體到電子吊秤中,主要受力結(jié)構(gòu)件的承載螺紋而言,可能的影響因

      素有:


      采用高強(qiáng)材料,缺口敏感性強(qiáng)。制造過程中材料的熱處理,機(jī)械加工的表面粗糙

      度、圓角,乃至原材料中的雜質(zhì)多少和形態(tài)都會(huì)對(duì)螺紋的壽命產(chǎn)生影響。

      擰緊力矩的控制不當(dāng),使螺紋受到過大的預(yù)緊力。

      由于連接件設(shè)計(jì)不當(dāng),或機(jī)械加工精度低,或使用不當(dāng),都有可能在使用中使螺

      紋受到偏心載荷,惡化螺紋的受力狀況。

      同是傳感器受拉力,采用通用型的 S 型傳感器和 LN 傳感器的設(shè)計(jì),同是螺紋連接,

      其安全性也有所不同。

      筆者查閱了國內(nèi)主要傳感器廠家的產(chǎn)品樣本,同樣量程,S 型傳感器的螺紋直徑

      幾乎都小于 LN 傳感器的螺紋。這可能是因?yàn)橥ㄓ眯偷?/span> S 型傳感器普遍采用的是內(nèi)螺紋,

      傳感器的厚度必須保證螺母的基本尺寸要求,但是傳感器的厚度又不可能增加太大。

      S 型傳感器與下連接件的連接通常采用的是緊螺紋連接,LN 傳感器與上下連接

      件的連接都是松螺紋連接。在緊螺紋連接中,需要施加預(yù)緊力,無疑就減小了螺紋的有

      效載荷裕量。緊螺紋連接需要更大的安全系數(shù)才能保證安全,特別是不使用扭矩扳手控

      制預(yù)緊力的場(chǎng)合。

      在電子吊秤中,S 型傳感器的連接通常是短螺紋連接。短螺紋連接還有應(yīng)力幅值偏

      大的問題應(yīng)該關(guān)注。

      由于傳感器性能的需要,傳感器的彈性元件硬度相對(duì)比較高。也就是說,S 型傳

      感器上的內(nèi)螺紋硬度比較高。這與通常要求螺母硬度低于螺桿硬度改善螺紋間的應(yīng)力分

      布的要求相背,在一定程度上會(huì)降低螺紋連接的疲勞壽命。

      正是考慮到螺紋連接的缺點(diǎn),有些廠家設(shè)計(jì)了的整體式的 S 型傳感器、整體式

      LN 型拉式傳感器,取消了螺紋連接,在一定程度上提高了安全性。

      上述*類結(jié)構(gòu)的三種設(shè)計(jì)還有一個(gè)共同的特點(diǎn),就是整個(gè)系統(tǒng)的安全性不可能高

      于傳感器自身的安全系數(shù)。雖然理論上也可以另外設(shè)計(jì)過載保護(hù)結(jié)構(gòu),但是由于成本將

      大大增加,事實(shí)上采用的很少。而傳感器作為信號(hào)源,為了保證測(cè)量準(zhǔn)確度又不允許靈

      敏度太低,這就限制了傳感器的安全系數(shù)不可能太高。

      在第二類結(jié)構(gòu)中,選用扭環(huán)式傳感器或輪輻式傳感器,利用反向器實(shí)現(xiàn)和卸扣、吊

      鉤的連接。多用于 20t 及以上量程。

      與*類結(jié)構(gòu)相比,第二類結(jié)構(gòu)有三個(gè)優(yōu)點(diǎn):

      一是承載環(huán)節(jié)沒有采用螺紋連接,而是只有軸銷連接,結(jié)構(gòu)的可靠性和安全性相對(duì)

      要好不少。

      二是反向器可以采用起重機(jī)械安全標(biāo)準(zhǔn)推薦的低合金鋼材料。這類材料有較大的延

      伸率,較好的抗沖擊性能。

      三是反向器可以設(shè)計(jì)更大的安全系數(shù),即使傳感器過載損壞時(shí),機(jī)械系統(tǒng)仍可以是

      安全的。有些教科書中稱之為無限壽命設(shè)計(jì)

