陳新華 上海華鐵旅客服務(wù)有限公司

根據(jù)鐵運(yùn)[2008] 15號(hào)《關(guān)于印發(fā)〈鐵路貨車(chē)制動(dòng)裝置檢修規(guī)則〉的通知》文件要求，為適應(yīng)鐵路現(xiàn)代化進(jìn)程，滿(mǎn)足鐵路提速、重載、新技術(shù)推廣使用及貨車(chē)裝備現(xiàn)代化對(duì)貨車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)的要求，進(jìn)一步提高鐵路貨車(chē)檢修質(zhì)量，保證鐵路運(yùn)輸安全，鐵道部重新制定了《鐵路貨車(chē)制動(dòng)裝置檢修規(guī)則》，在該規(guī)則中明確規(guī)定廠、段修在對(duì)閘調(diào)器進(jìn)行檢修時(shí)，必須用“彈簧試驗(yàn)機(jī)”對(duì)閘調(diào)器部件中的所有彈簧進(jìn)行試驗(yàn)，以保證閘調(diào)器的總成性能。

1 閘調(diào)器結(jié)構(gòu)及使用現(xiàn)狀

目前，閘調(diào)器主要有ST1-600和ST2-250兩種類(lèi)型。它們的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 閘調(diào)器結(jié)構(gòu)圖

從圖1可見(jiàn)，閘調(diào)器中的彈簧有：主彈簧、壓緊彈簧、小彈簧、引導(dǎo)螺母彈簧。

從貨車(chē)運(yùn)用實(shí)際情況來(lái)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(jìn)行車(chē)輛廠、段修時(shí)，要對(duì)閘調(diào)器組成中所有彈簧進(jìn)行試驗(yàn)，以保證閘調(diào)器在車(chē)輛運(yùn)用時(shí)有良好的技術(shù)狀態(tài)。由于目前的儀表式閘調(diào)器彈簧性能檢測(cè)機(jī)存在著檢測(cè)精度不高等問(wèn)題，因此，提出微控閘調(diào)器彈簧試驗(yàn)臺(tái)研究課題，以提高閘調(diào)器彈簧檢測(cè)精度，保證閘調(diào)器總成性能。

2 微控閘調(diào)器彈簧試驗(yàn)臺(tái)的構(gòu)造

根據(jù)《鐵路貨車(chē)制動(dòng)裝置檢修規(guī)則》規(guī)定，裝用閘調(diào)器上的彈簧必須符合以下表1中技術(shù)參數(shù)要求：

表1 閘調(diào)器彈簧參數(shù)表

從表1可知，微控閘調(diào)器彈簧試驗(yàn)臺(tái)主要是要檢測(cè)彈簧的自由高、裝配載荷和極限載荷是否滿(mǎn)足表1中技術(shù)參數(shù)要求，如果滿(mǎn)足表1中技術(shù)參數(shù)要求，那么該彈簧合格；如果不滿(mǎn)足表1中技術(shù)參數(shù)要求，那么該彈簧不合格。要檢測(cè)彈簧的高度，那么必須有長(zhǎng)度計(jì)量?jī)x，這里采用長(zhǎng)度傳感器，位移傳感器又稱(chēng)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(gè)項(xiàng)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(yīng)的線性器件，接通電源后，在開(kāi)關(guān)的感應(yīng)面將產(chǎn)生一個(gè)交變磁場(chǎng)，當(dāng)金屬物體接近此感應(yīng)面時(shí)，金屬中則產(chǎn)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(jù)衰減量的變化來(lái)完成無(wú)接觸檢測(cè)物體的目的。該位移傳感器具有無(wú)滑動(dòng)觸點(diǎn)，工作時(shí)不受灰塵等非金屬因素的影響，并且低功耗，長(zhǎng)壽命，可使用在各種惡劣條件下。位移傳感器主要應(yīng)用在自動(dòng)化裝備生產(chǎn)線對(duì)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(lái)看有10.5、10、6和4.5 mm等規(guī)格；從彈簧自由高來(lái)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(jù)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(guī)格。要檢測(cè)彈簧的彈性力，我們可以采用稱(chēng)重傳感器。稱(chēng)重傳感器按轉(zhuǎn)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(dòng)式、陀螺儀式、電陰應(yīng)變式等8類(lèi)，以電阻應(yīng)變式使用最廣。

