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0　引 言

作為考核衡器產品長期穩(wěn)定性的性能指標——耐久性，在連續(xù)累計自動衡器的電子皮帶秤產品中如何來考核一直是國內外有爭議的話題。本文的目的是通過影響電子皮帶秤耐久性誤差的理論分析，介紹國內外對于電子皮帶秤耐久性問題的不同看法，歸納電子皮帶秤在耐久性試驗問題上所具有的共同點，試圖找出電子皮帶秤耐久性試驗的合理方法，并提出基于我國在國際上所具有優(yōu)勢的傾向性意見。

1　OIML R50國際建議對耐久性試驗的定義

1）耐久性誤差（Durability Error）：使用一段時間后衡器呈現的固有誤差與其初始固有誤差間的差值。

2）耐久性試驗 : 為驗證被測衡器在經過規(guī)定的使用周期后能否保持其性能特征的一種試驗。

3）國際建議 OIMLR50-2009 3CD 稿對電子皮帶秤的耐久性試驗的要求：“耐久性試驗應該以現場試驗的方式，在完整安裝的皮帶秤進行，在首次試驗和最終試驗之間，應運行至少六個月的時間”。

4）國際建議 OIMLR50-2014（E）耐久性的要求：耐久性——由于電子元件磨損、性能衰退而產生的耐久性誤差不得超過自動稱重最大允許誤差的絕對值。皮帶秤的計量控制可以與國家相關規(guī)定一致，包括：型式評價、首次檢定、 后續(xù)檢定、使用中檢驗。試驗應由法定計量部門統一實施，形成一個統一的程序。型式批準和首次檢定應分別以 OIML 國際建議 D19和 D20 作為指導原則。皮帶秤耐久性的重要性已經得到共識，可以在國家法規(guī)的約束下采取一些措施來確保耐久性，這些措施包括上述四項評檢內容與耐久性要求一致。

2　OIML R50國際建議關于耐久性測試的討論

1）國際建議 OIMLR50-2009 4CD 稿對電子皮帶秤的耐久性試驗的要求討論如下：

（1）型式批準時的耐久性試驗如果不能進行實際的試驗，就不能在實驗室確認合理時間內的耐久性。但是皮帶秤系統的尺寸，包括稱重部分、皮帶和傳送機構，以及操作方法和動態(tài)負荷似乎使這種試驗難以進行。

建議：試驗應與當前的型式批準程序一致。

問題：很難開發(fā)試驗對實際安裝條件進行復制或模擬，并且又不需要太多的試驗投資。設備的量程一般超過用于非自動衡器試驗使用的耐久性試驗設備的 100 kg 極限?，F場操作包括振動、皮帶拉緊及灰塵的附加影響。

（2） 在型式批準時進行現場耐久性試驗已建議需要進行現場耐久性試驗，作為型式批準過程的組成部分。這包括安裝在現場的樣機試驗，以及在此樣機操作一段時間或特定輸送量后重新進行試驗。這兩次試驗之間的性能變化應在規(guī)定的極限內。

2） 國際法制計量組織 OIML-TC9/SC2 于 2011年 4 月中旬在英國國家計量院召開了 OIMLR50 國際建議研討會，關于電子皮帶秤的耐久性試驗是本次國際會議研討的重點，最終形成的意見是：

R50-2009 第三次修改稿中對耐久性試驗的要求還難以實現，但皮帶秤耐久性十分重要并應予考核，各國自行采取方法進行管理，鼓勵各國進行耐久性測試方法的進一步研究。在本次會議上首次聽到的中國企業(yè)代表關于“由實驗室完成物料試驗”的意見引起國際上極大的關注 , 會議組織者表示在今后會就此問題進一步展開討論。

會議通過了澳大利亞的提案：

（1）后續(xù)計量控制可依據國家規(guī)章執(zhí)行。此處建議在后續(xù)計量控制中加入對后續(xù)檢定和使用中檢查的周期進行審查的機制。審查方法可參照 ILAC-G24/OIML D10（2007）“測量儀器校準周期確認指南”中第三條款。以此給予制造商生產的在安裝和使用時耐久性好的儀器的鼓勵，同時對不耐久的儀器予以懲罰。若發(fā)現某形式的衡器缺乏應有的耐久性，可做出取消該衡器型式批準的行為。

