| 【摘 |
| 要】 本文從設(shè)計、制造和使用維護(hù)三個環(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，又是以計量產(chǎn)品的身份出現(xiàn)，歸計量部門管理。計量部門關(guān)注的更多是計量性 |
| 能，因此，至今還未形成像起重機(jī)械那樣的機(jī)械設(shè)計規(guī)范和安全監(jiān)管制度。這就需要我 |
| 們關(guān)注的又一個原因。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量， |
| 但是也用于工業(yè)生產(chǎn)過程中的工藝控制，因此，計量的對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 |
| 等具體內(nèi)容很多，按設(shè)計、制造、使用三個階段來劃分，可概括如下： |
| 1、設(shè)計階段 |
| ①承載結(jié)構(gòu)應(yīng)力求簡單，受力明確，傳力直接，減少應(yīng)力集中的影響。 |
| ②設(shè)計時應(yīng)考慮動載、磨損、腐蝕、溫度、工作環(huán)境等因素對安全性能的影響。 |
| ③承載結(jié)構(gòu)應(yīng)有足夠的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性。 |
| ④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 |
| ①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。 |
| ②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。 |
| ③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。 |
| ④高強(qiáng)螺栓連接應(yīng)按技術(shù)設(shè)計要求使用工具擰緊。 |
| ⑤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、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，應(yīng)附有安全使用、 |
| 維護(hù)保養(yǎng)說明書。 |
| 3、使用階段 |
| ①強(qiáng)調(diào)使用過程中的定期安全檢查。 |
| ②有明確的報廢標(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 |
| 電子吊秤的機(jī)械設(shè)計可分為結(jié)構(gòu)設(shè)計和強(qiáng)度設(shè)計，兩者對安全都很重要。這里想就 |
| 結(jié)構(gòu)設(shè)計多說兩句。 |
| 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： |
| ①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。 |
| ②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 1～50t 量程。 |
| ③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： |
| ①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)都會對螺紋的壽命產(chǎn)生影響。 |
| ②擰緊力矩的控制不當(dāng)，使螺紋受到過大的預(yù)緊力。 |
| ③由于連接件設(shè)計不當(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，同是螺紋連接， |
| 其安全性也有所不同。 |
| ①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。 |
| ②S 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。 |
| ③由于傳感器性能的需要，傳感器的彈性元件硬度相對比較高。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)計還有一個共同的特點(diǎn)，就是整個系統(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。而傳感器作為信號源，為了保證測量準(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 |
| 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)計更大的安全系數(shù)，即使傳感器過載損壞時，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”。 |
| 可以說，這是電子吊秤的機(jī)械結(jié)構(gòu)。 |
| 以上僅僅是針對當(dāng)前市場上的常見產(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。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。 |
| ①材料自身的質(zhì)量對產(chǎn)品的安全性影響不可輕視。筆者曾對鋼材市場上的不同廠家 |
| 的 40Cr 棒材做過分析，其質(zhì)量差別還是很明顯的。對于起重結(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對結(jié)構(gòu)件疲勞壽命的影響更明顯。 |
| ②制造技術(shù)對吊秤機(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)械加工三個方面，部分大量程產(chǎn)品可能會有焊接。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。 |
| ③產(chǎn)品標(biāo)識和安全使用維護(hù)說明。電子吊秤作為計量產(chǎn)品，相關(guān)的準(zhǔn)確度等級、計 |
| 量器具制造許可證等標(biāo)志清楚，有關(guān)計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 中 4.1.3 確定其工作級別”。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，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： |
| ①起吊過程中斜拉，使得電子吊秤受力狀況惡化。 |
| ②配套的下部吊具不當(dāng)，使得電子吊秤受力狀況惡化。 |
| ③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，可能使電子吊秤 |
| 受到彎矩作用，對于結(jié)構(gòu)中有螺紋連接的吊秤尤為不利。 |
|
|
| 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。疲勞源左右對稱，但是裂紋擴(kuò)展區(qū)并不 |
| 對稱，斷裂區(qū)約為整個截面的三分之一。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 15t 的吊車上使用。也就是說，吊鉤尺寸較大而吊 |
| 環(huán)相對較小。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 |
| 接觸點(diǎn)。這就使得吊環(huán)螺釘受力以后不容易自動找到鉛垂位置，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，又經(jīng)常受到一個附加彎矩的的作用，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。 |
| 圖1 |
| X100 |
|
|
| 圖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。只好請金屬材料檢測中 |
| 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，左右兩個疲勞源，大體在對 |
| 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)計結(jié)構(gòu)簡圖見圖 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 型 |
| 吊鉤掛在電子吊秤的吊鉤上。 |
| 圖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，有勻速運(yùn)動， |
| 也要有加速、減速運(yùn)動。電子吊秤除了承受重物的重量外，不可避免地受到各個方向的 |
| 附加慣性力。這些附加力有多少會傳到傳感器上，取決于機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計。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)動時產(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，對螺桿而言是一個彎矩。在這個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)計時提到，“在涉及抗疲勞設(shè)計時，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。” |
| 這也是我們在設(shè)計時應(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 |
| 電子吊秤是計量產(chǎn)品，當(dāng)然應(yīng)該重視計量性能。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、材料、制造、使用、監(jiān)管方方面面， |
| 本文也僅僅是限于個人一己之見，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)這個行業(yè)的健康 |
| 發(fā)展。 |
| 參考文獻(xiàn) |
| 1．GB3811-2008 起重機(jī)設(shè)計規(guī)范。 |
| 2．LD48-93 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)計與應(yīng)用> 機(jī)械工業(yè)出版社 2006 年。 |
021-51693791
86-021-51693792
