一些問題隨著地磅載重量的增加，出現(xiàn)在大型地磅的使用中。劉九卿老師 在其編著的《電阻應(yīng)變式稱重傳感器》一書中，介紹了多種稱重傳感器的邊界條件問題。那 么，大型地磅是否也存在邊界條件的影響問題呢？這就是本文要探討的核心。

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(guó)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49t。但是隨著市場(chǎng)運(yùn)輸需 求不斷的提高，到目前為止，已經(jīng)有接近200t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(lái)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)生了匪夷所思的現(xiàn)象。

(一)偏載誤差比較大

按照JJG539-97《數(shù)字指示秤》計(jì)量檢定規(guī)程 所規(guī)定的偏載性能檢測(cè)方式，對(duì)于六個(gè)以上承載 點(diǎn)的衡器，使用Max/n-1的載荷依次對(duì)每個(gè)承載 點(diǎn)進(jìn)行偏載測(cè)試時(shí)，每個(gè)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 承載器不同位置上時(shí)，其作用力方式明顯不同于 目前通用的偏載方式，使之誤差也明顯增大。

(二）卸載后地磅不能回復(fù)零點(diǎn)

當(dāng)大噸位短軸距汽車稱量結(jié)束離開承載器時(shí)， 有一些地磅的示值不能較快地回到零點(diǎn)，其中有 可能是與稱重傳感器的恢復(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)。

(三） 重載時(shí)稱量誤差增大

一個(gè)大型地磅（一般是指100t以上，當(dāng)其 承載器為三段式時(shí)，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)50t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(shí)，稱量值 基本沒有差異。但是當(dāng)70t以上載荷車輛稱量時(shí)， 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(shí)，稱量誤差越大。

二、邊界條件的影響

為什么目前會(huì)出現(xiàn)以上的種種現(xiàn)象呢？經(jīng)過 近幾年的觀察和大量試驗(yàn)，認(rèn)為原因主要是由于 制造者忽視了邊界條件影響所造成的。

彈性力學(xué)中，它研究彈性物體在外力和其他 外界因素作用下產(chǎn)生的變形和內(nèi)力，求解一個(gè)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(gè)函數(shù)。從理論上講，只有15 個(gè)函數(shù)全部確定后，問題才算解決。對(duì)于力學(xué)問 題的求解，我們根據(jù)15個(gè)方程來(lái)求解那是相當(dāng)麻 煩的，但是經(jīng)過研究，得到滿足符合條件的應(yīng)力 邊界或是位移邊界，會(huì)更有利于我們問題的求解， 所以，我們解題時(shí)就相應(yīng)的可以根據(jù)實(shí)際情況來(lái) 應(yīng)用應(yīng)力解法或是位移解法來(lái)設(shè)定變量。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。

(一）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(tái)板，自 從GB/T7723-2008標(biāo)準(zhǔn)對(duì)承載器相對(duì)變形量的控 制要求之后，由于稱重傳感器銷售價(jià)格與鋼材價(jià) 格的懸殊，不少制造商改為四節(jié)臺(tái)板予以應(yīng)對(duì)。 這樣就單塊臺(tái)板來(lái)講，其剛度是提高了，變形量 縮小了。這種設(shè)計(jì)，從表面上看是一種優(yōu)秀的設(shè) 計(jì)，但是其忽略了另一個(gè)方面的問題，即可靠性。 當(dāng)一個(gè)設(shè)備所采用的零部件越多，那么相對(duì)可靠 性就會(huì)下降。這里同時(shí)增加了一對(duì)搭接結(jié)構(gòu)、一 對(duì)基礎(chǔ)板、一對(duì)稱重傳感器，如果其中有一個(gè)部 件沒有被注意到，就有可能影響衡器的計(jì)量性能。

(1）對(duì)于由多塊臺(tái)板組成的承載器，其之間的 連接方法，也是設(shè)計(jì)者應(yīng)該注意的問題。為什么 一些產(chǎn)品在現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)塌臺(tái)問題，就是因?yàn)樵撋a(chǎn) 單位在設(shè)計(jì)和制造過程中，沒有重視承載器搭接 板的技術(shù)。

一類搭接板的形式，靠鋼板先將承載器連接 起來(lái)，再將稱重傳感器支撐在鋼板的中間，如圖1 所示。

一類搭接頭的形式，是將主臺(tái)板由稱重傳感 器支承起來(lái)，靠搭接頭將副臺(tái)板支撐住。目前有 許多結(jié)構(gòu)采用這種方式，如圖2所示。

這些結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，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(tái)板之間搭接板的數(shù)量，一般采用兩 塊，因?yàn)槿绻B接的位置超過了兩處，就會(huì)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(shuō)，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地磅回零的問題。

(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(gè)剛度差的基礎(chǔ)板上方 時(shí)，此點(diǎn)的稱量性能必然會(huì)產(chǎn)生較大誤差。

