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稱重板式軸重地磅的偏載誤差及其補償方法

公路車輛軸載質量限制研究,已成為一項倍受世界各國普遍關注的 技術性和政策性問題。檢測監督軸載質量超限用軸重秤研制水平的高低,將對一 個國家的交通運輸產生重大影響。本文在介紹國內外應用較多的測量彎曲應力的 彎板式、測量剪切應力的剪板式軸重秤結構、工作原理的基礎上,分析了兩種板 式彈性元件的橫向靈敏度和偏載誤差,并以剪切板式軸重秤為例介紹了偏載誤差 的補償原理和補償工藝。
一、稱重板式軸重秤的結構與工作原理
稱重板式軸重秤有兩種結構形式。其一是彎板式軸重秤,它由彎板彈性元件、 承載框架、端部壓板、緊固螺釘等構成。其核心部件彎板彈性元件是在一塊長條 形合金鋼板上,靠近兩個長邊的一定寬度(實為端部支撐)處對稱的加工出兩條 長槽,從縱向形成兩端固支中心承受集中載荷的彎曲梁。沿縱向在兩個槽內的多 個截面上,粘貼單軸電阻應變計,經串聯后與固定電阻組成惠斯通半橋電路。每 個粘貼電阻應變計的截面都形成一個承受集中載荷的彎曲梁,即整個彎板彈性元 件可看作是由n根平行排列的彎曲梁構成,彎板彈性元件結構如圖1所示。
其二是剪板式軸重秤,其核心部件是剪板彈性元件,它的毛坯為冷拉加工固 熔熱處理人工時效狀態的2A12硬鋁合金板,在板的底面沿長度方向加工出中間凹陷區,則在長度方向的兩邊自然形成了有足夠面積的承力支撐區,使硬鋁合金 板成為板橋形秤體。再在靠近兩個支撐的凹陷區域內,平行于支撐對稱的加工出 一定長度的若干個長槽,使其在縱向形成若干根與支撐相垂直的剪切梁,共同承 受車輪停在或駛過測量區產生的靜態或動態載荷,整個剪板彈性元件的力學模型 就可以看作是由n根平行排列的剪切梁構成。在剪切梁的兩個側面(即槽的邊緣) 粘貼兩組單剪切型電阻應變計,分別測量正、負主應變。將各剪切梁兩邊應變方 向相同的電阻應變計串聯在一起,按相對橋臂應變方向相同、相鄰橋臂應變方向 相反的原則組成惠斯通全橋電路,即可完成車輛軸軸質量檢測任務。其剪板彈性 元件結構與單剪切電阻應變計粘貼位置如圖2所示。
彎板彈性元件測量的是車輪壓在各彎曲梁上的彎曲應力,從對一根彎曲梁2 片電阻應變計到多根梁同一長槽內n片電阻應變計的分析,均得出在彎板彈性元 件測量區間內任何位置加載,總輸出基本保持不變,即加載點變化對輸出靈敏度 無影響。當載重車輛的車輪移動到彎板彈性元件測量區的任何截面(例如Xi截 面)時,彎曲梁的彎矩Mxi達到最大值,其截面系數、彎曲應力、彎曲應變為:
剪板彈性元件測量的是車輪壓在應變區時,板體頂部與底部之間當時的剪應 力引起的拉、壓成雙的主應力,不對同一時刻產生的彎曲應力作出反應,與彎板 彈性元件相同,其加載點變化對輸出靈敏度也無影響。由材料力學知在純剪切應 力狀態下,與中性軸成45^方向的拉壓成雙的主應力等于最大剪應力,主應變等 于最大剪應變的一半,只有中性軸處的應力單元是純剪切狀態才有此關系,即
 
由于結構設計與制造工藝水平的提高,使彎板和剪板式軸重秤的計量準確 度、允許車輛行駛速度和工作壽命都有較大提高,因此能在公路車輛軸載質量超 限檢測監督系統中獨領風騷,得到較普遍的應用。
二、剪板式軸重秤的偏載誤差與補償方法
剪板彈性元件測量的是車輪壓在應變區時,板體頂部與底部之間當時的剪應 力,不對同一時刻產生的彎曲應力作出反應,保證了應變區應力的單一性和均勻 性,是較理想的彈性元件受載狀態。眾所周知,剪應力是不能測量的,但它能產 生與中性軸成45°方向的拉、壓成雙的主應力,這正是組成惠斯通電橋電路所需 要的。
理想的剪板式軸重秤,要求在較長范圍內的任何位置加載時,電橋的總輸出 無變化,即要求在公路車輛軸載質量計量中,為保證多次計量的重復性,要求剪 板彈性元件在有限的長度范圍內,必須具有良好的橫向靈敏度一致性。由于剪板 彈性元件的橫向尺寸不可能無限長,當車輪壓在稱重板兩端的剪切應變梁上時, 由于兩端相對中心承載區剛度較小,剪切梁的變形較大,應變值超比例的增加, 必然產生偏載誤差,達不到橫向靈敏度一致性的要求。為保證剪板彈性元件具有 較好的橫向靈敏度一致性,必須進行偏載誤差補償。
稱重板式軸重秤的偏載誤差補償,主要有軟件補償、機械補償和電路補償三 種方法。
軟件補償法:因為各加載點位置的變化是總輸出變化的直接原因,只要能夠 識別每次車輛通過的加載位置,就可以通過軟件修正的方法調整輸出值,使其滿 足偏載誤差要求。補償的關鍵問題是必須正確識別車輛每次加載的位置,并針對 多個加載位置進行標定修正,最后根據對各標定位置點之間的數據,插值計算出 整個長度方向上的修正系數。此方法在車輛位置識別、試驗測試、修正系數計算 等比較繁瑣,費時費力應用較少。
