Весы

Весы

ВЕСЫ, прибор для определения веса тел. В зависимости от принципа, положенного в основу конструкции, различаются следующие типы весов: рычажные, гидростатические и пружинные. Наибольшее применение в промышленности, торговле и научной работе имеют рычажные весы.

Весы вообще должны обладать следующими свойствами: 1) устойчивостью, 2) чувствительностью, 3) верностью, 4) неизменяемостью показаний и 5) прочностью. Устойчивость - свойство весов автоматически возвращаться после нескольких колебаний в состояние равновесия по прекращении действия силы, нарушившей равновесие. Чувствительность - свойство рычага отклоняться на видимый угол под действием достаточно малого груза. Верность весов в смысле абсолютной математической точности практически неосуществима вследствие трения в частях механизма и неизбежной неточности отношения плеч. В виду этого законом устанавливается для каждого рода весов допускаемая максимальная погрешность, и т. о. весы считаются верными, если ошибки, получаемые при взвешивании, не выходят за пределы допуска. Неизменяемость показаний заключается в совпадении результатов при повторных взвешиваниях одного и того же груза на одних и тех же весов. Это совпадение также не м. б. математически точным, и практически требуется лишь, чтобы расхождение не выходило за пределы допуска. Наконец, прочность - свойство весового прибора продолжительно сохранять требуемую степень устойчивости, чувствительности и верности.

В 1928 г. Комитет по стандартизации при СТО утвердил стандартную номенклатуру, условные обозначения и наибольшие нагрузки (грузоподъемность) для рычажных весов, подлежащих обязательной поверке и клеймению (табл. 1).

Стандартная номенклатура весов

Кроме вошедших в стандартную номенклатуру весов, на практике применяются еще некоторые специальные типы: а) автоматические (преимущественно для сыпучих и жидких тел) - «Ав», б) аналитические для лабораторной и научной работы - «Ан», в) образцовые и для поверки гирь - «Кн», г) специальные для различных особенных целей (для определения сорта пряжи, бумаги и пр.) - «Сп».

I. Общая теория рычажных весов.

На фиг. 1 изображен АВ - рычаг 1-го рода: О - точка опоры, Р - гиря, приложенная на расстоянии L от точки опоры, Q - взвешиваемый груз, приложенный на расстоянии I.

Общая теория рычажных весов

Условие равновесия Ql = LP, или Q = LР/l. 1) При постоянном отношении L : I и переменном Р, весы могут быть: равноплечие, если L = l, неравноплечие, если l ≠ L; причем, если L : l = 10, весы называются десятичными. 2) При постоянном Р, но переменном отношении L : I, весы называются безменом. 3) Наконец, если при постоянных Р и L : I вес тела определяется по углу отклонения рычага, получаются циферблатные весы.

Рычаг в весах, на котором помещаются гири для определения веса, называется коромыслом. Построение коромысла уясняется следующими теоретическими соображениями.

Общая теория рычажных весов

Пусть Р и Q (фиг. 2) будут две взаимно уравновешивающиеся силы, a R - собственный вес коромысла, приложенный к центру тяжести С. Прибавлением груза r заставляем коромысло отклониться на угол α. При перемещении центра тяжести из С в С1 имеем такое равенство моментов сил: r·A1O = R·O1O, или r·L·cos α = R·e·sin α, откуда r = R·e·tg α/L. Грузик r характеризует чувствительность весов: чем он меньше при том же угле отклонения, тем коромысло чувствительнее. Увеличение расстояния е влечет за собой необходимость увеличения грузика r и вызывает уменьшение чувствительности. Следовательно, для увеличения чувствительности расстояние между точкой опоры и центром тяжести должно быть минимальным; в этом случае рычаг легче выводится из состояния равновесия и возвращается к нему после значительного числа колебаний. С другой стороны, для обеспечения устойчивости центра тяжести рычага должен находиться ниже точки опоры; при совпадении обеих точек получится состояние безразличного равновесия, при помещении же центра тяжести выше точки опоры - неустойчивое равновесие. Увеличение чувствительности путем увеличения плеча L имеет то неудобство, что одновременно увеличивается и вес R, а вместе с тем, при удлинении рычага, увеличивается возможность его прогиба. Отсюда следует, что рычаг д. б. возможно коротким, из легкого материала, с наибольшим модулем упругости. В особо точных весах прибегают к оптическим приборам для наблюдения очень малых углов отклонения и тем практически уменьшают величину грузика r, т. е. увеличивают чувствительность весов. Если прямая АВ, соединяющая точки приложения сил (точки подвеса чашек), не проходит через точку опоры О, что бывает на практике вследствие изгиба рычага и некоторой неточности изготовления прибора, то это также отзывается на чувствительности весов.

