怎么提高軸重式動態汽車衡準確度研究

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【摘 要】 對于承載器是長方形秤臺的軸重式動態衡，發現稱重不準確的原因是：稱軸重時，秤臺長方向撓曲振動及秤臺翹動嚴重干擾稱重。改進試驗：承載器采用兩個長方形小秤臺各下置3只稱重傳感器，并以橡膠板對秤臺振動進行強阻尼，結果：動態稱重準確度明顯提高，接近2級，但仍存在秤臺翹動及橡膠板摩擦力過大影響靜態稱重等問題。進一步改進：設計制造承載器為兩個三角形小秤臺的動態衡，并從外部用水平彈簧拉住秤臺，使橡膠板摩擦力適當不影響靜態稱重。預期效果，車速10km/h以下達到2級。計劃2011年4月完成試驗。
【關鍵詞】稱重技術；兩體式三角形動態衡；振弦式稱重技術；計重收費
1 引言
我國高速公路為遏制車輛超載超限運輸，普遍采用動態汽車稱重系統進行計重收費，取得良好效果。軸重式動態汽車衡（簡稱動態衡）是該系統的核心，汽車通過時，稱量各軸重累加求出車輛總重量。作者于2004年擔任技術負責人完成山東省*項目，研發成功承載器為長方形秤臺配4只稱重傳感器的*代產品，由山東交潤交通科技有限公司生產，山東、四川使用300余套，為實現公路車輛計重收費，做出一定成績，獲山東省科技進步二等獎。調試維修中發現：（1）過車軸時，秤臺長方向撓曲振動強烈干擾稱重；（2）4只稱重傳感器支承秤臺為靜不定結構，不穩定，常使一只傳感器懸空，過車時秤臺翹動干擾稱重，同時秤臺和軸重沖擊懸空傳感器，每天數千次使其準確度降低。為弄清問題，課題組從理論上研究該動態衡“動態稱重的物理模型”，給出動態稱重瞬時值分布的極差，指出欲提高動態衡準確度，應加大阻尼、減小秤臺撓曲振幅，并適當提高固有頻率避免發生共振。隨后，設計制造了承載器為兩個長方形小秤臺各下置3只稱重傳感器的“分體式動態汽車衡”，經計量測試80%的稱重數據誤差＜1%，性能接近2級動態衡，明顯優于*代產品。“分體式動態汽車衡”獲國家發明，論文《動態車輛稱重物理模型與提高動態稱重準確度研究》發表于《計量學報》[1]。課題組總結時發現：將承載器由一個長方形秤臺改為兩個長方形小秤臺有畫蛇添足之誤，因為若去掉多余兩角，改為兩個三角形小秤臺、三角外伸在其下安裝稱重傳感器，則*不需要輔助支撐，而且能消除過車軸引起的秤臺翹動；其次，作者考慮到：在三角形三邊秤臺和邊框之間放入吸振橡膠板，從外部加水平彈簧拉住秤臺，給膠板以適當壓力（足以防
塵），則有可能既不影響靜態稱重準確度，動態稱重時又能提供一定阻尼，且安裝調試十分方便。“兩體式三角形動態汽車衡”申請國家，已獲受理。2011年4月有可能完成樣機試驗。本文側重從理論上進行分析總結，結論是：必須從改進承載器結構入手，才有可能從根本上解決軸重式動態汽車衡稱不準問題。
2 承載器為長方形秤臺下置4只稱重傳感器的軸重式動態衡稱不準的原因
*代產品，實際上是將靜態汽車稱重大地磅縮短到0.8m左右，同時提高采樣頻率而形成。對復雜的動態稱重這種簡單化處理，自然效果不會太好。
2.1 *代產品存在的主要問題
理論軸稱重曲線見圖1。tW
圖1 理論的軸稱重曲線
研究發現，存在4種“振動”干擾稱重：
*種，鋼板產生頻率較高的機械“震動”（頻率幾十到200Hz）。若稱重傳感器對它響應，則在軸稱重曲線上疊加著振動干擾[2]，見圖2。
tW
圖2 有振動干擾的軸稱重曲線
第二種，車輛自身的振動：軸質量與減震彈簧的組合振動。頻率很低，甚至低于1Hz。車輛快速駛過不平路面時，振動強烈對稱重影響很大；但低速勻速駛過平整路面時，振幅小，影響小。因此國家計量檢定規程JJG907-2006附錄C，對稱重區引道的平直水平光滑做了嚴格的強制性規定，以減小這種振動干擾。
