公路动态汽车称重物理模型与提高称重准确度研究.pdf

综合篇 4 4 1 公路动态汽车称重物理模型与 提高称重准确度研究 张波1 邓铁六2 巩华良1 邬艳1 1 山东济菏高速公路有限公司 山东济南2 5 0 0 0 1 2 山东科技大学 尤洛卡自动化仪表有限公司 山东泰安2 7 1 0 0 0 摘要 为了解决公路动态车辆称重误差偏大的问题 考察了三种振动 认为车辆通过长方形 秤台引起秤台长方向挠曲振动是主要影响因素 用力学理论进行定量研究 提出车轴驶过秤 台等同于一个阶跃载荷 其主谐波将引发秤台挠曲振动 建立秤台动态称重物理模型 列出 振动方程 给出通解及共振振幅 指出振动过程中质量块加速运动对传感器产生的惯性力影 响称重 给出了动态称重原始数据 瞬时值 的极差范围 在此基础上得出结论 为使动态 称重准确 必须加大阻尼吸收振动 长方形秤台 单纯提高其刚度 使振幅减小 并不能保 证动态称重准确 有可能适得其反 改进秤台结构 限制车速 规定车辆通过路线 可削弱 秤台振动 有利于计重收费 关键词 动态汽车称重 物理模型 振动 计重收费 静态衡器的准确度可做到0 5 甚至0 1 而 动态汽车衡的准确度却低得多 能做到3 就不错 了 两者相差这么多 究其原因 人们多侧重于汽车 自身的振动 二 及汽车冲击引起秤台的震动 4 1 作者 则认为其主要原因在于 动态称重时 汽车开上秤台 等同于一个阶跃载荷加到弹性振动系统上 将引起秤 台的挠曲变形振动 这个阶跃载荷的主谐波频率与 车速密切相关 因此在一定的车速范围内 就会发生 共振 这时秤台和轴组成的质量块 其加速运动 对称重传感器产生的惯性力将干扰称重 使动态称 重不准 根据这一新的观点 作者提出了动态汽车称 重的物理模型 建立了振动方程 由振动解进行了分 析 从理论上说明了振动可使称重变重变轻的原因 并指出了解决问题提高动态称重准确度的方法 1 分清三类振动 如果没有振动干扰 汽车驶过秤台 理论上的轴 称重曲线应如图1 所示 实际上 汽车驶过秤台引起 三种振动 第一种是汽车自身的振动 即轴质量与减 震弹簧组合的振动 轴质量最大达3 0t 因此振动频 率极低 水平路段匀速前进时 振幅也不大 由实践 经验判断 其影响并不大 第二种是频率较高的机械 振动 通常叫做震动 频率在2 0 0H z 以下 如果称 重传感器对它响应 则在轴称重曲线上叠加着无数的 振动干扰 实际的轴称重曲线将如图2 所示 电阻应 变式传感器构成的称重系统 由于该类传感器频率响 应很宽 这种振动干扰给获得准确的称重带来了麻 烦 必须采用吸振装置 硬件方法 及低通滤波 软 件方法 来改进称重结果 除此之外 也可选用抗振 动干扰性能好的称重传感器 例如振弦式液压转换称 重传感器 它同时还具有良好的抗电磁干扰能力 用 它称重获得的轴称重曲线是光滑的 第三种振动是秤 台长方向和宽方向的挠曲变形振动 由于动态衡长3 I n 以上 宽仅0 8i n 所以影响最大的是秤台长方向 的挠曲变形振动 重车通过时 秤台中部挠度达到3 m m 一4m m 这种振动频率很低 低通滤波是不能消 除的 但是它对动态称重准确度的影响很大 我们将 着重研究这种振动 图1理想的轴称重曲线示意图 4 4 2公路建设与可持续发展 图2有振动干扰的称重曲线示意图 2 秤台动态汽车称重的物理模型 长方形秤台 汽车垂直长边通过 如图3 所示 图3车轴通过秤台示意图 秤台长方向发生挠曲变形 向下挠曲然后回弹再 挠曲再回弹为主要振动形式 秤台的弹性变形等效于 一个刚度为k 的弹簧 1 见图4 秤台振动时的等 效质量m 2 和车轴质量肘 3 等效于质量块 它们将合为一体振动 而驶上秤台时轴重施加的力形 M g 等效于一个阶跃载荷 原先 1 和 2 处于 平衡 突加 3 后 此系统必由此而开始振动 阶 跃载荷包含着丰富的谐波成分 其主频率 基频 与车速有关 其周期约等于轴通过秤台时间的2 倍 当阶跃载荷的主频率接近秤台绕曲振动固有频率时将 引起强烈振动 共振 设主谐波振幅为r M g r 为 谐波系数 