电子皮带秤设计.docx
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1前言
1.1电子皮带秤的发展及目前的状况
1908年，美国的一个年轻人梅里克发明了一种能够称重的皮带输送机械设备，世界上第一台电子皮带秤就此诞生了，梅里克的这项发明很好的解决了物料的连续称量这种发明的称重装置也就被称作梅里克电子皮带机。
梅里克利用本发明成立了自己的公司，并且投入到生产实际当中。
我们在德国申克公司的历史回顾资料中，曾看到
“1902年，皮带秤”这一段产品编年史，表明该公司1902年就有皮带秤产品，但未看到更详细的叙述。
1940年以后电子皮带秤在美国等发达国家已经得到了广泛的生产与应用，相比
之我过电子皮带秤的发展速度较慢，不过进入21世纪之后，随着工业生产快速发张，通过电子皮带秤进行连续称量就显得格外重要，能很好的提高生产效率，因此我国也出现了很多电子皮带秤的生产厂家，对电子皮带秤的研究也进一步深入，使得电子皮带秤在我过快速发展起来。
1.2电子皮带秤特点
1、电子皮带秤的测量信号可以远距离输送，因此工作人员就可以在工作室内实现对生产测量流程的控制，可以对电子皮带秤进行调节，大大简化了工作的流程，提高了工作效率。
2、电子皮带秤的承载不分设计简单明了化，承载器的传力机构大大简化，使得维修维护方便了很多。
3、进行测量的部分精度越来越高，使得整个测量过程从人力物力方面都远胜于之前的普通机械式称量装置。
4、电子皮带秤的称重计量仪器可以远离工作现场，能够有效的保护仪器，增加仪器的使用寿命，而且电子皮带秤的秤架，测量用的传感器多为结构件，不容易损坏，电子皮带秤的安装要比普通的皮带秤简单许多，并且不受现场环境条件的限制。
能够长期稳定的工作。
5、与核子皮带秤相比，电子皮带秤不需要放射源，不存在安全隐患问题，并且电子皮带秤的使用精度要高于核子皮带秤，使用场合不受环境条件的限制，能够很好得满足大多数用户的需要。
电子皮带秤有以上这样的一些特点，使得电子皮带秤广泛的应用在工业生产的连续测量应用中，也使得电子皮带秤成为目前市场上的主流称重测量装置，其他一些皮带秤作为辅助的测量工具，电子皮带秤在未来的生产中将会得到进一步的发展与应用。
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1.3选题背景和意义
在美国英国等发达国家中，电子皮带秤很早就得到了广泛的重视，很多科学工作者致力于电子皮带秤的研究，提出了很多电子皮带秤测量与结构方面的想法，并且通过实验去验证，很多已经申请了专利，为以后电子皮带秤的发展打下了很好得基础。
有些国家还制定了相应的标准，为电子皮带秤的设计研究提供了一定的标准，在经过了几十年的发展之后电子皮带秤的技术越来越成熟，测量的准确性也越来越高，因此在工业生产中电子皮带秤得到了广泛的应用。
也使得越来越多的国家的科研工作者投入到电子皮带秤的研究当中，推动了电子皮带秤的进一步发展。
很多国家很早就把电子皮带秤应用到了港口贸易结算中，以为电子皮带秤可以连续称量，精度较高，取得了很多国家的认可。
很多国家在电子皮带秤研究方面都有很好的技术，这些国家也有专门的科研机构从事电子皮带秤的研究，使得电子皮带秤能够更广泛的应用到更多得领域。
我们国家电子皮带秤的发展较晚，60年代才出现带有传感器测量的电子皮带秤，但当时的传感器精确度不高，测量误差较大，没能很快的大量的投入到生产实际当中去，但这种测量方法得到了国家科研工作者的认可，有进一步发展的广阔空间，因此电子皮带秤的研究在我国得到了进一步的研究与发展。
