（交通信息工程及控制专业论文）基于轮载有限元检测法的动态称重方法研究.pdf

摘要本文通过研究和总结当前国内外车辆动态称重的现状，分析当前车辆动态称重技术的成果与不足，提出了基于轮载有限元检测法的动态称重方法。由于动态称重是通过检测行驶车辆轮胎对地压力来估算车辆静态载荷的，系统检测装置的不同将直接决定系统的称重算法，同时也在很大程度上影响着系统的误差与精度，因此，构建一个简单合理的检测机构是本课题要研究的重点与难点。通过对运动车辆模型、车辆振动理论及车辆动力荷载等车辆动态理论的分析，依据动量定理和有限元理论结构离散化的思想，本文提出了轮载有限元检测法。轮载有限元检测是将多个测力单元按适当的矩阵分布，同一时刻分别测量各自所承担的压力，并计算相应的轮载分量，然后综合推算静态整车重量。为此，设计了主要由圆柱式力传感器和电容式位移传感器组合而成的轮载有限元传感器。根据传感器采集到的压力与位移信号，利用动量定理求解荷载分量所对应的车辆重量。力传感器的信号调理电路采用了恒电流源供电的全桥差动电路，有效地抑制了由于温度变化和电流不稳定所造成非线性误差。位移传感器的测量电路采用了运算放大器式电路，以保证输出电压与输入位移( 间距变化) 呈线性关系。p r o e动力学仿真实验结果表明，轮载有限元传感器具有良好的动态性能，满足车辆动态称重要求。基于轮载有限元检测法的车辆动态称重系统具有秤体结构小、过载能力强，动态性能好的特点。关键词：动态称重；超载；轮载有限元传感器；动力学仿真a b s t r a c tt 1 i r o u g hs t u d y i n ga n ds u m m a r i z i n gt h er e s e a r c hs t a t u so fv e h i c l cw e i g h i n m o t i o ni nd o m e s t i ca n da b f o a d ，a n da n a l y z i n gt h ep r o d u c t i o na n ds c a r c i t yo fw e i g h - i n m o t i o nt e c h n i q u e ，an e ww e i g h i n - m o t i o nm e t h o db a s e d 彻f i n i t ee l e m e n tt h e o r yo fw h e e ll o a dd e t e c t i n gi sp u tf o r w a r di nt h i sp a p e r a sw e i g h i n m o t i o ni st h r o u g hd e t e c t i n gt h ep r e s s u r e0 ft y r et og r o u n dt oe s t i m a t ct h es t a t i cl o a d0 fn c k ，a n dt h ea r i t h m e t i ci ss p e c i f i e db yt h ed e t e c t i o ne q u i p m e n t ，i ti sm o s t l ya f f c c t i n gt h es y s t c me r r o ra n dp r e c i s i o n ，s 0t h em o s te m p h a s e sa n dd i f f i c u i t yi nt h es t u d yo ft h i sp a p e ri st 0c o n s t r u c tas i m p l ea n dr e a s o n a b l cd e t e c t i o ne q u i p m e n t t h r o u g ha n a l y z i n gt h em o d c lo fm o v c m e n tv c h i c l e 、t h et h e o r y0 fl i b r a t i n gt m c ka n dt h cd y n a m i cl o a d0 fv 0 i t u r e ，a c c o r d i n gt ot h em o m e n t u mt h e o r e ma n dt h ct h o u g h to fs t r u c t u r a ls c a t t e r e di n f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i st h e o r y ，t h i sp a p e rh a v ep r o p o s e daw h e e li o a dd e t c c t i n gm c t h o do ff i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s i nt h i sm e t h o d ，p r e s s u r cd e t e c t i n gc e l li sa 玎a n g e da c c o r d i n gt ot h ev e f ym a t r i x ，a n dt h ep r e s s u r ci sm e a s u f e d此s p e c t i v e l y ，a n dt h e nt h ea s s u m e dw h e e ll o a di sc o m p u t e d ，f i n a l l yt h cw h o l es t a t i cv e h i c l el o a di ss y n t h e s i z e d aw h c e ll o a ds e n s o fo ff i n i t ec l e m e n tm e t h o dw i t hs t r a i nb r i d g ea n dc a p a c i t i v ed i s p l a c e m e n tt f a n s d u c e ri sd e s i g n e df o rt h i sf e a s o n i nt h el i g h to ft h em o m e n t u mt h c o r c mw ec a n m p u t et h ec o 玎e s p o n d i n gw e i g h t0 ft h ei n d i v i d u a ll o a d t h el o a dc e l lh a se m p l o y e dt h ef u l lb f i d g ed i f f e r c n t i a la m p l i f i e rs u p p l i e db yc o n s t a n tc u r r e n ls o u r c ct or e s t r a i nt h en o n l i n e a re f f o fw h i c hi sc a u s e db yt h ec h a n g eo ft h et e m p e r a t u r ea n dt h eu n s t c a d i n e s so ft h ec u r r e n t t h ed i s p l a c e m e n tn a n s d u c e rh a v eu s e dt h ea m p “f i c rc i f c u i tt oo v e r c o m et h en o n l i n e a ro ft h ev a r yd e a r a n c ec a p a c i t i v es e n s o f s ot h a tt 0k e e pt h el i n e a rf e l a t i o nb e t w e c nt h e0 u t p u tv o l t a g ea n dt h ei 叩u td i s p l a c e m e n t ( c l e a r a n c ec h 觚g e ) t h r o u g l lt h es t u d yo fk i n e t i c ss i m u l a t i o ne x p e r i m e n tw i t hp r o e n g i n e e rs o f t w a ”，w ch a v ec o n c l u d e dt h a tt h ew h e e ll o a ds e n s o ro ff i n “ee l e m e n ta n a l y s i sh a v ef a v o n b l ed y n a m i cp e r f o r m a n c e ，a n dc 如s a “s f yt h cr e q u i r e m c n t s0 fv e h i c l ew e i g h i n m o t i o ns y s t e m w e i g h - i n m o t i o ns y s t e mb a s e do nt h ew h e e ll o a dd e t e c t i n gm e t h o do ff i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sh a v em u c ha d v a n t a g e ss u c ha st h es m a l lc o n s t 邝c to ft h cw e i g h te q u i p m c n t ，t h es t r o n ga b i l i t yo fo v e rl o a d i n ga n dt h ef a v o r a b l ed y n a m i cp e r f o r m a n c e k e yw 0 r d s ：w e i g h - i - m o t i o n ；o v e rf r e i g h t ；w h e e ll o a df i n i t ee l e m e n ts e n s o r ；l 【i n e t i c ss i m u i a t i o n，l i长沙理工大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名：幻莉日期：岬年工月7 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论丈的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于l 、保密口，在年解密后适用本授权书。