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        軌道衡剪力傳感器過盈裝配對測量區(qū)的影響研究

        2015-10-25 02:16:54徐勁力陳智磊羅文欣
        計(jì)量學(xué)報(bào) 2015年5期
        關(guān)鍵詞:軌道衡接觸區(qū)過盈

        徐勁力, 陳智磊, 羅文欣

        (武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,湖北 武漢 430070)

        軌道衡剪力傳感器過盈裝配對測量區(qū)的影響研究

        徐勁力, 陳智磊, 羅文欣

        (武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,湖北 武漢 430070)

        針對動態(tài)軌道衡塞入式剪力傳感器稱重原理進(jìn)行分析,確定了傳感器彈性體應(yīng)變片的位置及貼片區(qū)域和應(yīng)變片測量柵絲的排布方向;采用有限元仿真分析得出傳感器過盈裝配對應(yīng)變測量區(qū)影響的平面剪應(yīng)力分布云圖,確定了彈性體應(yīng)變區(qū)的貼片范圍。通過分析不同過盈量及接觸區(qū)時彈性體的變形,研究了預(yù)緊力大小對傳感器性能的影響。

        計(jì)量學(xué);剪力傳感器;過盈配合;軌道衡;有限元

        1 引 言

        剪力式軌道衡是目前應(yīng)用較廣泛的動態(tài)軌道衡計(jì)量方式,因其具有較大稱重范圍且抗沖擊、抗偏載、不斷軌、安裝方便、施工周期短的特點(diǎn),故而在超偏載裝置的設(shè)計(jì)中經(jīng)常用到[1]。剪力式軌道衡利用塞入式剪切稱重傳感器嵌入鋼軌稱重區(qū)段的孔中,形成雙工字梁稱重系統(tǒng)。鋼軌和位于腹板區(qū)中性軸的傳感器過盈聯(lián)接形成一個整體式的彈性體來傳遞車輪的重力。鋼軌腹板孔受車輪承載力時會發(fā)生變形,從而使安裝的傳感器與安裝孔之間存在間隙,這將會導(dǎo)致傳感器測量精度大大降低,因此傳感器的安裝必須施加預(yù)緊力。預(yù)緊力的施加會導(dǎo)致彈性體初始應(yīng)力分布不均,應(yīng)變片貼片位置的選擇對剪力傳感器輸出量的準(zhǔn)確性有較大的影響。本文主要針對剪力傳感器稱重原理進(jìn)行了分析,采用有限元法分析過盈配合時彈性體的受力狀態(tài),確定有效測量平滑區(qū),并通過仿真和實(shí)驗(yàn)研究預(yù)緊力大小對傳感器性能的影響。

        2 傳感器稱重原理及應(yīng)變測量區(qū)確定

        2.1塞入式剪力傳感器的基本測量原理

        軌道衡采用鋼軌腹板與塞入式剪力傳感器過盈配合來實(shí)現(xiàn)[2,3]。鋼軌截面?zhèn)鞲衅鲝椥泽w安裝如圖1所示。圖2為剪力恒定值原理圖,鋼軌稱量端安裝固定在軌枕1、5上,跨距為l;A、B為剪力傳感器在腹板中性軸上安裝點(diǎn)。A、B分別到兩端1、5的距離為n,則有

        圖1 鋼軌截面?zhèn)鞲衅鲝椥泽w安裝圖

        圖2 剪切力稱重傳感器原理圖

        當(dāng)輪重位于A、B所在截面之間時,A、B處剪力差為W,其值為常數(shù),不同的車輪重力對應(yīng)不同的剪力差值;而在其它位置(包括在1,5支撐點(diǎn)之外),剪力差均為零。當(dāng)在鋼軌梁跨中施加載荷時,A、B兩個剪力傳感器分別采集大小相等正負(fù)相反的應(yīng)變電信號,通過邏輯運(yùn)算模塊使信號進(jìn)行數(shù)學(xué)處理運(yùn)算即可得到載荷的具體數(shù)值。