（2）在“計量控制”條款中加入以下內容：“皮帶秤耐久性的重要性是公認的。目前為止無法對如何保證耐久性達成共識?？筛鶕H計量規(guī)定保證耐久性的方法，其中可包括對以上四項的評估” 。TC9/SC2 指出在后續(xù)工作中可能包括開發(fā)制訂耐久性的測量和試驗的規(guī)程和指南。若有對耐久性進行規(guī)定的方法，鼓勵成員國對其進行記錄，并提供細節(jié)給 TC9/SC2，以便對該領域中未來工作的開展給予指導。

澳大利亞和英國的提案指出：

“如果評價是按型式評價做出的，應承認并考慮耐久性（的缺失）可能是特定裝置的一個特征。所以僅當耐久性不合格已經明顯成為此型式設備的一個特征時，才有正當理由決定不對此衡器做型式鑒定”。

“如果發(fā)現安裝在特定地點的一臺衡器耐久性不合格，可能需采取一些措施將該衡器停止使用。如果發(fā)現耐久性不合格是此型式設備的一個特征時（與安裝情況無關的耐久性不合格），則需考慮撤消此型式鑒定”。

3　中國對耐久性測試的討論

中國衡器協會與全國衡器計量技術委員會于2011 年聯合召開了關于 OIML R50 國際建議有關耐久性測試的研討會，并由中國衡器協會與全國衡器計量技術委員會聯合牽頭對外宣布成立“中國皮帶秤耐久性研討工作組”。準備對皮帶秤的耐久性做進一步的試驗與研討。會議達成較為一致的意見認為耐久性試驗在型式評價時做，由實驗室完成物料試驗，而不是無皮帶的模擬試驗。而且實驗室試驗項目必須從嚴，要考慮模擬各種現場的嚴酷條件，現場不考慮做耐久性試驗，僅做首次檢定的物料測試。2015 年由全國衡器標準化技術委員會會同中國皮帶秤耐久性研討工作組為如何在國家標準中體現耐久性指標進行了專題研討。

最后會議形成了如下意見：

（1）本次國家標準修訂的檢驗規(guī)則的條款中包含耐久性試驗。

（2）實驗室物料模擬試驗方法和現場物料試驗方法并存，完善試驗方法和數據。

（3）采用美國 44 號手冊中的部分條款，對部分條款進行試驗驗證。

（4）對于采用雙秤稱重單元皮帶秤，零點累計誤差和雙秤之間的物料偏差應不超過相應要求的數值。對于采用單稱重通道皮帶秤，零點累計誤差和鏈碼試驗誤差不超過相應要求數值。

4　影響電子皮帶秤耐久性稱量誤差的主要因素

既然皮帶秤的耐久性合格與否是考核該產品稱量誤差是否穩(wěn)定不變的一個重要指標，那么首先應該了解影響皮帶秤耐久性稱量誤差的幾個因素。

4.1　電子皮帶秤的誤差分析

美國某公司 F.S.Hyer 博士于 20 世紀 60 年代根據應變能量法在國際上首先提出了物料作用于皮帶秤上的力 p 的三項公式 [2]：

· 　　　　         （1）

式（1）可以簡化寫成：

· 　　　　　?。?）

式中：n —— 托輥數；

q —— 垂直于皮帶的線載荷；

L —— 托輥間距；

θ —— 皮帶輸送機傾角；

K —— 皮帶剛度系數；

D —— 稱重托輥與鄰近托輥之間的非準直性；

T —— 皮帶張力

最后得出對于全懸浮式多托輥的皮帶秤的稱量段的相對誤差公式：

 　　　　　?。?）

對于單杠桿多托輥的皮帶秤的稱量段的相對誤差公式：由上述幾個公式可以看出由于秤架結構引起的相對誤差具有共性的影響因子，主要有皮帶張力、皮帶的剛度系數（與 L、T、E、I 和 θ 相關）、稱重托輥與鄰近托輥之間的非準直性、托輥間距。而皮帶張力與皮帶的剛度系數的變化又可稱為皮帶效應。其中張力變化，是所有因素的源頭，由于張力變化，將影響準直性，影響測速，使皮帶伸長從而因線重量變化引起稱重誤差。對于整體秤來說，影響稱量誤差的還有影響因子（零點、溫度、濕度、電壓）和電氣干擾（電壓瞬間跌落、靜電、電磁輻射、浪涌）等。下面主要從皮帶秤的張力、動態(tài)分析兩個最重要的因素進行分析。

