汽車(chē)衡加載狀態(tài)與檢定結(jié)果研究

針對(duì)采用砝碼法和衡器載荷測(cè)量?jī)x法檢定汽車(chē)衡的加載狀態(tài)，結(jié)合實(shí)際尺寸和邊界條件建立地磅結(jié)構(gòu)模型; 應(yīng)用數(shù)學(xué)模型計(jì)算和有限元分析手段，對(duì)不同加載狀態(tài)下承載器的變形特性以及對(duì)稱(chēng)重傳感器的影響進(jìn)行了分析。研究結(jié)果表明，兩種方法在稱(chēng)重和偏載檢定時(shí)結(jié)果略有差異，但不影響檢定結(jié)果判斷。通過(guò)實(shí)際稱(chēng)重和偏載檢定測(cè)試，驗(yàn)證了理論分析結(jié)論。
汽車(chē)衡是國(guó)家依法強(qiáng)制檢定的計(jì)量器具之一，其準(zhǔn)確與否與保障貿(mào)易公平密切相關(guān)。此前，汽車(chē)衡的檢定依據(jù) JJG 539 － 1997《數(shù)字指示秤》檢定規(guī)程進(jìn)行。國(guó)家重大科學(xué)儀器設(shè)備開(kāi)發(fā)專(zhuān)項(xiàng)“高精度衡器載荷測(cè)量?jī)x研發(fā)與應(yīng)用”項(xiàng)目研制出符合 OIML Ｒ76 規(guī)定的獨(dú)立輔助檢定裝置———衡器載荷測(cè)量?jī)x。該裝置以標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀為標(biāo)準(zhǔn)，由液壓伺服控制油缸輸出標(biāo)準(zhǔn)力值，可實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車(chē)衡進(jìn)行全性能的準(zhǔn)確、快速檢定，確保汽車(chē)衡量值準(zhǔn)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(cè)量?jī)x法)檢定規(guī)程已頒布實(shí)施，采用衡器載荷測(cè)量?jī)x法檢定地磅實(shí)現(xiàn)有據(jù)可依。

在檢定時(shí)，采用砝碼和采用衡器載荷測(cè)量?jī)x的加載位置和加載面積顯著不同，承載器變形狀態(tài)、傳感器受力狀態(tài)也存在差異，對(duì)測(cè)試結(jié)果也可能產(chǎn)生影響。本文通過(guò)仿真模擬和試驗(yàn)研究手段，對(duì)兩種檢定方法對(duì)檢定結(jié)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(zhǔn)確度級(jí)地磅檢定時(shí)，使用多塊 M1 級(jí)鑄鐵砝碼。砝碼放置時(shí)為裝載方便并保證安全，疊放層數(shù)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(cè)量?jī)x法檢定時(shí)，根據(jù)量程選用不同標(biāo)準(zhǔn)載荷單元組，每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)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(jié)承載器和 4 只稱(chēng)重傳感器構(gòu)成的 SCS － 30 型中準(zhǔn)確度級(jí)U型梁結(jié)構(gòu)地磅。
本文主要對(duì)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(cè)試。對(duì)承載器進(jìn)行力學(xué)分析建模，將其沿長(zhǎng)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(cè)量?jī)x法簡(jiǎn)化模型如圖 2( b) 所示。

砝碼法稱(chēng)量測(cè)試受載時(shí)承載器最大變形量的計(jì)算公式為:

由上述結(jié)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(cè)量?jī)x法變形量較大。而承載器變形對(duì)傳感器受力狀態(tài)的影響較為復(fù)雜，故本文建立汽車(chē)衡承載器三維模型，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(jì)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(cè)試時(shí)滿(mǎn)量程砝碼布置，右圖為偏載測(cè)試的砝碼布置; 采用衡器載荷測(cè)量?jī)x法加載時(shí)布置如圖 3( b) 所示。

2 仿真計(jì)算
本文分析中選用的汽車(chē)衡及標(biāo)準(zhǔn)器相關(guān)規(guī)格如表 2 所示，根據(jù)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(shè)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。可以看出，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(cè)量?jī)x時(shí)相應(yīng)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(duì)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(cè)向力分量增大，由此產(chǎn)生的寄生分量將對(duì)示值產(chǎn)生影響。由于施加的標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量一致，傾斜角位移越大，用于傳感器輸出的力分量數(shù)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(jié)果中可能表現(xiàn)出砝碼法誤差偏小的趨勢(shì)，而在偏載檢定結(jié)果中可能表現(xiàn)出衡器載荷測(cè)量?jī)x法誤差偏小的趨勢(shì)。由分析結(jié)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(zhǔn)確定量計(jì)算。
汽車(chē)衡在使用狀態(tài)中，汽車(chē)與承載器間以輪胎相接觸。據(jù)統(tǒng)計(jì)，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(cè)量?jī)x的加載狀態(tài)與這種情形更為接近。

3.試驗(yàn)研究
為驗(yàn)證理論分析結(jié)果，在某公司生產(chǎn)的 SCS － 30 汽車(chē)衡上依據(jù)規(guī)程進(jìn)行了兩種方法檢定地磅的實(shí)際測(cè)試比對(duì)。
在測(cè)試前，確認(rèn)該汽車(chē)衡功能正常。檢定前使用砝碼對(duì)偏載進(jìn)行了調(diào)整，使其不超過(guò)規(guī)程規(guī)定的最大誤差; 在 20000kg 點(diǎn)上對(duì)稱(chēng)量進(jìn)行了標(biāo)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(cè)量?jī)x檢定稱(chēng)量誤差，全部檢定測(cè)試結(jié)果如圖 8 所示。如結(jié)果所示，各檢定點(diǎn)誤差均符合規(guī)程規(guī)定的誤差要求。采用砝碼法的測(cè)試結(jié)果誤差小于采用衡器載荷測(cè)量?jī)x法誤差，結(jié)果的趨勢(shì)符合理論分析結(jié)論。

4.結(jié)論
采用衡器載荷測(cè)量?jī)x法對(duì)汽車(chē)衡進(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(dāng)承載器變形較大時(shí)，稱(chēng)重傳感器上由側(cè)向力產(chǎn)生的寄生分量較大，使汽車(chē)衡的示值偏小。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(cè)量?jī)x法示值較小。檢定測(cè)試結(jié)果證明了上述趨勢(shì)，但兩種方法的差異并不影響對(duì)汽車(chē)衡計(jì)量性能的判定。

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