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汽車衡加載狀態(tài)與檢定結(jié)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(tài)，結(jié)合實際尺寸和邊界條件建立地磅結(jié)構(gòu)模型; 應(yīng)用數(shù)學模型計算和有限元分析手段，對不同加載狀態(tài)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(jié)果表明，兩種方法在稱重和偏載檢定時結(jié)果略有差異，但不影響檢定結(jié)果判斷。通過實際稱重和偏載檢定測試，驗證了理論分析結(jié)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(mào)易公平密切相關(guān)。此前，汽車衡的檢定依據(jù) JJG 539 － 1997《數(shù)字指示秤》檢定規(guī)程進行。國家重大科學儀器設(shè)備開發(fā)專項“高精度衡器載荷測量儀研發(fā)與應(yīng)用”項目研制出符合 OIML Ｒ76 規(guī)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(xiàn)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(guī)程已頒布實施，采用衡器載荷測量儀法檢定地磅實現(xiàn)有據(jù)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(tài)、傳感器受力狀態(tài)也存在差異，對測試結(jié)果也可能產(chǎn)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(jié)果的影響進行分析。
1 受載狀態(tài)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(shù)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(jù)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(jié)承載器和 4 只稱重傳感器構(gòu)成的 SCS － 30 型中準確度級U型梁結(jié)構(gòu)地磅。
本文主要對地磅在偏載和稱量性能檢定時的狀態(tài)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(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)下采用衡器載荷測量儀法變形量較大。而承載器變形對傳感器受力狀態(tài)的影響較為復(fù)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(tài)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(guān)規(guī)格如表 2 所示，根據(jù)實際尺寸進行建模、劃分網(wǎng)格，并按照實際狀態(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，稱重加載狀態(tài)下，采用砝碼加載時，各支撐點處形變較大; 偏載狀態(tài)下，采用衡器載荷測量儀時相應(yīng)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(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)生的寄生分量將對示值產(chǎn)生影響。由于施加的標準質(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，稱重檢定結(jié)果中可能表現(xiàn)出砝碼法誤差偏小的趨勢，而在偏載檢定結(jié)果中可能表現(xiàn)出衡器載荷測量儀法誤差偏小的趨勢。由分析結(jié)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(tài)中，汽車與承載器間以輪胎相接觸。據(jù)統(tǒng)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(tài)與這種情形更為接近。

3.試驗研究
為驗證理論分析結(jié)果，在某公司生產(chǎn)的 SCS － 30 汽車衡上依據(jù)規(guī)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(diào)整，使其不超過規(guī)程規(guī)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(jié)果如圖 8 所示。如結(jié)果所示，各檢定點誤差均符合規(guī)程規(guī)定的誤差要求。采用砝碼法的測試結(jié)果誤差小于采用衡器載荷測量儀法誤差，結(jié)果的趨勢符合理論分析結(jié)論。

4.結(jié)論
采用衡器載荷測量儀法對汽車衡進行檢定時，加載狀態(tài)與采用砝碼法不同。經(jīng)有限元仿真分析可知，當承載器變形較大時，稱重傳感器上由側(cè)向力產(chǎn)生的寄生分量較大，使汽車衡的示值偏小。稱量狀態(tài)下，砝碼法示值較小; 偏載狀態(tài)下，衡器載荷測量儀法示值較小。檢定測試結(jié)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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