120t 电子汽车衡称重传感器频繁损坏的原因分析与解决方案

刘燕江 高良祥 苏红生 李高桥

（云南云天化红磷化工有限公司）

汽车衡是一种大型地磅，是工矿企业用于大宗货物称量的衡器，主要用于汽车载货重量的称量。 汽车衡是列入国家强制检定目录的工作计量器具，实行强制检定，过磅的准确性不仅影响物流过磅绩效，也关乎企业的声誉。

云南云天化红磷化工有限公司过磅中心于2009 年3 月建成投用， 主要由4 台（编号为1#、2#、3#、4#）120t 的静态电子汽车衡及其管理系统组成。汽车衡的型号为SCS-D-120，长18m、宽3.4m，秤体由3 段6m 长的模块搭接构成， 采用8 个HBM C16iC3/40t 柱式传感器。过磅中心每年过磅车辆约5.4 万辆、物料净重约3 000kt。 公司对汽车运输的成品、煤、硫磺、矿石和厂内倒运物料按流程过磅计量，过磅数据作为双方结算的依据。

1 问题的提出

4 台汽车衡在投用后不到1 年就陆续出现较大的偏差、段差，同一车辆在同一汽车衡上的不同位置，其偏差、段差也不一样，袋装成品发运时由于车辆过磅超差不符合公司的放行要求而需要复磅。 同一车辆的毛重与皮重不在同一台汽车衡上过磅时，净重会产生较大的偏差，因此对于成品或是价值较高的物料，要求车辆的毛重和皮重在同一台汽车衡上过磅。4 台汽车衡的检修、段差调整频繁， 检修周期为1 个月。 4 台汽车衡从2009 年3 月投用到2015 年10 月停用，共损坏称重传感器78 个。 2013 年11 月2#汽车衡秤体塌台，把整个秤体吊出来检查时发现3 段秤体模块部分的U 型梁有不同程度的裂纹，第2 段秤体模块右边最外侧2 条U 型梁断裂。

2#汽车衡的解决方案是重新采购一台，秤体按150t 标准制作， 选用HBM C16iC3/60t 柱式传感器，基础不作任何改动，限位装置和方式不变。2#汽车衡更换后由于秤体纵向摆动幅度过大，8个传感器上头部均有不同程度的损伤而不能正常投用。 需要指出的是C16iC3/60t 柱式传感器高度为210mm， 而C16iC3/40t 柱式传感器高度为150mm。对2#汽车衡更换后出现的问题，文献［1］已有论述，表明2#汽车衡的这一改造方式不妥。

2 120t 汽车衡存在的问题和传感器损坏原因分析

电子汽车衡由基本部分和外围设备两部分组成，基本部分主要由基础、秤台、限位装置、称重传感器、接线盒和称重仪表组成［2］。被称重物或载重汽车置于秤体上，在重力作用下，秤体将重力传递至称重传感器，使称重传感器的弹性体产生变形，粘贴于弹性体应变梁上的应变计桥路失去平衡，输出与质量值成正比的电信号，通过称重仪表后处理显示出过磅车辆的质量值［3］。

2.1 120t 汽车衡存在的问题

2.1.1 汽车衡秤体

汽车衡秤体（承载器）承受汽车载荷，作用是把承载车辆的实际重量准确有效地传递到测量装置的称重传感器上。 秤体（台）是由台面钢板、主梁、端梁、传感器支撑座及秤体之间的连接装置等钢结构件组合焊接而成的一个平台型构件。技术文件显示：120t 汽车衡秤体由3 段U 型梁结构的模块搭接而成、面板厚16mm、端板厚16mm、7 条300mm 高的U 型梁、U 型梁间焊有加强筋板、模块搭接处有盖板。

实测损坏的2#汽车衡秤体的部分数据如下：

a. 3 段秤体模块的总重量12t， 对120t 汽车衡秤体来说，重量偏轻。

b. 6m 长的U 型梁由3 段2m 长的U 型梁拼焊而成，U 型梁钢板厚4mm、 高300mm。 文献［4，5］认为U 型梁的钢板厚度、高度、拼焊对120t汽车衡秤体的结构设计来说是不合理的，将直接影响秤体的刚度和强度。