4.2　電子皮帶秤的張力分析

既然皮帶張力對于機械結構的影響而言是最主要的，那么再來分析一下具體的張力影響因素。

1）美國 CEMA（輸送機制造商協會）關于皮帶張力的計算方法驅動皮帶輸送機傳動滾筒的總阻力，即有效張力 Te 是由以下幾個分力組成：

（1）上運或下運物料所產生的重力；

（2）輸送機以設計能力運行時，各部件與驅動裝置及所有附屬裝置的摩擦力；

（3）輸送過程中物料的摩擦力；

（4）物料向輸送機給料時，連續(xù)加速物料所需的力。

驅動或制動輸送機傳動滾筒所需的皮帶有效張力 Te 的計算公式 [3]：

Te = LKt

 (Kx + KyWb + 0.015Wb) + Wm(Lky±H) 

 + Tp + Tm + Tac （5）

式中：Te —— 皮帶有效張力；

             L —— 皮帶輸送機長度；

            Kt —— 環(huán)境溫度校正系數，根據不同的使用溫度查圖表得到；

            Kx —— 用于計算托輥摩擦阻力和輸送帶與托輥間的摩擦阻力的系數

                          Kx = 0.000 68(Wb + Wm) = Ai

                           Si

                          （6）

式中：Wb —— 單位長度輸送帶的重量，當不能確定輸送帶的實際重量時，可用輸送帶平均重量作為估算值，可查表得到。

            Wm —— 輸送帶上單位長度的物料重量，計算公式如下：

            Wm = 33.33V

            Q

式中：Q —— 物料的輸送流量；

            V —— 設計的輸送帶速；

            Ai —— 系數，根據不同的托輥直徑，查表或由輸送機廠家提供；

           Si—— 槽形托輥組間距；

           Ky —— 用于計算輸送帶和物料經過托輥時，承載段輸送帶和物料的綜合彎曲阻力系數查表得出。

對于回程段取定值 Ky = 0.015；

          H —— 物料提升或下降高度；

          Tp —— 輸送帶繞在滾筒上的彎曲阻力和所有滾筒在軸承上的轉動阻力在輸送帶上產生的張力；

          Tm —— 提升或下降物料所需的力在輸送帶上產生的張力：

          Tm = ±H ×Wm

          Tac —— 輸送帶附屬裝置所產生的總張力，計算如下：

          Tac = Tsb + Tpl + Ttr + Tbc

式中：Tsb —— 導料槽摩擦產生阻力在輸送帶上產生的張力；

            Tpl —— 犂式卸料器的摩擦阻力在輸送帶上產生的張力；

            Ttr —— 卸料器等產生附加摩擦阻力和輸送帶經過滾筒產生的彎曲阻力在輸送帶上產生的張力；

            Tbc —— 輸送帶各種清掃裝置（例如刮板）所需的力產生的輸送帶張力由上述皮帶運行時輸送帶張力的各分量的疊加可以計算出傳動滾筒上總的有效張力 Te。通過上述各種參數的計算或查表，可以看出影響皮帶張力的各種因素。

從以上分析可以看出，如何減少托輥摩擦、輸送帶彎曲、物料重量彎曲、物料落差、滾筒阻力、速度變化及各種附屬裝置所造成的張力變化從而帶來的耐久性稱量誤差，是皮帶秤生產廠在耐久性改進方案設計的皮帶張力因素中需要重點考慮的課題。

