電子吊秤使用及機械安全性分析

發(fā)布日期：2013-05-11      瀏覽次數(shù)：2283

 

【摘

要】 本文從設計、制造和使用維護三個環(huán)節(jié)分析了電子吊秤在機械安全方面存

在的若干問題，并舉了幾個案例加以說明，提出應該按起重機械的相關標準來要求電子

吊秤，以提高電子吊秤的機械安全水平。

【關鍵詞】

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

隨著社會和經(jīng)濟技術的不斷發(fā)展，安全問題越來越受到人們的重視，對產(chǎn)品安全性

的要求也越來越高。其中，起重機械安全又是國家質檢總局關注的重點之一。其所以成

為關注重點，與zui近幾年發(fā)生的多起重大起重安全事故有關。電子吊秤作為起重機械的

一個中間環(huán)節(jié)，也應該引起我們的關注。

電子吊秤在中國出現(xiàn)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(xiàn)，歸計量部門管理。計量部門關注的更多是計量性

能，因此，至今還未形成像起重機械那樣的機械設計規(guī)范和安全監(jiān)管制度。這就需要我

們關注的又一個原因。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中間環(huán)節(jié)，無疑應該

具有與起重機和吊具索具相當?shù)陌踩阅?，才能保證整個起重機械系統(tǒng)的安全水平。

電子吊秤的機械安全事故的表現(xiàn)形式大致不外乎以下幾種：連接失效或連接件斷

裂；稱重傳感器斷裂；吊鉤斷裂。電子吊秤作為衡器，主要用于商品交換過程中的計量，

但是也用于工業(yè)生產(chǎn)過程中的工藝控制，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

關注，防患于未然。

二、起重機械相關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零部件和吊具，說得具體一點就是各

類吊鉤和各類吊具。各類吊鉤和各類吊具的技術標準、安全規(guī)程以及使用維護注意事項

等具體內容很多，按設計、制造、使用三個階段來劃分，可概括如下：

1、設計階段

①承載結構應力求簡單，受力明確，傳力直接，減少應力集中的影響。

②設計時應考慮動載、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(wěn)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(qū)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證明文件，否則應進行檢

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性能參數(shù)；產(chǎn)品售出時，應附有安全使用、

維護保養(yǎng)說明書。

3、使用階段

①強調使用過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的形式加以分析比較。以

傳感器的受力方式來分：

*類結構：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?shù)模?。多用?/span> 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。可能是因為應用太普遍了，在當今科學技術迅猛發(fā)展的今天，人們往往自然

地偏重高技術，象螺紋連接這類“一般技術”往往不被重視，忘記了這是應予特別注意的

零部件，忽視了不少技術細節(jié)。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多少和形態(tài)都會對螺紋的壽命產(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(shù)才能保證安全，特別是不使用扭矩扳手控

制預緊力的場合。

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

大的問題應該關注。

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，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，在一定程度上會降低螺紋連接的疲勞壽命。

正是考慮到螺紋連接的缺點，有些廠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*類結構的三種設計還有一個共同的特點，就是整個系統(tǒng)的安全性不可能高

于傳感器自身的安全系數(shù)。雖然理論上也可以另外設計過載保護結構，但是由于成本將

大大增加，事實上采用的很少。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(shù)不可能太高。

在第二類結構中，選用扭環(huán)式傳感器或輪輻式傳感器，利用反向器實現(xiàn)和卸扣、吊

鉤的連接。多用于 20t 及以上量程。

與*類結構相比，第二類結構有三個優(yōu)點：

一是承載環(huán)節(jié)沒有采用螺紋連接，而是只有軸銷連接，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(shù)，即使傳感器過載損壞時，機械系統(tǒng)仍可以是

安全的。有些教科書中稱之為“無限壽命設計”。

可以說，這是電子吊秤的機械結構。




以上僅僅是針對當前市場上的常見產(chǎn)品結構所做的分析比較，實際情況當然要復雜

一些。即使采用同樣的傳感器，實際連接可以不止一種設計。比如通過球鉸或通過十字

軸銷過渡再連接吊鉤，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

制造過程也是保證機械安全性的關鍵。

①材料自身的質量對產(chǎn)品的安全性影響不可輕視。筆者曾對鋼材市場上的不同廠家

的 40Cr 棒材做過分析，其質量差別還是很明顯的。對于起重結構件來說不能僅僅看其

化學成分和機械性能，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制造技術對吊秤機械安全的影響是不言而喻的，主要體現(xiàn)在主要受力結構件的鍛

