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一、存在的問題

在GB1589-2004《道路車輛外廓尺寸、軸荷及質(zhì)量限值》國家標(biāo)準(zhǔn)中，明確規(guī)定車輛最大允許總質(zhì)量的最大限值為49噸。但是隨著市場運(yùn)輸需求不斷的提高，到目前為止，已經(jīng)有接近200噸質(zhì)量的車輛，隨之能夠稱量此類車輛的衡器也呼之而出。這樣本來一些只有二三十噸載荷的支撐點(diǎn)，也必須承擔(dān)近百噸的載荷。使得以往沒有什么問題的結(jié)構(gòu)，也產(chǎn)生了不可思議的現(xiàn)象。

1、偏載誤差比較大

按照JJG539-97《數(shù)字指示秤》計量檢定規(guī)程所規(guī)定的偏載性能檢測方式，對于六個以上承載點(diǎn)的衡器，使用Max/n-1的載荷依次對每個承載點(diǎn)進(jìn)行調(diào)試時，每個點(diǎn)的偏載誤差在允許范圍之內(nèi)，然而當(dāng)使用大噸位短軸距汽車分別停于承載器不同位置上，其誤差明顯增加較多。

2、卸載后衡器不能回復(fù)零點(diǎn)

當(dāng)大噸位短軸距汽車稱量結(jié)束離開承載器，有一些衡器的示值不能較快回到零點(diǎn)，其中固然有可能是稱重傳感器的恢復(fù)力矩比較小有關(guān)，也有可能是承載器及其連接件的剛性達(dá)不到規(guī)定的指標(biāo)。

3、重載時稱量誤差增大

一個大型汽車衡（一般是指100噸以上），當(dāng)其承載器為三段式，中間一段由四只稱重傳感器支承，兩端分別搭在中間段上。當(dāng)50噸之內(nèi)載荷的短軸距車輛分別停于中間和兩端位置稱量時，秤量值基本沒有差異。但是當(dāng)70噸以上載荷車輛稱量時，在中間位置稱量的量值明顯大于兩端位置稱量值。而且，軸載越是接近搭接處時，稱量誤差越大。

二、邊界條件的影響

為什么目前會出現(xiàn)以上的種種現(xiàn)象呢？經(jīng)過近幾年的觀察和試驗(yàn)，認(rèn)為主要是由忽視邊界條件影響的原因所造成的。

彈性力學(xué)中，它研究彈性物體在外力和其它外界因素作用下產(chǎn)生的變形和內(nèi)力，求解一個彈性力學(xué)問題，就是設(shè)法確定彈性體中各點(diǎn)的位移、應(yīng)變和應(yīng)力共15個函數(shù)。從理論上講，只有15個 函數(shù)全部確定后，問題才算解決。對于力學(xué)問題的求解，我們根據(jù)15個方程來求解那是相當(dāng)麻煩的，但是經(jīng)過研究，若是得到給定符合一定條件的應(yīng)力邊界或是位移邊界，會更有利于我們對問題的求解，所以，我們解題時就相應(yīng)的可以根據(jù)實(shí)際情況來應(yīng)用應(yīng)力解法或是位移解法來設(shè)定變量。一般邊界條件有三種形式，分為本質(zhì)邊界條件（狄里克雷邊界條件）、自然邊界條件（黎曼邊界條件）、混合邊界條件（柯西邊界條件）。對于自然邊界條件，一般在積分表達(dá)式中可自動得到滿足；對于本質(zhì)邊界條件和混合邊界條件，需按一定法則對總體有限元方程進(jìn)行修正滿足。

邊界條件分別為位移邊界條件和應(yīng)力邊界條件。比如，基礎(chǔ)板太薄、基礎(chǔ)高度差大、混凝土強(qiáng)度不足、混凝土充填不足、壓頭結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)剛度等都是屬于位移邊界條件影響；而承載器焊接變形、承載器連接處焊接變形等屬于應(yīng)力邊界條件影響。

1、位移邊界條件影響

以前常規(guī)產(chǎn)品18m的承載器是三節(jié)臺板，自從GB/T7723-2008標(biāo)準(zhǔn)對承載器相對變形量的控制要求，由于稱重傳感器銷售價格與鋼材價格的懸殊，不少制造商改為四節(jié)臺板于以應(yīng)對。這樣就單塊臺板來講，其剛度是提高了，變形量縮小了。這種設(shè)計，從表面上看是一種優(yōu)秀的設(shè)計，但是其疏忽了另一個方面的問題，即可靠性。當(dāng)一個設(shè)備所采用的零部件越多，那么相對可靠性就會下降。這里同時增加了一對搭接結(jié)構(gòu)、一對基礎(chǔ)板、一對稱重傳感器，如果其中有一個部件沒有被注意到，就有可能影響衡器的計量性能。

