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—— 試論科學思維與行為方式對研發陣列式皮帶秤的作用
科(ke)學(xue)的(de)思(si)維方式和科(ke)學(xue)的(de)行為(wei)方式，是科(ke)學(xue)技(ji)術取(qu)得實質性(xing)進步的(de)保障。郭(guo)沫若曾說:“既異想天開(kai)，又(you)實事求是”是科(ke)技(ji)工(gong)作者特有的(de)風(feng)格。因為(wei),“科學(xue)是(shi)講求實(shi)(shi)際的(de)。科學(xue)是(shi)老老實(shi)(shi)實(shi)(shi)的(de)學(xue)問，來不得(de)半點虛假，需(xu)要付出艱巨(ju)的(de)勞動(dong)。同(tong)時，科學(xue)也需(xu)要研發，需(xu)要幻(huan)想(xiang)，有(you)幻(huan)想(xiang)才能打(da)破傳統的(de)束縛，才能發展(zhan)科學(xue)。”“深究現狀、勇于創造、嚴(yan)謹(jin)驗證”是科學(xue)的(de)(de)(de)思維行(xing)為方式，也是每一位(wei)(wei)成功(gong)者必需的(de)(de)(de)基本(ben)素(su)質(zhi)。只有對現有技術有了(le)深入研(yan)究，對其現狀乃至歷史中(zhong)所(suo)顯示和(he)隱(yin)含的(de)(de)(de)優點以及缺(que)陷與不(bu)足(zu)十分熟悉(xi)，才(cai)(cai)會有改(gai)進的(de)(de)(de)意愿與設(she)想；只有大膽突破(po)現有技術所(suo)依托的(de)(de)(de)理論依據，才(cai)(cai)能構思出(chu)新穎的(de)(de)(de)技術方案；只有對新方案進行(xing)全方位(wei)(wei)的(de)(de)(de)嚴格測試，不(bu)厭其煩地仔細驗證，才(cai)(cai)能使所(suo)研(yan)造的(de)(de)(de)技術經得(de)起推敲(qiao)，能在實際中(zhong)發揮(hui)前所(suo)未有的(de)(de)(de)進步作用。
1. 對現有技術的深入(ru)探(tan)究催(cui)生了新型皮帶秤的研發
1.1 皮帶秤(cheng)的推廣(guang)應用(yong)為何困難重重
帶(dai)式(shi)輸(shu)(shu)送(song)(song)機是當今使(shi)用最普(pu)遍的散(san)料連(lian)續輸(shu)(shu)送(song)(song)設(she)備，具有輸(shu)(shu)送(song)(song)量(liang)可(ke)小可(ke)大、傳(chuan)輸(shu)(shu)距離可(ke)近可(ke)遠、設(she)備與配套設(she)施總價低廉、適用場合廣(guang)泛(fan)、安裝位置靈活(huo)等(deng)優(you)點(dian)(dian)。嵌裝于(yu)帶(dai)式(shi)輸(shu)(shu)送(song)(song)機的皮(pi)帶(dai)秤不僅繼承(cheng)了(le)帶(dai)式(shi)輸(shu)(shu)送(song)(song)機的全部(bu)優(you)點(dian)(dian)，并且能在物料連(lian)續輸(shu)(shu)送(song)(song)過程中(zhong)同時(shi)實現自動累計(ji)稱重，作業效率高、便于(yu)跟自動化系統組合。在礦(kuang)山、冶(ye)金(jin)、港口、電力等(deng)行(xing)業常需輸(shu)(shu)送(song)(song)與計(ji)量(liang)大宗散(san)料，照理(li)，皮帶秤應當是用戶的(de)首(shou)要選擇。然而(er)現實情況是，倘有經常性的(de)良好維(wei)護(hu)和校準條件，皮帶秤(cheng)的(de)使用誤差約為1～5％，而(er)大多數皮(pi)帶秤還達不到，正是“欲說愛你不容易！”。因(yin)此，那些(xie)皮帶秤的潛(qian)在(zai)客戶有時(shi)不得不選擇效率低、不能(neng)實現連(lian)續作業的非自動衡器(qi)，甚而沿用(yong)看船舶吃水線這樣的落(luo)后計量方(fang)式(shi)。
