一、概述

　　承載器、稱重傳感器、稱重儀表是電子衡器的三大基礎部件，其中承載器結構的科 學性、合理性是電子衡器準確度、穩定性和可靠性的重要保證。在電子衡器市場日益國 際化的今天，電子衡器結構的改進與創新，必然以用戶的需要和市場競爭為導向，受新 技術、新材料、新工藝的強力牽引。進入 21 世紀以來，隨著科學技術的進步，工業過 程自動化、智能化水平的提高，各行業對所用電子衡器的結構、功能和性能提出了許多 新要求，其中對承載器最主要的要求就是小型化、輕型化、模塊化和集成化。如果設計 電子衡器還是按照傳統的承載器、稱重傳感器、承力傳力構件、定位限位裝置等零部件 組裝式結構方向發展，不但滿足不了用戶的新需求，而且自身的發展也會越來越困難。 在現有承載器結構的基礎上，為了提高技術性能和滿足用戶的某些新要求，就是進行一 些小小的改進，也要用比較高的代價才能實現。正如 20 世紀 90 年代德國衡器專家所評 述的“這種零部件組裝式承載器結構設計幾乎走到了盡頭”。因為零部件組裝式承載器 結構一般都有高大笨重、零部件多、活動環節多、安裝調試時間長、穩定性和可靠性差、 2 生產效率低和成本高等缺點。因此德國衡器專家提出：“在進行承載器結構設計時，盡 量脫離傳統結構的束縛，大膽尋求另外一種發展方向，即向著減小尺寸，減少零部件， 節省空間，有利于實現最佳化生產，提高效率，降低成本等方向發展”。基于這種認識， 國內外一些電子衡器制造公司對承載器結構進行了許多研究工作，其共同的研發方向和 創新點就是變零部件組裝式承載器結構，為模塊化、部分集成化和集成化承載器結構。 先后研發出模塊化電子汽車衡、便于運輸的小模塊拼裝型電子汽車衡；部分集成化的承 力傳力、定位限位裝置一體化電子汽車衡、電子吊秤；集成化稱重軌動態電子軌道衡、 集成化剪切、彎曲板型動態公路車輛軸重秤、集成化電子稱重環；空心閉合截面薄壁型 鋼結構電子稱重梁、“竹排”式薄壁型鋼結構電子平臺秤；特種用途的承載器可伸縮型 電子秤、分體式滾動圓捆紙張電子秤等。

　　二、模塊化電子衡器

　　1．模塊化電子汽車衡 早在 20 世紀 90 年代，梅特勒—托利多（常州）稱重設備系統有限公司，在國內首 先實現了模塊化電子汽車衡設計與生產。設計人員將正交各向異性橋梁設計理論應用在 模塊化承載器設計中，并對其進行了適當簡化，將縱梁和主梁合二為一，成為封閉結構 的“U“型鋼，再將底梁簡化成端板，在端板上完成模塊間的搭接和稱重傳感器的過渡 支撐，整個承載器模塊僅由”U“型鋼、面板和端板組成。 所謂模塊化承載器，就是根據載重汽車及拖車長度和額定承載量，設計制造出幾種 標準的模塊化承載器，根據用戶對承載器尺寸要求，將兩塊或兩塊以上模塊任意搭接而 組成各種規格的電子汽車衡。例如根據載重汽車長度≤12m，牽引車、拖半掛車長度≤ 16m，汽車拖掛車長度≤20m，選擇模塊化承載器的單元長度系列為 5m、6m 和 7m，優選 寬度系列為 3m 和 3.3m。每種不同寬度和不同長度系列的單塊、2 塊、3 塊和 4 塊模塊， 可組合成 5～28m 長的 22 種尺寸規格的承載器，從其中選出十幾種常用的承載器長度作 為優選的標準系列即可。這種模塊化電子汽車衡不但增強了產品的通用性和互換性，而 且也較大的提高了生產效率和產品質量，特別適合規模化和自動化生產。 2．承載器為小模塊拼裝型電子汽車衡 電子汽車衡承載器結構的模塊化、標準化和系列化，既有利于規模化、自動化生產， 又便于移動和運輸。美國 FIRST 衡器制造公司研發出小模塊拼裝型承載器的大型電子汽 車衡。與模塊化電子汽車衡不同之處是：前者單節承載器模塊為一整體結構，后者為方 3 便運輸將單節承載器模塊一分為二，由兩個小模塊并聯組裝而成，再根據不同的尺寸要 求將并聯而成的單節模塊串聯成電子汽車衡的承載器。小模塊之間的連接是通過模塊上 具有足夠強度的若干個支腳相互吻合后用螺釘固緊。一般小承載模塊由 4 根“U“型鋼 或槽鋼做縱向主梁，在端部橫梁上焊接有 5 個串聯支腳，一個定位支板，在側面主梁上 焊接有并聯支腳。因受力不同，兩種支腳的結構也不相同。

