淺議皮帶秤的耐久性及其評(píng)價(jià)方法

盛伯湛

(南京三埃工控股份有限公司，南京 211100)

0　引言

對(duì)于把皮帶秤耐久性評(píng)價(jià)列入型式試驗(yàn)程序的要求，國(guó)內(nèi)外同行們的主流意見(jiàn)已表示贊同，然而包括OIML R50在內(nèi)的技術(shù)法規(guī)對(duì)耐久性試驗(yàn)的方法和步驟至今尚無(wú)明確的規(guī)定。近幾年來(lái)，我國(guó)不少皮帶秤業(yè)者在對(duì)如何有效地開(kāi)展耐久性試驗(yàn)進(jìn)行了積極探索和不懈努力。倘能為修訂新版國(guó)際建議或國(guó)家計(jì)量檢定規(guī)程尋找到可行的解決方案，將為提升我國(guó)皮帶秤技術(shù)在國(guó)際上的地位做出重要貢獻(xiàn)。

1　耐久性是對(duì)產(chǎn)品正常工作時(shí)期維持能力的估計(jì)

產(chǎn)品能在其正常壽命內(nèi)可靠地保持性能、實(shí)現(xiàn)功能，是用戶的基本要求。人們用可靠性(reliability)來(lái)評(píng)價(jià)產(chǎn)品(元器件、設(shè)備、系統(tǒng)等)在規(guī)定的條件下、規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力。耐久性(durability)是產(chǎn)品可靠性的三大要素之一，它反映了產(chǎn)品發(fā)揮其正常功能的使用壽命；另外兩個(gè)要素分別是可修復(fù)性(restorability)和安全性(security)。

產(chǎn)品可靠性評(píng)價(jià)通常不是針對(duì)某一件具體產(chǎn)品使用后表現(xiàn)的實(shí)際記錄，而是對(duì)該類(lèi)產(chǎn)品潛在能力的事前評(píng)估。如MTTF(平均無(wú)故障時(shí)間)、MTTR(平均恢復(fù)前時(shí)間)、MTBF(平均故障間隔時(shí)間，有MTBF= MTTF+MTTR)、FIT(失效率單位=109/MTBF)等可靠性指標(biāo)都是采取統(tǒng)計(jì)學(xué)原理對(duì)產(chǎn)品在一定條件下無(wú)故障地執(zhí)行指定功能的潛在發(fā)生概率來(lái)評(píng)價(jià)的。例如，稱某一種產(chǎn)品的壽命為4年(MTBF≈MTTF=35,064h)，并不是說(shuō)該產(chǎn)品每一件都能使用4年且沒(méi)有發(fā)生一次故障，也不是說(shuō)在4年后100% 的產(chǎn)品都會(huì)發(fā)生故障，也不能認(rèn)為產(chǎn)品在第一次故障并修復(fù)后下一次的故障是4年之后出現(xiàn)，更不是說(shuō)，該產(chǎn)品的耐久性試驗(yàn)是在時(shí)隔4年的前后兩次測(cè)試中完成的；而應(yīng)理解為，在已投放市場(chǎng)的全部產(chǎn)品之中，4年內(nèi)可能發(fā)生故障的次數(shù)共為投放總數(shù)的63.23%(根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)中威布爾分布曲線算出)。

2　皮帶秤耐久性與環(huán)境工況的關(guān)系尤其密切

皮帶秤是跟皮帶輸送機(jī)相連的自動(dòng)衡器，它與大多數(shù)其它種類(lèi)衡器的顯著差異在于：其“秤臺(tái)面”是運(yùn)動(dòng)中的膠帶，它既非理想剛體，亦非完全柔性體，在運(yùn)行中會(huì)呈現(xiàn)“皮帶效應(yīng)”而產(chǎn)生非預(yù)期的附加力，使重力在傳遞過(guò)程中失真；其工作的現(xiàn)場(chǎng)條件又常很惡劣，往往不能滿足皮帶秤制造商的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求；即使對(duì)用戶現(xiàn)場(chǎng)盡力改造并精心安裝調(diào)試，其狀態(tài)在使用中還是會(huì)很快喪失。因此，皮帶秤能否在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間段內(nèi)保持其應(yīng)有性能，維持正常工作的能力，往往取決于其對(duì)氣候變化的適應(yīng)性以及抵御惡劣工況兩方面的本領(lǐng)。