伴随着改革开放，我们国家从事电子皮带研究与生产的人越来越多，也引进了很多国外的先进技术，使得电子皮带秤的测量精度有了很大的提高，满足了用户的需求，得到了用户的认可，进一步推广了电子皮带秤，使得电子皮带秤在我国有了突飞猛进的发展。
近几年水泥行业基建项目较多，在大型水泥厂的自动化控制中各个厂家也越来越重视诸如配料秤、冲板流量计、料位控制器等设备的应用，其中配料的精确度会直接影响熟料和水泥的产品性能，影响每吨产量的劳动力成本，因此选用稳定、可靠、精确的称重控制产品至关重要。
本课题研制的电子皮带秤，在解决配料的精确度方面起到了重要作用，提高了水泥的产量与质量，很好得满足了水泥行业的需要。
1.4电子皮带秤设计要求
1、用于日产3000t水泥厂生料计量；
2、每年一次维修；
3、计量精度：
按水泥厂要求；
4、连续计量。
2称重原理
2.1电子皮带秤的结构
通常电子皮带秤一般都由以下六大部件组成，如下图2.1所示
图2.1皮带秤的组成
电子皮带秤的主要组成部分主要由以下几部分，测量传感器（称重测速），承载装置（秤架），信号处理装置（放大积分装置），由上图可以看到通过传感器测量得到的两路信号先通过信号放大器放大之后通过接线盒然后接入到计算机中，在计算机中进行信号的积分处理，然后再通过显示器显示或者直接通过打印机直接打印输出，将结果显示出来，整个过程简单自动化。
2.2称重原理
皮带秤的称重是当散装物料在皮带秤上处于输送状态时，安装在输送物料的皮带下面的称重传感器就会产生一个物料的重量信号，该信号送入现场放大器进行处理，此时安装在皮带上面的测速传感器会把测到的皮带速度信号也发送到现场放大器进行处理。
两组现场信号通过现场放大器进行适当处理，然后把处理后的信号通过接线盒输送给主控制计算机进行bode积分、相关的调节、控制等程序。
最后从输出设备打印机打印出称重后的累计结果。
这就是传统皮带秤的称重原理。
方框图见图2.2。
图2.2电子皮带秤称重原理方框示意图
电子皮带秤与机械式皮带秤相比较能够连续称量，并且能够准确的测量物料的流量，误差很小，能够准确的测量出皮带上某一单位长度上物料的瞬时流量，也可以通过测量计算出某一段皮带上物料的重量，我们可以通过利用数学模型来模拟计算，这就要用到我们数学中比较熟悉的积分法和累计法了。
2.2.1积分法
假定电子皮带输送机正在进行物料输送，计算机通过电阻应变传感器会连续测量到输送皮带上每单位长度的载荷信号值，另一方面通过测速传感器也可以测得在同一时刻的速度信号，这两种信号然后通过房子现场的信号放大器将信号放大后处理后就能够得到物料单位长度的载荷值m（kg/m）和同一时刻的速度信号值u（而s），将得到的两个数值进行相乘运算得到的结果就是物料在单位时间内得瞬时流量值了。
由于电子皮带秤输送的物料在输送带上的分布不是十分均匀的，存在一定的变化，电子皮带秤在运行的过程中由于受到来自入料斗物料的冲击以及电动机震动等外部因素的影响，电子皮带秤的带速也存在变化，这些因素都会影响电子皮带秤的测量与精确度。
所以我们把在t时间间隔内的物料累计流量用以下积分形式表示:
t
Q mtutdt
0
上述公式中:
Q—t时间间隔内的物料累计量（kg）;
t一被测量物料通过的时间（S）;
m（t）—单位长度上的通过物料重量（kg/m）;
u（t）—物料的运行速度（m/s）。
2.2.2累加法
当物料在电子皮带秤上进行输送时，假定电子皮带秤输送皮带运转特定一段距离
L的时候此时累加器将称重物料的重量进行一次累加，计为m，在给定一段时间间隔中，假定输送皮带一共运行了m倍于L的距离，这样累加器就会有m次的物料重量被
sm
累加，其累加重量计为Q。
Q的累加公式即为:
Q Ls
s0
2.3传感器的分析
