专利名称：称重装置和其中的力传递组件的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种单曲梁型荷载测量装置中的向梁传递力的组件。在单曲梁荷载测量装置中，通过在沿梁的长度方向上相互分开的若干力传递组件，使梁承受的荷载与其反作用力达到平衡。若在梁上选定的区域内测量因梁受力弯曲所产生的应变，则该应变将与应变测量区域的位置到力传递组件间的距离以及与各力传递组件间的距离成比例。
在这种装置中，梁在使用时要承受超出其静止平面的弯曲，这样，随着梁上各固定点的距离发生变化，梁的相对于力的初始作用线的定位准线将发生变化。可以把这种工作情况和用于其它类型装置中的梁的工作情况做个比较，例如和剪切梁荷载传感器及平行四边型梁装置中的梁做一比较，在后者中，梁的形变不包含沿其长度方向的弯曲。例如在授与Laimins的3512595号美国专利和由Yamato衡器公司递交的535837号澳大利亚专利说明书中，就记载了具有平行四边型梁的装置。
单曲梁装置还将承受因非理想荷载条件所产生的其它类型的形变，例如，将承受因不均衡荷载和/或不均衡支承所产生的扭曲形变。
在44956/85号澳大利亚专利说明书中，记载的发明任务是把力传递给这种单曲梁结构，而且在同一说明书中还记载了采用弹性组件以两种不同的方式来实现这种传递。在44956/85号专利说明书所给出的一个实施例中，力是施加在安装在梁内的弹性管筒内的销轴上的，在其另一个实施例中，力是施加在安装在梁的上面和下面的园柱形弹性组件上的。
本发明将给出可改进这种曲梁称重装置的性能的配置设计，并使其造价更低。具体地说，本发明的任务是提供一个力传递组件，该组件能使曲梁结构简单化，并能采用弹簧钢这样便宜的材料制造曲梁，梁体所需的预处理和机械加工亦十分简单，该力传递组件还能承受在称重领域中常常发生的轻微使用不当和非准直施载，而不会降低其性能。
本发明还涉及到一种称重系统，该系统虽然是非专用的，但特别适合于称量小动物。本发明的另一个发明任务是提供这样一种称重系统，即只采用一个应变片，就可以对置于承受荷载的称盘上的、或是在某一延展区域内的荷载进行称量，而在已有技术中，至少要求有两个应变片。
图1是一个单曲梁称重装置的侧视示意图。
图2是本发明的荷载传递组件。
图3表示的是蠕变实验的结果。
图4表示的是动态实验的结果。
图5是配置有本发明的荷载传递组件的曲梁称重装置的平面图。
图6是图5所示装置的端侧立视图。
图7是沿图5中7-7线的剖面图。
图8是沿图5中8-8线的局部剖面图。
图9是根据本发明的第二种类型实施例构造的称重装置的平面图，其中已移去了承受荷载的称盘。
图10是图9所示装置的侧视图。
图11是本发明另一个实施例的平面图。
图12是图11所示实施例的侧视图。
图1是一个单曲梁称重装置的侧视示意图。在这种配置方式中，曲梁10通过各力传递组件13分别耦合在刚性构件11和12上，当这一个或那一个刚性部件承受荷载时，其曲梁10可以相对于刚性构件11和12弯曲。在所描述的情况中，荷载力作用于刚性构件11，而反作用力作用于刚性构件12，从而保持该系统的整体平衡。
力传递组件13必须具有这样的性能，即把使曲梁10弯曲的力传递给曲梁10的同时，所产生的对曲梁10弯曲的阻力为最小，且其滞后作用和扭曲蠕变均为最小，从而使曲梁因弯曲所产生的形变与作用到曲梁上的力准确的相对应。在称重装置中经常使用这种配置方式，在这种应用中，把要称重的荷载或其一部分施加到刚性构件11上。
