軸銷式傳感器檢測裝置的研制

李 政，沈 琪，盧小犇，王 軍，陳 鑠

(上海市質量監督檢驗技術研究院，上海 201412)

1 引 言

軸銷式傳感器結構獨特緊湊，抗扭轉、抗彎曲能力強[1]，與相關承力部件組裝容易，使用方便，在軌道交通行業廣泛應用。轉轍機測試儀是軌道交通上監控電動轉轍機常用的檢測裝置，主要檢測轉轍機是否能完成對地鐵道岔的牽引，從而改變地鐵道岔的開通方向[2]。軸銷式傳感器是轉轍機測試儀的主要測力裝置(如圖1所示)，因而軸銷式傳感器的力值檢測至關重要。軌道交通使用方對軸銷式傳感器精度要求越來越高，準確反映出軸銷式傳感器的真實力值迫在眉睫。

圖1 轉轍機測試儀及包含的軸銷式傳感器

應使用方技術要求，結合軸銷式傳感器結構特點，上海市質量監督檢驗技術研究院獨立設計了一套專門用于軸銷式傳感器的檢測裝置，可檢測多種軸銷式傳感器，準確控制電動轉轍機輸出力值，此裝置的應用將填補該檢測領域的空白。

2 設計原理

軸銷式傳感器是一個整體彈性元件[3]，受力原理如圖2所示，可以簡化為兩端簡支中間受一集中載荷P作用的空心截面梁。其影響受力輸出的因素有：軸銷中心孔的直徑d，凹槽的最小直徑D，副銷與支撐之間的間隙，支撐的硬度和雙剪型電阻應變計的尺寸等[3]。因此，在檢測時，應該采用與實際安裝使用相同的邊界支撐。所設計的檢測裝置連接構件具有相同的邊界支撐面，可以使被檢傳感器在檢測過程中得到平滑加載和受力。

圖2 軸銷式傳感器的受力原理圖

該檢測裝置主要由機體框架、加載控制系統及標準傳感器構成，采用臥式設計(傳統檢測裝置及新檢測裝置如圖3所示)，檢測軸銷式傳感器時完全遵照轉轍機測試儀的日常使用狀態，有效檢測力值范圍為(500-50000)N。

圖3 傳統檢測裝置及新檢測裝置圖

基于Labview語言的控制系統將各部分功能進行連接，鴨嘴構件前方安裝量程為50000N的大力值標準傳感器，鴨嘴構件后方安裝量程為5000N的小力值標準傳感器。由于軸銷式傳感器結構獨特，檢測裝置選擇采用力值疊加原理，利用力源對串聯同軸安裝的標準傳感器和被檢軸銷式傳感器施加負荷，根據標準傳感器的標準數來確定被檢軸銷式傳感器的力值性能指標[4]，工作原理如圖4所示。

圖4 工作原理

檢測時，小力值標準傳感器在力源作用下首先進行工作。當檢測力值達到小力值標準傳感器上限時，將自動受保護，大力值標準傳感器隨即進行工作。作為承載和測力元件的參考標準傳感器受到的負荷是彈性力，所以需要保證標準傳感器具有足夠高的精度。兩個標準傳感器經檢定級別為0.03級，符合標準傳感器的要求。

進行檢測時，由減速機絲桿推動傳感器安裝板組件沿兩個連桿做軸向精準移動并把力施加到被測軸銷式傳感器上，傳感器受力平滑，沖擊小，檢測精度可以得到保證。加載過程中，傳感器受力完全按照理想加載曲線進行，如圖5所示，力值由Fi加載到Fi+1的過程中，要經歷3個過程：I為加載過程，該過程力值與時間呈一次曲線；II為緩沖過程，該過程是一段光滑曲線；III為保持過程，該過程用來穩定力值并記錄傳感器的相關數據[6]。裝置加載受力穩定，同軸度高，精度可達到0.1%標準機級別。

圖5 理想的加載曲線

該檢測裝置無需人為干預，可實現全自動檢測。工作前，把標準傳感器的標定值輸入計算機作為設定值。工作開始后，加載系統啟動，標準傳感器和被檢軸銷式傳感器同時受力，傳感器輸出信號分別發送給標準表和檢測儀表，計算機采集并記錄標準傳感器的輸出值，計算標準傳感器的加載值與設定值的差值。如此，逐點完成檢測。該檢測裝置輕便小巧，便于攜帶移動，是一套可移動的高精度檢測裝置。

3 試驗驗證

根據JJG391-2009《力傳感器檢定規程》，在相同的溫度和濕度條件下，使用新檢測儀器和傳統檢測儀器分別對軸銷式傳感器進行檢測。全量程預試驗兩次后，按照檢定規程取全量程力值的10%、20%、40%、60%、80%、100%等6個點進行檢測，重復檢測3次，分別對力值示值相對誤差、絕對誤差，力值示值重復性進行比較，試驗數據如表1-表3所示。通過數據分析可知，新檢測裝置的檢測準確度更高，重復性、穩定性更好。

表1 兩種檢測裝置檢測軸銷式傳感器的力值平均示值

表2 新檢測裝置對軸銷式傳感器檢測示值

表3 傳統檢測裝置對軸銷式傳感器檢測示值

4 結 語

通過試驗驗證，新研發的檢測裝置準確度、重復性、穩定性都很高，精度可達0.1%，已達到標準機精度。該檢測裝置連接構件具有與軸銷式傳感器相同的邊界支撐面，傳感器受力平滑，沖擊較小，可以很好地保護傳感器。后擋板獨特設計使兩個標準傳感器力值切換自如，檢測范圍為(500-50000)N，完全滿足軌道交通使用方的要求。該檢測裝置可拆卸移動，不僅適用于實驗室檢測，也適用于野外惡劣環境現場使用，應用前景廣闊。