　　3．模塊化工業軸重秤 為滿足工礦企業物料轉運，內部結算等需要，美國 SI／Allegany 公司研發出可稱 量不同車型軸重、軸組重進而給出整車重量的模塊化工業軸重秤。其承載器的寬度與集 成化稱重板相同，為雙輪胎寬度的 1.5 倍（750mm 左右），長度為車型的三連軸長度和稱 重儀表采樣時間內車輛行駛距離之和，一般為 1600mm 左右。選擇不同長度的模塊化承 載板與安裝有懸臂梁型稱重傳感器的盒段式稱重梁搭接，就形成了可以稱量軸重、軸組 重和整車重量的工業軸重秤。因為模塊化軸重秤承載器較長，為使其具有足夠的剛度和 較低的外形尺寸，在設計中多采用兩節模塊化承載板搭接在低外形盒段式稱重梁上的結 構，模塊化承載板為帶筋條加強的花紋鋼板，連接在承載器兩端的斜面引橋也由花紋鋼 板焊接而成。美國 SI／Allegany 公司模塊化工業軸重秤的結構示意圖如圖 2 所示。 此種模塊化工業軸重秤的特點是：結構簡單，高度低，重量輕，便于安裝攜帶；承 載模板與稱重梁搭接，活動環節少，剛度大，稱量準確度高；承載模板、盒段式稱重梁、 斜面引橋均可按模塊化設計，進行標準化、系列化生產。

　　三、集成化電子衡器

　　1．集成化稱重軌 20 世紀 80 年代，歐美一些電子測量公司和電子衡器制造企業，為滿足鐵路運輸、 鋼鐵冶金、煤礦電廠、港口碼頭等部門物料及轉運貨物的稱量、超載、欠載、偏載檢查、 制動力測量等需要，開發出稱重軌（Weigh Rail），即取下線路的一小段鋼軌并在其上 粘貼電阻應變計，使稱重傳感器、鋼軌承載器一體化，具備動態電子軌道衡的功能，達 到快速稱量的目的。以美國工程師 Ned Sneed 發明的集成化彎曲型稱重軌最具代表性， 他在深入分析兩個軌枕之間的鋼軌受力變形機理后，得出在稱量段鋼軌底部粘貼四片單 軸電阻應變計，當車輪通過時，四片電阻應變計輸出的總和等于內側 2 片電阻應變計輸 出之和減去外側 2 片電阻應變計輸出之和，也就是說當車輪行駛過鋼軌稱量段時，4 片 電阻應變計的輸出總和為一常數，只要測出此輸出值，就可以準確的轉換出車輛的載重 量。盡管稱重軌可以用冷焊方法或用魚尾板與線路連接為一體，減少了車輛振動，可提 高稱量準確度，但稱量段的跨度較大，撓度也較大，安全性有所降低。鋼軌底面只能打 磨不能加工，因而彎曲型稱重軌輸出靈敏度較低，以輪重 15t 為例，靈敏度只有 0.25mV ／V。 20 世紀 90 年代以來，集成化稱重軌動態電子軌道衡的研究在彎曲型結構的基礎上 發展為剪切型結構。它是在與線路鋼軌完全一樣的一段鋼軌的腹板上，直接加工出與雙 剪梁型稱重傳感器基本相同的應變區，并在盲孔內粘貼雙剪切電阻應變計，完全按稱重 傳感器制造工藝進行布線、組橋、電路補償、防護密封、性能檢測，使此段鋼軌與稱重 傳感器一體化，形成剪切型稱重軌。美國 KILO－WATE 公司，德國 PFISTER 公司、GTM 公司均有 1.8m 長的剪切型稱重軌，稱量準確度均優于 0.5 級。剪切型稱重軌的力學模型及剪力圖