称重传感器是将被测量质量转换成电信号的另一种被测量来进行测量的称重装置传感器称重传感器。
2.3.1称重传感器的种类
电子皮带秤中应用的称重传感器主要是电阻应变式，其次是压磁式、振弦式、差动变压器式，其他型式的称重传感器应用很少。
与其它型式的称重传感器比较，电阻应变式称重传感器具有如下优点：
1、结构比较简单、制作方便、工艺比较成熟；
2、精确度高，主要技术指标如非线性、重复性、滞后均优于其它类型的称重传感器，综合误差可以做到0.03%-0.01%；
3、外形比较小，可制作成多种结构形状，便于安装。
4、工作稳定、互换性好，使用寿命长。
电阻应变式称重传感器一直占据90%以上得称重传感器市场份额，国内市场几乎是电阻应变是称重传感器一统天下。
德国申克公司RTN环形电阻应变式称重传感器的电阻值为4千欧姆，是国内电阻应变式称重传感器阻值的10倍以上，它具有测量灵敏度高、长期稳定性好、工作电流小、输出信号大、重复性好、激励电压高等优点。
最新的数字化智能称重传感器可由微处理器芯片对常规桥路进行补偿和调整，进行非线性、滞后、蠕变等性能的修正，从而大大提高称重传感器的性能。
2.3.2电阻应变式称重传感器的工作原理
1936—1938年美国加利福尼亚理工学院教授西蒙斯和麻省理工学院教授鲁奇分别同时研制出粘贴型纸基丝绕式电阻应变计，由美国BLH公司专利生产。
BLH公司和Revere公司利用上述电阻应变计研制出的应变式称重传感器，用于工程测力和称重计量，成为应变式载荷传感器的创始者。
电阻应变式称重传感器由弹性元件、电阻应变片等组成。
弹性元件是将重量（或力）转换为应变量的部件，作为弹性元件的材料应具有迟滞小、如变小、直线性好、弹性极限高、强度极限大、弹性模量受温度的影响小等性
能。
弹性元件的结构形式有圆筒式、环式、悬臂梁式、剪应力梁式、S形梁式、平行四边形等。
电阻应变片是将应变量转换成电信号的一种机械量—电量转换元件，当把电阻应变片黏贴在需要测量变形的弹性元件表面上时，电阻应变片的电阻丝即随弹性元件的变形而改变其电阻值，这称为“应变效应”。
为了便于测量，通常由多个电阻应变片组成测量电桥。
电阻应变片有丝片、箔片两种结构，丝片（见图2.3a）和箔片（见图2.3b）的工
图2.3电阻应变片
作原理是一样的，只不过制作方法不同。
箔片采用照相腐蚀方法成型，制作时形状多样，电阻值差异小，允许通过电流大抗蠕变和抗漂移性能好。
图2.4a是一个悬臂梁式称重传感器的外形，两端的孔分别用于螺栓固定在地板上和承受外力，称重传感器的中部是用波纹管1保护的弹性元件应变梁2，梁的上下表面粘贴有电阻应变片3。
图2.4b是取下波纹管后的悬臂梁式称重传感器，可以看见应变梁2及粘贴的电阻应变片3。
图2.4悬臂梁式称重传感器
（a）悬臂梁式称重传感器外形
（b）取下波纹管后的悬臂梁式称重传感器
1—波纹管；2—应变梁；3—电阻应变片×××××称重传感器的工作原理如图2.5所示，这里仍一悬臂梁式称重传感器为例，在弹性元件应变梁的上下表面上粘贴有四片电阻应变片，当弹性元件受到如图所示方向的力
F时，
R1、R4电阻应变片被压缩，R2、R3电阻应变片被拉伸，电阻应变片随
之变形并改变其电阻值。
其中R1、R4电阻应变片得电阻丝被压缩，阻值减小；
R2、R3电阻应变片的电阻丝被拉伸，阻值增加。
图2.5电阻应变式称重传感器原理图
当我们把四个电阻应变片连接成桥式测量电路时（见图2.6），在对角线A，C两点接入稳压电源，在B、D两点就可以得到毫伏测量信号输出。
图2.6测量电桥
2.3.3光电脉冲式测速传感器
光电脉冲式测速传感器（见图2.7）由装在输入轴上的开孔圆盘2、光源4、光敏原件1等组成。
