Причины повреждения весов

Устройство тензометрических весов.
Промышленные тензометрические платформенные весы, как правило, представляют собой прямоугольную грузоприемную платформу, установленную углами на 4 тензодатчика.

Вес груза (F = mg) распределяется между тензодатчиками. Определение массы груза производится через сложение сигналов с датчиков:

Ударные нагрузки на весы

(1)Установка тяжелого груза на весы производится с помощью грузоприемных механизмов, таких как подъемные краны, погрузчики, и подобные, которые, как правило, имеют рабочую скорость опускания груза в пределах 0,1 – 0,4 м/с.

В момент посадки груза на весы, из-за наличия вертикальной скорости, на весы действует не только сила тяжести груза, но и сила инерции останавливаемого груза.

Рисунок 1

Сила, действующая на весы, распределяется между четырьмя тензодатчиками. При этом нагрузка, приходящаяся на каждый отдельный тензодатчик, зависит не только от массы груза, но и от места его расположения на грузоприемной платформе.
Если груз расположен точно по центру, то сила, действующая на весы, в идеальном случае распределяется равномерно на все тензодатчики.

(2)

Если точка установки груза в результате ошибки крановщика сместится относительно центра весов, то тензодатчики нагружаются неравномерно. В крайнем случае, при установке груза на угол весов, вся нагрузка приходится на один тензодатчик¹⁾.

(3)

(4)

Поэтому, в реальных условиях эксплуатации сила, действующая на самый нагруженный тензодатчик, может изменяться в диапазоне:

(5)

Согласно расчету, исходя из закона сохранения энергии, амплитуда силы, действующей на весы при наложении груза (рис. 1) имеет значение:

(6)

где m — масса груза;
g – ускорение свободного падения;
V – вертикальная составляющая скорости;
k – жесткость конструкции весов (или груза).
Если сила, действующая на тензодатчики, хотя бы кратковременно превысит предельно допустимую, это повлечет за собой выход весов из строя²⁾.

Пределы перегрузки тензодатчиков

Предельная нагрузка на тензодатчики составляет:

(7)

где НПИ — наибольший предел измерения;
К_пер – коэффициент перегрузки;
g – ускорение свободного падения.
Из всего вышеизложенного следует условие выхода весов из строя:

(8)

Таким образом, безопасность весов зависит как от условий нагружения (массы, скорости и места установки груза), так и от конструктивных особенностей весов (НПИ и К_пертензодатчиков, жесткость конструкции).
В зависимости от массы взвешиваемого груза, максимальная нагрузка (Max или ранее НПВ) весов выбирается так, что бы выполнялось условие³⁾:0,5Мах < m < Мах.(9)

При конструировании тензометрических весов негласно принято правило выбора тензодатчиковНПИ датчика ≈ 0,5 Мах весов.(10)

Что обеспечивает разумный компромисс между погрешностью взвешивания и перегрузочной способностью весов⁴⁾.
Учитывая, что паспортная перегрузочная способность тензодатчиков, как правило, составляет 150%, то предельная нагрузка, которую может выдержать тензодатчик правильно сконструированных весов, составляет:

(11)

Статическая перегрузка

Из формулы 11 следует, что даже при правильно сконструированных весах, груз допустимой массы, лежащий на углу платформы приведет к недопустимой перегрузке и к поломке тензодатчика.

Динамическая перегрузка

При установке груза на весы, в момент посадки груза возникает кратковременная динамическая перегрузка (удар), амплитуда которой определяется формулой 6. Динамическая перегрузка зависит от массы груза, скорости его посадки, и жесткости груза и весов в месте их контакта.
Если принять, что груз абсолютно жесткий, то жесткость весов можно оценить по закону Гука по просадке весов под статическим весом груза:

(12)

где m – масса груза;
g – ускорение свободного падения;
х – просадка конструкции под весом груза.
При этом и просадка весов, и соответственно их жесткость зависят от точки нагружения: в центре платформы просадка обеспечивается преимущественно прогибом платформы, на углу просадка определяется деформацией тензодатчика и его узла встройки.
Проанализировав ряд платформенных весов с размером платформы 1,5х1,5 м с Max от 1 до 10 тонн, можно получить следующие цифры.
Прогиб платформы при нагружении по центру грузом массой равной Max весов ориентировочно составляет 3 мм.⁵⁾ При наложении того же груза на угол весов составляет около 1 мм.⁶⁾ Соответственно, жесткость весов, в зависимости от Max и точки нагружения будет равна: k,10⁶Н/м

Чем выше Max весов, тем выше жесткость весов при одинаковой величине просадки под максимальной нагрузкой.
Для оценки возможности повреждения тензодатчика важна не абсолютная величина действующей на него силы F, а ее отношение к НПИ тензодатчика, то есть безразмерный коэффициент нагрузки. Если коэффициент нагрузки превысит максимально допустимый, обычно равный 150% (независимо от значения НПИ тензодатчика), то тензодатчик будет поврежден.
Если жесткость весов задана через величину их просадки x, то и коэффициент нагрузки может быть выражен через просадку:

(13)

При этом необходимо учесть, что просадка весов при установке груза массой Max на центр и на угол весов будет разной. Кроме того, при установке груза на центр его нагрузка делится на все тензодатчики равномерно, а при установке на угол вся нагрузка действует на один тензодатчик.
Зависимость нагрузки на тензодатчики от скорости опускания груза при установке на центр весов:

При малых скоростях опускания груза перегрузка не превышает допустимых пределов. Перегрузка становится недопустимой при скорости выше 0,4 м/с.
Зависимость нагрузки на тензодатчик от скорости опускания груза на угол весов:

При любых скоростях перегрузка недопустимо высокая, и многократно растет с увеличением скорости.
Использование весов, не имеющих конструктивной защиты от перегрузок, в реальных производственных условиях ведет к их частому выходу из строя.

¹⁾ Реально, учитывая, что конструктивно тензодатчики смещены немного к центру от углов платформы, это означает посадку груза в точку крепления датчика.

²⁾ При превышении предела нагрузки тензодатчик получает остаточную деформацию. В зависимости от величины остаточной деформации происходит уход характеристики тензодатчика (от незначительного смещения нуля, которой может быть скомпенсирован электроникой весов, вплоть до полного его разрушения). При этом при многократных незначительных перегрузках происходит накопление остаточной деформации вплоть до полного выхода датчика (и соответственно весов) из строя.

³⁾ Согласно общетехнических правил выбора средств измерений.

⁴⁾ Весы, построенные на датчиках с НПИ = 0,5 Мах весов и перегрузочной способностью 150%, в идеальном случае выдерживают нагрузку в 3Мах (что неплохо). При этом при равномерно нагруженных датчиках, каждый из них в режиме взвешивания работает (при соблюдения правила 9), в пределах 25…50% своего рабочего диапазона (достаточно разумно).

В ряде источников встречаются рекомендации выбора НПИ = 1/3 Мах. В этом случае перегрузки будут еще больше.

⁵⁾ Для обеспечения механической прочности платформы и обеспечения допустимых углов отклонения тензодатчика вызванных прогибом, жесткость весов обычно задается такой, чтобы стрела прогиба платформы весов под максимальной нагрузкой составляло примерно 1:500, что соответствует прогибу платформы длиной полтора метра под весом Мах на величину 3 мм.

⁶⁾ Паспортные данные деформации тензодатчиков ~ 0,5 мм.