電子吊秤使用及機(jī)械安全性分析

【摘

要】 本文從設(shè)計(jì)、制造和使用維護(hù)三個(gè)環(huán)節(jié)分析了電子吊秤在機(jī)械安全方面存

在的若干問(wèn)題，并舉了幾個(gè)案例加以說(shuō)明，提出應(yīng)該按起重機(jī)械的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)要求電子

吊秤，以提高電子吊秤的機(jī)械安全水平。

【關(guān)鍵詞】

電子吊秤；機(jī)械安全；螺紋；偏心載荷；疲勞；分析

一、電子吊秤機(jī)械安全的重要性

隨著社會(huì)和經(jīng)濟(jì)技術(shù)的不斷發(fā)展，安全問(wèn)題越來(lái)越受到人們的重視，對(duì)產(chǎn)品安全性

的要求也越來(lái)越高。其中，起重機(jī)械安全又是國(guó)家質(zhì)檢總局關(guān)注的重點(diǎn)之一。其所以成

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

一個(gè)中間環(huán)節(jié)，也應(yīng)該引起我們的關(guān)注。

電子吊秤在中國(guó)出現(xiàn)也就是近三十年的事，比其它起重機(jī)械要晚很多，應(yīng)用范圍也

小一些，又是以計(jì)量產(chǎn)品的身份出現(xiàn)，歸計(jì)量部門管理。計(jì)量部門關(guān)注的更多是計(jì)量性

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

們關(guān)注的又一個(gè)原因。我們知道，0.5t 及以上的電子吊秤通常都是在起重機(jī)上使用的。

電子吊秤上接起重機(jī)，下接吊具索具。作為起重機(jī)械使用中的一個(gè)中間環(huán)節(jié)，無(wú)疑應(yīng)該

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

電子吊秤的機(jī)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(guò)程中的計(jì)量，

但是也用于工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的工藝控制，因此，計(jì)量的對(duì)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(xiǎn)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(yán)重的后果。所以，我們必須對(duì)電子吊秤的安全性給予足夠的

關(guān)注，防患于未然。

二、起重機(jī)械相關(guān)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(jī)械相關(guān)零部件和吊具，說(shuō)得具體一點(diǎn)就是各

類吊鉤和各類吊具。各類吊鉤和各類吊具的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、安全規(guī)程以及使用維護(hù)注意事項(xiàng)

等具體內(nèi)容很多，按設(shè)計(jì)、制造、使用三個(gè)階段來(lái)劃分，可概括如下：

1、設(shè)計(jì)階段

①承載結(jié)構(gòu)應(yīng)力求簡(jiǎn)單，受力明確，傳力直接，減少應(yīng)力集中的影響。

②設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮動(dòng)載、磨損、腐蝕、溫度、工作環(huán)境等因素對(duì)安全性能的影響。

③承載結(jié)構(gòu)應(yīng)有足夠的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性。

④承載結(jié)構(gòu)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(nèi)部應(yīng)無(wú)足以影響使用的缺陷，且應(yīng)有良好的抗疲勞性能。

②鍛件纖維走向、軋制件軋制方向應(yīng)力與受力方向保持一致。對(duì)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(gòu)零部件必須有制造單位的合格證等技術(shù)證明文件，否則應(yīng)進(jìn)行檢

驗(yàn)，查明性能合格后方可使用。

④高強(qiáng)螺栓連接應(yīng)按技術(shù)設(shè)計(jì)要求使用工具擰緊。

⑤經(jīng)檢驗(yàn)合格的產(chǎn)品，制造單位應(yīng)在其適當(dāng)位置作出不易磨損的標(biāo)記，并簽發(fā)合格

證。標(biāo)記內(nèi)容至少應(yīng)包括：額定起重量（極限工作載荷）、檢驗(yàn)標(biāo)志、生產(chǎn)編號(hào)、制造日

期、制造單位；合格證內(nèi)容應(yīng)包括主要技術(shù)性能參數(shù)；產(chǎn)品售出時(shí)，應(yīng)附有安全使用、

維護(hù)保養(yǎng)說(shuō)明書。

3、使用階段

①強(qiáng)調(diào)使用過(guò)程中的定期安全檢查。

②有明確的報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn)。

三、用起重機(jī)械的安全標(biāo)準(zhǔn)來(lái)審視電子吊秤

1、設(shè)計(jì)

電子吊秤的機(jī)械設(shè)計(jì)可分為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度設(shè)計(jì)，兩者對(duì)安全都很重要。這里想就

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)多說(shuō)兩句。

電子吊秤的結(jié)構(gòu)形式很多，本文也只能選擇其中兩種常見(jiàn)的形式加以分析比較。以

傳感器的受力方式來(lái)分：

*類結(jié)構(gòu)：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(jié)構(gòu)：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(nèi)螺紋的 S 型傳感器，再通過(guò)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(guò)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(gè)整體，可以直接連接卸扣和吊鉤。

