軸銷(xiāo)式傳感器檢測(cè)裝置的研制

李 政，沈 琪，盧小犇，王 軍，陳 鑠

(上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院，上海 201412)

1 引 言

軸銷(xiāo)式傳感器結(jié)構(gòu)獨(dú)特緊湊，抗扭轉(zhuǎn)、抗彎曲能力強(qiáng)[1]，與相關(guān)承力部件組裝容易，使用方便，在軌道交通行業(yè)廣泛應(yīng)用。轉(zhuǎn)轍機(jī)測(cè)試儀是軌道交通上監(jiān)控電動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)常用的檢測(cè)裝置，主要檢測(cè)轉(zhuǎn)轍機(jī)是否能完成對(duì)地鐵道岔的牽引，從而改變地鐵道岔的開(kāi)通方向[2]。軸銷(xiāo)式傳感器是轉(zhuǎn)轍機(jī)測(cè)試儀的主要測(cè)力裝置(如圖1所示)，因而軸銷(xiāo)式傳感器的力值檢測(cè)至關(guān)重要。軌道交通使用方對(duì)軸銷(xiāo)式傳感器精度要求越來(lái)越高，準(zhǔn)確反映出軸銷(xiāo)式傳感器的真實(shí)力值迫在眉睫。

圖1 轉(zhuǎn)轍機(jī)測(cè)試儀及包含的軸銷(xiāo)式傳感器

應(yīng)使用方技術(shù)要求，結(jié)合軸銷(xiāo)式傳感器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院獨(dú)立設(shè)計(jì)了一套專(zhuān)門(mén)用于軸銷(xiāo)式傳感器的檢測(cè)裝置，可檢測(cè)多種軸銷(xiāo)式傳感器，準(zhǔn)確控制電動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)輸出力值，此裝置的應(yīng)用將填補(bǔ)該檢測(cè)領(lǐng)域的空白。

2 設(shè)計(jì)原理

軸銷(xiāo)式傳感器是一個(gè)整體彈性元件[3]，受力原理如圖2所示，可以簡(jiǎn)化為兩端簡(jiǎn)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(xiāo)中心孔的直徑d，凹槽的最小直徑D，副銷(xiāo)與支撐之間的間隙，支撐的硬度和雙剪型電阻應(yīng)變計(jì)的尺寸等[3]。因此，在檢測(cè)時(shí)，應(yīng)該采用與實(shí)際安裝使用相同的邊界支撐。所設(shè)計(jì)的檢測(cè)裝置連接構(gòu)件具有相同的邊界支撐面，可以使被檢傳感器在檢測(cè)過(guò)程中得到平滑加載和受力。

圖2 軸銷(xiāo)式傳感器的受力原理圖

該檢測(cè)裝置主要由機(jī)體框架、加載控制系統(tǒng)及標(biāo)準(zhǔn)傳感器構(gòu)成，采用臥式設(shè)計(jì)(傳統(tǒng)檢測(cè)裝置及新檢測(cè)裝置如圖3所示)，檢測(cè)軸銷(xiāo)式傳感器時(shí)完全遵照轉(zhuǎn)轍機(jī)測(cè)試儀的日常使用狀態(tài)，有效檢測(cè)力值范圍為(500-50000)N。

圖3 傳統(tǒng)檢測(cè)裝置及新檢測(cè)裝置圖

基于Labview語(yǔ)言的控制系統(tǒng)將各部分功能進(jìn)行連接，鴨嘴構(gòu)件前方安裝量程為50000N的大力值標(biāo)準(zhǔn)傳感器，鴨嘴構(gòu)件后方安裝量程為5000N的小力值標(biāo)準(zhǔn)傳感器。由于軸銷(xiāo)式傳感器結(jié)構(gòu)獨(dú)特，檢測(cè)裝置選擇采用力值疊加原理，利用力源對(duì)串聯(lián)同軸安裝的標(biāo)準(zhǔn)傳感器和被檢軸銷(xiāo)式傳感器施加負(fù)荷，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)傳感器的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)來(lái)確定被檢軸銷(xiāo)式傳感器的力值性能指標(biāo)[4]，工作原理如圖4所示。

