CN100483085C - 散状物料高精度皮带称重阵列系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种计量输送过程中散状物料重量的皮带称重阵列系统，属于计量称重装置技术领域。该系统主要由称重传感器、承重梁、托辊支架、称重托辊组成。其中，至少两根基本平行的托辊支架两端分别支撑称重托辊，中部与横跨两边的承重梁固定连接，承重梁与称重传感器传力件固定连接，该传感器为单点式称重传感器，其底座两侧固定安装在皮带运输机的机架上。由此构成独特的单点称重单元。本发明的散状物料高精度皮带称重单元和阵列系统可以有效消除自身结构以及皮带张力导致的称重误差，从而具有理想的计量精度，并且稳定性好，可以长期保持计量精度，加之结构简单、成本经济，因此有望作为贸易结算的实用称重计量设施。

Description

散状物料高精度皮带称重阵列系统

技术领域

本发明涉及一种称重设施，尤其是一种计量输送过程中散状物料重量的皮带称重阵列系统，属于计量称重装置技术领域。

背景技术

皮带秤是最常用的计量输送过程中散状物料重量的设施，目前对皮带运输的散状物料进行连续计量98％都使用重力检测原理的皮带秤来完成。本专利申请人在长期实践研究中，将与皮带秤相关的现有技术归纳如下：

1.皮带秤使用现状

皮带秤用于计量所通过的物料重量，通常在运输皮带机的某位置段上安装秤重平台，其运输机架及托辊都是原运输机所有，称重平台之后配套加入。

皮带秤共同的特点是物料在皮带之上，称重平台在皮带之下，皮带夹在物料与称重平台之间，因而皮带的状态对计量精度产生较大影响。由于皮带状态等因素影响致使精度不稳定，无法用于贸易结算，因此迄今为止，大量的散状物料贸易计量只能采用古老的测吃水线(水运)方法或采用成本极高的汽车秤方法，急需高精度的皮带称重设施。

2.现有常见皮带秤的结构型式与优缺点如下：

A.多托辊双杠杆皮带秤(参见图1)

这种结构的皮带秤称重单元由两组相向布置的杠杆组成。每组杠杆由支点1(常见方式有轴承、橡胶轴承、刀口、簧片支点等)、秤框2(多用槽钢、C型钢构成)、称重托辊3(通常有两组、四组之分)、称重传感器1组成。主要优点是两组相向布置的杠杆可将皮带运行时作用于秤框上的水平方向力转换成大小相等方向相反的旋转力矩，从而抵消水平力的影响。其主要缺点是结构笨重，通常重量为400-800Kg；支点会产生附加误差；支点容易因钢结构变形产生移位，使稳定性变劣；称量范围短(仅限于二或四组托辊范围)。

B.全悬浮多托辊皮带秤(参见图2)

这种结构的皮带秤称重单元由三或四只传感器1将一称重平台托起，平台上安装二到四组称重托辊3。其优点是消除了机械铰链支点产生的误差，结构相对简单，稳定性有所提高。其缺点是传感器用量增大；四只传感器参数配对要求高(如参数不配，在物料偏载时会产生误差)；四只传感器支承基础钢构发生变化导致各传感器相互干涉，故传感器与秤架连接需要采用轴向和横向铰链5、6构成的悬挂铰链；秤架钢构较重(总重为200-500Kg)；称量段不长(增加长度后，结构重量猛增)。

C.单辊悬浮式

这种结构的皮带秤称重单元用两只传感器支承一只托辊。其优点是结构简单重量轻，没有机械铰链支点带来的问题，缺点是传感器配置不经济(两只传感器仅一组称重辊)；传感器参数配对要求高；传感器支点变化时会相互干涉故需采用具有一定柔性的连接方式；多组串联系统太庞大。