小于1 若秤台还受到阻尼力 仅Y 则称重系统的物理模型如图4 l 一弹簧2 秤台的有效质量 3 一车轴质量4 阳尼器 图4 秤台动态称重物理模型示意图 质量块 m M 的受力图如图5 所示 l Y M g 掣 图5质量块受力示意图 质量块的运动方程为 m M Y r M gC O O t 一砂一a Y 1 可改写为 罗 印矿 2 y hC O w t 2 式中y 质量块 m M 重心的纵坐标 m M 帮 m M h rM g m M 3 其普遍解为 Y A o e 一犀C O t I AC O w t q b 4 式中q 一矿 5 4 式第一项为过渡过程 第二项为稳定解 稳定解的振幅A 由下式给出 A 一 2 邻2 2 6 显见 当车速提高 使 时 A 有极大值 A m h 2 3 w 这就是共振时的振幅 称重与秤台振动之间的关系如下 质量块 m M 支撑于称重传感器之上 质量 块对传感器的作用力由两部分组成 其一 车的轴重 M g 注 称台的重量已在称重系统自动调零时置为 零 其二 质量 m 肘 加速振动时的惯性力一 m M y 因此称重的瞬时值形由下式给出 W M g 一 m 肘 Y 7 由 7 式可知当Y 0 时 W M g 称重变轻 而当Y M g 称重变重 3 分析讨论 3 1 振动对称重的影响 依据 7 式 振动对称重的影响可分析如下 第一阶段 车轴驶上称台 相当于一个由O 跳变 到M g 的阶跃载荷加到称台上 称台的等效质量m 和 轴质量M 一起 合称质量块 向下加速运动 Y 0 称重W M g 一 m M Y M g 变轻 第二阶段 自秤台挠曲到它对车轴的向上弹力大 于M g 起 质量块先向下作减速运动直到速度降为 综合篇 4 4 3 零 然后向上作加速运动直到速度最大 此阶段中 Y M g 变重 第三阶段 从向上速度最大起 向上作减速运动 到速度为零 再向下作加速运动到速度最大 此阶段 中Y 0 变轻 此后又重复到第二阶段 如此反复进行 由此可知 1 如果车速太快 通过称台的时间太短 或 地基不好 或秤台刚度太小 第一阶段尚未完成车轴 就过去了 则称重变轻 2 如果车速较快 在第二阶段未完之前通过 则称重明显变重 3 在第三阶段中驶过去 或多次振动后驶过 去 则称重中既有变重又有变轻的数据 如果数据处 理是滤波后寻找最大值 则仍然会出现称重变重的情 况 这样 根据力学原理说明了称重变轻 变重的原 因 特别是在某一车速范围内 若出现称重变重的情 况 则可以肯定发生了共振现象 下边将讨论应对措 施 3 2 阻尼对称重的影响 现在的初始条件是t 0 Y O 少 0 在 共振条件下 若卢很小 即卢 1 因此共振振幅可比最大静态 形变大许多倍 再由稳定解 Y2 As i n 埘 t Y 一 弘s i n t 称重的瞬时值 W M g m M c c As i n t 其值将在M g 一 m M A 到M g m 肘 d A 之间变动 极差为 艿 2 m 肘 t 0 2 0 A r M g 1 3 1 0 由 1 0 式可见 汽车轴驶上秤台 在阻尼很 小时 很有可能引起共振 实践表明共振与车速有 关 即在某个车速范围内会引起共振 由于1 0 印 l 阻尼系数口越小 称重瞬时值的极差5 就越大 车轴重M g 越大 6 也越大 说明阻尼越小车轴越重 称重值的变动范围越大 而如果加大阻尼 使口 等 则振动的振幅恒小于车轴重谐波分量所能产生 的最大静态变形 不再有共振发生 称重的极差将小 于r M g 卢越大极差越小 对一次性过车的动态称重 愈准确 因此如何加大对秤台挠曲变形振动的阻尼 是首先要研究解决的关键问题1 3 3 秤台刚度对称重的影响 由式 9 A 兰竺 i 在1 3 一定时 秤 2 0 m Mq k 台挠曲的等效弹簧刚度k 越大 则位移振幅A 越小 人们往往以为这意味着称重误差也小 其实不然 由 1 0 式i 称重的极差占 笔叫厕k l j 越大时6 也 越大 这是由于k 大时 位移振幅固然小了 但共振 频率 高了 加速度振幅 却更大了 