| 【摘 |
| 要】 本文從設計、制造和使用維護三個(gè)環(huán)節分析了電子吊秤在機械安全方面存 |
| 在的若干問(wèn)題，并舉了幾個(gè)案例加以說(shuō)明，提出應該按起重機械的相關(guān)標準來(lái)要求電子 |
| 吊秤，以提高電子吊秤的機械安全水平。 |
| 【關(guān)鍵詞】 |
| 電子吊秤；機械安全；螺紋；偏心載荷；疲勞；分析 |
| 一、電子吊秤機械安全的重要性 |
| 隨著(zhù)社會(huì )和經(jīng)濟技術(shù)的不斷發(fā)展，安全問(wèn)題越來(lái)越受到人們的重視，對產(chǎn)品安全性 |
| 的要求也越來(lái)越高。其中，起重機械安全又是國家質(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zui近幾年發(fā)生的多起重大起重安全事故有關(guān)。電子吊秤作為起重機械的 |
| 一個(gè)中間環(huán)節，也應該引起我們的關(guān)注。 |
| 電子吊秤在中國出現也就是近三十年的事，比其它起重機械要晚很多，應用范圍也 |
| 小一些，又是以計量產(chǎn)品的身份出現，歸計量部門(mén)管理。計量部門(mén)關(guān)注的更多是計量性 |
| 能，因此，至今還未形成像起重機械那樣的機械設計規范和安全監管制度。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上使用的。 |
| 電子吊秤上接起重機，下接吊具索具。作為起重機械使用中的一個(gè)中間環(huán)節，無(wú)疑應該 |
| 具有與起重機和吊具索具相當的安全性能，才能保證整個(gè)起重機械系統的安全水平。 |
| 電子吊秤的機械安全事故的表現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)程中的計量， |
| 但是也用于工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的工藝控制，因此，計量的對象可能是一般的商品，也可以 |
| 是熔融的液態(tài)金屬一類(lèi)的危險品。電子吊秤的安全事故造成損害可能就不僅是摔壞貨 |
| 物，而是有可能產(chǎn)生更為嚴重的后果。所以，我們必須對電子吊秤的安全性給予足夠的 |
| 關(guān)注，防患于未然。 |
| 二、起重機械相關(guān)零部件和吊具的安全要求 |
| 與電子吊秤上部和下部相連接的起重機械相關(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)標準、安全規程以及使用維護注意事項 |
| 等具體內容很多，按設計、制造、使用三個(gè)階段來(lái)劃分，可概括如下： |
| 1、設計階段 |
| ①承載結構應力求簡(jiǎn)單，受力明確，傳力直接，減少應力集中的影響。 |
| ②設計時(shí)應考慮動(dòng)載、磨損、腐蝕、溫度、工作環(huán)境等因素對安全性能的影響。 |
| ③承載結構應有足夠的強度、剛度和穩定性。 |
| ④承載結構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承載件表面與內部應無(wú)足以影響使用的缺陷，且應有良好的抗疲勞性能。 |
| ②鍛件纖維走向、軋制件軋制方向應力與受力方向保持一致。對采用氣割等方法加 |
| 工表面形成的熱影響區必須予以消除。 |
| ③制造材料、外購零部件必須有制造單位的合格證等技術(shù)證明文件，否則應進(jìn)行檢 |
| 驗，查明性能合格后方可使用。 |
| ④高強螺栓連接應按技術(shù)設計要求使用工具擰緊。 |
| ⑤經(jīng)檢驗合格的產(chǎn)品，制造單位應在其適當位置作出不易磨損的標記，并簽發(fā)合格 |
| 證。標記內容至少應包括：額定起重量（極限工作載荷）、檢驗標志、生產(chǎn)編號、制造日 |
| 期、制造單位；合格證內容應包括主要技術(shù)性能參數；產(chǎn)品售出時(shí)，應附有安全使用、 |
| 維護保養說(shuō)明書(shū)。 |
| 3、使用階段 |
| ①強調使用過(guò)程中的定期安全檢查。 |
| ②有明確的報廢標準。 |
| 三、用起重機械的安全標準來(lái)審視電子吊秤 |
| 1、設計 |
| 電子吊秤的機械設計可分為結構設計和強度設計，兩者對安全都很重要。這里想就 |
| 結構設計多說(shuō)兩句。 |