以上三种为最为普遍使用的方式，其它方式都是在此原理上的变化，优缺点基本相同。

总之，现有皮带秤结构由于存在影响计量精度及其稳定性的因素，因此均无法满足贸易结算的计量要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对以上现有技术存在的缺点，通过对影响皮带秤计量精度及稳定性因素的理论研究，提出一种计量精度高、性能稳定、并且结构简单的散状物料高精度皮带称重阵列系统，从而切实满足贸易结算的计量要求。

为了解决以上技术问题，申请人对造成皮带秤误差的主要原因进行了全面分析，归纳出皮带秤的误差主要来自如下三个方面：

A.称重传感器及计算机仪表

由于传感器仪表技术的发展，误差已很小，在皮带秤的允许误差中只占5％-10％，基本可以忽略。一个称重单元采用多传感器时，参数不匹配会使物料偏载时发生误差。

B.秤架产生的误差

秤架结构与计量误差有很大关系。由于秤架多为钢结构件，因焊接应力及支承机架本身的变形都会使秤架受力状态发生变化，造成各铰链支点间的相互干涉，最终使称重结果产生误差。这是皮带秤长期稳定性不好的重要原因。

C.皮带张力的影响

皮带张力是皮带机为拉动皮带运行时所产生的，这种力的大小随着物料的多少而改变，这也是皮带秤误差的主要来源。

对此，可以简化如图3所示，其中3’是固定托辊，1是传感器，3是称重托辊，7是皮带，8是物料，其力学分析如图4所示，图中Fw为物料重力，F_C为传感器所受物料重力，F_p为皮带张力，α为因重力作用称重托辊下沉造成的皮带张力与水平方向的夹角。显然有以下公式：

Fw-Fc＝2F_P×sin α

正确的计量要求Fw＝Fc，而2F_p×sin α为误差项。

产生这一误差的原因是称重传感器在受力时下沉，使称重辊高度与固定辊的高度产生了差别，出现了α角，因此误差项增大，皮带张力的影响由此显现。而产生这一现象的原因可以归结为三个方面：1、秤架刚度不够，荷重时下沉，造成α角增大，所以皮带秤为减少下沉往往追求刚度，以致结构笨重；2、皮带因厚度变化、托辊沾料抬高皮带等造成α角增大，这一现象与使用状况有关，难以克服；3、皮带秤本身安装不平，存在较大的α角，皮带张力又随物料多少及多种因素的影响而变，误差相应变化。

在以上分析研究的基础上，申请人提出了本发明散状物料高精度皮带称重单元：主要由称重传感器、承重梁、托辊支架、称重托辊组成。其中，至少两根基本平行的托辊支架两端分别支撑称重托辊，中部与横跨两边的承重梁固定连接，形成日字形结构，承重梁与称重传感器传力件固定连接，该称重传感器为单点式称重传感器，其底座两侧固定安装在皮带运输机的机架上。由此构成独特的单点称重单元。工作时，物料在通过皮带时将重量传递到称重托辊，两组基本对称的称重托辊通过托辊支架、承重梁将重量传递到称重传感器，从而完成重量信号的检测。

与各种现有技术相比，本发明的称重单元具有如下结构特点：

1、一个称重单元只有唯一的一个称重支撑点，故名“单点式”。不仅结构简化，更重要的是具有长期稳定性。因为无论是秤台自身的结构件还是支撑称台的机架均无法避免受力之后以及时效应力导致的变形，在此情况下，多支撑点秤台各支撑点的相对位移势必相互干涉，而为避免干涉采用悬挂铰链或柔性铰链，则不仅使结构繁化，而且会因配合间隙带来新的误差，因此长期稳定性差一直是难以解决的问题。而本发明的称重单元单点支撑，既无干涉之虞，又不存在支撑点间的相互运动，故具有理想的长期稳定性。

2、采用与单点支撑对应的单点式称重传感器。由于本发明大胆设计了单点支撑结构，因此允许选用单点式称重传感器，虽然这种静态秤上采用的传感器以前没有应用在动态的皮带秤，但与皮带秤常用的传感器相比，具有两大优点：1、抗偏载能力强--同一物质在单点传感器支承的平台任一点传感器测得的数值相等，因此可以有效避免皮带上物料偏载对称重的影响；2、只检测垂直方向上的力，对水平方向的作用力完全排除，因此不必增设消除水平作用力的机构，完全消除上述的误差项，连接结构也更为简化。

