一、概述
承载器、称重传感器、称重仪表是电子衡器的三大基础部件，其中承载器结构的科 学性、合理性是电子衡器准确度、稳定性和可靠性的重要保证。在电子衡器市场日益国 际化的今天，电子衡器结构的改进与创新，必然以用户的需要和市场竞争为导向，受新 技术、新材料、新工艺的强力牵引。进入 21 世纪以来，随着科学技术的进步，工业过 程自动化、智能化水平的提高，各行业对所用电子衡器的结构、功能和性能提出了许多 新要求，其中对承载器最主要的要求就是小型化、轻型化、模块化和集成化。如果设计 电子衡器还是按照传统的承载器、称重传感器、承力传力构件、定位限位装置等零部件 组装式结构方向发展，不但满足不了用户的新需求，而且自身的发展也会越来越困难。 在现有承载器结构的基础上，为了提高技术性能和满足用户的某些新要求，就是进行一 些小小的改进，也要用比较高的代价才能实现。正如 20 世纪 90 年代德国衡器专家所评 述的“这种零部件组装式承载器结构设计几乎走到了尽头”。因为零部件组装式承载器 结构一般都有高大笨重、零部件多、活动环节多、安装调试时间长、稳定性和可靠性差、 2 生产效率低和成本高等缺点。因此德国衡器专家提出：“在进行承载器结构设计时，尽 量脱离传统结构的束缚，大胆寻求另外一种发展方向，即向着减小尺寸，减少零部件， 节省空间，有利于实现最佳化生产，提高效率，降低成本等方向发展”。基于这种认识， 国内外一些电子衡器制造公司对承载器结构进行了许多研究工作，其共同的研发方向和 创新点就是变零部件组装式承载器结构，为模块化、部分集成化和集成化承载器结构。 先后研发出模块化电子汽车衡、便于运输的小模块拼装型电子汽车衡；部分集成化的承 力传力、定位限位装置一体化电子汽车衡、电子吊秤；集成化称重轨动态电子轨道衡、 集成化剪切、弯曲板型动态公路车辆轴重秤、集成化电子称重环；空心闭合截面薄壁型 钢结构电子称重梁、“竹排”式薄壁型钢结构电子平台秤；特种用途的承载器可伸缩型 电子秤、分体式滚动圆捆纸张电子秤等。
二、模块化电子衡器
1．模块化电子汽车衡 早在 20 世纪 90 年代，梅特勒—托利多（常州）称重设备系统有限公司，在国内首 先实现了模块化电子汽车衡设计与生产。设计人员将正交各向异性桥梁设计理论应用在 模块化承载器设计中，并对其进行了适当简化，将纵梁和主梁合二为一，成为封闭结构 的“U“型钢，再将底梁简化成端板，在端板上完成模块间的搭接和称重传感器的过渡 支撑，整个承载器模块仅由”U“型钢、面板和端板组成。 所谓模块化承载器，就是根据载重汽车及拖车长度和额定承载量，设计制造出几种 标准的模块化承载器，根据用户对承载器尺寸要求，将两块或两块以上模块任意搭接而 组成各种规格的电子汽车衡。例如根据载重汽车长度≤12m，牵引车、拖半挂车长度≤ 16m，汽车拖挂车长度≤20m，选择模块化承载器的单元长度系列为 5m、6m 和 7m，优选 宽度系列为 3m 和 3.3m。每种不同宽度和不同长度系列的单块、2 块、3 块和 4 块模块， 可组合成 5～28m 长的 22 种尺寸规格的承载器，从其中选出十几种常用的承载器长度作 为优选的标准系列即可。这种模块化电子汽车衡不但增强了产品的通用性和互换性，而 且也较大的提高了生产效率和产品质量，特别适合规模化和自动化生产。 2．承载器为小模块拼装型电子汽车衡 电子汽车衡承载器结构的模块化、标准化和系列化，既有利于规模化、自动化生产， 又便于移动和运输。美国 FIRST 衡器制造公司研发出小模块拼装型承载器的大型电子汽 车衡。与模块化电子汽车衡不同之处是：前者单节承载器模块为一整体结构，后者为方 3 便运输将单节承载器模块一分为二，由两个小模块并联组装而成，再根据不同的尺寸要 求将并联而成的单节模块串联成电子汽车衡的承载器。小模块之间的连接是通过模块上 具有足够强度的若干个支脚相互吻合后用螺钉固紧。一般小承载模块由 4 根“U“型钢 或槽钢做纵向主梁，在端部横梁上焊接有 5 个串联支脚，一个定位支板，在侧面主梁上 焊接有并联支脚。因受力不同，两种支脚的结构也不相同。
