一、存在的問題

在GB1589-2004《道路車輛外廓尺寸、軸荷及質量限值》國家標準中，明確規定車輛最大允許總質量的最大限值為49噸。但是隨著市場運輸需求不斷的提高，到目前為止，已經有接近200噸質量的車輛，隨之能夠稱量此類車輛的衡器也呼之而出。這樣本來一些只有二三十噸載荷的支撐點，也必須承擔近百噸的載荷。使得以往沒有什么問題的結構，也產生了不可思議的現象。

1、偏載誤差比較大

按照JJG539-97《數字指示秤》計量檢定規程所規定的偏載性能檢測方式，對于六個以上承載點的衡器，使用Max/n-1的載荷依次對每個承載點進行調試時，每個點的偏載誤差在允許范圍之內，然而當使用大噸位短軸距汽車分別停于承載器不同位置上，其誤差明顯增加較多。

2、卸載后衡器不能回復零點

當大噸位短軸距汽車稱量結束離開承載器，有一些衡器的示值不能較快回到零點，其中固然有可能是稱重傳感器的恢復力矩比較小有關，也有可能是承載器及其連接件的剛性達不到規定的指標。

3、重載時稱量誤差增大

一個大型汽車衡（一般是指100噸以上），當其承載器為三段式，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50噸之內載荷的短軸距車輛分別停于中間和兩端位置稱量時，秤量值基本沒有差異。但是當70噸以上載荷車輛稱量時，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，稱量誤差越大。

二、邊界條件的影響

為什么目前會出現以上的種種現象呢？經過近幾年的觀察和試驗，認為主要是由忽視邊界條件影響的原因所造成的。

彈性力學中，它研究彈性物體在外力和其它外界因素作用下產生的變形和內力，求解一個彈性力學問題，就是設法確定彈性體中各點的位移、應變和應力共15個函數。從理論上講，只有15個 函數全部確定后，問題才算解決。對于力學問題的求解，我們根據15個方程來求解那是相當麻煩的，但是經過研究，若是得到給定符合一定條件的應力邊界或是位移邊界，會更有利于我們對問題的求解，所以，我們解題時就相應的可以根據實際情況來應用應力解法或是位移解法來設定變量。一般邊界條件有三種形式，分為本質邊界條件（狄里克雷邊界條件）、自然邊界條件（黎曼邊界條件）、混合邊界條件（柯西邊界條件）。對于自然邊界條件，一般在積分表達式中可自動得到滿足；對于本質邊界條件和混合邊界條件，需按一定法則對總體有限元方程進行修正滿足。

邊界條件分別為位移邊界條件和應力邊界條件。比如，基礎板太薄、基礎高度差大、混凝土強度不足、混凝土充填不足、壓頭結構、結構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力邊界條件影響。

1、位移邊界條件影響

以前常規產品18m的承載器是三節臺板，自從GB/T7723-2008標準對承載器相對變形量的控制要求，由于稱重傳感器銷售價格與鋼材價格的懸殊，不少制造商改為四節臺板于以應對。這樣就單塊臺板來講，其剛度是提高了，變形量縮小了。這種設計，從表面上看是一種優秀的設計，但是其疏忽了另一個方面的問題，即可靠性。當一個設備所采用的零部件越多，那么相對可靠性就會下降。這里同時增加了一對搭接結構、一對基礎板、一對稱重傳感器，如果其中有一個部件沒有被注意到，就有可能影響衡器的計量性能。

（1）對于由多塊臺板組成的承載器之間的連接方法，也是設計者應該注意的問題。為什么一些產品在現場出現塌臺問題，就是因為該生產單位在設計和制造過程中，沒有重視承載器搭接頭的技術。

一類搭接頭的形式，靠鋼板先將承載器連接起來，將稱重傳感器支撐在鋼板的中間。

一類搭接頭的形式，是將主臺板由稱重傳感器支承起來，靠搭接頭將副臺板支撐住。目前有許 多結構采用這種方式。

這些結構的設計時，除了應注意各部位的焊接強度外，還應注意到與其相關聯結構的強度。

在兩塊臺板之間搭接頭的數量，一般是采用兩塊。如果連接的位置超過了兩處，就會出現超靜定現象。超靜定現象的表現形式，就是汽車衡在稱量過程中，稱量示值數據總是在不斷變化，重復性很難保證。也就是說，由于衡器邊界條件的不斷改變，其初始零點也在不停的改變，而初始零點的改變就直接影響到衡器回零的問題。

（2）基礎板剛度不足或基礎板底部混凝土充填不足等，也是產生位移邊界條件影響的原因。當重載車輛的重載軸壓到那個剛度差的基礎板上方時，此點的稱量性能必然會產生較大誤差。

（3）稱重傳感器和壓頭的硬度不足時，一是會產生一定的位移變形，一是會產生永久變形。位移變形可能會影響的性能誤差，而永久變形則是會影響稱重傳感器的恢復力矩，使衡器卸載后不能盡快回到零點。

（4）結構剛度是主要指大型衡器承載器的剛度。對于使用砝碼測試時的均布載荷來講，可能1/300左右的承載器也能通過稱量性能的檢定。但是此類結構的承載器不能滿足實際使用時的要求，在很多情況下會被車輛壓塌。即使不被壓塌，也會因為變形量較大影響到衡器的稱量性能。

