軸載在地磅承載臺結構設計中的重要性

一直以來，地磅的關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真正的實際意義，因為它無法明確車輛是以怎樣的方式對承載臺面施加載荷。當車輛行駛在承載臺上時，車輛質量因重力產生的載荷是通過各個輪軸分配后作用在承載臺上的。對輪軸載荷（簡稱軸載，包括單軸和軸組）進行分析，將其作為地磅承載臺的力學模型中的重要信息，可以直觀地對承載臺進行強度和剛性的計算、校核。

1.引言

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

2.地磅稱量能力的關鍵指標之軸載的引入

在地磅應用領域，最大秤量是最關鍵的參數指標之一，這決定了地磅的稱量范圍的上限。因此，客戶在產品選型時，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的參數依據之一（另一個關鍵參數就是汽車衡尺寸）。

事實上，決定地磅稱量能力的要素，除了最大秤量，還有另一個真正重要的指標：

允許軸載。什么是軸載？軸載是指車輛在靜止狀態下，由于重力作用，車輛總質量產生的通過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輛總載荷，最大軸載是指車輛的其中某個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車輛的最大軸載。允許軸載對地磅承載臺的設計和使用至關重要，其實際意義上己經超過最大秤量。為描述方便，下文均以簡稱“軸載”來替代允許軸載。

為了對此觀點進一步闡明，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），均為三節臺面組成，共有8個傳感器支承。正常使用情況下的過衡車輛質量均為 50t左右，差異在于：其中一種常用過車為自卸車，另一種為普通拖掛車。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來容納整個車輛長度，必須拆分成多個臺面，每個臺面長度一般不超過7m，因此，車輛輪軸就分布到不同的承載臺面上了。如圖一所示，在某個瞬間，單節承載臺面承受的最大載荷就是汽車的最大軸載質量產生的，而不是由汽車總質量產生。自卸車最大軸載40t，拖掛車的最大軸載為 30t。在整個行駛過程中，車輪軸是移動的，因此地磅各個承載臺面均會受到來自最大軸載產生的載荷的作用。顯然，前者的汽車衡使用工況較為惡劣。

從以上簡單的力學分析看，車輛總質量其實掩蓋了地磅臺面承載狀況的真實面貌，最大秤量對于地磅的實際承載強度而言并不直接相干，因為這并沒有提及載荷是如何施加在地磅上的。但是，如果將汽車總質量分解到每個軸或軸組上，臺面的承載受力模型就變得非常明確，其強度、剛性等力學計算就比較直觀。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)(簡稱 CLC)是美國國家標準及技術研宄院（NIST)和美國國家型式評估程序（NTEP)所要求的一個規范指標。美國國家標準及技術研宄院的“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，由衡器生產廠家自行定義，并且在產品的使用和測試中均用到此概念。

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

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

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

下圖二為雙聯軸、三聯軸間距示例：

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，也將車輛軸載作為設計指標的依據，見《公路工程技術標準JTGB01-2014》。那么，軸載究竟如何取值呢？這就需要了解相關的法規要求。

為加強對超限運輸車輛行駛公路的管理，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（簡稱 2號令），其中，關于超限運輸車輛的界定，除長、寬、高以及總質量之外，對于車輛軸載做出了明確的范圍規定，任意一條超過以下規定軸載的均納入超限車輛范圍，具體見表一。

表二是七部委在全國開展車輛超限超載治理工作期間頒布的“超限超載車輛認定標準圖解”，其關注點在于整車載重限制。對于不同車型，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，發現七部委關于總質量超限的界定略微寬泛些，簡單理解為單根軸限值10t。不同的省份在道路車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內容，中國境內車輛軸載的限定，可以簡單地大致總結如表三，作為相關橋梁道路等的設計參考依據：

5.世界其它國家軸載標準

世界上有一百多個國家制訂了車輛軸載限值標準。他們在制訂設計車輛荷載標準及車輛軸重限值時，除了考慮本國的國民經濟發展水平外，同時考慮了采用重型汽車提高軸重限值而獲得的運輸經濟效益與相應增加的公路基本建設投資及原有公路網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，長期以來，各國政府都采取了極其慎重的態度。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展中的國情出發，適度提高運輸效益。