電阻應(yīng)變式稱(chēng)重傳感器是基于這樣一個(gè)原理：彈性體（彈性元件，敏感梁）在外力作用下產(chǎn)生彈性變形，使粘貼在其表面的電阻應(yīng)變片（轉(zhuǎn)換元件）也隨之產(chǎn)生變形，電阻應(yīng)變片變形后，它的阻值將發(fā)生變化（增大或減?。?，再經(jīng)相應(yīng)的測(cè)量電路把這一電阻變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)（電壓或電流），從而完成了將外力變換為電信號(hào)的過(guò)程。

由此可見(jiàn)，電阻應(yīng)變片、彈性體和檢測(cè)電路是電阻應(yīng)變式稱(chēng)重傳感器中不可缺少的幾個(gè)主要部分。下面就這三方面簡(jiǎn)要論述。

（1）電阻應(yīng)變片

電阻應(yīng)變片是把一根電阻絲機(jī)械地分布在一塊有機(jī)材料制成的基底上，即成為一片應(yīng)變片。它的一個(gè)重要參數(shù)是靈敏系數(shù)K。我們來(lái)介紹一下它的意義。

設(shè)有一個(gè)金屬電阻絲，其長(zhǎng)度為L(zhǎng)，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(shù)是μ。當(dāng)這根電阻絲未受外力作用時(shí)，它的電阻值為R：

R=ρL/S（Ω）式（1）

當(dāng)它的兩端受F力作用時(shí)，將會(huì)伸長(zhǎng)，也就是說(shuō)產(chǎn)生變形。設(shè)其伸長(zhǎng)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(shí)驗(yàn)證明，此金屬電阻絲在變形后，電阻率也會(huì)有所改變，記作Δρ。

對(duì)式（1）求全微分，即求出電阻絲伸長(zhǎng)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(dǎo)線的橫截面積S=πr2，則Δs=2πr×Δr，所以

從材料力學(xué)我們知道

其中，負(fù)號(hào)表示伸長(zhǎng)時(shí)，半徑方向是縮小的。μ是表示材料橫向效應(yīng)泊松系數(shù)。把式（4）、（5）代入（3），有

其中

式（6）說(shuō)明了電阻應(yīng)變片的電阻變化率（電阻相對(duì)變化）和電阻絲伸長(zhǎng)率（長(zhǎng)度相對(duì)變化）之間的關(guān)系。

需要說(shuō)明的是：靈敏度系數(shù)K值的大小是由制作金屬電阻絲材料的性質(zhì)決定的一個(gè)常數(shù)，它和應(yīng)變片的形狀、尺寸大小無(wú)關(guān)，不同的材料的K值一般在1.7～3.6之間；其次K值是一個(gè)無(wú)因次量，即它沒(méi)有量綱。

在材料力學(xué)中ΔL/L稱(chēng)作為應(yīng)變，記作ε，用它來(lái)表示彈性往往顯得太大，很不方便，常常把它的百萬(wàn)分之一作為單位，記作με。這樣，式（6）常寫(xiě)作：

（2）彈性體

彈性體是一個(gè)有特殊形狀的結(jié)構(gòu)件。它的功能有兩個(gè)，首先是它承受稱(chēng)重傳感器所受的外力，對(duì)外力產(chǎn)生反作用力，達(dá)到相對(duì)靜平衡；其次，它要產(chǎn)生一個(gè)高品質(zhì)的應(yīng)變場(chǎng)（區(qū)），使粘貼在此區(qū)的電阻應(yīng)變片比較理想地完成應(yīng)力變化電信號(hào)的轉(zhuǎn)換任務(wù)。