Общая теория рычажных весов

На фиг. 3 изображен такой случай изгиба рычага: ϕ - угол наклона плеча АО к горизонту, D - точка приложения равнодействующей сил Р и Q (центр тяжести чашек и их груза), е1 - расстояние этой точки от опоры, е - расстояние центра тяжести коромысла от точки опоры. Момент грузика r должен уравновесить момент рычага и момент, образовавшийся благодаря смещению центра тяжести в D1. Условие равновесия:

vesy 5

откуда

vesy 6

T. о., помимо веса рычага и расстояния его центра тяжести от точки опоры, чувствительность зависит также от нагрузки и от величины угла ϕ; когда R незначительно по сравнению с (Р + Q), можно практически принять, что чувствительность обратно пропорциональна нагрузке. С помощью аналогичных соображений можно получить выражение и для того случая, когда точки А и В выше точки опоры:

vesy 7

Здесь при (Р+Q)e1 < Re - устойчивое равновесие, причем чувствительность возрастает с увеличением нагрузки, так как грузик r, как видно из формулы, уменьшается; при (Р+Q)e1 = Re - безразличное равновесие, а при (Р+Q)e1 > Re - неустойчивое равновесие (весы «заваливаются»).

В формуле Q = LP/l при постоянном Р отношение L : I может изменяться трояким образом: а) изменяется L (перемещением передвижной гири) - безмен 1-го рода (так называемое римское коромысло); б) изменяется I (перемещением взвешиваемого груза) - безмен 2-го рода, имеющий ограниченное применение лишь в некоторых специальных весах; в) одновременно изменяются L и I (перемещением точки опоры) - безмен 3-го рода, к употреблению не допускается.

Безмен 1-го рода

Условие равновесия для безмена 1-го рода (фиг. 4) при нахождении передвижной гири Р на последнем делении k шкалы выражается равенством моментов левой и правой части:

vesy 9

где М1 и M2 - собственные моменты левого и правого плеч безмена, q - вес чашки безмена, а Q - груз. При отсутствии груза гиря находится на нулевом делении m (отстоящем от точки опоры на d), и в таком случае уравнение равновесия имеет вид:

vesy 10

Вычитая последнее уравнение из предыдущего, получаем:

vesy 11

откуда вес передвижной гири

vesy 12

Из формулы ясно, что величина взвешиваемого груза прямо пропорциональна (L—d), т. е. длине шкалы, чем и определяется способ нанесения делений, а именно: нанеся два крайних деления, подразделяют расстояние между ними на равные части, которые и соответствуют равномерному изменению значения передвижной гири.

В практике производства и ремонта безменов встречается необходимость исправления веса передвижной гири. Если мы обозначим через р груз, который надо прибавить к гире при нахождении ее на конечном делении для восстановления равновесия, а через х недостаток веса передвижной гири при нуле, то получаем следующие уравнения моментов. При нахождении гири на конечном делении шкалы:

vesy 13

а при нахождении передвижной гири на начальном делении:

vesy 14

Вычитая второе уравнение из первого и подставляя значение Р, ранее полученное, находим:

vesy 15

Построение циферблатных весов уясняется из фиг. 5: О – точка опоры, С - центр тяжести, е - расстояние между ними, R - вес рычага, Р - постоянный вес гири, Q - груз, уравновешивающий эту гирю.

Построение циферблатных весов

Если к грузу Q прибавить груз q, то при отклонении рычага на угол α имеем равенство моментов:

vesy 16 1

Заменяя PL через равную ему величину Ql, найдем

vesy 17

подставив вместо tg α равную величину d/l, получим:

vesy 18

При постоянном множителе Re/l2 может происходить лишь изменение величины отрезка d, которое пропорционально нагрузке. Последнее свойство и позволяет нанести шкалу в виде циферблата.

vesy 19

Построение шкалы (фиг. 6): через конец В рычага, который служит указателем, проводится отвесная линия MN, на которой откладываются равные части, отвечающие равным приращениям веса нагрузки. Соединив эти точки деления с центром вращения рычага, получим искомые деления циферблата: 0, 1, 2, 3, 4, 5, которые, не будучи равными по величине между собой, в то же время отвечают одинаковым изменениям нагрузки. Величина отрезков дуги уменьшается по мере отклонения рычага от горизонтального положения, и, следовательно, чувствительность весов уменьшается с увеличением нагрузки. Необходимость помещения центра тяжести далеко от точки опоры не позволяет достигать в циферблатных весах высокой чувствительности. Чувствительность циферблатных весов уменьшается также и потому, что для вращательного движения рычага на 90° и более призма заменяется осью, что дает значительно большее трение.

II. Системы и конструкции рычажных весов.

1) Коромысловые весы обыкновенные (условное обозначение «О») - равноплечные весы с подвешенными чашками (фиг. 7).

Коромысловые весы обыкновенные

Эти весы применяются в торговле и промышленности для взвешивания обыкновенных товаров и материалов. Допускаемая погрешность при поверке составляет при наибольшей нагрузке ±0,1% взвешиваемого груза. Стандартные размеры весов и их частей указаны в табл. 2.

Стандартные размеры весов

2) Коромысловые весы точные («А») применяются в аптеках, в торговле золотом, серебром и другими ценными материалами и изделиями, когда требуется более точное взвешивание. Они также изготовляются в форме равноплечих весов с нижними чашками и отличаются от типа «О» более тщательной и точной пригонкой и соответственно уменьшенным допуском (табл. 3).

Коромысловые весы точные - допуски

Наиболее распространенный тип весов изображен на фиг. 8, хотя для точных весов может применяться и конструкция «О».

