彎板式動(dòng)態(tài)軸重地磅應(yīng)用研究

本文對(duì)動(dòng)態(tài)稱重的發(fā)展進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹，對(duì)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(jié)構(gòu)和原理進(jìn)行了介紹，對(duì)影響軸重地磅動(dòng)態(tài)稱量誤差的因素進(jìn)行了分析，并對(duì)如何降低動(dòng)態(tài)誤差給出了建議.

0引言

由于動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)具有稱重效率高的優(yōu)點(diǎn),汽車動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)在公路現(xiàn)代化管理中的應(yīng)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)稱重系統(tǒng)采用最廣泛的稱重衡器之一,彎板式動(dòng)態(tài)軸重地磅根據(jù)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(tái)、稱重傳感器于一體,結(jié)構(gòu)緊湊,具有響應(yīng)快、體積小、重量輕、使用壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)。稱重板結(jié)構(gòu)的一體化設(shè)計(jì)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(qiáng)。但是由于高速動(dòng)態(tài)軸重秤的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),其稱量準(zhǔn)確度不如靜態(tài)衡器,其原因在于車輛通過(guò)秤臺(tái)時(shí)速度快,車輛與秤臺(tái)接觸時(shí)間短,秤臺(tái)受輪胎作用力時(shí)間短,秤臺(tái)傳感器采樣周期不全,使得其稱重誤差較大。此外,在稱重過(guò)程中,秤臺(tái)稱重準(zhǔn)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)既有與車輛自身結(jié)構(gòu)有關(guān)的周期振動(dòng),也有運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變引起的隨機(jī)振動(dòng)。另外,當(dāng)汽車行駛速度較快時(shí),這些振動(dòng)幅度得到加強(qiáng),軸重秤準(zhǔn)確度將越來(lái)越差。

1公路車輛動(dòng)態(tài)稱重的發(fā)展

汽車運(yùn)輸能實(shí)現(xiàn)門到門的運(yùn)輸,具有快捷、靈活、方便的優(yōu)點(diǎn),因此汽車運(yùn)輸是生活物流中最主要的運(yùn)輸方式之一。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的迅猛發(fā)展，汽車運(yùn)輸規(guī)模越來(lái)越大，公路變得越來(lái)越繁忙，其相應(yīng)的公路管理和養(yǎng)護(hù)成本變得越來(lái)越高。有研究表明車輛對(duì)路面的破壞作用與車輛軸載質(zhì)量的4次方成正比。特別是超載車輛，不僅使用公路、橋梁及其附注設(shè)施遭到嚴(yán)重?fù)p壞，而且容易造成交通事故，使人員生命安全受到傷害。由于汽車稱重能及時(shí)為公路管理部門提供車重信息，因此汽車稱重在公路管理中的地位越來(lái)越重要。

根據(jù)車輛稱重時(shí)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可以將稱重分為兩個(gè)大的范圍：靜態(tài)稱重和動(dòng)態(tài)稱重。靜態(tài)稱重，即車輛在靜止的情況下，使用靜態(tài)稱重衡器稱出車輛的總重或軸重(輪重)。靜態(tài)稱重具有稱重準(zhǔn)確度高的優(yōu)點(diǎn)，但其響應(yīng)慢、稱重時(shí)間長(zhǎng)，影響車輛通行效率。動(dòng)態(tài)稱重即車輛稱重時(shí)保持一定的速度通過(guò)稱重衡器，得到車輛的軸重(輪重)或總重。相比于靜態(tài)稱重，動(dòng)態(tài)稱重準(zhǔn)確度不高，但其響應(yīng)速度快、車輛通行效率高。為了滿足日益繁忙的公路稱重需求，動(dòng)態(tài)稱重將是公路管理者的最理想選擇。動(dòng)態(tài)稱重可廣泛應(yīng)用于自動(dòng)交通調(diào)查收費(fèi)系統(tǒng)，交通安全管理場(chǎng)合，對(duì)實(shí)現(xiàn)交通運(yùn)輸管理的現(xiàn)代化具有巨大的促進(jìn)作用。

動(dòng)態(tài)軸重地磅是公路稱重中應(yīng)用最為廣泛的一種稱重衡器，其核心部件為秤臺(tái)(含稱重傳感器)及動(dòng)態(tài)稱重儀表。根據(jù)秤臺(tái)結(jié)構(gòu)型式的不同，又可分為秤臺(tái)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。