以托利多公司的SB系列稱(chēng)重傳感器的彈性體為例，來(lái)介紹一下其中的應(yīng)力分布。

設(shè)有一帶有肓孔的長(zhǎng)方體懸臂梁。

肓孔底部中心是承受純剪應(yīng)力，但其上、下部分將會(huì)出現(xiàn)拉伸和壓縮應(yīng)力。主應(yīng)力方向一為拉伸，一為壓縮，若把應(yīng)變片貼在這里，則應(yīng)變片上半部將受拉伸而阻值增加，而應(yīng)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(diǎn)的應(yīng)變表達(dá)式，而不再推導(dǎo)。

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

需要說(shuō)明的是，上面分析的應(yīng)力狀態(tài)均是“局部”情況，而應(yīng)變片實(shí)際感受的是“平均”狀態(tài)。

（3）檢測(cè)電路

檢測(cè)電路的功能是把電阻應(yīng)變片的電阻變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷狠敵?。因?yàn)榛菟沟请姌蚓哂泻芏鄡?yōu)點(diǎn)，如可以抑制溫度變化的影響，可以抑制側(cè)向力干擾，可以比較方便地解決稱(chēng)重傳感器的補(bǔ)償問(wèn)題等，所以惠斯登電橋在稱(chēng)重傳感器中得到了廣泛的應(yīng)用。

因?yàn)槿珮蚴降缺垭姌虻撵`敏度最高，各臂參數(shù)一致，各種干擾的影響容易相互抵銷(xiāo)，所以稱(chēng)重傳感器均采用全橋式等臂電橋，如圖3所示。

圖3 稱(chēng)重傳感器全橋式等臂電橋

在本項(xiàng)目中，我們選擇NS-TH6系列平行梁式稱(chēng)重傳感器，該傳感器采用優(yōu)質(zhì)鋁合金制作，具有結(jié)構(gòu)緊湊、抗過(guò)載能力強(qiáng)、測(cè)量精度高、密封性能好、安裝簡(jiǎn)便、穩(wěn)固等特點(diǎn)。外形尺寸如圖4所示。

圖4 NS-TH6型平行梁式稱(chēng)重傳感器

從裝配載荷和極限載荷來(lái)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(guī)格的稱(chēng)重傳感器來(lái)分別檢測(cè)不同的彈簧。

根據(jù)以上設(shè)計(jì)分析，微控閘調(diào)器彈簧試驗(yàn)臺(tái)主要由彈性力檢測(cè)機(jī)構(gòu)、彈簧高度檢測(cè)機(jī)構(gòu)、壓頭驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、信號(hào)采集系統(tǒng)和檢測(cè)機(jī)構(gòu)總成以及控制試驗(yàn)及分析判斷軟件組成。微控閘調(diào)器彈簧試驗(yàn)臺(tái)技術(shù)方案如圖5所示。

圖5 微控閘調(diào)器彈簧試驗(yàn)臺(tái)技術(shù)方案

3 預(yù)期效果

按照以上技術(shù)方案研制微控閘調(diào)器彈簧試驗(yàn)臺(tái)，能夠?qū)崿F(xiàn)閘調(diào)器彈簧性能試驗(yàn)有關(guān)工藝規(guī)程要求，彈簧自由高度精度可以達(dá)到±1mm，彈簧載荷精度可以達(dá)到±0.1%FS，作業(yè)自動(dòng)化程度高，操作安全簡(jiǎn)便，檢測(cè)試驗(yàn)記錄信息并入HMIS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，設(shè)備性能可靠，基本實(shí)現(xiàn)免維修。能夠徹底解決現(xiàn)在廠、段修時(shí)閘調(diào)器彈簧的不試驗(yàn)、不記錄現(xiàn)狀，保證閘調(diào)器彈簧裝用質(zhì)量，提高閘調(diào)器檢修質(zhì)量，最大限度地減少安全隱患。