2 、不保密团。( 请在以上相应方框内打“”)作者签名：刻导师签莉呜日r一多z月月年年，中彳飙瓤形第一章绪论1 1本课题提出的意义和目的当前国内外多数国家在运输货物时，普遍存在超重现象m ”。据调查，福建省8 0 的车辆存在超限和超重现象。在国内某些车道主干线以及主要承担大宗货物运输的公路上，货车超载率将近l o o n ，。众所周知，车辆超重运输将给公路路面、桥梁等基础设施带来严重的危害与破坏。事实上早在1 9 5 0 年，美国各州公路工作者协会经试验研究就提出了反映汽车轴载质量与公路路面之间关系的著名的“四次方法则”“一，如图1 1 所示。“弋图l il 汽车轴载与公路路面损坏程度的关系当车辆轴载小于路面设计最大轴载p o 时，轴载大小与路面损坏程度呈线性关系，然而，当轴载增大超过极限值p 。时，这种比例关系将遭到破坏。若轴载增加到设计最大轴载的2 倍，公路路面的损坏将增大到原来的1 6 倍左右( 即2 4 ) ，用公式( 1 1 ) 表示为：f 腰。c pp s 晶n1 、1 e f 一俨晶) 4 砜p ，晶”一7式( 1 1 ) 中，c 为核定轴载以内车辆轴载与路面损坏程度的比例系数。由于超载车辆轴载远远高于公路与桥梁的设计承受荷载，致使公路路面严重裂缝、沉陷、断板、破碎，桥梁断裂，大大缩短了公路及桥梁的正常使用年限，不得不提前大中修。文献 8 提到福建省设计使用年限为2 0 年的1 0 4 国道由于车辆的严重超载实际使用仅不到5 年。低等级路面甚至在很短时间内遭到破坏。文献3 提到，浙江省在1 9 9 5 1 9 9 9 年间，因超重运输造成1 7 万m 2 水泥路面、1 1万m 2 沥青路面非正常破损，3 6 道涵洞遭到破坏，产生危桥4 0 座，直接经济损失2 亿多元，间接经济损失难以估量。根据福州市公路局提供的数据，福州现辖3条国道，遭受超限运输困扰的就有2 6 2 公里长。仅2 0 0 0 年一年，福州市公路局就投资6 0 0 0 多万元用于公路的修复，现在平均每年还须投入修复资金上千万元。2 0 0 4 年修订的g b1 5 8 9 道路车辆外廓尺寸、轴荷及质量限值分别将汽车轴载与整车重量作了详细的规定，从而将汽车超载的概念从原来的单纯看总重扩展到了轴载。车辆超负荷运行还将增加驾驶员的心理负担，加大操作难度，提高事故发生率、危及行车安全。实验表明：核定装载4 5 吨的东风汽车，载重分别为6 吨和1 8 吨，紧急制动的直线距离则分别为8 米和3 5 米n ，。而且，车辆的严重超载容易引起主轴断裂、刹车失灵、轮胎爆炸、车辆前重后轻驾驶不稳等问题，随时可能危及驾驶员和其他人员的安全，诱发严重的交通事故。2 0 0 7 年4 月1 3 日，在成渝高速公路重庆段距重庆市主城3 0 公里处，5 2 辆汽车发生连环相撞事故，造成5人死亡、3 6 人受伤。据重庆高速公路执法人员分析，除了受大雾影响之外，货车严重超载和超速是造成这起交通事故的主要原因“，。此外，公路超重运输造成按车重收费的大量流失。由于缺乏有效的称重手段，公路管理部门只能按车辆核定载荷收取各项公路规费( 包括养路费、货运附加费和车辆通行费) 。2 0 0 2 年张家港市因车辆超载流失税费3 0 0 0 多万元“1 。在利益的驱使下，超重运输愈演愈烈，最终导致了公路运输市场的恶性竞争与混乱。货车司机为承揽运输货源竞相压价，以超载来获取利润，超载越多，赚得越多，从而使公路运输陷入了“压价一超载一运力过剩一再超载”的恶性循环。正常使用l o年的货车，使用2 、3 年就已破烂不堪。超载运输还破坏了正常的汽车生产秩序。为了迎合车主逃避规费的超载要求，非法改装的各种“大吨小标”车辆泛滥于市场。因此公路管理部门亟需了解当前公路上车辆载重情况。分析超重车辆对路面损坏的程度，以便估算公路交通部门需为此增加的建设投资，并制定相应的管理措施和管理法规“一”，为公路强制执法提供合理的依据，同时也为计重收费提供有效的技术手段。车辆称重分为静态称重和动态称重。现行公路管理部门普遍采用静态称重的方法。静态称重具有称量准确，精度高的特点，但是静态称重降低了车辆运输及道路通行的效率，并且极易造成交通排队现象，诱发交通事故。公路动态称重是通过测量行驶车辆的动态轮胎受力，从而推算静态整车重量的。显然，公路动态称重克服了静态车辆称重的缺点，同时也提高了道路通行效率和公路管理部门的工作效率。国家与交通部已经相继出台了多项政策与法规对车辆载重做出了强制性规定。随着2 0 0 5 年交通部收费公路试行计重收费指导意见的出台和全国治超检测站点规范化建设试点工程实施方案通知的下发，车辆计重收费设备和超载检测设备相继步入新设备试点运营、大规模设备采购和旧产品更新换代的调研阶2段。而中华人民共和国关于加强治超站点管理规范治超执法行为的通知则进一步明确地提出了：为保证交通畅通，在货车流量特别是超限超载车辆流量特别大的路段，要配置动态称重设备预检。