      可以說,這是電子吊秤的機(jī)械結(jié)構(gòu)。


      以上僅僅是針對(duì)當(dāng)前市場(chǎng)上的常見產(chǎn)品結(jié)構(gòu)所做的分析比較,實(shí)際情況當(dāng)然要復(fù)雜

      一些。即使采用同樣的傳感器,實(shí)際連接可以不止一種設(shè)計(jì)。比如通過球鉸或通過十字

      軸銷過渡再連接吊鉤,可以減小連接螺紋可能受到的彎矩,提高了安全水平。

      2、制造

      制造過程也是保證機(jī)械安全性的關(guān)鍵。

      材料自身的質(zhì)量對(duì)產(chǎn)品的安全性影響不可輕視。筆者曾對(duì)鋼材市場(chǎng)上的不同廠家

      40Cr 棒材做過分析,其質(zhì)量差別還是很明顯的。對(duì)于起重結(jié)構(gòu)件來說不能僅僅看其

      化學(xué)成分和機(jī)械性能,金相檢驗(yàn)也是必要的。這對(duì)有缺口敏感性的高強(qiáng)材料而言,鋼材

      的晶粒度、鋼材中夾雜物的等級(jí)對(duì)結(jié)構(gòu)件疲勞壽命的影響更明顯。

      制造技術(shù)對(duì)吊秤機(jī)械安全的影響是不言而喻的,主要體現(xiàn)在主要受力結(jié)構(gòu)件的鍛

      打、熱處理、機(jī)械加工三個(gè)方面,部分大量程產(chǎn)品可能會(huì)有焊接。衡器生產(chǎn)企業(yè)規(guī)模通

      常都不大,往往不具備鍛打和熱處理能力。需要選擇合格的專業(yè)生產(chǎn)廠家,并注意加強(qiáng)

      產(chǎn)品的驗(yàn)收環(huán)節(jié)。

      這里特別強(qiáng)調(diào)一下連接螺紋的加工。電子吊秤中主要受力結(jié)構(gòu)件的承載螺紋與直柄

      吊鉤上的螺紋受力狀況其實(shí)是相當(dāng)接近的。直柄吊鉤國家標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)相關(guān)螺紋和螺母有詳

      細(xì)的要求,包括材質(zhì)、熱加工、切削加工以及檢驗(yàn)方法和要求。一些電子吊秤廠家只按

      照普通緊固件的要求加工螺紋是達(dá)不到起重機(jī)械的安全要求的。

      產(chǎn)品標(biāo)識(shí)和安全使用維護(hù)說明。電子吊秤作為計(jì)量產(chǎn)品,相關(guān)的準(zhǔn)確度等級(jí)、計(jì)

      量器具制造許可證等標(biāo)志清楚,有關(guān)計(jì)量的使用的說明也很詳細(xì)。但是,很少有廠家標(biāo)

      明電子吊秤的起重工作級(jí)別,盡管電子吊秤的國家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定與起重機(jī)配合工作的電

      子吊秤應(yīng)按 GB/T 3811-1983 4.1.3 確定其工作級(jí)別。筆者不止一次發(fā)現(xiàn),用戶在使用

      非常頻繁的起重機(jī)上使用普通的電子吊秤,導(dǎo)致斷裂事故的發(fā)生。

      至于其它使用過程中有關(guān)機(jī)械安全的注意事項(xiàng),電子吊秤廠家明確列出的也不多。

      而且,與其它起重吊具不同的是,電子吊秤通常有外殼將部分機(jī)械結(jié)構(gòu)和電子儀表罩起

      來,一般的起重工自然難以用常規(guī)方法進(jìn)行安全檢查,安全隱患也就更難以發(fā)現(xiàn)。

      一般電子吊秤也沒有采取措施限制使用次數(shù)或規(guī)定使用期限,實(shí)際上也是一種安全

      隱患。

      3、使用

      除了上面提及的因?yàn)橹圃焐坍a(chǎn)品標(biāo)識(shí)和安全使用維護(hù)說明上的不足引起的安全問

      題以外,也有用戶方面原因引起的,例如:

