軸載在地磅承載臺結構設計中的重要性

一直以來(lái)，地磅的關(guān)鍵指標之一是最大秤量，但最大秤量對于地磅承載臺的結構設計并無(wú)真正的實(shí)際意義，因為它無(wú)法明確車(chē)輛是以怎樣的方式對承載臺面施加載荷。當車(chē)輛行駛在承載臺上時(shí)，車(chē)輛質(zhì)量因重力產(chǎn)生的載荷是通過(guò)各個(gè)輪軸分配后作用在承載臺上的。對輪軸載荷（簡(jiǎn)稱(chēng)軸載，包括單軸和軸組）進(jìn)行分析，將其作為地磅承載臺的力學(xué)模型中的重要信息，可以直觀(guān)地對承載臺進(jìn)行強度和剛性的計算、校核。

1.引言

新推出的地磅產(chǎn)品，為滿(mǎn)足不同客戶(hù)的個(gè)性化使用需求，設置了豐富的可選配參數，客戶(hù)可以針對其使用工況合理選擇配置。其中，很重要的一個(gè)參數就是軸載，軸載的大小決定了汽車(chē)衡產(chǎn)品的承載臺結構的承載能力，也直接關(guān)系到產(chǎn)品的使用質(zhì)量和壽命。

2.地磅稱(chēng)量能力的關(guān)鍵指標之軸載的引入

在地磅應用領(lǐng)域，最大秤量是最關(guān)鍵的參數指標之一，這決定了地磅的稱(chēng)量范圍的上限。因此，客戶(hù)在產(chǎn)品選型時(shí)，往往將此作為首選的的基本參數，而制造商也將此作為制定售價(jià)的參數依據之一（另一個(gè)關(guān)鍵參數就是汽車(chē)衡尺寸）。

事實(shí)上，決定地磅稱(chēng)量能力的要素，除了最大秤量，還有另一個(gè)真正重要的指標：

允許軸載。什么是軸載？軸載是指車(chē)輛在靜止狀態(tài)下，由于重力作用，車(chē)輛總質(zhì)量產(chǎn)生的通過(guò)各軸或軸組施加到支承平面的垂直載荷，所有軸或軸組載荷的總和為車(chē)輛總載荷，最大軸載是指車(chē)輛的其中某個(gè)單軸或軸組的最大載荷。地磅的允許軸載是指可以承受的通過(guò)車(chē)輛的最大軸載。允許軸載對地磅承載臺的設計和使用至關(guān)重要，其實(shí)際意義上己經(jīng)超過(guò)最大秤量。為描述方便，下文均以簡(jiǎn)稱(chēng)“軸載”來(lái)替代允許軸載。

為了對此觀(guān)點(diǎn)進(jìn)一步闡明，請看以下例子。

兩臺相同的最大秤量為60t的地磅，承載臺面尺寸為3.4m(寬）x18m(長(cháng)），均為三節臺面組成，共有8個(gè)傳感器支承。正常使用情況下的過(guò)衡車(chē)輛質(zhì)量均為 50t左右，差異在于：其中一種常用過(guò)車(chē)為自卸車(chē)，另一種為普通拖掛車(chē)。哪臺地磅的使用工況更惡劣呢？

由于地磅承載臺面不可能制作得很長(cháng)來(lái)容納整個(gè)車(chē)輛長(cháng)度，必須拆分成多個(gè)臺面，每個(gè)臺面長(cháng)度一般不超過(guò)7m，因此，車(chē)輛輪軸就分布到不同的承載臺面上了。如圖一所示，在某個(gè)瞬間，單節承載臺面承受的最大載荷就是汽車(chē)的最大軸載質(zhì)量產(chǎn)生的，而不是由汽車(chē)總質(zhì)量產(chǎn)生。自卸車(chē)最大軸載40t，拖掛車(chē)的最大軸載為 30t。在整個(gè)行駛過(guò)程中，車(chē)輪軸是移動(dòng)的，因此地磅各個(gè)承載臺面均會(huì )受到來(lái)自最大軸載產(chǎn)生的載荷的作用。顯然，前者的汽車(chē)衡使用工況較為惡劣。