4.3　電子皮帶秤動態(tài)分析方法

由式（3）中的電子皮帶秤的誤差分析公式可以看到，影響皮帶秤誤差除了皮帶張力外，剛度是第二大因素。如何處理剛度問題是較為棘手的課題。在包括電子皮帶秤的輸送機系統中，可以認為是一個多自由度的振動力學模型。要研究系統的動態(tài)響應特征，必須建立系統動態(tài)方程。在皮帶秤的動態(tài)分析中，筆者認為可以分兩步來研究。首先是考慮將皮帶秤作為一個獨立的動態(tài)力學方程，先關注秤本身小系統的自振頻率，則根據無阻尼固有頻率的基本計算公式：

ωn

2

 = k

m

式中：ωn —— 系統無阻尼固有頻率

            k —— 系統剛度；

            m —— 系統質量

而根據自控理論得知系統的有阻尼固有頻率與相位角、系統阻尼比、系統振動衰減系數、輸出響應等因素有關。要想提高動態(tài)響應特性，必須要系統振動衰減加快，而衰減主要取決于振動衰減系數，振動衰減系數又與系統阻尼比和無阻尼固有頻率存在正相關關系，所以增加系統阻尼以及提高系統無阻尼固有頻率是關鍵。從上面公式可看出，當系統的質量不變而剛度增加時，系統的固有頻率提高，即相當于縮短了系統瞬態(tài)振動周期，從而提高動態(tài)計量準確度。具體措施就是提高系統中各部件的結構支承剛度，增加系統總剛度。隨著計算機應用的廣泛普及和快速傅里葉變換方法的成熟，相關理論可提供各種動態(tài)波形分析信息。頻率信號的高低頻率，周期信號采用傅里葉級數來分解頻率分量；而非周期信號則采用傅里葉積分進行分解；對于隨機振動則可通過自相關函數的傅里葉變換得到頻域信息。在電子皮帶秤的動態(tài)分析中，作為第二步，必須分析包括皮帶輸送機在內的隨機振動的激勵和響應。引入隨機振動的譜密度分析，從而指導系統振動計算響應，從更科學的層面找出影響系統動態(tài)特性的因素，優(yōu)化產品設計，進一步提高系統動態(tài)計量準確度。

5　電子皮帶秤耐久性試驗方案比較

2015 年 10 月中國皮帶秤耐久性研討工作組在耐久性指標的專題研討會上關于“實驗室物料模擬試驗方法和現場物料試驗方法并存”的結論雖然比較靈活，但如何體現試驗既公正又不浪費人力和物力是目前仍然困擾我國皮帶秤行業(yè)的難題。

5.1　建立模擬現場實驗室對皮帶秤系統進行耐久性試驗

優(yōu)點：以型式批準為目的的耐久性樣機試驗是在取得市場準入資格之前，如果條件許可在獲得認可的實驗室進行。此方法無需在用戶現場就能對安裝在實驗室的輸送機上實際運行的皮帶秤進行試驗。

其次是將所有的不同生產廠家、不同結構的皮帶秤都在同一個實驗室輸送機上進行測試，具備了相同的使用環(huán)境測試條件。因此相對于分別在不同的用戶現場條件下完成耐久性測試，其可比性與公正性優(yōu)于后者。當然實驗室的運行工況是較為關鍵的因素，考慮各種現場可能出現的惡劣工況分別進行測試，可使試驗結果比較接近不同的現場要求。

缺點：最主要的問題是完全模仿現場工況仍是個需要進一步研究的課題。然而直至目前，關于影響皮帶秤使用準確度的影響因子，包括不確定度的評估僅停留在理論分析層次。如何抓住影響耐久性的主要矛盾是解決問題的根本。其次是具體的、可操作的實驗室耐久性試驗方案還需要不同的實際用戶現場的一致性認證。

