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称重板式轴重地磅的偏载误差及其补偿方法

公路车辆轴载质量限制研究,已成为一项倍受世界各国普遍关注的 技术性和政策性问题。检测监督轴载质量超限用轴重秤研制水平的高低,将对一 个国家的交通运输产生重大影响。本文在介绍国内外应用较多的测量弯曲应力的 弯板式、测量剪切应力的剪板式轴重秤结构、工作原理的基础上,分析了两种板 式弹性元件的横向灵敏度和偏载误差,并以剪切板式轴重秤为例介绍了偏载误差 的补偿原理和补偿工艺。
一、称重板式轴重秤的结构与工作原理
称重板式轴重秤有两种结构形式。其一是弯板式轴重秤,它由弯板弹性元件、 承载框架、端部压板、紧固螺钉等构成。其核心部件弯板弹性元件是在一块长条 形合金钢板上,靠近两个长边的一定宽度(实为端部支撑)处对称的加工出两条 长槽,从纵向形成两端固支中心承受集中载荷的弯曲梁。沿纵向在两个槽内的多 个截面上,粘贴单轴电阻应变计,经串联后与固定电阻组成惠斯通半桥电路。每 个粘贴电阻应变计的截面都形成一个承受集中载荷的弯曲梁,即整个弯板弹性元 件可看作是由n根平行排列的弯曲梁构成,弯板弹性元件结构如图1所示。
其二是剪板式轴重秤,其核心部件是剪板弹性元件,它的毛坯为冷拉加工固 熔热处理人工时效状态的2A12硬铝合金板,在板的底面沿长度方向加工出中间凹陷区,则在长度方向的两边自然形成了有足够面积的承力支撑区,使硬铝合金 板成为板桥形秤体。再在靠近两个支撑的凹陷区域内,平行于支撑对称的加工出 一定长度的若干个长槽,使其在纵向形成若干根与支撑相垂直的剪切梁,共同承 受车轮停在或驶过测量区产生的静态或动态载荷,整个剪板弹性元件的力学模型 就可以看作是由n根平行排列的剪切梁构成。在剪切梁的两个侧面(即槽的边缘) 粘贴两组单剪切型电阻应变计,分别测量正、负主应变。将各剪切梁两边应变方 向相同的电阻应变计串联在一起,按相对桥臂应变方向相同、相邻桥臂应变方向 相反的原则组成惠斯通全桥电路,即可完成车辆轴轴质量检测任务。其剪板弹性 元件结构与单剪切电阻应变计粘贴位置如图2所示。
弯板弹性元件测量的是车轮压在各弯曲梁上的弯曲应力,从对一根弯曲梁2 片电阻应变计到多根梁同一长槽内n片电阻应变计的分析,均得出在弯板弹性元 件测量区间内任何位置加载,总输出基本保持不变,即加载点变化对输出灵敏度 无影响。当载重车辆的车轮移动到弯板弹性元件测量区的任何截面(例如Xi截 面)时,弯曲梁的弯矩Mxi达到最大值,其截面系数、弯曲应力、弯曲应变为:
剪板弹性元件测量的是车轮压在应变区时,板体顶部与底部之间当时的剪应 力引起的拉、压成双的主应力,不对同一时刻产生的弯曲应力作出反应,与弯板 弹性元件相同,其加载点变化对输出灵敏度也无影响。由材料力学知在纯剪切应 力状态下,与中性轴成45^方向的拉压成双的主应力等于最大剪应力,主应变等 于最大剪应变的一半,只有中性轴处的应力单元是纯剪切状态才有此关系,即
 
由于结构设计与制造工艺水平的提高,使弯板和剪板式轴重秤的计量准确 度、允许车辆行驶速度和工作寿命都有较大提高,因此能在公路车辆轴载质量超 限检测监督系统中独领风骚,得到较普遍的应用。
二、剪板式轴重秤的偏载误差与补偿方法
剪板弹性元件测量的是车轮压在应变区时,板体顶部与底部之间当时的剪应 力,不对同一时刻产生的弯曲应力作出反应,保证了应变区应力的单一性和均匀 性,是较理想的弹性元件受载状态。众所周知,剪应力是不能测量的,但它能产 生与中性轴成45°方向的拉、压成双的主应力,这正是组成惠斯通电桥电路所需 要的。
理想的剪板式轴重秤,要求在较长范围内的任何位置加载时,电桥的总输出 无变化,即要求在公路车辆轴载质量计量中,为保证多次计量的重复性,要求剪 板弹性元件在有限的长度范围内,必须具有良好的横向灵敏度一致性。由于剪板 弹性元件的横向尺寸不可能无限长,当车轮压在称重板两端的剪切应变梁上时, 由于两端相对中心承载区刚度较小,剪切梁的变形较大,应变值超比例的增加, 必然产生偏载误差,达不到横向灵敏度一致性的要求。为保证剪板弹性元件具有 较好的横向灵敏度一致性,必须进行偏载误差补偿。
称重板式轴重秤的偏载误差补偿,主要有软件补偿、机械补偿和电路补偿三 种方法。
软件补偿法:因为各加载点位置的变化是总输出变化的直接原因,只要能够 识别每次车辆通过的加载位置,就可以通过软件修正的方法调整输出值,使其满 足偏载误差要求。补偿的关键问题是必须正确识别车辆每次加载的位置,并针对 多个加载位置进行标定修正,最后根据对各标定位置点之间的数据,插值计算出 整个长度方向上的修正系数。此方法在车辆位置识别、试验测试、修正系数计算 等比较繁琐,费时费力应用较少。