隨著稱量技術(shù)的不斷提高，動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)的準(zhǔn)確度有了很大的提高，考慮到各種使用因素和經(jīng)濟(jì)性，彎板式動(dòng)態(tài)軸重秤越來(lái)越受到重視，應(yīng)用也將越來(lái)越廣泛，這里主要對(duì)彎板式動(dòng)態(tài)軸重秤的結(jié)構(gòu)進(jìn)行介紹。彎板式動(dòng)態(tài)軸重秤根據(jù)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)軸重秤集支撐稱重于一體，結(jié)構(gòu)緊湊，體現(xiàn)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(tái)本身就是一個(gè)大型稱重傳感器，可以完全按照已經(jīng)成熟的稱重傳感器制造工藝進(jìn)行生產(chǎn)加工，因而稱量準(zhǔn)確度和工作可靠性高

通過(guò)合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和偏載誤差修正，秤臺(tái)抗偏心載荷的能力得到了提高。由于秤臺(tái)是一個(gè)整體結(jié)構(gòu)，無(wú)任何活動(dòng)環(huán)節(jié)，抗振動(dòng)、抗沖擊能力增強(qiáng)，減少了動(dòng)態(tài)測(cè)量時(shí)由于各種諧波組成的動(dòng)態(tài)分量，降低了稱重儀表對(duì)輸出信號(hào)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(jié)構(gòu)

2.1.1剪切梁式彎板動(dòng)態(tài)軸重地磅

此類型的彎板動(dòng)態(tài)軸重秤稱重時(shí)，測(cè)量的是輪胎壓在秤臺(tái)上時(shí)秤臺(tái)頂部與底部之間當(dāng)時(shí)的剪應(yīng)力引起的拉、壓成雙的主應(yīng)力、剪切型稱重板為L(zhǎng)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(qiáng)，在鋁合金板的底部，進(jìn)行合適寬度凹陷區(qū)域的加工，沿鋁合金板寬度方向進(jìn)行加工，長(zhǎng)度方向上由于兩側(cè)的相對(duì)凸出，則形成了有足夠面積的承力支撐區(qū)，這樣就完成了秤臺(tái)傳感器的主體結(jié)構(gòu)。再在靠近兩側(cè)支撐的區(qū)域內(nèi)，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，在稱重過(guò)程中這些剪切梁共同承受車輛駛過(guò)或停在秤臺(tái)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(cè)面粘貼單剪切型電阻應(yīng)變計(jì)，分別測(cè)量剪切梁的正、負(fù)主應(yīng)變，再把應(yīng)變方向相同的電阻應(yīng)變計(jì)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)稱重板就成為一個(gè)完整的大型板式稱重傳感器。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.1.2彎曲梁式彎板動(dòng)態(tài)軸重地磅

彎曲型稱重板測(cè)量的是車輪壓在稱重板上的彎曲應(yīng)力彎曲型稱重板與剪切型稱重板不同，其設(shè)計(jì)要求是剛度大、變形小、動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快所以其稱重板在機(jī)械加工后不必進(jìn)行熱處理。它的外形與剪切型稱重板相同，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。由于彎曲型稱重板的工作原理是測(cè)量稱重板承受車輛載荷是彎曲應(yīng)力，所以和剪切梁結(jié)構(gòu)不同的是，作為稱重板應(yīng)變區(qū)的盲槽為兩對(duì)平行于支撐的長(zhǎng)盲槽，在四個(gè)長(zhǎng)盲槽內(nèi)沿稱重板的長(zhǎng)度方向，等間隔地粘貼上若干個(gè)單軸電阻應(yīng)變計(jì)，這樣就在電阻應(yīng)變計(jì)粘貼的截面構(gòu)成若干根彎曲梁。為測(cè)量車輛駛過(guò)秤臺(tái)或靜止在秤臺(tái)上的彎曲應(yīng)變，應(yīng)使單軸電阻應(yīng)變計(jì)的方向垂直于支撐面，將每個(gè)個(gè)長(zhǎng)盲槽內(nèi)的電阻應(yīng)變計(jì)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(tǒng)組成

現(xiàn)以ZDG-30-WZ高速動(dòng)態(tài)軸重秤為例，對(duì)軸重地磅系統(tǒng)的組成進(jìn)行紹.ZDG-30-WZ高速動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)是本公司專門為公路上高速動(dòng)態(tài)稱重設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，可以自動(dòng)檢測(cè)過(guò)衡車輛的軸重、軸組重、總重、車速車型等數(shù)據(jù)，自動(dòng)判斷車輛上限，檢測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)串口上傳至高速動(dòng)態(tài)處理計(jì)算機(jī)，完成對(duì)行駛車輛的超限判斷。該系統(tǒng)具有高靈敏度、動(dòng)靜兩用、高分辨率、工作穩(wěn)定可靠的特點(diǎn)。ZDG-30-WZ高速動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)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圈，電氣部分主要包括AW1000稱重顯示器、數(shù)據(jù)控制處理單元等，稱重系統(tǒng)組成，如圖3所示。