当圆盘2转到某一位置是时，由光源4发射到光敏元件1上，使光
敏元件1感光，产生一个电信号。
圆盘2上的孔可以是一个或多个，取决于设备要求的脉冲数。
图2.7光电脉冲式测速传感器
1—光敏元件；2—圆盘；3—小孔；4—光源
圆盘也可换成光栅盘，光栅盘上刻有能透过光线的光栅，其余部分则不透光。
当光栅盘转到某个位置时，光源正好透过光栅及缝隙板照射到光电管上；光栅盘稍离开这个位置，光源及被光栅盘上不透光的部分隔断。
因此当光栅盘每转一周时，光电管即可输出与光栅盘上光栅数相同的电脉冲（见图2.8）
光电脉冲式测速传感器机构简单、可靠，输出脉冲的幅值恒定因而测量精度高。
图2.8带光栅盘得光电脉冲式测速传感器
1—光源；2—光栅盘；3—缝隙板；4—光电管；5—电脉冲
3电子皮带秤的承载器
电子皮带秤的承载器也就是秤架，一般采用钢结构的梁，他主要的作用就是承载物料的重量并且起到重力传递。
他是电子皮带秤测量的第一部分，该部分的稳定性与测量的精度直接影响到之后的测量，因此承载器的好坏直接对测量结果产生较大的影响。
承载器的设计通常满足以下要求：
（1）刚性要大，偏移量要小，有很好的对称；
（2）尽量减少其他方向力的影响。
（3）支点结构无摩擦；
（4）防止皮带跑偏；
（5）有可能积料的地方要少，防止灰尘的积累；
（6）结构简单稳固，方便制作维护；
（7）结构要便于拆装；
（8）称重传感器所承受的皮重较小但荷重要大；
电子皮带秤的承载器按传统的分类主要是托辊的形式进行分类的，主要是单托辊，多托辊和悬置式。
传统的分类方法主要是从托辊的外形来进行分类，清晰明了。
但内部构造却得不到充分的展示体现。
因此这类分类方法有一定的局限性。
3.1承载器的响应特性曲线分析方法
当我们把某个恒定质量的重物当做一个质点时，响应特性曲线就表示了这个质点通过承载器受力的变化情况
针对具体承载器的响应特性曲线的分析通常是采用以下方式进行的：
（1）曲线形状的分析；
（2）曲线的对称性分析；
（3）曲线的投影长度和投影面积分析；
（4）曲线的斜线段斜度和水平段长度的分析；
（5）曲线中有无水平段和水平段长度的分析；
（6）曲线中有无垂直段分析；
（7）曲线的负值区分析。
本文主要以悬臂式承载器为分析对象。
3.1.1悬浮式承载器的响应特性曲线
悬浮式承载器与静态称重的平台秤类似，它有一个由称重传感器支承的称重平台3，多个称重托辊4即支承在这个平台上。
当物料通过A点后，物料重量开始加在称重平台上，支承称重平台3的称重传感器2受力从零开始逐渐加大，响应特性曲线
1从零开始上升；当物料通过第一个称重托辊时，称重传感器受力达到最大值，特性曲线升至最高点B’；这个最大值一直保持到物料离开最后一个称重托辊；当物料通过最后一个称重托辊之后，称重传感器受力逐渐减小直至为零，特性曲线呈下降状态；当物料通过D点时，称重传感器受力减少到零，特性曲线也回到零点（见图3.1）
图3.1悬浮式承载器的响应特性曲线
1—响应特性曲线AB’C’D；2—称重传感器；3—称重平台；4—称重托辊
悬浮式承载器的响应特性曲线与双杠杆式承载器中O1、O2支点和过渡托辊A、F
中心线重合时这种特例的曲线相似，与水平轴也构成一个等腰梯形，只是上底较宽。
当有两组称重托辊时，响应特性曲线的水平段只有一倍托辊间距，这与双托辊双
杠杆式承载器的特性曲线一致，这是悬浮式承载器的一个特例。
当只有一组称重托辊时，响应特性曲线的水平段消失，变成一个等腰三角形，及即与单托辊单杠杆式承载器的特性曲线一致，这是悬浮式承载器的另一个特例。
3.1.2不带平衡重单杠杆式承载器