Наиболее распространенный тип весов

Для достижения большей чувствительности тип «А» снабжается приспособлением для перемещения центра тяжести в виде гирьки 1, передвигающейся по винтовой нарезке; гирька д. б. несъемной. Для регулировки равновесия всей системы на концах коромысла помещаются двигающиеся по винтовой нарезке несъемные гирьки 2. Весы снабжаются по б. ч. аретиром 3, поднимающим опорную призму над подушкой. Коромысло обычно изготовляется медное, никелированное, хотя могут применяться железо, сталь и алюминий. Чашки, обычно медные, никелированные, могут также изготовляться из фарфора, стекла, фаянса, эбонита. Подвеска чашек - при помощи металлических прутьев или цепочек; шелковые шнурки допускаются в точных весах грузоподъемностью не свыше 100 г.

Аналитические весы («Ан»), применяемые для всякого рода лабораторных работ, требующих высокой точности при определении веса, также изготовляются с равноплечими коромыслами, поскольку последние, как это явствует из изложенной общей теории весов, дают наибольшую чувствительность и точность. По существу, они являются лишь более усовершенствованным типом коромысловых точных весов. Допуски и чувствительность для аналитических весов законом не устанавливаются, а диктуются требованиями аналитической работы и практическими пределами точности, которой в состоянии достигнуть производитель весов. Практически чувствительность этих весов колеблется в различных конструкциях и наибольших нагрузках от 0,1 до 0,005 мг; точность же взвешивания составляет половину указанных величин. Наибольшими нагрузками для них являются 500, 200 и 100 г, реже 1 кг, 50 и 20 г. Аналитические весы обязательно снабжаются изолирующим приспособлением, с помощью которого средняя опорная подушка разъединяется со средней призмой, а крайние призмы освобождаются от нагрузки чашек, садящихся на специальные опоры. Коромысло снабжается специальной шкалой, служащей для отсчетов при пользовании малыми проволочными гирьками, так называемыми рейтерами. Наложение рейтеров производится с помощью специального вращающегося стержня, находящегося над коромыслом. На фиг. 9 изображена схема аналитических весов на 200 г, изготовляемых Трестом точной механики в Москве. Для точных отсчетов по шкале весы снабжаются лупой с зеркальным приспособлением.

Схема аналитических весов

Другой разновидностью точных коромысловых весов являются так называемые образцовые весы, применяемые гл. обр. для поверки гирь, а в исключительных случаях и для точных взвешиваний в торговле и промышленности. Они изготовляются с нагрузкой в 2, 20, 200, 500 г, 1, 5, 10, 20 и 50 кг и, согласно правилам Главной палаты мер и весов, делятся на два разряда. К первому относятся весы, служащие для поверки точных и контрольных гирь, употребляемых поверочными же палатами; ко второму - весы для поверки обыкновенных гирь. Чувствительность (т. е. наименьшая величина грузика, отклоняющего стрелку на одно деление шкалы) д. б. для весов первого разряда: 0,1 мг - для весов до 2 г; 1 мг - для весов до 20 г; 5 мг - для весов до 200 и 500 г; 20 мг при грузоподъемности 1—5 кг и 200 мг - при грузоподъемности 10—50 кг. Для весов второго разряда чувствительность в 5 раз меньше (т. е. грузик больше). Точные весы, применяемые в метрологических учреждениях (например, в Главной палате мер и весов), где производится поверка эталонов гирь, изображены на фиг. 10. Их точность достигает 0,001 мг.

Точные весы, применяемые в метрологических учреждениях

Такого рода весы устанавливаются в особом помещении на специальном фундаменте, превосходящем глубину фундаментов всех соседних зданий, во избежание колебаний от уличного движения. Наблюдение за взвешиванием и наложение гирь производятся из смежного помещения, с помощью оптических приборов и специальных рычагов.

3) Безмены («Б») допускаются в СССР лишь 1-го рода. На фиг. 11 изображен безмен, конструкция которого не требует пояснений; для более грубых взвешиваний он может изготовляться и без дополнительной шкалы аb.

Безмен

Равновесие указывается стрелками m и l. Для помещения груза может применяться, помимо крюка, чашка или площадка. Благодаря своей портативности, небольшому весу (2—5 кг) и невысокой цене безмены играют большую роль в крестьянском хозяйстве.

4) Столовые весы («С»), равноплечие весы с верхними чашками, особенно распространенные в торговле, весьма пригодны для скорого взвешивания, так как их чашки, не заграждаемые цепями или шнурами, дают больший простор для манипуляций. Установленный допуск также = ±0,1% при максимальной нагрузке. Наиболее употребительна система Беранже, изображенная на фиг. 12.

Система Беранже

КК - железный равноплечий рычаг 1-го рода; kk и k1k1 - два железных; рычага 2-го рода; левая чашка покоится на призме А (две точки опоры) и – с помощью ноги NF - на серьге ss рычага kk, соединенного с коромыслом КК серьгой SS. Противоположная чашка имеет такое же устройство. Силу Q, соответствующую взвешиваемому грузу, можно разложить на две силы: q1, приложенную к опорной призме А, и силу q2, приложенную к призме Е. Обозначив через х силу, передаваемую рычагом kk через серьгу SS и точки H и В на коромысло КК, имеем:

vesy 28

На коромысле КК мы имеем:

vesy 29

откуда

vesy 30

Следовательно, y = q2, если плечи имеют отношение DE:ВН = СА:СВ. Практически это достигается делением пополам плеча АС в точке В и плеча DE в точке Н. При таких условиях сила q2 передается на призму А без изменения, так что на нее действует сумма сил q1 + q2, т. е. вся нагрузка Q, независимо от местонахождения груза в той или иной точке чашки. Станина ТТ обычно отливается из чугуна. Призмы и подушки, а равно места взаимного соприкосновения сережек, хомутиков и т. п. делаются из стали. Стандартные размеры весов «С» приведены в табл. 4.

