彎板式動(dòng)態(tài)軸重地磅應用研究

本文對動(dòng)態(tài)稱(chēng)重的發(fā)展進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹，對目前公路上使用較多的彎板式高速動(dòng)態(tài)軸重地磅的結構和原理進(jìn)行了介紹，對影響軸重地磅動(dòng)態(tài)稱(chēng)量誤差的因素進(jìn)行了分析，并對如何降低動(dòng)態(tài)誤差給出了建議.

0引言

由于動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統具有稱(chēng)重效率高的優(yōu)點(diǎn),汽車(chē)動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統在公路現代化管理中的應用越來(lái)越普遍。彎板式高速動(dòng)態(tài)軸重地磅是目前公路上動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統采用最廣泛的稱(chēng)重衡器之一,彎板式動(dòng)態(tài)軸重地磅根據原理分為剪切梁式彎板動(dòng)態(tài)軸重秤和彎曲梁式彎板動(dòng)態(tài)軸重秤。彎板式動(dòng)態(tài)軸重地磅集支撐、秤臺、稱(chēng)重傳感器于一體,結構緊湊,具有響應快、體積小、重量輕、使用壽命長(cháng)的優(yōu)點(diǎn)。稱(chēng)重板結構的一體化設計使得軸重秤的工作可靠性得到提高,抗振動(dòng)、抗沖擊能力得到加強。但是由于高速動(dòng)態(tài)軸重秤的結構特點(diǎn),其稱(chēng)量準確度不如靜態(tài)衡器,其原因在于車(chē)輛通過(guò)秤臺時(shí)速度快,車(chē)輛與秤臺接觸時(shí)間短,秤臺受輪胎作用力時(shí)間短,秤臺傳感器采樣周期不全,使得其稱(chēng)重誤差較大。此外,在稱(chēng)重過(guò)程中,秤臺稱(chēng)重準確度會(huì )受到外界振動(dòng)引起的干擾影響進(jìn)一步降低,這些振動(dòng)既有與車(chē)輛自身結構有關(guān)的周期振動(dòng),也有運動(dòng)狀態(tài)改變引起的隨機振動(dòng)。另外,當汽車(chē)行駛速度較快時(shí),這些振動(dòng)幅度得到加強,軸重秤準確度將越來(lái)越差。

1公路車(chē)輛動(dòng)態(tài)稱(chēng)重的發(fā)展

汽車(chē)運輸能實(shí)現門(mén)到門(mén)的運輸,具有快捷、靈活、方便的優(yōu)點(diǎn),因此汽車(chē)運輸是生活物流中最主要的運輸方式之一。隨著(zhù)經(jīng)濟社會(huì )的迅猛發(fā)展，汽車(chē)運輸規模越來(lái)越大，公路變得越來(lái)越繁忙，其相應的公路管理和養護成本變得越來(lái)越高。有研究表明車(chē)輛對路面的破壞作用與車(chē)輛軸載質(zhì)量的4次方成正比。特別是超載車(chē)輛，不僅使用公路、橋梁及其附注設施遭到嚴重損壞，而且容易造成交通事故，使人員生命安全受到傷害。由于汽車(chē)稱(chēng)重能及時(shí)為公路管理部門(mén)提供車(chē)重信息，因此汽車(chē)稱(chēng)重在公路管理中的地位越來(lái)越重要。

根據車(chē)輛稱(chēng)重時(shí)的運動(dòng)狀態(tài)可以將稱(chēng)重分為兩個(gè)大的范圍：靜態(tài)稱(chēng)重和動(dòng)態(tài)稱(chēng)重。靜態(tài)稱(chēng)重，即車(chē)輛在靜止的情況下，使用靜態(tài)稱(chēng)重衡器稱(chēng)出車(chē)輛的總重或軸重(輪重)。靜態(tài)稱(chēng)重具有稱(chēng)重準確度高的優(yōu)點(diǎn)，但其響應慢、稱(chēng)重時(shí)間長(cháng)，影響車(chē)輛通行效率。動(dòng)態(tài)稱(chēng)重即車(chē)輛稱(chēng)重時(shí)保持一定的速度通過(guò)稱(chēng)重衡器，得到車(chē)輛的軸重(輪重)或總重。相比于靜態(tài)稱(chēng)重，動(dòng)態(tài)稱(chēng)重準確度不高，但其響應速度快、車(chē)輛通行效率高。為了滿(mǎn)足日益繁忙的公路稱(chēng)重需求，動(dòng)態(tài)稱(chēng)重將是公路管理者的最理想選擇。動(dòng)態(tài)稱(chēng)重可廣泛應用于自動(dòng)交通調查收費系統，交通安全管理場(chǎng)合，對實(shí)現交通運輸管理的現代化具有巨大的促進(jìn)作用。

