關(guān)于地磅加載狀態(tài)與檢定結果研究

針對采用砝碼法和衡器載荷測量?jì)x法檢定地磅的加載狀態(tài)，結合實(shí)際尺寸和邊界條件建立地磅結構模型; 應用數學(xué)模型計算和有限元分析手段，對不同加載狀態(tài)下承載器的變形特性以及對稱(chēng)重傳感器的影響進(jìn)行了分析。研究結果表明，兩種方法在稱(chēng)重和偏載檢定時(shí)結果略有差異，但不影響檢定結果判斷。通過(guò)實(shí)際稱(chēng)重和偏載檢定測試，驗證了理論分析結論。

地磅是國家依法強制檢定的計量器具之一，其準確與否與保障貿易公平密切相關(guān)。此前，地磅的檢定依據 JJG 539 － 1997《數字指示秤》檢定規程進(jìn)行。國家重大科學(xué)儀器設備開(kāi)發(fā)專(zhuān)項“高精度衡器載荷測量?jì)x研發(fā)與應用”項目研制出符合 OIML Ｒ76 規定的獨立輔助檢定裝置———衡器載荷測量?jì)x。該裝置以標準測力儀為標準，由液壓伺服控制油缸輸出標準力值，可實(shí)現對地磅進(jìn)行全性能的準確、快速檢定，確保地磅量值準確、可靠，其檢定基本原理如圖 1 所示。目前 JJG1118 －2015《地磅( 衡器載荷測量?jì)x法)檢定規程已頒布實(shí)施，采用衡器載荷測量?jì)x法檢定地磅實(shí)現有據可依。

在檢定時(shí)，采用砝碼和采用衡器載荷測量?jì)x的加載位置和加載面積顯著(zhù)不同，承載器變形狀態(tài)、傳感器受力狀態(tài)也存在差異，對測試結果也可能產(chǎn)生影響。本文通過(guò)仿真模擬和試驗研究手段，對兩種檢定方法對檢定結果的影響進(jìn)行分析。

1 受載狀態(tài)建模

在采用砝碼法進(jìn)行中準確度級地磅檢定時(shí)，使用多塊 M1 級鑄鐵砝碼。砝碼放置時(shí)為裝載方便并保證安全，疊放層數通常不宜過(guò)高; 在進(jìn)行稱(chēng)量檢定時(shí)，砝碼需要平鋪在承載器上。而采用衡器載荷測量?jì)x法檢定時(shí)，根據量程選用不同標準載荷單元組，每個(gè)標準載荷單元通過(guò)承壓板向承載器加載。本文為分析方便，選用由單節承載器和 4 只稱(chēng)重傳感器構成的 SCS － 30 型中準確度級U型梁結構地磅。

本文主要對地磅在偏載和稱(chēng)量性能檢定時(shí)的狀態(tài)進(jìn)行仿真分析和測試。對承載器進(jìn)行力學(xué)分析建模，將其沿長(cháng)度方向簡(jiǎn)化為一維模型。采用砝碼法加載時(shí)模型簡(jiǎn)化如圖 2( a) 所示，采用衡器載荷測量?jì)x法簡(jiǎn)化模型如圖 2( b) 所示。

砝碼法稱(chēng)量測試受載時(shí)承載器最大變形量的計算公式為:

由上述結果可知，在相同載荷的兩種受載狀態(tài)下，承載器的最大變形量不同: 稱(chēng)量狀態(tài)下采用砝碼法變形量較大，偏載狀態(tài)下采用衡器載荷測量?jì)x法變形量較大。而承載器變形對傳感器受力狀態(tài)的影響較為復雜，故本文建立地磅承載器三維模型，在有限元分析軟件中按照實(shí)際加載狀態(tài)進(jìn)行仿真計算。采用砝碼法加載時(shí)砝碼布置如圖 3( a) 所示，其中左圖為稱(chēng)量測試時(shí)滿(mǎn)量程砝碼布置，右圖為偏載測試的砝碼布置; 采用衡器載荷測量?jì)x法加載時(shí)布置如圖 3( b) 所示。

2 仿真計算

本文分析中選用的地磅及標準器相關(guān)規格如表 2 所示，根據實(shí)際尺寸進(jìn)行建模、劃分網(wǎng)格，并按照實(shí)際狀態(tài)設置載荷和邊界條件。

加載狀態(tài)下，承載器的變形量分布如圖 4 ～ 圖 7 所示?？梢钥闯?，稱(chēng)重加載狀態(tài)下，采用砝碼加載時(shí)，各支撐點(diǎn)處形變較大; 偏載狀態(tài)下，采用衡器載荷測量?jì)x時(shí)相應支撐點(diǎn)處形變較大。由于稱(chēng)重傳感器的下端與基座間、上端與承載器間均為球面連接，減小了由于承載器變形對傳感器產(chǎn)生的附加彎矩; 承載器變形后，承載器 － 傳感器連接處發(fā)生傾斜，傳感器彈性體所受的側向力分量增大，由此產(chǎn)生的寄生分量將對示值產(chǎn)生影響。由于施加的標準質(zhì)量一致，傾斜角位移越大，用于傳感器輸出的力分量數值越小，因此地磅示值也越小。在不考慮其他因素時(shí)，稱(chēng)重檢定結果中可能表現出砝碼法誤差偏小的趨勢，而在偏載檢定結果中可能表現出衡器載荷測量?jì)x法誤差偏小的趨勢。由分析結果可以得到，兩種方法下稱(chēng)重傳感器連接處的角度相差約為 0. 1% ，但由于傳感器特性各異，示值偏差無(wú)法準確定量計算。

地磅在使用狀態(tài)中，汽車(chē)與承載器間以輪胎相接觸。據統計，常見(jiàn)載貨汽車(chē)后輪胎( 雙輪) 在額定氣壓下接地橢圓面積約為 720cm2 ，換算為等效圓直徑約為 300mm。衡器載荷測量?jì)x的加載狀態(tài)與這種情形更為接近。

3.試驗研究

為驗證理論分析結果，在某公司生產(chǎn)的 SCS － 30 地磅上依據規程進(jìn)行了兩種方法檢定地磅的實(shí)際測試比對。

在測試前，確認該地磅功能正常。檢定前使用砝碼對偏載進(jìn)行了調整，使其不超過(guò)規程規定的最大誤差; 在 20000kg 點(diǎn)上對稱(chēng)量進(jìn)行了標定。

在遞增稱(chēng)量點(diǎn) 200kg、5000kg、15000kg、20000kg、 30000kg 上，分別使用砝碼和衡器載荷測量?jì)x檢定稱(chēng)量誤差，全部檢定測試結果如圖 8 所示。如結果所示，各檢定點(diǎn)誤差均符合規程規定的誤差要求。采用砝碼法的測試結果誤差小于采用衡器載荷測量?jì)x法誤差，結果的趨勢符合理論分析結論。

4.結論

采用衡器載荷測量?jì)x法對地磅進(jìn)行檢定時(shí)，加載狀態(tài)與采用砝碼法不同。經(jīng)有限元仿真分析可知，當承載器變形較大時(shí)，稱(chēng)重傳感器上由側向力產(chǎn)生的寄生分量較大，使地磅的示值偏小。稱(chēng)量狀態(tài)下，砝碼法示值較小; 偏載狀態(tài)下，衡器載荷測量?jì)x法示值較小。檢定測試結果證明了上述趨勢，但兩種方法的差異并不影響對地磅計量性能的判定。