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    汽車衡加載狀態與檢定結果研究

    針對采用砝碼法和衡器載荷測量儀法檢定汽車衡的加載狀態,結合實際尺寸和邊界條件建立地磅結構模型; 應用數學模型計算和有限元分析手段,對不同加載狀態下承載器的變形特性以及對稱重傳感器的影響進行了分析。研究結果表明,兩種方法在稱重和偏載檢定時結果略有差異,但不影響檢定結果判斷。通過實際稱重和偏載檢定測試,驗證了理論分析結論。
    汽車衡是國家依法強制檢定的計量器具之一,其準確與否與保障貿易公平密切相關。此前,汽車衡的檢定依據 JJG 539 - 1997《數字指示秤》檢定規程進行。國家重大科學儀器設備開發專項“高精度衡器載荷測量儀研發與應用”項目研制出符合 OIML R76 規定的獨立輔助檢定裝置———衡器載荷測量儀。該裝置以標準測力儀為標準,由液壓伺服控制油缸輸出標準力值,可實現對汽車衡進行全性能的準確、快速檢定,確保汽車衡量值準確、可靠,其檢定基本原理如圖 1 所示。目前 JJG1118 -2015《地磅( 衡器載荷測量儀法)檢定規程已頒布實施,采用衡器載荷測量儀法檢定地磅實現有據可依。
     
    在檢定時,采用砝碼和采用衡器載荷測量儀的加載位置和加載面積顯著不同,承載器變形狀態、傳感器受力狀態也存在差異,對測試結果也可能產生影響。本文通過仿真模擬和試驗研究手段,對兩種檢定方法對檢定結果的影響進行分析。
    1 受載狀態建模
    在采用砝碼法進行中準確度級地磅檢定時,使用多塊 M1 級鑄鐵砝碼。砝碼放置時為裝載方便并保證安全,疊放層數通常不宜過高; 在進行稱量檢定時,砝碼需要平鋪在承載器上。而采用衡器載荷測量儀法檢定時,根據量程選用不同標準載荷單元組,每個標準載荷單元通過承壓板向承載器加載。本文為分析方便,選用由單節承載器和 4 只稱重傳感器構成的 SCS - 30 型中準確度級U型梁結構地磅。
    本文主要對地磅在偏載和稱量性能檢定時的狀態進行仿真分析和測試。對承載器進行力學分析建模,將其沿長度方向簡化為一維模型。采用砝碼法加載時模型簡化如圖 2( a) 所示,采用衡器載荷測量儀法簡化模型如圖 2( b) 所示。
     
    砝碼法稱量測試受載時承載器最大變形量的計算公式為:
     
     
    由上述結果可知,在相同載荷的兩種受載狀態下,承載器的最大變形量不同: 稱量狀態下采用砝碼法變形量較大,偏載狀態下采用衡器載荷測量儀法變形量較大。而承載器變形對傳感器受力狀態的影響較為復雜,故本文建立汽車衡承載器三維模型,在有限元分析軟件中按照實際加載狀態進行仿真計算。采用砝碼法加載時砝碼布置如圖 3( a) 所示,其中左圖為稱量測試時滿量程砝碼布置,右圖為偏載測試的砝碼布置; 采用衡器載荷測量儀法加載時布置如圖 3( b) 所示。
     
    2 仿真計算
    本文分析中選用的汽車衡及標準器相關規格如表 2 所示,根據實際尺寸進行建模、劃分網格,并按照實際狀態設置載荷和邊界條件。
     
    加載狀態下,承載器的變形量分布如圖 4 ~ 圖 7 所示??梢钥闯?,稱重加載狀態下,采用砝碼加載時,各支撐點處形變較大; 偏載狀態下,采用衡器載荷測量儀時相應支撐點處形變較大。由于稱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傳感器產生的附加彎矩; 承載器變形后,承載器 - 傳感器連接處發生傾斜,傳感器彈性體所受的側向力分量增大,由此產生的寄生分量將對示值產生影響。由于施加的標準質量一致,傾斜角位移越大,用于傳感器輸出的力分量數值越小,因此地磅示值也越小。在不考慮其他因素時,稱重檢定結果中可能表現出砝碼法誤差偏小的趨勢,而在偏載檢定結果中可能表現出衡器載荷測量儀法誤差偏小的趨勢。由分析結果可以得到,兩種方法下稱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,示值偏差無法準確定量計算。
    汽車衡在使用狀態中,汽車與承載器間以輪胎相接觸。據統計,常見載貨汽車后輪胎( 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。衡器載荷測量儀的加載狀態與這種情形更為接近。
     
    3.試驗研究
    為驗證理論分析結果,在某公司生產的 SCS - 30 汽車衡上依據規程進行了兩種方法檢定地磅的實際測試比對。
    在測試前,確認該汽車衡功能正常。檢定前使用砝碼對偏載進行了調整,使其不超過規程規定的最大誤差; 在 20000kg 點上對稱量進行了標定。
    在遞增稱量點 200kg、5000kg、15000kg、20000kg、 30000kg 上,分別使用砝碼和衡器載荷測量儀檢定稱量誤差,全部檢定測試結果如圖 8 所示。如結果所示,各檢定點誤差均符合規程規定的誤差要求。采用砝碼法的測試結果誤差小于采用衡器載荷測量儀法誤差,結果的趨勢符合理論分析結論。

     
     
    4.結論
    采用衡器載荷測量儀法對汽車衡進行檢定時,加載狀態與采用砝碼法不同。經有限元仿真分析可知,當承載器變形較大時,稱重傳感器上由側向力產生的寄生分量較大,使汽車衡的示值偏小。稱量狀態下,砝碼法示值較小; 偏載狀態下,衡器載荷測量儀法示值較小。檢定測試結果證明了上述趨勢,但兩種方法的差異并不影響對汽車衡計量性能的判定。
     
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