天平检修中横梁吊耳的托翼也是一个要关注的重要因素

2014-03-14郑州市质量技术监督检验测试中心河南有线网络集团有限公司

上海计量测试 2014年4期

朱琳吴迪/ . 郑州市质量技术监督检验测试中心；. 河南有线网络集团有限公司

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0 引言

在天平的开关过程中，把天平的横梁和吊耳落下或支起的机构叫天平的横梁吊耳托翼。托翼起着隔离和定位的作用，它的隔离作用是指当天平关闭不用或往秤盘上加、取重物或砝码时，把横梁和吊耳托起，刀刃和刀承脱离接触，形成一缝隙叫刀缝，以保护刀刃不受损坏；它的定位作用是指天平在开、关运动中，刀刃相对刀承的相对位置保持不变，即是保证刀刃和刀承接触位置的复现性。

天平刀刃相对刀承接触位置的复现性是减小天平示值变动性的一个重要因素。当开启天平时，中刀刃相对中刀承的移动和边刀刃相对边刀承的移动都会使天平产生较明显的示值变动性。为了减小这种示值变动性。对于准确度越高的天平，要求托翼的结构形式越合理。托翼结构形式已成为影响天平准确度的一个重要因素。

刀缝宽度的大小，如中刀缝需要调多宽，中刀缝和边刀缝宽度的比例应为多大，这是天平修理过程中必然碰到的一个问题，而这个问题的解决也有赖于对托翼结构形式的分折。因此，研究天平托翼结构形式，对天平修理和天平设计都是很有意义的。

1 托翼的结构

为了把横梁和吊耳托起，在托翼上安装有横梁支销和吊耳支销。根据三点定平面的原理，横梁支销最少需三个，这三个支销组成横梁的三角定位器。为了保证中刀刃相对中刀承接触位置的复现性，同时又便于调整起见，在横梁上和三个支销相配合的是所谓的点、面、槽结构，即在横梁的一个臂上有一个固定的圆锥窝，在另一个臂上固定一个小平板，平板的一端做成横向槽，另一端是平面，天平关闭时有两个支销的尖端分别进入圆锥窝和横向槽内，第三个支销支在平面上。支销和圆锥窝相配合，使横梁不致发生左右移动，支销和平面相配合是三点定位不可缺少的一个支点。对秤量大而准确度高的天平，托翼上的横梁支销有四个，组成矩形的四点定位器，在横梁上和四个支销相配合的是槽、槽、槽、面结构，即横梁一端的圆锥窝用两个互相垂直的横向槽和纵向槽代替，横梁另一端的槽和面不变。横梁支销的高低和在托翼上的位置是可调的，调整横梁支销可以确定横梁在中刀承上的高低和前后左右位置。

横梁两端的吊耳也有用装在托翼上的三个吊耳支销支起的，吊耳上和三个支销相配合也为点、面、槽结构。由于狭长形的吊耳重心一般都很低，下面又挂有很重的秤盘，吊耳在秤盘的重力作用下可以自然成水平状态，因此通常用前后两个支销支起吊耳便可以了。为了使吊耳不致前后左右相对边刀刃移动，同时又便于调整起见，吊耳上和两个支销相配合的为点、槽结构（槽为纵向槽）。显然吊耳必须调到其重心在通过边刀刃的竖直面内，否则，在开启天平时吊耳会产生耳折，甚至滑下。

为了减少摩擦和精确定位，托翼上的支销尖以及与其相配合的横梁、吊耳上的点、面、槽有的用专门镶嵌的玛瑙做成。

2 托翼的分类及比较

托翼按其结构形式通常有如下分类：折翼式、固定式、单层升降式和双层异步升降式四种。

折翼式托翼是托翼的两翼围绕着自己的转轴上、下移动，从而把横梁和吊耳托起和落下。由于吊耳支销的旋转半径比横梁支销的旋转半径大，因而，吊耳的下降速度比横梁的下降速度快，如果刀缝调整合适，即边刀缝比中刀缝小到一定程度，可以在开启天平时做到边刀刃与边刀承先于中刀刃与中刀承相接触，或同时接触。如分度值为0.1 mg的杠杆天平上多采用折翼式托翼。