已在实践中发现 不增加阻尼 单纯提高秤台长 方向的挠曲刚度后 在车速1 0k m h 2 0k m h 范围 内 有明显的共振现象 使称重的误差变大 反而不 如原先刚度较低的秤台称重准确 这一事实恰好证明 了上述理论分析的正确性 由此可知 单纯提高秤台 长方向的挠曲刚度 并不能提高动态称重的准确度 甚至适得其反 3 4 秤台结构改进的一种方案 设计怎样的秤台结构 才能有效地削弱振动对动 态称重的影响 这是 个值得研究的重要问题 对于现用的长方形秤台 如果使其长方向不发生 挠曲 则主振动将是0 8n i 宽方向的挠曲变形振动 该方向的挠曲刚度比长方向大得多 其共振园频率 n 要高得多 估计k 能大5 倍以上 o 彳丁可i 丽提高2 3 4 倍以上 有可能车速在3 0 k m h 以内 不再会发生共振 称重的准确性将大为 提高 而要使秤台长方向不发生挠曲 或者仅发生 f 1 0 1 的挠曲 只需在车轴两边轮子施力中心处设计横梁 公路建设与可持续发展 将4 只传感器安置在两根横梁的端头 如 图7 这样设计的秤台 加上强的阻尼 当车辆两边轮子重 心正好从横梁上驶过时 将基本不发生长方向的挠 曲 如果能限制汽车只能这样通过 而且是慢速通 过 则动态称重的准确性可大为提高 设备的寿命也 可以大为延长 但是 如果不加限制 让重车以3 0 k m h 高速可从任意方向冲过秤台 则既不利于称准 又会降低秤台寿命 图7一种可削弱长方向振动的秤台设计示意图 当然 一定还有其他方案也能较好地解决这个问 题 3 5 关于动态汽车衡的静态准确度要求问题 如上所述 汽车动态衡的结构和性能与静态衡大 不相同 静态衡的秤台承载着整个汽车 其重量通过 钢球传到传感器上 静态称重的准确度主要取决于传 感器的准确度 而动态衡为了提高准确度 必须加阻 尼器吸收秤台的挠曲振动 因此 在提高动态称重准 确度的同时 必然会降低静态称重的准确度 反之 要求动态衡静态称重很准确 必然会给动态称重准确 带来困难 考虑到以上原因 作者以为 对动态汽车衡的静 态称重性能不宜要求过高 很高的静态称重准确度对 动态称重并无帮助 不但给厂商带来困难 也给计量 检测增加很大负担 3 6 关于汽车动态衡的轴称重准确度要求问题 汽车轴驶上秤台停于秤台之上 进行静态称重 所得轴重之和不一定等于整车重 这是由于各轴相 连 轴置弹簧板上 轮胎有一定的弹性 汽车驶上秤 台刹车时 车的重量将向前转移 前轴的重量将增 加 后轴的重量将减小 实践表明 动态汽车衡对轴 重多次进行静态称量 所得轴重相对于其平均值的百 分误差 明显大于由轴重求和得到的整车重相对其平 均值的百分误差 动态称重时更是如此 这说明轴称 重易受各种因素影响 多次轴称重的分散性大于整车 重的分散性 因此对动态衡的轴称重准确度 也不宜 期望太高 4 结论 上面根据长方形秤台动态称重的物理模型和振动 方程解 说明了秤台挠曲振动影响动态称重数据的机 理 并找出了主要影响因素 由此可得出以下结论 1 长方形秤台 车轴驶上秤台激起其长方向 挠曲变形共振 是影响动态称重不准的主要原因 2 加大阻尼是解决问题的重要方法 甚至是 不可缺少的措施 3 使车轮正好从秤台传感器的位置上通过 并提高横梁刚度 有利于提高动态称重的准确度 4 对动态衡的静态称重准确度 不宜要求太 高 5 对动态衡的轴称重准确度 也不宜期望太 高 6 既要靠技术改进 也要靠交通行政部门加 强管理 厂商和行政共同努力 才能切实有效地把计 重收费工作做好 其中最重要的是限制车速和限制车 辆通行路线 如果能做到限速1 0k m h 匀速通过 并 且只能从规定的路线上通过 则动态计重的准确度将 大为提高 秤台的使用寿命可以延长 争议大为减 少 通行效率反而提高 参考文献 1 凌杰等 公路车辆动态称重系统解决方案 西安公路交通大学学 报 2 0 0 1 2 1 2 2 凌杰等 优化算法在汽车动态称重系统中的应用 西安公路交通 大学学报 2 0 0 1 2 1 3 3 黄素莲等 机动车重量动态监测软件设计 J 数据