前兩種結(jié)構(gòu)都有螺紋連接承載全部載荷。我們知道，螺紋是機(jī)械連接中應(yīng)用zui為廣

泛的一種?？赡苁且?yàn)閼?yīng)用太普遍了，在當(dāng)今科學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展的今天，人們往往自然

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

零部件，忽視了不少技術(shù)細(xì)節(jié)。螺紋是一種復(fù)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(jié)構(gòu)件的承載螺紋而言，可能的影響因

素有：

①采用高強(qiáng)材料，缺口敏感性強(qiáng)。制造過(guò)程中材料的熱處理，機(jī)械加工的表面粗糙

度、圓角，乃至原材料中的雜質(zhì)多少和形態(tài)都會(huì)對(duì)螺紋的壽命產(chǎn)生影響。

②擰緊力矩的控制不當(dāng)，使螺紋受到過(guò)大的預(yù)緊力。

③由于連接件設(shè)計(jì)不當(dāng)，或機(jī)械加工精度低，或使用不當(dāng)，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(shè)計(jì)，同是螺紋連接，

其安全性也有所不同。

①筆者查閱了國(guó)內(nèi)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?yàn)橥ㄓ眯偷?/span> S 型傳感器普遍采用的是內(nèi)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(yù)緊力，無(wú)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(yù)緊力的場(chǎng)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(yīng)力幅值偏

大的問(wèn)題應(yīng)該關(guān)注。

③由于傳感器性能的需要，傳感器的彈性元件硬度相對(duì)比較高。也就是說(shuō)，S 型傳

感器上的內(nèi)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(yīng)力分

布的要求相背，在一定程度上會(huì)降低螺紋連接的疲勞壽命。

正是考慮到螺紋連接的缺點(diǎn)，有些廠家設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)的三種設(shè)計(jì)還有一個(gè)共同的特點(diǎn)，就是整個(gè)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(shè)計(jì)過(guò)載保護(hù)結(jié)構(gòu)，但是由于成本將

大大增加，事實(shí)上采用的很少。而傳感器作為信號(hào)源，為了保證測(cè)量準(zhǔn)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(jié)構(gòu)中，選用扭環(huán)式傳感器或輪輻式傳感器，利用反向器實(shí)現(xiàn)和卸扣、吊

鉤的連接。多用于 20t 及以上量程。

與*類結(jié)構(gòu)相比，第二類結(jié)構(gòu)有三個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

一是承載環(huán)節(jié)沒(méi)有采用螺紋連接，而是只有軸銷連接，結(jié)構(gòu)的可靠性和安全性相對(duì)

要好不少。

二是反向器可以采用起重機(jī)械安全標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計(jì)更大的安全系數(shù)，即使傳感器過(guò)載損壞時(shí)，機(jī)械系統(tǒng)仍可以是

安全的。有些教科書中稱之為“無(wú)限壽命設(shè)計(jì)”。

可以說(shuō)，這是電子吊秤的機(jī)械結(jié)構(gòu)。

以上僅僅是針對(duì)當(dāng)前市場(chǎng)上的常見(jiàn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)所做的分析比較，實(shí)際情況當(dāng)然要復(fù)雜

一些。即使采用同樣的傳感器，實(shí)際連接可以不止一種設(shè)計(jì)。比如通過(guò)球鉸或通過(guò)十字

軸銷過(guò)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(guò)程也是保證機(jī)械安全性的關(guān)鍵。

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

的 40Cr 棒材做過(guò)分析，其質(zhì)量差別還是很明顯的。對(duì)于起重結(jié)構(gòu)件來(lái)說(shuō)不能僅僅看其

化學(xué)成分和機(jī)械性能，金相檢驗(yàn)也是必要的。這對(duì)有缺口敏感性的高強(qiáng)材料而言，鋼材

的晶粒度、鋼材中夾雜物的等級(jí)對(duì)結(jié)構(gòu)件疲勞壽命的影響更明顯。

②制造技術(shù)對(duì)吊秤機(jī)械安全的影響是不言而喻的，主要體現(xiàn)在主要受力結(jié)構(gòu)件的鍛

打、熱處理、機(jī)械加工三個(gè)方面，部分大量程產(chǎn)品可能會(huì)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(qiáng)

產(chǎn)品的驗(yàn)收環(huán)節(jié)。

這里特別強(qiáng)調(diào)一下連接螺紋的加工。電子吊秤中主要受力結(jié)構(gòu)件的承載螺紋與直柄

吊鉤上的螺紋受力狀況其實(shí)是相當(dāng)接近的。直柄吊鉤國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)相關(guān)螺紋和螺母有詳

細(xì)的要求，包括材質(zhì)、熱加工、切削加工以及檢驗(yàn)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(dá)不到起重機(jī)械的安全要求的。

