按照GB/T 21296-2007《动态公路车辆自动衡器》中的定义,动态称量是指对行驶中的车辆的轮子载荷的动态检测和分析,获得车辆总重量或轴载荷的过程。那么行驶中的车辆的轮子都受到哪些力的影响呢?GB/T 21296-2007也给出了定义,即动态车轮力。动态车轮力是指行驶中车辆通过轮胎垂直方向作用到公路表面,并随时间不断变化的力。该力除了重力外,还包括其它动态因素对行驶中车辆的影响。
大家知道,不论是轴重动态称重、轴组动态称重、还是整车动态称重,其称重原理均是采用了轴重累计总重或者是通过轴重参与计算总重量的计量原理,我们称之为轴重计量模式。
前面的定义已经说过,动态称量是对行驶中的车辆的轮子载荷的动态检测和分析,获得车辆总重量或轴载荷的过程。而车辆的动态车轮力除了重力外,还包括其它动态因素对行驶中车辆的影响。车辆行驶中的动态影响因素主要有车速、轮胎牵引力、轮胎特性、车物重心和路面状况等。下面我们以两轴货车为例,对这些动态影响因素对行驶中车辆的影响进行分析。
(1)匀速行驶。当车辆处于匀速状态时,作用在前后轮上的牵引力相同,前后轮上的牵引力之差为零。根据力学分析,此时车辆对秤台的力(即称重传感器的测量值)等于车辆受到的重力。
(2)非匀速行驶。假设车辆是后轮驱动,当车辆处于加速状态时,由于力的传导存在时差性,后轮上的牵引力大于前轮上的牵引力,根据力学分析,此时秤台测到的车辆重量会小于实际重量。同样,车辆的刹车也会影响前后轮牵引力的大小,导致测量值不等于实际重量。
(3)行驶中车辆在通过轴载荷动态衡器过程中,只有在已保持一定时间稳定状态后的匀速通过衡器过程中,其轮胎受力状态是稳定不变的,这种理想状态也解释了为什么轴载荷衡器也存在着一定的准确性的原因。这种理想状态在大部分情况下是难以实现的,对同一车辆在实时工作状态下是不可复现的。从衡器本身的要求来看,这种轴载荷累加得到整车重量的技术方式是存在重大缺陷的,因而采用这种技术的衡器,不具备动态衡器的基本计量学要求。这就是为什么用石英式、弯板式、窄条式、轴重式、轴组式等动态公路衡器称量存在不准确、不稳定的原因。
(4)轮胎特性。车辆的轴重通过轮胎和秤台接触,而轮胎与秤台的接触不是点接触而是面接触。同时,轮胎和地面的接触压力分布并不是处处一致的,而是满足一定的分布函数,并且连续变化。因此,当汽车经过称重传感器的时候,并不会产生一个我们理想中的方波信号,而是一个类抛物线信号。同时,各车辆轮胎胎压、轮胎表面花纹等因素也会对传感器输出信号产生影响,从而影响称量数据。
(5)路面状况。路面不平整会造成车辆悬挂系统的震动,路面坡度会造成车辆重心转移车辆受力产生变化,这些都会很明显的影响动态称重的精度。这些振动的波形,与真实重量在传感器上反应的波形明显是具有一定的相位和频率上的不同,成为影响称重真实信号的重要因素。测试结果显示,因为路面不平整带来的振动的幅值可以达到实际车重的0~30%左右。
(6)车物重心的变化。由于货物的种类、形状、体积、密度等不同(如固体、液体、活动物等),加之轮胎和车体货物也不是一个刚体,遇到路面不平整或者路面有坡度或者车辆刹车时,会产生货物的振动和位移,造成车辆重心变化,轮胎受力变化,直接影响轴载荷的分布,继而影响实际称量结果。
总之,影响车辆行进中轴载荷的因素众多,各因素没有内在的规律可循,这些因素导致行驶中的车辆轴载荷每时每刻发生着变化。即单一轴重是缺乏重复测量性的变量,不可重复、不可再现。
下面通过一个实例帮助大家理解动态称量中轴重计量存在的准确度、稳定性差的缺陷。
2019年8月份,笔者在公司试验场对双台面动态公路自动衡进行了使用中测试。测试指标是最大允许误差,要求±2%。分别用四轴车和六轴车做试验,行驶状态分为正常行驶和非正常行驶(例如车辆经过时,车速不稳、突然踩刹车、加油门等异常过衡),测试情况如表1、表2所示。
表1是六轴车辆的测试数据,共测试了20个数据,其中第1至第13个数据是车辆正常行驶状态数据,第14至第20个数据是车辆非正常行驶状态数据。从表1中可以看出,车辆正常行驶状态下测试的数据均在最大允许误差内。车辆非正常行驶状态下测试的数据共7个,有4个超出最大允许误差范围,占比达到57.1%,最大误差是-4.1%。
表2是四轴车辆的测试数据,共测试了21个数据,其中第1至第13个数据是车辆正常行驶状态数据,第14至第21个数据是车辆非正常行驶状态数据。从表2中可以看出,车辆正常行驶状态下测试的数据均在最大允许误差内。车辆非正常行驶状态下测试的数据共8个,有4个超出最大允许误差范围,占比达到50%,最大误差是9.2%。
现实中,车辆在公路上的行驶状态是千变万化的,随机性很大,动态衡器对正常行驶(标准状态)下的秤量是相对准确的,但对非正常行驶称量的误差无法控制。
综上所述,动态称量中用轴重计量模式不能得到准确的称量结果,“轴重计量模式”的动态计量设备不仅误差大,最严重的是误差的叠加引起测量跳变,进而导致误差不可控,影响称重结果的稳定性。因此动态称量中轴重计量存在明显的弊端。