（1）對于由多塊臺板組成的承載器之間的連接方法，也是設(shè)計者應(yīng)該注意的問題。為什么一些產(chǎn)品在現(xiàn)場出現(xiàn)塌臺問題，就是因?yàn)樵撋�產(chǎn)單位在設(shè)計和制造過程中，沒有重視承載器搭接頭的技術(shù)。

一類搭接頭的形式，靠鋼板先將承載器連接起來，將稱重傳感器支撐在鋼板的中間。

一類搭接頭的形式，是將主臺板由稱重傳感器支承起來，靠搭接頭將副臺板支撐住。目前有許 多結(jié)構(gòu)采用這種方式。

這些結(jié)構(gòu)的設(shè)計時，除了應(yīng)注意各部位的焊接強(qiáng)度外，還應(yīng)注意到與其相關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。

在兩塊臺板之間搭接頭的數(shù)量，一般是采用兩塊。如果連接的位置超過了兩處，就會出現(xiàn)超靜定現(xiàn)象。超靜定現(xiàn)象的表現(xiàn)形式，就是汽車衡在稱量過程中，稱量示值數(shù)據(jù)總是在不斷變化，重復(fù)性很難保證。也就是說，由于衡器邊界條件的不斷改變，其初始零點(diǎn)也在不停的改變，而初始零點(diǎn)的改變就直接影響到衡器回零的問題。

（2）基礎(chǔ)板剛度不足或基礎(chǔ)板底部混凝土充填不足等，也是產(chǎn)生位移邊界條件影響的原因。當(dāng)重載車輛的重載軸壓到那個剛度差的基礎(chǔ)板上方時，此點(diǎn)的稱量性能必然會產(chǎn)生較大誤差。

（3）稱重傳感器和壓頭的硬度不足時，一是會產(chǎn)生一定的位移變形，一是會產(chǎn)生永久變形。位移變形可能會影響的性能誤差，而永久變形則是會影響稱重傳感器的恢復(fù)力矩，使衡器卸載后不能盡快回到零點(diǎn)。

（4）結(jié)構(gòu)剛度是主要指大型衡器承載器的剛度。對于使用砝碼測試時的均布載荷來講，可能1/300左右的承載器也能通過稱量性能的檢定。但是此類結(jié)構(gòu)的承載器不能滿足實(shí)際使用時的要求，在很多情況下會被車輛壓塌。即使不被壓塌，也會因?yàn)樽冃瘟枯^大影響到衡器的稱量性能。

2、應(yīng)力邊界條件影響

我們衡器行業(yè)從生產(chǎn)機(jī)械衡器時起，就對鑄件、焊接件、機(jī)加工件時產(chǎn)生的加工應(yīng)力不是很重視，由于機(jī)械衡器主要是裝配結(jié)構(gòu)，對加工應(yīng)力所造成的計量性能影響不是很明顯。進(jìn)入電子衡器時代后，大型衡器的承載器大都是焊接結(jié)構(gòu)件，并開始采用型鋼結(jié)構(gòu)的大型衡器，這類衡器采用的是斷續(xù)焊接工藝，焊接應(yīng)力對承載器整體結(jié)構(gòu)的影響比較小。但近年來U型梁結(jié)構(gòu)的大型衡器承載器，由于采用連續(xù)焊接工藝，其焊接應(yīng)力對承載器的影響就比較大，一些與之關(guān)聯(lián)的部件（如搭接板、稱重傳感器墊板等）也由于應(yīng)力所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)變形，不但影響到產(chǎn)品的安裝質(zhì)量，而且直接影響到產(chǎn)品的計量性能。

三、承載器結(jié)構(gòu)的設(shè)計

1、提高支撐部位的剛度和強(qiáng)度

承載器的剛度與強(qiáng)度要求，我們在GB/T7723-2008《固定式電子衡器》國家標(biāo)準(zhǔn)中，已經(jīng)對其有了明確的規(guī)定。而一些支撐部位的部件結(jié)構(gòu)，如基礎(chǔ)板、搭接板、稱重傳感器墊板等也不能忽視。從上述“當(dāng)70t以上車輛稱量時，在中間位置稱量的量值明顯大于兩端位置稱量。而且，軸載越是接近搭接處時，稱量誤差越大”的情況，可以基本上可以判定為是由于這些部件設(shè)計或安裝不當(dāng)造成的。

2、關(guān)于超靜定問題影響

超靜定是維持平衡所必需的約束之外，再增加一個或幾個約束，也是一種邊界條件。也正是GB/T7723的規(guī)定了剛度要求，一些企業(yè)為了確保承載器的變形量小于1/800，將本來是三段的承載器改為四段，這樣既保證了承載器的剛度要求，還減少了鋼材的用量。但是，隨之工程力學(xué)中的一個麻煩——超靜定問題出現(xiàn)了。超靜定在工程實(shí)踐中是經(jīng)常遇到的，本來汽車衡承載器就是一個超靜定結(jié)構(gòu)，我們在設(shè)計時是努力減少支撐點(diǎn)，以減少超靜定對計量性能的影響，現(xiàn)在為了提高承載器的剛度，增加了承載器的支撐點(diǎn)，反而增加了邊界條件的影響，更加會影響衡器的計量性能。