随着电子皮带秤传感器精确度的不断提高，科研工作者跟生产厂家归纳总结了带平衡重单杠杆承载结构存在的确定与局限性已经制约了皮带秤的进一步发展，再不改进，坚持原有的方案将影响到测量精度的提高，因此不带平衡重的单杠杆承载结构得到了开发应用。
图3.2是不带平衡重单杠杆式承载器的结构示意图，因无平衡重，所以部分皮
带、称重托辊3及杠杆4的重量均以皮重的型式由称重传感器5支承。
图3.2不带平衡重单杠杆式承载器的机构示意图
1—过渡托辊；2—支点；3—称重托辊；4—杠杆；5—称重传感器
3.1.3支点结构
在单杠杆式承载器里和下面将要介绍的其它形式的承载器里，大多数采用了杠
杆系统，而杠杆系统的支点结构对力传递过程精确度的影响很大。
（1）刀口支点
早期的皮带秤采用刀口作支点，刀口实际上是一个半径很小的圆柱面，杠杆摆动时，刀口的小圆柱面在支承垫上滚动，所以属滚动摩擦支承。
刀口支承通常用于小角度摆动、小摩擦力矩的支承中。
由于皮带输送机多在潮湿、腐蚀、多尘、振动的环境条件下运行，常常出现磨损、锈蚀、尘埃堆积、支点位移等问题，目前只在少数承载器上采用，并且多数是以支承垫在上、刀口尖端朝上的方式及加防尘罩的措施一减少尘埃的堆积和刀口磨损。
（2）普通轴承支点
皮带秤也曾采用过普通轴承作为杠杆的支点，轴承也属滚动摩擦支承，但它是整个圆柱面接触，采用普通轴承的新承载器静特性尚能达到要求，但使用一段时间后，因密封不好，将产生支点位移、灵敏度降低等问题，是承载器精确度急剧下降。
由于轴承支点主要用在高速转动、负荷较大机摩擦力矩较小的地方，在皮带秤承载器上应用是不适宜的。
（3）簧片支点
簧片是一种弹性摩擦支承，它是利用弹性元件的弹性变形工作的，其摩擦性质不同于上述两种支承，属内摩擦，摩擦力极小，实际上完全可以忽略，但它可以平衡力矩，适合用在转角非常小的场合，而皮带秤承载器的支点在使用中转角确实非常小。
与刀口支点、普通轴承支点相比，簧片支点的性能在较长的时间内非常稳定，所以它在国内外皮带秤承载器支点中的应用占据绝大多数。
簧片的组合型式有单簧片、十字簧片和交叉簧片，单簧片只有一块垂直安装得簧片，这块簧片分别通过上、下支承板与固定支座及承载器相连，它的支点位置是由簧片的挠度和转角决定的，随簧片的转动，支点位置也将变化。
十字簧片是指构成一个支点的两块簧片的长度、宽度、厚度都相等，一片垂直安装，一片水平安装，簧片的一端通过支座固定在基座上，而另一端通过支座固定在承载器的杠杆上，由于两簧片受力大小和方向不一致，支点位置也将有少许变化。
交叉簧片是指构成一个支点的几块簧片呈左斜45°和右斜45°安装，相互搭接成X形，由于左斜45°和右斜45°的几片簧片受力大小和方向一致，支点位置基本不变。
十字簧片和交叉簧片安装时簧片间的交叉轴线，就是承载器的支点线。
各种簧片支承方式的优点是转动灵敏，无机械摩擦损失，可在恶劣的条件下长期工作，维护工作量小，长期稳定性好，精确度高。
但在运输途中或使用过程中，若受力过大，簧片将产生永久变形甚至损坏。
（4）橡胶密封支点
在新型支点中，以橡胶作弹性支承的动向值得注意，ThermoFisherScientific公司及国内一些公司承载器的支点采用了无摩擦的耳轴型橡胶密封支点（见图3.3）橡胶膜片轴承。
这种轴承的缸内圈3和刚外圈1分别与轴4及外壳固定，而钢内圈3
和钢外圈1之间则为橡胶膜片2，支点受力转动时橡胶膜片2变形，不受力时，橡胶
膜片2依靠弹性恢复原状。
采用这类支点的承载器，其静态特性度均达到很高的指标，这说明针对皮带秤承载器支点角位移小的特点，采用这种弹性大、恢复性能好、吸收震动的橡胶弹性支承是很有发展前途的。
图3.3无摩擦的耳轴型橡胶密封支点
1—外钢圈；2—橡胶膜片；3—钢内圈；4—轴×
4电子皮带秤的设计计算