        2.2應(yīng)變測量區(qū)的確定

        設(shè)α為任一斜截面外法線n與水平軸的夾角,如圖3所示,根據(jù)應(yīng)力平衡條件[4,5],令

        根據(jù)主應(yīng)力的定義,且τα=0,可解得主應(yīng)力平面的外法線與水平軸的夾角αn滿足:

        即主應(yīng)力平面與最大剪應(yīng)力平面角度為45°。

        對于鋼軌截面梁,作用于工字形截面任一點(diǎn)處的法向應(yīng)力和剪應(yīng)力分別為:

        式中:M為截面彎矩;Q為截面剪力;b為截面寬度;JY為截面對中性軸的慣性矩;Z為應(yīng)力單元距中性軸的距離;S為應(yīng)力單元對中性軸的靜矩。

        圖3 單元體內(nèi)外法線為α的斜截面

        在工字鋼中性軸截面處任意取一六面體單位單元。此時,應(yīng)力單元上的應(yīng)力在這種情況下有:

        此時剪應(yīng)力最大,最大剪應(yīng)力方向與中性軸方向一致。根據(jù)上面得出的主應(yīng)力平面與最大剪應(yīng)力平面互相呈45°角的結(jié)論,可確定在中性軸處的主應(yīng)力方向與中性軸方向呈45°角。因此,可在中性軸處粘貼應(yīng)變片,粘貼方式如圖4所示?;跂沤z變形改變應(yīng)變片電阻,影響傳感器電壓輸出值的特性,可通過觀察貼片處彈性體的變形值來模擬不同載荷下傳感器的輸出。

        3 過盈裝配對應(yīng)變測量區(qū)的影響

        3.1模型建立及載荷施加

        圖4 應(yīng)變片貼片方向示意圖

        剪力傳感器的結(jié)構(gòu)如下圖5所示,傳感器呈圓筒狀,沿軸向分為3段,中間端為接觸段,前端為螺紋連接端,用于鋼軌腹板上的安裝和固定,后端為傳感器導(dǎo)線牽引端。中間接觸端為未穿的盲孔結(jié)構(gòu),用于金屬應(yīng)變片的貼片區(qū)域。中間端上沿圓周均勻分布4條傳力棱用于集中傳遞腹板所承受的剪力。

        圖5 剪力傳感器結(jié)構(gòu)

        由于本文對傳感器的力學(xué)性能分析研究集中在彈性體承載部分,故在ANSYS軟件內(nèi)部直接建立與鋼軌接觸端的彈性體模型,摒棄不參與受力的傳感器的其他結(jié)構(gòu),使研究集中在力學(xué)分析,簡化后模型如圖6所示。網(wǎng)格劃分采用掃略方式,生成比較規(guī)則的體網(wǎng)格有限元模型。在4條傳力棱與鋼軌圓孔內(nèi)壁接觸位置建立接觸副,并對鋼軌外壁上所有節(jié)點(diǎn)施加全約束,模擬建立傳感器與鋼軌的過盈配合。

        圖6 剪力傳感器簡化模型

        3.2計(jì)算結(jié)果分析及整理

        圖7為過盈量取0.05 mm時傳感器總應(yīng)力分布圖,可看出在貼片區(qū)域的圓環(huán)內(nèi),應(yīng)變云圖呈現(xiàn)層次狀,主要由兩個應(yīng)力值來劃分區(qū)域,區(qū)域1的應(yīng)力值為0.436×109Pa并均勻分布。區(qū)域2中應(yīng)力值0.211×109Pa并均勻分布。由于不等值應(yīng)力層在貼片區(qū)存在交界區(qū)域,要保證應(yīng)變片在過盈裝載過程中避免非線性的零點(diǎn)漂移,所以要求傳感器應(yīng)變片的尺寸寬度不能超過圖7中區(qū)域2的范圍(即傳感器貼片區(qū)域孔直徑的2/3),以避開應(yīng)力層交界線,保證傳感器初始應(yīng)控制在微量的線性范圍。