對普通皮帶秤進行(xing)分析后發現，現有技術存在以下問題：
⑴ 準確(que)度不夠
皮帶秤作為連續累計自動衡器，現行國內外(wai)標準規定的準確(que)度等級是0.5級，低于(yu)非連續累(lei)計(ji)自動衡器(qi)(如料斗秤) 和(he)非自動衡器(qi)(如汽車秤)。
⑵ 制造成本高
按(an)傳(chuan)統(tong)理論，要求(qiu)稱重(zhong)框架(jia)在最大流量下撓度小于0.5mm，托輥的徑(jing)向(xiang)跳動應(ying)小于0.2mm，軸向竄動小于0.5mm。因此，為提(ti)高剛度、秤體結構(gou)笨重；托輥需要精(jing)密制造精(jing)密裝(zhuang)配。
⑶ 對現場配套的(de)皮帶(dai)輸送(song)機要求高，適(shi)用性差
按傳統理論制(zhi)造的(de)皮帶秤(cheng)，對與之相連的(de)輸送機的(de)縱(zong)梁撓(nao)度(du)、傾(qing)角，皮(pi)帶的整圈長度、密度一致性和接縫，附屬的(de)皮(pi)帶糾偏裝置(zhi)和卸料(liao)裝置(zhi)，落料(liao)點數(shu)量，等等都有嚴格的(de)規(gui)定，適(shi)用場(chang)合受很多限制。
⑷ 安裝調(diao)整困難
由于秤(cheng)體笨重，秤(cheng)架在輸送機上就位(wei)時十分不(bu)易，勞動強(qiang)度大還(huan)不(bu)安(an)全。
普通皮帶秤要求諸托輥與皮帶接觸的共面(mian)度(亦稱準直性) 不大(da)于0.5mm，需要仔細調整，十分(fen)繁瑣(suo)。
校準(zhun)(zhun)須用物(wu)料試(shi)驗，滿(man)足要求的控制衡器價格貴、不易獲得，模(mo)擬載荷校準(zhun)(zhun)的置(zhi)信(xin)度差。
⑸ 耐久(jiu)性差
由于上述要求不(bu)易做到(dao)，即使暫時(shi)做到(dao)了(le)，但在通常的環(huan)境和工(gong)況下(xia)也難以保(bao)持，因此普(pu)通皮帶秤不(bu)能長久(jiu)地保(bao)持檢定時(shi)的性能指標。
⑹ 使用麻煩
為了維(wei)持使用(yong)性能，用(yong)戶必(bi)須經(jing)常(chang)維(wei)護，頻繁地清掃秤架、調校托輥、校正(zheng)參(can)數。
1.2 用戶對所期(qi)盼(pan)皮帶秤的要求
顯然，尚(shang)未(wei)克服上(shang)述種(zhong)種(zhong)弊(bi)端的(de)皮(pi)帶(dai)(dai)秤，并非是(shi)用(yong)戶(hu)真心所需要(yao)的(de)。能(neng)讓用(yong)戶(hu)滿意的(de)皮(pi)帶(dai)(dai)秤應滿足下(xia)列(lie)要(yao)求：
·具有同(tong)汽車(che)秤、料(liao)斗秤相近的(de)準確度，且能長期保持；
·對(dui)嵌裝皮帶秤的輸送機要求不高，能適應各種現場使用(yong)；
·無(wu)需頻繁調校(xiao)，日常使用(yong)免(mian)維護，可采(cai)用簡便的手段(duan)進(jin)行有(you)效地(di)校準(zhun)；
·高度(du)智能(neng)化(hua)運行、狀態早期(qi)自診斷，具有遙測、遙訊(xun)、遙控(kong)功能(neng)。