4.1电子皮带秤主要部件的选用
4.1.1输送带的选择
输送带是皮带秤的牵引构件和承载构件，用来输送物料和传递动力。
按结构可分为织物芯（棉帆布，尼龙帆布，聚酯帆布等）输送带和钢绳芯输送带；按性能特征分为通用型、耐热型、耐寒型、防腐型、阻燃型等多种输送带。
由于是小型水泥厂使用的电子皮带秤，流量不大，所以初步定带宽B=500（mm），皮带材料初选尼龙帆布NN-300,并带波纹挡边，其主要参数见下表4.1
表4.1织物芯输送带规格及技术参数
4.1.2传动滚筒直径的确定
传动滚筒直径的确定，应考虑输送带得构成，应力和接头形式等因素。
最小传动直径可按下式计算：
D cd（4-1）
式中D—最小传动滚筒直径（mm）；
d—输送带的芯层厚度或钢绳芯直径（mm）；
c—系数，见表4.2
表4.2不同输送带芯层材料的系数c之值
D cd
901.4
136（mm），
计算出滚筒直径最小值后，应按下列数值圆整；100,125,160，
200,250,315,400,500,630,800,1000,1250,1400,1600,1800,2000mm。
所以经过原圆
整后得到滚筒直径D=136mm。
4.1.3传动滚筒筒体长度的确定
传动滚筒筒体长度通常应大于输送带带宽100-200mm,可安表4.3选取。
表4.3带宽与筒体长度的匹配
因此确定筒体长度L=600mm。
4.1.4托辊的选取
本皮带秤采用平行上托辊与平行行下托辊组合形式，如图4.1所示
图4.1平行托辊
（a）平行上托辊；（b）平行下托辊
4.1.5托辊直径的确定
托辊直径主要根据带速确定，要求辊子的转速不大于600r/min，以保证轴承使用寿命。
辊子最小直径可按下式计算：
D=31.85v（4—2）
式中D—托辊最小直径（mm）；
v—带速（m/s）。
由于是水泥的称重是连续测量，要求皮带秤能平稳运行，速度不能过高，所以可以取带速v=0.5m/s，因此
D 31.85
0.5
15.925（mm）
根据公式4—2计算出的直径，应按如下直径系列圆整：
60,76,89,108,133,159,194,219mm。
因此取D=60mm
4.1.6托辊长度的确定
托辊长度的选择见表4.4
表4.4托辊长度与带宽的匹配
因为带宽为B=500mm，辊子为一节辊，所以托辊的长度L1
4.1.7拉紧装置的确定
600mm
为使输送带具有足够的张力，保证输送带与传动滚筒间不打滑，并限制输送带在各托辊间的垂度，使电子皮带秤能正常运行，需要设置拉紧装置。
拉紧装置通常有螺旋式、车式重锤、重锤式、固定绞车式及自动绞车式几种。
本设计采用螺旋拉紧装置（见图4.2），拉紧滚筒安装在尾架上的滑架中。
通过转动尾架上的螺杆是滚筒前后移动以调节输送带张力。
图4.2螺旋式拉紧装置
4.1.8驱动装置的选择
电动机选用三相异步电动机Y90L，功率1.5KW，工作电压380V，工作电流3.7A，转速为1400r/min，减速机选用皮带秤专用减速机SD75型。
4.2电子皮带秤输送能力的计算
电子皮带秤最大散粒物料的输送能力取决于输送带上物料的最大截面积、带速和设备倾斜系数，按公式4—3计算。
Im 3600Svk
（4—3）
式中
Im—输送机的最大质量输送能力（m3s）；
S —输送带上物料的最大横截面积（m2）；
v —带速（ms）；
k —输送基地的倾角系数；
—被输送物料的堆积密度（t
m3）。
输送带上物料的最大截面积（见图4.3）按公式4—4，4—5计算
S1 l3
b-l3
cos
2tan
4
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