| 電子吊秤的結構形式很多，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)結構：傳感器受拉力，例如使用 S 型傳感器、LN 拉式傳感器。 |
| 第二類(lèi)結構：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)螺釘的）。多用于 10t 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。 |
| 前兩種結構都有螺紋連接承載全部載荷。我們知道，螺紋是機械連接中應用zui為廣 |
| 泛的一種?？赡苁且驗閼锰毡榱?，在當今科學(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，忘記了這是應予特別注意的 |
| 零部件，忽視了不少技術(shù)細節。螺紋是一種復雜的表面，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，主要受力結構件的承載螺紋而言，可能的影響因 |
| 素有： |
| ①采用高強材料，缺口敏感性強。制造過(guò)程中材料的熱處理，機械加工的表面粗糙 |
| 度、圓角，乃至原材料中的雜質(zhì)多少和形態(tài)都會(huì )對螺紋的壽命產(chǎn)生影響。 |
| ②擰緊力矩的控制不當，使螺紋受到過(guò)大的預緊力。 |
| ③由于連接件設計不當，或機械加工精度低，或使用不當，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 傳感器的設計，同是螺紋連接， |
| 其安全性也有所不同。 |
| ①筆者查閱了國內主要傳感器廠(chǎng)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。這可能是因為通用型的 S 型傳感器普遍采用的是內螺紋， |
| 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安全系數才能保證安全，特別是不使用扭矩扳手控 |
| 制預緊力的場(chǎng)合。 |
| 在電子吊秤中，S 型傳感器的連接通常是短螺紋連接。短螺紋連接還有應力幅值偏 |
| 大的問(wèn)題應該關(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比較高。也就是說(shuō)，S 型傳 |
| 感器上的內螺紋硬度比較高。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(chǎng)家設計了的整體式的 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安全性。 |
| 上述*類(lèi)結構的三種設計還有一個(gè)共同的特點(diǎn)，就是整個(gè)系統的安全性不可能高 |
| 于傳感器自身的安全系數。雖然理論上也可以另外設計過(guò)載保護結構，但是由于成本將 |
| 大大增加，事實(shí)上采用的很少。而傳感器作為信號源，為了保證測量準確度又不允許靈 |
| 敏度太低，這就限制了傳感器的安全系數不可能太高。 |
| 在第二類(lèi)結構中，選用扭環(huán)式傳感器或輪輻式傳感器，利用反向器實(shí)現和卸扣、吊 |
| 鉤的連接。多用于 20t 及以上量程。 |
| 與*類(lèi)結構相比，第二類(lèi)結構有三個(gè)優(yōu)點(diǎn)： |
| 一是承載環(huán)節沒(méi)有采用螺紋連接，而是只有軸銷(xiāo)連接，結構的可靠性和安全性相對 |
| 要好不少。 |
| 二是反向器可以采用起重機械安全標準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。 |
| 三是反向器可以設計更大的安全系數，即使傳感器過(guò)載損壞時(shí)，機械系統仍可以是 |
| 安全的。有些教科書(shū)中稱(chēng)之為“無(wú)限壽命設計”。 |
| 可以說(shuō)，這是電子吊秤的機械結構。 |
| 以上僅僅是針對當前市場(chǎng)上的常見(jiàn)產(chǎn)品結構所做的分析比較，實(shí)際情況當然要復雜 |
| 一些。即使采用同樣的傳感器，實(shí)際連接可以不止一種設計。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，提高了安全水平。 |
| 2、制造 |
| 制造過(guò)程也是保證機械安全性的關(guān)鍵。 |
