我国实施多年的计量称重收费管理是治理高速公路车辆超限超载的有力措施, 动态汽车衡是高速计量称重系统中的关键设备, 称重数据是收费站收取费用的主要依据, 广大运输用户经常通过冲磅、跳磅、走“S”形来逃避费用, 这一现象大大缩短了动态汽车衡的使用寿命, 严重侵犯了高速公路管理部门的利益。收费站为了防止这种逃费的方式, 往往会在动态汽车衡的行驶方向安装一定数量的减速带, 然而, 减速带导致路面颠簸可能会对动态汽车衡的称重结果产生很大影响。因此, 研究减速带对动态汽车衡称重结果的影响就非常有意义。

为简化分析, 本文主要以两轴汽车为研究载体, 依据JJG 907—2006国家检定规程, 建立汽车匀速通过动态汽车衡, 无减速带和有减速带的两种力学数学模型, 并通过理论分析结果和试验数据的对比, 得出安装减速带后对动态汽车衡称重数据的影响, 同时为减速带的布置提供理论支撑。

国家检定规程JJG 907—2006中要求汽车在通过动态汽车衡时需要匀速行驶[1], 如果没有安装减速带, 汽车匀速通过动态汽车衡时的局部受力分析如图1所示。

由图1汽车匀速通过无减速带动态汽车衡时的受力分析, 结合力学原理可知此力学数学模型必将同时满足力平衡和力矩平衡, 具体如下。

力平衡:

式中:FN1为动态汽车衡的秤台对前轮的支持力, FN2为路面对后轮的支持力, Mg为汽车自身重力。

力矩平衡:

式中:L1为汽车前轮的轴心距离汽车重心的水平长度;L2为汽车后轮的轴心距离汽车重心的水平长度。

由式 (1) 和式 (2) 可求解, 没有安装减速带时, 动态汽车衡秤台作用于汽车前轮竖直向上的支撑力FN1如式 (3) 所示:

有减速带的受力分析可以参考无减速带的受力分析, 则安装减速带时汽车的受力分析如图2所示。

由图2可知汽车匀速通过安装有减速带的动态汽车衡时, 结合力学原理可知此力学数学模型也必将同时满足力平衡和力矩平衡, 具体如下。

力平衡:

式中:FN1为动态汽车衡的秤台对前轮的支持力;FN2为减速带平面对后轮的作用力;θ为减速带平面与路面的夹角;Mg为汽车重力。

力矩平衡:

式中:L1为汽车前轮轴心距离汽车重心的水平长度;L2为汽车后轮轴心距离汽车重心的水平长度;h的汽车后轮轴心距离汽车重心的竖直高度。

由式 (4) 和式 (5) 可求解, 安装了减速带时, 动态汽车衡秤台作用于车前轮的竖直向上支持力FN1如式 (6) 所示:

由力学数学模型式 (3) 和式 (6) 可知, 当汽车匀速通过安装减速带的动态汽车衡时, 在减速带的作用下会导致汽车振动加强, 支持力FN1的数值也会随之变大, 这将导致汽车通过安装减速带的动态汽车衡时, 称重结果与实际约定真值有较大差值。

由参考文献[2]可知, 汽车以小于6 km/h的速度通过动态汽车衡时, 称重结果与约定真值的差值最小, 本实验数据选用约定真值为13 200 kg的车辆, 采集以车速等于5 km/h的速度匀速通过动态汽车衡的称重结果, 为了保证试验数据的准确性, 本试验分别重复10次。无减速带汽车称重实验数据为13 150、13 200、13 250、13100、13 200、13 150、13 150、13 100、13 250、13 150 kg。安装减速带汽车称重数据为:13 950、14 000、13 900、13 550、14 100、14 050、13 950、13 950、14 000、14 100 kg。

通过上述称重数据与汽车的约定真值比较, 得出了有无减速带时汽车匀速通过动态汽车衡时的最大误差, 如表1所示。

由表1可知, 汽车匀速通过没有安装减速带的动态汽车衡时, 汽车的称重结果与约定真值比较接近, 满足动态汽车衡2级检定误差要求[1];而汽车匀速行驶通过安装有减速带的动态汽车衡时, 汽车的称重结果与约定真值之间的偏差较大, 大大偏离动态汽车衡2级检定误差要求[1]。这一试验结果与理论分析的趋势相吻合。

经过对有无减速带时汽车匀速通过汽车衡时重量的理论分析和试验验证汽车实际称重结果可知, 减速带对汽车的实际称重影响较大。由GB1589—2016《汽车、挂车级汽车列车外轮廓尺寸、轴荷戟质量限值》规定可知[3], 除特种车辆外公路上行驶的大部分货车的长度限值均小于18.1 m。因此, 为了公平公正的收费, 收费站管理部门可以在距离动态汽车衡18.1 m之外适当安装减速带, 这样可以有效地避免因减速带对汽车颠簸而导致的称重结果有较大误差。