李 政，沈 琪，盧小犇，王 軍，陳 鑠

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

1 引 言

軸銷式傳感器結(jié)構(gòu)獨特緊湊，抗扭轉(zhuǎn)、抗彎曲能力強[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)轍機測試儀是軌道交通上監(jiān)控電動轉(zhuǎn)轍機常用的檢測裝置，主要檢測轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(guān)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(zhǔn)確反映出軸銷式傳感器的真實力值迫在眉睫。

圖1 轉(zhuǎn)轍機測試儀及包含的軸銷式傳感器

應(yīng)使用方技術(shù)要求，結(jié)合軸銷式傳感器結(jié)構(gòu)特點，上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院獨立設(shè)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(zhǔn)確控制電動轉(zhuǎn)轍機輸出力值，此裝置的應(yīng)用將填補該檢測領(lǐng)域的空白。

2 設(shè)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(yīng)變計的尺寸等[3]。因此，在檢測時，應(yīng)該采用與實際安裝使用相同的邊界支撐。所設(shè)計的檢測裝置連接構(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(tǒng)及標(biāo)準(zhǔn)傳感器構(gòu)成，采用臥式設(shè)計(傳統(tǒng)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(zhuǎn)轍機測試儀的日常使用狀態(tài)，有效檢測力值范圍為(500-50000)N。

圖3 傳統(tǒng)檢測裝置及新檢測裝置圖

基于Labview語言的控制系統(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。由于軸銷式傳感器結(jié)構(gòu)獨特，檢測裝置選擇采用力值疊加原理，利用力源對串聯(lián)同軸安裝的標(biāo)準(zhǔn)傳感器和被檢軸銷式傳感器施加負(fù)荷，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)傳感器的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)來確定被檢軸銷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

檢測時，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)檢測力值達(dá)到小力值標(biāo)準(zhǔn)傳感器上限時，將自動受保護(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。兩個標(biāo)準(zhǔn)傳感器經(jīng)檢定級別為0.03級，符合標(biāo)準(zhǔn)傳感器的要求。

進(jìn)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(zhǔn)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(jìn)行，如圖5所示，力值由Fi加載到Fi+1的過程中，要經(jīng)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(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)機級別。

圖5 理想的加載曲線

該檢測裝置無需人為干預(yù)，可實現(xiàn)全自動檢測。工作前，把標(biāo)準(zhǔn)傳感器的標(biāo)定值輸入計算機作為設(shè)定值。工作開始后，加載系統(tǒng)啟動，標(biāo)準(zhǔn)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(fā)送給標(biāo)準(zhǔn)表和檢測儀表，計算機采集并記錄標(biāo)準(zhǔn)傳感器的輸出值，計算標(biāo)準(zhǔn)傳感器的加載值與設(shè)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(jù)JJG391-2009《力傳感器檢定規(guī)程》，在相同的溫度和濕度條件下，使用新檢測儀器和傳統(tǒng)檢測儀器分別對軸銷式傳感器進(jìn)行檢測。全量程預(yù)試驗兩次后，按照檢定規(guī)程取全量程力值的10%、20%、40%、60%、80%、100%等6個點進(jìn)行檢測，重復(fù)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(fù)性進(jìn)行比較，試驗數(shù)據(jù)如表1-表3所示。通過數(shù)據(jù)分析可知，新檢測裝置的檢測準(zhǔn)確度更高，重復(fù)性、穩(wěn)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(tǒng)檢測裝置對軸銷式傳感器檢測示值

4 結(jié) 語

通過試驗驗證，新研發(fā)的檢測裝置準(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)機精度。該檢測裝置連接構(gòu)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(hù)傳感器。后擋板獨特設(shè)計使兩個標(biāo)準(zhǔn)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(huán)境現(xiàn)場使用，應(yīng)用前景廣闊。