本文通過對地磅承載情況的分析，提出開發(fā)組合型多范圍地磅的設想。
前言
本文是筆者一個探索性的題目，通過對地磅承載能力的分析，進而探討開發(fā)多秤臺組合型多范圍地磅。更進一步探討用檢衡車檢定地磅的方法。
一、地磅承載能力分析
地磅是用于稱量載貨車輛的計量設備，其承載器是秤臺。由于稱量的車輛越來越大，秤臺一般做成多節(jié)秤體組合而成。這么一個秤臺能稱量多重的車輛呢？在我國現(xiàn)有的地磅標準中涉及這個問題的是汽車衡的最大秤量（Max）。似乎稱量的車輛總重只要不超過最大秤量即可，實際上不是這么簡單。這里有二個問題要明確：一是載貨車輛的
重量是通過汽車輪胎加載到秤臺上的，并且汽車輪胎是要運動通過秤臺，也就是說地磅秤臺既要承受車輛靜態(tài)載荷，也要承受汽車移動載荷---動態(tài)載荷。二是秤臺是有多節(jié)秤體組成，車輛載荷是一節(jié)一節(jié)秤體上通過的。下圖是一個3節(jié)秤體組成的秤臺，秤體下安裝8只稱重傳感器，稱量的車輛是一個6軸載貨車輛。這是很普通的汽車衡稱量方式。
從上圖中可以看出，車輛的總重量等于車輛各輪軸載荷之和，這些輪軸壓在秤臺上不同的位置（也可以說壓在不同的秤體上）。單根輪軸載荷稱之謂“軸載’,接近的二根軸或三根軸的輪軸載荷稱謂“軸組載荷”。實際稱量作業(yè)中，被稱量的車輛是五花八門的，它的型號、規(guī)格有很多。各種車型的輪軸數(shù)、軸間距各不相同，即車輛的載荷分配到每根輪軸上的情況是各不相同的。也就是說車輛載荷不是均勻分布在秤臺上的，傳感器的受力狀況也就是不一樣的。但當這輛車行駛通過秤臺時，每節(jié)秤體上所受的最大載荷是相同的，所有傳感器截面承受的最大載荷也是相同的。
從上圖中還可以看出，當車輛停在秤臺上，由于輪軸數(shù)不同、軸間距不同，各節(jié)秤體上壓上的輪軸數(shù)也不同。就有可能出現(xiàn)不是所有秤體上都有載荷的情況，有可能壓在一節(jié)秤體上、或有可能壓在二節(jié)秤體上、也可能所有秤體都有載荷。
一臺地磅要能夠稱量多種車型并經(jīng)受這些車輛載荷安全通過。地磅的秤臺作為承載器就要能夠承受這些車輛上秤臺，并保證秤臺不因變形而影響計量性能。這就要求秤臺有足夠的剛度和強度，這是秤臺結(jié)構設計的問題。秤臺大多是鋼結(jié)構平臺（也有混凝土平臺或鋼混結(jié)構平臺），可以作為鋼結(jié)構件進行設計。地磅的秤臺有多節(jié)秤體組成，單節(jié)秤體是受力單元。單節(jié)秤體的承載能力直接關系到整臺秤的承載能力?？梢哉f地磅秤臺設計首先是如何設計單節(jié)秤體。
地磅秤體下安裝稱重傳感器，對于單節(jié)秤體可以按經(jīng)典力學的簡支梁計算處理。
關鍵問題是設計載荷如何確定？我們不可能把所有車輛的軸重載荷都拿來計算。載重車輛實際載荷情況是后載荷遠大于前軸，后軸數(shù)量一般有單軸、雙軸、三軸幾種（大于三軸的較少），其中又以雙軸車輛為多。我們不妨以雙軸車輛載荷作為秤體設計載荷。我國地磅標準和檢定規(guī)程沒有對秤體的設計軸載提出要求，純粹由衡器制造商自行決定的。
又由于我國的檢定規(guī)程對地磅試驗時砝碼的加載方式也沒有具體明確的要求，雖然在“GB/T7723—2008”《固定式電子衡器》的標準中增加了對秤體相對變形量的測試，這僅僅是對測試秤體的剛度提出了方法。計量性能檢定時砝碼如何分布在秤臺上沒有明確的具體要求?，F(xiàn)實中大多是將砝碼均布在整個秤臺上進行計量性能檢定的。這與實際
車輛通過輪軸加載到秤臺上有很大的差異。沒有對集中載荷這一實際情況進行要求，這就造成有些衡器制造商將秤體的設計載荷定得較低，砝碼檢定能順利通過，實際使用時地磅使用壽命大打折扣，計量性能較差，故障率也隨之提高。這是我國地磅產(chǎn)品中普遍存在的一個問題。
這個問題在美國的衡器標準中很早就有要求了。上世紀 90年代部份國外公司提出過設計軸載概念，其加載方式如圖2。