第三種，秤臺長方向撓曲變形振動：由于秤臺長>3m，寬0.8m，重車（軸重10～30t）通過時，秤臺長方向產生撓曲變形形成振動，振幅（即撓度）可達4mm。這種振動頻率很低，不能用低通濾波消除。它對動態稱重準確度影響很大，特別是車速進入某一范圍時發生強烈共振，因此它是導致動態稱重不準確的主要原因。
第四種，秤臺翹動“振動”：由于4只稱重傳感器支承秤臺為靜不定結構，不穩定，秤臺略有變形就會使某只稱重傳感器懸空。稱軸重時，先由對角線兩只和前面一只稱重傳感器稱量，后轉為另3只稱重傳感器稱量，秤臺的這種翹動不僅直接干擾軸稱重，還引起秤臺和軸重對懸空稱重傳感器沖擊。特別是若位置在前面的稱重傳感器懸空，則稱軸重時秤臺翹動兩次，依次沖擊前后兩只稱重傳感器，影響更大。每天過車沖擊上千次，使懸空稱重傳感器的準確度較快下降，甚至使用不長時間就會誤差過大使稱重不準確。
2.2 對存在問題及解決辦法進一步分析
對*種機械振動干擾，可進行低通濾波，或采用對它不響應的稱重傳感器（例如液壓轉換式稱重傳感器）；對第二種振動，按國家檢定規程嚴格修建稱量區引道，并要求車輛限速勻速行駛，方能減輕其影響。目前高速公路管理部門執行嚴格限速和保持勻速迂到困難，車輛快速沖過秤臺及加速“跳過”秤臺已成為司機減重的一種手段，對計重收費工作不利；第三、第四種“振動”干擾，應該說是*代軸重式動態衡存在的主要問題，作者在文[1]中對第三種撓曲振動作了詳細分析研究，指出秤臺撓曲等效于彈簧，秤臺及軸質量等效于質量塊，軸重量等效于階躍載荷。車軸上秤臺相當于階躍載荷施加于彈性系統，必然引起過渡過程振動，在過渡過程中稱重，受到質量塊振動加速度產生的慣性力干擾，分散性必然很大，每次稱重都不同，稱不準。為借鑒，調查上動態汽車衡發展狀況，發現從加拿大引進的德國派特采用兩個彎板式小秤臺作承載器；瑞士石英動態衡采用兩只石英晶體傳感器（相當于兩個石英小秤臺）；中國臺灣某公司技術負責人告訴作者：承載器為長方形秤臺的動態衡經中國臺灣*測試，沒有性能很好的，他設計兩個小秤臺作承載器效果不錯。可見國內外動向與作者2007年的改進方案不謀而合。因此作者認定：承載器采用兩個小秤臺各下置3只稱重傳感器是動態汽車衡發展方向之一，同時還要研究如何加阻尼消除共振，才有可能解決動態汽車衡稱不準問題。[注：據2010年中國質量報楊蕾報導：全國計重收費動態衡普遍存在稱不準問題，給計重收費工作帶來很大麻煩和困擾。]
3 動態汽車稱重系統改進試驗
3.1 承載器為兩個長方形小秤臺各下置3只稱重傳感器強阻尼動態汽車衡
3.1.1 稱重系統圖
以這一動態衡為核心的動態汽車稱重系統見圖3
圖3 動態汽車稱重系統
3.1.2 “分體式動態汽車衡”
針對現存問題進行改進，設計“分體式動態汽車衡”，要點如下：
1）以兩個1500×500×130mm長方形小秤臺取代3200×800×200長方形秤臺（簡稱長方形大秤臺）。由于小秤臺采用20mm厚鋼板焊接而成，強度和剛度遠大于長方形大秤臺，又只承受軸重的一半，因此稱軸重時長方向撓度（即振幅）降低5倍以上，固有頻率也有較大提高。
2）在秤臺與邊框之間，放入耐老化橡膠板吸振，用彈簧給膠板施加穩定正壓力，使阻尼作用強而穩定，基本不受氣候冷熱影響。
3）每個小秤臺下置3只稱重傳感器，車輛從兩只稱重傳感器那邊上秤臺。為使車輪下秤臺時秤臺翹動較弱，加了橡膠板輔助支撐，膠板zui大壓縮量為1.5mm。
