一種測(cè)量彈簧彈力裝置的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

許勇軍， 吳森利， 張丹， 張會(huì)芳

（中國(guó)航空工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)件制造有限責(zé)任公司，貴陽(yáng) 550014）

0 引言

我公司是生產(chǎn)緊固件的專(zhuān)業(yè)化生產(chǎn)廠家，近年來(lái)制造了多種大規(guī)格的壓縮彈簧，其中一種彈簧外徑為φ181 mm，內(nèi)徑為φ165 mm，主要技術(shù)要求為彈簧在壓剩至1.8 mm時(shí)，保證其彈力值為P=（45+10）N。由于該彈簧外形尺寸較大，公司現(xiàn)有的普通小型拉壓彈簧測(cè)力儀無(wú)法對(duì)其彈力值進(jìn)行檢測(cè)，若購(gòu)買(mǎi)大型的測(cè)力儀則需十幾萬(wàn)元，還必須定做，故公司決定自行設(shè)計(jì)制造一個(gè)專(zhuān)用的測(cè)量工裝，來(lái)測(cè)量此類(lèi)彈簧的彈力值。

1 方案設(shè)計(jì)

1.1 方案原理分析

該方案的設(shè)計(jì)以我公司原有的普通小型彈簧拉壓測(cè)力儀的測(cè)力原理為基礎(chǔ)，構(gòu)造了一個(gè)組合裝置，采用等效測(cè)量的方法，將彈簧拉壓測(cè)力儀的工作臺(tái)面積放大，以達(dá)到可測(cè)量大面積壓縮彈簧彈力值的效果。

原有彈簧拉壓測(cè)力儀的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1。

圖1 原有彈簧拉壓測(cè)力儀的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

其工作原理為：將彈簧水平立于下工作臺(tái)上，彈簧的軸線與工作臺(tái)面垂直。通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)搖臂對(duì)上工作臺(tái)施加一個(gè)下壓的力，并使其與彈簧的一端面接觸，彈簧在上、下工作臺(tái)的擠壓下產(chǎn)生彈性變形，當(dāng)被壓縮到我們要求達(dá)到的行程時(shí)，彈簧反向施加給工作臺(tái)上的力會(huì)通過(guò)傳感裝置在數(shù)顯箱上的力值讀數(shù)表上顯示出來(lái)，此時(shí)讀數(shù)表上顯示的數(shù)值即為彈簧在此行程下所受的壓力。但由于普通小型彈力測(cè)量?jī)x的工作臺(tái)兩側(cè)有導(dǎo)程柱，故其所測(cè)量彈簧的面積有限，且不能輕易增大其工作臺(tái)面積，除非購(gòu)置更大型的測(cè)量?jī)x。

1.2 裝置設(shè)計(jì)

由彈簧拉壓測(cè)力儀的工作原理，我們?cè)O(shè)計(jì)了一套簡(jiǎn)單的組合裝置。利用該套裝置即可間接地測(cè)量出壓縮彈簧在額定的條件下所受的彈力值。

該裝置由2個(gè)平板（底座、壓板）、4個(gè)支架、4個(gè)固定套、4塊百分表及4根高度測(cè)桿組合而成，見(jiàn)圖2。

圖2 組合裝置

由于壓板既是施力物也為承載物，所以要求壓板在使用過(guò)程中不能產(chǎn)生變形，結(jié)合實(shí)際情況我們可以選用不同規(guī)格、不同材料的板材，這里我們選用5 mm的鋼板。在鋼板上設(shè)計(jì)制作了4個(gè)導(dǎo)程孔，便于與后面設(shè)計(jì)的高度測(cè)桿一同使用，以達(dá)到快速調(diào)整定位的效果。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖3。

同理，底座作為承載物在使用過(guò)程中不能產(chǎn)生變形，因此，我們也選擇用5 mm的鋼板來(lái)制作。為使百分表探頭能穿過(guò)底座與壓板接觸，我們?cè)诘鬃霞庸ち?個(gè)φ9 mm的孔，以便于百分表的探頭能檢測(cè)到彈簧受力后的壓剩尺寸及壓剩尺寸是否均勻。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖4。

為了提高檢測(cè)精度，對(duì)底座及壓板與壓縮彈簧的接觸面需進(jìn)行精磨，以保證一定的平面度，這也是保證與零件接觸時(shí)的測(cè)量高度能達(dá)到所要求精度的條件之一。

為固定4個(gè)百分表，我們?cè)诘鬃南路皆O(shè)計(jì)了4個(gè)固定套，將4個(gè)固定套焊接在底座4個(gè)φ9 mm孔的正下方，并在固定套上設(shè)計(jì)了一個(gè)螺紋孔，用4個(gè)普通螺釘即可對(duì)百分表進(jìn)行固定使用，這樣的設(shè)計(jì)便于組裝、拆卸百分表。其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5。

圖3 壓板結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖4 底座結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖5 固定套結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

為了方便觀看到百分表上的數(shù)值，還需將底板支高到可觀看到的高度，因此，在底板上增加4個(gè)支架，并通過(guò)螺紋形式與底座連接，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖6。