這個軸載的加載方式是按美國“NIST Handbook 44”手冊的要求做的。軸載的大小數(shù)值是制造廠商自己確定的。此外，美國“NIST Handbook 44”手冊中還要求衡器制造商給用戶提供一個能體現(xiàn)秤臺承載能力的指標，稱之“ CLC”（concentrated loadcapacity,大多譯成“集中載荷承受能力”）。這個“集中載荷承受能力”也是法制計量檢定員用于型式評價或現(xiàn)場試驗的試驗載荷。
這個概念我國衡器界似乎一直未能引起大的關注?！凹休d荷承受能力”在美國也討論了多年，最后還把這個概念與美國聯(lián)邦公路管理局關于橋梁總負荷公式B聯(lián)系起來（詳見周祖濂先生發(fā)表在衡器雜志2009年第七期上的“集中載荷秤量概述”一文）。這個“集中載荷承受能力”到底是什么概念，又有什么用處？下面把我的理解表述如下：
1.集中載荷承受能力定義——以一定的方式放在秤臺上任何區(qū)域（位置），秤臺所能承受的最大載荷。所謂一定的方式是指用雙軸載荷加載在秤臺上，軸間距為 4英呎(約等于 1.2m)，軸載負荷橫向的外側(cè)寬度為 10英呎(約等于 3m)。雙軸載荷的大小值是衡器制造者自定的。各個制造商可以取不同值，見圖 3。如果在現(xiàn)場用砝碼測試時，則將
如圖 4所示布置砝碼。
2.“集中載荷承受能力”是汽車衡承載能力的表達，實際上是指單節(jié)秤體的承載能
3.“集中載荷承受能力”是衡器制造商產(chǎn)品的一個技術指標，必須公示。是提供用力。
戶選擇什么樣的衡器能滿足自己的稱量要求的依據(jù)。它也是法制檢定人員的檢定依據(jù)，就是說也可以作為現(xiàn)場的試驗載荷。
4.在集中載荷作用下，秤體的強度、剛度指標在美國“NIST Handbook 44”手冊中沒有提及。衡器制造商可以把“集中載荷承受能力”作為結(jié)構設計的設計載荷，在這個設計載荷作用下，衡器能安全工作。這里的安全工作要求并沒有提及衡器的使用壽命。
“集中載荷承受能力”并不是一個體現(xiàn)全面要素的指標。衡器制造商還是可以通過強度、剛度、疲勞壽命設計來體現(xiàn)自己產(chǎn)品的特點。
以上分析可以明白地磅的承載能力是單節(jié)秤體決定的，那么多節(jié)秤體組合的秤臺又能稱量多大的車輛載荷呢？這就與稱謂的“最大秤量“直接相關了。
在美國“NIST Handbook 44””手冊中明確“集中載荷承受能力”與汽車衡的額定秤量（即最大秤量Max）之間的關系，如下式：
Max≤CLC（集中載荷承受能力）×(N-0.5)----------------------------公式1
式中N是衡器的截面數(shù)（不應該理解為秤體節(jié)數(shù)）。
注：截面（Section）指電子衡器中一對稱重傳感器中心主軸的垂直面。
公式1也可以用下式表達：
Max≤CLC（集中載荷承受能力）×(D/2-0.5)--------------------------公式2
式中D是所有秤臺下安裝傳感器的總數(shù)量，通常一個橫截面上只有2只傳感器。
按以上公式則有，
單節(jié)秤體的單臺面秤臺，Max≤ 1.5×CLC(集中載荷承受能力)；
二節(jié)秤體的雙臺面秤臺，Max≤ 2.5×CLC(集中載荷承受能力)；
三節(jié)秤體的三臺面秤臺，Max≤ 3.5×CLC(集中載荷承受能力)；
四節(jié)秤體的四臺面秤臺，Max≤ 4.5×CLC(集中載荷承受能力)；
這個公式是非常重要的，確立了秤臺的設計載荷與最大秤量之間的關系。也可以說確立了設計與使用之間的關系?？梢钥闯銎嚭獾淖畲蟪恿颗c秤體節(jié)數(shù)相關。
上述二個公式反映了最大秤量與“集中載荷承受能力”之間的關系，但沒有直接體現(xiàn)秤體自身的長度對承載能力的影響。對于同一截面結(jié)構的秤體，秤體越長越容易變形。