　　稱重軌的力學模型及剪力圖 我國北京傲邦達技術開發中心針對 1.8m 稱重軌只有一個稱量段的不足，經過理論 分析和反復試驗研制出 7.5m 長的稱重軌動態電子軌道衡。獨創以數字求和方法為基礎 的單軸、雙軸、多軸多次稱重計量的數學模型，克服車輛行駛過程中軸間重量轉移帶入 的誤差。將單次軸計量改為 6 次軸計量，并適當延長有效單軸計量長度，同樣通過冷焊 技術或用魚尾板與兩端的線路連接，實現鋼軌與稱重傳感器一體化，形成不斷軌動態電 子軌道衡，其動態稱量準確度優于 0.5 級。 稱重軌動態電子軌道衡一般都附帶一臺靜態自校裝置，便于初次安裝或使用中檢查。 靜態自校裝置是利用龍門架結構的自身平衡原理，通過安裝在龍門架上的油壓加載系統 和標準稱重傳感器實現對稱重軌進行各級加載。稱重軌電子軌道衡靜態自校裝置結構示

　　2．集成化稱重板 早在 20 世紀 60 年代末期，美國各州公路工作者協會（AASHO）經試驗研究提出了 車輛軸重對公路路面破壞的“四次方法則”， 式中：D—相對于標準載荷，車輛實際軸載質量對公路的破壞作用系數； W—車輛的實際軸載質量； W0—車輛的標準軸載質量。 例如一高速公路設計的標準軸載質量為 W0=10t，車輛按此標準行駛，即 W=W0=10t， 則 D=1，對公路無破壞作用。當車輛的實際軸載質量 W=12t 時，D=2.0736；當 W=16t 時， D=6.5536。當車輛的實際軸載質量增加一倍時，即 W=20t 時，D=16，可見公路車輛軸載 質量超限時，對公路破壞作用的嚴重性。因此，世界各國都對行駛在公路上車輛的軸載 質量進行限制和檢查，對此世界各國都是通過限制軸重來控制和治理公路車輛軸載超限， 我國、英國、德國、荷蘭、巴西等國限定公路車輛標準軸載質量為 10t，法國、西班牙、 伊朗等國限定標準軸載質量為 13t。這種檢測車輛軸載質量的設備就是公路車輛動態軸 重秤。目前，世界各國應用較多的是集成化結構的稱重板（Weighpad）型軸重秤。美國 Amcells 公司、Intercomp 公司，英國 Trevor Deakin，德國 Mikros Systems 公司、GTM 公司、Pfister 公司，加拿大 Mass Load 公司等都先后研發出稱重板型動態軸重秤。以 英國 Trevor Deakin 公司的剪切型稱重板和德國 PAT 公司的彎曲型稱重板最具代表性， 其剪切型稱重板的結構和彎曲型稱重板的安裝圖如圖

