彈簧勁度系數(shù)批量檢測裝置的研制

官雨欣 向卓 邱香玉

摘要：為了解決目前市面上出售的彈簧勁度系數(shù)檢測儀一次僅能檢測一根彈簧勁度系數(shù)，檢測效率較低的問題，研制了一種批量檢測彈簧勁度系數(shù)的裝置，該裝置主要由固定座、直線導軌、多個滑動連接在直線導軌上的滑塊等構(gòu)成，可一次檢測多根彈簧的勁度系數(shù)，顯著提高了彈簧勁度系數(shù)的檢測效率。

關(guān)鍵詞：彈簧;勁度系數(shù);批量檢測

0 ? ?引言

彈簧是一種使用彈性材料制成的在外力作用下發(fā)生形變，除去外力后又恢復原狀的機械零件[1-3]。彈簧的勁度系數(shù)即彈簧軸向受力與軸向變形量的比，是衡量彈簧性能的重要參數(shù)，所有彈簧在彈性限度內(nèi)均遵守胡克定律，即彈簧伸長的長度與所受的拉力呈正比。

胡克定律的數(shù)學表達式：

F=kx

式中，F(xiàn)為彈簧所受的拉力;x為彈簧伸長的長度;k為彈簧的彈性系數(shù)。

彈簧在出廠前均要通過拉伸測試來檢測其勁度系數(shù)，目前市面上出售的彈簧勁度系數(shù)檢測儀一次僅能測一根彈簧，其檢測效率較低。因此，針對工廠大批量生產(chǎn)彈簧時需要檢測的樣本容量較大的現(xiàn)狀，需要購入多臺檢測儀以滿足生產(chǎn)需求，設備采購成本較高，亟需設計一種彈簧勁度系數(shù)批量檢測裝置，以提高彈簧勁度系數(shù)的檢測效率。

1 ? ?裝置快速演示原理

彈簧勁度系數(shù)批量檢測裝置主要由固定座、直線導軌、多個滑動連接在直線導軌上的滑塊、用于牽引所述滑塊在直線導軌上滑動的牽引機構(gòu)、用于檢測所述滑塊拉伸量的位移檢測機構(gòu)以及用于根據(jù)所述牽引機構(gòu)的牽引力大小和位移檢測機構(gòu)檢測的滑塊拉伸量計算彈簧勁度系數(shù)的計算單元構(gòu)成。其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

其中固定座固定設置在直線導軌的前端，牽引機構(gòu)設于直線導軌的后端，滑塊并排間隔設置在固定座與牽引機構(gòu)之間，位移檢測機構(gòu)與計算單元連接。位移檢測機構(gòu)包括平行于直線導軌設置的滑軌、檢測塊、光電傳感器、處理器、用于監(jiān)測檢測塊位置的激光位移傳感器以及用于驅(qū)動檢測塊在滑軌上滑動的驅(qū)動機構(gòu)，檢測塊與滑軌滑動連接，光電傳感器包括分別安裝在滑塊和檢測塊上的發(fā)送器和接收器，接收器連接檢測電路，檢測電路及激光位移傳感器連接處理器，處理器連接計算單元，接收器接收到發(fā)送器發(fā)出的光信號時，處理器根據(jù)此時激光位移傳感器監(jiān)測到的檢測塊的位置確定滑塊的位置，處理器根據(jù)滑塊的位置變化計算出滑塊的拉伸量。

裝置工作原理：先將多個彈簧串聯(lián)起來，將最前端的彈簧連接于固定座，并使各彈簧處于自然狀態(tài)，再通過牽引機構(gòu)以大小為F的牽引力拉動滑塊，此時每根彈簧的受力大小均為F（選擇高精度的滑軌副，這樣可以保證滑塊與直線導軌間摩擦系數(shù)極小，使得摩擦力對拉力的影響極小，可以忽略不計），在拉動一段距離后停下牽引機構(gòu)，使得各彈簧處于靜止的拉伸狀態(tài)，滑塊的拉伸量由位移檢測機構(gòu)提供給計算單元，計算單元根據(jù)連接彈簧兩端滑塊的拉伸量計算出兩者的差值，即可得到彈簧的拉伸量s，再根據(jù)牽引機構(gòu)提供的牽引力F值和公式k=F/s就可計算出對應彈簧的勁度系數(shù)k值。

通過以上描述可以看出，本檢測裝置通過滑塊同時串聯(lián)多根彈簧，能夠一次檢測多根彈簧的勁度系數(shù)，并且其對彈簧的長度沒有限制，各待測彈簧長度及勁度系數(shù)均可以不同，具有較高的檢測效率，特別適合彈簧生產(chǎn)工廠批量檢測使用。

2 ? ?測試與分析

調(diào)試好彈簧勁度系數(shù)批量測量裝置，彈簧勁度系數(shù)批量測量裝置是依據(jù)彈簧的軸向受力與軸向變形量的比值，即k=F/x，將5根勁度系數(shù)分別為k0、k1、k2、k3、k4的輕彈簧串聯(lián)在一起，在不考慮彈簧本身重量和彈簧與軌道之間摩擦力的前提下，其中第1根是被標定的彈簧，其勁度系數(shù)k0=5.0 N/cm，在外力F的作用下5根彈簧都被拉伸，依據(jù)k=F/x即可計算出k1=k0×Δx/Δx1，k2=k0×Δx/Δx2，k3=k0×Δx/Δx3，k4=k0×Δx/Δx4。在上述相同的實驗條件下，進行3次實驗操作，其測試結(jié)果如表1所示。

彈簧勁度系數(shù)批量測量裝置3次測試結(jié)果的誤差均在5%以內(nèi)。實驗結(jié)果顯示，彈簧拉伸較長時其誤差越小，彈簧勁度系數(shù)批量測量裝置結(jié)果能夠滿足工廠彈簧批量標定測試的需要。實驗結(jié)果表明，研制的彈簧勁度系數(shù)批量檢測裝置可一次檢測多根彈簧的勁度系數(shù)，可實現(xiàn)高效率檢測彈簧的勁度系數(shù)。

3 ? ?結(jié)語

本文研制的彈簧勁度系數(shù)批量檢測裝置可以實現(xiàn)多個彈簧的勁度系數(shù)測定，可以直接讀出彈簧中各彈簧的拉力，實驗方法簡單、直觀。需要注意的是，在使用該裝置時彈簧必須保持水平，在不考慮彈簧本身重量和彈簧與軌道之間摩擦力的前提下進行測量，否則會對測量精度產(chǎn)生較大影響。

[參考文獻]

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[3] 徐沛羽，王海軍.一種測組合彈簧勁度系數(shù)的實驗儀器與實驗[J].中小學實驗與裝備，2013，23（4）：19-21.

收稿日期：2020-02-11

作者簡介：官雨欣（1999—），女，湖南衡陽人，研究方向：電子工程。

通信作者：向卓（1983—），男，湖南衡陽人，碩士研究生，講師，主要從事計算機技術(shù)及應用相關(guān)研究工作。