2 0 0 4 年，交通部在全国范围内开展了治理超限超载工作，随着治理超载工作的全面推进与深入，车辆动态称重系统越来越彰显其重要作用。因此，对于车辆动态称重系统的研究具有十分重要的意义“一m 。1 2 文献综述1 2 1车辆动态称重系统的国内外发展状况公路动态称重系统的研究最早可追溯到上个世纪5 0 年代末。美国作为全球经济发展最快的超级大国，最先体会了车辆超载运输的危害并于1 9 5 8 年开始了为期1 6 年的车辆动态称重系统的研究“一，。之后的半个多世纪里，南非，德国，法国，英国，匈牙利，日本等国家相继启动了关于这个课题的研究，并且取得了令人瞩目的成绩。1 9 6 8 年，西德的p a t 公司开始平板式动态车辆称重器的研究。1 9 7 4 年，美国首次将动态称态称重系统应用于车辆载荷研究；同年，法国取得了压电缆动态车辆称重器的专利，即v i b r a c o a x 。1 9 8 2 年，美国的s t r e e t r e 公司和英国的g 0 1 d e nr i v e r 公司生产的车辆动态称重系统在性能上取得了较大的提高。1 9 8 3 年，v i b r a c o a x 动态称重系统首次在法国投入使用。1 9 8 5 年，美国的低成本动态车辆称重系统在现场投入使用并提交美国联邦公路部署推广使用。1 9 8 8 年，英国研制了一种性能优于v i b r a c o a x 的新型称重压电传感器v i b e t e k 5 。1 9 9 1 年改型为v i b e t e k 2 0 。1 9 9 2 年，欧洲高速公路研究实验室联盟( f e h r i ) 发起，按照欧盟运输委员会( e c t d ) 的程序框架实施了c 0 s t 3 2 3 计划，该计划的主要内容就是研究对公路上行驶车辆进行动态荷载监控的相关问题。其中最重要的一项测试是在瑞士进行为期3 0 个月的w i m 系统实际应用测试。在测试中所有入选系统都安装在同一站点的同一车道上，比较性能与稳定性，其结果排名依次是：德国的p a t 、瑞士k i s t l e r和p a t 联合系统、m i k r o s 、e c m 、p e e k 、g o l d e nr i v e r “”。两年后，欧盟又实施了w a v e ( w e i g h i n gi nm o t i o no fa x l ea n dv e g u c l e sf o re r u o p e ) 计划，即著名的c e t ( c o l de n v i r o n m e n tt e s t ) 测试，结果再次表明：德国的p a t 、瑞士的k i s t l e r ，美国的m i k r o s 等公司生产的车辆动态称重系统在测试性能上处于世界领先地位nr - 。因此p a t 系统在欧美国家得到了广泛的应用，也较早地进入了日本，新加坡，台湾和香港等亚洲国家与地区。3国内对于动态称重系统的研究起步比较晚。“七五”期间开始引进和消化国外动态称重系统，同时也开始对w i m 系统进行研究。1 9 9 9 年德国p a t 公司的载荷监控产品开始进入中国市场，云南航天新技术工程有限公司引进其技术，并于1 9 9 9 年8 月获得了国家技术监督局颁发的计量器具型式批准证书。2 0 0 1 年，江苏兆信交通系统工程有限公司与法国e c m 公司合作开发了高速公路车辆动态称重系统，误差约为8 1 0 ”，。重庆大唐称重系统有限公司开发了动态公路车辆自动衡器，可称量最大轴重荷载3 0 t 。2 0 0 4 年，交通部公路所通运公司独立研制成功了一套公路动态称重系统。该系统采用石英压电传感器采集车轮压力信号，可检测车速、车辆牌照信息，进行车型分类、车辆称重，在专用实验路测试置信度9 0 时误差为5 。目前国内约有二十多家相关单位从事这方面研究，国内不论引进或研制的系统都属于国外换代产品，这些产品主要问题有：适应速度范围小，测量精度不高，以及传感器过于庞大，给安装施工以及维护带来很大的不便。随着近年来，车辆动态称重设备在全国公路网的强制推广应用，自主研发低成本、高精度的车辆动态称重系统具有非常重要的实用价值。1 2 2 车辆动态称重系统的分类标准与规范尽管国际上对于车辆动态称重系统的研究从上个世纪5 0 年代末期就已经开始了，但是相当长的一段时间里，动态称重系统都缺乏一个统一的标准与规范。随着车辆动态称重设备越来越广泛的应用，动态称重技术和产品参次不齐的弊端越来越突出明显，从而越来越迫切地提出了系统标准化与规范化的要求。表1 1w i m 系统的分类及性能要求( a s t me 1 3 1 8 一0 2 标准)精度( 置信度9 5 )功能类i 类类类荷载值k gl 唔轮载荷2 5 2 0 2 3 0 01 0 0轴载荷2 0 3 0 1 5 5 4 0 02 0 0轴组载荷1 5 2 0 l o 1 1 3 0 05 0 0总量l o 1 5 6 2 7 2 0 01 1 0 01 9 9 0 年德克萨斯大学著名教授起草了a s t me 1 3 1 8 标准，即公路动态称重系统标准规范及用户要求和试验方法，并通过美国试验及材料协会( a s t m 标准委员认定。a s t me 1 3 1 8 标准详细说明、规定了动态称重系统应用的准确度等级划分、站点技术要求和试验程序和方法等。