Стандартные размеры весов

Стремление ускорить развеску товаров и облегчить подсчет гирь привело к конструкции весов, в которых наложение гирь вручную заменено включением подвесных гирь с помощью рычагов (фиг. 13): гири Р подвешены на стержнях к коромыслу весов, движением зубчатой рейки В с захватом В1; приводимой в действие рычагом А коромысло К разгружается и нагружается гирями.

Конструкция весов, в которых наложение гирь вручную заменено включением подвесных гирь с помощью рычагов

Указанный принцип применен германской фирмой Динзе в весах, изображенных на фиг. 14 (вид спереди) и 15 (вид без кожуха). С обратной стороны весы имеют также оконце со счетчиком, который показывает покупателю вес.

Весы Динзе

Еще большую скорость взвешивания дают весы с циферблатом, хотя чувствительность их ниже, чем в весах Беранже. Но практика Европы показывает, что этот недостаток с избытком восполняется быстротой взвешивания и уменьшением субъективных ошибок при подсчете гирь.

Весы Динзе

Весы, изображенные на фиг. 16, представляют собой комбинацию циферблатного механизма и системы рычагов типа столовых весов Беранже.

Комбинация циферблатного механизма и системы рычагов типа столовых весов Беранже

S, S1 и S2 - опорные призмы; L, L1 и L2 - грузоприемные призмы; G1 и G2 - соединительные призмы; LSN – коромысло с противовесом. Весы снабжены воздушным тормозом D (для больших нагрузок применяется глицериновый или масляный тормоз), назначение которого прекращать колебания стрелки для получения более быстрого отсчета на циферблате.

Несколько более сложные типы коромысел для весов с циферблатом приведены на фиг. 17: слева - грузоприемная призма заменена кулаком А, на котором в точке В прикреплена гибкая стальная лента, причем кривой BL придается форма, обеспечивающая равномерность шкалы; справа - призмы заменены кулаками А и D, коромысло подвешено на ленте FSE и вращается с помощью ленты CLB; движение коромысла передается кремальерой зубчатому колесу, с которым соединена указательная стрелка. Иногда на циферблате наносятся не только цифры, обозначающие вес, но и стоимость данного количества товаров при той или другой цене единицы веса.

Типы коромысел для весов с циферблатом

Расчет коромысла равноплечих весов. Сплошной брус равного сопротивления хотя и обладает значительной прочностью, но способен давать прогиб и потому не является рациональной формой коромысла, в особенности для точных весов. Исходя из этих соображений, коромысло равноплечих весов рассчитывают без учета прогиба по формуле

Расчет коромысла равноплечих весов

следовательно, величина безопасной нагрузки на одно плечо

Расчет коромысла равноплечих весов

где b - толщина, h - ширина полотна коромысла в опасном сечении и I - длина плеча. Допускаемое напряжение К равно 3 кг/мм2, т. е. вдвое ниже нормы, принимаемой при обычных расчетах, так как эксплуатация обыкновенных весов сопровождается обычно небольшими ударами. Та же формула применяется и для расчета медного коромысла аптекарских весов, коромысел и рычагов столовых весов и коромысел товарных весов. Для медных коромысел К = 1 кг/мм2. Для точных весов зависимость грузика r, характеризующего чувствительность весов, от прогиба коромысла (т. е. от его жесткости) выражается формулой

vesy 38

где Q - вес коромысла, Р - наибольшая нагрузка на каждую чашку вместе с весом последней, е - расстояние центра тяжести коромысла от острия средней опорной призмы, h - длина указательной стрелки, 1 div - величина одного деления шкалы, f - стрела прогиба коромысла, I - длина одного плеча коромысла. Требование достаточной жесткости вызывает необходимость применения типа сквозной фермы (см. фиг. 8—10). Проверка прочности коромысла на изгиб и скалывание производится обычными способами. Прогиб f можно определять графически методом Мора - построением упругой линии изгиба коромысла, как веревочной кривой для сил, пропорциональных площадям диаграммы изгибающих моментов.

5) Товарные весы («Тв») представляют собой неравноплечие весы, состоящие из системы сочлененных между собой неравноплечих рычагов, чем и достигается уменьшение веса требуемых гирь. Окончательное отношение весов получается путем перемножения отношений сочлененных рычагов:

vesy 39

т. е. вес гири Р, уравновешивающей груз, равняется P/n. Допуск при наибольшей нагрузке ±0,1%.

На практике наиболее употребительны следующие системы товарных весов.

а) Десятичные весы (системы Квинтенца) изображены в схематичном виде на фиг. 18.