打、熱處理、機械加工三個方面，部分大量程產(chǎn)品可能會有焊接。衡器生產(chǎn)企業(yè)規(guī)模通

常都不大，往往不具備鍛打和熱處理能力。需要選擇合格的專業(yè)生產(chǎn)廠家，并注意加強

產(chǎn)品的驗收環(huán)節(jié)。

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是相當接近的。直柄吊鉤國家標準中對相關螺紋和螺母有詳

細的要求，包括材質、熱加工、切削加工以及檢驗方法和要求。一些電子吊秤廠家只按

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明。電子吊秤作為計量產(chǎn)品，相關的準確度等級、計

量器具制造許可證等標志清楚，有關計量的使用的說明也很詳細。但是，很少有廠家標

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(guī)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(xiàn)，用戶在使用

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。

至于其它使用過程中有關機械安全的注意事項，電子吊秤廠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，一般的起重工自然難以用常規(guī)方法進行安全檢查，安全隱患也就更難以發(fā)現(xiàn)。

一般電子吊秤也沒有采取措施限制使用次數(shù)或規(guī)定使用期限，實際上也是一種安全

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明上的不足引起的安全問

題以外，也有用戶方面原因引起的，例如：

①起吊過程中斜拉，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，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。




四、斷裂事故案例分析

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，硬度

HRC28—32。

斷裂螺釘?shù)慕鹣嘁妶D 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標準。

這類較大的夾雜對材料力學性能的影

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

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(xiàn)，

就會迅速擴大，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。

在另一起類似事故中，我們發(fā)現(xiàn)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

這是一個與吊秤機械結構和使用都有關的問題。吊秤的機械結構見圖 2。結構的上

部使用的是吊環(huán)螺釘。盡管用戶聲稱實際稱重量從未超過 10t，但還是發(fā)生了斷裂事故。

經(jīng)過觀察事故吊秤，發(fā)現(xiàn)螺桿系疲勞斷裂。疲勞源左右對稱，但是裂紋擴展區(qū)并不

對稱，斷裂區(qū)約為整個截面的三分之一。斷口初步觀察表明，斷裂區(qū)面積較小，斷面致

密，說明材料質量和熱處理狀態(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。問題在于，彎矩何來？

進一步仔細觀察發(fā)現(xiàn)，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)的中心線比較遠，見圖 3。

經(jīng)與用戶溝通，該秤常在在一臺 15t 的吊車上使用。也就是說，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

接觸點。這就使得吊環(huán)螺釘受力以后不容易自動找到鉛垂位置，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，又經(jīng)常受到一個附加彎矩的的作用，也可

以說，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




圖2

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的技改項目，于鋼卷的搬運。額定起重量為 20t，實際起

重量連 C 型吊鉤總共 18t 左右。使用不到一年時間，傳感器螺紋處斷裂。

經(jīng)了解該廠起重操作規(guī)范，不存在操作失誤。而傳感器是用 40CrNiMoA 制造，熱

處理規(guī)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，沒有

發(fā)現(xiàn)可能導致斷裂的缺陷。斷口形態(tài)屬

疲勞破壞，左右兩個疲勞源，大體在對

稱位置，疲勞擴展區(qū)占了斷面三分之二

以上。zui后斷裂區(qū)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。

原設計結構簡圖見圖 4。與我們通常

的電子吊秤不同的是，C 型吊鉤直接通

過軸銷與下拉頭相連接，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)過程中，重物通常要作上下、左右、前后運動，有勻速運動，

也要有加速、減速運動。電子吊秤除了承受重物的重量外，不可避免地受到各個方向的

附加慣性力。這些附加力有多少會傳到傳感器上，取決于機械結構設計。圖四的結構中，

下軸銷方向的附加慣性力不可避免地會傳到傳感器上，使傳感器的螺紋受到彎矩作用。

這一分析后來又為另一起類似結構吊秤的斷裂事故證實，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

鍵的問題是重物在水平方向運動時產(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，對螺桿而言是一個彎矩。在這個彎矩和重力載荷的反復作用下，zui終發(fā)

生疲勞破壞。

有關教科書中在談到螺紋聯(lián)結的抗疲勞設計時提到，“在涉及抗疲勞設計時，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

電子吊秤是計量產(chǎn)品，當然應該重視計量性能。安全問題又是所有產(chǎn)品的zui基本的

要求，更應該給予足夠重視。安全問題涉及到設計、材料、制造、使用、監(jiān)管方方面面，

本文也僅僅是限于個人一己之見，算是拋磚引玉，希望能引起行業(yè)的關注，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，促進這個行業(yè)的健康

發(fā)展。

參考文獻

1．GB3811-2008 起重機設計規(guī)范。

2．LD48-93 起重機械吊具與索具安全規(guī)程。

3．廖景娛 <金屬構件失效分析> 化學工業(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。