③產(chǎn)品標(biāo)識(shí)和安全使用維護(hù)說(shuō)明。電子吊秤作為計(jì)量產(chǎn)品，相關(guān)的準(zhǔn)確度等級(jí)、計(jì)

量器具制造許可證等標(biāo)志清楚，有關(guān)計(jì)量的使用的說(shuō)明也很詳細(xì)。但是，很少有廠家標(biāo)

明電子吊秤的起重工作級(jí)別，盡管電子吊秤的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定“與起重機(jī)配合工作的電

子吊秤應(yīng)按 GB/T 3811-1983 中 4.1.3 確定其工作級(jí)別”。筆者不止一次發(fā)現(xiàn)，用戶在使用

非常頻繁的起重機(jī)上使用普通的電子吊秤，導(dǎo)致斷裂事故的發(fā)生。

至于其它使用過(guò)程中有關(guān)機(jī)械安全的注意事項(xiàng)，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(jī)械結(jié)構(gòu)和電子儀表罩起

來(lái)，一般的起重工自然難以用常規(guī)方法進(jìn)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(méi)有采取措施限制使用次數(shù)或規(guī)定使用期限，實(shí)際上也是一種安全

隱患。

3、使用

除了上面提及的因?yàn)橹圃焐坍a(chǎn)品標(biāo)識(shí)和安全使用維護(hù)說(shuō)明上的不足引起的安全問(wèn)

題以外，也有用戶方面原因引起的，例如：

①起吊過(guò)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(dāng)，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(zhuǎn)動(dòng)，可能使電子吊秤

受到彎矩作用，對(duì)于結(jié)構(gòu)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(diào)質(zhì)，硬度

HRC28—32。

斷裂螺釘?shù)慕鹣嘁?jiàn)圖 1。對(duì)照

GB3077-1999 合金結(jié)構(gòu)鋼標(biāo)準(zhǔn)可以看

出，所用材料夾雜大小明顯超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)。

這類較大的夾雜對(duì)材料力學(xué)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(qiáng)鋼內(nèi)部，這類

夾雜形成的應(yīng)力集中在較低的應(yīng)力水

平下也能形成裂紋！而裂紋一旦出現(xiàn)，

就會(huì)迅速擴(kuò)大，zui終導(dǎo)致構(gòu)件斷裂。

此外，該材料還有比較明顯的偏析，

也降低了材料強(qiáng)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(qiáng)

度、塑性、韌性都大幅度降低，尤其是對(duì)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(dǎo)致的 10t 吊秤下連接件連接螺桿斷裂

這是一個(gè)與吊秤機(jī)械結(jié)構(gòu)和使用都有關(guān)的問(wèn)題。吊秤的機(jī)械結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖 2。結(jié)構(gòu)的上

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

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

對(duì)稱，斷裂區(qū)約為整個(gè)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(shuō)明材料質(zhì)量和熱處理狀態(tài)基本正常。螺桿受到了彎矩作用，才是導(dǎo)致斷裂的主要

原因。問(wèn)題在于，彎矩何來(lái)？

進(jìn)一步仔細(xì)觀察發(fā)現(xiàn)，吊環(huán)螺釘內(nèi)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(yuǎn)，見(jiàn)圖 3。

經(jīng)與用戶溝通，該秤常在在一臺(tái) 15t 的吊車上使用。也就是說(shuō)，吊鉤尺寸較大而吊

環(huán)相對(duì)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(gè)

接觸點(diǎn)。這就使得吊環(huán)螺釘受力以后不容易自動(dòng)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(shí)，又經(jīng)常受到一個(gè)附加彎矩的的作用，也可

以說(shuō)，螺紋是因?yàn)槌惺艿氖谴笮〔淮_定，但是方向確定的偏心載荷而zui終導(dǎo)致斷裂。

圖1

X100

圖2

圖3

3、C 型吊鉤直接連接下拉頭導(dǎo)致傳感器螺紋斷裂

這是一家金屬制品廠的技改項(xiàng)目，于鋼卷的搬運(yùn)。額定起重量為 20t，實(shí)際起

重量連 C 型吊鉤總共 18t 左右。使用不到一年時(shí)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(yīng)該發(fā)生這樣的事故。只好請(qǐng)金屬材料檢測(cè)中

心做斷口分析。

分析表明，傳感器材料的金相組織

以及機(jī)械性能基本達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，沒(méi)有

發(fā)現(xiàn)可能導(dǎo)致斷裂的缺陷。斷口形態(tài)屬

疲勞破壞，左右兩個(gè)疲勞源，大體在對(duì)

稱位置，疲勞擴(kuò)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(shuō)明彎矩是怎

樣產(chǎn)生的所以還得從結(jié)構(gòu)上找原因。

原設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖 4。與我們通常

的電子吊秤不同的是，C 型吊鉤直接通

過(guò)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