從以上簡(jiǎn)單的力學(xué)分析看，車(chē)輛總質(zhì)量其實(shí)掩蓋了地磅臺面承載狀況的真實(shí)面貌，最大秤量對于地磅的實(shí)際承載強度而言并不直接相干，因為這并沒(méi)有提及載荷是如何施加在地磅上的。但是，如果將汽車(chē)總質(zhì)量分解到每個(gè)軸或軸組上，臺面的承載受力模型就變得非常明確，其強度、剛性等力學(xué)計算就比較直觀(guān)。因此，需要將最大秤量轉

化成對應的軸載參數指標。

3.“集中載荷承受能力”（CLC)的定義

“集中載荷承受能力”（Concentrated Load Capacity)(簡(jiǎn)稱(chēng) CLC)是美國國家標準及技術(shù)研宄院（NIST)和美國國家型式評估程序（NTEP)所要求的一個(gè)規范指標。美國國家標準及技術(shù)研宄院的“NIST Handboo k44”（第 44號手冊）中對此規范指標有概述，它適用于美國和其它承認該規范要求的地區，由衡器生產(chǎn)廠(chǎng)家自行定義，并且在產(chǎn)品的使用和測試中均用到此概念。

對于公路上行駛車(chē)輛的質(zhì)量限制，通常表示為一個(gè)雙聯(lián)軸（兩個(gè)緊挨著(zhù)的軸，其位置固定在一個(gè)大約為2.5mx1.2m的面積內，雙聯(lián)軸間距1.2m)的最大允許質(zhì)量。集中載荷承受能力（CLC)也作為廠(chǎng)家設計的地磅所能承受的雙聯(lián)軸的最大質(zhì)量。

由于實(shí)際車(chē)型不僅僅只有雙聯(lián)軸，多聯(lián)軸與雙聯(lián)軸有個(gè)大致的換算關(guān)系，目的是計算和測試變得簡(jiǎn)化。如果是間距為3.6m的三聯(lián)軸，則可承受等效成1.324倍雙聯(lián)軸CLC的作用。也就是說(shuō)，3.6m間距的三聯(lián)軸的質(zhì)量對地磅臺面產(chǎn)生的作用，等效于1.324倍1.2m間距的雙聯(lián)軸的作用。例如，如承載臺面的設計指標為雙聯(lián)軸CLC值為40t，則也可承受三聯(lián)軸CLC值53t(40*1.324-53)。

當然，對于不同間距的多聯(lián)軸，需要根據具體的承載臺面尺寸詳細換算才更科學(xué)，不能一概而論。

下圖二為雙聯(lián)軸、三聯(lián)軸間距示例：

4.中國境內的軸載標準

在我們國家，在橋梁道路及其它構造物設計方面，也將車(chē)輛軸載作為設計指標的依據，見(jiàn)《公路工程技術(shù)標準JTGB01-2014》。那么，軸載究竟如何取值呢？這就需要了解相關(guān)的法規要求。

為加強對超限運輸車(chē)輛行駛公路的管理，維護公路完好，保障公路安全暢通，根據《中華人民共和國公路法》及有關(guān)法規，二〇〇〇年二月十三日，國家交通部頒布了2000年第 2號令（簡(jiǎn)稱(chēng) 2號令），其中，關(guān)于超限運輸車(chē)輛的界定，除長(cháng)、寬、高以及總質(zhì)量之外，對于車(chē)輛軸載做出了明確的范圍規定，任意一條超過(guò)以下規定軸載的均納入超限車(chē)輛范圍，具體見(jiàn)表一。

表二是七部委在全國開(kāi)展車(chē)輛超限超載治理工作期間頒布的“超限超載車(chē)輛認定標準圖解”，其關(guān)注點(diǎn)在于整車(chē)載重限制。對于不同車(chē)型，按自然軸計數（此處的軸僅指單軸，而非軸組），將表一中的軸組值相加并與表二比較，發(fā)現七部委關(guān)于總質(zhì)量超限的界定略微寬泛些，簡(jiǎn)單理解為單根軸限值10t。不同的省份在道路車(chē)輛超限管理方面可能稍有不同，但均以此兩種法規作為依據。