皮(pi)帶秤(cheng)是(shi)與皮(pi)帶輸(shu)送機相連的(de)(de)自動衡(heng)器，而(er)通常(chang)皮(pi)帶輸(shu)送機的(de)(de)工作環(huan)境(jing)和(he)技術狀態滿足不了皮(pi)帶秤(cheng)所(suo)需的(de)(de)上述(shu)種種要(yao)求(qiu)。大(da)多數制(zhi)造(zao)商走(zou)的(de)(de)道路是(shi)，改造(zao)皮(pi)帶輸(shu)送機及其環(huan)境(jing)使之適應皮(pi)帶秤(cheng)，然(ran)而，改造(zao)的有些要求近(jin)于苛刻，且難(nan)以(yi)長久保持；因此，大多數用戶更(geng)希望的(de)(de)是(shi)(shi)皮帶秤能夠盡量適應他們的(de)(de)皮帶輸(shu)送(song)機和現(xian)場條件。用戶所期盼(pan)的(de)(de)是(shi)(shi)我們的(de)(de)愿景，也(ye)是(shi)(shi)我們據以全新的(de)(de)理念，“造世界皮帶秤”成了(le)南京(jing)三(san)埃人的(de)(de)奮斗目標。
2. 對傳(chuan)統理論的(de)大膽(dan)突破指引了新型(xing)皮(pi)帶秤的(de)設計(ji)
2.1 傳統(tong)理(li)論使皮帶秤的(de)改進長期停滯不前
皮帶具有(you)足夠的切向(xiang)張(zhang)力T是(shi)輸送(song)機正常運行所必需的(de)，然而皮(pi)帶不僅會(hui)將物料及其自身重力M傳(chuan)遞給稱(cheng)重托(tuo)輥使之下(xia)沉，其(qi)自身還會在相鄰(lin)托(tuo)輥間距內產生下(xia)垂，使皮帶(dai)與(yu)水平(ping)方向形成夾角α，于是在皮帶的法向產生分力2T?sinα，這(zhe)一使稱重傳感器(qi)測(ce)到的力變為W =M -2T?sinα，而不等于(yu)M。
分析皮(pi)帶秤誤差時，常被(bei)引用的(de)公式是[1]：
ER＝±2kdT/nqL2
式中：ER—相對(dui)誤差，k—皮帶效應系數，d—稱重(zhong)輥垂(chui)直(zhi)位移，T—皮帶張力，n—稱重輥組(zu)數，q—單位長(chang)度皮(pi)帶(dai)上的料重，L—托輥(gun)間距(ju)
據(ju)此可知，欲減小ER應(ying)當減小k、d、T，增加n、q、L。但是，
（1）系數k是(shi)一個多元函數，目前還難以(yi)定量(liang)，只知(zhi)道皮帶的剛度越(yue)大時k值也越大。通常認為，皮(pi)(pi)帶(dai)的剛度與皮(pi)(pi)帶(dai)的彈性模量、托輥(gun)組槽型、托輥(gun)組間距(ju)及皮(pi)(pi)帶(dai)張力(li)等多重因素有關(guan)，因此歷來都(dou)繞開(kai)了k系數；
（2）T的減小受到限制，太(tai)小了會(hui)使皮帶不能張(zhang)緊(jin)而下垂量(liang)加大，容易造成撒料，并(bing)致皮帶與水平方向的夾(jia)角(jiao)α隨之(zhi)增大，皮帶張力的法向分力2T?sinα也增大，還會(hui)導致運行時打滑；為(wei)了T不至(zhi)于(yu)過(guo)分大，皮帶的整(zheng)圈長度(du)不能太長，托(tuo)輥間距也(ye)不能過大；
（3）L帶有(you)平方指數，增加L似乎能明顯帶來好處，然而并不能過于加(jia)長，因為L大了也會使皮帶(dai)的下垂量加大，并導致α也增大；
（4）要減小d就需使秤框、稱重托輥支(zhi)架(jia)、輸送機縱梁(liang)、稱重傳感(gan)(gan)器支(zhi)承梁(liang)的撓度乃至稱重傳感(gan)(gan)器彈性(xing)體的變形量小，因(yin)此就需加強機械(xie)構件的剛度和(he)降(jiang)低傳感(gan)(gan)器的靈敏度；同時要(yao)保證相鄰(lin)托輥組的準直(zhi)性；
（5）增加q會使輸(shu)送機(ji)及(ji)秤架等機(ji)械構件的變(bian)形(xing)量增加，就需進一步加大(da)機(ji)械構件的強度與剛(gang)度；
（6）對于常(chang)規有框架的懸浮(fu)式(shi)或(huo)杠桿(gan)式(shi)稱(cheng)量臺，增加(jia)稱(cheng)重(zhong)托輥組n也(ye)就意味(wei)著(zhu)需要(yao)同(tong)時(shi)增加秤框的(de)長度和鋼材的(de)截面(mian)積。
