微控閘調器彈簧試驗臺研究

陳新華 上海華鐵旅客服務有限公司

根據鐵運[2008] 15號《關于印發〈鐵路貨車制動裝置檢修規則〉的通知》文件要求，為適應鐵路現代化進程，滿足鐵路提速、重載、新技術推廣使用及貨車裝備現代化對貨車制動系統的要求，進一步提高鐵路貨車檢修質量，保證鐵路運輸安全，鐵道部重新制定了《鐵路貨車制動裝置檢修規則》，在該規則中明確規定廠、段修在對閘調器進行檢修時，必須用“彈簧試驗機”對閘調器部件中的所有彈簧進行試驗，以保證閘調器的總成性能。

1 閘調器結構及使用現狀

目前，閘調器主要有ST1-600和ST2-250兩種類型。它們的結構如圖1所示。

圖1 閘調器結構圖

從圖1可見，閘調器中的彈簧有：主彈簧、壓緊彈簧、小彈簧、引導螺母彈簧。

從貨車運用實際情況來看，彈簧的主要失效形式為彈性力衰弱和彈簧自由高減小等。因此，在進行車輛廠、段修時，要對閘調器組成中所有彈簧進行試驗，以保證閘調器在車輛運用時有良好的技術狀態。由于目前的儀表式閘調器彈簧性能檢測機存在著檢測精度不高等問題，因此，提出微控閘調器彈簧試驗臺研究課題，以提高閘調器彈簧檢測精度，保證閘調器總成性能。

2 微控閘調器彈簧試驗臺的構造

根據《鐵路貨車制動裝置檢修規則》規定，裝用閘調器上的彈簧必須符合以下表1中技術參數要求：

表1 閘調器彈簧參數表

從表1可知，微控閘調器彈簧試驗臺主要是要檢測彈簧的自由高、裝配載荷和極限載荷是否滿足表1中技術參數要求，如果滿足表1中技術參數要求，那么該彈簧合格；如果不滿足表1中技術參數要求，那么該彈簧不合格。要檢測彈簧的高度，那么必須有長度計量儀，這里采用長度傳感器，位移傳感器又稱為線性傳感器，它分為電感式位移傳感器，電容式位移傳感器，光電式位移傳感器，超聲波式位移傳感器，霍爾式位移傳感器。在這個項目中，我們采用電感式位移傳感器。如圖2所示。該位移傳感器是一種屬于金屬感應的線性器件，接通電源后，在開關的感應面將產生一個交變磁場，當金屬物體接近此感應面時，金屬中則產生渦流而吸收了振蕩器的能量，使振蕩器輸出幅度線性衰減，然后根據衰減量的變化來完成無接觸檢測物體的目的。該位移傳感器具有無滑動觸點，工作時不受灰塵等非金屬因素的影響，并且低功耗，長壽命，可使用在各種惡劣條件下。位移傳感器主要應用在自動化裝備生產線對模擬量的智能控制。

圖2 NS-Y3位移傳感器

從表1可知，從彈簧直徑來看有10.5、10、6和4.5 mm等規格；從彈簧自由高來看有 595＋10-3、350＋4-3、45＋2.5-1.5、152和50±2不等，ST1-600型主彈簧的自由高最高，壓緊彈簧的自由高最小，高度相差約550 mm；根據彈簧高度不同，我們分別選擇線性位移為500 mm和800 mm兩種規格。要檢測彈簧的彈性力，我們可以采用稱重傳感器。稱重傳感器按轉換方法分為光電式、液壓式、電磁力式、電容式、磁極變形式、振動式、陀螺儀式、電陰應變式等8類，以電阻應變式使用最廣。

電阻應變式稱重傳感器是基于這樣一個原理：彈性體（彈性元件，敏感梁）在外力作用下產生彈性變形，使粘貼在其表面的電阻應變片（轉換元件）也隨之產生變形，電阻應變片變形后，它的阻值將發生變化（增大或減小），再經相應的測量電路把這一電阻變化轉換為電信號（電壓或電流），從而完成了將外力變換為電信號的過程。

由此可見，電阻應變片、彈性體和檢測電路是電阻應變式稱重傳感器中不可缺少的幾個主要部分。下面就這三方面簡要論述。

（1）電阻應變片

電阻應變片是把一根電阻絲機械地分布在一塊有機材料制成的基底上，即成為一片應變片。它的一個重要參數是靈敏系數K。我們來介紹一下它的意義。

設有一個金屬電阻絲，其長度為L，橫截面是半徑為r的圓形，其面積記作S，其電阻率記作ρ，這種材料的泊松系數是μ。當這根電阻絲未受外力作用時，它的電阻值為R：

R=ρL/S（Ω）式（1）

當它的兩端受F力作用時，將會伸長，也就是說產生變形。設其伸長ΔL，其橫截面積則縮小，即它的截面圓半徑減少Δr。此外，還可用實驗證明，此金屬電阻絲在變形后，電阻率也會有所改變，記作Δρ。