結合2號令和七部委的超限認定的相關(guān)內容，中國境內車(chē)輛軸載的限定，可以簡(jiǎn)單地大致總結如表三，作為相關(guān)橋梁道路等的設計參考依據：

5.世界其它國家軸載標準

世界上有一百多個(gè)國家制訂了車(chē)輛軸載限值標準。他們在制訂設計車(chē)輛荷載標準及車(chē)輛軸重限值時(shí)，除了考慮本國的國民經(jīng)濟發(fā)展水平外，同時(shí)考慮了采用重型汽車(chē)提高軸重限值而獲得的運輸經(jīng)濟效益與相應增加的公路基本建設投資及原有公路網(wǎng)的補強改造費用之間的合理平衡。由于提高軸重對公路投資的影響十分驚人，長(cháng)期以來(lái)，各國政府都采取了極其慎重的態(tài)度。世界多國的軸載限值標準如下表四、表五的部分摘錄。

與世界各國的數據對比，中國的超限認定標準相對較低（即，限值略偏高，放寬了運輸要求），這在一定程度上是從發(fā)展中的國情出發(fā)，適度提高運輸效益。

6.地磅設計時(shí)軸載參數確定

通過(guò)以上對軸載的限值分析，理論上說(shuō)，地磅的軸載設計指標可以很容易獲取了。

按上述的描述，一般常規拖掛車(chē)最大質(zhì)量不超過(guò)60t，但是，為何在中國境內，客戶(hù)的實(shí)際需求往往超過(guò)60t，地磅最大秤量集中在80~100t，甚至120~150t的也屢見(jiàn)不鮮，特殊應用場(chǎng)合還超過(guò)200t呢？主要有幾方面的原因：

a.超載現象依然嚴重。公路治超工作對高速公路效果明顯，通過(guò)計重收費的杠桿調節作用，對超載車(chē)輛進(jìn)行罰款收費，很大程度抑制了超載現象。但對于很多短距離（不上高速）運輸的車(chē)輛，運輸單位或個(gè)人為追求經(jīng)濟效益，甚至不惜進(jìn)行車(chē)輛改裝，達到多拉增效的目的。

b.短途運輸車(chē)較多。如，下圖三的自卸車(chē)就是一個(gè)非常典型的類(lèi)別，國內多個(gè)自卸車(chē)廠(chǎng)生產(chǎn)的汽車(chē)，為滿(mǎn)足客戶(hù)要求，軸載能力遠遠超出限值標準，可以達到60-80t。

c.廠(chǎng)礦內特種車(chē)較多，如下圖四的礦石、混凝土攪拌站、鋼廠(chǎng)等場(chǎng)合的車(chē)輛，車(chē)型和軸載都較特殊.

基于以上的現狀，地磅生產(chǎn)廠(chǎng)商，要提供客戶(hù)符合使用要求的地磅，如果只考慮最大秤量，難以針對客戶(hù)的實(shí)際情況進(jìn)行設計。但是，即使引入軸載概念，如果按照相關(guān)的軸載限值標準來(lái)設計承載臺，又經(jīng)常不能適應實(shí)際使用，導致廠(chǎng)家和客戶(hù)對產(chǎn)品質(zhì)量上的歧義和糾紛。因此，小編建議引入最大秤量和軸載雙指標的設計參數，通過(guò)對

最大秤量和過(guò)衡的車(chē)型進(jìn)行分析，兼顧地磅長(cháng)度，進(jìn)行合理分配，以及滿(mǎn)足多種車(chē)型稱(chēng)量的要求。

表六的最大秤量和軸載對應關(guān)系，僅供汽車(chē)衡廠(chǎng)家設計和計算參考。從下表看出，最大允許軸載有30t以上的現象，超出前面章節描述的車(chē)輛軸載的規定限制，也就是考慮到客戶(hù)的不同應用，根據過(guò)衡車(chē)輛的車(chē)型制定的滿(mǎn)足客戶(hù)使用要求的配置。一種最大秤量的地磅，可以有不同的軸載參數供選擇，用于客戶(hù)不同的場(chǎng)合。