根据动态称重系统的应用场合、应用特征和适用速度范围，a s t me 1 3 1 8 一0 2 标准将车辆动态称重系统划分为四种类型，4见表1 1 所示nr ”，其中i 类：固定式系统，类：移动式系统，类：用于测重站，车速1 6 k m h 1 3 0 k m h 。类：用于测重站，1 6 k m h 。用于交通数据采集，适用车速1 6 k m h 1 3 0 k m h 。用于交通数据采集，适用车速2 4 k m h 1 3 0 k m h 。用以识别可能的超重车辆，即辅助实施限重法规，适用用以识别超重车辆实施限重法规，适用车速3 k m h 1 9 9 3 年，国际法定度量衡组织0 i m l 的质量技术委员会( t c 9 ) 和其下设的自动衡器分技术委员会( s c 2 ) 起草了动态公路车辆自动衡器的国际建议0 i m lr 1 3 4 ，几经修改，于2 0 0 2 年报国际计量大会批准形成。r 1 3 4 规定了对动态汽车衡的要求和试验方法。r 1 3 4 的主要特点表现在将动态汽车衡的准确度等级分为轴载荷的准确度等级和整车总重量的准确度等级，其中轴载有a 、b 、c 、d 、e 、f 六个等级；整车总重量有o 2 、o 5 、1 、2 、5 、1 0 共6 个准确度等级m m ，。需要说明的是，讫今为止，r 1 3 4 还只公布了2 0 0 4 年修订的第五草案，并未最后定稿。a s t me 1 3 1 8 仍然是目前国际上唯一一个正式发布的动态车辆称重设备标准。另外r 1 3 4 也规定了严格的适用条件。利用冲击或压力原理测量动态车辆整车重量或轴载荷的装置，不属于本规程的范围。根据o i m lr 1 3 4 ，我国于2 0 0 3 年颁布了j j g 9 0 7 动态汽车衡检定规程，并于2 0 0 6 年做了修订。j j g 9 0 7 等效采用了国际建议r 1 3 4 m ”。目前，国内动态汽车衡厂家产品的生产、检验和标称采用最多的是j j g 9 0 7 ( 最新版于2 0 0 6 年1 1 月2 3 日实施) 和a s t me 1 3 1 8 ( 最新版为2 0 0 2 版) 。1 2 3 车辆动态称重系统的秤体结构车辆动态称重系统的秤体结构是评价车辆动态称重系统的重要依据。秤体结构决定了称重装置的繁简程度，进而决定安装与维护成本等。一个实际车辆动态称重系统是否具有实用及全面推广的意义，秤体规模和成本是极其关键的问题。依据传感器的安装方式不同，动态称重的秤体结构主要分为如下几类：传感器安装在路面中，如平台式、平板式、狭窄板等；传感器安装在路面之上( 网纹板、窄板、缆索等；传感器安装在桥梁或涵洞的结构件上，如悬臂梁式。各种结构的基本差别在于车轮力的检测技术。文献 2 给出车辆动态称重系统常见的结构及相应精度，见表1 2 。随着动态称重技术的不断向前发展，表1 2 中所给出的精度值得到了一次次改写，被越来越高的系统精度值所代替。5表1 2车辆动态称重系统常见结构及相应精度称重装置名称测定内容设置方式精度称重桥静载固定式平台式动载固定式总重1 0 ，单轴5 弯板式动载固定式总重5 ，单轴4 压电电缆动载固定式总重1 0 ，单轴1 0 1 5 ，静电电容式衰减器动载可移式单轴1 0 利用桥梁的测定装动载可移式总重2 3 ，单轴2 1 2置静载装在专4 车载式动载用车上车辆动态称重普遍采用应变电测工作原理。在称重传感器的弹性体上粘贴有应变计，组成惠斯登电桥。在无负荷时，电桥处于平衡状态，输出为零。当弹性体承受载荷时，各应变计随之产生与载荷成比例的应变，由输出电压即可测出外加载荷的大小。u、- 、，平台上平面，7葡力点图1 2 平台式动态称重系统秤体结构图平台式动态称重秤体结构如图1 2 所示，传感器分别安装于称台平面的四个角正下方或是外沿，使得整个称重平台形成一个整体式传感器，这种结构主要特点是具有较好抗侧向剪切力性能，可确保称台在中低速称重过程中的稳定性及抗冲击性，并保证当车辆偏离称重平台中心线驶过时( 实际使用中最常见的现象)不会对精度产生影响，使整个系统具备长寿命和低故障率。德国p a t 公司生产的d a w 5 0 i i 公路收费计算系统采用了平台式结构。当车速在小于1 5 k m h 时，系统误差( 包括整车重量精度与轴载精度) 均可以控制在7 以内”。6爵平板形传感器图1 3 弯板式动态称重系统的秤体结构弯板式动态称重秤体结构如图1 3 所示，由于整体式弯板式传感器厚度仅为2 3 m m 。安装极为方便，路面开挖深度仅需5 厘米，无机械结构，免维护，避免了车辆通过时所带来的冲击对机械结构的损坏导致车辆无法通行及日常大量的检修、维护、保养工作。典型的弯板式动态称重秤体结构有p a t 公司的d a w l 0 0 。p a t 公司开发的弯板式称重系统是目前国际上稳定性和可靠性最好的车辆动态称重系统结构。尽管弯板式传感器性能要求较高，价格也贵，但考虑安装维护成本，弯板式动态称重系统的总体成本还是优于普通机械称台式称重系统n ”。压电电缆是一种压电聚合物传感器。设计为同轴电缆形式，压电聚合物是芯线和外编织电缆的“电介质”。当电缆受到挤压或拉伸，就会产生一个与所受压力成比例的电荷或电压。由于压电电缆结构非常坚固，可以经受重负荷，如货车轮载等，因此可用作轴重传感器。