我國實施多年的計量稱重收費管理是治理高速公路車輛超限超載的有力措施, 動態汽車衡是高速計量稱重系統中的關鍵設備, 稱重數據是收費站收取費用的主要依據, 廣大運輸用戶經常通過沖磅、跳磅、走“S”形來逃避費用, 這一現象大大縮短了動態汽車衡的使用壽命, 嚴重侵犯了高速公路管理部門的利益。收費站為了防止這種逃費的方式, 往往會在動態汽車衡的行駛方向安裝一定數量的減速帶, 然而, 減速帶導致路面顛簸可能會對動態汽車衡的稱重結果產生很大影響。因此, 研究減速帶對動態汽車衡稱重結果的影響就非常有意義。

為簡化分析, 本文主要以兩軸汽車為研究載體, 依據JJG 907—2006國家檢定規程, 建立汽車勻速通過動態汽車衡, 無減速帶和有減速帶的兩種力學數學模型, 并通過理論分析結果和試驗數據的對比, 得出安裝減速帶后對動態汽車衡稱重數據的影響, 同時為減速帶的布置提供理論支撐。

國家檢定規程JJG 907—2006中要求汽車在通過動態汽車衡時需要勻速行駛[1], 如果沒有安裝減速帶, 汽車勻速通過動態汽車衡時的局部受力分析如圖1所示。

由圖1汽車勻速通過無減速帶動態汽車衡時的受力分析, 結合力學原理可知此力學數學模型必將同時滿足力平衡和力矩平衡, 具體如下。

力平衡:

式中:FN1為動態汽車衡的秤臺對前輪的支持力, FN2為路面對后輪的支持力, Mg為汽車自身重力。

力矩平衡:

式中:L1為汽車前輪的軸心距離汽車重心的水平長度;L2為汽車后輪的軸心距離汽車重心的水平長度。

由式 (1) 和式 (2) 可求解, 沒有安裝減速帶時, 動態汽車衡秤臺作用于汽車前輪豎直向上的支撐力FN1如式 (3) 所示:

有減速帶的受力分析可以參考無減速帶的受力分析, 則安裝減速帶時汽車的受力分析如圖2所示。

由圖2可知汽車勻速通過安裝有減速帶的動態汽車衡時, 結合力學原理可知此力學數學模型也必將同時滿足力平衡和力矩平衡, 具體如下。

力平衡:

式中:FN1為動態汽車衡的秤臺對前輪的支持力;FN2為減速帶平面對后輪的作用力;θ為減速帶平面與路面的夾角;Mg為汽車重力。

力矩平衡:

式中:L1為汽車前輪軸心距離汽車重心的水平長度;L2為汽車后輪軸心距離汽車重心的水平長度;h的汽車后輪軸心距離汽車重心的豎直高度。

由式 (4) 和式 (5) 可求解, 安裝了減速帶時, 動態汽車衡秤臺作用于車前輪的豎直向上支持力FN1如式 (6) 所示:

由力學數學模型式 (3) 和式 (6) 可知, 當汽車勻速通過安裝減速帶的動態汽車衡時, 在減速帶的作用下會導致汽車振動加強, 支持力FN1的數值也會隨之變大, 這將導致汽車通過安裝減速帶的動態汽車衡時, 稱重結果與實際約定真值有較大差值。

由參考文獻[2]可知, 汽車以小于6 km/h的速度通過動態汽車衡時, 稱重結果與約定真值的差值最小, 本實驗數據選用約定真值為13 200 kg的車輛, 采集以車速等于5 km/h的速度勻速通過動態汽車衡的稱重結果, 為了保證試驗數據的準確性, 本試驗分別重復10次。無減速帶汽車稱重實驗數據為13 150、13 200、13 250、13100、13 200、13 150、13 150、13 100、13 250、13 150 kg。安裝減速帶汽車稱重數據為:13 950、14 000、13 900、13 550、14 100、14 050、13 950、13 950、14 000、14 100 kg。

通過上述稱重數據與汽車的約定真值比較, 得出了有無減速帶時汽車勻速通過動態汽車衡時的最大誤差, 如表1所示。

由表1可知, 汽車勻速通過沒有安裝減速帶的動態汽車衡時, 汽車的稱重結果與約定真值比較接近, 滿足動態汽車衡2級檢定誤差要求[1];而汽車勻速行駛通過安裝有減速帶的動態汽車衡時, 汽車的稱重結果與約定真值之間的偏差較大, 大大偏離動態汽車衡2級檢定誤差要求[1]。這一試驗結果與理論分析的趨勢相吻合。

經過對有無減速帶時汽車勻速通過汽車衡時重量的理論分析和試驗驗證汽車實際稱重結果可知, 減速帶對汽車的實際稱重影響較大。由GB1589—2016《汽車、掛車級汽車列車外輪廓尺寸、軸荷戟質量限值》規定可知[3], 除特種車輛外公路上行駛的大部分貨車的長度限值均小于18.1 m。因此, 為了公平公正的收費, 收費站管理部門可以在距離動態汽車衡18.1 m之外適當安裝減速帶, 這樣可以有效地避免因減速帶對汽車顛簸而導致的稱重結果有較大誤差。