Десятичные весы (системы Квинтенца)

Железное коромысло с отношением плеч СА:СВ = 10. Платформа S с помощью тяги ВК подвешена к короткому плечу коромысла; другой край платформы опирается на подплатформенный железный рычаг в двух точках D и D1. Последний лежит одним концом на опорных призмах Е и Е1, а другим концом подвешен при помощи тяги НF к короткому плечу коромысла. Нагрузку весов Q мы можем разложить на Q1 и Q2. Заменим Q2 равнозначащей силой х, а последнюю - силой у:

vesy 41

Подставив в последнее равенство значение х из предыдущего, получим:

vesy 42

Если ED:EF = СВ:СН, то y = Q2, и в этом случае точка В находится под действием сил:

vesy 43

т. е. всего взвешиваемого груза. Для уравновешивания последнего к точке А д. б. приложен, согласно условию, груз Р = Q/10. Отношение плеч подплатформенного рычага Е2В2:E2F м. б. произвольно, при условии, чтобы таково же было и отношение плеч коромысла СВ:СН. Практика установила как наиболее рациональное отношение 1:6. Весьма часто десятичные весы снабжаются особым изолирующим аппаратом, благодаря которому платформа во время процесса навалки груза опирается не на призмы, а на раму весов.

Расчет подплатформенных рычагов. Безопасная нагрузка на рычаг

Расчет подплатформенных рычагов

а т. к. выше было принято L/l = 6, то

Расчет подплатформенных рычагов

полагая, что на каждую точку опоры действует груз, равный половине наибольшей нагрузки. Стандартные размеры десятичных весов приведены в табл. 5.

Стандартные размеры десятичных весов

б) Товарные весы системы Фербенкс (фиг. 19 и 20). Платформа S лежит своими углами на четырех призмах Е, Е1, Н и Н1, залитых в двух чугунных подплатформенных рычагах 2-го рода: длинного и короткого.

Товарные весы системы Фербенкс

Длинный треугольный рычаг соединен с коромыслом АВ железной тягой МВ, и т. о. вся нагрузка платформы передается лишь в одну точку коромысла.

Товарные весы системы Фербенкс

Рычаги соединены между собой кольцами GF, охватывающими соединительные призмы F. Опорные призмы D, D1, К, К1 подвешиваются к основной раме при помощи качающихся сережек. Отношение плеч коротких рычагов КН:KG должно быть равно отношению отрезков длинного рычага DE:DF, что и обеспечивает параллельное подымание и опускание платформы, а равно совершенно одинаковую передачу нагрузки от всех четырех углов к точке F. Отсюда ясно, что общая нагрузка платформы передается в точку В коромысла в отношении ЕD:DМ, т. е. x = Q·ED/DM. Т. к. коромысло АВ также неравноплечно, то для уравновешивания груза х гиря Р должна иметь вес Р = x·CB/AC = Q·ED·CB/DM·AC. Размеры плеч рычагов подбираются так. обр. чтобы произведение (ED/DM)·(CB/AC) равнялось 50, 100, 200 и т. д., смотря по тому, строятся ли весы пятидесятичные, сотенные, двухсотенные и т. д. Обычно для весов с грузоподъемностью в 100 и 200 кг применяется отношение 1:50, для более же крупных весов - 1:100. Стандартные размеры весов Фербенкс приведены в табл. 6.

Стандартные размеры весов Фербенкс

Расчет чугунных подплатформенных рычагов. Профиль рычагов д. б. несимметричен по отношению к нейтральной оси. Теоретически целесообразно было бы брать тавр, центр тяжести которого делил бы высоту тавра в отношении 1:3 в соответствии с отношением допускаемых для чугуна напряжений на растяжение и сжатие. Однако практического осуществлению этого мешает невозможность целесообразного устройства платформы при наличии получающихся большой ширины полки и большой высоты тавра. На практике рекомендуется руководствоваться следующими соотношениями (фиг. 21):

Расчет чугунных подплатформенных рычагов

h = 2,5B; b = 0,5B; c = 0,5; b = 0,25B; a = b = 0,5B.

Наименьший момент сопротивления W (сечения, приведенного на фиг. 21) относительно оси, проходящей через центр тяжести сечения, т. е. для волокна АС, W = 0,798323·В3; при допускаемом на практике напряжении на изгиб К = 1,8 кг/мм2,

vesy 51

Отсюда получаем формулу для расчета безопасной нагрузки на рычаг:

vesy 52

предполагая самый неблагоприятный случай, что каждая призма рычага воспринимает половину наибольшей нагрузки весов. При удельном весе чугуна 7,1 вес погонного метра рычага равен 10,65·В2.

в) Товарные весы системы Фалько (фиг. 22). Основной принцип тот же, что и у других неравноплечих весов с четырьмя грузоприемными призмами.

Товарные весы системы Фалько

Главное их отличие от весов Фербенкс заключается в том, что здесь опорные призмы не подвешены на качающихся серьгах, а лежат на неподвижных опорах. Рычаги в весах системы Фалько делают железные, кованые.

При сравнении всех трех типов весов: Квинтенца, Фербенкс и Фалько, прежде всего необходимо иметь в виду, что сотенные весы более рациональны, чем десятичные, в виду наличия у них четырех точек опоры, что создает большую устойчивость и более правильное взвешивание при всевозможных положениях груза на платформе; кроме того, взвешивание на сотенных весах производится быстрее и легче вследствие меньшего действительного веса гирь. Из числа же сотенных весов преимущество следует отдать весам Фербенкс по следующим соображениям: 1) подвесные опоры для рычагов противодействуют смещению рычагов и перекосу призм при толчках во время нагрузки; 2) чугунные рычаги весы Фербенкс не подвергаются прогибу, как это наблюдается в системах железных рычагов, в которых этот прогиб, часто незаметный для потребителя, бывает причиной неправильности весов; 3) срок службы весов Фербенкс, примерно, вдвое больше, чем весов Фалько; 4) прочность конструкции позволяет обходиться без специальных аретировочных приспособлений.