| ①材料自身的質(zhì)量對產(chǎn)品的安全性影響不可輕視。筆者曾對鋼材市場(chǎng)上的不同廠(chǎng)家 |
| 的 40Cr 棒材做過(guò)分析，其質(zhì)量差別還是很明顯的。對于起重結構件來(lái)說(shuō)不能僅僅看其 |
| 化學(xué)成分和機械性能，金相檢驗也是必要的。這對有缺口敏感性的高強材料而言，鋼材 |
| 的晶粒度、鋼材中夾雜物的等級對結構件疲勞壽命的影響更明顯。 |
| ②制造技術(shù)對吊秤機械安全的影響是不言而喻的，主要體現在主要受力結構件的鍛 |
| 打、熱處理、機械加工三個(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(chǎng)家，并注意加強 |
| 產(chǎn)品的驗收環(huán)節。 |
| 這里特別強調一下連接螺紋的加工。電子吊秤中主要受力結構件的承載螺紋與直柄 |
| 吊鉤上的螺紋受力狀況其實(shí)是相當接近的。直柄吊鉤國家標準中對相關(guān)螺紋和螺母有詳 |
| 細的要求，包括材質(zhì)、熱加工、切削加工以及檢驗方法和要求。一些電子吊秤廠(chǎng)家只按 |
| 照普通緊固件的要求加工螺紋是達不到起重機械的安全要求的。 |
| ③產(chǎn)品標識和安全使用維護說(shuō)明。電子吊秤作為計量產(chǎn)品，相關(guān)的準確度等級、計 |
| 量器具制造許可證等標志清楚，有關(guān)計量的使用的說(shuō)明也很詳細。但是，很少有廠(chǎng)家標 |
| 明電子吊秤的起重工作級別，盡管電子吊秤的國家標準中規定“與起重機配合工作的電 |
| 子吊秤應按 GB/T 3811-1983 中 4.1.3 確定其工作級別”。筆者不止一次發(fā)現，用戶(hù)在使用 |
| 非常頻繁的起重機上使用普通的電子吊秤，導致斷裂事故的發(fā)生。 |
| 至于其它使用過(guò)程中有關(guān)機械安全的注意事項，電子吊秤廠(chǎng)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械結構和電子儀表罩起 |
| 來(lái)，一般的起重工自然難以用常規方法進(jìn)行安全檢查，安全隱患也就更難以發(fā)現。 |
| 一般電子吊秤也沒(méi)有采取措施限制使用次數或規定使用期限，實(shí)際上也是一種安全 |
| 隱患。 |
| 3、使用 |
| 除了上面提及的因為制造商產(chǎn)品標識和安全使用維護說(shuō)明上的不足引起的安全問(wèn) |
| 題以外，也有用戶(hù)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，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動(dòng)，可能使電子吊秤 |
| 受到彎矩作用，對于結構中有螺紋連接的吊秤尤為不利。 |
|
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| 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)為調質(zhì)，硬度 |
| HRC28—32。 |
| 斷裂螺釘的金相見(jiàn)圖 1。對照 |
| GB3077-1999 合金結構鋼標準可以看 |
| 出，所用材料夾雜大小明顯超過(guò)標準。 |
| 這類(lèi)較大的夾雜對材料力學(xué)性能的影 |
| 響主要是降低材料的塑性、韌性和疲 |
| 勞性能，特別是在高強鋼內部，這類(lèi) |
| 夾雜形成的應力集中在較低的應力水 |
| 平下也能形成裂紋！而裂紋一旦出現， |
| 就會(huì )迅速擴大，zui終導致構件斷裂。 |
| 此外，該材料還有比較明顯的偏析， |
| 也降低了材料強度。 |
| 在另一起類(lèi)似事故中，我們發(fā)現金相組織中有魏氏體存在。魏氏體的存在使鋼的強 |
| 度、塑性、韌性都大幅度降低，尤其是對沖擊韌性影響zui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、偏大的吊鉤導致的 10t 吊秤下連接件連接螺桿斷裂 |
| 這是一個(gè)與吊秤機械結構和使用都有關(guān)的問(wèn)題。吊秤的機械結構見(jiàn)圖 2。結構的上 |
| 部使用的是吊環(huán)螺釘。盡管用戶(hù)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(guān)察事故吊秤，發(fā)現螺桿系疲勞斷裂。疲勞源左右對稱(chēng)，但是裂紋擴展區并不 |