        圖7 傳感器總應(yīng)力分布圖

        圖8為傳感器剪切應(yīng)力云圖,圖中傳感器貼片區(qū)部位應(yīng)力呈現(xiàn)雙曲線的形狀,其對稱線與X軸夾角為45°,故剪力傳感器應(yīng)變片所采集的是貼片區(qū)柵絲沿X軸45°方向的剪切應(yīng)變量。金屬柵絲的受力排布角度也是按照這個方向設(shè)計(jì)的。

        圖8 剪切應(yīng)變云圖

        4 預(yù)緊力對傳感器性能的影響

        4.1預(yù)緊力對傳感器性能影響的仿真分析

        為探討預(yù)緊力大小對傳感器性能的影響,分別研究不同過盈量及不同接觸區(qū)大小對彈性體應(yīng)力應(yīng)變的影響,建立傳感器、鋼軌過盈裝配模型。由于剪力傳感器的裝配相對鋼軌中心線對稱(如圖2),分析時取左邊1/2模型。將鋼軌左端固定,右端采用對稱約束,并施加一外力,采用ANSYS模擬加載及卸載過程。

        4.1.1 過盈量對傳感器性能的影響

        選取4組不同過盈量的裝配模型的進(jìn)行仿真,編號1~4分別對應(yīng)的過盈量為0.01 mm,0.02 mm,0.03 mm,0.05 mm。在圖7的區(qū)域2內(nèi)一節(jié)點(diǎn)P,且保證該節(jié)點(diǎn)與坐標(biāo)原點(diǎn)的連線與X軸呈135°,通過有限元仿真得到P點(diǎn)處變形量,部分?jǐn)?shù)據(jù)如表1所示。

        由表1中數(shù)據(jù)可見,傳感器安裝預(yù)緊力對P點(diǎn)處變形有影響,相同載荷下,隨著過盈量的增大,P點(diǎn)的變形隨之增大,滯后有減小趨勢,但變化較小。而線性度的變化較為明顯,但不隨過盈量的趨勢發(fā)生變化,在過盈量為0.02 mm時,傳感器的線性度最小。圖9為不同過盈量時傳感器的等效應(yīng)力云圖,由圖9可看出,隨著過盈量取值的增大,彈性體應(yīng)變區(qū)的貼片范圍未發(fā)生較大變化。

        4.1.2接觸區(qū)對傳感器性能的影響

        選取3組接觸區(qū)大小不同的模型進(jìn)行仿真,模型a過盈配合接觸區(qū)最小,模型b其次,模型c過盈配合接觸區(qū)最大。分析得P點(diǎn)處變形量如表2所示。

        圖9 過盈量不同時傳感器應(yīng)力云圖

        表1 P點(diǎn)在不同過盈量時的變形mm

        表2 P點(diǎn)在不同接觸區(qū)大小時的變形mm

        由表2中性能指標(biāo)對比可知,過盈配合接觸區(qū)面積增大時,相同載荷下P點(diǎn)的變形隨之增大,傳感器的線性度增大,滯后減小。圖10為過盈配合接觸區(qū)不同時傳感器的等效應(yīng)力云圖。由圖10可見,隨著過盈配合接觸區(qū)面積的增大,彈性體應(yīng)變區(qū)的貼片范圍明顯發(fā)生變化,結(jié)果表明過盈配合接觸區(qū)面積的大小對彈性體有效測量平滑區(qū)有較大影響。