3　皮帶秤的耐久性應(yīng)在型式評(píng)價(jià)時(shí)得到鑒定

由于皮帶秤很難長(zhǎng)期保持應(yīng)有的計(jì)量性能，因此，皮帶秤的耐久性問(wèn)題顯得比其它衡器更加突出，越來(lái)越引起包括用戶、制造商和產(chǎn)品認(rèn)證機(jī)構(gòu)等各方的重視。必須要對(duì)皮帶秤進(jìn)行耐久性檢查，這一原則已由OIML TC9/SC2寫(xiě)入國(guó)際建議。

為了驗(yàn)證產(chǎn)品在不斷經(jīng)受自身及外界影響時(shí)仍能夠正常工作，避免耐久性差的皮帶秤流入市場(chǎng)，這不僅需要研發(fā)和生產(chǎn)單位在研發(fā)和試產(chǎn)過(guò)程中進(jìn)行相關(guān)摸底和自我把關(guān)試驗(yàn)，更需要質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督機(jī)構(gòu)在產(chǎn)品投放市場(chǎng)之前和過(guò)程之中進(jìn)行型式評(píng)價(jià)和量產(chǎn)抽檢。耐久性試驗(yàn)應(yīng)作為皮帶秤型式評(píng)價(jià)的一項(xiàng)不可或缺的內(nèi)容，也得到了對(duì)自身產(chǎn)品抱有信心的廠商們的認(rèn)同。在2011年4月于倫敦NWML(英國(guó)國(guó)家法制計(jì)量院)召開(kāi)的OIML皮帶秤國(guó)際建議(草案)第3稿研討會(huì)上，雖然對(duì)皮帶秤耐久性試驗(yàn)究竟采用何種方法尚未完全達(dá)成一致，但是與會(huì)各國(guó)代表對(duì)皮帶秤的耐久性試驗(yàn)應(yīng)作為型式評(píng)價(jià)的一項(xiàng)內(nèi)容已基本取得了共識(shí)。

國(guó)內(nèi)對(duì)皮帶秤國(guó)際建議現(xiàn)行版R50：2007(E)關(guān)于“耐久性試驗(yàn)”定義的譯文是：“為校驗(yàn)被測(cè)皮帶秤(EUT)在經(jīng)過(guò)規(guī)定的使用周期后能否保持其性能特征的一種試驗(yàn)?！?有人因而認(rèn)為對(duì)于皮帶秤的耐久性試驗(yàn)宜采用在用戶現(xiàn)場(chǎng)定期復(fù)檢的方式進(jìn)行。其實(shí)，耐久性不僅是一種performance characteristics(所表現(xiàn)的性能特征)，而且更是一種capable(能力)，耐久性試驗(yàn)應(yīng)當(dāng)起到對(duì)被測(cè)型號(hào)系列產(chǎn)品的潛在耐久性事先預(yù)測(cè)作用。采用上述產(chǎn)品投用后再檢的方式僅適用于周期檢定或使用中檢驗(yàn)，只能對(duì)某臺(tái)特定皮帶秤的耐久性進(jìn)行事后考核和驗(yàn)證，有違于法制管理要求的；在用戶現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)條件難以得到有效地監(jiān)督，也難以保證復(fù)現(xiàn)，有悖于型式評(píng)價(jià)對(duì)全行業(yè)的公正與可比性。