圖6 支架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

為了達(dá)到快速定位找正的目的，我們還設(shè)計(jì)了4根高度測(cè)桿，其高度比被測(cè)彈簧的高度小2～3 mm即可，其直徑比壓板上所設(shè)計(jì)的導(dǎo)程孔的直徑小0.2～0.4 mm即可，這樣可使得在彈簧上放上壓板后，高度測(cè)量桿能通過(guò)壓板上的導(dǎo)程孔立于底座上而不倒，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖7。

1.3 測(cè)力裝置的工作原理

圖7 高度測(cè)桿結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

先將支架安裝在底座的4個(gè)螺紋孔上，再將安裝上支架的底座放于工作臺(tái)上，用鋼球或高度尺等工具找平。然后將彈簧水平放置在底座上，此時(shí)目測(cè)彈簧是在底座的正中間。將壓板水平放置在彈簧的正上方并邊角對(duì)齊底座，將高度測(cè)桿穿過(guò)壓板上的4個(gè)導(dǎo)程孔放置在底座上，此時(shí)在壓板上放置重物，通過(guò)改變重物的大小來(lái)調(diào)整下壓力，通過(guò)移動(dòng)零件上方放置的重物的位置，并結(jié)合高度測(cè)桿進(jìn)行初定位找正，當(dāng)目測(cè)到4個(gè)高度測(cè)桿的末端將要從壓板上露頭與壓板上端面齊平時(shí)，重物重心即在零件中間。之后，通過(guò)塊規(guī)進(jìn)行精確找正，通過(guò)用塊規(guī)測(cè)量上壓板與底座之間的各邊縫隙來(lái)微調(diào)所施加的重物，當(dāng)上壓板與底座之間各邊縫隙達(dá)到所要求的彈簧壓剩高度時(shí)停止增加重物的重量。這時(shí)將彈簧上所放的所有重物（包括壓板）放在彈簧拉壓測(cè)力儀上測(cè)量，此時(shí)彈簧拉壓測(cè)力儀上顯示的讀數(shù)即為壓縮彈簧所受到的彈力值。

2 對(duì)比驗(yàn)證

為驗(yàn)證該套彈簧測(cè)力裝置應(yīng)用的可行性，我們用既可在彈簧拉壓測(cè)力儀上直接測(cè)出彈力值，又可在該套彈簧測(cè)力裝置上測(cè)力的某零件進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

1）將某壓縮彈簧放在彈簧拉壓測(cè)力儀上，連續(xù)進(jìn)行5次測(cè)力，當(dāng)其壓剩高度為1.5 mm時(shí)，所得的彈力值如表1。

表1 彈簧拉壓測(cè)力測(cè)得的彈力值A(chǔ) N

2）用同一零件放在該套彈簧測(cè)力裝置上按上述原理連續(xù)進(jìn)行5次測(cè)力，當(dāng)壓剩高度為1.5 mm時(shí)，測(cè)得的彈力值如表2。

表2 新裝置測(cè)得的彈力值B N

3）數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。我們利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的有關(guān)假設(shè)檢驗(yàn)論據(jù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析（取顯著水平α=0.01），彈簧拉壓測(cè)力儀上測(cè)得的彈力值的樣本方差

同理，用彈簧測(cè)力裝置測(cè)得的彈力值的樣本方差：SB2≈0.000 75，由此可得SA2/SB2≈0.67。

通過(guò)對(duì)上述兩種方法測(cè)得的彈力值的數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析，得出 0.043＜SA2/SB2＜23.2，再由數(shù)理統(tǒng)計(jì)相關(guān)理論，我們可以得出這兩種方法測(cè)得的彈力值無(wú)顯著差異，具有可互換性。因此我們認(rèn)為該彈簧測(cè)力裝置能滿足壓縮彈簧的彈力值測(cè)力使用要求。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)比普通小型彈簧拉壓測(cè)力儀的測(cè)力原理，設(shè)計(jì)了該套彈力測(cè)量裝置，并且運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析的有關(guān)理論對(duì)用兩種測(cè)力裝置測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，得出的結(jié)論是我們所設(shè)計(jì)的該套彈簧測(cè)力裝置的應(yīng)用是可行的，用其對(duì)壓縮彈簧的彈力進(jìn)行測(cè)量與用彈簧拉壓測(cè)力儀進(jìn)行測(cè)量是等效的。

當(dāng)壓縮彈簧的額定彈力值在彈簧拉壓測(cè)力儀的量程范圍內(nèi)，但面積超過(guò)了彈簧拉壓測(cè)力儀工作臺(tái)面積時(shí)，均可根據(jù)實(shí)際情況制作這樣一套裝置來(lái)測(cè)量彈簧的彈力值。

該套裝置解決了研制初期需大量投入資金的問(wèn)題。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，取材方便，造價(jià)低廉，在為企業(yè)節(jié)約大量資金的同時(shí)，又能方便地檢測(cè)出較大面積彈簧的彈力值，能夠適應(yīng)中小企業(yè)在產(chǎn)品研制階段及今后中小批量的該類(lèi)產(chǎn)品的彈力值檢測(cè)。

［1］ 盛驟，謝式千，潘承毅.概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)［M］.北京:高等教育出版社，2008.