当刚性构件11承受荷载时，在曲梁弯曲而使得荷载传递组件和曲梁的接触点在弧上移动时，它应基本上保持在与该装置的安装平面大致平行的平面内。因此，组件13应必须能够承受复杂的形变而不影响曲梁10的弯曲，必须能够适应压力、弯曲、扭曲和剪切的作用，而且必须使所产生的非线性、蠕变或滞后作用不能达到足以破坏该装置使用的程度。
在使用电子荷载传感器称量方面，为了保护荷载传感器使其免受冲击荷载的危害，橡胶组件已被使用了许多年，而冲击荷载是导致荷载传感器出现故障的一个主要原因。而且，橡胶组件还可以起减振作用，而振动也会导致传感器出现故障。
这种橡胶组件一直被用于具有平行四边形梁或剪切梁的单点荷载传感器。当荷载变化时，这种传感器的承受荷载部分与该传感器的固定部分保持平行。然而，单曲梁荷载传感器通常要承受
(ⅰ)荷载方向有较大偏离的荷载，使得承载点到荷载初始作用线之间有较大的距离变化;
(ⅱ)使曲梁受力区域和荷载作用线之间有显著的角度变化的荷载，比如使曲梁的相应部分沿弧线的运动不是平行于、而是垂直于曲梁静止平面时的荷载。
因此，曲梁荷载传感器和这种橡胶组件的结合使用所产生的误差是难以接受的。
本发明源于这样一种认识，即必须把单曲梁装置中的荷载传递组件看作是曲梁荷载传感器整体的一部分，这样，传递组件的弹性就应成为整个系统弹性的一部分，并可结合来确定该系统的诸如滞后、线性和蠕变等等有效特性。
现结合图2来说明本发明的荷载传递组件，它包括由象天然橡胶或聚氨酯这类弹性材料制成的主体，该主体呈一矩形棱柱，其侧面15为缩腰形。通过使用，比如说点焊方式，用双头螺纹螺栓17在该主体的上、下表面上装上矩形钢板16。为了提供一种下面将描述的可精细调节该装置的方式，螺栓17和主体的真实中心线偏置设置，如图2所示，距离A略大于距离B。为了表示出主体方位的这种细微的不平衡，在板16的最靠近螺栓的一侧形成有缺口18。
这样设计的组件适用于具有由扁平弹簧钢片构成的曲梁的曲梁装置。曲梁通常为40mm宽，10mm厚，这种应用中的弹簧钢通常为汽车板簧，因此，即便宜又易于实现。对于这种曲梁，已经发现，当由天然橡胶构成的传递组件的硬度为60丢洛-A、长为60mm、高为20mm、宽为30mm、且腰形部分厚为20mm时，其效果极好。我们曾对具有不同硬度(例如，为增加承载能力，把硬度增加至65丢洛-A)的组件进行过测试，获得了内部蠕变和动态实验的结果。
为了说明这些效果，图3和图4表示出了三个测试组件的蠕变和动态特性曲线。组件A是市场上可以买到的标准隔振组件，组件B是具有图2所示形状的硬度为65丢洛-A的已改进的天然橡胶弹性体，组件C是由和组件B的形状、尺寸相同，但是硬度为60丢洛-A的天然橡胶制成。
图3表示的是蠕变测试结果，在该测试中，把组件配制到同上面描述的那种曲梁相类似的测试装置中，然后使装置动作并稳定。图3的纵轴表示的是获得的读数值，其满量程为5000。
施加测试荷载，5秒钟后校正该装置。然后在30分钟的时间间隔内测取读数，移去荷载。5秒钟后，再次对装置进行校正，并且在同样的时间间隔内测取读数。在松驰期间，每一种材料均呈现出相应于承受荷载时的反向蠕变。从图3中可以看出，使用了组件C的梁，其蠕变特征曲线的形状很好，一分半钟后的误差仅为0.12%。组件B则呈现出较大的蠕变，而市场上可以买到的那种组件很不符合要求，一分半钟之后，因蠕变而产生的误差大于1%。
