彎板式動態(tài)軸重地磅應用研究

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

0引言

由于動態(tài)稱重系統(tǒng)具有稱重效率高的優(yōu)點,汽車動態(tài)稱重系統(tǒng)在公路現(xiàn)代化管理中的應用越來越普遍。彎板式高速動態(tài)軸重地磅是目前公路上動態(tài)稱重系統(tǒng)采用最廣泛的稱重衡器之一,彎板式動態(tài)軸重地磅根據(jù)原理分為剪切梁式彎板動態(tài)軸重秤和彎曲梁式彎板動態(tài)軸重秤。彎板式動態(tài)軸重地磅集支撐、秤臺、稱重傳感器于一體,結構緊湊,具有響應快、體積小、重量輕、使用壽命長的優(yōu)點。稱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、抗沖擊能力得到加強。但是由于高速動態(tài)軸重秤的結構特點,其稱量準確度不如靜態(tài)衡器,其原因在于車輛通過秤臺時速度快,車輛與秤臺接觸時間短,秤臺受輪胎作用力時間短,秤臺傳感器采樣周期不全,使得其稱重誤差較大。此外,在稱重過程中,秤臺稱重準確度會受到外界振動引起的干擾影響進一步降低,這些振動既有與車輛自身結構有關的周期振動,也有運動狀態(tài)改變引起的隨機振動。另外,當汽車行駛速度較快時,這些振動幅度得到加強,軸重秤準確度將越來越差。

1公路車輛動態(tài)稱重的發(fā)展

汽車運輸能實現(xiàn)門到門的運輸,具有快捷、靈活、方便的優(yōu)點,因此汽車運輸是生活物流中最主要的運輸方式之一。隨著經(jīng)濟社會的迅猛發(fā)展，汽車運輸規(guī)模越來越大，公路變得越來越繁忙，其相應的公路管理和養(yǎng)護成本變得越來越高。有研究表明車輛對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。由于汽車稱重能及時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越重要。

根據(jù)車輛稱重時的運動狀態(tài)可以將稱重分為兩個大的范圍：靜態(tài)稱重和動態(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)稱重具有稱重準確度高的優(yōu)點，但其響應慢、稱重時間長，影響車輛通行效率。動態(tài)稱重即車輛稱重時保持一定的速度通過稱重衡器，得到車輛的軸重(輪重)或總重。相比于靜態(tài)稱重，動態(tài)稱重準確度不高，但其響應速度快、車輛通行效率高。為了滿足日益繁忙的公路稱重需求，動態(tài)稱重將是公路管理者的最理想選擇。動態(tài)稱重可廣泛應用于自動交通調(diào)查收費系統(tǒng)，交通安全管理場合，對實現(xiàn)交通運輸管理的現(xiàn)代化具有巨大的促進作用。

動態(tài)軸重地磅是公路稱重中應用最為廣泛的一種稱重衡器，其核心部件為秤臺(含稱重傳感器)及動態(tài)稱重儀表。根據(jù)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和使用范圍如表1所示。

隨著稱量技術的不斷提高，動態(tài)稱重系統(tǒng)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，彎板式動態(tài)軸重秤越來越受到重視，應用也將越來越廣泛，這里主要對彎板式動態(tài)軸重秤的結構進行介紹。彎板式動態(tài)軸重秤根據(jù)原理不同又可分為剪切梁式彎板動態(tài)軸重秤和彎曲梁式彎板動態(tài)軸重秤、彎板式動態(tài)軸重秤集支撐稱重于一體，結構緊湊，體現(xiàn)了電子衡器體積小、高度低、重量輕的發(fā)展方向。由于其秤臺本身就是一個大型稱重傳感器，可以完全按照已經(jīng)成熟的稱重傳感器制造工藝進行生產(chǎn)加工，因而稱量準確度和工作可靠性高

通過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。由于秤臺是一個整體結構，無任何活動環(huán)節(jié)，抗振動、抗沖擊能力增強，減少了動態(tài)測量時由于各種諧波組成的動態(tài)分量，降低了稱重儀表對輸出信號處理的要求。

2.彎板式動態(tài)軸重地磅

2.1動態(tài)軸重秤傳感器結構

2.1.1剪切梁式彎板動態(tài)軸重地磅

此類型的彎板動態(tài)軸重秤稱重時，測量的是輪胎壓在秤臺上時秤臺頂部與底部之間當時的剪應力引起的拉、壓成雙的主應力、剪切型稱重板為LY12硬鋁合金板，工藝過程為冷拉加工，并經(jīng)過固熔熱處理和人工時效處理，硬度高、不易變形、抗沖擊能力強，在鋁合金板的底部，進行合適寬度凹陷區(qū)域的加工，沿鋁合金板寬度方向進行加工，長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(qū)，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(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，在稱重過程中這些剪切梁共同承受車輛駛過或停在秤臺上時產(chǎn)生的動態(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，整個稱重板就成為一個完整的大型板式稱重傳感器。其結構如圖1所示。