| 對稱(chēng)，斷裂區約為整個(gè)截面的三分之一。斷口初步觀(guān)察表明，斷裂區面積較小，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，才是導致斷裂的主要 |
| 原因。問(wèn)題在于，彎矩何來(lái)？ |
| 進(jìn)一步仔細觀(guān)察發(fā)現，吊環(huán)螺釘內環(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(xiàn)比較遠，見(jiàn)圖 3。 |
| 經(jīng)與用戶(hù)溝通，該秤常在在一臺 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)，螺紋是因為承受的是大小不確定，但是方向確定的偏心載荷而zui終導致斷裂。 |
| 圖1 |
| X100 |
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| 圖3 |
| 3、C 型吊鉤直接連接下拉頭導致傳感器螺紋斷裂 |
| 這是一家金屬制品廠(chǎng)的技改項目，于鋼卷的搬運。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(chǎng)起重操作規范，不存在操作失誤。而傳感器是用 40CrNiMoA 制造，熱 |
| 處理規范，螺紋直徑 M52X3，似乎也不應該發(fā)生這樣的事故。只好請金屬材料檢測中 |
| 心做斷口分析。 |
| 分析表明，傳感器材料的金相組織 |
| 以及機械性能基本達到標準要求，沒(méi)有 |
| 發(fā)現可能導致斷裂的缺陷。斷口形態(tài)屬 |
| 疲勞破壞，左右兩個(gè)疲勞源，大體在對 |
| 稱(chēng)位置，疲勞擴展區占了斷面三分之二 |
| 以上。zui后斷裂區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)生的所以還得從結構上找原因。 |
| 原設計結構簡(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 |
| 們知道，在起重作業(yè)過(guò)程中，重物通常要作上下、左右、前后運動(dòng)，有勻速運動(dòng)， |
| 也要有加速、減速運動(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，取決于機械結構設計。圖四的結構中， |
| 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)似結構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 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，對螺桿而言是一個(gè)彎矩。在這個(gè)彎矩和重力載荷的反復作用下，zui終發(fā) |
| 生疲勞破壞。 |
| 有關(guān)教科書(shū)中在談到螺紋聯(lián)結的抗疲勞設計時(shí)提到，“在涉及抗疲勞設計時(shí)，應該 |
| 強調的是結構接頭的疲勞特征，而不是它的靜強度。” |
| 這也是我們在設計時(shí)應該加以注意的。只要注意到了，也就是可以防范了。 |
| 五、結束語(yǔ) |
| 電子吊秤是計量產(chǎn)品，當然應該重視計量性能。安全問(wèn)題又是所有產(chǎn)品的zui基本的 |
| 要求，更應該給予足夠重視。安全問(wèn)題涉及到設計、材料、制造、使用、監管方方面面， |
| 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，完善電子吊秤的機械安全標準，提高電子吊秤的安全水平，促進(jìn)這個(gè)行業(yè)的健康 |
| 發(fā)展。 |
| 參考文獻 |
| 1．GB3811-2008 起重機設計規范。 |
| 2．LD48-93 起重機械吊具與索具安全規程。 |
| 3．廖景娛 <金屬構件失效分析> 化學(xué)工業(yè)出版社 2003 年。 |
| 4．凌武寶 <可拆卸聯(lián)接設計與應用> 機械工業(yè)出版社 2006 年。 |
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