Весы Фербенкс и Фалько иногда снабжаются передвижной гирей на полную грузоподъемность, что устраняет надобность в накладных гирях. Вес передвижной гири как в этом случае, так и в том, когда она служит лишь для мелкого разновеса, определяется из отношения плеч рычагов и коромысла по правилам, приведенным выше для римского безмена. Для включения гирь может быть применен и вышеописанный рычажный механизм.

6) Возовые весы («Вз»), для взвешивания груженых возов, изготовляются в виде неравноплечих весов с подплатформенными рычагами, причем механизм помещается на специальном фундаменте. При устройстве весов с накладными гирями обычно применяется отношение рычагов в 1/500 или 1/1000. Допуск тот же, что и в товарных весах. Такие же весы применяются и для непосредственного взвешивания грузов, когда по размерам последних требуется особенно большая платформа (т. н. врезные весы). Для взвешивания груженых автомобилей у нас применяются такие же весы, хотя с развитием автомобильного транспорта рациональнее будет, как это делается за границей, строить специальные весы в виду неравномерности нагрузки на оси в автомобиле. На врезных весах м. б. укладываемы рельсы для вагонеток. Для взвешивания груженых вагонов на ж.-д. путях строятся специальные вагонные весы.

7) Крановые весы («Кр».). В тех случаях, когда приходится взвешивать лишь один предмет, перемещение которого, в силу его формы или тяжести, представляет затруднение, применяются так называемые крановые весы, представляющие собой систему неравноплечих рычагов. Такие весы подвешиваются к крану и подводятся к взвешиваемому предмету, который и зацепляется крюком, соединенным с грузоприемной призмой весов. Незначительного подъема весов вместе со взвешиваемым предметом достаточно, чтобы посредством передвижной гири на коромысле крановых весов определить вес. Эти весы делаются с отношениями в 1/100, 1/200, 1/500 и 1/1000, смотря по грузоподъемности. Допуск при наибольшей нагрузке: ±0,1%.

8) Паровозные весы. В паровозостроении весьма важную роль играет определение нагрузки на каждое колесо паровоза. Применяемые для такого взвешивания весы строятся двух типов: переносные (тип Эргарта) и постоянные. Весы типа Эргарта (фиг. 23) состоят из двух неравноплечих рычагов.

Весы типа Эргарта

Станину весов упирают одним концом в подошву рельса так, что грузоприемная призма принимает на себя давление бандажа при входе паровозного колеса. Давление передается на коромысло и уравновешивается передвижной гирей. Для определения нагрузки всех колес устанавливают одновременно соответственное число таких приборов. Способ установки этих весов сильно влияет на результат взвешивания, и потому более рациональными являются стационарные весовые помосты, которые устанавливаются в одной общей фундаментной яме под полотном дороги и несут на себе рельсы. Здесь также под каждым колесом устанавливается отдельный помост, при чем указательные коромысла всех помостов располагаются с одной стороны пути.

9) Автоматические весы. В последнее время получили широкое применение автоматические весы, которые отвешивают определенное количество однородного (сыпучего или жидкого) материала и регистрируют количество произведенных взвешиваний. Примером такой конструкции могут служить весы Хронос (фиг. 24) для взвешивания зерна.

Весы Хронос

Основными элементами этой конструкции являются: 1) Собственно весы, состоящие из двойного равноплечего коромысла 1, снабженного стрелкой 2, к которому подвешены: с передней стороны на призме 3 ковш 4 для взвешиваемого зерна, а с задней - чашки 5 для гирь. 2) Впускной механизм, состоящий из воронки 6 и двух заслонок, из которых одна 7 уменьшает приток зерна незадолго до наступления равновесия весов, а другая 8 по достижении надлежащего веса совершенно прекращает доступ зерна в ковш. 3) Механизм для опорожнения ковша, состоящий из задержки 9, стремени 10, приподнимающего эту задержку, и откидного клапана 11, открывающегося, когда наполненный ковш повернется на своей оси. Опорожненный ковш возвращается в свое первоначальное положение под действием грузов, прикрепленных к его задней стенке. 4) Счетчик 12 опорожнения ковша. 5) Регулятор - в виде подвижного груза 13.

Весы аналогичной конструкции применяются для взвешивания свеклы, угля, а также некоторых видов масла.

Погрешности весов, освобожденных от автоматического механизма, не должны превосходить погрешностей, указанных для коромысловых или неравноплечих весов. Средний вес из десяти последовательных порций зерна может отличаться от веса гирь, установленных на чашке автоматических весов, не более чем на 0,1%, а вес каждой порции от означенного среднего веса - не более чем на 0,5% при малых порциях (5 кг) и до 0,1 % при больших порциях (100 кг).

