軸載在地磅承載臺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要性

一直以來，地磅的關(guān)鍵指標(biāo)之一是最大秤量，但最大秤量對于地磅承載臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并無真正的實(shí)際意義，因?yàn)樗鼰o法明確車輛是以怎樣的方式對承載臺面施加載荷。當(dāng)車輛行駛在承載臺上時，車輛質(zhì)量因重力產(chǎn)生的載荷是通過各個輪軸分配后作用在承載臺上的。對輪軸載荷（簡稱軸載，包括單軸和軸組）進(jìn)行分析，將其作為地磅承載臺的力學(xué)模型中的重要信息，可以直觀地對承載臺進(jìn)行強(qiáng)度和剛性的計(jì)算、校核。

1.引言

新推出的地磅產(chǎn)品，為滿足不同客戶的個性化使用需求，設(shè)置了豐富的可選配參數(shù)，客戶可以針對其使用工況合理選擇配置。其中，很重要的一個參數(shù)就是軸載，軸載的大小決定了汽車衡產(chǎn)品的承載臺結(jié)構(gòu)的承載能力，也直接關(guān)系到產(chǎn)品的使用質(zhì)量和壽命。

2.地磅稱量能力的關(guān)鍵指標(biāo)之軸載的引入

在地磅應(yīng)用領(lǐng)域，最大秤量是最關(guān)鍵的參數(shù)指標(biāo)之一，這決定了地磅的稱量范圍的上限。因此，客戶在產(chǎn)品選型時，往往將此作為首選的的基本參數(shù)，而制造商也將此作為制定售價(jià)的參數(shù)依據(jù)之一（另一個關(guān)鍵參數(shù)就是汽車衡尺寸）。

事實(shí)上，決定地磅稱量能力的要素，除了最大秤量，還有另一個真正重要的指標(biāo)：

允許軸載。什么是軸載？軸載是指車輛在靜止?fàn)顟B(tài)下，由于重力作用，車輛總質(zhì)量產(chǎn)生的通過各軸或軸組施加到支承平面的垂直載荷，所有軸或軸組載荷的總和為車輛總載荷，最大軸載是指車輛的其中某個單軸或軸組的最大載荷。地磅的允許軸載是指可以承受的通過車輛的最大軸載。允許軸載對地磅承載臺的設(shè)計(jì)和使用至關(guān)重要，其實(shí)際意義上己經(jīng)超過最大秤量。為描述方便，下文均以簡稱“軸載”來替代允許軸載。

為了對此觀點(diǎn)進(jìn)一步闡明，請看以下例子。

兩臺相同的最大秤量為60t的地磅，承載臺面尺寸為3.4m(寬）x18m(長），均為三節(jié)臺面組成，共有8個傳感器支承。正常使用情況下的過衡車輛質(zhì)量均為 50t左右，差異在于：其中一種常用過車為自卸車，另一種為普通拖掛車。哪臺地磅的使用工況更惡劣呢？

由于地磅承載臺面不可能制作得很長來容納整個車輛長度，必須拆分成多個臺面，每個臺面長度一般不超過7m，因此，車輛輪軸就分布到不同的承載臺面上了。如圖一所示，在某個瞬間，單節(jié)承載臺面承受的最大載荷就是汽車的最大軸載質(zhì)量產(chǎn)生的，而不是由汽車總質(zhì)量產(chǎn)生。自卸車最大軸載40t，拖掛車的最大軸載為 30t。在整個行駛過程中，車輪軸是移動的，因此地磅各個承載臺面均會受到來自最大軸載產(chǎn)生的載荷的作用。顯然，前者的汽車衡使用工況較為惡劣。

從以上簡單的力學(xué)分析看，車輛總質(zhì)量其實(shí)掩蓋了地磅臺面承載狀況的真實(shí)面貌，最大秤量對于地磅的實(shí)際承載強(qiáng)度而言并不直接相干，因?yàn)檫@并沒有提及載荷是如何施加在地磅上的。但是，如果將汽車總質(zhì)量分解到每個軸或軸組上，臺面的承載受力模型就變得非常明確，其強(qiáng)度、剛性等力學(xué)計(jì)算就比較直觀。因此，需要將最大秤量轉(zhuǎn)