3、提高搭接板的強(qiáng)度

從上述兩個示意圖表示的結(jié)構(gòu)，我們可以很清楚地看出，搭接板的設(shè)計應(yīng)該注意到與承載器整體性問題。搭接板不能僅僅焊接在承載器的端部橫梁上，一定要與承載器的縱梁和橫梁結(jié)合為一體。

4、焊縫強(qiáng)度的影響

在縱梁與面板之間的焊縫方面，因?yàn)楹缚p比較長，焊腳的高度可以不十分注意。但是焊縫的結(jié)構(gòu)必須嚴(yán)格控制，因?yàn)楹附与娏鬟^大，焊件間隙過大、焊接速度過慢造成的焊穿、焊漏不應(yīng)該出現(xiàn)；咬邊（或稱“咬肉”）也是不能出現(xiàn)，咬肉不但減弱了基本金屬的有效面積，減弱了焊接接頭強(qiáng)度，并且在咬邊處形成應(yīng)力集中，在承受載荷后有可能在咬邊處產(chǎn)生裂縫。

5、用有限元法分析邊界條件

有限元法最初被用來研究復(fù)雜的飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力，它是將彈性理論、計算機(jī)學(xué)和計算機(jī)軟件有機(jī)地結(jié)合在一起的一種數(shù)值分析技術(shù)。目前，它在許多學(xué)科領(lǐng)域和實(shí)際工程問題中得到廣泛的應(yīng)用，因此，在工科院校和工業(yè)界受到普遍的重視。

由于單元可以被分割成各種形狀和大小不同的尺寸，所以它能很好地適應(yīng)復(fù)雜的幾何形狀、復(fù)雜的材料特性和復(fù)雜的邊界條件，再加上有成熟的大型軟件系統(tǒng)的支持，它可以成為對多支撐點(diǎn)承載器結(jié)構(gòu)數(shù)值計算方法。

四、制造安裝工藝

從上述幾個問題我們都是強(qiáng)調(diào)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)方面的，而解決邊界條件的影響加強(qiáng)工藝控制，也是一條重要的渠道。

1、焊接工藝

一般在焊接工藝的各種的教材中，對焊接裝配的合理性、焊接應(yīng)力及變形的產(chǎn)生原因、防止和減少焊接應(yīng)力及變形的措施等都進(jìn)行了介紹。一是，焊件材料線膨脹系數(shù)大的，焊后的焊縫縱向收縮量也大；焊件是在夾具固定的條件下焊接，其收縮量可減少40～70%，但焊后將引起較大的焊接應(yīng)力。斷續(xù)焊縫的收縮也較連續(xù)焊縫小得多。二是，合理的焊接順序是可減少變形和減少焊接應(yīng)力的。三是，減少焊接應(yīng)力及變形，應(yīng)該從設(shè)計和工藝兩個方面著手解決。

2、焊接結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力及變形的消除和矯正方法

傳統(tǒng)的方法有：整體高溫回火法、機(jī)械矯正法、氣體火焰矯正法、自然時效法、敲擊時效法等。目前在機(jī)械行業(yè)通用的方法，主要是“振動時效法”，這是國家“七五”、“八五”期間的重點(diǎn)推廣項(xiàng)目，已經(jīng)在機(jī)械、化工、航天、冶金等行業(yè)廣泛使用。

振動時效與傳統(tǒng)的熱時效和自然時效方法相比，具有節(jié)能高效、減少環(huán)境污染等諸多優(yōu)點(diǎn)。相比熱時效節(jié)能95%，處理時間只需20～30min，不占場地、便于攜帶。

振動時效可以全程對部件的時效情況進(jìn)行觀察，振前在線全程掃描、全程打��；振中監(jiān)測時效效果；振后在線局部打印、單峰值局部掃描。

但是，振動時效的最大缺點(diǎn)是噪音比較大。

3、基礎(chǔ)施工

如前所述，大型衡器基礎(chǔ)的混凝土施工質(zhì)量和基礎(chǔ)板澆灌質(zhì)量，也是引起邊界條件問題的因素。一個穩(wěn)定牢固的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)就是一臺大型衡器的基礎(chǔ)，所以要選擇足夠承載力的地耐力，足夠強(qiáng)度的鋼筋網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，優(yōu)質(zhì)的混凝土和嚴(yán)格的澆筑工藝。

五、結(jié)束語

我們在談到大型衡器時，總是注意到“稱重指示器”、“稱重傳感器”、“承載器”和“基礎(chǔ)”四大部分，在很多情況下會忽略了一些所謂的“邊界條件”，本文根據(jù)多年的工作經(jīng)歷和近年來大型衡器上發(fā)生的各種問題。所以在產(chǎn)品的設(shè)計、制造、安裝和使用中，既要抓住西瓜，也不要放棄芝麻。