吊鉤秤的機(jī)械**性分析
一、吊鉤秤機(jī)械**的重要性
隨著社會(huì)和經(jīng)濟(jì)技術(shù)的不斷發(fā)展，**問(wèn)題越來(lái)越受到人們的重視，對(duì)產(chǎn)品**性的要求也越來(lái)越高。其中，起重機(jī)械**又是國(guó)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*近幾年發(fā)生的多起重大起重**事故有關(guān)。電子吊秤作為起重機(jī)械的一個(gè)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(guó)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(jì)量產(chǎn)品的身份出現(xiàn)，歸計(jì)量部門(mén)管理。計(jì)量部門(mén)關(guān)注的更多是計(jì)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(jì)規(guī)范和**監(jiān)管制度。這就需要我們關(guān)注的又一個(gè)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(gè)中間環(huán)節(jié)，無(wú)疑應(yīng)該具有與起重機(jī)和吊具索具相當(dāng)?shù)?*性能，才能保證整個(gè)起重機(jī)械系統(tǒng)的**水平。
電子吊秤的機(jī)械**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(chēng)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(guò)程中的計(jì)量，但是也用于工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的工藝控制，因此，計(jì)量的對(duì)象可能是一般的商品，也可以是熔融的液態(tài)金屬一類(lèi)的危險(xiǎn)品。電子吊秤的**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(duì)電子吊秤的**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**要求
與吊鉤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(shuō)得具體一點(diǎn)就是各類(lèi)吊鉤和各類(lèi)吊具。各類(lèi)吊鉤和各類(lèi)吊具的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、**規(guī)程以及使用維護(hù)注意事項(xiàng)等具體內(nèi)容很多，按設(shè)計(jì)、制造、使用三個(gè)階段來(lái)劃分，可概括如下：
1、設(shè)計(jì)階段
①承載結(jié)構(gòu)應(yīng)力求簡(jiǎn)單，受力明確，傳力直接，減少應(yīng)力集中的影響。
②設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮動(dòng)載、磨損、腐蝕、溫度、工作環(huán)境等因素對(duì)**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(wú)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(duì)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(gòu)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(jì)要求使用專(zhuān)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(hào)、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(shí)，應(yīng)附有**使用、維護(hù)保養(yǎng)說(shuō)明書(shū)。
3、使用階段
①?gòu)?qiáng)調(diào)使用過(guò)程中的定期**檢查。
②有明確的報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn)。
三、用起重機(jī)械的**標(biāo)準(zhǔn)來(lái)審視吊鉤秤
1、設(shè)計(jì)
電子吊秤的機(jī)械設(shè)計(jì)可分為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度設(shè)計(jì)，兩者對(duì)**都很重要。這里想就結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)多說(shuō)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(jiàn)的形式加以分析比較。以傳感器的受力方式來(lái)分：
**類(lèi)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。
**類(lèi)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(guò)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?0t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(guò)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(gè)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*為廣泛的一種。可能是因?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(lèi)“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(guò)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(huì)對(duì)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(guò)大的預(yù)緊力。
③由于連接件設(shè)計(jì)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(jì)，同是螺紋連接，其**性也有所不同。
①筆者查閱了國(guó)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眯偷腟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(wú)疑就減小了螺紋的有效載荷裕量。緊螺紋連接需要更大的**系數(shù)才能保證**，特別是不使用扭矩扳手控制預(yù)緊力的場(chǎng)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(wèn)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(duì)比較高。也就是說(shuō)，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(huì)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(jì)了專(zhuān)用的整體式的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**性。
上述**類(lèi)結(jié)構(gòu)的三種設(shè)計(jì)還有一個(gè)共同的特點(diǎn)，就是整個(gè)系統(tǒng)的**性不可能高于傳感器自身的**系數(shù)。雖然理論上也可以另外設(shè)計(jì)過(guò)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(hào)源，為了保證測(cè)量準(zhǔn)確度又不允許靈敏度太低，這就限制了傳感器的**系數(shù)不可能太高。
在**類(lèi)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(lèi)結(jié)構(gòu)相比，**類(lèi)結(jié)構(gòu)有三個(gè)優(yōu)點(diǎn)：
一是承載環(huán)節(jié)沒(méi)有采用螺紋連接，而是只有軸銷(xiāo)連接，結(jié)構(gòu)的可靠性和**性相對(duì)要好不少。
二是反向器可以采用起重機(jī)械**標(biāo)準(zhǔn)推薦的低合金鋼材料。這類(lèi)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(jì)更大的**系數(shù)，即使傳感器過(guò)載損壞時(shí)，機(jī)械系統(tǒng)仍可以是**的。有些教科書(shū)中稱(chēng)之為“無(wú)限壽命設(shè)計(jì)”。
可以說(shuō)，這是電子吊秤***的機(jī)械結(jié)構(gòu)。
以上僅僅是針對(duì)當(dāng)前市場(chǎng)上的常見(jiàn)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(jì)。比如通過(guò)球鉸或通過(guò)十字軸銷(xiāo)過(guò)渡再連接吊鉤，可以減小連接螺紋可能受到的彎矩，提高了**水平。
2、制造
