電子吊秤使用及機械安全性分析

發布日期：2013-05-11      瀏覽次數：2281

 

【摘

要】 本文從設計、制造和使用維護三個環節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

隨著社會和經濟技術的不斷發展，安全問題越來越受到人們的重視，對產品安全性

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

一個中間環節，也應該引起我們的關注。

電子吊秤在中國出現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，又是以計量產品的身份出現，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范和安全監管制度。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節，無疑應該

具有與起重機和吊具索具相當的安全性能，才能保證整個起重機械系統的安全水平。

電子吊秤的機械安全事故的表現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，

但是也用于工業生產過程中的工藝控制，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經檢驗合格的產品，制造單位應在其適當位置作出不易磨損的標記，并簽發合格

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；產品售出時，應附有安全使用、

維護保養說明書。

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螺釘的）。多用于 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。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都會對螺紋的壽命產生影響。

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，就是整個系統的安全性不可能高

于傳感器自身的安全系數。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不可能太高。

在第二類結構中，選用扭環式傳感器或輪輻式傳感器，利用反向器實現和卸扣、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點：

一是承載環節沒有采用螺紋連接，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，即使傳感器過載損壞時，機械系統仍可以是

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，部分大量程產品可能會有焊接。衡器生產企業規模通

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生產廠家，并注意加強

產品的驗收環節。

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產品標識和安全使用維護說明。電子吊秤作為計量產品，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”。筆者不止一次發現，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方法進行安全檢查，安全隱患也就更難以發現。

一般電子吊秤也沒有采取措施限制使用次數或規定使用期限，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，熱處理狀態為調質，硬度

HRC28—32。

斷裂螺釘的金相見圖 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，

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，我們發現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

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

經過觀察事故吊秤，發現螺桿系疲勞斷裂。疲勞源左右對稱，但是裂紋擴展區并不

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

密，說明材料質量和熱處理狀態基本正常。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？

進一步仔細觀察發現，吊環螺釘內環面上方有兩處明顯的壓痕，疑是與吊鉤的接觸

壓痕。壓痕距吊環的中心線比較遠，見圖 3。

經與用戶溝通，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

環相對較小。在兩者的接觸處，吊鉤的曲率半徑大于吊環的曲率半徑，所以就有了兩個

接觸點。這就使得吊環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。

經了解該廠起重操作規范，不存在操作失誤。而傳感器是用 40CrNiMoA 制造，熱

處理規范，螺紋直徑 M52X3，似乎也不應該發生這樣的事故。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

發現可能導致斷裂的缺陷。斷口形態屬

疲勞破壞，左右兩個疲勞源，大體在對

稱位置，疲勞擴展區占了斷面三分之二

以上。zui后斷裂區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

生疲勞破壞。

有關教科書中在談到螺紋聯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

電子吊秤是計量產品，當然應該重視計量性能。安全問題又是所有產品的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，促進這個行業的健康

發展。

參考文獻

1．GB3811-2008 起重機設計規范。

2．LD48-93 起重機械吊具與索具安全規程。

3．廖景娛 <金屬構件失效分析> 化學工業出版社 2003 年。

4．凌武寶 <可拆卸聯接設計與應用> 機械工業出版社 2006 年。