5.2　將皮帶秤安裝在用戶現場進行耐久性試驗

優(yōu)點：能真實反映某一個特定用戶現場的實際運行對于耐久性考核的要求。

缺點：最主要的問題是如果耐久性試驗僅針對某一特定現場（特定的環(huán)境條件及特定的使用頻率等條件）具有局限性，在不同的現場進行測試可能會得出完全不同的測試結果。筆者認為如果型式評價測試在某一個用戶現場來完成，由于特定條件、特定時間的限制，因此缺乏可比的公正與通用的原則。第二個問題是現場用戶在耐久性試驗過程中配合的程度。一般皮帶秤在現場投入使用后，要在固定的時間間隔投入大量的人力和物力進行物料試驗，談何容易。如果為了減少浪費人力和物力，在現場不采用實際使用的物料進行測試，或者采用局部的物料試驗，其正確性與科學論證又會受到挑戰(zhàn)。目前此方案又可分為兩種實施方案。其一，是完全按照 OIML R50 中規(guī)定的物料試驗方法進行耐久性測試。當然此方法有法可依，是無可非議的，但缺點也是顯而易見的。其二，是目前我國一些皮帶秤生產廠各自提出的現場耐久性試驗方案，目的是簡化 OIML R50 中規(guī)定的物料試驗方法來實施耐久性測試，兩種方法各有特色。其中應該指出的是，對于如何提高用戶現場皮帶秤使用中的穩(wěn)定性，各生產廠都在努力采取各種不同的包括實時校正的措施，但這僅是保障皮帶秤穩(wěn)定使用的技術手段，不是統一的測試方法。但是有一點是必須明確的，無論何種方法，需要有各種不同用戶現場（不同行業(yè)，不同使用工況，不同使用頻率）的，不同時間段（包括 24 h 和春夏秋冬季節(jié)）的驗證數據。而且測試方法需要得到大多數皮帶秤生產廠家的認可，否則可能會出現所謂的貿易壁壘，不利于通用性及公平競爭的原則。
6　耐久性試驗方法的建議

2015 年 10 月由全國衡器標準化技術委員會會同中國皮帶秤耐久性研討工作組在耐久性測試方案上雖然有所共識，但此共識內容在具體實施中仍然有大量的工作要做，而且真要照此模棱兩可的共識內容，操作上會帶來很多問題，可謂任重道遠。筆者認為，目前在皮帶秤的耐久性試驗的問題上，應該站在如何發(fā)揮我國自主創(chuàng)新的技術優(yōu)勢上。當前，中國在型式評價的連續(xù)累計自動衡器的物料測試水平及條件已具備了國際領先的水平。我國的山東省計量科學研究院和江蘇省計量科學研究院都相繼建立起國家級的連續(xù)累計自動衡器物料測試中心，如何發(fā)揮我國在電子皮帶秤物料測試中的作用，讓國際上在連續(xù)累計自動衡器的型式評價的耐久性測試都吸引到中國進行，提高中國在皮帶秤產品在耐久性試驗上的話語權與主導權是我們應該思考的問題。所以筆者還是偏向于指定比較完善的模擬現場實驗室對皮帶秤系統進行耐久性試驗的方案。

7　結語

鑒于目前我國在模擬現場實驗室進行耐久性試驗的方案還不夠成熟，特別對于影響皮帶秤耐久性誤差的理論與實踐機理還不夠完善，這要靠我國皮帶秤同行的共同努力，特別是發(fā)揮我國皮帶秤耐久性研討工作組的作用，打破企業(yè)隔閡，找出影響皮帶秤耐久性的影響因子的測試方法與測試項目，通過不同企業(yè)、不同結構、不同環(huán)境條件的反復比較與認證，共同完善實驗室對皮帶秤系統進行耐久性試驗的方案。將國際上的皮帶秤系統型式評價的耐久性試驗真正吸引到中國而攜手協作、共同奮斗。

參考文獻

[1] 國際法制計量組織 OIML R50 4CD-2011連續(xù)累計自動衡器（皮帶秤）[S].巴黎：2011.

[2] 施漢謙，宋文敏.電子秤技術[M].北京：中國計量出版社，1991.

[3] 宋偉剛.通用帶式輸送機設計[M] .北京：機械工業(yè)出版社，2006.

Discussion for durability and test of electronic belt-conveyer scale

 

Chen Risheng1，Lu Taoqin1，Zhu Jun2

（1. Shanghai Yamato Scale Co.,Ltd.；2. Shanghai Institute of Measurement and Testing Technology）

Abstract: This paper based on definition of durability and test of electronic belt-conveyer scale, and analytical calculation durability errorof electronic belt-conveyer in theory, and stated discussion process about durability test method of electronic belt-conveyer scale in domestic and international, and offered a suggestion.

 Key words: electronic belt-conveyer scale; durability; durability test

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