工程车辆动态称重系统的分析与研究

三峡大学硕士学位论文工程车辆动态称重系统的分析与研究姓名：王宏申请学位级别：硕士专业：机械设计及理论指导教师：孟遂民20090501II内容摘要动态称重技术广泛应用于生产计量、交通运输、工程施工等领域中，可以缩短作业时间、改善操作条件、提高生产效率和加强企业管理，在国民经济中具有重要意义。本文以工程车辆动态称重系统为研究对象，围绕称重系统的结构设计、车辆轴载分布、称重信号处理及称重管理软件等进行了研究。本文的主要内容如下：(1)给出两种称重方案，比较各自特点，综合考虑确定简支梁称重为昀终方案；确定了传感器选用摆动支承和弹性支承相结合的支承方式；完成了系统的总体结构设计以及相关元件选型。(2)分析了车辆称重过程的运动状态，从车辆运动学的角度研究称量误差产生机理，得知垂直振动为影响称量结果准确度主要因素；通过简化的动力学模型，研究系统中主要参数对称重结果的影响，分析获知速度及质量为主要影响因素，刚度影响不大，为如何能够获得准确的总重值提供指导意义。(3)采用Pro/Engineer建立相关模型，通过通用接口导入ANSYS，进行静力学和动力学模态分析，得到昀大等效应力、前四阶固有频率及固有阶振型图，查阅相关资料获得材料相关参数及车辆自身频率，与分析结果进行比较，确定设计是合理可行的。(4)根据称重信号的特点地进行数据处理，分析了如何得到总重，编制出相关软件，实现了对车辆的相关数据实时管理。关键词：动态称重传感器轴重模态分析IIIAbstractDynamicweighingtechnologyiswidelyusedintheproductionmeasurement、transportation、engineeringconstructionandotherfields,whichcanshortenoperatingtime,improveoperatingcondition,increaseproductionefficiency,intensifybusinessmanagement，anditplaysanimportantpartinnationaleconomy.Thearticletakesthedynamicweighingsystemastheobjectofstudy,andfocusontheweighingsystem'sstructuraldesign,thevehiclesaxleloaddistribution,theweighingsignalcharacteristic,theweighingmanagementsoftwareandsoonduringtheresearch.Theprimarycontentsareasfollows:(1)Thepapergivestwoplanstoweigh.Bycomparingtheirrespectivecharacteristics,wechoosethesimplysupportedbeamweighingasthefinalplan.Thenamethodwhichunifiesfortheswingbearingandtheelasticsupporthasbeenchoosedasthesensorsupportpattern.Latertheoverallstructuredesignandrelatedcomponentselectionofthedynamicweighingsystemhasbeenachieved.(2)Thepaperhasanalyzedthemotionstateofthevehicleswhenweighingthevehicles,andhasresearchedthemechanismoftheweighingerrorfromtheperspectiveofthevehiclekinematics.Theanalysisshowsthattheverticalvibrationisthemaininfluencingfactorfortheweighingresult.Throughasimplifiedkineticmodel,theeffectofthesystem’smainparametersforthedynamicweighingresultshasbeenstudied,fromwhichwelearnedthatthespeedandthequalityisthemaininfluencingfactors,thestiffnessinfluencearenotbig.Thepaperalsoprovidedguidingsignificancetohowtobeabletoobtaintheaccuratevalues.(3)ThentherelevancemodelhasbeenbuiltbythePro/Engineersoftware,andhasbeenimportedANSYSthroughthecommoninterface.Thoughworkingoutthestaticanddynamicsmodalanalysis,wehaveobtainedthemaximumequivalentstress,thefirstfourranksofnaturalfrequenciesandfiguresofmodeshape.ThematerialrelevanceparametersandtheVehicles'frequencyhavebeengotbylookinguptherelevancebooks,andthentheresultsandtheparametershavebeencomparedtodeterminewhetherthedesignisreasonableornot.