6.地磅設計時軸載參數確定

通過以上對軸載的限值分析，理論上說，地磅的軸載設計指標可以很容易獲取了。

按上述的描述，一般常規拖掛車最大質量不超過60t，但是，為何在中國境內，客戶的實際需求往往超過60t，地磅最大秤量集中在80~100t，甚至120~150t的也屢見不鮮，特殊應用場合還超過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，通過計重收費的杠桿調節作用，對超載車輛進行罰款收費，很大程度抑制了超載現象。但對于很多短距離（不上高速）運輸的車輛，運輸單位或個人為追求經濟效益，甚至不惜進行車輛改裝，達到多拉增效的目的。

b.短途運輸車較多。如，下圖三的自卸車就是一個非常典型的類別，國內多個自卸車廠生產的汽車，為滿足客戶要求，軸載能力遠遠超出限值標準，可以達到60-80t。

c.廠礦內特種車較多，如下圖四的礦石、混凝土攪拌站、鋼廠等場合的車輛，車型和軸載都較特殊.

基于以上的現狀，地磅生產廠商，要提供客戶符合使用要求的地磅，如果只考慮最大秤量，難以針對客戶的實際情況進行設計。但是，即使引入軸載概念，如果按照相關的軸載限值標準來設計承載臺，又經常不能適應實際使用，導致廠家和客戶對產品質量上的歧義和糾紛。因此，小編建議引入最大秤量和軸載雙指標的設計參數，通過對

最大秤量和過衡的車型進行分析，兼顧地磅長度，進行合理分配，以及滿足多種車型稱量的要求。

表六的最大秤量和軸載對應關系，僅供汽車衡廠家設計和計算參考。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輛軸載的規定限制，也就是考慮到客戶的不同應用，根據過衡車輛的車型制定的滿足客戶使用要求的配置。一種最大秤量的地磅，可以有不同的軸載參數供選擇，用于客戶不同的場合。

如何利用這些設計指標？首先，要與客戶進行充分溝通，了解客戶的實際應用情況，過衡的車型主要有哪些，幫助客戶進行歸類分析，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：讓客戶獲得符合實際使用要求的產品。如果允許軸載選取超過了實際應用，為達到汽車衡的強度和剛性設計需要，客

戶因此支付的成本也會高。反之，允許軸載的選取低于實際應用，那么承載臺面會不堪重負，過早出現損毀等失效現象而無法繼續使用。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，結構設計也會有所不同。只有這樣的針對性設計，產品質量才可以得到保障。

當然，各廠家可以自行規定允許軸載指標，在銷售產品前與客戶明確，利于產品符合實際使用要求。對于特種車輛，還需要了解詳細的車型參數，與臺面尺寸進行匹配，設計出合理的解決方案。

計算汽車衡承載臺面的強度和變形時，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，此時的工況最惡劣。

一般來說，軸載載荷可以為點載荷，也可以是按照車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型圖，進行總結獲得經驗值。如下圖五所示為簡單的二維力學模型：

以下圖六所示為軸載施加在承載臺面上的三維力學模型，適合有限元計算:

7.汽車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。汽車衡一般為多個承載臺面組成，每個臺面應分別滿足該要求。下圖七和圖八取自 GB/T7723的相關章節，其推薦了最大秤量和檢測載荷對應關系，這也為衡器廠家提供了一定的設計參考依據。當然，具體設計時，軸載的選取和加載區域可比此更加嚴酷，作為各廠家的產品內部指標，提高產品的競爭力。

8.汽車衡承載臺面的使用壽命

汽車衡在使用過程中，承載臺面一直處于重復的動載狀態，結構產生的應力變化循環反復，疲勞破壞往往是主要的失效模式，因此疲勞壽命成為業內衡量產品最終質量好壞的重要因素。

疲勞壽命的計算比較復雜，受很多實際條件的限制，也受到很多因素影響，難以得出科學合理的結果。因此，往往需要通過疲勞試驗來進行測算。

但對于外載荷比較直觀、結構自身不太復雜的汽車衡承載臺面，仍然可以通過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，而應力計算還是以軸

載作為基本的計算輸入條件之一。

經過長期的試驗驗證，小編推算出汽車衡承載臺面的疲勞壽命與最大應力關系的經驗公式。如果需要達到100萬次，則承載臺的最大應力不宜大于130N/mm。

簡單說明如下：