化成對應(yīng)的軸載參數(shù)指標(biāo)。

3.“集中載荷承受能力”（CLC)的定義

“集中載荷承受能力”（Concentrated Load Capacity)(簡稱 CLC)是美國國家標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)研宄院（NIST)和美國國家型式評估程序（NTEP)所要求的一個規(guī)范指標(biāo)。美國國家標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)研宄院的“NIST Handboo k44”（第 44號手冊）中對此規(guī)范指標(biāo)有概述，它適用于美國和其它承認(rèn)該規(guī)范要求的地區(qū)，由衡器生產(chǎn)廠家自行定義，并且在產(chǎn)品的使用和測試中均用到此概念。

對于公路上行駛車輛的質(zhì)量限制，通常表示為一個雙聯(lián)軸（兩個緊挨著的軸，其位置固定在一個大約為2.5mx1.2m的面積內(nèi)，雙聯(lián)軸間距1.2m)的最大允許質(zhì)量。集中載荷承受能力（CLC)也作為廠家設(shè)計(jì)的地磅所能承受的雙聯(lián)軸的最大質(zhì)量。

由于實(shí)際車型不僅僅只有雙聯(lián)軸，多聯(lián)軸與雙聯(lián)軸有個大致的換算關(guān)系，目的是計(jì)算和測試變得簡化。如果是間距為3.6m的三聯(lián)軸，則可承受等效成1.324倍雙聯(lián)軸CLC的作用。也就是說，3.6m間距的三聯(lián)軸的質(zhì)量對地磅臺面產(chǎn)生的作用，等效于1.324倍1.2m間距的雙聯(lián)軸的作用。例如，如承載臺面的設(shè)計(jì)指標(biāo)為雙聯(lián)軸CLC值為40t，則也可承受三聯(lián)軸CLC值53t(40*1.324-53)。

當(dāng)然，對于不同間距的多聯(lián)軸，需要根據(jù)具體的承載臺面尺寸詳細(xì)換算才更科學(xué)，不能一概而論。

下圖二為雙聯(lián)軸、三聯(lián)軸間距示例：

4.中國境內(nèi)的軸載標(biāo)準(zhǔn)

在我們國家，在橋梁道路及其它構(gòu)造物設(shè)計(jì)方面，也將車輛軸載作為設(shè)計(jì)指標(biāo)的依據(jù)，見《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)JTGB01-2014》。那么，軸載究竟如何取值呢？這就需要了解相關(guān)的法規(guī)要求。

為加強(qiáng)對超限運(yùn)輸車輛行駛公路的管理，維護(hù)公路完好，保障公路安全暢通，根據(jù)《中華人民共和國公路法》及有關(guān)法規(guī)，二〇〇〇年二月十三日，國家交通部頒布了2000年第 2號令（簡稱 2號令），其中，關(guān)于超限運(yùn)輸車輛的界定，除長、寬、高以及總質(zhì)量之外，對于車輛軸載做出了明確的范圍規(guī)定，任意一條超過以下規(guī)定軸載的均納入超限車輛范圍，具體見表一。

表二是七部委在全國開展車輛超限超載治理工作期間頒布的“超限超載車輛認(rèn)定標(biāo)準(zhǔn)圖解”，其關(guān)注點(diǎn)在于整車載重限制。對于不同車型，按自然軸計(jì)數(shù)（此處的軸僅指單軸，而非軸組），將表一中的軸組值相加并與表二比較，發(fā)現(xiàn)七部委關(guān)于總質(zhì)量超限的界定略微寬泛些，簡單理解為單根軸限值10t。不同的省份在道路車輛超限管理方面可能稍有不同，但均以此兩種法規(guī)作為依據(jù)。

結(jié)合2號令和七部委的超限認(rèn)定的相關(guān)內(nèi)容，中國境內(nèi)車輛軸載的限定，可以簡單地大致總結(jié)如表三，作為相關(guān)橋梁道路等的設(shè)計(jì)參考依據(jù)：

5.世界其它國家軸載標(biāo)準(zhǔn)