動(dòng)態(tài)軸重地磅是公路稱(chēng)重中應用最為廣泛的一種稱(chēng)重衡器，其核心部件為秤臺(含稱(chēng)重傳感器)及動(dòng)態(tài)稱(chēng)重儀表。根據秤臺結構型式的不同，又可分為秤臺式軸重秤、彎板式軸重秤、一體化軸重秤、壓電石英式軸重秤、地磅及軸重儀等其各自的特點(diǎn)和使用范圍如表1所示。

隨著(zhù)稱(chēng)量技術(shù)的不斷提高，動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統的準確度有了很大的提高，考慮到各種使用因素和經(jīng)濟性，彎板式動(dòng)態(tài)軸重秤越來(lái)越受到重視，應用也將越來(lái)越廣泛，這里主要對彎板式動(dòng)態(tài)軸重秤的結構進(jìn)行介紹。彎板式動(dòng)態(tài)軸重秤根據原理不同又可分為剪切梁式彎板動(dòng)態(tài)軸重秤和彎曲梁式彎板動(dòng)態(tài)軸重秤、彎板式動(dòng)態(tài)軸重秤集支撐稱(chēng)重于一體，結構緊湊，體現了電子衡器體積小、高度低、重量輕的發(fā)展方向。由于其秤臺本身就是一個(gè)大型稱(chēng)重傳感器，可以完全按照已經(jīng)成熟的稱(chēng)重傳感器制造工藝進(jìn)行生產(chǎn)加工，因而稱(chēng)量準確度和工作可靠性高

通過(guò)合理的結構設計和偏載誤差修正，秤臺抗偏心載荷的能力得到了提高。由于秤臺是一個(gè)整體結構，無(wú)任何活動(dòng)環(huán)節，抗振動(dòng)、抗沖擊能力增強，減少了動(dòng)態(tài)測量時(shí)由于各種諧波組成的動(dòng)態(tài)分量，降低了稱(chēng)重儀表對輸出信號處理的要求。

2.彎板式動(dòng)態(tài)軸重地磅

2.1動(dòng)態(tài)軸重秤傳感器結構

2.1.1剪切梁式彎板動(dòng)態(tài)軸重地磅

此類(lèi)型的彎板動(dòng)態(tài)軸重秤稱(chēng)重時(shí)，測量的是輪胎壓在秤臺上時(shí)秤臺頂部與底部之間當時(shí)的剪應力引起的拉、壓成雙的主應力、剪切型稱(chēng)重板為L(cháng)Y12硬鋁合金板，工藝過(guò)程為冷拉加工，并經(jīng)過(guò)固熔熱處理和人工時(shí)效處理，硬度高、不易變形、抗沖擊能力強，在鋁合金板的底部，進(jìn)行合適寬度凹陷區域的加工，沿鋁合金板寬度方向進(jìn)行加工，長(cháng)度方向上由于兩側的相對凸出，則形成了有足夠面積的承力支撐區，這樣就完成了秤臺傳感器的主體結構。再在靠近兩側支撐的區域內，平行于支撐加工出兩排大小相同、間隔相同的盲槽，這樣就形成了若干根與支撐相垂直的剪切梁，在稱(chēng)重過(guò)程中這些剪切梁共同承受車(chē)輛駛過(guò)或停在秤臺上時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)或靜態(tài)載荷。在盲槽形成的剪切梁的側面粘貼單剪切型電阻應變計，分別測量剪切梁的正、負主應變，再把應變方向相同的電阻應變計串聯(lián)在一起，按一定的電橋組成原則組成惠斯通電橋電路，整個(gè)稱(chēng)重板就成為一個(gè)完整的大型板式稱(chēng)重傳感器。其結構如圖1所示。

