—— 试论科学思维与行为方式对研发阵列式皮带秤的作用

科学的思维方式和科学的行为方式，是科学技术取得实质性进步的保障。郭沫若曾说:“既异想天开，又实事求是”是科技工作者特有的风格。因为,“科学是讲求实际的。科学是老老实实的学问，来不得半点虚假，需要付出艰巨的劳动。同时，科学也需要研发，需要幻想，有幻想才能打破传统的束缚，才能发展科学。”“深究现状、勇于创造、严谨验证”是科学的思维行为方式，也是每一位成功者必需的基本素质。只有对现有技术有了深入研究，对其现状乃至历史中所显示和隐含的优点以及缺陷与不足十分熟悉，才会有改进的意愿与设想；只有大胆突破现有技术所依托的理论依据，才能构思出新颖的技术方案；只有对新方案进行全方位的严格测试，不厌其烦地仔细验证，才能使所研造的技术经得起推敲，能在实际中发挥前所未有的进步作用。

1. 对现有技术的深入探究催生了新型皮带秤的研发

1.1 皮带秤的推广应用为何困难重重

带式输送机是当今使用最普遍的散料连续输送设备，具有输送量可小可大、传输距离可近可远、设备与配套设施总价低廉、适用场合广泛、安装位置灵活等优点。嵌装于带式输送机的皮带秤不仅继承了带式输送机的全部优点，并且能在物料连续输送过程中同时实现自动累计称重，作业效率高、便于跟自动化系统组合。在矿山、冶金、港口、电力等行业常需输送与计量大宗散料，照理，皮带秤应当是用户的首要选择。然而现实情况是，倘有经常性的良好维护和校准条件，皮带秤的使用误差约为1～5％，而大多数皮带秤还达不到，正是“欲说爱你不容易！”。因此，那些皮带秤的潜在客户有时不得不选择效率低、不能实现连续作业的非自动衡器，甚而沿用看船舶吃水线这样的落后计量方式。

对普通皮带秤进行分析后发现，现有技术存在以下问题：

⑴ 准确度不够

皮带秤作为连续累计自动衡器，现行国内外标准规定的准确度等级是0.5级，低于非连续累计自动衡器(如料斗秤) 和非自动衡器(如汽车秤)。

⑵ 制造成本高

按传统理论，要求称重框架在最大流量下挠度小于0.5mm，托辊的径向跳动应小于0.2mm，轴向窜动小于0.5mm。因此，为提高刚度、秤体结构笨重；托辊需要精密制造精密装配。

⑶ 对现场配套的皮带输送机要求高，适用性差

按传统理论制造的皮带秤，对与之相连的输送机的纵梁挠度、倾角，皮带的整圈长度、密度一致性和接缝，附属的皮带纠偏装置和卸料装置，落料点数量，等等都有严格的规定，适用场合受很多限制。

⑷ 安装调整困难

由于秤体笨重，秤架在输送机上就位时十分不易，劳动强度大还不安全。

普通皮带秤要求诸托辊与皮带接触的共面度(亦称准直性) 不大于0.5mm，需要仔细调整，十分繁琐。

校准须用物料试验，满足要求的控制衡器价格贵、不易获得，模拟载荷校准的置信度差。

⑸ 耐久性差

由于上述要求不易做到，即使暂时做到了，但在通常的环境和工况下也难以保持，因此普通皮带秤不能长久地保持检定时的性能指标。

⑹ 使用麻烦

为了维持使用性能，用户必须经常维护，频繁地清扫秤架、调校托辊、校正参数。

1.2 用户对所期盼皮带秤的要求

显然，尚未克服上述种种弊端的皮带秤，并非是用户真心所需要的。能让用户满意的皮带秤应满足下列要求：

·具有同汽车秤、料斗秤相近的准确度，且能长期保持；

·对嵌装皮带秤的输送机要求不高，能适应各种现场使用；

·无需频繁调校，日常使用免维护，可采用简便的手段进行有效地校准；

·高度智能化运行、状态早期自诊断，具有遥测、遥讯、遥控功能。

皮带秤是与皮带输送机相连的自动衡器，而通常皮带输送机的工作环境和技术状态满足不了皮带秤所需的上述种种要求。大多数制造商走的道路是，改造皮带输送机及其环境使之适应皮带秤，然而，改造的有些要求近于苛刻，且难以长久保持；因此，大多数用户更希望的是皮带秤能够尽量适应他们的皮带输送机和现场条件。用户所期盼的是我们的愿景，也是我们据以全新的理念，“造世界皮带秤”成了南京三埃人的奋斗目标。