　　德國 PAT 公司彎曲型稱重板結構及安裝圖 剪切和彎曲型稱重板式軸重秤的主要特點是： （1）承載器、支撐、稱重傳感器合三為一，形成一個集成化的整體結構，剪切型 稱重板采用硬鋁合金制造，彎曲型稱重板采用塑料模具鋼制造，體現了承載器結構緊湊、 高度低、重量輕的發展方向，一般高度為 2.5cm 左右。尺寸為 175cm×50.8cm×2.3cm 和 125cm×50.8cm×2.3cm 的彎曲型稱重板的重量分別為 114kg 和 81kg；硬鋁合金剪切 型稱重板的重量只有 30kg 左右。 （2）剪切型、彎曲型稱重板本身就是一個大型板式稱重傳感器，完全按照稱重傳 感器制造工藝進行粘貼電阻應變計、布線組橋、電路補償與調整。為適應較為惡劣的工 作環境，采用多層密封技術，即在長盲槽內實施聚氨酯灌封膠密封后，再將整個稱重板 進行硫化橡膠密封，具有極高的防潮、防水、防鹽霧、防腐蝕、防凍能力。 （3）通過合理選擇粘貼電阻應變計位置，布線組橋、偏心載荷調整，提高了稱重 板抗偏心載荷能力。 （4）由于稱重板為集成化結構，無任何活動環節和相互摩擦部件，抗振動、沖擊 能力強，減少了動態測量時由各種諧波組成的動態分量，工作可靠性高、穩定性好。 3．集成化稱重鉤 集成化稱重鉤型電子吊秤，是將傳統電子吊秤的吊環、秤體、稱重傳感器和吊鉤合 四為一，形成一個整體結構。即在單剪切梁型稱重傳感器的兩端，分別加工出反對稱的 吊環和吊鉤，使其成為一個較大的 S 型稱重傳感器，國外稱其為稱重鉤。其受力形式、 計量性能與普通 S 型稱重傳感器完全相同。專用的小型化稱重顯示控制儀表、無線發射 裝置與天線就安裝在稱重鉤的電路補償與調整盒一側。通過控制反對稱的吊環與吊鉤尺 8 寸，實現鉤體與稱重顯示控制儀表的平衡。吊環與吊鉤的根部，即剪切梁稱重傳感器的 兩端應有足夠的剛度，保證應變區為純剪切應力狀態。

　　稱重鉤型電子吊秤的特點是：結構緊湊，體積小，高度低，重量輕，便于安裝、攜 帶；吊環、吊鉤和稱重傳感器為一整體結構，可以加工出較高的同軸度等級，加載同心 度好，偏心誤差小；稱重鉤本身就是一個完整的稱重傳感器，無其它活動環節，稱量準 確度高、穩定性好。 4．集成化稱重環 集成化稱重環型電子吊秤與稱重鉤設計思路基本相同，同樣將傳統電子吊秤的吊環、 秤體、稱重傳感器和吊鉤合四為一，形成一個整體結構。不同之處是稱重環利用的是橋 式雙剪切梁型稱重傳感器，并使雙剪切梁型稱重傳感器與吊鉤形成一個閉合環。與稱重 鉤相比增大了吊鉤的剛度，使結構更加對稱合理，提高了測量的準確度和穩定性。其缺 點是沒有直接形成吊環，而是形成一個吊環孔，需要通過一個承受拉向載荷的馬蹄環和 承受剪切力的銷釘才能完成起吊稱重計量任務。因稱重環本身就是一個完整的雙剪切梁 型稱重傳感器，可以完全按稱重傳感器制造工藝規程進行生產，保證了稱量的準確度和 可靠性