每條道路安裝兩個(gè)軸重秤秤臺(tái)，并排安裝，秤臺(tái)的兩傳感器位于一條線，可以避免稱重時(shí)車輪數(shù)據(jù)丟失。在軸重秤秤臺(tái)前后安裝有地感線圈，地感線圈既用作車輛速度檢測(cè)器，也為車輛稱重檢測(cè)提供開始和結(jié)束信號(hào)。在軸重秤的前方安裝攝像機(jī)，對(duì)經(jīng)過(guò)軸重秤的車輛進(jìn)行拍照取證，在稱重系統(tǒng)的前方安裝有大屏幕，對(duì)有超載超限嫌疑的車輛信息進(jìn)行顯示，并指示車輛進(jìn)入復(fù)測(cè)區(qū)進(jìn)行復(fù)測(cè)，復(fù)測(cè)區(qū)所用的稱量衡器為靜態(tài)電子汽車衡。

3.動(dòng)態(tài)誤差影響因素分析

相比與靜態(tài)稱重方式，動(dòng)態(tài)稱重具有稱量速度快、車輛通過(guò)效率高的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)實(shí)現(xiàn)公路交通運(yùn)輸智能管理非常有意義。但動(dòng)態(tài)稱重時(shí)，稱量態(tài)稱量過(guò)程會(huì)受到各種隨機(jī)不確定因素（包括汽車結(jié)構(gòu)、汽車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、路面狀況等引起的振動(dòng)）的干擾。難以實(shí)現(xiàn)高準(zhǔn)確度的動(dòng)態(tài)秤量。下面就對(duì)影響動(dòng)態(tài)秤量準(zhǔn)確度的因素進(jìn)行分析，并對(duì)引起誤差的原因進(jìn)行分析，給出相關(guān)的解決建議，根據(jù)目前的研究分析：主要有一下2個(gè)方面因素導(dǎo)致動(dòng)態(tài)稱量誤差過(guò)大:(1)信號(hào)采樣不全(2)秤臺(tái)受到振動(dòng)干擾。

3.1信號(hào)采樣不全引起的動(dòng)態(tài)誤差

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

3.2秤臺(tái)受到各種振動(dòng)干擾引起的動(dòng)態(tài)誤差

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

3.2.1車輛自身結(jié)構(gòu)引起的規(guī)律性振動(dòng)

主要是由汽車在行駛過(guò)程中車輛部件周期性振動(dòng)產(chǎn)生的，這類振動(dòng)包括發(fā)動(dòng)機(jī)偏心轉(zhuǎn)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汽車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變引起的隨機(jī)振動(dòng)

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

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

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

平和高低起伏等。另外，汽車行駛過(guò)程中的汽車與地面會(huì)有耦合作用，耦合作用也能給車輛秤臺(tái)帶來(lái)隨機(jī)振動(dòng)，導(dǎo)致動(dòng)態(tài)稱量準(zhǔn)確度下降。

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

3.2.3由沖擊載荷引起的偶然性劇烈振動(dòng)

此類振動(dòng)主要是由汽車運(yùn)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(jī)在車速很快的情況下通過(guò)秤臺(tái)時(shí)司機(jī)猛踩剎車。秤臺(tái)前路面的突然起伏，使汽車跳離路面然后砸向秤臺(tái)等。

以上這些振動(dòng)有些是無(wú)法消除的，比如車輛自身結(jié)構(gòu)引起的規(guī)律性振動(dòng)。但有些是可以通過(guò)規(guī)范司機(jī)的駕駛行為和改善安裝環(huán)境來(lái)降低甚至消除的，比如汽車運(yùn)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(jī)振動(dòng)。另外，這些振動(dòng)的幅度都會(huì)隨著車速的增加而增大，這也是為什么隨著速度的增加，測(cè)量值越來(lái)越偏離真實(shí)值的原因。

4.結(jié)束語(yǔ)

隨著公路現(xiàn)代化管理的需要，由于高速動(dòng)態(tài)軸重地磅稱量的高效率，應(yīng)用越來(lái)越廣泛但是高速動(dòng)態(tài)軸重秤受客觀環(huán)境的限制，其準(zhǔn)確度受到影響:一是由其自身?xiàng)l件限制的，比如秤臺(tái)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)新的傳感器類型進(jìn)行改善;二是稱重過(guò)程中秤臺(tái)會(huì)受到各種振動(dòng)引起的干擾的影響，這些振動(dòng)既有與車輛自身結(jié)構(gòu)有關(guān)的周期振動(dòng)，也有與車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變有關(guān)的隨機(jī)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(guī)范司機(jī)的駕駛行為和改善安裝環(huán)境來(lái)降低甚至消除的。