c. 秤体焊接工艺和质量存在问题。

运行过程中出现的问题：

a. 秤体模块搭接处的盖板固定螺栓易脱落，从而导致盖板变形翘起。

b. 秤体模块搭接间隙大、传感器的支点和受力点不重合， 在轴载荷重作用下产生翻转力矩，使秤体连接处翘起。

c. 一些边角受力点的焊缝易炸裂，需经常补焊。

综上所述，秤体的结构设计不合理，制造工艺不达标，刚度和强度达不到120t 汽车衡的实际使用要求。

2.1.2 汽车衡限位

汽车驶入秤体时，会使秤体在水平方向有较大幅度的摆动，特别是重载车辆以较快的速度驶入时，会产生水平方向的冲击力，使秤体和传感器发生摇摆。 为保证秤体在技术允许范围内摆动并保护传感器不受较大水平分力的影响，设置纵横向限位装置［6］。 120t 汽车衡的限位装置是在秤体模块1 和模块3 的四角设置四纵四横8 颗可调节螺栓，即四角八位碰撞限位装置［7］（图1）。

图1 四角八位限位装置示意图

四角八位碰撞限位装置的优点是： 结构简单、使用方便、成本低，适用于要求不高的汽车衡。 缺点是：当温差变化较大时，秤台的热胀冷缩会使限位间隙产生变化，间隙过小易造成秤体卡死，间隙过大会使秤体晃动幅度过大，对传感器和称量精度造成影响。

2.1.3 称重传感器量程核算

当汽车衡的量程确定后，传感器的量程计算式为［8］：

式中 C——单个传感器的额定量程，t；

K0——保险系数，一般取1.2～1.3；

K1——冲击系数；

K2——秤体的重心偏移系数；

K3——风压系数；

N——秤体所采用支撑点的数量；

W——秤体自重，t；

Wmax——被称物体净重的最大值，t。

120t 汽车衡秤体自重12t，采用8 个传感器，相关参数为Wmax=120t、W=12t、N=8、K0=1.25、K1=1.18、K2=1.03、K3=1.02，则传感器的量程C=25.6t。

在实际使用中，一般应使传感器工作在其额定量程的30%～70%内， 则传感器的选型量程范围在36.6～85.3t， 因此120t 汽车衡选用40t 量程的传感器即能满足要求。

2.2 120t 汽车衡传感器频繁损坏的原因

秤体的结构设计不合理和制造工艺不达标，秤体的刚度和强度达不到120t 汽车衡的实际使用要求。 当重载车辆过磅时，秤体的变形量大且不均匀，传感器易单只过载而损坏。 由于秤体变形，调整角差时需要在相应的传感器下压头钢垫板下加减薄钢垫板，这样秤体越垫越变形、越垫越扭曲，传感器越易损坏。 秤体的变形量大，相应的限位间隙变大，秤体的摆动幅度就越大。

限位装置不合理， 秤体模块搭接间隙大，当重载车辆从秤体模块1 驶入时，其冲击力由模块1 碰撞到模块2 再到模块3 逐级放大， 经过三级放大的冲击力由模块3 纵向限位螺栓冲击到预埋钢板上实现碰撞限位。 由于冲击力大，纵向限位螺栓易损坏。 秤体变形量大，使传感器的摆动幅度过大，重力作用不再沿着传感器的轴线方向传递，产生的剪切分力不仅影响称重且易损坏传感器，极端情况下使传感器上下头部在剪切力的反复作用下折断。

安装传感器下压头的钢垫板没有与基础板进行可靠的固定连接。 在重载车辆反复冲击的综合作用下，钢垫板易移位，使传感器倾斜，更加容易损坏传感器。

近年来， 随着运输车辆类型的不断增多，装载能力不断提高，部分车辆已超出120t 的称重范围。 现场部分重载车为后8 轮车辆，其最大轴载达70t，已超国家标准规定的50t 轴载［9］，进一步加剧了秤体的变形和传感器的损坏。

综上所述，汽车衡秤体刚度和强度达不到实际使用要求、限位装置不合理、传感器下压头的钢垫板没有与基础板进行可靠固定，是过磅偏差大、准确性差和传感器频繁损坏的主要原因。

3 150t 新汽车衡的选用

汽车衡的硬件主要由称重仪表、称重传感器和秤体3 部分组成。 大多数汽车衡生产商只生产秤体，称重传感器、仪表选配和秤体结构设计缺乏合理的计算，生产制造工艺差别大，甚至同一秤体可以根据需要作为不同最大称量汽车衡的秤体［10］。 有关秤体的技术规范较少，只在GB/T 7723—2017《固定式电子衡器》第6 款提到结构的一般要求， 给出30～200t 大型衡器秤体的相对变形量技术指标和基础要求［11］，对汽车衡秤体结构设计只有最大载荷变形量要求，而没有着力点合理性的要求，实际上着力点是否合理直接影响汽车衡计量性能的稳定性和准确性。

