重錘式稱重裝置設(shè)計(jì)

張志榜，儲劍森，丁念紅

（南京消防器材股份有限公司，江蘇南京 211112）

0 前言

目前消防行業(yè)氣體滅火系統(tǒng)所使用的稱重裝置主要以彈簧秤為主，此裝置長期使用，彈簧受力容易疲勞，造成稱量誤差，從而影響系統(tǒng)正常工作，在某種程度上制約了相關(guān)氣體系統(tǒng)的應(yīng)用。因此開發(fā)新的更為可靠的稱重裝置已成為當(dāng)務(wù)之急。

重錘式稱重裝置性能穩(wěn)定、靈敏度高、安裝調(diào)試簡單方便，也克服了彈簧秤所存在的缺陷，它的成功開發(fā)必將很快占領(lǐng)市場，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益。依據(jù)國外客戶的理念和習(xí)慣，希望在滅火劑鋼瓶失重時(shí)應(yīng)有較直觀的物位狀態(tài)顯示，而目前無論是彈簧秤式或拉力傳感器式稱重機(jī)構(gòu)均不能實(shí)現(xiàn)此功能。

1 設(shè)計(jì)分析

重錘式稱重裝置主要由內(nèi)軸承座、外軸承座、軸承、連接板、砝碼、銷軸、接桿及連接件組成（圖1）。

1.1 主要性能參數(shù)

稱量范圍:115～140 kg（70 L）;

重錘調(diào)節(jié)質(zhì)量（常量）:0.76 kg/圈（70 L）;

聲報(bào)警信號距離1 m遠(yuǎn)處的聲壓級不低于65 dB（在額定電壓下）。

1.2 設(shè)計(jì)計(jì)算

a）設(shè)計(jì)依據(jù)

GB16669－2010《CO2滅火系統(tǒng)及部件通用技術(shù)條件》

圖1 結(jié)構(gòu)及原理

b）材料選用

稱重裝置（70 L）一般所承受的拉力為115 kg～140 kg，且內(nèi)、外軸承座采用精密鑄造，要求其材料應(yīng)具有一定的強(qiáng)度及良好的鑄造性能、機(jī)械加工性能，同時(shí)還應(yīng)考慮選材的通用性，優(yōu)選06Cr19Ni10，其機(jī)械性能:σb=450 MPa，σs=200 MPa;連接件材料為 45號鋼，σb=600 MPa，σs=355 MPa。

c）工作原理

重錘式稱重裝置是以內(nèi)軸承座、砝碼及儲瓶組件組成的以O(shè)點(diǎn)為支點(diǎn)的偏心機(jī)構(gòu)（一種特殊形式的杠桿機(jī)構(gòu)）（圖 1）。

其在位置1的平衡條件如下:

G儲瓶×OO1×cos40°=G砝碼 ×OO2×cos40°+G砝碼 ×O2O2＇× cos40°

而實(shí)際工作時(shí)處于不平衡狀態(tài):即:

G儲瓶×OO1×cos40°＞G砝碼×OO2×cos40°

而G砝碼 ×O2O2＇×cos40°=4.2 ×O2O2＇× cos40°（滅火劑最大允許泄漏量產(chǎn)生的力矩）。

d）調(diào)節(jié)參數(shù)確定

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定當(dāng)滅火劑泄漏至充裝量的10%時(shí)，相應(yīng)稱重裝置須動作并報(bào)警。通常對于70 L二氧化碳滅火系統(tǒng)，其充裝量為600 kg/m3，則最大泄漏量為:70×0.6×10%=4.2 kg。

式中:m1——砝碼質(zhì)量（2.1 kg）;

m2——接桿質(zhì)量（0.1 kg）;

M0——儲瓶組件質(zhì)量;

L——接桿重心臂長;

OO1——偏心機(jī)構(gòu)偏心距3 mm。

該計(jì)算結(jié)果為理論值，實(shí)際應(yīng)用時(shí)應(yīng)考慮動、靜摩擦，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證:砝碼實(shí)際偏移距離為5 mm（即5.5圈）。

對M10x1 螺紋而言，4.2 kg/5.5=0.76 kg，即0.76 kg/圈。

e）安裝調(diào)試

1）先固定好稱重裝置，將儲瓶組件掛好并離地2 cm～3 cm;

2）緩慢調(diào)節(jié)砝碼，使接桿上翹至位置1（限位點(diǎn)）剛好處于平衡（臨界狀態(tài)），記下砝碼上方向箭頭的位置;

3）再將砝碼向內(nèi)旋5.5圈，然后用螺母鎖緊即可。

實(shí)際上砝碼移動5.5 mm剛好可以平衡滅火劑的最大允許泄漏量4.2 kg，所以滅火劑泄漏量小于4.2 kg的情況下，砝碼始終停留在位置1;當(dāng)失重量略大于4.2 kg時(shí)，杠桿的平衡狀態(tài)被打破，砝碼便加速下落至位置2。