如何利用這些設計指標？首先，要與客戶(hù)進(jìn)行充分溝通，了解客戶(hù)的實(shí)際應用情況，過(guò)衡的車(chē)型主要有哪些，幫助客戶(hù)進(jìn)行歸類(lèi)分析，選擇可能出現的最大軸載作為設計參數，確保地磅的強度和使用壽命。這樣處理的好處是：讓客戶(hù)獲得符合實(shí)際使用要求的產(chǎn)品。如果允許軸載選取超過(guò)了實(shí)際應用，為達到汽車(chē)衡的強度和剛性設計需要，客

戶(hù)因此支付的成本也會(huì )高。反之，允許軸載的選取低于實(shí)際應用，那么承載臺面會(huì )不堪重負，過(guò)早出現損毀等失效現象而無(wú)法繼續使用。所以，小編認為，合理的軸載確定，是確保地磅使用正常的重要因素之一。盡管地磅最大秤量一樣，但選擇了不同的軸載指標，結構設計也會(huì )有所不同。只有這樣的針對性設計，產(chǎn)品質(zhì)量才可以得到保障。

當然，各廠(chǎng)家可以自行規定允許軸載指標，在銷(xiāo)售產(chǎn)品前與客戶(hù)明確，利于產(chǎn)品符合實(shí)際使用要求。對于特種車(chē)輛，還需要了解詳細的車(chē)型參數，與臺面尺寸進(jìn)行匹配，設計出合理的解決方案。

計算汽車(chē)衡承載臺面的強度和變形時(shí)，不僅考慮軸載大小和軸型，還需要考慮軸載的施加位置和范圍。計算校核模型中，載荷應置于單節臺面的中間，此時(shí)的工況最?lèi)毫印?/span>

一般來(lái)說(shuō)，軸載載荷可以為點(diǎn)載荷，也可以是按照車(chē)輪的投影形成的面載荷，具體由設計人員掌握。施加范圍可以根據具體的車(chē)型圖，進(jìn)行總結獲得經(jīng)驗值。如下圖五所示為簡(jiǎn)單的二維力學(xué)模型：

以下圖六所示為軸載施加在承載臺面上的三維力學(xué)模型，適合有限元計算:

7.汽車(chē)衡臺面強度和變形的檢測方法

在 GB/T7723《固定式電子衡》2008年修訂版本里，增加了大型衡器的承載器的相對變形的要求以及具體的檢測方法。汽車(chē)衡一般為多個(gè)承載臺面組成，每個(gè)臺面應分別滿(mǎn)足該要求。下圖七和圖八取自 GB/T7723的相關(guān)章節，其推薦了最大秤量和檢測載荷對應關(guān)系，這也為衡器廠(chǎng)家提供了一定的設計參考依據。當然，具體設計時(shí)，軸載的選取和加載區域可比此更加嚴酷，作為各廠(chǎng)家的產(chǎn)品內部指標，提高產(chǎn)品的競爭力。

8.汽車(chē)衡承載臺面的使用壽命

汽車(chē)衡在使用過(guò)程中，承載臺面一直處于重復的動(dòng)載狀態(tài)，結構產(chǎn)生的應力變化循環(huán)反復，疲勞破壞往往是主要的失效模式，因此疲勞壽命成為業(yè)內衡量產(chǎn)品最終質(zhì)量好壞的重要因素。

疲勞壽命的計算比較復雜，受很多實(shí)際條件的限制，也受到很多因素影響，難以得出科學(xué)合理的結果。因此，往往需要通過(guò)疲勞試驗來(lái)進(jìn)行測算。

但對于外載荷比較直觀(guān)、結構自身不太復雜的汽車(chē)衡承載臺面，仍然可以通過(guò)一定的理論計算預測其使用壽命。疲勞壽命與結構應力大小密切相關(guān)，而應力計算還是以軸

載作為基本的計算輸入條件之一。

經(jīng)過(guò)長(cháng)期的試驗驗證，小編推算出汽車(chē)衡承載臺面的疲勞壽命與最大應力關(guān)系的經(jīng)驗公式。如果需要達到100萬(wàn)次，則承載臺的最大應力不宜大于130N/mm。

簡(jiǎn)單說(shuō)明如下：