3、具有简捷合理的结构。承重梁用薄钢板折弯成∏型结构，合理的较大梁高设计以较轻的材料重量取得理想的抗弯模量。由于单点式传感器体积较大，采用两只称重托辊中间用一只传感器来担负的结构模式，即增大了有效称重量，又降低了平台重心和总体高度，同时解决了大体积传感器的安置难题，十分巧妙合理。

在以上基本称重单元的基础上，本发明的散状物料高精度皮带称重阵列系统的皮带运输机机架上，两端分别安置固定托辊，两端之间安置一组间隔分布的称重单元，所述称重单元主要由单点式称重传感器、承重梁、托辊支架、称重托辊组成；所述托辊支架至少两根，基本平行，两端分别支撑称重托辊，中部与横跨两边的承重梁固定连接，形成日字形结构；所述承重梁与称重传感器传力件固定连接；所述称重传感器的承力件固定在底座梁上，所述底座梁两侧固定安装在皮带运输机的机架上。这样便构成了多级串联的称重阵列。

这种串联称重阵列的称重单元数取决于称重精度的要求以及安装空间位置和成本。从结构本身来看，对串联的级数没有限制。

通过以上分析已知，皮带称重的误差主要源于称重结构以及皮带张力。改进称重结构可以减小或消除称重结构本身的误差，但皮带张力的影响仍无法消除。而通过对本发明称重阵列的理论分析可以证明，该阵列系统具有抵消皮带张力导致的误差的作用效果。

本发明的散状物料高精度皮带称重阵列系统可以简化为图6的力学模型，分析皮带张力影响，可以得到对称重单元产生的误差为2Fp×sin α，此时相邻两托辊各自受到大小为Fp×sin α且方向相反的作用力。当某一称重单元的相邻托辊为固定托辊的特殊情况时，其产生的上述误差无法抵消，而除此之外的所有情形——相邻辊为称重辊时，上述误差可以相互抵消。

为分析方便，图6可以进一步简化为图7所示的称重单元阵列模型，设皮带张力Fp在本阵列内不变、皮带上物料载荷均匀分布、奇数单元下沉高差相同，偶数单元高度不变。根据前述误差分析公式可得本称重阵列的误差为：

单元N1的误差为(+2F_P×sin α)；

单元N2的误差为(-2F_p×sin α)；

……

单元N(N为偶数时)的误差为(-Fp×sin α)

依次类推，系统综合误差为：

∑F_w-∑F_c＝(F_m1-F_c1)+(F_m2-F_c2)+...(F_mn—F_cn)

         ＝(+2F_p×sin α)+(—2F_p×sin α)-------

         ＝+2F_P×sin α(N为奇数时)

         ＝-Fp×sin α(N为偶数时)

由此可见，不论称重单元数为多少，误差项均为固定的数值，而随着单元数的增加，整个系统的相对误差将变小。也就是说，在本发明的上述称重阵列中，皮带张力的影响将只限于头、尾两只固定托辊。可以证明，每个单元两只称重托辊的实际情况符合以上分析结论。

从理论上可以证明，现有结构的常规皮带秤组合成上述阵列系统，由于其皮带称重单元自身存在上述种种问题，因此无法达到抵消误差的作用效果。换言之，要构成本发明的称重阵列系统，其称重单元本身必须具有简洁、稳定、高效的特点，因此可以说，本发明的称重单元为本发明的称重阵列系统奠定了基础。

