張?zhí)熨x，王大志※，翟文革，馬 韜，陳相吉，陳玉亮，張 森

（1.大連理工大學(xué)遼寧省微納米技術(shù)與系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧大連116024；2.西安鐵路信號有限責(zé)任公司，西安710100）

0 引言

鐵路是國家重要的基礎(chǔ)設(shè)施，在綜合交通運(yùn)輸體系中處于重要地位。道岔是列車在行進(jìn)過程中變更線路的重要裝置，而轉(zhuǎn)轍機(jī)是道岔用來驅(qū)動(dòng)執(zhí)行的電氣設(shè)備。轉(zhuǎn)轍機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)矩經(jīng)減速器和滾珠絲杠推動(dòng)或拉動(dòng)動(dòng)作桿，最后通過鎖閉桿將道岔鎖閉在規(guī)定位置，從而實(shí)現(xiàn)改變列車行進(jìn)方向的目的[1-2]。

其中動(dòng)作桿是執(zhí)行道岔轉(zhuǎn)換的核心部件之一，當(dāng)對動(dòng)作桿的驅(qū)動(dòng)力過大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致尖軌與基本軌擠壓，長期下去會(huì)使基本軌產(chǎn)生變形；當(dāng)動(dòng)作桿驅(qū)動(dòng)力較小時(shí)，會(huì)導(dǎo)致尖軌搬動(dòng)不到位，危及行車安全；故對動(dòng)作桿的受力分析與應(yīng)力測量顯得尤為重要。當(dāng)前常用的測量方法是便攜式測量儀法和電機(jī)電參數(shù)檢測法[3-4]，前者由于只能在夜間測量導(dǎo)致所測數(shù)據(jù)時(shí)效性差；后者電參數(shù)檢測法是一種間接的測力方法，對動(dòng)作桿受力狀態(tài)的測量不夠準(zhǔn)確。本文針對轉(zhuǎn)轍機(jī)動(dòng)作桿受力難以直接測量的難題，對動(dòng)作桿進(jìn)行了受力分析與相關(guān)測量研究，旨在得到一種動(dòng)作桿受力直接的測量方法。

本文建立了轉(zhuǎn)轍機(jī)動(dòng)作桿仿真模型，得到動(dòng)作桿受力狀態(tài)分布，確定傳感器布置點(diǎn)，將傳感器安裝于轉(zhuǎn)轍機(jī)動(dòng)作桿中，動(dòng)作桿受力變化時(shí)引起傳感器彈性體的應(yīng)變變化，進(jìn)而傳感元件的阻值發(fā)生變化，通過采集器內(nèi)部的惠斯通電橋得到應(yīng)變電信號，經(jīng)過放大和AD/DA轉(zhuǎn)換后得到傳感器標(biāo)準(zhǔn)電壓信號，能夠及時(shí)得到轉(zhuǎn)轍機(jī)大小與轉(zhuǎn)轍機(jī)工作狀態(tài)，在動(dòng)作桿狀態(tài)異常時(shí)報(bào)警，可以降低災(zāi)害發(fā)生時(shí)造成的經(jīng)濟(jì)損失和鐵路的運(yùn)營風(fēng)險(xiǎn)。

1 平面小孔應(yīng)力探究

轉(zhuǎn)轍機(jī)動(dòng)作桿是完成道岔轉(zhuǎn)換工作的關(guān)鍵構(gòu)件，為了確保轉(zhuǎn)轍機(jī)長期安全穩(wěn)定運(yùn)行，其材料楊氏模量和桿橫截面面積均較大，導(dǎo)致動(dòng)作桿整體剛度設(shè)計(jì)大，但是這也對其受力測量帶來了難度。

工程構(gòu)件上往往有圓孔、螺紋等，這些部位由于截面尺寸突然發(fā)生變化，其橫截面上的應(yīng)力不再是均勻分布，如圖1所示。在y軸截面上，其正應(yīng)力分布不均勻，孔邊處正應(yīng)力最大，約為3σ[5-6]，這種因構(gòu)件截面尺寸突然變化而引起來的局部應(yīng)力增大的現(xiàn)象稱為應(yīng)力集中，實(shí)驗(yàn)表明，截面尺寸變化的越劇烈，應(yīng)力集中的程度就越嚴(yán)重。應(yīng)力集中的程度用理論應(yīng)力集中系數(shù)α表示：