2. 对传统理论的大胆突破指引了新型皮带秤的设计

2.1 传统理论使皮带秤的改进长期停滞不前

皮带具有足够的切向张力T是输送机正常运行所必需的，然而皮带不仅会将物料及其自身重力M传递给称重托辊使之下沉，其自身还会在相邻托辊间距内产生下垂，使皮带与水平方向形成夹角α，于是在皮带的法向产生分力2T•sinα，这一使称重传感器测到的力变为W =M -2T•sinα，而不等于M。

分析皮带秤误差时，常被引用的公式是[1]：

ER＝±2kdT/nqL2

式中：ER—相对误差，k—皮带效应系数，d—称重辊垂直位移，T—皮带张力，n—称重辊组数，q—单位长度皮带上的料重，L—托辊间距

据此可知，欲减小ER应当减小k、d、T，增加n、q、L。但是，

（1）系数k是一个多元函数，目前还难以定量，只知道皮带的刚度越大时k值也越大。通常认为，皮带的刚度与皮带的弹性模量、托辊组槽型、托辊组间距及皮带张力等多重因素有关，因此历来都绕开了k系数；

（2）T的减小受到限制，太小了会使皮带不能张紧而下垂量加大，容易造成撒料，并致皮带与水平方向的夹角α随之增大，皮带张力的法向分力2T•sinα也增大，还会导致运行时打滑；为了T不至于过分大，皮带的整圈长度不能太长，托辊间距也不能过大；

（3）L带有平方指数，增加L似乎能明显带来好处，然而并不能过于加长，因为L大了也会使皮带的下垂量加大，并导致α也增大；

（4）要减小d就需使秤框、称重托辊支架、输送机纵梁、称重传感器支承梁的挠度乃至称重传感器弹性体的变形量小，因此就需加强机械构件的刚度和降低传感器的灵敏度；同时要保证相邻托辊组的准直性；

（5）增加q会使输送机及秤架等机械构件的变形量增加，就需进一步加大机械构件的强度与刚度；

（6）对于常规有框架的悬浮式或杠杆式称量台，增加称重托辊组n也就意味着需要同时增加秤框的长度和钢材的截面积。

虽然上述分析有一定道理，但是据此对皮带秤所提出的要求也是苛刻的。秤架为了提高刚度而越做约笨重。图2是澳大利亚知名皮带秤制造商CST公司生产的一种皮带秤称量台的秤框和托辊支架，是何等的“壮实”哟！为了使全部称重托辊组及相邻的若干组输送托辊圆周面与皮带相切的各条母线的共面度(准直性)在0.5mm以内，需要十分精心仔细地调校，即使有的厂家动用激光准直仪在安装时暂且做到了，然而，气候和时效中的应力变化都可能使原本精心调好的准直性遭到破坏，而皮带、托辊的松动或沾料更可能使改变的尺寸远远超过要求的共面度公差，又怎能体现皮带秤的耐久性呢？种种不切实际的要求妨碍了皮带秤的发展与进步。

图1 皮带张力的法向分力对称重的影响                图2 澳大利亚CST公司生产的秤框和托辊支架

2.2 皮带秤新误差理论要点及其指导作用

南京三埃公司董事长及其带领的新品研发团队有多人从事电子秤的事业二三十年以上，具有先后服务于用户与生产厂的经历，同时拥有两种角色的视角和关注面，又做了大量的科学实验，在吸收传统理论的同时进行了扬弃和突破，总结出了一套新的皮带秤误差理论，设计出了其结构按传统理论不可思议的阵列式皮带秤，并取得了成功。

2.2.1“内力”理论

南京三埃公司的“内力”理论认为：在一个连续排布的称重阵列中，相邻单元皮带张力的影响会相互抵消，皮带张力的影响对于阵列内部各单元总的影响量为零、仅首、尾单元受其影响。

据此理论，南京三埃公司创造的阵列式皮带秤，由连续安装的多个独立称重单元级联而成。它不仅把张力影响转化为了“内力”；并且大大增加了称重托辊组数n，又因各单元之间没有连接框架而不笨重。

2.2.2 “皮带效应主导”理论

南京三埃公司的“皮带效应主导”理论认为：在皮带秤的各种误差因子中，皮带张力T和垂直位移d造成的误差是相对固定且可以消除的，不是皮带秤产生误差的主要原因；导致皮带秤产生耐久性误差的罪魁祸首是皮带效应系数k。