(4)Finallytheweighingsignalhasbeenprocessedaccordingtothesignalcharacteristic,lateraanalysisabouthowtogetthetotalweighthasbeendone,lastarelatedsoftwarehasbeencompiledwhichwillbeusedinvehiclesdatamanagement.IVKeywords:dynamicweighingsensoraxleloadmodalanalysisI三峡大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明，本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。学位论文作者签名：日期：1引言称重与我们的生活息息相关，称重分为静态称重和动态称重，静态称重虽然准确度相对较高，但其速度慢、效率低，不能满足大幅度提高生产效率的需求，动态称重速度快、效率高，是未来称重测力技术的必然发展趋势。随着科学技术的不断发展，动态称重技术的应用范围日益广阔，它广泛应用于药品、食品、化工、石油等生产计量部门，在工业生产和贸易流通中起着重要的作用。汽车动态称重的数学模型、精度问题和信号处理的理论方面的研究已取得了较大的成功，但相关产品的开发却还不是很普遍，特别是适应工程施工环境的新产品就更少。已有的汽车动态称重系统只适用于高速公路等环境较好的场合，且通常体积较大，造价较高，转场移动不方便，而工程施工如土石方开挖、回填等常需要转移场地，因此研制出一种体积小，移动方便，适合于工程施工环境的动态称重系统具有较大的现实意义。而且动态称重系统可以和车牌自动识别系统等组成综合计量系统，综合系统可用于工程车辆物料运输的自动化管理，集自动检测、流向监控、站场理货、编组调度、自动抄号等功能于一体，是企业计量管理与财务管理、物流管理达到有机结合的有效工具，在工程施工过程中能够发挥着很大的作用。该技术的实现，至少可以解决如下几方面问题：(1)解决传统管理模式易出现人为差错及全程信息交流不及时的问题。(2)减少统计工作量，提高通行作业效率和汽车衡器的利用率。(3)避免检查登记工作人员长期接触恶劣的环境。(4)降低施工企业生产成本，实现工程车辆现场管理的自动化、信息化和规范化，提高我国工程施工现场管理水平。本文主要在前人研究的理论基础上，研究开发一种适应工程施工环境的动态称重系统。但由于时间仓促，水平有限，疏漏之处在所难免，敬烦不吝批评指正。21绪论1.1课题来源及意义在水利水电工程施工中，存在大量的土石方开挖和回填、砂石料运输、混凝土输送等物流作业，虽有多种运输方案可供选择，但工程车辆运输仍是昀常采用的方法之一。为了实行定量管理，按趟次或运量支付费用，需对工程车辆记录运次或进行称量。在发达国家，工程项目建设普遍使用施工现场自动监测和数据库管理，管理思想和管理手段比较先进。而目前我国大型工程中，物料的运输基本上仍停留在人工计数方法上，运输重量靠估算，这种管理方式人为主观因素较大，多计和少计现象较多。另外由于施工场地大、环境复杂、建设工期长，管理上很难杜绝车辆运输物料外流事件发生。这些因素都增加了施工企业的成本。不仅是在水利水电工程施工中，在城市建设、高速公路建设、国防建设等重大工程中，土石方开挖、回填和运输工程量都很大，其中或多或少存在上述问题。工程车辆的实际载重量、车牌号及车次等，对施工方和工程监理方来说，这些数据不仅有很大的经济意义，而且对工程建设质量的保证也会起到很大的帮助。确定工程车辆的实际载重量有很大的现实意义。目前，得到车重的方法有两类：静态称重方法和动态称重方法[1]。车辆静态称重就是停车状态下的称重，是对整个汽车的重量进行称量，目前常用的就是汽车地磅。而车辆动态称重，是指在不停车运动状态下的称重，是测量汽车的轮重来确定轴重和整车重[2]。传统的汽车称重是使用静态称重方法，其主要利用了杠杆等原理直接测量物体重量[3]。静态称重是在秤体与被称物之间达到静态平衡后进行称量的，它的主要优点是精度比较高，它的缺点是测量速度慢，称重装置体积大，移动不方便，造价高[1]。一般来说静态称重适用于对测量速度要求不高的情况。有些场合使用静态称重方法，效率不能满足要求。在日常生活中，静态称重限制了通行速度，极容易造成收费站车辆拥堵，给人们生活工作带来很多不便。在实际生产中，静态称重往往也不能满足大幅度提高工作效率的要求，人们期望能进行连续、快速的自动称重，希望称重工作在正常作业不间断的同时进行，不影响正常作业，提高工作效率[4]。例如在国防建设等工程施工中，土石方开挖、回填和运输工程量都很大，参加施工的车辆很多，物料不仅需要计量，还要求一定的通行速度，显然，静态称重不能满足这样的要求，因此，要进行动态称重。汽车动态称重的数学模型、精度问题和信号处理的理论方面的研究已取得了较大的成功[5][6]，但相关产品的开发却还不是很普遍，特别是适应工程施工环境的新产品就更少。已有的汽车动态称重系统只适用于高速公路等环境较好的工作条件，且通常体积较大，造价较高，转场移动不方便，而工程施工如土石方开挖、回填3等常需要转移场地，因此研制出一种体积小，移动方便，适合于工程施工环境的动态称重系统具有较大的现实意义。随着国家工程建设市场的逐步规范，工程施工现场管理水平必须相应地提高，工程施工迫切需要解决工程车辆的运次和计量的自动化，研制能自动识别车辆、自动重量计量、自动记录，并配置有关管理软件进行管理的工程车辆自动识别和计量系统，对于降低施工企业生产成本，实现工程车辆现场管理的自动化、信息化和规范化，对提高我国工程施工现场管理水平，具有十分重要的社会与经济意义。1.2国内外研究概况汽车动态称重的定义为：测量行驶车辆的动态轮胎受力并计算相应的静态车辆重量的过程[7]。它的优点主要是测量速度快，称重装置体积小