本发明的称重阵列系统具有以下特点：

1、秤台与传感器只有唯一的刚性连接关系，与皮带机架无任何联系，因此可排除形变影响，也排除了传力结构中非直接连接产生的附加误差，为恶劣环境中的稳定使用提供了保障。

2、所用传感器数量最少，所获得的有效称量段最长，传感器所受有效载荷远高于其它结构方式，使得构成的称重阵列系统简洁且具有最高的效率，信号处理系统也随之简化。

3、秤台结构刚度好且重量轻，当采用10组单元组成一个称重阵列时，总重量仅为500Kg，经济性极好，且系统简洁易于安装与维护。

4、在阵列内部的称重托辊出现沾料、偏心等状态时，对称重并无影响，对日常维护要求大为降低(现有常规皮带秤则由于其结构对皮带张力的高度敏感，称重托辊的状态变化是其主要误差来源之一，故对托辊的制造和使用的维护都有苛刻的要求)。

综上所述，本发明的散状物料高精度皮带称重单元和阵列系统可以有效消除自身结构以及皮带张力导致的称重误差，从而具有理想的计量精度，并且稳定性好，可以长期保持计量精度，加之结构简单、成本经济，因此有望作为贸易结算的实用称重计量设施。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1是现有多托辊双杠杆皮带秤结构示意图。

图2是现有全悬浮多托辊皮带秤结构示意图。

图3是本发明称重单元的简化结构图。

图4是图3的力学分析图。

图5是图6中承重梁内传感器安装结构示意图。

图6是本发明一个称重单元实施例的结构示意图。

图7是本发明称重阵列系统的简化结构图。

图8是图7进一步的简化结构图。

具体实施方式

实施例一

本实施例的散状物料高精度皮带称重阵列系统中的称重单元如图5和6所示，主要由称重传感器12、承重梁11、托辊支架10、称重托辊3组成。托辊支架10有两根，基本平行，两端分别通过支撑件支撑三段式V字形称重托辊3。承重梁11采用薄钢板折弯成∏形，以较小的重量取得较大的抗弯模量，虽是轻型结构却有很高的抗荷重下沉能力。∏形承重梁11两端附近开有与托辊支架10相配的凹缺，两根托辊支架10的中部分别卡在承重梁11对应位置的凹缺中焊接固定连接，形成日字形结构。参见图5所示，∏形承重梁11内安置单点式承重传感器12。该传感器12的传力件通过螺栓与承重梁11固定连接，承力件固定在底座梁1上。底座梁1两端为从∏形承重梁11伸出的伸出端，用于安装固定在皮带输送机的机架上。邻近∏形承重梁11两端口的底座梁1上分别焊接有垂直挡板，不仅起到加强底座梁1刚性的作用，而且具有防尘作用，可以保持传感器免受污染。底座梁1上的垂直挡板与伸出端之间焊接有三角形加强筋，因而进一步增强了底座梁1的刚性。

通常单点式传感器体积较大，采用上述两只称重托辊中间用一只传感器来“挑”起称重的结构即增大了有效称重量，又降低了平台重心和总体高度，同时解决了传感器的安置难题。工作时，皮带上散状物料的重量通过称重托辊传递到托辊支架，再由承重梁传递到称重传感器的传力件，并作用于安装在底座梁的传感器承力件上，可以用图3的结构简图表示，其力学分析如图4所示。

将上述称重单元串联起来，即可构成散状物料高精度皮带称重阵列系统。具体实现方式为在皮带运输机机架两端分别安置固定托辊3’，两端之间安置一组间隔分布的称重单元N1…Ni，如图7或进一步简化为图8所示，阵列系统中的称重单元数N可从1到数十。理论和试验表明，使用单元数达到8即可具有商贸计量精度。与各种现有技术相比，可用下表表示其特点：

 