      起吊過程中斜拉,使得電子吊秤受力狀況惡化。

      配套的下部吊具不當(dāng),使得電子吊秤受力狀況惡化。

      配套使用的上部吊鉤太大,限制了電子吊秤在吊鉤中自由轉(zhuǎn)動(dòng),可能使電子吊秤

      受到彎矩作用,對(duì)于結(jié)構(gòu)中有螺紋連接的吊秤尤為不利。


      四、斷裂事故案例分析

      1、材料缺陷引起的 10t 吊秤下連接件連接螺釘斷裂

      連接螺釘為 M36,材料為 40Cr

      鍛件,熱處理狀態(tài)為調(diào)質(zhì),硬度

      HRC28—32。

      斷裂螺釘?shù)慕鹣嘁妶D 1。對(duì)照

      GB3077-1999 合金結(jié)構(gòu)鋼標(biāo)準(zhǔn)可以看

      出,所用材料夾雜大小明顯超過標(biāo)準(zhǔn)。

      這類較大的夾雜對(duì)材料力學(xué)性能的影

      響主要是降低材料的塑性、韌性和疲

      勞性能,特別是在高強(qiáng)鋼內(nèi)部,這類

      夾雜形成的應(yīng)力集中在較低的應(yīng)力水

      平下也能形成裂紋!而裂紋一旦出現(xiàn),

      就會(huì)迅速擴(kuò)大,zui終導(dǎo)致構(gòu)件斷裂。

      此外,該材料還有比較明顯的偏析,

      也降低了材料強(qiáng)度。

      在另一起類似事故中,我們發(fā)現(xiàn)金相組織中有魏氏體存在。魏氏體的存在使鋼的強(qiáng)

      度、塑性、韌性都大幅度降低,尤其是對(duì)沖擊韌性影響zui大,甚至降低 50—70%。所以

      在比較重要的產(chǎn)品中是不允許魏氏體存在的。

      2、偏大的吊鉤導(dǎo)致的 10t 吊秤下連接件連接螺桿斷裂

      這是一個(gè)與吊秤機(jī)械結(jié)構(gòu)和使用都有關(guān)的問題。吊秤的機(jī)械結(jié)構(gòu)見圖 2。結(jié)構(gòu)的上

      部使用的是吊環(huán)螺釘。盡管用戶聲稱實(shí)際稱重量從未超過 10t,但還是發(fā)生了斷裂事故。

      經(jīng)過觀察事故吊秤,發(fā)現(xiàn)螺桿系疲勞斷裂。疲勞源左右對(duì)稱,但是裂紋擴(kuò)展區(qū)并不

      對(duì)稱,斷裂區(qū)約為整個(gè)截面的三分之一。斷口初步觀察表明,斷裂區(qū)面積較小,斷面致

      密,說明材料質(zhì)量和熱處理狀態(tài)基本正常。螺桿受到了彎矩作用,才是導(dǎo)致斷裂的主要

      原因。問題在于,彎矩何來?

      進(jìn)一步仔細(xì)觀察發(fā)現(xiàn),吊環(huán)螺釘內(nèi)環(huán)面上方有兩處明顯的壓痕,疑是與吊鉤的接觸

      壓痕。壓痕距吊環(huán)的中心線比較遠(yuǎn),見圖 3。

      經(jīng)與用戶溝通,該秤常在在一臺(tái) 15t 的吊車上使用。也就是說,吊鉤尺寸較大而吊

      環(huán)相對(duì)較小。在兩者的接觸處,吊鉤的曲率半徑大于吊環(huán)的曲率半徑,所以就有了兩個(gè)