2.1.2彎曲梁式彎板動(dòng)態(tài)軸重地磅

彎曲型稱(chēng)重板測量的是車(chē)輪壓在稱(chēng)重板上的彎曲應力彎曲型稱(chēng)重板與剪切型稱(chēng)重板不同，其設計要求是剛度大、變形小、動(dòng)態(tài)響應速度快所以其稱(chēng)重板在機械加工后不必進(jìn)行熱處理。它的外形與剪切型稱(chēng)重板相同，其結構如圖2所示。由于彎曲型稱(chēng)重板的工作原理是測量稱(chēng)重板承受車(chē)輛載荷是彎曲應力，所以和剪切梁結構不同的是，作為稱(chēng)重板應變區的盲槽為兩對平行于支撐的長(cháng)盲槽，在四個(gè)長(cháng)盲槽內沿稱(chēng)重板的長(cháng)度方向，等間隔地粘貼上若干個(gè)單軸電阻應變計，這樣就在電阻應變計粘貼的截面構成若干根彎曲梁。為測量車(chē)輛駛過(guò)秤臺或靜止在秤臺上的彎曲應變，應使單軸電阻應變計的方向垂直于支撐面，將每個(gè)個(gè)長(cháng)盲槽內的電阻應變計串聯(lián)在一起組成惠斯通電橋電路，這樣就完成了彎曲板式電子軸重秤的主體部分。

2.2動(dòng)態(tài)軸重秤系統組成

現以ZDG-30-WZ高速動(dòng)態(tài)軸重秤為例，對軸重地磅系統的組成進(jìn)行紹.ZDG-30-WZ高速動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統是本公司專(zhuān)門(mén)為公路上高速動(dòng)態(tài)稱(chēng)重設計的系統，可以自動(dòng)檢測過(guò)衡車(chē)輛的軸重、軸組重、總重、車(chē)速車(chē)型等數據，自動(dòng)判斷車(chē)輛上限，檢測數據通過(guò)串口上傳至高速動(dòng)態(tài)處理計算機，完成對行駛車(chē)輛的超限判斷。該系統具有高靈敏度、動(dòng)靜兩用、高分辨率、工作穩定可靠的特點(diǎn)。ZDG-30-WZ高速動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統主要包括物理部分和電氣部分，物理部分主要包括彎板式傳感器和地感線(xiàn)圈，電氣部分主要包括AW1000稱(chēng)重顯示器、數據控制處理單元等，稱(chēng)重系統組成，如圖3所示。

每條道路安裝兩個(gè)軸重秤秤臺，并排安裝，秤臺的兩傳感器位于一條線(xiàn)，可以避免稱(chēng)重時(shí)車(chē)輪數據丟失。在軸重秤秤臺前后安裝有地感線(xiàn)圈，地感線(xiàn)圈既用作車(chē)輛速度檢測器，也為車(chē)輛稱(chēng)重檢測提供開(kāi)始和結束信號。在軸重秤的前方安裝攝像機，對經(jīng)過(guò)軸重秤的車(chē)輛進(jìn)行拍照取證，在稱(chēng)重系統的前方安裝有大屏幕，對有超載超限嫌疑的車(chē)輛信息進(jìn)行顯示，并指示車(chē)輛進(jìn)入復測區進(jìn)行復測，復測區所用的稱(chēng)量衡器為靜態(tài)電子汽車(chē)衡。

3.動(dòng)態(tài)誤差影響因素分析

相比與靜態(tài)稱(chēng)重方式，動(dòng)態(tài)稱(chēng)重具有稱(chēng)量速度快、車(chē)輛通過(guò)效率高的優(yōu)點(diǎn)，對實(shí)現公路交通運輸智能管理非常有意義。但動(dòng)態(tài)稱(chēng)重時(shí)，稱(chēng)量態(tài)稱(chēng)量過(guò)程會(huì )受到各種隨機不確定因素（包括汽車(chē)結構、汽車(chē)運動(dòng)狀態(tài)、路面狀況等引起的振動(dòng)）的干擾。難以實(shí)現高準確度的動(dòng)態(tài)秤量。下面就對影響動(dòng)態(tài)秤量準確度的因素進(jìn)行分析，并對引起誤差的原因進(jìn)行分析，給出相關(guān)的解決建議，根據目前的研究分析：主要有一下2個(gè)方面因素導致動(dòng)態(tài)稱(chēng)量誤差過(guò)大:(1)信號采樣不全(2)秤臺受到振動(dòng)干擾。

3.1信號采樣不全引起的動(dòng)態(tài)誤差

目前動(dòng)態(tài)稱(chēng)重傳感器的形式主要是依靠剪切彎曲變形產(chǎn)生應變的壓力傳感器和壓電類(lèi)傳感器在進(jìn)行動(dòng)態(tài)稱(chēng)重時(shí)，秤臺受輪胎作用力時(shí)間短，而這兩類(lèi)傳感器需要的采樣周期較長(cháng)，所以造成信號采樣不全，響應速度較慢，對于高速車(chē)輛稱(chēng)重容易造成誤差過(guò)大，另外，壓電類(lèi)傳感器在使用過(guò)程也容易受電磁干擾，所以對動(dòng)態(tài)誤差影響較嚴重，目前的應對辦法是開(kāi)發(fā)新型傳感器，比如基于MicheLson干涉儀的動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統，提出了一種基于雙軸光纖光柵動(dòng)態(tài)稱(chēng)重傳感器的稱(chēng)重系統，及基于光纖微彎傳感器的汽車(chē)動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統等。這類(lèi)傳感器采樣周期短、響應速度快，這些新型傳感器的應用，使得高速稱(chēng)重準確度得到了不同程度的提高。