雖然(ran)上述(shu)分析(xi)有一定道理，但是據(ju)此對(dui)皮帶秤所提出的要(yao)求也是苛刻的。秤架為(wei)了提高剛度而(er)越做約笨(ben)重。圖2是澳大利亞知名皮帶秤制造商CST公司(si)生產的(de)一種皮帶秤(cheng)稱量(liang)臺的(de)秤(cheng)框和托輥支(zhi)架，是何等的(de)“壯實(shi)”喲！為了使全部稱重托輥組(zu)及相鄰的若干組(zu)輸送托輥圓周面(mian)與(yu)皮帶(dai)相切的各條母線(xian)的共面(mian)度(準直性(xing))在0.5mm以內，需要(yao)十分(fen)精(jing)心仔細(xi)地調校，即使(shi)有的廠家動用(yong)激光(guang)準直儀(yi)在安裝時暫(zan)且做(zuo)到了，然而，氣(qi)候和時效(xiao)中的(de)應力變化都可(ke)能使(shi)原(yuan)本精心調好的(de)準直性遭(zao)到破壞(huai)，而皮(pi)帶、托輥的(de)松動或沾料更可(ke)能使(shi)改變的(de)尺寸遠遠超過(guo)要求的(de)共(gong)面度公差(cha)，又(you)怎能體現皮(pi)帶秤的(de)耐久性呢？種種不切實際的(de)要(yao)求妨(fang)礙(ai)了皮帶秤的(de)發展與進步。
圖1 皮帶張(zhang)力(li)的法向分力(li)對稱重(zhong)的影響 ; 圖2 澳大利亞CST公司(si)生產的秤框(kuang)和托輥支(zhi)架
2.2 皮(pi)帶秤新誤差理(li)論要點及其指導作用
南京三(san)埃公司董事長及其(qi)帶(dai)領的(de)(de)新(xin)品(pin)研發團隊有(you)多人從事電子秤的(de)(de)事業(ye)二三(san)十年以上，具有(you)先后服(fu)務于用(yong)戶(hu)與生(sheng)產廠(chang)的(de)(de)經(jing)歷(li)，同(tong)時擁有(you)兩(liang)種角(jiao)色的(de)(de)視角(jiao)和關注面(mian)，又做了大(da)量的(de)(de)科學實驗，在吸(xi)收傳統理(li)論(lun)的(de)(de)同(tong)時進行了揚棄和突(tu)破，總結(jie)出了一套新(xin)的(de)(de)皮(pi)帶(dai)秤誤差理(li)論(lun)，設計出了其(qi)結(jie)構按傳統理(li)論(lun)不可(ke)思議的(de)(de)陣列式皮(pi)帶(dai)秤，并取得了成功。
2.2.1“內(nei)力”理論
南京三埃公司(si)的“內力”理論認為：在一(yi)個連續排布的稱重陣(zhen)列中(zhong)，相鄰單(dan)元(yuan)(yuan)皮帶張(zhang)力的影(ying)(ying)響會相互抵(di)消(xiao)，皮帶張(zhang)力的影(ying)(ying)響對于(yu)陣(zhen)列內部(bu)各單(dan)元(yuan)(yuan)總的影(ying)(ying)響量為零(ling)、僅首(shou)、尾單(dan)元(yuan)(yuan)受其影(ying)(ying)響。
據此理論，南(nan)京三(san)埃公(gong)司創造的(de)陣列(lie)式皮帶秤，由連(lian)續(xu)安裝的(de)多(duo)個獨立(li)稱重(zhong)單(dan)元級(ji)聯(lian)而(er)成。它不僅把張力影響轉化為了(le)(le)“內(nei)力”；并且大大增加了(le)(le)稱重(zhong)托輥(gun)組數n，又(you)因各單元(yuan)之間沒有連(lian)接框(kuang)架(jia)而不笨重(zhong)。
2.2.2 “皮(pi)帶(dai)效應(ying)主導”理論(lun)
南京三埃(ai)公司的“皮帶(dai)(dai)效應主導”理(li)論認為：在皮帶(dai)(dai)秤的各種誤差因子(zi)中，皮帶(dai)(dai)張力T和(he)垂直位移d造成(cheng)的誤差是(shi)相對固(gu)定且可以消除的，不(bu)是(shi)皮帶秤(cheng)產生(sheng)誤差的主要原因；導致皮帶秤(cheng)產生(sheng)耐久性誤差的罪魁禍首是(shi)皮帶效應系數k。