世界上有一百多個國家制訂了車輛軸載限值標(biāo)準(zhǔn)。他們在制訂設(shè)計(jì)車輛荷載標(biāo)準(zhǔn)及車輛軸重限值時，除了考慮本國的國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平外，同時考慮了采用重型汽車提高軸重限值而獲得的運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)效益與相應(yīng)增加的公路基本建設(shè)投資及原有公路網(wǎng)的補(bǔ)強(qiáng)改造費(fèi)用之間的合理平衡。由于提高軸重對公路投資的影響十分驚人，長期以來，各國政府都采取了極其慎重的態(tài)度。世界多國的軸載限值標(biāo)準(zhǔn)如下表四、表五的部分摘錄。

與世界各國的數(shù)據(jù)對比，中國的超限認(rèn)定標(biāo)準(zhǔn)相對較低（即，限值略偏高，放寬了運(yùn)輸要求），這在一定程度上是從發(fā)展中的國情出發(fā)，適度提高運(yùn)輸效益。

6.地磅設(shè)計(jì)時軸載參數(shù)確定

通過以上對軸載的限值分析，理論上說，地磅的軸載設(shè)計(jì)指標(biāo)可以很容易獲取了。

按上述的描述，一般常規(guī)拖掛車最大質(zhì)量不超過60t，但是，為何在中國境內(nèi)，客戶的實(shí)際需求往往超過60t，地磅最大秤量集中在80~100t，甚至120~150t的也屢見不鮮，特殊應(yīng)用場合還超過200t呢？主要有幾方面的原因：

a.超載現(xiàn)象依然嚴(yán)重。公路治超工作對高速公路效果明顯，通過計(jì)重收費(fèi)的杠桿調(diào)節(jié)作用，對超載車輛進(jìn)行罰款收費(fèi)，很大程度抑制了超載現(xiàn)象。但對于很多短距離（不上高速）運(yùn)輸?shù)能囕v，運(yùn)輸單位或個人為追求經(jīng)濟(jì)效益，甚至不惜進(jìn)行車輛改裝，達(dá)到多拉增效的目的。

b.短途運(yùn)輸車較多。如，下圖三的自卸車就是一個非常典型的類別，國內(nèi)多個自卸車廠生產(chǎn)的汽車，為滿足客戶要求，軸載能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出限值標(biāo)準(zhǔn)，可以達(dá)到60-80t。

c.廠礦內(nèi)特種車較多，如下圖四的礦石、混凝土攪拌站、鋼廠等場合的車輛，車型和軸載都較特殊.

基于以上的現(xiàn)狀，地磅生產(chǎn)廠商，要提供客戶符合使用要求的地磅，如果只考慮最大秤量，難以針對客戶的實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)計(jì)。但是，即使引入軸載概念，如果按照相關(guān)的軸載限值標(biāo)準(zhǔn)來設(shè)計(jì)承載臺，又經(jīng)常不能適應(yīng)實(shí)際使用，導(dǎo)致廠家和客戶對產(chǎn)品質(zhì)量上的歧義和糾紛。因此，小編建議引入最大秤量和軸載雙指標(biāo)的設(shè)計(jì)參數(shù)，通過對

最大秤量和過衡的車型進(jìn)行分析，兼顧地磅長度，進(jìn)行合理分配，以及滿足多種車型稱量的要求。

表六的最大秤量和軸載對應(yīng)關(guān)系，僅供汽車衡廠家設(shè)計(jì)和計(jì)算參考。從下表看出，最大允許軸載有30t以上的現(xiàn)象，超出前面章節(jié)描述的車輛軸載的規(guī)定限制，也就是考慮到客戶的不同應(yīng)用，根據(jù)過衡車輛的車型制定的滿足客戶使用要求的配置。一種最大秤量的地磅，可以有不同的軸載參數(shù)供選擇，用于客戶不同的場合。