　　四、部分集成化電子衡器

　　不是所有電子衡器的承載器都能設計為集成化結構，對于那些承載器尺寸較大或結 構較為復雜的電子衡器，可以采用部分集成化結構設計。例如在承載器的局部使稱重傳 感器與承力傳力、定位限位裝置一體化；稱重傳感器與承載器的承力支撐一體化；稱重 傳感器與電子吊秤承載外殼一體化等。 1．稱重傳感器與承力傳力定位限位裝置一體化的電子汽車衡 由于電子汽車衡在稱重計量時必須容納整輛汽車及拖車，所以其承載器的體積和臺 面尺寸都很大，不可能象稱重板那樣進行承載器、支撐和稱重傳感器合三為一的一體化 設計。在稱重傳感器與承載器連接處，必須設計較為復雜的承力傳力、定位限位裝置， 才能完成稱重計量任務。傳統的設計方法歸納起來主要有三種類型：其一為采用雙剪梁 型稱重傳感器頂球式支撐，即利用稱重傳感器上的 3 英寸鋼球支撐承載器傳遞載荷，必 須附加承載器的縱向和橫向限位裝置。其二是采用自動定心承力傳力定位限位的雙球面 搖擺支柱組件，其結構可視為將鋼球拉長形成的一根雙球面搖擺支柱組件，由雙球面搖 柱、O 形橡膠密封圈、圓筒形底座、聚四氟乙烯板組成。通過合理選擇球面半徑、雙球 面搖柱高度與直徑等尺寸參數來控制承載器限位間隙量，達到限制承載器縱向、橫向運 動的目的。其三是稱重傳感器彈性元件與搖柱一體化的自動定心承力傳力限位裝置，就 是將稱重傳感器的彈性元件與雙球面搖柱合二為一，設計成為一個整體結構，即是稱重 傳感器的敏感元件，又起到雙球面搖柱自動定心承力傳力限位作用。上述方案的缺點是 零部件多，制造和裝配的不一致性，連接件之間的摩擦和位移都可以引起非線性和離散 10 性，很難保證電子汽車衡在使用過程中“承載器受力分配系數”恒定不變。 解決上述問題的最佳設計就是將稱重傳感器與承載器的承力傳力、定位限位裝集成 為一個組件，就大型承載器而言為部分集成化設計。以加拿大 MASS LOAD 公司的線接觸 鏈環組件承力傳力定位限位裝置和美國 RICE LAKE 公司的線接觸馬鞍環組件承力傳力 定位限位裝置最具代表性。線接觸的鏈環組件或馬鞍環組件引入傳遞載荷時，均能有效 地克服承載器的水平力，實現自動平衡定位限位，保證電子汽車衡在使用過程中“承載 器受力分配系數”恒定不變。前者要求稱重傳感器中間固支兩端為懸臂剪切梁式結構， 兩個線接觸的鏈環分別懸掛在雙懸臂剪切梁的兩端，四只稱重傳感器八個鏈環共同支撐 承載器，起到承力傳力定位限位作用；后者要求雙剪梁型稱重傳感器兩端為固定支撐， 剪切梁中間懸掛一個線接觸的馬鞍環，并與承載器相連接起到承力傳力定位限位作用， 為單鏈環平移和旋轉結構，不存在兩個鏈環同步問題。

　　大型電子汽車衡的承載器通過部分集成化設計，將復雜的承力傳力、定位限位裝置 與稱重傳感器集成為線接觸的鏈環或馬鞍環組件，其突出的特點是： （1）結構簡單緊湊，與稱重傳感器和承載器連接合理，為無摩擦載荷傳遞，可采 用鑄鋼件，冷熱加工方便，成本低，特別適用于大量程的電子汽車衡和電子平臺秤； （2）鏈環或馬鞍環均為線接觸懸掛式柔性承力傳力方式，對承載器受載后的變形 和溫度變化引起的熱脹冷縮變形具有自動調整和適應能力； （3）與鏈環或馬鞍環配套的雙剪切梁型稱重傳感器，其加載點與支撐點自成平衡 力系，承載器重心低、穩定性好； （4）在承力傳力定位限位過程中，具有多維自由度和全方位位移性能，保證“承 載器受力分配系數”恒定不變。