3．模块化工业轴重秤 为满足工矿企业物料转运，内部结算等需要，美国 SI／Allegany 公司研发出可称 量不同车型轴重、轴组重进而给出整车重量的模块化工业轴重秤。其承载器的宽度与集 成化称重板相同，为双轮胎宽度的 1.5 倍（750mm 左右），长度为车型的三连轴长度和称 重仪表采样时间内车辆行驶距离之和，一般为 1600mm 左右。选择不同长度的模块化承 载板与安装有悬臂梁型称重传感器的盒段式称重梁搭接，就形成了可以称量轴重、轴组 重和整车重量的工业轴重秤。因为模块化轴重秤承载器较长，为使其具有足够的刚度和 较低的外形尺寸，在设计中多采用两节模块化承载板搭接在低外形盒段式称重梁上的结 构，模块化承载板为带筋条加强的花纹钢板，连接在承载器两端的斜面引桥也由花纹钢 板焊接而成。美国 SI／Allegany 公司模块化工业轴重秤的结构示意图如图 2 所示。 此种模块化工业轴重秤的特点是：结构简单，高度低，重量轻，便于安装携带；承 载模板与称重梁搭接，活动环节少，刚度大，称量准确度高；承载模板、盒段式称重梁、 斜面引桥均可按模块化设计，进行标准化、系列化生产。
三、集成化电子衡器
1．集成化称重轨 20 世纪 80 年代，欧美一些电子测量公司和电子衡器制造企业，为满足铁路运输、 钢铁冶金、煤矿电厂、港口码头等部门物料及转运货物的称量、超载、欠载、偏载检查、 制动力测量等需要，开发出称重轨（Weigh Rail），即取下线路的一小段钢轨并在其上 粘贴电阻应变计，使称重传感器、钢轨承载器一体化，具备动态电子轨道衡的功能，达 到快速称量的目的。以美国工程师 Ned Sneed 发明的集成化弯曲型称重轨最具代表性， 他在深入分析两个轨枕之间的钢轨受力变形机理后，得出在称量段钢轨底部粘贴四片单 轴电阻应变计，当车轮通过时，四片电阻应变计输出的总和等于内侧 2 片电阻应变计输 出之和减去外侧 2 片电阻应变计输出之和，也就是说当车轮行驶过钢轨称量段时，4 片 电阻应变计的输出总和为一常数，只要测出此输出值，就可以准确的转换出车辆的载重 量。尽管称重轨可以用冷焊方法或用鱼尾板与线路连接为一体，减少了车辆振动，可提 高称量准确度，但称量段的跨度较大，挠度也较大，安全性有所降低。钢轨底面只能打 磨不能加工，因而弯曲型称重轨输出灵敏度较低，以轮重 15t 为例，灵敏度只有 0.25mV ／V。 20 世纪 90 年代以来，集成化称重轨动态电子轨道衡的研究在弯曲型结构的基础上 发展为剪切型结构。它是在与线路钢轨完全一样的一段钢轨的腹板上，直接加工出与双 剪梁型称重传感器基本相同的应变区，并在盲孔内粘贴双剪切电阻应变计，完全按称重 传感器制造工艺进行布线、组桥、电路补偿、防护密封、性能检测，使此段钢轨与称重 传感器一体化，形成剪切型称重轨。美国 KILO－WATE 公司，德国 PFISTER 公司、GTM 公司均有 1.8m 长的剪切型称重轨，称量准确度均优于 0.5 级。剪切型称重轨的力学模型及剪力图
称重轨的力学模型及剪力图 我国北京傲邦达技术开发中心针对 1.8m 称重轨只有一个称量段的不足，经过理论 分析和反复试验研制出 7.5m 长的称重轨动态电子轨道衡。独创以数字求和方法为基础 的单轴、双轴、多轴多次称重计量的数学模型，克服车辆行驶过程中轴间重量转移带入 的误差。将单次轴计量改为 6 次轴计量，并适当延长有效单轴计量长度，同样通过冷焊 技术或用鱼尾板与两端的线路连接，实现钢轨与称重传感器一体化，形成不断轨动态电 子轨道衡，其动态称量准确度优于 0.5 级。 称重轨动态电子轨道衡一般都附带一台静态自校装置，便于初次安装或使用中检查。 静态自校装置是利用龙门架结构的自身平衡原理，通过安装在龙门架上的油压加载系统 和标准称重传感器实现对称重轨进行各级加载。称重轨电子轨道衡静态自校装置结构示