皮带效应是指皮带的硬度、弹性等物理特性及截面形状等对称重产生的效应。它作用在秤架上，对皮带秤的受力及力的传递产生极大的影响。皮带效应系数k取决于皮带状态及所处环境。

不同气候和环境条件下试验的对比分析数据表明，皮带状态在短期内相对稳定、长时间后变化明显；皮带状态对α关系不大；皮带状态随时间、温度、张力、流量及皮带材质、软硬度、截面形状而变化，对称量结果影响很大，是皮带秤长期稳定性差的最大影响因素。三埃公司通过大量的实验并利用物联网技术，积累了大量的状态参数，对k系数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体的刚度和托辊的准直性上，而是放在了各种环境的适应性补偿机制上。例如，不仅要考虑温度对传感器和称重仪表等电子部件的影响，还顾及了温度对皮带、秤架等机械构件的影响。

1. 对研发样机的严格测评保障了新型皮带秤的性能

3.1  立足实践，一切以数据说话

南京三埃公司在研发过程中坚持奉行“实践是检验真理的标准”这一科学原则，对于任何新的想法或改进方案须一律经过大量的实际试验来验证其真实性和可行性。阵列式皮带秤从研发雏形构思到产品正式定型推向市场之前，进行了四年多的物料试验。

目前皮带秤动态试验的资源还很缺乏，在评价皮带秤时普遍采用无皮带输送机的静态模拟试验方法，试验结果的可信度往往不够。为保证试验过程与实际使用的相似性，南京三埃公司不惜投入2000万元巨资，建设了一个皮带秤实验室。（2011年4月在伦敦英国国家法制计量院召开的OIML 皮带秤国际建议(草案)第3稿研讨会上澳大利亚代表Mr.Chris Davies、荷兰NMI的Mr. P Kok的发言）”

3.2 以特有的恶劣工况适应性试验考核产品的耐久性

计量器具能否长期提供可靠的计量数据是用户的主要关注点，现行皮带秤技术法规也设置了耐久性条款，然而没有提出如何评价皮带秤耐久性的具体试验方法与指标。鉴于皮带秤的耐久性在很大程度上体现在它对于恶劣环境和工况的适应能力，我们采用了能够量化并可复现的模拟恶劣工况试验来评价皮带秤的耐久性，包括：（1）给料流量变动影响试验，（2）皮带张力变动影响试验，（3）托辊跳动和非准直性影响试验，（4）水平力影响试验，（5）带速变动影响试验等在内的试验项目列入了企业标准，不仅要求阵列式皮带秤在普通状态下物料试验的自动称量误差达到检定时的指标；还要求在模拟恶劣工况下的误差不大于正常状态下使用中检验的指标。有些同行认为我们在企业标准中加入这些条款无疑是“作茧自缚”， 好心地劝诫我们别“自讨苦吃”。确实，这些年来我们在这个试验中心的劳作中吃了不少的苦，但“作茧”的成果是“化蝶”，而不是“自缚”。通过大量的物料试验，我们积累了许多资料，发现并验证了诸多完善产品结构、改进产品性能的办法，使阵列式皮带秤得以能在各种恶劣的环境和工况中长期保持优于0.2%的准确度，成为客户乐于选用的大宗散状物料快速贸易计量的解决方案。

4 结语

2008年，南京三埃有限公司向全世界公开了经过其长期研究和验证所获得的成果—阵列式电子皮带秤，揭开了我国皮带秤向海外强盛国家发展的序幕。与普通皮带秤相比，阵列式皮带秤的稳定性、准确度、耐久性、可维护性等各项关键性能均有很大的提高，超越了国际法制计量组织(OIML)现行国际建议(R50:1997E)准确度等级(0.5级)的性能指标。因此，受到了越来越多的用户青睐，并得到OMIL皮带秤工作组外国专业技术人员的赞赏。

阵列式皮带秤能取得如此巨大的成功，有多方面的因素，跟它的秤架及称重仪表软硬件的都有关系。本文仅涉及“深究现状、勇于创造、严谨验证”这种科学的思维和行为方式对于研发的构思、创意、改进的重要作用。

[ 参考文献 ]

[1] [英] K.E.Norden著，陆伯勤等译. 工业过程用电子秤[M]. 北京，冶金工业出版社，1991：212~213.