3.2秤臺受到各種振動(dòng)干擾引起的動(dòng)態(tài)誤差

對所存在的振動(dòng)進(jìn)行分類(lèi)整理，大致可將振動(dòng)分為以下3類(lèi)。

3.2.1車(chē)輛自身結構引起的規律性振動(dòng)

主要是由汽車(chē)在行駛過(guò)程中車(chē)輛部件周期性振動(dòng)產(chǎn)生的，這類(lèi)振動(dòng)包括發(fā)動(dòng)機偏心轉動(dòng)引起的周期性振動(dòng)、輪胎花紋引起的周期性振動(dòng)等。

3.2.2汽車(chē)運動(dòng)狀態(tài)改變引起的隨機振動(dòng)

汽車(chē)的運動(dòng)，從廣義上來(lái)講，不僅只有沿行駛方向上的運動(dòng)，而是在所有方位上都存在著(zhù)各

種不同形式的運動(dòng)，比如車(chē)輛忽左忽右的搖頭運動(dòng)、車(chē)輛忽上忽下的點(diǎn)頭運動(dòng)以及前后、左右、上下的平移運動(dòng)，這些運動(dòng)都會(huì )引起秤臺的振動(dòng)。

除了上述的隨機振動(dòng)外，路面的粗糙。不平整也能引起車(chē)輛的隨機振動(dòng)，比如路面的凸凹不

平和高低起伏等。另外，汽車(chē)行駛過(guò)程中的汽車(chē)與地面會(huì )有耦合作用，耦合作用也能給車(chē)輛秤臺帶來(lái)隨機振動(dòng)，導致動(dòng)態(tài)稱(chēng)量準確度下降。

此外，還有其他一些隨機振動(dòng)，比如油料燃燒的不均勻引起的隨機振動(dòng)等。

3.2.3由沖擊載荷引起的偶然性劇烈振動(dòng)

此類(lèi)振動(dòng)主要是由汽車(chē)運動(dòng)狀態(tài)的突然發(fā)生變化和其他一些偶然因素引起的，比如司機在車(chē)速很快的情況下通過(guò)秤臺時(shí)司機猛踩剎車(chē)。秤臺前路面的突然起伏，使汽車(chē)跳離路面然后砸向秤臺等。

以上這些振動(dòng)有些是無(wú)法消除的，比如車(chē)輛自身結構引起的規律性振動(dòng)。但有些是可以通過(guò)規范司機的駕駛行為和改善安裝環(huán)境來(lái)降低甚至消除的，比如汽車(chē)運動(dòng)狀態(tài)的突然發(fā)生變化引起的沖擊振動(dòng)和路面表面的凸凹不平和高低起伏等地面不平整度引起隨機振動(dòng)。另外，這些振動(dòng)的幅度都會(huì )隨著(zhù)車(chē)速的增加而增大，這也是為什么隨著(zhù)速度的增加，測量值越來(lái)越偏離真實(shí)值的原因。

4.結束語(yǔ)

隨著(zhù)公路現代化管理的需要，由于高速動(dòng)態(tài)軸重地磅稱(chēng)量的高效率，應用越來(lái)越廣泛但是高速動(dòng)態(tài)軸重秤受客觀(guān)環(huán)境的限制，其準確度受到影響:一是由其自身條件限制的，比如秤臺受輪胎作用力時(shí)間短，采樣周期不全，這可以通過(guò)研發(fā)新的傳感器類(lèi)型進(jìn)行改善;二是稱(chēng)重過(guò)程中秤臺會(huì )受到各種振動(dòng)引起的干擾的影響，這些振動(dòng)既有與車(chē)輛自身結構有關(guān)的周期振動(dòng)，也有與車(chē)輛運動(dòng)狀態(tài)改變有關(guān)的隨機振動(dòng)。這些振動(dòng)有些是無(wú)法消除的，按其中的某些振動(dòng)是可以通過(guò)規范司機的駕駛行為和改善安裝環(huán)境來(lái)降低甚至消除的。