图4表示的是动态测试结果，将和上一测试中的同样的三个组件配置到测试装置上，使其动作并稳定。施加测试荷载，5秒钟后校正该装置。然后，在20秒钟之内测取读数。使测试装置强烈振动5秒钟。在这一振动周期结束后，测取自开始承受荷载30秒钟时的读数。结果表明，组件B和C明显优于已有的组件A，而且在动态条件下，组件C的性能最好。
本发明的荷载传递组件的特征曲线的重要意义在于，它表明这种组件和便宜的钢条一起就能够形成其承载能力为1000公斤、读数精度高于0.5%的曲梁称重装置，且其传感器的最高造价仍低于用于类似应用的普通传感器的四分之一。本发明的组件的成功因素在于采用了腰形侧面，首先，它能减小组件对弯曲的阻力，且同时保持有足够的承载能力;其次，它能减小组件因弯曲而在弹性体内产生的剪切力。这种形状还有助于保持在弯曲时荷载作用线通过组件的定位。本发明的组件的另一成功因素在于弹性体的选择，这种弹性体的弹性特征非常接近于理想弹性的特征，即不产生蠕变、滞后和非线性。所发现的最接近理想弹性特征的材料是碳黑增强过的天然有机橡胶。
采用本发明传递组件的曲梁称重装置能使称重设备设计精美，图5至图7所示的台秤就是该种装置的例子。在该装置中，包括有由钢条构成的一对曲梁20和21，以及根据图2构成的力传递组件13，其中曲梁20和21或是被钻孔，或是被打孔，以便配置螺栓17。该装置还包括上构架23和下构架26，上构架23包括水平腹板24和垂直边缘25，下构架26包括水平腹板27和垂直边缘28。构架的相对大小是这样的，即上边缘25从外侧复盖着下边缘28，两边缘之间留有一定距离以保证能够正常工作，并具有侧向过载保护功能，以限制装置的侧向运动。
当然，应在每一钢条20和21上配置一个单应变片(未示出)。这样的称重构架造价十分便宜。
由于上面所描述的传递组件13上的双头螺栓17的偏心配置，将传递组件旋转过180°的操作能够精细的调节施加到曲梁上的力作用点的位置。这样就获得了一个对该系统的性能进行校准，或称使该系统获得最佳性能的方法，而使用的钢条20和21可以无需按高精度公差进行加工，以免提高设计成本。
以上的描述表明，本发明的传递组件并不限于使用特殊的材料，本发明的特征在于，称重装置所用材料应依据其物理特性与使用目的的适应性而确定。现已发现，对于采用上面已描述过其构成的弹性荷载传递组件的单曲梁，将能够得到一些有用的结果，从某种意义上说，本发明正是基于对该发现的认识而产生的。一般说来，这样的组件应该具有和上面已描述过的组件大致相同的几何形状，且弹性体所用材料的弹性特征应接近于理想弹性体的相应特征。
图9至图12所示的配置方式适合于称量小动物的重量，称量范围是60公斤或100公斤，其精度足以满足畜牧业的一般要求，而且它只需配置一个应变片。
图9和图10所示实施例中的装置包括一个支承构架30，一个组合称重梁31和一个承受荷载的称盘32。
设计的组合梁31的工作方式与上面所提到的在先专利申请中的组合梁装置的工作方式相类似，即可以沿梁的全部长度弯曲，但是在称量检测板34上仅配置有一个应变片33。检测板34构成了组合梁31的自由悬浮的中央部分，该组合系统的其余部分包括两根侧梁构件35和36，它们可以通过焊接等方法固定在组合梁中央部分的两侧。
检测板34固定在组合梁31上，构件35和36的每一自由端均通过弹性力传递组件37支承在支承构架30上，其弹性力传递组件37最好就是上面表述过的那种传递组件。
同样，承受荷载的称盘32通过具有类似结构的力传递组件38支承在组合梁结构上。