4　環(huán)境和工況適應(yīng)性試驗(yàn)應(yīng)作為皮帶秤型式評(píng)價(jià)的重要內(nèi)容

對(duì)皮帶秤的型式評(píng)價(jià)必須包含耐久性試驗(yàn)項(xiàng)目，這已獲得OIML會(huì)員國(guó)的廣泛認(rèn)同；但采用何種方式來(lái)評(píng)價(jià)，卻尚未得到一致意見(jiàn)。曾經(jīng)提出的方法主要集中于以下三種：

1)借用非自動(dòng)衡器的耐久性試驗(yàn)方法；

2)以到用戶現(xiàn)場(chǎng)定期復(fù)檢的方式進(jìn)行；

3)在能進(jìn)行物料試驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)以可以復(fù)現(xiàn)和量化的方式進(jìn)行。

那么究竟采用何種方式才是恰當(dāng)和合理的呢？

4.1　非自動(dòng)衡器的耐久性試驗(yàn)方法不適用皮帶秤

關(guān)于非自動(dòng)衡器的國(guó)際建議R76采用的耐久性試驗(yàn)方法[1]是：在正常使用條件下用大約最大秤量一半的載荷(僅適用于Max≤100kg，大秤量的試驗(yàn)方法未提及)重復(fù)加載和卸載10萬(wàn)次，在此加卸載循環(huán)前后各進(jìn)行一輪稱量試驗(yàn)，前一輪試驗(yàn)確定固有誤差，后一輪試驗(yàn)確定因磨損引起的耐久性誤差。

首先，大多數(shù)規(guī)格的皮帶秤的最大秤量不止100kg，已超出這種方法的適用范圍；更值得注意的是，影響皮帶秤耐久性的原因并非局限于重復(fù)加卸載所引起的機(jī)械磨損。因此這種方法不適用于試驗(yàn)皮帶秤的耐久性。

此外，皮帶秤是一種連續(xù)累計(jì)自動(dòng)衡器，用戶所關(guān)注的是它的動(dòng)態(tài)計(jì)量性能，而不是非自動(dòng)衡器的靜態(tài)計(jì)量性能，而且它是與皮帶輸送機(jī)相連的，受環(huán)境和工況的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于非自動(dòng)衡器，R76的方法不能體現(xiàn)這一重要因素。

4.2　在用戶現(xiàn)場(chǎng)定期復(fù)檢的方式不適合作為型式評(píng)價(jià)

首先，在用戶現(xiàn)場(chǎng)以定期復(fù)檢的方式進(jìn)行耐久性試驗(yàn)，要求被測(cè)皮帶秤在兩次試驗(yàn)的間隔期間不得調(diào)整。這一要求可能會(huì)影響用戶的正常使用，也難以得到有效地監(jiān)督保證。

其次，各家用戶的環(huán)境、工況和維護(hù)水平有很大的差異，試驗(yàn)條件難以復(fù)現(xiàn)和量化，無(wú)法做到基本一致，會(huì)使作為型式批準(zhǔn)證據(jù)的試驗(yàn)結(jié)果缺失公正的可比性。

更重要的是，計(jì)量器具的型式評(píng)價(jià)原本是作為法制管理的手段，而尚未獲得型式批準(zhǔn)的試驗(yàn)樣機(jī)，此時(shí)卻已銷(xiāo)售給了用戶，這在法理上就無(wú)法自圓其說(shuō)。

因此，這種產(chǎn)品投用后再檢的方式僅是對(duì)于某臺(tái)特定皮帶秤的耐久性評(píng)價(jià)，充其量只能作為周期檢定或使用中檢驗(yàn)，不適合于型式評(píng)價(jià)。

4.3　實(shí)驗(yàn)室物料試驗(yàn)是較為公正合理的耐久性型式評(píng)價(jià)方式

耐久性型式評(píng)價(jià)在可以開(kāi)展物料試驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行，有利于檢測(cè)用戶實(shí)際用到的皮帶秤動(dòng)態(tài)性能，試驗(yàn)項(xiàng)目和條件能夠再現(xiàn)和量化，這樣試驗(yàn)結(jié)果易于復(fù)核，可信度高、可比性強(qiáng)，對(duì)申請(qǐng)制造計(jì)量器具許可證的各制造廠商是公平的。