如何利用這些設(shè)計(jì)指標(biāo)？首先，要與客戶進(jìn)行充分溝通，了解客戶的實(shí)際應(yīng)用情況，過衡的車型主要有哪些，幫助客戶進(jìn)行歸類分析，選擇可能出現(xiàn)的最大軸載作為設(shè)計(jì)參數(shù)，確保地磅的強(qiáng)度和使用壽命。這樣處理的好處是：讓客戶獲得符合實(shí)際使用要求的產(chǎn)品。如果允許軸載選取超過了實(shí)際應(yīng)用，為達(dá)到汽車衡的強(qiáng)度和剛性設(shè)計(jì)需要，客

戶因此支付的成本也會高。反之，允許軸載的選取低于實(shí)際應(yīng)用，那么承載臺面會不堪重負(fù)，過早出現(xiàn)損毀等失效現(xiàn)象而無法繼續(xù)使用。所以，小編認(rèn)為，合理的軸載確定，是確保地磅使用正常的重要因素之一。盡管地磅最大秤量一樣，但選擇了不同的軸載指標(biāo)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也會有所不同。只有這樣的針對性設(shè)計(jì)，產(chǎn)品質(zhì)量才可以得到保障。

當(dāng)然，各廠家可以自行規(guī)定允許軸載指標(biāo)，在銷售產(chǎn)品前與客戶明確，利于產(chǎn)品符合實(shí)際使用要求。對于特種車輛，還需要了解詳細(xì)的車型參數(shù)，與臺面尺寸進(jìn)行匹配，設(shè)計(jì)出合理的解決方案。

計(jì)算汽車衡承載臺面的強(qiáng)度和變形時，不僅考慮軸載大小和軸型，還需要考慮軸載的施加位置和范圍。計(jì)算校核模型中，載荷應(yīng)置于單節(jié)臺面的中間，此時的工況最惡劣。

一般來說，軸載載荷可以為點(diǎn)載荷，也可以是按照車輪的投影形成的面載荷，具體由設(shè)計(jì)人員掌握。施加范圍可以根據(jù)具體的車型圖，進(jìn)行總結(jié)獲得經(jīng)驗(yàn)值。如下圖五所示為簡單的二維力學(xué)模型：

以下圖六所示為軸載施加在承載臺面上的三維力學(xué)模型，適合有限元計(jì)算:

7.汽車衡臺面強(qiáng)度和變形的檢測方法

在 GB/T7723《固定式電子衡》2008年修訂版本里，增加了大型衡器的承載器的相對變形的要求以及具體的檢測方法。汽車衡一般為多個承載臺面組成，每個臺面應(yīng)分別滿足該要求。下圖七和圖八取自 GB/T7723的相關(guān)章節(jié)，其推薦了最大秤量和檢測載荷對應(yīng)關(guān)系，這也為衡器廠家提供了一定的設(shè)計(jì)參考依據(jù)。當(dāng)然，具體設(shè)計(jì)時，軸載的選取和加載區(qū)域可比此更加嚴(yán)酷，作為各廠家的產(chǎn)品內(nèi)部指標(biāo)，提高產(chǎn)品的競爭力。

8.汽車衡承載臺面的使用壽命

汽車衡在使用過程中，承載臺面一直處于重復(fù)的動載狀態(tài)，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的應(yīng)力變化循環(huán)反復(fù)，疲勞破壞往往是主要的失效模式，因此疲勞壽命成為業(yè)內(nèi)衡量產(chǎn)品最終質(zhì)量好壞的重要因素。

疲勞壽命的計(jì)算比較復(fù)雜，受很多實(shí)際條件的限制，也受到很多因素影響，難以得出科學(xué)合理的結(jié)果。因此，往往需要通過疲勞試驗(yàn)來進(jìn)行測算。

但對于外載荷比較直觀、結(jié)構(gòu)自身不太復(fù)雜的汽車衡承載臺面，仍然可以通過一定的理論計(jì)算預(yù)測其使用壽命。疲勞壽命與結(jié)構(gòu)應(yīng)力大小密切相關(guān)，而應(yīng)力計(jì)算還是以軸

載作為基本的計(jì)算輸入條件之一。

經(jīng)過長期的試驗(yàn)驗(yàn)證，小編推算出汽車衡承載臺面的疲勞壽命與最大應(yīng)力關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式。如果需要達(dá)到100萬次，則承載臺的最大應(yīng)力不宜大于130N/mm。

簡單說明如下：