汽车衡加载状态与检定结果研究

针对采用砝码法和衡器载荷测量仪法检定汽车衡的加载状态，结合实际尺寸和边界条件建立地磅结构模型; 应用数学模型计算和有限元分析手段，对不同加载状态下承载器的变形特性以及对称重传感器的影响进行了分析。研究结果表明，两种方法在称重和偏载检定时结果略有差异，但不影响检定结果判断。通过实际称重和偏载检定测试，验证了理论分析结论。
汽车衡是国家依法强制检定的计量器具之一，其准确与否与保障贸易公平密切相关。此前，汽车衡的检定依据 JJG 539 － 1997《数字指示秤》检定规程进行。国家重大科学仪器设备开发专项“高精度衡器载荷测量仪研发与应用”项目研制出符合 OIML Ｒ76 规定的独立辅助检定装置———衡器载荷测量仪。该装置以标准测力仪为标准，由液压伺服控制油缸输出标准力值，可实现对汽车衡进行全性能的准确、快速检定，确保汽车衡量值准确、可靠，其检定基本原理如图 1 所示。目前 JJG1118 －2015《地磅( 衡器载荷测量仪法)检定规程已颁布实施，采用衡器载荷测量仪法检定地磅实现有据可依。

在检定时，采用砝码和采用衡器载荷测量仪的加载位置和加载面积显著不同，承载器变形状态、传感器受力状态也存在差异，对测试结果也可能产生影响。本文通过仿真模拟和试验研究手段，对两种检定方法对检定结果的影响进行分析。
1 受载状态建模
在采用砝码法进行中准确度级地磅检定时，使用多块 M1 级铸铁砝码。砝码放置时为装载方便并保证安全，叠放层数通常不宜过高; 在进行称量检定时，砝码需要平铺在承载器上。而采用衡器载荷测量仪法检定时，根据量程选用不同标准载荷单元组，每个标准载荷单元通过承压板向承载器加载。本文为分析方便，选用由单节承载器和 4 只称重传感器构成的 SCS － 30 型中准确度级U型梁结构地磅。
本文主要对地磅在偏载和称量性能检定时的状态进行仿真分析和测试。对承载器进行力学分析建模，将其沿长度方向简化为一维模型。采用砝码法加载时模型简化如图 2( a) 所示，采用衡器载荷测量仪法简化模型如图 2( b) 所示。

砝码法称量测试受载时承载器最大变形量的计算公式为:

由上述结果可知，在相同载荷的两种受载状态下，承载器的最大变形量不同: 称量状态下采用砝码法变形量较大，偏载状态下采用衡器载荷测量仪法变形量较大。而承载器变形对传感器受力状态的影响较为复杂，故本文建立汽车衡承载器三维模型，在有限元分析软件中按照实际加载状态进行仿真计算。采用砝码法加载时砝码布置如图 3( a) 所示，其中左图为称量测试时满量程砝码布置，右图为偏载测试的砝码布置; 采用衡器载荷测量仪法加载时布置如图 3( b) 所示。

2 仿真计算
本文分析中选用的汽车衡及标准器相关规格如表 2 所示，根据实际尺寸进行建模、划分网格，并按照实际状态设置载荷和边界条件。

加载状态下，承载器的变形量分布如图 4 ～图 7 所示。可以看出，称重加载状态下，采用砝码加载时，各支撑点处形变较大; 偏载状态下，采用衡器载荷测量仪时相应支撑点处形变较大。由于称重传感器的下端与基座间、上端与承载器间均为球面连接，减小了由于承载器变形对传感器产生的附加弯矩; 承载器变形后，承载器－传感器连接处发生倾斜，传感器弹性体所受的侧向力分量增大，由此产生的寄生分量将对示值产生影响。由于施加的标准质量一致，倾斜角位移越大，用于传感器输出的力分量数值越小，因此地磅示值也越小。在不考虑其他因素时，称重检定结果中可能表现出砝码法误差偏小的趋势，而在偏载检定结果中可能表现出衡器载荷测量仪法误差偏小的趋势。由分析结果可以得到，两种方法下称重传感器连接处的角度相差约为 0. 1% ，但由于传感器特性各异，示值偏差无法准确定量计算。
汽车衡在使用状态中，汽车与承载器间以轮胎相接触。据统计，常见载货汽车后轮胎( 双轮) 在额定气压下接地椭圆面积约为 720cm2 ，换算为等效圆直径约为 300mm。衡器载荷测量仪的加载状态与这种情形更为接近。

3.试验研究
为验证理论分析结果，在某公司生产的 SCS － 30 汽车衡上依据规程进行了两种方法检定地磅的实际测试比对。
在测试前，确认该汽车衡功能正常。检定前使用砝码对偏载进行了调整，使其不超过规程规定的最大误差; 在 20000kg 点上对称量进行了标定。
在递增称量点 200kg、5000kg、15000kg、20000kg、 30000kg 上，分别使用砝码和衡器载荷测量仪检定称量误差，全部检定测试结果如图 8 所示。如结果所示，各检定点误差均符合规程规定的误差要求。采用砝码法的测试结果误差小于采用衡器载荷测量仪法误差，结果的趋势符合理论分析结论。

4.结论
采用衡器载荷测量仪法对汽车衡进行检定时，加载状态与采用砝码法不同。经有限元仿真分析可知，当承载器变形较大时，称重传感器上由侧向力产生的寄生分量较大，使汽车衡的示值偏小。称量状态下，砝码法示值较小; 偏载状态下，衡器载荷测量仪法示值较小。检定测试结果证明了上述趋势，但两种方法的差异并不影响对汽车衡计量性能的判定。

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