如果設計一臺汽車衡的秤體，秤體長 6m、寬 3m；其承載能力按“集中載荷承受能力”=300kN（雙軸載荷）設計。假如這個秤體截面結(jié)構不變，把秤體長度做成5m，則此秤體承載能力（集中載荷承受能力）可能達到360kN。也就是說單節(jié)秤體的承載能力又與秤體長度相關。
據(jù)此是否可以得出一個結(jié)論，秤臺的承載能力是單節(jié)秤體的承載能力確定的，稱量車輛的載荷大小與秤體的節(jié)數(shù)相關。這里與我國的汽車衡概念有差異了。美國衡器制造商的產(chǎn)品樣本上，對某個結(jié)構的汽車衡，都給出一個“集中載荷承受能力”，而其額定秤量（最大秤量 Max）是一個變數(shù)，與組合的秤體節(jié)數(shù)相關。下表是某國外公司 1999
年的樣本資料（美國其他衡器公司樣本也大多標注“集中載荷承受能力”）。
此表中，序號 9、10的意思是：對于 7561型結(jié)構汽車衡，其“集中載荷承受能力(CLC)是60kLbs（≈30t），當秤臺長度≤20英呎（≈6m）時，最大秤量Max=120kLbs（≈60t），當秤臺長度＞20英呎時，最大秤量Max=200kLbs（≈100t）。
綜上所述，可以說一臺電子汽車衡能稱量多大重量的車輛是有三個因素決定，一是單節(jié)秤體的承載能力；二是車輛的輪軸載荷的大小和分布；第三又與秤體的長短尺寸相關。
筆者認為“集中載荷承受能力”是一個非常重要的概念，我國衡器界應該給予重視。
它可以將汽車衡衡器的設計制造與用戶的使用方法、法定檢定機構的檢定統(tǒng)一起來。有利于地磅技術的發(fā)展，有利于電子汽車衡的技術規(guī)范。例如，確定的一臺地磅秤體結(jié)構，將秤體做成3節(jié)（3x6=18m）時，其最大秤量是100t。若將此結(jié)構的秤體做成4節(jié)（4x4.5=18m）時，則最大秤量可能可以是120t。按照【中華人民共和國交通部
令 2000年第 2號《超限運輸車輛行駛公路管理規(guī)定》】對運輸車輛的軸載規(guī)定及七部委聯(lián)合治超規(guī)定，三軸雙輪不超過24t載荷及整車不超過55t的規(guī)定，每節(jié)秤的稱量能力已能滿足市場需求，同時對制造商來說，非常方便組織生產(chǎn)，可以節(jié)約成本、提高效益。
二、組合型多量程汽車衡探討
從上述分析得知地磅秤臺的承載能力是由單節(jié)秤體決定的，每節(jié)秤體都能承受負荷。而目前對于多節(jié)秤體組合的秤臺通常是作為一個秤臺的電子秤使用的。現(xiàn)有電子汽車衡的結(jié)構是在秤體下安裝多只稱重傳感器，傳感器的信號接入一個接線盒，接線盒將信號合并后傳輸給稱重儀表，儀表將信號放大、A/D轉(zhuǎn)換運算，再將運算結(jié)果在儀表上
顯示出來。與之相關的計量技術參數(shù)主要是最大秤量（Max）、分度值(e)及準確度等級。
被稱量車輛不管在秤臺上任何位置，都只能稱量出一個值。實際上，用戶購買一臺地磅。其稱量的載貨車輛有大有小，稱量的重量接近最大秤量時其計量準確度才比較理想。
用大秤量的秤稱量小重量必然帶來大的誤差。而地磅秤臺又是有多節(jié)秤體組成（如100t地磅大多有3節(jié)秤體），地磅秤臺的承載能力實際是由單節(jié)秤體的承載能力決定的（秤的最大秤量與單節(jié)秤體的承載能力有一個函數(shù)關系），為什么不能將每節(jié)秤體作為一臺秤使用呢！這就是本文探討的“多秤臺組合型多范圍地磅”。對此關鍵部分為：一是將秤體組合的搭接結(jié)構的適應性；二是一臺多通道稱重儀表，將所有傳感器信號直接接入儀表即可。舉例說明之（見圖5、6）。