機械補償法:剪板彈性元件橫向兩端部的邊界效應,是兩端剪切應變梁電阻 應變計應變值急劇增加的根本原因。只要在剪板彈性元件設計時提高兩端邊界部 分承載剪切梁的剛度,即增加剪切應變梁的剪切截面系數,就可以降低應變值,克服邊界效應影響,減少偏載誤差。如果兩端邊界過度的剛硬,會降低剪板彈性 元件的綜合性能。為得到較好的偏載誤差補償效果,必須通過有限元計算分析和 實際測量,才能確定合理的邊界剛度,不僅計算分析工作量大,而且容易受機械 加工精度影響,很難保證一次就使偏載誤差滿足補償精度要求,也很少采用。
電路補償法:剪板彈性元件,實際上就是一個整體結構的剪切式稱重傳感器, 制造過程與稱重傳感器制造工藝完全相同。稱重傳感器的零點溫度誤差、零點輸 出偏差、靈敏度溫度誤差、靈敏度一致性偏差,都是通過對電橋電路的補償與調 整使其達到準確度等級要求。同樣剪板彈性元件的偏載誤差,也可以通過電橋電 路的補償與調整來實現,即在剪板彈性元件端部各剪切應變梁的電阻應變計上, 并聯一個偏載誤差補償電阻Re來調整電橋電路的總輸出。
三、剪板式軸重秤電路補償原理及補償工藝
假設剪板彈性元件為無限長,根據彈性體的連續性理論,可推導出同一載荷
作用在長度方向上不同加載點時,電橋的輸出不變,因此可以認為剪板彈性元件
的橫向靈敏度一致。即
式中:U。一電橋輸出電壓;
Ui—電橋輸入電壓:
£ ,一各個剪切應變梁粘貼的單剪切型電阻應變計;
K 一單剪切型電阻應變計的靈敏系數; n—剪板彈性元件的剪切梁數量。
由于剪板彈性元件縱向不可能無限長,因此存在端部效應影響,當載荷施加 于端部時,必然產生偏載誤差。利用電橋電路補償偏載誤差的原理是:當同一個 載荷分別施加在剪切梁的中點和兩端邊界點時,電橋橋臂中AR”、AR、AR ,、
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AR、AR ,、AR、AR ,、AR的絕對變化量由于s ,、£的急劇增加而大
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幅度變化,使輸出u^改變,而產生較大的偏載誤差。如果在剪板彈性元件兩個 端部剪切梁上,應變值急劇變化的電阻應變計R„、R、R ,、R、R ,、R、
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R,、R上,分別并聯一個高精度金屬膜電阻Re,就可以減小該電阻應變計對
41 4n C
整個電橋電路總輸出的影響,從而減小了偏載誤差,達到補償剪板彈性元件橫向 靈敏度的目的。偏載誤差補償電阻Re在電橋橋臂的位置如圖3所示。
剪板彈性元件偏載誤差補償工藝為:
1.將剪板彈性元件兩個端部剪切應變梁上各4片電阻應變計、R、R,、
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R、R,、R、R,、R焊接上一組并聯引線,并從剪板彈性元件的出線口引出
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備用;
2.把剪板彈性元件平置于專用的大臺面疊加式力標準機承載平臺上,將焊 接有并聯引線的8片電阻應變計,分別連接一個可變電阻箱;
3.預載試驗,在剪板彈性元件橫向長度的中點,施加額定載荷三次,每次 加載后都返回零點;
4.加載測試,在中間點對0?額定載荷6個級別進行加載,并記錄各點輸出 示值。采用同樣方法對剪板彈性元件的兩個端點,進行6個級別的加載測試,對 比中間與兩端加載點的測試數據,判斷偏載誤差大小;
5.再對兩個端點按上述程序逐級加載進行測試、補償,對偏載誤差較大的剪 切應變梁上的電阻應變計,通過電阻箱改變并聯電阻值,直到偏載誤差符合要求 為止,記錄各并聯補償電阻值,并將相同電阻值的高精度金屬膜電阻焊入對應的 電阻應變計處,即完成了偏載誤差補償。
6.偏載誤差驗證測試,在剪板彈性元件中間點對0?額定載荷6個級別進行 加載,并記錄各點輸出示值。再分別對兩個端點,進行同樣級別的加載測試,對 比中間與兩端加載點的測試數據,判斷偏載誤差補償是否合格。如果偏載誤差不 符合要求,需重復上述補償程序,進行再一次偏載誤差補償與調整。
試驗證明,絕大多數剪板彈性元件的偏載誤差都是一次補償成功。此補償方 法完全適用于彎板彈性元件。
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