2、應力邊界條件影響

我們衡器行業從生產機械衡器時起，就對鑄件、焊接件、機加工件時產生的加工應力不是很重視，由于機械衡器主要是裝配結構，對加工應力所造成的計量性能影響不是很明顯。進入電子衡器時代后，大型衡器的承載器大都是焊接結構件，并開始采用型鋼結構的大型衡器，這類衡器采用的是斷續焊接工藝，焊接應力對承載器整體結構的影響比較小。但近年來U型梁結構的大型衡器承載器，由于采用連續焊接工藝，其焊接應力對承載器的影響就比較大，一些與之關聯的部件（如搭接板、稱重傳感器墊板等）也由于應力所產生的結構變形，不但影響到產品的安裝質量，而且直接影響到產品的計量性能。

三、承載器結構的設計

1、提高支撐部位的剛度和強度

承載器的剛度與強度要求，我們在GB/T7723-2008《固定式電子衡器》國家標準中，已經對其有了明確的規定。而一些支撐部位的部件結構，如基礎板、搭接板、稱重傳感器墊板等也不能忽視。從上述“當70t以上車輛稱量時，在中間位置稱量的量值明顯大于兩端位置稱量。而且，軸載越是接近搭接處時，稱量誤差越大”的情況，可以基本上可以判定為是由于這些部件設計或安裝不當造成的。

2、關于超靜定問題影響

超靜定是維持平衡所必需的約束之外，再增加一個或幾個約束，也是一種邊界條件。也正是GB/T7723的規定了剛度要求，一些企業為了確保承載器的變形量小于1/800，將本來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，隨之工程力學中的一個麻煩——超靜定問題出現了。超靜定在工程實踐中是經常遇到的，本來汽車衡承載器就是一個超靜定結構，我們在設計時是努力減少支撐點，以減少超靜定對計量性能的影響，現在為了提高承載器的剛度，增加了承載器的支撐點，反而增加了邊界條件的影響，更加會影響衡器的計量性能。

3、提高搭接板的強度

從上述兩個示意圖表示的結構，我們可以很清楚地看出，搭接板的設計應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結合為一體。

4、焊縫強度的影響

在縱梁與面板之間的焊縫方面，因為焊縫比較長，焊腳的高度可以不十分注意。但是焊縫的結構必須嚴格控制，因為焊接電流過大，焊件間隙過大、焊接速度過慢造成的焊穿、焊漏不應該出現；咬邊（或稱“咬肉”）也是不能出現，咬肉不但減弱了基本金屬的有效面積，減弱了焊接接頭強度，并且在咬邊處形成應力集中，在承受載荷后有可能在咬邊處產生裂縫。

5、用有限元法分析邊界條件

有限元法最初被用來研究復雜的飛機結構中的應力，它是將彈性理論、計算機學和計算機軟件有機地結合在一起的一種數值分析技術。目前，它在許多學科領域和實際工程問題中得到廣泛的應用，因此，在工科院校和工業界受到普遍的重視。

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復雜的幾何形狀、復雜的材料特性和復雜的邊界條件，再加上有成熟的大型軟件系統的支持，它可以成為對多支撐點承載器結構數值計算方法。

四、制造安裝工藝

從上述幾個問題我們都是強調產品結構方面的，而解決邊界條件的影響加強工藝控制，也是一條重要的渠道。

1、焊接工藝

一般在焊接工藝的各種的教材中，對焊接裝配的合理性、焊接應力及變形的產生原因、防止和減少焊接應力及變形的措施等都進行了介紹。一是，焊件材料線膨脹系數大的，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力。斷續焊縫的收縮也較連續焊縫小得多。二是，合理的焊接順序是可減少變形和減少焊接應力的。三是，減少焊接應力及變形，應該從設計和工藝兩個方面著手解決。

2、焊接結構殘余應力及變形的消除和矯正方法

傳統的方法有：整體高溫回火法、機械矯正法、氣體火焰矯正法、自然時效法、敲擊時效法等。目前在機械行業通用的方法，主要是“振動時效法”，這是國家“七五”、“八五”期間的重點推廣項目，已經在機械、化工、航天、冶金等行業廣泛使用。

振動時效與傳統的熱時效和自然時效方法相比，具有節能高效、減少環境污染等諸多優點。相比熱時效節能95%，處理時間只需20～30min，不占場地、便于攜帶。

振動時效可以全程對部件的時效情況進行觀察，振前在線全程掃描、全程打印；振中監測時效效果；振后在線局部打印、單峰值局部掃描。

但是，振動時效的最大缺點是噪音比較大。

3、基礎施工

如前所述，大型衡器基礎的混凝土施工質量和基礎板澆灌質量，也是引起邊界條件問題的因素。一個穩定牢固的鋼筋混凝土結構就是一臺大型衡器的基礎，所以要選擇足夠承載力的地耐力，足夠強度的鋼筋網絡結構，優質的混凝土和嚴格的澆筑工藝。

五、結束語

我們在談到大型衡器時，總是注意到“稱重指示器”、“稱重傳感器”、“承載器”和“基礎”四大部分，在很多情況下會忽略了一些所謂的“邊界條件”，本文根據多年的工作經歷和近年來大型衡器上發生的各種問題。所以在產品的設計、制造、安裝和使用中，既要抓住西瓜，也不要放棄芝麻。