對式（1）求全微分，即求出電阻絲伸長后，它的電阻值改變了多少。我們有：

用式（1）去除式（2）得到

另外，我們知道導線的橫截面積S=πr2，則Δs=2πr×Δr，所以

從材料力學我們知道

其中，負號表示伸長時，半徑方向是縮小的。μ是表示材料橫向效應泊松系數。把式（4）、（5）代入（3），有

其中

式（6）說明了電阻應變片的電阻變化率（電阻相對變化）和電阻絲伸長率（長度相對變化）之間的關系。

需要說明的是：靈敏度系數K值的大小是由制作金屬電阻絲材料的性質決定的一個常數，它和應變片的形狀、尺寸大小無關，不同的材料的K值一般在1.7～3.6之間；其次K值是一個無因次量，即它沒有量綱。

在材料力學中ΔL/L稱作為應變，記作ε，用它來表示彈性往往顯得太大，很不方便，常常把它的百萬分之一作為單位，記作με。這樣，式（6）常寫作：

（2）彈性體

彈性體是一個有特殊形狀的結構件。它的功能有兩個，首先是它承受稱重傳感器所受的外力，對外力產生反作用力，達到相對靜平衡；其次，它要產生一個高品質的應變場（區），使粘貼在此區的電阻應變片比較理想地完成應力變化電信號的轉換任務。

以托利多公司的SB系列稱重傳感器的彈性體為例，來介紹一下其中的應力分布。

設有一帶有肓孔的長方體懸臂梁。

肓孔底部中心是承受純剪應力，但其上、下部分將會出現拉伸和壓縮應力。主應力方向一為拉伸，一為壓縮，若把應變片貼在這里，則應變片上半部將受拉伸而阻值增加，而應變片的下半部將受壓縮，阻值減少。下面列出肓孔底部中心點的應變表達式，而不再推導。

式中：Q--截面上的剪力；E--揚氏模量：μ-泊松系數；B、b、H、h-為梁的幾何尺寸。

需要說明的是，上面分析的應力狀態均是“局部”情況，而應變片實際感受的是“平均”狀態。

（3）檢測電路

檢測電路的功能是把電阻應變片的電阻變化轉變為電壓輸出。因為惠斯登電橋具有很多優點，如可以抑制溫度變化的影響，可以抑制側向力干擾，可以比較方便地解決稱重傳感器的補償問題等，所以惠斯登電橋在稱重傳感器中得到了廣泛的應用。

因為全橋式等臂電橋的靈敏度最高，各臂參數一致，各種干擾的影響容易相互抵銷，所以稱重傳感器均采用全橋式等臂電橋，如圖3所示。

圖3 稱重傳感器全橋式等臂電橋

在本項目中，我們選擇NS-TH6系列平行梁式稱重傳感器，該傳感器采用優質鋁合金制作，具有結構緊湊、抗過載能力強、測量精度高、密封性能好、安裝簡便、穩固等特點。外形尺寸如圖4所示。

圖4 NS-TH6型平行梁式稱重傳感器

從裝配載荷和極限載荷來看，最大的載荷為3538±424 N，最少的為279±33 N，最大的為最少的十幾倍。因此，我們分別選擇了最大量程為100、300和500 kg三種規格的稱重傳感器來分別檢測不同的彈簧。

根據以上設計分析，微控閘調器彈簧試驗臺主要由彈性力檢測機構、彈簧高度檢測機構、壓頭驅動機構、信號采集系統和檢測機構總成以及控制試驗及分析判斷軟件組成。微控閘調器彈簧試驗臺技術方案如圖5所示。

圖5 微控閘調器彈簧試驗臺技術方案

3 預期效果

按照以上技術方案研制微控閘調器彈簧試驗臺，能夠實現閘調器彈簧性能試驗有關工藝規程要求，彈簧自由高度精度可以達到±1mm，彈簧載荷精度可以達到±0.1%FS，作業自動化程度高，操作安全簡便，檢測試驗記錄信息并入HMIS系統網絡，設備性能可靠，基本實現免維修。能夠徹底解決現在廠、段修時閘調器彈簧的不試驗、不記錄現狀，保證閘調器彈簧裝用質量，提高閘調器檢修質量，最大限度地減少安全隱患。