压电电缆用于公路动态称重系统的优点是：外形尺寸小，安装时路面的开挖量，即切口极小；维护工作量非常少；安装更隐蔽，不易被过往车辆察觉，在一定程度上减少了过往车辆逃避检查的现象发生。压电电缆的缺点是不能回收再使用，但在实际工程中，一旦选定检测地点，更换的可能性较小，并且需要温度补偿。目前国内使用较多的压电电缆是k i s t l e r 公司、动态称重传感器l i n e a s 和美国m s i 公司的压电薄膜轴n ”。电容式压力传感器用于车辆动态称重系统只能检测动态信号，不能检测静止在传感器上的车辆，内阻很高，在低频时信号衰减很大，低速时应考虑采用较高的电路输入阻抗，速度范围取决于电路设计，一般为5 公里小时到2 0 0 公里小时，较成功的系统达到1 0 米分钟( o 6 公里小时) 。电容传感器具有结构简单、灵敏度高、动态特性好、无接触测量、分辨力强、适应性强和抗干扰力强、价格便宜等优点；但容易受环境变化影响，因而应用受到一定程度的限制“。w 。利用桥梁的测定装置是将压力传感器安装在桥梁的结构件或是涵洞上，当汽车驶过时，动力载荷作用于桥梁结构上产生动挠度，桥梁发生形变，因而，粘贴在其表面的应变片即可检测出相应的载荷。这种方法的优是传感器的安装不破坏7路面，不影响正常交通；传感器不直接与汽车轮胎接触；体积小、重量轻、移动灵活、安置方便“t2 ”。车载式称重系统采用轮辐式结构的测力传感器，将其安装于弹簧钢板和车桥之间，可在线测量车辆载荷。车载式称重系统具有较高的称量精度，操作简单。梅特勒一托利多( 常州) 称重设备系统有限公司提供的l o a d r i t e 系列车载称重系统获得中华人民共和国质量监督检验检疫总局的认证和批准，可用于贸易结算称重o然而，尽管车辆动态称重的具体结构多种多样，称重精度、过衡速度、称重成本之间的矛盾仍然是一个有待解决的问题。根据我国全面推广车辆动态称重系统的现实要求，当前我们车辆动态称重系统要研究的主要方向就是：在保证称重精度的前提下，提高过衡速度、降低称重成本。1 2 4 车辆动态称重系统的信号处理方法由于车辆动态称重是通过检测车轮对地压力来计算车辆轮( 轴) 载，进而推算静态整车重量的，因此，怎样根据传感器采集到的轮胎压力信号计算出车辆载荷是车辆动态称重系统的关键问题。车辆动态称重的轴重信号处理方法主要有以下几种方法。( 1 ) a d v 、d v 、v 法此类方法最早于2 0 世纪8 0 年代由日本的小野敏郎提出。其测量思路主要是同时或单独测量车辆的位移( d ) ，速度( v ) 和加速度( a ) ，然后用直接法或数值积分方法来求解称重过程微分方程而得到结果的方法“一”。( 2 ) 位移积分法：位移积分法是将称重系统的输出信号对一小段位移l l 沿其长度l 的方向积分。l l 的两端通过对称重系统各传感器的输出信号进行比较而定“。( 3 ) 补偿法：补偿法是针对传感器的响应速度慢和超调量大，在很大程度上限制了动态称重速度和准确度的提高的缺点，从而提出通过设计补偿元件，在比“称重传感器稳定时间”更短的时间里完成测量，因此动态称重装置主要由称重传感器和动态补偿元件组成”。( 4 ) 参数估计法该方法主要是把动态测量作为一个参数估计和预测问题来处理，即首先根据有关称重测力系统的先验知识，推导出一个含有未知参数的模型，然后用该模型去拟合称重测力过程的输出信号，从而获得最小平均方差意义下的参数估计，由于被测重量或力值可以看成是称重测力过程的终值，因此它们可以用模型参数进行估计或预测“”“。除了以上提到的称重计算方法之外，文献 3 5 ，3 6 ，3 7 还提到了基于模糊神8经网络的方法，和专家系统等。各种方法各有优点。a d v 、d v 、v 法和位移积分法是国内动态称重系统普遍采用的方法，这种检测方法简单、但是测量误差大；神经网络和专家系统都只停留在理论研究阶段；而基于参数估计的系统辨识也尚在试验研究阶段，而补偿法则与各种其它方法结合在一起应用于各种车辆动态称重系统。上述提到的称重方法对于动态质量的计算都是基于称重系统的时间响应函数，用微分方程来解决的形式表达，属于经典方法。经典方法着重于从软件算法上来精确计算，而少有考虑到硬件系统固有的精度，因此很难达到精度上的突破。1 2 5 现状综述当前国外公路动态称重技术已取得了巨大的成就。产品设计及生产从最初的各自为政逐步走上了标准化与规范化；秤体结构从早期的单一化走向了多样化，称重算法也由经典方法向现代方法转变。低成本公路动态称重系统在国外已经普遍采用有2 0 多年的历史了。我国对于车辆动态称重技术的研究起步晚、基础薄弱，因此还处于较为落后的状态，实际应用的少量动态称重设备基本上都属于国外进口的产品。因此，继续加强对公路动态称重技术的研究是十分必要的。此外，从现行国内外公路动态称重技术的总体来看，各研究机构都主要侧重于从硬件结构或计算方法单方面进行改进，对车辆的动态载荷所产生的干扰及其抑制方法的研究力度也不够，因此，难以达到理想的效果。如果能够通过硬件和软件两条途径来建立新的称重技术，尤其是基于动力学系统理论的软件方法，设计动态条件下称重的算法，可能是更为本质，更为重要的。1 3 本文所做的工作根据对当前国内外动态称重系统研究的分析，针对以往各项研究中所存在的不足之处，本文从减小秤体结构、提高称重响应速度和精度方面做了一定的研究，创造性地提出了轮载有限检测法，建立了轮载有限元传感器模型，设计轮载有限元传感器结构，并介绍了基于轮载有限元检测法的车辆动态称重系统具体实现方案。