两体式小秤台动态汽车称重系统研究——新一代公路汽车计重收费设备

　　1 引言

　　我国根据国情采用计重收费治理高速公路车辆超限运输，保护公路，减少事故，减少人员财产损失，保持高速畅通，使收费趋于合理，已取得显著成效。

　　实行计重收费的核心设备是动态汽车称重系统，它以红外光栅进行车辆分离，动态汽车衡进行称重，动态汽车衡与轮胎识别器联合识别车型、测量车速和加速度，对称重进行车速修正，然后根据车型限重及实际车重和里程进行收费。

　　对于生产厂家，必须自己制造动态汽车衡、轮胎识别器和数据采集处理器的硬件和软件。本文将介绍课题组在这方面的研究成果。

　　2 动态汽车衡研究

　　2.1 长方形大秤台动态汽车衡存在的主要缺点

　　现用动态汽车衡多为长方形大秤台，例如3400×800×200mm，四角下置电阻应变式称重传感器，微机运行专用软件控制快速采样电路对通过的车轴重进行多次称量，找出轴重然后将各轴重累加求出整车的总重量。

　　这里，动态称重是在车轴驶过秤台引起秤台强烈振动的情况下进行的，必将受到振动的干扰，因此准确度远不如静态称重准确。表现在重复称重时分散性大 (重复性差)，计重收费时一过性称重误差时大时小，相差较多。欲提高动态汽车衡称重的准确度，关键是提高其重复性。实践表明这的确是衡器界遇到的一大难题。只有研究清楚秤台振动，找到减弱振动的方法，才能有效的进行改进。

　　四种振动干扰动态汽车称重及采取的对策：

　　(1) 秤台在轴重冲击下产生“机械震动”干扰轴称重。这种钢结构发生的机械震动，包含多种振型，频率为几十赫兹到 200 赫兹，通常用低通滤波器可明显削弱其影响[1][2]。

　　(2) 轴载质量和板簧组合的振动严重干扰称重。其机理是轴载质量向上、向下加速时产生惯性力干扰称重。由于振动频率极低，低通滤波对它不起作用。这种振动由于轴质量巨大，影响十分严重。因此国家检定规程[3]规定：承载器 (即秤台) 两端各 8m的引道纵向和横向水平倾斜度允差为±3mm;8m 以外的引道区域允差为±6mm。既要求足够长的引道是一个平直的表面基本水平的光滑平面，又要求车辆匀速通过。即使如此，一些不很坚固的超载车辆，快速行驶时仍会出现较强的上下振动，导致动态汽车称重误差甚大。只有限速 5km/h 以下匀速通过，才能明显改善。

　　(3) 长方形秤台沿长方向挠曲振动影响称重。现用的长方形秤台 (第一代秤台)，如图 1 所示，其动态称重等效物理模型如图 2[4]所示。

　　动态称重时车轴重加于秤台为一阶跃载荷，将引起秤台沿长方向挠曲振动，这时轴载质量 M和秤台振动等效质量 m 组成的质量块以加速度 a振动产生的惯性力 -(M+m)a 将干扰称重。这种阶跃载荷包含许多谐波，其主谐波的周期 T 约为车轴通过秤台时间 τ 的两倍，即主谐波频率为f=1/2τ。当车辆以某一速度通过秤台，轴载荷主谐波或二次谐波频率接近秤台挠曲振动的固有频率时，将发生共振，使多次轴称重的极差显著增大，轴称重的准确度大为降低。实践中已经观测到这个现象。解决这一问题的主要办法是：(1) 减小秤台挠曲振幅，减弱振动;(2) 提高秤台挠曲振动的固有频率，避免共振;(3) 加强阻尼吸收振动。这第三项措施有其特殊意义，值得深入研究。因为理论上阻尼系数≥0.707，就不再有共振发生。阻尼系数越大，振动衰减越快，引起的振动越弱。