皮(pi)帶(dai)效應是指(zhi)皮(pi)帶(dai)的硬度、彈(dan)性等物理特(te)性及截面形狀等對(dui)稱重產生的效應。它作用(yong)在秤(cheng)架(jia)上，對(dui)皮(pi)帶(dai)秤(cheng)的受力(li)及力(li)的傳遞(di)產生極大的影(ying)響。皮(pi)帶(dai)效應系數(shu)k取決于皮帶(dai)狀(zhuang)態及所處環境。
不同氣候和環境(jing)條件下試(shi)驗的對(dui)比分析數(shu)據表(biao)明，皮帶狀態在短(duan)期內(nei)相(xiang)對穩定、長(chang)時間后變化明顯；皮帶狀態對α關系不(bu)大；皮帶狀(zhuang)態隨(sui)時間、溫度、張力、流量(liang)及(ji)皮帶材質、軟硬(ying)度、截面形狀(zhuang)而變化(hua)，對稱量(liang)結果影響很大，是(shi)皮帶秤長(chang)期穩定性差的最大影響因素。三埃(ai)公司通過大量(liang)的實(shi)驗并利用物(wu)聯(lian)網技術，積累了大量(liang)的狀(zhuang)態參數(shu)，對k系數(shu)有了比他人更加深(shen)入的了解。
因此，南京三(san)埃(ai)公司(si)不(bu)(bu)再把主攻方向放在提高(gao)秤(cheng)體的剛度(du)和(he)托(tuo)輥的準直性上，而(er)是放在了(le)各種環境的適(shi)應性補償機制上。例(li)如，不(bu)(bu)僅要(yao)考(kao)慮溫(wen)度(du)對傳感器(qi)和(he)稱(cheng)重儀表等電子部(bu)件的影響(xiang)，還顧及了(le)溫(wen)度(du)對皮帶、秤(cheng)架等機械構件的影響(xiang)。
1. 對研發樣機的嚴格測評(ping)保障了新型皮帶(dai)秤(cheng)的性能(neng)
3.1 立足實踐，一切以(yi)數(shu)據說話
南(nan)京三埃公司在研發(fa)過(guo)程(cheng)中堅持奉行“實(shi)踐是檢驗真理的(de)(de)標準”這一科學原(yuan)則，對于任何新的(de)(de)想法(fa)或改進(jin)方案須一律(lv)經(jing)過(guo)大量的(de)(de)實(shi)際試(shi)驗來驗證(zheng)其(qi)真實(shi)性和可行性。陣列(lie)式(shi)皮帶秤從研發(fa)雛形構思到(dao)產(chan)品正式(shi)定型(xing)推向市場之前，進(jin)行了四年多的(de)(de)物料試(shi)驗。
目前皮帶(dai)秤(cheng)動態試(shi)驗的(de)(de)資源還很缺(que)乏，在評價(jia)皮帶(dai)秤(cheng)時普遍(bian)采用(yong)無(wu)皮帶(dai)輸(shu)送機(ji)的(de)(de)靜態模擬試(shi)驗方法，試(shi)驗結果的(de)(de)可信度往往不夠。為保證(zheng)試(shi)驗過程與實際使用(yong)的(de)(de)相(xiang)似性，南京三埃公(gong)司(si)不惜投入2000萬元(yuan)巨資，建設了一個皮(pi)帶秤實驗室。（2011年4月在倫敦英國(guo)國(guo)家法制計(ji)量院召開的OIML 皮帶秤(cheng)國(guo)際(ji)建議(草案)第3稿(gao)研討會(hui)上(shang)澳大利亞代表(biao)Mr.Chris Davies、荷蘭NMI的Mr. P Kok的發言）”
3.2 以特有的(de)惡劣工況(kuang)適應性試驗(yan)考核產品的(de)耐久性