轮载有限元检测法是以动量定理为依据，通过硬件与软件两条途径共同建立一种新的称重方法，可实现动态称重系统秤体结构的创新和称重算法的简化。本文结构如下：9第二章：从运动车辆的模型、车辆的动力载荷、以及车辆的振动理论等方面考虑，对车辆动态称重系统进行理论分析，并结合现有的几种主要的动态称重方法进行技术分析。第三章：详细介绍轮载有限元传感器模型的建立及其结构的设计。通过p r o e软件仿真对模型进行动力学特性分析和结构的优化设计，同时推导了基于轮载有限元检测法的动态称重系统的重量计算方法。第四章：介绍了一种基于轮载有限元检测法的车辆动态称重系统的具体实现方案，即系统结构设计及其各部分功能模块的实现电路，包括传感器测量电路、放大电路、a d 转换电路、主控单元、工作结果显示等。第五章：总结全文，阐述基于轮载有限元传感器检测的车辆动态称重系统的优缺点，分析其应用价值，并对动态称重系统的研究与发展做出展望。1 0第二章车辆动态称重系统的理论分析要建立一个实际有效的车辆动态称重系统，首先必须对系统所研究的对象进行理论上的分析。通过对系统的各个环节，尤其是称重的本体一一运动汽车的研究来建立合理的称重技术，包括称重模型、装置、重量计算方法。本章将从运动车辆的模型、车辆振动及车辆动力载荷等几个方面入手，对动态称重系统理论展开分析。2 1 运动车辆模型分析汽车是动态车辆称重系统的称重本体，它的运动相当复杂，特别是在动态称重过程中它的运动更是复杂多变。描述汽车运动特性至少需要2 0 几个自由度，这在研究中是复杂而不可取的。因此实际分析中采用车辆简化模型，”m “”。xy图2 1车辆运动简化模型如图2 1 所示，被称物体( 包括汽车和载货) 用一个平行六面体代表。当它在动态下通过称台时可以导致几个方向的运动：沿x ，y ，z 各轴移动；围绕x ，y ，z 各轴转动。在x 轴上的摆动，表示车轴重量从轴的一侧向另一侧转移；在y 轴上晃动，表示在车辆重量从前轴向后轴移，在z 轴上旋转，表示在x 0 y 面的移动。伴随这些运动必然引起相应的力，它们之间的相互作用和影响，使要求的重力即沿z 轴向下的力受到严重干扰，其变化波动不断，给称重带极大的麻烦。为了获得较为理想的结果，除了要充分估计各干扰因素所造成的效应后果外，还应针对要害，采取行之有效的对策，克服和解决存在的问题。对于围绕z 轴的旋转运动和沿x ，y 轴的移动所形成的力，抑制方法主要有两种：一是设置约束限位器，使秤台在所约束的方向上几乎没有活动间隙，而对其它方向上则无限制，处于自由状态，常见的有滚珠式，转轮式，拉杆式等结构。二是选择抗侧向力好的称重传感器，使侧向力影响最小，通过以上两种方法的采用，对水平的干扰就可以得到基本的控制和消除。对于围绕x ，y 轴的摆动和晃动，因条件等差异会引起不同影响，特别是与计量方式密切相关。在整车计量方式中，因摆动，晃动所导致的被称物重量分布的变化，会使称量结果出现较大的误差。例如，在称量瞬间，被称轴重量增大，则读数变大；反之，变小。对于称台，不论是高于路面( 指靠近秤台的) 还是低于路面，影响会加剧。如果再把后面牵引拖车的情况考虑进去，其影响就更为严重。为此，轴计量方式应对称台与路面的高度一致性，路面质量等提出严格要求( 在这方面，a s t me 1 3 1 8 标准给出了比较详细的用户要求。) ，以免产生过大的称量误差。动态称量的秤体结构应具有良好的机械强度与刚度，以保证被称车辆通过的瞬间有较小的变形，立即会将重力传递给称重传感器，获得称量结果。为了具有较高的振动频率以及良好的动态特性，可将秤台和称重传感器一体化，即把应变片直接粘贴在秤的承重梁上。这样就无需再另外选取称重传感器，无需考虑如何连接，限位等问题。此外，称重系统必须具有较好的动态特性。因为汽车通过秤台的时间很短，动态称量时间大多为几十毫秒到上百毫秒。在这样短的时间内，被称物的重量要经过秤体、称重传感器、采样、放大、a d 转换、数据处理计算等环节传递并显示出来。这就要求称重传感器具有良好的动态特性，称重算法尽可能简单。尽管在秤体结构设计，干扰无约束，传感器选择等方面做出了努力，但仍避免不了动态称量输出信号的起伏波动，这与车辆的自重，载货量，行驶速度，路面状况等密切相关。2 2 车辆振动理论分析2 2 1车辆振动的数学模型假设轮胎与地面是点接触，则1 4 车辆模型如图2 2 所示，根据d 1a 1 e m b e r t原理，文献 4 0 给出了支配该振动系统的控制方程：，fj m r ) ，t ，c ，( y r _ 儿! + c ( 享一y r ) + 七，( ) ，t 一) ，) + t ( 亭一只) i o( 2 。1 )，m ，i 肌，y ，+ c ，( j 一) ，) 一七，( y ，一y ，) i o式中导数都为均方导数。例如，y ，是悬挂系统的绝对垂直位置，因而y ：和y ：就分别表示该自由度的垂直速度和垂直加速度。其它参数如下：肌，非悬挂部分质量( 又称簧下质量) ，包括轮圈、轮胎、轮轴等。小。一一悬挂部分质量( 又称簧上质量) ，包括车厢、载重等。k 一一轮胎刚度系数。七。一一悬挂系刚度系数，对于前轮来说，它表示前桥刚度；对于两个后轮来说，它表示板簧刚度。