制造過(guò)程也是保證機(jī)械**性的關(guān)鍵。
①材料自身的質(zhì)量對(duì)產(chǎn)品的**性影響不可輕視。筆者曾對(duì)鋼材市場(chǎng)上的不同廠家的40Cr棒材做過(guò)分析，其質(zhì)量差別還是很明顯的。對(duì)于起重結(jié)構(gòu)件來(lái)說(shuō)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(duì)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(jí)對(duì)結(jié)構(gòu)件疲勞壽命的影響更明顯。
②制造技術(shù)對(duì)吊秤機(jī)械**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(gè)方面，部分大量程產(chǎn)品可能會(huì)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(zhuān)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(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)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**要求的。
③產(chǎn)品標(biāo)識(shí)和**使用維護(hù)說(shuō)明。電子吊秤作為計(jì)量產(chǎn)品，相關(guān)的準(zhǔn)確度等級(jí)、計(jì)量器具制造許可證等標(biāo)志清楚，有關(guān)計(jì)量的使用的說(shuō)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(jí)別，盡管電子吊秤的國(guó)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(jí)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(guò)程中有關(guān)機(jī)械**的注意事項(xiàng)，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(lái)，一般的起重工自然難以用常規(guī)方法進(jìn)行**檢查，**隱患也就更難以發(fā)現(xiàn)。
一般電子吊秤也沒(méi)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**隱患。
3、使用
除了上面提及的因?yàn)橹圃焐坍a(chǎn)品標(biāo)識(shí)和**使用維護(hù)說(shuō)明上的不足引起的**問(wèn)題以外，也有用戶方面原因引起的，例如：
①起吊過(guò)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(dòng)，可能使電子吊秤受到彎矩作用，對(duì)于結(jié)構(gòu)中有螺紋連接的吊秤尤為不利。
四、斷裂事故案例分析
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?jiàn)圖1。對(duì)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(guò)標(biāo)準(zhǔn)。這類(lèi)較大的夾雜對(duì)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(lèi)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(huì)迅速擴(kuò)大，*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。
圖1 X100
在另一起類(lèi)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(duì)沖擊韌性影響*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(gè)與吊秤機(jī)械結(jié)構(gòu)和使用都有關(guān)的問(wèn)題。吊秤的機(jī)械結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。結(jié)構(gòu)的上部使用的是吊環(huán)螺釘。盡管用戶聲稱(chēng)實(shí)際稱(chēng)重量從未超過(guò)10t，但還是發(fā)生了斷裂事故。
經(jīng)過(guò)觀察事故吊秤，發(fā)現(xiàn)螺桿系疲勞斷裂。疲勞源左右對(duì)稱(chēng)，但是裂紋擴(kuò)展區(qū)并不對(duì)稱(chēng)，斷裂區(qū)約為整個(gè)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(shuō)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(wèn)題在于，彎矩何來(lái)？
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(jiàn)圖3。
經(jīng)與用戶溝通，該秤常在在一臺(tái)15t的吊車(chē)上使用。也就是說(shuō)，吊鉤尺寸較大而吊環(huán)相對(duì)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(gè)接觸點(diǎn)。這就使得吊環(huán)螺釘受力以后不容易自動(dòng)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(shí)，又經(jīng)常受到一個(gè)附加彎矩的的作用，也可以說(shuō)，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*終導(dǎo)致斷裂。
圖2 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(xiàng)目，專(zhuān)用于鋼卷的搬運(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(shí)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(qǐng)金屬材料檢測(cè)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(méi)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(gè)疲勞源，大體在對(duì)稱(chēng)位置，疲勞擴(kuò)展區(qū)占了斷面三分之二以上。*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(shuō)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(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖4。與我們通常的電子吊秤不同的是，C型吊鉤直接通過(guò)軸銷(xiāo)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
我們知道，在起重作業(yè)過(guò)程中，重物通常要作上下、左右、前后運(yùn)動(dòng)，有勻速運(yùn)動(dòng)，也要有加速、減速運(yùn)動(dòng)。電子吊秤除了承受重物的重量外，不可避免地受到各個(gè)方向的附加慣性力。這些附加力有多少會(huì)傳到傳感器上，取決于機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。圖四的結(jié)構(gòu)中，下軸銷(xiāo)方向的附加慣性力不可避免地會(huì)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(lái)又為另一起類(lèi)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(wèn)題是重物在水平方向運(yùn)動(dòng)時(shí)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(duì)螺桿而言是一個(gè)彎矩。在這個(gè)彎矩和重力載荷的反復(fù)作用下，*終發(fā)生疲勞破壞。
有關(guān)教科書(shū)中在談到螺紋聯(lián)結(jié)的抗疲勞設(shè)計(jì)時(shí)提到，“在涉及抗疲勞設(shè)計(jì)時(shí)，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?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)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(yǔ)
吊鉤秤是計(jì)量產(chǎn)品，當(dāng)然應(yīng)該重視計(jì)量性能。**問(wèn)題又是所有產(chǎn)品的*基本的要求，更應(yīng)該給予足夠重視。**問(wèn)題涉及到設(shè)計(jì)、材料、制造、使用、監(jiān)管方方面面，本文也僅僅是限于個(gè)人一己之見(jiàn)，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**標(biāo)準(zhǔn)，提高電子吊秤的**水平，促進(jìn)這個(gè)行業(yè)的健康發(fā)展。
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