边刀刃先于中刀刃与刀承相接触或同时接触(即边刀缝先消失，中刀缝后消失，或同时消失)这是开关天平所要求的，因为这样，在天平的整个开关过程中，能保证天平横梁水平的上升和下降，如图1所示：在（a）的位置为天平的关闭状态，三刀缝都存在，横梁支销托住横梁。当天平横梁下降到（b）的位置，两个边刀缝同时消失，中刀缝由大变小，中刀缝仍存在。由于横梁支销仍托住横梁，横梁不会偏转，并处于水平状态。当横梁下降到（c）的位置，横梁支销脱离横梁，中刀刃与中刀承接触，这时横梁有了支点，可开始摆动。在关闭天平时，横梁由（c）到（b）再到（a）的位置。总之，在整个开或关的过程中横梁都是水平地下降和上升。

图1

如果是中刀刃先于边刀刃与刀承相接触，如图2所示的情况。

图2

当横梁由（a）水平地下降到（b）时，中刀刃便和中刀承相接触，横梁有了支点，横梁支销失去作用，空横梁本身不可能十分平衡，因而发生偏转，这时悬柱系统的负荷并没有加到边刀刃上。在这种情况下，空横梁发生偏转很容易造成中刀刃相对中刀承的移动，因而容易引起示值变动。当横梁（b）的位置到（c）的位置的过程中，空横梁在一边吊耳的压力下发生反偏转，由于吊耳对边刀刃的冲击，甚至使空横梁发生快速往返的摆动，使边刀刃相对边刀承产生位移，而且由于边刀刃受冲击还会造成损坏。在关闭天平的过程中，同样的毛病仍会出现。

固定式托翼，是托其固定在立柱上不动，天平的开启和关闭，靠中刀承的上升和下降。因此在开启和关闭天平时，总是中刀刃先于边刀刃与刀承相接触，后于边刀刃与刀承相脱离，刀缝的变化情况如图2所示。而且由于中刀承必须升降幅度大，指针才能摆出标牌，中刀承升降幅大，就不好控制，容易发生扭动，因而是最差的一种托翼。如在分度值为10 mg的杠杆天平上多采用这种托翼。

升降式托翼，有单层升降式和双层异步升降式两种。单降式托翼其横梁支销和吊耳支销都固定在同一托翼上，因而升降速度相同，因此在开启天平时，只有中刀缝消失后边刀缝才能消失。在关闭天平时，边刀刃与边刀承脱离接触后，中刀刃才能与中刀承相脱离，刀缝的变化情况如图2所示。在高灵敏度天平上这种托翼也是很少采用的，如在分度值为l mg的杠杆天平上多采用这种托翼。

双层异步升降式托翼和上述几种托翼相比是最为合理的，在现代的高灵敏度天平如国产的分度值为0.0l mg、0.00l mg的杠杆天平上多采用这种托翼。分度值虽大，但秤量也大，相对准确度较高的天平也多采用这种托翼，如国产的秤量为1 kg、分度值为0.5 mg的杠杆天平采用的也是这种托翼。双层托翼也就是两个托翼，一个用来控制横梁支销的升降，一个用来控制吊耳支销的升降，而这两个托翼的升降是由底板下面开关制动轴上的两个偏心机构控制的，由于这两个偏心机构偏心的程度不同，两个托翼升降速度不同，因而叫异步升降式。控制吊耳支销的托翼升降速度快，双层异步升降式托翼很容易做到边刀刃先于中刀刃与刀承相接触或同时接触。双层异步升降式托翼较折翼式托翼的合理之处还在于：双层异步升降式托翼上的所有支销尖在垂直平面内作垂直升降，而折翼式托翼上的所有支销尖的升降运动轨迹为圆弧曲线，因而容易造成秤盘的摇荡。