耐久性型式評(píng)價(jià)在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行，符合型式批準(zhǔn)的結(jié)論應(yīng)在獲得試驗(yàn)結(jié)果后作出的合法程序，可避免對(duì)無(wú)證銷(xiāo)售的非法行為開(kāi)綠燈的無(wú)奈。

有人對(duì)實(shí)驗(yàn)室耐久性試驗(yàn)方法評(píng)論道[2]：

優(yōu)點(diǎn)：能對(duì)安裝在實(shí)驗(yàn)室輸送機(jī)上實(shí)際運(yùn)行的一整套皮帶秤系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)。

缺點(diǎn)：1)用被試驗(yàn)合格的皮帶秤安裝在異于實(shí)驗(yàn)室輸送機(jī)的用戶現(xiàn)場(chǎng)，其準(zhǔn)確度未必能長(zhǎng)期保持；2)滿足試驗(yàn)所需要的運(yùn)行時(shí)間難以實(shí)現(xiàn)。

這樣的說(shuō)法似乎沒(méi)有什么不對(duì)，但一深究卻發(fā)現(xiàn)了一些問(wèn)題，下面略作剖析：

1) 型式評(píng)價(jià)從來(lái)都是以個(gè)別樣機(jī)的結(jié)果來(lái)對(duì)同一型式產(chǎn)品潛能的預(yù)測(cè)，它與產(chǎn)品檢定或檢驗(yàn)不同，不是對(duì)某一具體產(chǎn)品實(shí)際性能的檢測(cè)記錄。要求樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果與每一件產(chǎn)品的實(shí)際情況完全一致，就混淆了型式評(píng)價(jià)與產(chǎn)品檢定或檢驗(yàn)之間的差別。型式試驗(yàn)本來(lái)就并非以全體產(chǎn)品作為試驗(yàn)對(duì)象的，而是以個(gè)別樣機(jī)的測(cè)試結(jié)果作為對(duì)該型式總體評(píng)價(jià)的科學(xué)實(shí)驗(yàn)方法。其實(shí)就是產(chǎn)品檢驗(yàn)中基于數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)的抽樣檢驗(yàn)方法的結(jié)果也只是一種概率估計(jì)，并不能完全適合每一件產(chǎn)品的實(shí)際情況。若非對(duì)于安裝在用戶現(xiàn)場(chǎng)的每一臺(tái)皮帶秤全都進(jìn)行耐久性試驗(yàn)也是有風(fēng)險(xiǎn)的，把在用戶甲現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)合格的皮帶秤安裝到用戶乙現(xiàn)場(chǎng)，焉能證明其準(zhǔn)確度就一定能長(zhǎng)期保持呢。

2) 如果要說(shuō)，在用戶現(xiàn)場(chǎng)可以突破生產(chǎn)工藝的束縛來(lái)實(shí)現(xiàn)滿足試驗(yàn)所需要的運(yùn)行時(shí)間，那么在實(shí)驗(yàn)室中實(shí)現(xiàn)滿足試驗(yàn)所需要的運(yùn)行時(shí)間應(yīng)當(dāng)更便于做出安排。何況，在型式評(píng)價(jià)中的耐久性表達(dá)的是一種能力，并非是實(shí)際運(yùn)行時(shí)間。因此，在環(huán)境可靠性試驗(yàn)中通用的方法是用提高嚴(yán)酷度的短時(shí)試驗(yàn)來(lái)替代。IEC已經(jīng)制定了數(shù)以百計(jì)的環(huán)境試驗(yàn)方法作為對(duì)電工電子產(chǎn)品耐久性的評(píng)判依據(jù)。這些方法多數(shù)屬于用較短時(shí)間的高嚴(yán)酷度試驗(yàn)來(lái)模擬長(zhǎng)期的影響。例如，用幾十小時(shí)或幾天的高低溫或濕熱循環(huán)來(lái)模擬一年四季的氣候變化，以各種頻率和加速度的振動(dòng)、沖擊或跌落來(lái)模擬使用周期中可能出現(xiàn)的種種意外，等等。