        4.2預(yù)緊力對傳感器性能影響的實(shí)驗(yàn)研究

        分別測試3組不同裝配預(yù)緊力下剪力傳感器的輸出值,預(yù)緊力大小關(guān)系為:FA<FB<FC。測試設(shè)備采用德國進(jìn)口60 kN標(biāo)準(zhǔn)測力機(jī),檢定室內(nèi)溫度22℃,檢定相對濕度50%。記錄傳感器的電壓輸出,建立加載載荷與傳感器輸出電壓的關(guān)系方程,并標(biāo)定傳感器的線性度,測試值如表3所示。

        圖10 過盈配合接觸區(qū)不同時傳感器應(yīng)力云圖

        表3 不同預(yù)緊力時傳感器輸出電壓mV

        由表3中性能指標(biāo)對比可知,當(dāng)預(yù)緊力過大或過小時,傳感器線性度都會增大。裝配時采用適當(dāng)?shù)念A(yù)緊力能保證較低傳感器線性度,該結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致。由于實(shí)驗(yàn)時采用的貼片膠水、貼片的位置精度等都會對傳感器的性能造成影響,因此測試結(jié)果與仿真有一定的差別。

        5 結(jié) 論

        對動態(tài)軌道衡塞入式剪力傳感器稱重原理進(jìn)行分析,確定了傳感器彈性體應(yīng)變片測量柵絲的排布方向;通過對傳感器彈性體的過盈安裝進(jìn)行有限元仿真,確定彈性體應(yīng)變區(qū)范圍為2R/3(R為貼片區(qū)半徑)區(qū)域。通過有限元仿真及實(shí)驗(yàn)測試不同預(yù)緊力下傳感器的輸出,結(jié)果表明預(yù)緊力對傳感器的線性度、滯后及有效測量平滑區(qū)均有影響。本文在仿真時只針對鋼軌和傳感器進(jìn)行了分析,但實(shí)際上影響稱重傳感器性能的因素不僅是彈性元件結(jié)構(gòu)的局部塑性,貼片膠水的遲滯效應(yīng)、彈性元件與關(guān)聯(lián)部件的摩擦都將是產(chǎn)生滯后的重要因素,本文在分析時未將這些因素考慮在內(nèi)。

        [1] 施昌彥.動態(tài)測重技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展動向[J].計(jì)量與測試技術(shù),2000,(1):18-20.

        [2] 謝寶義.不斷軌動態(tài)軌道衡稱重技術(shù)[J].計(jì)量技術(shù),2002,(3):16-17.

        [3] 石延平,石軼非,張永忠.附加式壓磁測力傳感器在動態(tài)稱重軌中的應(yīng)用[J].計(jì)量學(xué)報(bào),2007,28(4):361 -362.

        [4] 劉九卿.銷軸式稱重傳感器及其應(yīng)用[J].科技應(yīng)用,2008,37(2):6-14.

        [5] 劉九卿.剪切式力與稱重傳感器的力學(xué)基礎(chǔ)[J].衡器,1997,(2):13-20.

        Study on the Impact of the Shearing Force Sensor with an Interference Fit on the Rail Weigher to the Measure Area

        XU Jin-li, CHEN Zhi-lei, LUO Wen-xin
        (Wuhan University of Technology,School of Mechanical and Electronic Engineering,Wuhan,Hubei 430070,China)

        The weighing principle of the shearing force sensor is explained,and the way to stick the strain gage and the direction of the metal gate by theoretical computation are decided.The assembling stress can be calculated through the finite element analysis software,and then the strain area of the elastomer is known.The deformation of the elastomer with differdent interference and contact area is gotten so that the effect of preloading on the sensor can be sure.

        metrology;shearing force sensor;interference fit;rail weigher;finite element

        TB931

        A

        1000-1158(2015)05-0521-05

        10.3969/j.issn.1000-1158.2015.05.16

        2013-07-24;

        2014-01-28

        徐勁力(1965-),男,湖北武漢人,武漢理工大學(xué)教授,主要從事計(jì)量技術(shù)研究。xujl1996@163.com

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