III. Части весов.

Призмы и подушки. Качание рычагов и коромысел совершается на призмах, опирающихся на специальные подушки. В целях сохранения постоянства плеч и доведения трения до минимума призмы опираются на подушки острым ребром, носящим название ножа. Практически, острие ножа затачивается в виде части сферической поверхности с радиусом кривизны не более 0,5 мм. Призмы и подушки - главнейшие части весового прибора, т. к. от правильного их устройства зависят верность, чувствительность и постоянство показаний весов. Идеальной формой поверхности подушки является плоскость; однако эта форма практически применяется лишь в точных весах, а из торговых весов лишь в наиболее совершенных, как, например, Фербенкс; все такие весы снабжены приспособлениями, препятствующими смещению призм. В остальных весах подушкам придается форма желоба (фиг. 25).

vesy 56

Применяемые на практике размеры подушек для нормальных типов весов: b = 8—40 мм, h = 4—12 мм.

Расчет призм. Сила, действующая на рычаг, производит в призме: а) срез, б) изгиб в месте заделки призмы и в) деформацию острия призмы от давления действующей на него силы. Действием срезающих сил практически можно пренебречь. При изгибе смещаются оси вращения рычага, в который заделана призма, что нарушает правильность действия весов и понижает их чувствительность. Теоретическое предположение, что призма на всем протяжении ножа лежит на подушке, практически редко осуществляется. Поэтому расчет призм производится в предположении наиболее неблагоприятного случая, когда нож соприкасается с подушкой только в двух точках по концам, по аналогии с балкой на двух опорах, которая несет посредине сосредоточенную нагрузку. Наименьший момент сопротивления относительно оси, проходящей через центр тяжести треугольного сечения (фиг. 26), W = b·h2/24 даст для нашего случая W = b3/32 = 0,031256·b3.

vesy 57

Допускаемое напряжение на изгиб К = 6 кг/мм2; изгибающий момент M = K·W = 0,1875·b3. Изгибающий момент сосредоточенной силы Р, приложенной к концу призмы на расстоянии 1 мм от места заделки в рычаге, равен Р·1; таким образом безопасная нагрузка для призмы, выступающей на 1 мм из рычага, определится формулой Р = 0,1875·b3. При увеличении расстояния от места заделки до конца призмы в а раз во столько же раз уменьшается величина безопасной нагрузки. На практике это расстояние колеблется от 5 до 120 мм для всех видов профилей. Аналогичным путем находим моменты сопротивления, приведенные в таблице стандартных размеров и для остальных профилей. Применяя данные теории Герца о соприкасании цилиндра с плоскостью, можно получить, что радиус кривизны r ≥ P/l, где Р - величина действующей на призму нагрузки, I - длина призмы. Из этой формулы явствует, что, поскольку радиус кривизны обратно пропорционален длине призмы, последнюю следует изготавливать такого размера по длине, чтобы предотвратить необходимость сильного закругления острия ножа призмы. Упомянутый выше желоб подушки способствует уменьшению напряжения в ноже призмы, т. к. этот желоб уменьшает относительную кривизну ножа и поверхности подушки. При наличии желоба в формулу радиуса кривизны необходимо будет подставить значение r, определяемое уравнением:

vesy 58

где r1 - радиус кривизны пояса, r2 - радиус желоба подушки. Необходимо заметить, что вопрос об определении местных напряжений в ноже призмы, в общем, еще недостаточно разработан и на практике преимущественно пользуются эмпирическими данными.

Стандартные профили. 1) Треугольный профиль (фиг. 26): b = 3, 4, 6, 8, 10, 12, 15, 20, 25 мм; W = 0,03125·b3. Этот профиль применяется гл. обр., когда рабочее ребро остается при заделке свободным по всей длине (как указано на фиг.). 2) Грушевидный профиль (фиг. 27):

Грушевидный профиль

W = 0,1236·b3; применяется он по преимуществу, когда призма пропущена насквозь через тело рычага.

vesy 60

3) Квадратный профиль (фиг. 28): b = 6, 8, 10, 12, 14, 17, 21, 25, 30, 35, 45, 50 мм; W = 0,1179·b3; применяется по преимуществу в литых чугунных рычагах, так как удобен для вкладывания в форму при отливке. 4) Пятиугольный профиль (фиг. 29):

Пятиугольный профиль

W = 0,04561·b3; применяется для больших весов.

Материалом для призм и подушек служит главн. обр. обыкновенная углеродистая сталь высшего качества, с возможно меньшим содержанием фосфора и серы. Химический состав: С - 0,8—1%; Мn - 0,4%; Р - 0,03%; S - 0,02%; Si - 0,35%. Термическая обработка: стальная призма по окончательном изготовлении д. б. закалена при 760—790°, с выдержкой при этой температуре в течение 10—20 мин., в зависимости от размеров. Закалка производится в воде с температурой 20°. После закалки производится непродолжительный отпуск в пределах 200—240°. Во избежание врезания ножа призмы в тело подушки (что влечет за собой уменьшение чувствительности весов) закалка подушки д. б. крепче, чем закалка призмы. Иногда употребляют в качестве материала для призм в точных и аналитических весах алмаз, агат и халцедон - минералы, пригодные по своей твердости, но благодаря хрупкости и дороговизне не имеющие широкого практического применения.