c 一一轮胎阻尼常数。c 一一悬挂系缓冲器阻尼常数。宇( f ) 一一地面高程( 不平整度) ，为随机过程。) ，。( f ) 一一悬挂系( 称为上自由度) 绝对垂直位移。y ，( f ) 一一非悬挂系( 称为下自由度) 绝对垂直位移。z o ) 一一非悬挂系相对垂直位移。z ，( f ) 悬挂第相对垂直位移。图2 2 理论分析用的1 4 车辆模型2 2 2 车辆动态称重系统振动的原因从式( 2 1 ) 可以看出，车辆本身在运动过程中具有十分复杂的振动，而在车辆动态称重过程中，又由于车辆、地面、称台三方面的相互影响相互作用，使得整个系统的振动更为复杂，产生振动的具体原因主要包括如下几个方面：( 1 ) 由车辆自身的各种因素造成的振动，其中包括发动偏心转动引起的周期性振动，车轮不圆引起的周期振动；燃料不均匀，驾驶员操纵不稳定引起的随机振动等。( 2 ) 由于路面的不平整造成的振动。地面表面的凹凸不平和高低起伏给在它上面行驶的车辆的轮胎施加的位移扰动，这种不规则激励导致了车辆振动。( 3 ) 由车辆一地表耦合而产生的振动。当车辆在地表上行驶时，对地表施加了外力作用，地表在外力的作用下也会发生运动，这种运动反过来又会影响到在它上面行驶的车辆，从而产生耦合振动。这些振源产生的振动又由于车辆悬挂系统和轮胎状况不同，当传递到路面时，其效果是不同的，而正是由于这一原因，目前车辆对路面产生动力载荷还缺乏全面的研究。从以上分析可知，振动是影响动态称重的关键因素，汽车的振动使真实的静态轴载信号淹没在各种复杂的振动信号中，因此要想使静态轴载信号客观、真实的反映出来，就必须根据各种振动产生的原因有效的减缓和消除振动，削弱其对动态称重的影响。2 3 车辆的动力荷载分析物体在运动过程中受到震动、环境等因素影响下，所受的载荷，称为动力荷载。车辆的动力荷载是指运动车辆运动所形成的车轮对地的荷载。动力荷载作用将使结构产生不容忽视的加速度，此时必须考虑惯性力的影响。2 3 1车辆的动力荷载分类根据汽车轮胎与地面的接触形状来区分，车辆动力荷载可分为：集中( 点源)荷载、线状均布( 线源) 荷载、圆形分布( 面源) 荷载“”。如图2 3 所示r oor 0图2 3 车辆静载模型其中，0 为荷载分布边界至荷载中心的距离。当，o o 时，车辆动力荷载表现为集中荷载，也称点源荷载；当这个距离增大为时，荷载呈线状分布，即线源荷载；正常情况下荷载分布边界至荷载中心的距离为r o ，此时荷载呈现圆形分布。动力荷载包含两层含义：一是力的作用位置改变，二是力的大小改变。根据车辆的运动状况，动力荷载又为可细分为稳定运动荷载与突加运动荷载。各类情况下动力荷载可分别描述如下：1 稳定运动下的点源分布荷载见式( 2 2 ) ，f o ，y ，f ； ，) 一p ( f 弘0 一w ) 6 ( ) ，)( 2 2 )2 突加运动下的点源分布荷载见式( 2 3 ) ，f ( x ，_ ) ，f ；v ) 一p o ) h ( f ) 6 0 w 弦( ) ，)( 2 3 )3 稳定运动下的线源分布荷载见式( 2 4 ) ，f ，y ，f ；v ) 一p ( f ) 日【，0 2 一o w ) 2 p ( y ) 2 ，o( 2 4 )4 突加运动下的线源分布荷载见式( 2 5 ) ，( x ，) ，f ；v ) 一p ( f ) 。h ( t ) h 【，0 2 一( x l 吁) 2 】6 ( y ) ，2 龟( 2 5 )5 稳定运动下的面源分布荷载见式( 2 6 ) ，o ，y ，f ；y ) 一p ( f ) h 【r 0 2 0 一w ) 2 一y 2 】册i 2( 2 6 )6 突加运动下的面源分布荷载见式( 2 7 ) ，1 4，0 ，) ，f ；v ) - p ( f 矽o ) 日【，0 2 一 一w ) 2 一y 2p ( y ) ，2( 2 7 )式( 2 2 ) 到( 2 7 ) 中，p ( f ) 为描述荷载大小随时问变化规律的函数，即为动力荷载；6 ( ) 为d 妇c 一6 函数，日( ) 为月幻协淤阶跃函数，表达式分别见式( 2 8 )和( 2 9 ) 。肛小 三：乏且p ”。边一t( 2 8 )即小f o 篙( 2 9 )如果我们考虑的是地面的稳态响应( 并非指响应可以表示成时间的谐和形式，而是专指荷载在时间的无穷远处就已施加在地面结构上，因而初始时刻的位移、速度扰动和加载的影响已经消失殆尽) ，那么用稳定荷载来建立数学模型是合适的。如果我们考虑的是地面的瞬态响应，即我们关心的是初始时刻的位移、速度扰动和加载的影响，那么用突加荷载来建立数学模型是恰当的。稳定荷载或稳态响应是瞬态响应或突加荷载当时间趋于无穷时的极限情形。fp 00o8 ) 恒定荷载b ) 稳态荷载所示：fp otooc ) 冲击荷载d ) 随机荷载图2 4 动力荷载恒定荷载：不随时间变化，或其变化与平均值相比可忽略不计的荷载。当地面平整，车辆振动很小时可用恒定荷载描述。稳态( 谐和) 荷载：值在一定范围内波动，如可用正弦或余弦函数描述的载荷。冲击荷载：指以很大的速度作用于构件上的荷载称为冲击荷载。车辆行驶过程中突然发生“跳离”地面的振动，所形成的荷载属于冲击载荷。随机荷载：其载荷值通常都随不具规律的，很难用一个函数来描述。车辆荷载理想情况下