3 刀缝宽度及与托翼结构的关系

天平刀缝的宽度与多种因素有关，其中最主要的因素是托翼的结构形式。例如，对折翼式托翼要保证在天平开启过程中，做到边刀缝先于中刀缝消失，或者边刀缝与中刀缝同时消失，不难推导出两种刀缝宽度的比例关系：设横梁支销的旋转半径为r，吊耳支销的旋转半径为R，中刀缝的宽度为H，边刀缝的宽度为h，设托翼的两翼从水平位置下旋一小角度α时，中刀缝与边刀缝同时消失，这时横梁支销下降的高度等于中刀缝的宽度，即：

对于小角(以弧度计)有近似式：sinα≈α代入式（1）H=rα，同理，吊耳的下降高度等于Rα。边刀缝的宽度应等于吊耳的下降高度减去横梁的下降高度，即：

那么，边刀缝与中刀缝宽度之比为

以国产的折翼式天平为例，横梁支销位于从中刀承中心线到吊耳支销间约距离处的位置，即：,代入上式得：。若要使边刀缝先于中刀缝消失，应有：。综合使边刀缝先于中刀缝消失或同时消失应有：。即边刀缝和中刀缝的宽度比例不大于1 : 2。在保证边刀缝宽度与中刀缝宽度比例的前提下,刀缝的绝对宽度与秤量的大小和灵敏度高低有关，灵敏度越高，刀缝的绝对宽度应适当窄些，秤量越大，刀缝的绝对值宽度应适当宽些。如国产的秤量为200 g、分度值为0.1 mg杠杆天平，中刀缝宽度一般约为0.5 mm，边刀缝宽度一般约为0.2 mm，如果再宽，就会增加天平的示值变动性，再窄，加上全量200 g 砝码或使用一段时间后，刀缝就会消失，致使刀刃损坏。

对于双层异步升降式托翼，多应用在准确度级别较高的微量分析天平，刀缝的绝对宽度应尽量小，但也应以开启天平时，边刀缝先于中刀缝消失或同时消失为原则。如国产的分度值为0.01 mg、秤量为20 g和分度值为0.001 mg、秤量为2 kg的杠杆天平，中刀缝宽度一般为0.3 ～ 0.2 mm，边刀缝宽度一般为0.2 ～ 0.1 mm，由于吊耳支销和横梁支销的升降是异步的，中、边刀缝的宽度没有严格的比例关系。

对于固定式托翼和单层升降式托翼，无论中、边刀缝宽度比例为多少，天平的开启总是中刀缝先消失，边刀缝后消失，刀缝宽度可适当大些。但由于天平空横梁是不平衡的，因此在天平开启过程中，天平横梁的左、右抖动是不可避免的。为了减小天平横梁的抖动，又需要把边刀缝调得窄些。对于固定式托翼，如国产的秤量为200 g、分度值为10 mg的杠杆天平，中刀缝宽度一般调到0.7 mm左右，边刀缝宽度一般调到0.4 mm左右。对于单层升降式托翼，如国产的秤量为100 g、分度值为1 mg的杠杆天平，中刀缝宽度一般调到0.6 mm左右，边刀缝宽度一般调到0.3 mm左右。

刀刃相对刀承的距离，即中刀缝和边刀缝的宽度是靠调整托翼上的横梁支销和吊耳支销的高度来实现的。在调整刀缝宽度时还应注意，无论中刀缝或是边刀缝，每个刀缝必须前后等宽，否则在开、关天平时，会发生跳针现象（即指针向前跳或向后跳或者前后交替跳）。另外两个边刀缝必须左、右等宽，否则在开关天平时，会发生带针现象（即指针向左或向右跳）。