2.1.2彎曲梁式彎板動態(tài)軸重地磅

彎曲型稱重板測量的是車輪壓在稱重板上的彎曲應力彎曲型稱重板與剪切型稱重板不同，其設計要求是剛度大、變形小、動態(tài)響應速度快所以其稱重板在機械加工后不必進行熱處理。它的外形與剪切型稱重板相同，其結構如圖2所示。由于彎曲型稱重板的工作原理是測量稱重板承受車輛載荷是彎曲應力，所以和剪切梁結構不同的是，作為稱重板應變區(qū)的盲槽為兩對平行于支撐的長盲槽，在四個長盲槽內(nèi)沿稱重板的長度方向，等間隔地粘貼上若干個單軸電阻應變計，這樣就在電阻應變計粘貼的截面構成若干根彎曲梁。為測量車輛駛過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，將每個個長盲槽內(nèi)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動態(tài)軸重秤系統(tǒng)組成

現(xiàn)以ZDG-30-WZ高速動態(tài)軸重秤為例，對軸重地磅系統(tǒng)的組成進行紹.ZDG-30-WZ高速動態(tài)稱重系統(tǒng)是本公司專門為公路上高速動態(tài)稱重設計的系統(tǒng)，可以自動檢測過衡車輛的軸重、軸組重、總重、車速車型等數(shù)據(jù)，自動判斷車輛上限，檢測數(shù)據(jù)通過串口上傳至高速動態(tài)處理計算機，完成對行駛車輛的超限判斷。該系統(tǒng)具有高靈敏度、動靜兩用、高分辨率、工作穩(wěn)定可靠的特點。ZDG-30-WZ高速動態(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。

每條道路安裝兩個軸重秤秤臺，并排安裝，秤臺的兩傳感器位于一條線，可以避免稱重時車輪數(shù)據(jù)丟失。在軸重秤秤臺前后安裝有地感線圈，地感線圈既用作車輛速度檢測器，也為車輛稱重檢測提供開始和結束信號。在軸重秤的前方安裝攝像機，對經(jīng)過軸重秤的車輛進行拍照取證，在稱重系統(tǒng)的前方安裝有大屏幕，對有超載超限嫌疑的車輛信息進行顯示，并指示車輛進入復測區(qū)進行復測，復測區(qū)所用的稱量衡器為靜態(tài)電子汽車衡。

3.動態(tài)誤差影響因素分析

相比與靜態(tài)稱重方式，動態(tài)稱重具有稱量速度快、車輛通過效率高的優(yōu)點，對實現(xiàn)公路交通運輸智能管理非常有意義。但動態(tài)稱重時，稱量態(tài)稱量過程會受到各種隨機不確定因素（包括汽車結構、汽車運動狀態(tài)、路面狀況等引起的振動）的干擾。難以實現(xiàn)高準確度的動態(tài)秤量。下面就對影響動態(tài)秤量準確度的因素進行分析，并對引起誤差的原因進行分析，給出相關的解決建議，根據(jù)目前的研究分析：主要有一下2個方面因素導致動態(tài)稱量誤差過大:(1)信號采樣不全(2)秤臺受到振動干擾。

3.1信號采樣不全引起的動態(tài)誤差

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

3.2秤臺受到各種振動干擾引起的動態(tài)誤差

對所存在的振動進行分類整理，大致可將振動分為以下3類。

3.2.1車輛自身結構引起的規(guī)律性振動

主要是由汽車在行駛過程中車輛部件周期性振動產(chǎn)生的，這類振動包括發(fā)動機偏心轉動引起的周期性振動、輪胎花紋引起的周期性振動等。

3.2.2汽車運動狀態(tài)改變引起的隨機振動

汽車的運動，從廣義上來講，不僅只有沿行駛方向上的運動，而是在所有方位上都存在著各

種不同形式的運動，比如車輛忽左忽右的搖頭運動、車輛忽上忽下的點頭運動以及前后、左右、上下的平移運動，這些運動都會引起秤臺的振動。

除了上述的隨機振動外，路面的粗糙。不平整也能引起車輛的隨機振動，比如路面的凸凹不

平和高低起伏等。另外，汽車行駛過程中的汽車與地面會有耦合作用，耦合作用也能給車輛秤臺帶來隨機振動，導致動態(tài)稱量準確度下降。

此外，還有其他一些隨機振動，比如油料燃燒的不均勻引起的隨機振動等。

3.2.3由沖擊載荷引起的偶然性劇烈振動

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

以上這些振動有些是無法消除的，比如車輛自身結構引起的規(guī)律性振動。但有些是可以通過規(guī)范司機的駕駛行為和改善安裝環(huán)境來降低甚至消除的，比如汽車運動狀態(tài)的突然發(fā)生變化引起的沖擊振動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。另外，這些振動的幅度都會隨著車速的增加而增大，這也是為什么隨著速度的增加，測量值越來越偏離真實值的原因。

4.結束語

隨著公路現(xiàn)代化管理的需要，由于高速動態(tài)軸重地磅稱量的高效率，應用越來越廣泛但是高速動態(tài)軸重秤受客觀環(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間短，采樣周期不全，這可以通過研發(fā)新的傳感器類型進行改善;二是稱重過程中秤臺會受到各種振動引起的干擾的影響，這些振動既有與車輛自身結構有關的周期振動，也有與車輛運動狀態(tài)改變有關的隨機振動。這些振動有些是無法消除的，按其中的某些振動是可以通過規(guī)范司機的駕駛行為和改善安裝環(huán)境來降低甚至消除的。