结合过磅中心的实际情况， 选用2 台梅特勒-托利多（常州）测量技术有限公司的VTS256型150t 汽车衡，更换1#、4#汽车衡，称重仪表的量程仍按120t 设置。

3.1 150t 新汽车衡秤体

汽车衡U 型钢组焊秤体结构采用正交各向异性理论设计［12］，秤体整体强度高、抗扭和抗侧向力强，刚度优于1/1000，安全系数大于2.5。 U型梁一体化冷弯成形，定位时加载预拱，除增加秤体的承载力外还使台面不易积水。 U 型梁之间没有加强筋板，秤体焊接采用全自动埋弧焊。

技术文件显示：150t 汽车衡秤体由3 段U 型梁结构的模块搭接而成，搭接处无盖板；面板厚16mm； 端板厚30mm；7 条380mm 高U 型梁，秤体中间3 条U 型梁钢板厚6mm， 其余4 条U 型梁钢板厚8mm；3 段秤体模块设计用钢量约16t，实重16.5t。

3 段秤体模块分为主秤体、 副秤体和中间秤体，结构基本一样，区别主要是搭接部分。 秤体模块的搭接头由锥型销轴从下向上实现紧密连接，销轴的轴线下方安装称重传感器，秤体的支撑点与着力点重合，使秤体连接处不会翘起。

3.2 150t 新汽车衡限位

如图2 所示，合理的限位装置可以较好地控制冲击力对秤体和传感器产生的摆动幅度，从而减少对传感器和基础预埋板的冲击，提高汽车衡的使用寿命。 150t 汽车衡采用专利技术限位装置，纵向限位设置在两段秤体模块连接的中部位置，横向限位设置在秤体两端的侧面，纵横12 个限位点，纵横限位立板与预埋基础板连为一体。

限位装置组件及其基础预埋板由制造商整体提供，制造精度和质量有保证。 优点是纵横向限位均外置可见，调整方便；能够克服秤体热胀冷缩对限位间隙的影响，纵向以两段秤体模块连接中部为基准，让秤体热胀冷缩的变形量从中间往两端扩展，基本可以保证一次调整好限位间隙后，将来几乎不用调整或只需微调。 缺点是对基础的制作要求高，一次投入较大。

图2 专利技术限位装置

3.3 150t 新汽车衡称重传感器量程

150t 汽车衡秤体自重为16.5t，采用8 个传感器，Wmax=150t、W=16.5t、N=8、K0=1.25、K1=1.18、K2=1.03、K3=1.02，据式（1）计算得到传感器的量程C′=32.3t。

如使传感器工作在其额定量程的30%～70%， 则传感器的选型量程范围在46.1～107.7t，因此选用50t 量程的传感器即可满足要求。此外，在本例的工程实施中，150t 汽车衡实际是当120t用，已预留了足够的安全余量。 从图2 还可以看出，安装传感器下压头的钢垫板与基础板实现了可靠的固定，彻底解决了原120t 汽车衡钢垫板易移位的弊端。

4 1#、4#汽车衡运行效果

改造后的1#、4#汽车衡按JJG 539—2016《数字指示秤》检定规程检定合格［13］，2015 年10 月正式投用（同时2#、3#汽车衡停用），到目前为止已连续正常运行了近5 年，即改造后的2 台汽车衡不仅承担了原来由4 台汽车衡的全部过磅任务且过磅数据准确。 袋装成品发运时由于重量超差而返回装车点进行点包核实，点包后的事实无一例外地说明了过磅数据的准确性，不仅每年为公司挽回了数十万元的直接经济损失，还改善了装车系统的运行绩效。 2016～2019 年的过磅数据统计见表1。

表1 2016～2019 年的过磅数据统计

几年来的运行数据表明： 改造后的1#、4#汽车衡运行状况良好，每年1 次的周期检定过程及其数据给出了明确而又权威的结论。 实践还表明： 合理的限位装置可以有效限制秤体的振动，降低冲击力造成的过大振幅，限制传感器弹性体的摆动幅度，可以提高称重系统的结构稳定性和称重准确度，减小外界对传感器的疲劳荷载［14］。

5 结束语

设计合理、做工精良的电子汽车衡不仅能够明显降低未来多年的维护和修理成本，而且能防止因为精度误差造成潜在的产品或利润损失。 随着公司的发展， 过磅量逐渐增加，2#、3#汽车衡的改造已提上日程，120t 汽车衡称重传感器频繁损坏的综合原因分析以及1#、4#汽车衡的成功改造可作为直接的经验与指导，同时也为企业合理选用汽车衡提供参考案例。