(3）稱重傳感器和壓頭的硬度不足時(shí)，一是會(huì) 產(chǎn)生一定的位移變形；二是會(huì)產(chǎn)生永久變形。位 移變形可能會(huì)影響的性能誤差，而永久變形則是 會(huì)影響稱重傳感器的恢復(fù)力矩，使地磅卸載后不 能盡快回到零點(diǎn)。

(4）結(jié)構(gòu)剛度是主要指大型地磅承載器的剛度。 對(duì)于使用砝碼測(cè)試時(shí)的均布載荷來(lái)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(shí)的要求，在 很多情況下會(huì)被車輛壓塌；即使不被壓塌，也會(huì) 因?yàn)樽冃瘟枯^大影響到地磅的稱量性能。

(二） 應(yīng)力邊界條件影響

我們行業(yè)從生產(chǎn)機(jī)械地磅時(shí)代，就對(duì)鑄件、 焊接件、機(jī)加工件時(shí)產(chǎn)生的加工應(yīng)力不太重視， 由于機(jī)械地磅主要是裝配結(jié)構(gòu)，對(duì)加工應(yīng)力所造 成的計(jì)量性能影響不明顯。進(jìn)入電子地磅時(shí)代后， 大型衡器的承載器大都是焊接結(jié)構(gòu)件，開始采用 型鋼結(jié)構(gòu)的大型地磅，采用的是斷續(xù)焊接工藝， 焊接應(yīng)力對(duì)承載器整體結(jié)構(gòu)的影響比較小；近年 來(lái)U型梁結(jié)構(gòu)的大型地磅承載器，由于采用連續(xù) 焊接工藝，其焊接應(yīng)力對(duì)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)力產(chǎn)生結(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(jì)量性能。

三、承載器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) (一）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?cè)?/span> GB/T7723- 2008《固定式電子衡器》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中， 已經(jīng)對(duì)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(shí)，在 中間位置稱量的量值明顯大于兩端位置稱量。而 且，軸載越接近搭接處，稱量誤差越大”的情況， 基本上可以判定為是由于這些部件設(shè)計(jì)或安裝不 當(dāng)造成的。

(二）關(guān)于超靜定問題影響 除超靜定是維持平衡所必需的約束之外，再 增加一個(gè)或幾個(gè)約束，也是一種邊界條件。也正 是由于GB/T7723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(lái)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，工程力學(xué)中的 超靜定問題隨之出現(xiàn)。超靜定在工程實(shí)踐中是經(jīng) 常遇到的，本來(lái)汽車衡承載器就是一個(gè)超靜定結(jié) 構(gòu)，我們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)是努力減少支撐點(diǎn)，以減少超 靜定問題對(duì)計(jì)量性能的影響。現(xiàn)在一些制造單位 為了提高承載器的剛度，增加了承載器的支撐點(diǎn)， 增加了邊界條件的影響，反而更加影響衡器的計(jì) 量性能。

(三） 提高搭接板的強(qiáng)度 從上述兩個(gè)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(jì)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有效結(jié) 合為一體。

(四）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(zhǎng)，焊腳的高度可以忽略。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 邊域稱“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，還減弱了焊接接頭強(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。

(五）用有限元法分析邊界條件

有限元法最初被用來(lái)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(jì)算機(jī)學(xué)和計(jì)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(duì)多支撐 點(diǎn)承載器結(jié)構(gòu)數(shù)值計(jì)算方法。

四、制造安裝工藝

上述幾個(gè)問題都是強(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。

(一）焊接工藝

一般在焊接工藝的各種教材中，對(duì)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(jì)和工藝兩個(gè)方面著手解決。

(二）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(shí)效法、敲擊時(shí)效法 等。目前在機(jī)械行業(yè)通用的方法，主要是“振動(dòng) 時(shí)效法”，這是國(guó)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)中廣泛使用。

振動(dòng)時(shí)效與傳統(tǒng)的熱時(shí)效和自然時(shí)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(shí)效節(jié)能95%，處理時(shí)間只需20min? 30min，不占場(chǎng)地、便于攜帶。

振動(dòng)時(shí)效可以全程對(duì)部件的時(shí)效情況進(jìn)行觀 察，振前在線全程掃描、全程打印；振中監(jiān)測(cè)時(shí) 效效果；振后在線局部打印、單峰值局部掃描。

但是，振動(dòng)時(shí)效的最大缺點(diǎn)是噪音比較大。

(三）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(gè)穩(wěn)定牢固的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)就是一臺(tái)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(yǔ)

我們?cè)谡劦酱笮?/span>地磅時(shí)，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，在很多情況下卻忽略了一些所謂的 “邊界條件”，本文根據(jù)多年的工作經(jīng)歷和近年來(lái) 大型地磅上發(fā)生的各種問題，來(lái)闡述邊界條件對(duì) 地磅性能的影響。所以在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造、安 裝和使用中，不可厚此薄彼。