在这种应用中，应选择这样的方式在组合梁31上配置检测板34，即除了必须使待测荷载始终能以足以满足所要求的精度传递到检测板上外，还要适合于称盘32上置有荷载时因施加在组件38上的荷载所产生的弯矩的测量。
在所给出的实例中，检测板34是通过螺栓39和固定夹板40固定在构件35和36上的。
一个可供选择的实施固定的例子，是使用根据需要能很容易地装配和拆卸零部件的便携式装置进行这一工作，装配时，用该装置紧固螺栓，把检测板34固定到构件35和36上，拆卸时，用该装置松下螺栓。采用这种配置方式时，构件35、36和称盘32的重量足以使检测板34十分牢固地锁定就位。当然，如果需要，检测板34也可以与梁构件35、36整体构成，亦可以采用焊接、粘接等方法将检测板34永久地固定在构件35和36上。
不难理解，在上面所描述的将所受荷载传递给检测板34的配置中，总弯矩对应着8个组件37和38所承受荷载的总和，这与前面所描述的那种荷载测量装置中的梁所产生的弯矩精确地对应着所施加的荷载的情况相类似，但是在这种情况下，延展的承受荷载的区域缩小到了用于应变测试的单梁大小。
与在先申请相同，亦采用弹性力传递组件37和38形成一个“悬浮”应变检测梁，以基本隔绝杂散力的影响，这也是借助象上面描述的那样的组件37和38的弹性主体的形状来实现的。
由梁构件35和36中的各个臂传递给检测板的扭力基本上被其它各臂所产生的阻力所抵消。如果需要，通过适当设计应变片，还可以进一步减小该系统的扭曲形变。
下面对上面描述的称重梁的构造和已有的称重梁的构造进行比较。在已有的称重梁构造中，象水平平面这样的承受荷载的区域，通过操作杆和转轴系统，变成了单独的一个点。授与Williams的4315554号美国专利就公开了这种系统的一个实例。在其中所描述的装置中，称盘上的荷载通过梁系统进行传递，在该梁系统中，梁实际上被做为简单的操作杆，荷载作用点和力测量点位于转轴的相对的边上。和这样的系统相比较。本发明的系统采用了一个承受弯矩的梁，它不起操作杆的作用，作为一个含有一“悬浮”单曲梁的测力系统，它通过力传递组件传递力给梁而梁传递弯矩到梁上的某一能够进行测试的点的方式产生弯矩，获得的测量值就代表着通过力传递组件传递给梁的各个力所产生的弯矩的总和。
除了构件35和36采用U型梁以外，通过调整组件37、38与检测板34之间的距离来改变承载点，就能够使该装置在其本质上和形式上有许多改变。比如说在检测板端部和各对力传递组件之间，还可以用一对分离的侧向板、或者用延展成对角斜杆形状的梁构件来替换构件35和36。另外，亦可以使检测板34形成为用以支承构件37和38的整块长板上的一个区域。
图11和图12表示的是本发明的另一种配置方式，其中形成有中央部分的梁41是一根整梁，在该梁的两端装有侧向部分42和43，后者分别用于支承力传递组件和通过力传递组件(未示出)支承称盘。
权利要求
1.用于单曲梁称重装置的力传递组件，包括一个弹性体主体，所述弹性体主体的形状类似于矩形棱柱，所选择的弹性体使所述主体的蠕变、滞后、线性特征等性质十分接近于理想弹性体的性质。
2.根据权利要求1所述的力传递组件，其特征在于在所述主体上下面之间的一对相对侧面向内收缩呈缩腰形。
3.根据权利要求2所述的力传递组件，其特征在于所述的弹性体是天然橡胶。
4.根据权利要求2所述的力传递组件，其特征在于所述主体的上侧面和下侧面均配置有刚性平板，在每一刚性平板上均附有固定用组件。
5.根据权利要求4所述的力传递组件，其特征在于所述的固定用组件包括附着在每一平板上的螺栓构件。