5　惡劣工況適應(yīng)性試驗(yàn)應(yīng)作為皮帶秤耐久性評(píng)價(jià)的重要內(nèi)容

鑒于產(chǎn)品的耐久性不僅跟它的先天品質(zhì)有關(guān)，還跟使用的環(huán)境條件息息相關(guān)。好比影響一個(gè)人壽命的因素既包括他的遺傳基因，還包括他的生活環(huán)境與生活方式等等。因此在評(píng)價(jià)產(chǎn)品的耐久性時(shí)，環(huán)境試驗(yàn)成為最常用的基本方法。多種多樣的環(huán)境條件影響試驗(yàn)是對(duì)電子設(shè)備可能使用環(huán)境的適應(yīng)能力的評(píng)估，如溫度影響測(cè)試(高溫運(yùn)行、高溫貯存，低溫運(yùn)行、低溫貯存，高低溫交變循環(huán)、熱沖擊)、濕度影響測(cè)試(濕熱貯存、濕熱循環(huán))、外殼防護(hù)能力測(cè)試(防水、淋雨、防塵砂和固體異物侵入)、防腐蝕性測(cè)試(海水、鹽霧)、抗機(jī)械力影響測(cè)試(隨機(jī)振動(dòng)、掃頻振動(dòng)、機(jī)械沖擊)、運(yùn)輸測(cè)試(模擬汽車(chē)運(yùn)輸、碰撞)、電源品質(zhì)影響(開(kāi)關(guān)電源、電壓拉偏、頻率拉偏)、抗電磁干擾試驗(yàn)(電壓暫降和短時(shí)中斷、電快速瞬變脈沖群、靜電放電、抗電磁輻射)，等等。

皮帶秤的性能不僅與上述種種氣候與環(huán)境因素有關(guān)，還在很大程度上受到與之相連的帶式輸送機(jī)狀態(tài)的制約，例如縱梁的撓度，托輥的堵轉(zhuǎn)、跳動(dòng)、竄動(dòng)和準(zhǔn)直性，皮帶的打滑、跳動(dòng)和張力變化，物料流量與載荷的波動(dòng)，皮帶速度的變動(dòng)，等等都可能影響皮帶秤的性能。以致皮帶秤的制造成本高昂、安裝調(diào)試繁瑣、日常維護(hù)工作量大、可修復(fù)性無(wú)法令人滿意。

為了使皮帶秤能夠經(jīng)常性地維持其應(yīng)有的性能，制造商們想過(guò)不少辦法。對(duì)皮帶秤進(jìn)行“實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、在線校驗(yàn)”是一種容易被想到的辦法。上世紀(jì)80年代，南京第二鋼鐵廠成功研發(fā)出了國(guó)內(nèi)第一臺(tái)融合了電腦技術(shù)的實(shí)用皮帶秤，并在其自行制造的BSM型皮帶秤上配備了自動(dòng)校正器(專(zhuān)利號(hào)CN 87202731)。這種自動(dòng)校正器可以遠(yuǎn)程控制棒狀掛碼在秤架上加載或卸載，并通過(guò)電腦監(jiān)測(cè)皮帶秤與原先校準(zhǔn)狀態(tài)的偏離情況，從而及時(shí)調(diào)整其校驗(yàn)參數(shù)，達(dá)到維持其性能的目的。