机械补偿法:剪板弹性元件横向两端部的边界效应,是两端剪切应变梁电阻 应变计应变值急剧增加的根本原因。只要在剪板弹性元件设计时提高两端边界部 分承载剪切梁的刚度,即增加剪切应变梁的剪切截面系数,就可以降低应变值,克服边界效应影响,减少偏载误差。如果两端边界过度的刚硬,会降低剪板弹性 元件的综合性能。为得到较好的偏载误差补偿效果,必须通过有限元计算分析和 实际测量,才能确定合理的边界刚度,不仅计算分析工作量大,而且容易受机械 加工精度影响,很难保证一次就使偏载误差满足补偿精度要求,也很少采用。
电路补偿法:剪板弹性元件,实际上就是一个整体结构的剪切式称重传感器, 制造过程与称重传感器制造工艺完全相同。称重传感器的零点温度误差、零点输 出偏差、灵敏度温度误差、灵敏度一致性偏差,都是通过对电桥电路的补偿与调 整使其达到准确度等级要求。同样剪板弹性元件的偏载误差,也可以通过电桥电 路的补偿与调整来实现,即在剪板弹性元件端部各剪切应变梁的电阻应变计上, 并联一个偏载误差补偿电阻Re来调整电桥电路的总输出。
三、剪板式轴重秤电路补偿原理及补偿工艺
假设剪板弹性元件为无限长,根据弹性体的连续性理论,可推导出同一载荷
作用在长度方向上不同加载点时,电桥的输出不变,因此可以认为剪板弹性元件
的横向灵敏度一致。即
式中:U。一电桥输出电压;
Ui—电桥输入电压:
£ ,一各个剪切应变梁粘贴的单剪切型电阻应变计;
K 一单剪切型电阻应变计的灵敏系数; n—剪板弹性元件的剪切梁数量。
由于剪板弹性元件纵向不可能无限长,因此存在端部效应影响,当载荷施加 于端部时,必然产生偏载误差。利用电桥电路补偿偏载误差的原理是:当同一个 载荷分别施加在剪切梁的中点和两端边界点时,电桥桥臂中AR”、AR、AR ,、
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AR、AR ,、AR、AR ,、AR的绝对变化量由于s ,、£的急剧增加而大
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幅度变化,使输出u^改变,而产生较大的偏载误差。如果在剪板弹性元件两个 端部剪切梁上,应变值急剧变化的电阻应变计R„、R、R ,、R、R ,、R、
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R,、R上,分别并联一个高精度金属膜电阻Re,就可以减小该电阻应变计对
41 4n C
整个电桥电路总输出的影响,从而减小了偏载误差,达到补偿剪板弹性元件横向 灵敏度的目的。偏载误差补偿电阻Re在电桥桥臂的位置如图3所示。
剪板弹性元件偏载误差补偿工艺为:
1.将剪板弹性元件两个端部剪切应变梁上各4片电阻应变计、R、R,、
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R、R,、R、R,、R焊接上一组并联引线,并从剪板弹性元件的出线口引出
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备用;
2.把剪板弹性元件平置于专用的大台面叠加式力标准机承载平台上,将焊 接有并联引线的8片电阻应变计,分别连接一个可变电阻箱;
3.预载试验,在剪板弹性元件横向长度的中点,施加额定载荷三次,每次 加载后都返回零点;
4.加载测试,在中间点对0〜额定载荷6个级别进行加载,并记录各点输出 示值。采用同样方法对剪板弹性元件的两个端点,进行6个级别的加载测试,对 比中间与两端加载点的测试数据,判断偏载误差大小;
5.再对两个端点按上述程序逐级加载进行测试、补偿,对偏载误差较大的剪 切应变梁上的电阻应变计,通过电阻箱改变并联电阻值,直到偏载误差符合要求 为止,记录各并联补偿电阻值,并将相同电阻值的高精度金属膜电阻焊入对应的 电阻应变计处,即完成了偏载误差补偿。
6.偏载误差验证测试,在剪板弹性元件中间点对0〜额定载荷6个级别进行 加载,并记录各点输出示值。再分别对两个端点,进行同样级别的加载测试,对 比中间与两端加载点的测试数据,判断偏载误差补偿是否合格。如果偏载误差不 符合要求,需重复上述补偿程序,进行再一次偏载误差补偿与调整。
试验证明,绝大多数剪板弹性元件的偏载误差都是一次补偿成功。此补偿方 法完全适用于弯板弹性元件。