      接觸點(diǎn)。這就使得吊環(huán)螺釘受力以后不容易自動(dòng)找到鉛垂位置,容易形成圖二所示的情

      形。在這種情況下,螺紋在受到拉力的同時(shí),又經(jīng)常受到一個(gè)附加彎矩的的作用,也可

      以說,螺紋是因?yàn)槌惺艿氖谴笮〔淮_定,但是方向確定的偏心載荷而zui終導(dǎo)致斷裂。

      1

      X100


      2

      3

      3、C 型吊鉤直接連接下拉頭導(dǎo)致傳感器螺紋斷裂

      這是一家金屬制品廠的技改項(xiàng)目,于鋼卷的搬運(yùn)。額定起重量為 20t,實(shí)際起

      重量連 C 型吊鉤總共 18t 左右。使用不到一年時(shí)間,傳感器螺紋處斷裂。

      經(jīng)了解該廠起重操作規(guī)范,不存在操作失誤。而傳感器是用 40CrNiMoA 制造,熱

      處理規(guī)范,螺紋直徑 M52X3,似乎也不應(yīng)該發(fā)生這樣的事故。只好請(qǐng)金屬材料檢測(cè)中

      心做斷口分析。

      分析表明,傳感器材料的金相組織

      以及機(jī)械性能基本達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求,沒有

      發(fā)現(xiàn)可能導(dǎo)致斷裂的缺陷。斷口形態(tài)屬

      疲勞破壞,左右兩個(gè)疲勞源,大體在對(duì)

      稱位置,疲勞擴(kuò)展區(qū)占了斷面三分之二

      以上。zui后斷裂區(qū)電子顯微鏡掃描顯示

      韌窩,屬韌性斷裂。

      但是斷口分析不能說明彎矩是怎

      樣產(chǎn)生的所以還得從結(jié)構(gòu)上找原因。

      原設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見圖 4。與我們通常

      的電子吊秤不同的是,C 型吊鉤直接通

      過軸銷與下拉頭相連接,而不是把 C

      吊鉤掛在電子吊秤的吊鉤上。

      4


      們知道,在起重作業(yè)過程中,重物通常要作上下、左右、前后運(yùn)動(dòng),有勻速運(yùn)動(dòng),

      也要有加速、減速運(yùn)動(dòng)。電子吊秤除了承受重物的重量外,不可避免地受到各個(gè)方向的

      附加慣性力。這些附加力有多少會(huì)傳到傳感器上,取決于機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。圖四的結(jié)構(gòu)中,

      下軸銷方向的附加慣性力不可避免地會(huì)傳到傳感器上,使傳感器的螺紋受到彎矩作用。

      這一分析后來又為另一起類似結(jié)構(gòu)吊秤的斷裂事故證實(shí),斷口形態(tài)也極為相似。

      本案中傳感器的螺紋保證載荷高達(dá) 150t,然而僅在不到 20t 的重物作用下斷了。關(guān)

      鍵的問題是重物在水平方向運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的慣性力直接作用到螺紋上,該慣性力與保證載

      荷的方向垂直,對(duì)螺桿而言是一個(gè)彎矩。在這個(gè)彎矩和重力載荷的反復(fù)作用下,zui終發(fā)

      生疲勞破壞。

      有關(guān)教科書中在談到螺紋聯(lián)結(jié)的抗疲勞設(shè)計(jì)時(shí)提到,在涉及抗疲勞設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)該

      強(qiáng)調(diào)的是結(jié)構(gòu)接頭的疲勞特征,而不是它的靜強(qiáng)度。

      這也是我們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該加以注意的。只要注意到了,也就是可以防范了。

      五、結(jié)束語

      電子吊秤是計(jì)量產(chǎn)品,當(dāng)然應(yīng)該重視計(jì)量性能。安全問題又是所有產(chǎn)品的zui基本的

      要求,更應(yīng)該給予足夠重視。安全問題涉及到設(shè)計(jì)、材料、制造、使用、監(jiān)管方方面面,

      本文也僅僅是限于個(gè)人一己之見,算是拋磚引玉,希望能引起行業(yè)的關(guān)注,采取必要的

      措施,完善電子吊秤的機(jī)械安全標(biāo)準(zhǔn),提高電子吊秤的安全水平,促進(jìn)這個(gè)行業(yè)的健康

      發(fā)展。

      參考文獻(xiàn)

      1GB3811-2008 起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范。

      2LD48-93 起重機(jī)械吊具與索具安全規(guī)程。

      3.廖景娛 <金屬構(gòu)件失效分析> 化學(xué)工業(yè)出版社 2003 年。

      4.凌武寶 <可拆卸聯(lián)接設(shè)計(jì)與應(yīng)用> 機(jī)械工業(yè)出版社 2006 年。

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