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(cè)儀一次僅能檢測(cè)一根彈簧勁度系數(shù)，檢測(cè)效率較低的問題，研制了一種批量檢測(cè)彈簧勁度系數(shù)的裝置，該裝置主要由固定座、直線導(dǎo)軌、多個(gè)滑動(dòng)連接在直線導(dǎo)軌上的滑塊等構(gòu)成，可一次檢測(cè)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(cè)效率。

關(guān)鍵詞：彈簧;勁度系數(shù);批量檢測(cè)

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(fù)原狀的機(jī)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(zhǎng)的長(zhǎng)度與所受的拉力呈正比。

胡克定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式：

F=kx

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

彈簧在出廠前均要通過拉伸測(cè)試來檢測(cè)其勁度系數(shù)，目前市面上出售的彈簧勁度系數(shù)檢測(cè)儀一次僅能測(cè)一根彈簧，其檢測(cè)效率較低。因此，針對(duì)工廠大批量生產(chǎn)彈簧時(shí)需要檢測(cè)的樣本容量較大的現(xiàn)狀，需要購(gòu)入多臺(tái)檢測(cè)儀以滿足生產(chǎn)需求，設(shè)備采購(gòu)成本較高，亟需設(shè)計(jì)一種彈簧勁度系數(shù)批量檢測(cè)裝置，以提高彈簧勁度系數(shù)的檢測(cè)效率。

1 ? ?裝置快速演示原理

彈簧勁度系數(shù)批量檢測(cè)裝置主要由固定座、直線導(dǎo)軌、多個(gè)滑動(dòng)連接在直線導(dǎo)軌上的滑塊、用于牽引所述滑塊在直線導(dǎo)軌上滑動(dòng)的牽引機(jī)構(gòu)、用于檢測(cè)所述滑塊拉伸量的位移檢測(cè)機(jī)構(gòu)以及用于根據(jù)所述牽引機(jī)構(gòu)的牽引力大小和位移檢測(cè)機(jī)構(gòu)檢測(cè)的滑塊拉伸量計(jì)算彈簧勁度系數(shù)的計(jì)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(shè)置在直線導(dǎo)軌的前端，牽引機(jī)構(gòu)設(shè)于直線導(dǎo)軌的后端，滑塊并排間隔設(shè)置在固定座與牽引機(jī)構(gòu)之間，位移檢測(cè)機(jī)構(gòu)與計(jì)算單元連接。位移檢測(cè)機(jī)構(gòu)包括平行于直線導(dǎo)軌設(shè)置的滑軌、檢測(cè)塊、光電傳感器、處理器、用于監(jiān)測(cè)檢測(cè)塊位置的激光位移傳感器以及用于驅(qū)動(dòng)檢測(cè)塊在滑軌上滑動(dòng)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，檢測(cè)塊與滑軌滑動(dòng)連接，光電傳感器包括分別安裝在滑塊和檢測(cè)塊上的發(fā)送器和接收器，接收器連接檢測(cè)電路，檢測(cè)電路及激光位移傳感器連接處理器，處理器連接計(jì)算單元，接收器接收到發(fā)送器發(fā)出的光信號(hào)時(shí)，處理器根據(jù)此時(shí)激光位移傳感器監(jiān)測(cè)到的檢測(cè)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(jì)算出滑塊的拉伸量。

裝置工作原理：先將多個(gè)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(jī)構(gòu)以大小為F的牽引力拉動(dòng)滑塊，此時(shí)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(dǎo)軌間摩擦系數(shù)極小，使得摩擦力對(duì)拉力的影響極小，可以忽略不計(jì)），在拉動(dòng)一段距離后停下牽引機(jī)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(cè)機(jī)構(gòu)提供給計(jì)算單元，計(jì)算單元根據(jù)連接彈簧兩端滑塊的拉伸量計(jì)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(jī)構(gòu)提供的牽引力F值和公式k=F/s就可計(jì)算出對(duì)應(yīng)彈簧的勁度系數(shù)k值。

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

2 ? ?測(cè)試與分析

調(diào)試好彈簧勁度系數(shù)批量測(cè)量裝置，彈簧勁度系數(shù)批量測(cè)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(biāo)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(jì)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(shí)驗(yàn)條件下，進(jìn)行3次實(shí)驗(yàn)操作，其測(cè)試結(jié)果如表1所示。

彈簧勁度系數(shù)批量測(cè)量裝置3次測(cè)試結(jié)果的誤差均在5%以內(nèi)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，彈簧拉伸較長(zhǎng)時(shí)其誤差越小，彈簧勁度系數(shù)批量測(cè)量裝置結(jié)果能夠滿足工廠彈簧批量標(biāo)定測(cè)試的需要。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，研制的彈簧勁度系數(shù)批量檢測(cè)裝置可一次檢測(cè)多根彈簧的勁度系數(shù)，可實(shí)現(xiàn)高效率檢測(cè)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(cè)裝置可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)彈簧的勁度系數(shù)測(cè)定，可以直接讀出彈簧中各彈簧的拉力，實(shí)驗(yàn)方法簡(jiǎn)單、直觀。需要注意的是，在使用該裝置時(shí)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(jìn)行測(cè)量，否則會(huì)對(duì)測(cè)量精度產(chǎn)生較大影響。

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[3] 徐沛羽，王海軍.一種測(cè)組合彈簧勁度系數(shù)的實(shí)驗(yàn)儀器與實(shí)驗(yàn)[J].中小學(xué)實(shí)驗(yàn)與裝備，2013，23（4）：19-21.

收稿日期：2020-02-11

作者簡(jiǎn)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(jì)算機(jī)技術(shù)及應(yīng)用相關(guān)研究工作。