Арретиры и изолирующие аппараты. Арретир - приспособление для немедленной остановки колебаний коромысла. Обычно он устраивается в виде рамки с вращающейся внутри пластинкой или в виде одной пластинки с ручкой, движением которой пластинка, приняв вертикальное положение, прижимает коромысло и вызывает остановку его. Изолирующий аппарат - приспособление, предохраняющее рабочий нож призмы от ударов во время нагрузки. Одна система приспособлений действует путем отодвигания коромысла и рычагов от их точек опоры, другая удаляет подушки от ножей призм. Изолирующие аппараты очень хорошо работают в равноплечих точных весах. В неравноплечих весах эта задача до сих пор удовлетворительно не разрешена. При существующих системах действие изолирующих аппаратов связано обычно с некоторым нарушением правильности работы весов, так как разъединенные призмы и подушки приходят вновь в соприкосновение с некоторым перемещением. По этой причине изолирующие аппараты заменяют применением усиленных конструкций весов, качающихся сережек, играющих роль амортизаторов, предохранительных струнок (фиг. 20), препятствующих значительному сдвигу платформы, и т. д.

Передвижная гиря. Если наименьшее подразделение шкалы неравноплечих весов соответствует весу 20 кг и более, то вместо штрихов на коромысле нарезаются углубления, а на передвижной гире устраивается соответствующий зубец. Передвижные гири устраивают целыми и составными, снабжают специальными роликами для передвижения, выдвижной линейкой и специальным печатающим аппаратом, который с помощью рельефных металлических цифр отбивает на листках плотной бумаги вес. Зубец гири и часть коромысла с углублениями изготовляются из стали или твердого чугуна.

IV. Эксплуатация весов.

Поверка, клеймение и приемка. Все весы, служащие для экономического оборота, подлежат до выпуска их в продажу обязательной поверке и клеймению поверочными палатами. Аналитические и контрольные весы также могут поверяться палатами, которые в этом случае никаких клейм не ставят, но по желанию предъявителя выдают свидетельства с указанием точности и чувствительности. Весы, находящиеся в эксплуатации, подлежат обязательной поверке и клеймению каждые два года. Исключение составляют весы, эксплуатируемые НКПС и НКПиТ, для которых этот срок увеличен до трех лет. Основные элементы поверки весов следующие: 1) поверка правильности конструкции в целом; 2) поверка правильности размеров и отношений плеч коромысел и рычагов, правильности линии ножей, призм и шкалы; 3) поверка и испытание отдельных частей; 4) испытание верности и чувствительности. Все указанные операции производятся на основе правил Главной палаты мер и весов: а) об устройстве мер длины, мер вместимости, гирь и весов, издание № 21 и б) о поверке и клеймении мер длины, мер вместимости, гирь и весов, изд. №29. Особое внимание обращается на испытание закалки, для чего соответственные части пробуются напильником.

Употребление весов. При употреблении весов рекомендуется соблюдать следующие правила: 1) до начала пользования весов устанавливать их по отвесу; 2) предохранять весы от толчков как при передвижении, так и при взвешивании; 3) держать закрытым арретир коромысла и изолирующий аппарат до взвешивания и после него; 4) в десятичных весах накатывать груз не с боков, а с задней части платформы по длине рычага; 5) не смазывать призм и подушек жирными веществами; 6) производить периодическую поверку весов.

Весовая промышленность. В довоенное время русский рынок в значительной мере питался весовыми изделиями, привозимыми из-за границы, в особенности в отношении точных и разных специальных весов. Существовавшие в России заводы и мастерские по б. ч. были кустарного или полукустарного типа. Как видно из фиг. 30, где указаны ежегодные количества всех заклейменных новых весов (включая и импорт), к 1918 г. производство весов почти прекратилось.

Весовая промышленность

С 1922 г. наблюдается усиленный рост весовой промышленности, и в СССР стали производиться не только торговые весы, но в известной мере и весы точные, автоматические и др. Выработанные в настоящее время стандарты создают возможность не только поставить массовое производство весов, но и разрешить один из наиболее больных вопросов русской весовой промышленности, - вопрос о производстве стали для призм и подушек. Насколько затруднено было это дело до сих пор, видно из того, что при годовой потребности стали в 100 тонн у нас обращалось свыше 100 различных профилей и размеров.

В период с 1918 по 1926/27 годы в СССР изготовлено весов на сумму около 35 млн. р.

Средняя стоимость весовых приборов: Весы столовые Беранже 15—30 р.; десятичные 40—175 р.; сотенные 125—450 р.; аналитические 300—1000 р.; вагонные 8000—15000 р. Крупнейшим заводом по изготовлению весов в СССР является завод Одесского металлотреста им. Старостина, изготовляющий товарные, вагонные, контрольные и др. весы; точные весы изготовляют: Трест точной механики в Москве и мастерские Главной палаты мер и весов в Ленинграде; автоматические - Московский машинотрест, Ленинградский станкостроительный завод и Акц. общество Мельстрой. Из крупных заграничных фирм следует отметить: А. Рупрехт (точные весы), Шембер (циферблатные и товарные) в Австрии; Бунге, Сарториуе (лабораторные) в Германии, Фербенкс (товарные, а также вагонные) в Северо-Американских Соединенных Штатах и Авери (товарные, точные) в Англии; Лонг (точные), Фалько и Карпантье (вагонные, возовые), Дайтон (циферблатные) во Франции.

 

Источник: Мартенс. Техническая энциклопедия. Том 3 - 1928 г.