2．集成化称重板 早在 20 世纪 60 年代末期，美国各州公路工作者协会（AASHO）经试验研究提出了 车辆轴重对公路路面破坏的“四次方法则”， 式中：D—相对于标准载荷，车辆实际轴载质量对公路的破坏作用系数； W—车辆的实际轴载质量； W0—车辆的标准轴载质量。 例如一高速公路设计的标准轴载质量为 W0=10t，车辆按此标准行驶，即 W=W0=10t， 则 D=1，对公路无破坏作用。当车辆的实际轴载质量 W=12t 时，D=2.0736；当 W=16t 时， D=6.5536。当车辆的实际轴载质量增加一倍时，即 W=20t 时，D=16，可见公路车辆轴载 质量超限时，对公路破坏作用的严重性。因此，世界各国都对行驶在公路上车辆的轴载 质量进行限制和检查，对此世界各国都是通过限制轴重来控制和治理公路车辆轴载超限， 我国、英国、德国、荷兰、巴西等国限定公路车辆标准轴载质量为 10t，法国、西班牙、 伊朗等国限定标准轴载质量为 13t。这种检测车辆轴载质量的设备就是公路车辆动态轴 重秤。目前，世界各国应用较多的是集成化结构的称重板（Weighpad）型轴重秤。美国 Amcells 公司、Intercomp 公司，英国 Trevor Deakin，德国 Mikros Systems 公司、GTM 公司、Pfister 公司，加拿大 Mass Load 公司等都先后研发出称重板型动态轴重秤。以 英国 Trevor Deakin 公司的剪切型称重板和德国 PAT 公司的弯曲型称重板最具代表性， 其剪切型称重板的结构和弯曲型称重板的安装图如图
德国 PAT 公司弯曲型称重板结构及安装图 剪切和弯曲型称重板式轴重秤的主要特点是： （1）承载器、支撑、称重传感器合三为一，形成一个集成化的整体结构，剪切型 称重板采用硬铝合金制造，弯曲型称重板采用塑料模具钢制造，体现了承载器结构紧凑、 高度低、重量轻的发展方向，一般高度为 2.5cm 左右。尺寸为 175cm×50.8cm×2.3cm 和 125cm×50.8cm×2.3cm 的弯曲型称重板的重量分别为 114kg 和 81kg；硬铝合金剪切 型称重板的重量只有 30kg 左右。 （2）剪切型、弯曲型称重板本身就是一个大型板式称重传感器，完全按照称重传 感器制造工艺进行粘贴电阻应变计、布线组桥、电路补偿与调整。为适应较为恶劣的工 作环境，采用多层密封技术，即在长盲槽内实施聚氨酯灌封胶密封后，再将整个称重板 进行硫化橡胶密封，具有极高的防潮、防水、防盐雾、防腐蚀、防冻能力。 （3）通过合理选择粘贴电阻应变计位置，布线组桥、偏心载荷调整，提高了称重 板抗偏心载荷能力。 （4）由于称重板为集成化结构，无任何活动环节和相互摩擦部件，抗振动、冲击 能力强，减少了动态测量时由各种谐波组成的动态分量，工作可靠性高、稳定性好。 3．集成化称重钩 集成化称重钩型电子吊秤，是将传统电子吊秤的吊环、秤体、称重传感器和吊钩合 四为一，形成一个整体结构。即在单剪切梁型称重传感器的两端，分别加工出反对称的 吊环和吊钩，使其成为一个较大的 S 型称重传感器，国外称其为称重钩。其受力形式、 计量性能与普通 S 型称重传感器完全相同。专用的小型化称重显示控制仪表、无线发射 装置与天线就安装在称重钩的电路补偿与调整盒一侧。通过控制反对称的吊环与吊钩尺 8 寸，实现钩体与称重显示控制仪表的平衡。吊环与吊钩的根部，即剪切梁称重传感器的 两端应有足够的刚度，保证应变区为纯剪切应力状态。