從調(diào)試方法可知，在正常工作狀態(tài)下，杠桿機(jī)構(gòu)本身實(shí)際上處于不平衡狀態(tài)，而是通過內(nèi)、外軸承座的限位（相當(dāng)于給砝碼一個(gè)預(yù)壓力，該預(yù)壓力是由于將砝碼向內(nèi)移動5.5圈引起的）后處于平衡狀態(tài)，當(dāng)滅火劑失重量達(dá)到規(guī)定值4.2 kg時(shí)，預(yù)壓力解除，杠桿機(jī)構(gòu)又趨于平衡（臨界狀態(tài)）。

f）強(qiáng)度校核

稱重裝置的聯(lián)接螺紋均受軸向載荷，所以應(yīng)校核螺紋抗拉強(qiáng)度。

1）螺紋的強(qiáng)度校核

本裝置的聯(lián)接接頭只承受靜載荷，其規(guī)格為M12，材料45 號鋼，σb=600 MPa，σs=355 MPa。

式中，F(xiàn)——最大軸向外載荷，F(xiàn)=140 kg

dc——螺栓螺紋部分危險(xiǎn)截面直徑，dc=d1－H/6（d1－螺紋小徑）;

H——螺紋牙形三角形高度，對于普通螺紋H≈0.866 p=0.866 ×1.75=1.515 5 mm）

可見 σ ＜［σ］，過載試驗(yàn):2σ ＜［σ］

所以，聯(lián)接接頭螺紋強(qiáng)度滿足要求。

2）銷軸的強(qiáng)度校核

銷軸材料為06Cr19Ni10，σb=450 MPa，σs=200 MPa。主要校核軸的彎曲應(yīng)力（軸的轉(zhuǎn)矩很小可忽略不計(jì)）。

式中:M——軸的彎矩 N·mm，M=F/2×9.8×L/2，

L——軸的有效長度（mm），

d——軸的直徑（mm）。

可見，σ ＜ σb，過載試驗(yàn):2σ ＜ σb

所以，銷軸強(qiáng)度滿足要求。

3）軸承選擇

根據(jù)已知軸徑及內(nèi)、外軸承座孔徑，初選軸承型號分別為6201－2Z和6009－2Z。由于軸承只承受靜載荷:140 kg×9.8 N/kg=1 372 N;

過載試驗(yàn)時(shí)承受載荷為1 372 N×2=2 744 N;

而軸承的基本額定負(fù)荷:Cr=5.25 kN（6 201－2Z），Cr=16.2 kN（6 009－2Z），可見軸承的基本額定負(fù)荷均大于實(shí)際工作載荷，因此初選軸承型號符合要求。

1.3 電氣部分

有以上分析可知，當(dāng)儲瓶內(nèi)滅火劑泄漏超過充裝量10%時(shí)，稱重裝置應(yīng)動作并觸發(fā)相應(yīng)泄露報(bào)警裝置，產(chǎn)生聲、光報(bào)警信號至泄漏報(bào)警器，再遠(yuǎn)傳到相應(yīng)控制室。根據(jù)不同的應(yīng)用場所，泄漏報(bào)警裝置可以選用位置開關(guān)，也可以采用紅外線對射裝置。前者位置開關(guān)與稱重裝置一一對應(yīng)，若選用防爆位置開關(guān)，可用于防爆場所;后者一組紅外線對射裝置可以實(shí)現(xiàn)對若干個(gè)稱重裝置進(jìn)行監(jiān)控（感應(yīng)距離通常6 m），安裝簡單，價(jià)格有優(yōu)勢。其原理如圖2所示。

圖2 電氣原理

2 結(jié)論與展望

目前國內(nèi)外市場上稱重裝置的結(jié)構(gòu)型式有杠桿式（非偏心機(jī)構(gòu)），彈簧秤式，拉力傳感器式等。杠桿式成本低，但安裝調(diào)試復(fù)雜且靈敏度低，目前已逐步淘汰;國內(nèi)目前應(yīng)用較多的為彈簧秤式，價(jià)格較低，安裝相對簡單，但存在長期受力會產(chǎn)生疲勞，影響精度的缺陷;拉力傳感器式安裝簡單、精度高，抗疲勞好，但價(jià)格較昂貴，主要滿足高端客戶群的需求。而重錘式綜合了上述各形式的優(yōu)點(diǎn):結(jié)構(gòu)簡單、成本較低、便于安裝維護(hù);性能穩(wěn)定、可靠，靈敏度高，有廣闊的市場前景。

［1］吳宗澤.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊（下冊）［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

［2］周開勤.機(jī)械零件手冊（第四版）［M］.天津:高等教育出版社，1994.

［3］張一公.常用工程材料選用手冊［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1998.