上圖中第一節(jié)秤體（S1）四角安裝4只傳感器（C1、C2、C3、C4）；第二節(jié)秤體（S2）的一端搭接在前一節(jié)秤體上，在第二節(jié)秤體另一端安裝 2只傳感器（C5、C6）；同樣方式，第三節(jié)秤體（S3）的一端搭接在第二節(jié)秤體上，在第三節(jié)秤體另一端安裝2只傳感器（C7、C8）。8只傳感器信號直接接入稱重儀表。將第一節(jié)秤體和安裝在四角的傳感器設置為一臺秤（M1秤），將第一、第二節(jié)秤體和其下的6只傳感器組成一臺秤（M2秤），
將全部三節(jié)秤體和8只傳感器組成一臺秤（M3秤）。這三臺秤分別設置最大秤量和對應的分度值。當車輛停在第一節(jié)秤臺上，車輛輪軸只壓在第一節(jié)秤體上，只有C1、C2、C3、C4的四只傳感器有信號給儀表，其它4只傳感器只有空秤信號，儀表可以自動判斷，用M1秤的技術參數(shù)顯示重量。同樣，當車輛輪軸只壓在第一、第二節(jié)秤體上，用M2秤的技術參數(shù)顯示重量；以此類推，車輛輪軸壓在全部三節(jié)秤體上（或車輛輪軸壓在第一、第三節(jié)秤體上），這時用M3秤的技術參數(shù)顯示重量。這樣的汽車衡在技術上是沒有難度的，多通道儀表也已普及。傳感器信號直接進入儀表，儀表自動判別傳感器信號、自動
運算，自動顯示出重量值。而且可以在儀表顯示窗上顯示出秤號、重量值、分度值。這個稱重儀表也可以做成二個部分---一個數(shù)字運算盒子和一個顯示儀表。傳感器信號進入數(shù)字運算盒子，信號處理、運算完成后把結(jié)果傳輸給顯示儀表顯示。這樣的好處是這個數(shù)字運算盒子可以安裝在秤體上，顯示儀表放在磅房內(nèi)。
下面將圖5、圖6變?yōu)橐粋€實例說明。
設最大秤量120t，秤體長6m、寬3m，則有：
M1秤，Max1=40t，分度值d1=10kg，秤臺規(guī)格3m×6m;
M2秤，Max2=80t，分度值d2=20kg，秤臺規(guī)格3m×12m；
M3秤，Max3=120t，分度值d3=50kg，秤臺規(guī)格3m×18m。
這樣，這個地磅可以當作3臺秤使用----真正一秤多用。這種秤我相信有相當多的用戶是歡迎的，是有實用意義的。如目前高速公路上用的汽車衡，稱量的車輛長短就是多種規(guī)格的。以此類推，2節(jié)秤體組成的秤可以當作 2臺秤使用，4節(jié)秤體組成的可以當作4臺秤使用。
這個多范圍衡器實際也是多分度秤，按多分度秤來評估也是行得通的。當然與目前的地磅標準是不一致的。如果這個產(chǎn)品有使用價值、有推廣價值，修訂、補充、完善現(xiàn)有標準應該不是難事。
三、檢定方法探討
對這類組合型多范圍地磅如何檢定呢？如果要按多臺秤檢定，那檢定工作量是很大的。這又是需要探討的問題。我設想了二種方式。
第一種是按組合型秤中最大秤量的那臺秤按現(xiàn)有檢定規(guī)程檢定，但檢定分度值按組合秤中最小秤量秤的分度值。利用稱重儀表的輔助指示裝置可以做到。這種方法是否可行？從理論上講關鍵是傳感器特性的一致性問題。對傳感器特性有多高要求，需要通過試驗來驗證。
第二種是將單節(jié)秤體作為一臺秤，分別檢定。如上例中的三節(jié)秤體組合秤，將每節(jié)秤體作為一臺秤，分別檢定這三臺秤。這三臺秤的最大秤量、分度值是一樣的，檢定順序相同，比較方便，但其中有的傳感器是重復被使用的?；蛘邔⑦@三節(jié)秤體作為二臺秤檢定（第一節(jié)和第三節(jié)）也是可以的。
地磅在安裝、調(diào)試過程中有一個校準工作。其目的是標準器（砝碼）與傳感器、儀表“相親”，讓砝碼的質(zhì)量值變成重力信號，此信號讓傳感器、儀表一致認可、匹配。
地磅用的傳感器額定容量是小于秤的最大秤量的，傳感器容量的選擇與“集中載荷承受能力”相關，用接近傳感器額定容量的標準器來校準傳感器、儀表應該是可以的。上述將單節(jié)秤體作為一臺秤來校準，可以按“集中載荷承受能力”的載荷來校準，對單節(jié)秤臺，其最大秤量是“集中載荷承受能力”的1.5倍（見公式1、2），這樣校準標準器的重量是超過50%最大秤量要求的。
上述方法是否可行，期待同行探討。