計量器具能否(fou)長期提供(gong)可靠的(de)(de)計量數據是(shi)用(yong)戶的(de)(de)主要關(guan)注(zhu)點，現(xian)行皮帶秤(cheng)技(ji)術法規也設置了耐久(jiu)性(xing)條款，然而沒有(you)提出如何評價(jia)皮帶秤耐久(jiu)性(xing)的(de)具體試驗(yan)方法與指標。鑒于皮帶秤的(de)耐久(jiu)性(xing)在很大程度上體現在它對于惡劣環境和工況的(de)適應能力，我(wo)們采用了能夠量(liang)化并可復現的模擬(ni)惡劣工況試(shi)驗來評(ping)價(jia)皮帶秤的耐久性，包括：（1）給(gei)料(liao)流量(liang)變動(dong)影(ying)(ying)響(xiang)試驗(yan)，（2）皮帶張力(li)變動(dong)影(ying)(ying)響(xiang)試驗(yan)，（3）托輥跳動(dong)和非準(zhun)直性影(ying)(ying)響(xiang)試驗(yan)，（4）水平力(li)影(ying)(ying)響(xiang)試驗(yan)，（5）帶速變動(dong)影(ying)(ying)響(xiang)試驗(yan)等在內的試驗項目列入了企業標準，不僅要求陣(zhen)列(lie)式皮帶秤在普通(tong)狀(zhuang)態(tai)下物(wu)料(liao)試驗(yan)的自動稱量(liang)誤差達到檢定時的指標(biao)；還(huan)要(yao)求在模擬惡劣(lie)工況下的誤差不大于正(zheng)常狀(zhuang)態(tai)下使用中(zhong)檢驗(yan)的指標(biao)。有些同(tong)行認(ren)為我們在企(qi)業標(biao)準中(zhong)加入這些條(tiao)款(kuan)無疑(yi)是“作繭自(zi)縛”， 好心(xin)地(di)勸誡我們別“自討苦(ku)吃”。確實，這些年來我們在這個試驗中心(xin)的(de)勞作中吃了不(bu)少(shao)的(de)苦，但“作繭”的(de)成果(guo)是(shi)“化蝶”，而不(bu)是(shi)“自縛”。通過(guo)大量的物料(liao)試驗(yan)，我們積(ji)累了許(xu)多資(zi)料，發現并驗證了諸多完善產品結構、改(gai)進(jin)產品性能(neng)的辦法，使(shi)陣列(lie)式(shi)皮帶秤(cheng)得(de)以能在(zai)各種惡劣的環境和工況中長期保持優于0.2%的準確度，成為客戶樂于選用的大宗(zong)散狀物料快速貿(mao)易(yi)計量的解(jie)決方案(an)。
4 結語
2008年，南京(jing)三埃有(you)限公(gong)司向全世界公(gong)開了(le)經過其長期研究(jiu)和驗證所獲得的(de)成(cheng)果—陣列(lie)式電子皮帶秤，揭開(kai)了我國(guo)皮帶秤向(xiang)海外(wai)強盛國(guo)家發展的序幕。與普通(tong)皮帶(dai)秤相(xiang)比，陣列式皮(pi)帶秤的穩定性、準確度(du)、耐久性、可(ke)維(wei)護性等各(ge)項(xiang)關鍵性能均有(you)很大(da)的提高(gao)，超越了國際法制計量組織(zhi)(OIML)現行國際(ji)建議(R50:1997E)準確度(du)等級(ji)(0.5級)的性能指(zhi)標。因此，受到(dao)了(le)越來越多的用戶青睞，并(bing)得到(dao)OMIL皮帶秤工作(zuo)組外國專業技(ji)術人員的贊賞。
陣列式皮(pi)帶秤能取得如(ru)此(ci)巨大的(de)(de)(de)成功，有多(duo)方(fang)面的(de)(de)(de)因素，跟它(ta)的(de)(de)(de)秤架(jia)及稱重儀表(biao)軟(ruan)硬件的(de)(de)(de)都有關系。本文僅涉及“深究現狀(zhuang)、勇于創造、嚴(yan)謹驗證(zheng)”這種科(ke)學的(de)(de)(de)思(si)維和行為方(fang)式對于研發的(de)(de)(de)構思(si)、創意(yi)、改進的(de)(de)(de)重要(yao)作用。
[ 參(can)考文(wen)獻 ]
[1] [英] K.E.Norden著，陸(lu)伯勤等譯. 工業過(guo)程用電子(zi)秤[M]. 北京，冶金工業出版社，1991：212~213.