6.根据权利要求5所述的力传递组件，其特征在于所述的螺栓构件是同轴的，而且其相对于所述主体中心线向主体的一个腰形侧面偏移配置，贯穿所述主体的上侧面、下侧面。
7.一种其荷载和反作用力以相互平衡的形式施加在梁上的曲梁称重装置，所述的力分别施加在沿梁的纵向方向上相互分离的位置处的各力传递组件，在梁的已选定区域测量梁因受所述的力作用而弯曲所产生的变形，这一变形量的大小与所述区域的位置到所述力传递组件的距离以及与各力传递组件间的距离成比例，其特征在于把所述的荷载力传递给所述的梁的力传递组件是根据前面任何一个权利要求所限定的力传递组件。
8.一种其荷载和反作用力以相互平衡的形式施加在梁上的曲梁称重装置，所述的力分别施加在沿梁的纵向方向上相互分离的位置处的各力传递组件，在梁的已选定区域测量梁因受所述的力作用而弯曲所产生的变形，这一变形量的大小与所述区域的位置到所述力传递组件间的距离以及与各力传递组件间的距离成比例，其特征在于把所述的反作用力传递给所述的梁的力传递组件是根据前面任何一个权利要求所限定的力传递组件。
9.一种其荷载和反作用力以相互平衡的形式施加在梁上的曲梁称重装置，所述的力分别施加在沿梁的纵向方向上相互分离的位置处的各力传递组件，在梁的已选定区域测量梁因受所述的力作用而弯曲所产生的变形，这一变形量的大小与所述区域的位置到所述力传递组件间的距离以及与各力传递组件间的距离成比例，其特征在于所述的梁包括侧向延展的弯矩传递组件，所述的力传递组件配置在所述的弯矩传递组件上。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于力传递组件包括两对荷载力传递组件，所述的每一对荷载力传递组件配置在沿梁的纵向轴线的相对边上。
11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于所述的力传递组件包括两对反作用力传递组件，每一对反作用力传递组件配置在沿梁的纵向轴线的相对边上。
12.根据权利要求9至权利要求11中的任何一个所述的装置，其特征在于所述的已选定区域为相对于各所述的力传递组件间对称的区域。
13.根据权利要求9至权利要求11中的任何一个所述的装置，其特征在于所述的梁包括一个其长度方向沿所述的纵轴方向配置的细长构件，而所述的弯矩传递组件包括沿所述梁的侧向延展的构件。
14.根据权利要求10和13所述的装置，其特征在于每一侧向延展构件承受着一对力传递组件。
15.根据权利要求10和13所述的装置，其特征在于每一侧向延展构件承受着一对所述的荷载力传递组件和一对反作用力传递组件。
16.根据权利要求9所述的装置，其特征在于所述的梁包括一个位于所述的已选定区域的内侧构件和沿其纵向延展的外侧构件，所述的外侧构件和所述的内侧构件通过弯矩传递而相吻合。
全文摘要
用于在曲梁上进行变形测试的称重装置中的力传递组件，它包括一个由象天然橡胶这样的弹性材料构成的矩形棱柱型主体，该主体具有缩腰形侧面(15)，固定螺栓(17)经装在该主体上、下表面的平板(16)附着在其上。选择其蠕变、滞后和线性特性接近于理想弹性性质的那些材料构成该主体。本发明还给出了一种使用单曲梁对施加的荷载进行称量的称重装置。
文档编号G01G21/02GK1037033SQ8910202
公开日1989年11月8日 申请日期1989年3月18日 优先权日1988年3月18日
发明者阿瑟·凯伦巴赫 申请人:阿瑟·凯伦巴赫