圖4 工作原理

檢測(cè)時(shí)，小力值標(biāo)準(zhǔn)傳感器在力源作用下首先進(jìn)行工作。當(dāng)檢測(cè)力值達(dá)到小力值標(biāo)準(zhǔn)傳感器上限時(shí)，將自動(dòng)受保護(hù)，大力值標(biāo)準(zhǔn)傳感器隨即進(jìn)行工作。作為承載和測(cè)力元件的參考標(biāo)準(zhǔn)傳感器受到的負(fù)荷是彈性力，所以需要保證標(biāo)準(zhǔn)傳感器具有足夠高的精度。兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)傳感器經(jīng)檢定級(jí)別為0.03級(jí)，符合標(biāo)準(zhǔn)傳感器的要求。

進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，由減速機(jī)絲桿推動(dòng)傳感器安裝板組件沿兩個(gè)連桿做軸向精準(zhǔn)移動(dòng)并把力施加到被測(cè)軸銷(xiāo)式傳感器上，傳感器受力平滑，沖擊小，檢測(cè)精度可以得到保證。加載過(guò)程中，傳感器受力完全按照理想加載曲線進(jìn)行，如圖5所示，力值由Fi加載到Fi+1的過(guò)程中，要經(jīng)歷3個(gè)過(guò)程：I為加載過(guò)程，該過(guò)程力值與時(shí)間呈一次曲線；II為緩沖過(guò)程，該過(guò)程是一段光滑曲線；III為保持過(guò)程，該過(guò)程用來(lái)穩(wěn)定力值并記錄傳感器的相關(guān)數(shù)據(jù)[6]。裝置加載受力穩(wěn)定，同軸度高，精度可達(dá)到0.1%標(biāo)準(zhǔn)機(jī)級(jí)別。

圖5 理想的加載曲線

該檢測(cè)裝置無(wú)需人為干預(yù)，可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)檢測(cè)。工作前，把標(biāo)準(zhǔn)傳感器的標(biāo)定值輸入計(jì)算機(jī)作為設(shè)定值。工作開(kāi)始后，加載系統(tǒng)啟動(dòng)，標(biāo)準(zhǔn)傳感器和被檢軸銷(xiāo)式傳感器同時(shí)受力，傳感器輸出信號(hào)分別發(fā)送給標(biāo)準(zhǔn)表和檢測(cè)儀表，計(jì)算機(jī)采集并記錄標(biāo)準(zhǔn)傳感器的輸出值，計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)傳感器的加載值與設(shè)定值的差值。如此，逐點(diǎn)完成檢測(cè)。該檢測(cè)裝置輕便小巧，便于攜帶移動(dòng)，是一套可移動(dòng)的高精度檢測(cè)裝置。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)JJG391-2009《力傳感器檢定規(guī)程》，在相同的溫度和濕度條件下，使用新檢測(cè)儀器和傳統(tǒng)檢測(cè)儀器分別對(duì)軸銷(xiāo)式傳感器進(jìn)行檢測(cè)。全量程預(yù)試驗(yàn)兩次后，按照檢定規(guī)程取全量程力值的10%、20%、40%、60%、80%、100%等6個(gè)點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，重復(fù)檢測(cè)3次，分別對(duì)力值示值相對(duì)誤差、絕對(duì)誤差，力值示值重復(fù)性進(jìn)行比較，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1-表3所示。通過(guò)數(shù)據(jù)分析可知，新檢測(cè)裝置的檢測(cè)準(zhǔn)確度更高，重復(fù)性、穩(wěn)定性更好。

表1 兩種檢測(cè)裝置檢測(cè)軸銷(xiāo)式傳感器的力值平均示值

表2 新檢測(cè)裝置對(duì)軸銷(xiāo)式傳感器檢測(cè)示值

表3 傳統(tǒng)檢測(cè)裝置對(duì)軸銷(xiāo)式傳感器檢測(cè)示值

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，新研發(fā)的檢測(cè)裝置準(zhǔn)確度、重復(fù)性、穩(wěn)定性都很高，精度可達(dá)0.1%，已達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)機(jī)精度。該檢測(cè)裝置連接構(gòu)件具有與軸銷(xiāo)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(hù)傳感器。后擋板獨(dú)特設(shè)計(jì)使兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)傳感器力值切換自如，檢測(cè)范圍為(500-50000)N，完全滿足軌道交通使用方的要求。該檢測(cè)裝置可拆卸移動(dòng)，不僅適用于實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)，也適用于野外惡劣環(huán)境現(xiàn)場(chǎng)使用，應(yīng)用前景廣闊。