然而這種辦法好比一個(gè)人要在充斥病原體的世界之中生活，他不是去努力提高自身免疫力，而是把希望寄托在不停地化驗(yàn)、檢查、用藥、輸血上面。目前皮帶秤的經(jīng)典理論對(duì)其零部件制造和安裝狀態(tài)提出的種種要求近于苛刻[3]，這些要求不可能在通常的用戶環(huán)境之中長(zhǎng)期保持不變，即使采取實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的辦法有助于及早發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題后的修復(fù)也沒(méi)有因此變得簡(jiǎn)便、快捷。皮帶秤應(yīng)當(dāng)朝“適用條件寬泛、安裝調(diào)整簡(jiǎn)易、維護(hù)工作不頻繁”的方向發(fā)展。因而某種型式皮帶秤抵御惡劣工況的本領(lǐng)，在很大程度上反映了其能否長(zhǎng)期保持規(guī)定計(jì)量性能的潛在能力。故而我們認(rèn)為，惡劣工況適應(yīng)性試驗(yàn)應(yīng)作為皮帶秤耐久性評(píng)價(jià)的重要內(nèi)容。

南京三埃公司已將對(duì)其采用的耐久性試驗(yàn)方法向國(guó)內(nèi)外同行介紹，要求皮帶秤在額定條件下的散狀物料自動(dòng)稱量試驗(yàn)中，皮帶秤要能符合相應(yīng)準(zhǔn)確度等級(jí)檢定時(shí)的指標(biāo)，而且還要在模擬惡劣工況下滿足使用中檢驗(yàn)時(shí)的指標(biāo)[4]。

6　結(jié)束語(yǔ)

為保障進(jìn)入市場(chǎng)的計(jì)量器具品質(zhì)，嚴(yán)格的型式評(píng)價(jià)是必要的條件，型式試驗(yàn)達(dá)到某一準(zhǔn)確度等級(jí)指標(biāo)的，應(yīng)按真實(shí)結(jié)果授予相應(yīng)的《制造計(jì)量器具許可證》。皮帶秤的耐久性在很大程度上體現(xiàn)在它對(duì)于惡劣環(huán)境和工況的適應(yīng)能力，因此對(duì)皮帶秤耐久性的評(píng)價(jià)也應(yīng)采用可復(fù)現(xiàn)和量化各種不利影響的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)方法。需要指出的是，進(jìn)行皮帶秤耐久性試驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)室必須能夠開(kāi)展物料試驗(yàn)，具有足夠的試驗(yàn)用散狀物料以及最大秤量、分度值與準(zhǔn)確度都能滿足要求的控制衡器，并配備能夠模擬影響皮帶秤耐久性的各種主要因素(如皮帶張力變化、物料流量變化、皮帶速度變化、托輥狀態(tài)變化等)的試驗(yàn)裝置。建立具有這些專(zhuān)門(mén)設(shè)施的實(shí)驗(yàn)室花費(fèi)不菲，但還是值得的，因?yàn)楫?dāng)這樣的實(shí)驗(yàn)室一旦建成之后，采用這種方法進(jìn)行皮帶秤耐久性試驗(yàn)就成為一種可行的選擇和必然趨勢(shì)，并將大大提高皮帶秤的技術(shù)水平。

至于若要評(píng)價(jià)某臺(tái)具體在用皮帶秤的耐久性實(shí)際表現(xiàn)，可在售后以用戶現(xiàn)場(chǎng)日常跟蹤監(jiān)測(cè)和檢驗(yàn)的方式得知。使用中皮帶秤性能的歷次結(jié)果、變動(dòng)范圍與趨勢(shì)，可以作為預(yù)測(cè)該皮帶秤性能可能會(huì)超差日子的依據(jù)，從而能以個(gè)性化原則來(lái)更合理地確定校準(zhǔn)或檢定的物料試驗(yàn)周期，但不適合當(dāng)作耐久性型式評(píng)價(jià)的依據(jù)。

[1]OIML R76-1:2006(E)Non-automatic weighing instruments [S]：97-98

[2]徐厚勝，等.再談電子皮帶秤的耐久性[J].衡器，2012(1)：26-27

[3]JJG 650—90電子皮帶秤試用檢定規(guī)程[S]

[4]袁延強(qiáng)，等.模擬惡劣工況下的物料試驗(yàn)—介紹一種皮帶秤耐久性試驗(yàn)方法[G].稱重科技(中國(guó)衡器協(xié)會(huì)：第九屆稱重技術(shù)研討會(huì)論文集)：106-110