4）采用鄧氏振弦傳感技術稱重。所用傳感器為液壓轉換式振弦稱重傳感器，這種稱重傳感器由帶活塞的油缸和振弦式壓力傳感器構成。秤臺及其承重作用于活塞，活塞將重力轉換為油脂壓力，再由振弦式壓力傳感器將壓力轉換為頻率信號（調頻信號）輸出。這種液壓轉換式振弦稱重傳感器對秤臺機械震動基本不響應，只需加簡單的抗脈沖干擾數字濾波，采樣頻率400Hz，即可再現各傳感器的稱重曲線。這種振弦稱重傳感器還有良好的抗電磁干擾性能，不怕潮濕，壽命長達10年以上，長期穩定性好。
為了獲得稱重傳感器頻率，采用鄧氏雙線圈恒流型鋼弦激發電路（），由頻率計算稱重采用振弦傳感器數學模型，見式（1）[3][4]：
（）（）220WAffBff=−+− （1）
式中：A、B為傳感器常數，由標定數據zui小二乘法求得（有軟件），f為稱重W對應的頻率，0f為W=0時的頻率，稱為初頻。
該數學模型是本文*作者于1981年研制礦壓遙測儀時提出，實踐證明有三個優點：*，擬合準確，可顯著提高振弦傳感器準確度。依靠它已使振弦稱重傳感器準確度達到0.1%FS左右，*公路計重收費動態衡要求（動態準確度5級：首檢誤差±2.5％）。第二，可置零去皮。將秤臺重量對應傳感器頻率輸入式（1）作為0f，即將秤臺重（皮重）置零，則此后稱軸重（貨重）準確。第三，對于經過充分老化已穩定的稱重傳感器，A、B在-20℃～50℃范圍可看作常數，秤臺置零后稱重即準確，不需另加硬件、軟件進行溫度修正。
采用這種振弦稱重技術，儀表部分（廠家稱為控制器），總重僅4kg，遠低于其他產品（例如派特控制器重45kg，重量大10倍），不僅成本低，在一定程度上說明該技術具有*性。
3.1.3 效果及評價
該動態汽車稱重系統樣機經山東省計量科學研究院用標準載重車測試，獲國家計量器具型式批準證書：動態準確度5級（首檢誤差±2.5%以內），實際稱重數據80%首檢誤差±1%，接近2級標準；稱重平均值誤差≤0.13%，表明系統誤差很小。
“分體式動態汽車衡”獲國家發明（號：ZL200710014267.6）。
2008年，該稱重系統通過山東省*組織專家會議鑒定，評為：“較高水平”。
3.2 兩體式三角形動態汽車衡
3.2.1 動態衡圖，見圖4
1-承載器（兩個三角形秤臺）；2-邊框；3-稱重傳感器；4-水平彈簧；
5-吸振橡膠板； 6-接線盒；7-主電纜；8-控制器
圖4 兩體式三角形動態汽車衡
3.2.2 設計要點
針對“分體式動態汽車衡”的不足進行設計：
1）去掉長方形小秤臺多余兩只角形成三角形秤臺，將三角外伸，其下安裝稱重傳感器，3只傳感器中心連線與秤臺三邊接近重合。車軸通過承載器不會引起秤臺翹動，車輪上秤臺即進入準確稱重區（指車輪重心進入3只傳感器中心連線形成的三角形時稱重準確），有利于提高軸稱重的準確度。
2）用安裝在秤臺邊框外部的4只水平彈簧從三面拉住秤臺（穩定秤臺），調整彈簧拉力，使置于秤臺和邊框間的橡膠板受力適當（足以防塵），但不影響靜態稱重。稱軸重，秤臺受到軸重沖擊時，彈簧、橡膠板系統有較好緩沖和阻尼作用。
3）兩個三角形小秤臺錯位安裝，便于準確識別進車、倒車和測量車速、加速度。除此之外，當司機讓汽車突然加速“跳過”前面秤臺，車輛稱重不會減輕。
3.2.3 預期效果
預計兩體式三角形動態汽車衡為核心的動態車輛稱重系統應具有穩定性好，動態汽車稱重振動干擾小，在車速≤10km/h的情況下，動態準確度可達到2級（首檢誤差±1%），系統車輛分離、動態稱重、車型識別、車速加速度測量、倒車識別等功能齊全，而成本在同類產品中zui低。2011年4月份可完成樣機試驗。