称重钩型电子吊秤的特点是：结构紧凑，体积小，高度低，重量轻，便于安装、携 带；吊环、吊钩和称重传感器为一整体结构，可以加工出较高的同轴度等级，加载同心 度好，偏心误差小；称重钩本身就是一个完整的称重传感器，无其它活动环节，称量准 确度高、稳定性好。 4．集成化称重环 集成化称重环型电子吊秤与称重钩设计思路基本相同，同样将传统电子吊秤的吊环、 秤体、称重传感器和吊钩合四为一，形成一个整体结构。不同之处是称重环利用的是桥 式双剪切梁型称重传感器，并使双剪切梁型称重传感器与吊钩形成一个闭合环。与称重 钩相比增大了吊钩的刚度，使结构更加对称合理，提高了测量的准确度和稳定性。其缺 点是没有直接形成吊环，而是形成一个吊环孔，需要通过一个承受拉向载荷的马蹄环和 承受剪切力的销钉才能完成起吊称重计量任务。因称重环本身就是一个完整的双剪切梁 型称重传感器，可以完全按称重传感器制造工艺规程进行生产，保证了称量的准确度和 可靠性
四、部分集成化电子衡器
不是所有电子衡器的承载器都能设计为集成化结构，对于那些承载器尺寸较大或结 构较为复杂的电子衡器，可以采用部分集成化结构设计。例如在承载器的局部使称重传 感器与承力传力、定位限位装置一体化；称重传感器与承载器的承力支撑一体化；称重 传感器与电子吊秤承载外壳一体化等。 1．称重传感器与承力传力定位限位装置一体化的电子汽车衡 由于电子汽车衡在称重计量时必须容纳整辆汽车及拖车，所以其承载器的体积和台 面尺寸都很大，不可能象称重板那样进行承载器、支撑和称重传感器合三为一的一体化 设计。在称重传感器与承载器连接处，必须设计较为复杂的承力传力、定位限位装置， 才能完成称重计量任务。传统的设计方法归纳起来主要有三种类型：其一为采用双剪梁 型称重传感器顶球式支撑，即利用称重传感器上的 3 英寸钢球支撑承载器传递载荷，必 须附加承载器的纵向和横向限位装置。其二是采用自动定心承力传力定位限位的双球面 摇摆支柱组件，其结构可视为将钢球拉长形成的一根双球面摇摆支柱组件，由双球面摇 柱、O 形橡胶密封圈、圆筒形底座、聚四氟乙烯板组成。通过合理选择球面半径、双球 面摇柱高度与直径等尺寸参数来控制承载器限位间隙量，达到限制承载器纵向、横向运 动的目的。其三是称重传感器弹性元件与摇柱一体化的自动定心承力传力限位装置，就 是将称重传感器的弹性元件与双球面摇柱合二为一，设计成为一个整体结构，即是称重 传感器的敏感元件，又起到双球面摇柱自动定心承力传力限位作用。上述方案的缺点是 零部件多，制造和装配的不一致性，连接件之间的摩擦和位移都可以引起非线性和离散 10 性，很难保证电子汽车衡在使用过程中“承载器受力分配系数”恒定不变。 解决上述问题的最佳设计就是将称重传感器与承载器的承力传力、定位限位装集成 为一个组件，就大型承载器而言为部分集成化设计。以加拿大 MASS LOAD 公司的线接触 链环组件承力传力定位限位装置和美国 RICE LAKE 公司的线接触马鞍环组件承力传力 定位限位装置最具代表性。线接触的链环组件或马鞍环组件引入传递载荷时，均能有效 地克服承载器的水平力，实现自动平衡定位限位，保证电子汽车衡在使用过程中“承载 器受力分配系数”恒定不变。前者要求称重传感器中间固支两端为悬臂剪切梁式结构， 两个线接触的链环分别悬挂在双悬臂剪切梁的两端，四只称重传感器八个链环共同支撑 承载器，起到承力传力定位限位作用；后者要求双剪梁型称重传感器两端为固定支撑， 剪切梁中间悬挂一个线接触的马鞍环，并与承载器相连接起到承力传力定位限位作用， 为单链环平移和旋转结构，不存在两个链环同步问题。
大型电子汽车衡的承载器通过部分集成化设计，将复杂的承力传力、定位限位装置 与称重传感器集成为线接触的链环或马鞍环组件，其突出的特点是： （1）结构简单紧凑，与称重传感器和承载器连接合理，为无摩擦载荷传递，可采 用铸钢件，冷热加工方便，成本低，特别适用于大量程的电子汽车衡和电子平台秤； （2）链环或马鞍环均为线接触悬挂式柔性承力传力方式，对承载器受载后的变形 和温度变化引起的热胀冷缩变形具有自动调整和适应能力； （3）与链环或马鞍环配套的双剪切梁型称重传感器，其加载点与支撑点自成平衡 力系，承载器重心低、稳定性好； （4）在承力传力定位限位过程中，具有多维自由度和全方位位移性能，保证“承 载器受力分配系数”恒定不变。