	本实施例	多托辊双杠杆	全悬浮多托辊	单辊悬浮	备注
						传感器数量	1	1～2	3～4	2
有效称量段	2L	2L(2托辊)4L(4托辊)	2L(2托辊)4L(4托辊)	1L	L为托辊安装间距
						传感器承受有效重量	2P<sub>L</sub>	约1.2P<sub>L</sub>2.2P<sub>L</sub>	4×2/4P<sub>L</sub>4×4/4P<sub>L</sub>	2×1/2P<sub>L</sub>	P<sub>L</sub>为托辊间距长皮带上的物料重量
水平力克服方式	单点式传感器结构	双杠杆相互抵消	加水平力拉紧簧片	传感器结构与安装位置	水平力为皮带运行时产生的有害附加力
						秤台传感器连接方式	单点刚性直连	左右秤架与传感器双重铰支	4点悬挂	2点柔性支点
秤台与机架连接	无任何连接	4个铰支点	水平拉紧簧片	无任何连接
						传感器匹配要求	无	无	有较高要求	有较高要求
秤台重量	50Kg	400-800Kg	200-500Kg	约30Kg	以B＝800皮带计算
						秤台刚度荷重下沉	约0.1mm	0.2-0.5mm	0.2-0.5mm	约0.1mm	每米皮带料重100Kg为准

由此可见，本实施例的散状物料高精度皮带称重阵列系统具有突出的实质性特点和显著的进步。测试证明，现有皮带秤的计量精度通常只有0.5％，且不稳定，而本实施例的计量精度达到0.1％并保持稳定，因此可应用于各种皮带称重的场合，实现为对长皮带上散状物料的高精度计量，成为一种能够被认可的商贸计量皮带秤，从而改变散状物料计量长期以来一直依靠吃水线的传统称重方式。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种散状物料高精度皮带称重单元，主要由称重传感器、承重梁、托辊支架、称重托辊组成；其特征在于：所述称重传感器为单点式称重传感器；所述托辊支架至少两根，基本平行，两端分别支撑称重托辊，中部与横跨两边的承重梁固定连接；所述承重梁与称重传感器的传力件固定连接；所述称重传感器的承力件固定在底座梁上；所述底座梁两侧固定安装在皮带运输机的机架上。

2、根据权利要求1所述散状物料高精度皮带称重单元，其特征在于：所述承重梁用薄钢板折弯成∏形构成。

3、根据权利要求2所述散状物料高精度皮带称重单元，其特征在于：所述∏形承重梁两端附近开有与所述托辊支架相配的凹缺，两根托辊支架的中部分别卡在承重梁对应位置的凹缺中固定连接。

4、根据权利要求3所述散状物料高精度皮带称重单元，其特征在于：所述底座梁两端为从所述∏形承重梁伸出的伸出端，邻近所述∏形承重梁两端口的底座梁上分别固连有垂直挡板。

5、根据权利要求4所述散状物料高精度皮带称重单元，其特征在于：所述底座梁上的垂直挡板与伸出端之间焊接有三角形加强筋。

6.一种散状物料高精度皮带称重阵列系统，含有皮带运输机机架，所述皮带运输机机架两端分别安置固定托辊，两端之间安置一组间隔分布的称重单元，其特征在于：所述称重单元主要由单点式称重传感器、承重梁、托辊支架、称重托辊组成；所述托辊支架至少两根，基本平行，两端分别支撑称重托辊，中部与横跨两边的承重梁固定连接，形成日字形结构；所述承重梁与称重传感器传力件固定连接；所述称重传感器的承力件固定在底座梁上；所述底座梁两侧固定安装在皮带运输机的机架上，构成多级串联的称重阵列。

7、根据权利要求6所述散状物料高精度皮带称重阵列系统，其特征在于：所述承重梁用薄钢板折弯成∏形构成。

8.根据权利要求7所述散状物料高精度皮带称重阵列系统，其特征在于：所述∏形承重梁两端附近开有与所述托辊支架相配的凹缺，两根托辊支架的中部分别卡在承重梁对应位置的凹缺中固定连接。

9.根据权利要求8所述散状物料高精度皮带称重阵列系统，其特征在于：所述底座梁两端为从所述∏形承重梁伸出的伸出端，邻近所述∏形承重梁两端口的底座梁上分别固连有垂直挡板。

10.根据权利要求9所述散状物料高精度皮带称重阵列系统，其特征在于：所述底座梁上的垂直挡板与伸出端之间焊接有三角形加强筋。

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