圖1 平面小孔應(yīng)力集中Fig.1 Stress concentration of plane hole

式中：σmax為截面最大應(yīng)力；σ為平均應(yīng)力。

但是在實(shí)際工程中，孔不是很小，平面也不是足夠大，實(shí)際應(yīng)力集中系數(shù)α往往大于3，下面借助有限元仿真探討針對平面小孔應(yīng)力集中系數(shù)的變化規(guī)律與小孔y軸應(yīng)力分布函數(shù)。

由于探討的為平面問題，這里僅對一個(gè)平面小孔二維模型進(jìn)行建模，為了貼合動(dòng)作桿模型且為了保證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，平面長度選擇200 mm，小孔孔徑為10 mm，寬度為參數(shù)化建模，采用的仿真軟件為Ansys Workbench，得到最終平面應(yīng)力云圖結(jié)果。在平面一側(cè)施加固定約束，另一側(cè)施加1 MPa的軸向均載，求解后得到x方向應(yīng)力云圖，如圖2所示，發(fā)現(xiàn)最大應(yīng)力點(diǎn)在小孔孔周的兩側(cè)，大小為3.19 MPa，可以發(fā)現(xiàn)針對該模型平面小孔應(yīng)力集中系數(shù)略大于3。

圖2 x方向應(yīng)力云圖Fig.2 x-direction stress nephogram

以平面寬度為自變量，平面應(yīng)力最大值為因變量進(jìn)行參數(shù)仿真，運(yùn)用Workbench中的Re?sponse Surfance模塊，得到如圖3所示的平面小孔應(yīng)力集中系數(shù)變化曲線。

圖3 平面小孔應(yīng)力集中系數(shù)變化曲線Fig.3 Variation curve of stress concen tration factor of plane small hole

根據(jù)應(yīng)力集中系數(shù)定義，由于σ=1 MPa，故該曲線縱坐標(biāo)數(shù)值即為應(yīng)力集中系數(shù)。由該曲線可知，當(dāng)平面寬度越小，應(yīng)力集中效果越明顯，應(yīng)力集中系數(shù)也就越大，當(dāng)寬度至無窮大時(shí)，應(yīng)力集中系數(shù)將逐漸變小直至逼近3，這也驗(yàn)證了彈性力學(xué)理論計(jì)算結(jié)果。通過數(shù)學(xué)回歸分析，認(rèn)為有限寬平面小孔應(yīng)力集中系數(shù)α與寬徑比x滿足以下函數(shù)模型：

經(jīng)計(jì)算式中參數(shù)a=b=1.5。

求解平面y方向應(yīng)力得到云圖如圖4所示，可以發(fā)現(xiàn)應(yīng)力最值仍在孔周，大小為1 MPa，符號與x方向應(yīng)力最值相反，其位置剛好與x方向應(yīng)力最值位置相垂直。根據(jù)此分析可以考慮在孔周布置兩個(gè)傳感測量點(diǎn)并接入惠斯通半橋電路中，這樣兩個(gè)傳感電阻在測量時(shí)電阻變化方向總是相反，能夠起到信號放大的作用。

圖4 y方向應(yīng)力云圖Fig.4 Y-direction stress nephogram

通過對不同寬度的平面建立路徑輸出y軸應(yīng)力分布曲線，如圖5所示?？梢园l(fā)現(xiàn)在孔周附近應(yīng)力迅速減小，在離小孔一個(gè)半徑5 mm的位置其應(yīng)力大小為1.2 MPa，接近所施加均載1 MPa，之后隨著離小孔位置越遠(yuǎn)，應(yīng)力大小逼近于1 MPa，達(dá)到平面邊緣后又會(huì)減小到小于1 MPa。

圖5 y軸應(yīng)力分布曲線Fig.5 Y-axis stress distribution curve

若不考慮邊緣，以圓心為坐標(biāo)原點(diǎn)，結(jié)合彈性力學(xué)理論計(jì)算與數(shù)學(xué)回歸擬合得到y(tǒng)軸應(yīng)力分布函數(shù)模型為：

式中：y為在平面y軸上距圓心的距離與小孔半徑的比值；q為所施加均載力；通過回歸計(jì)算得a=α/5.3，b=α/2，α為在該平面寬度下的應(yīng)力集中系數(shù)，其值可通過式（2）得出。

通過該曲線與公式，得知傳感元件的布置點(diǎn)應(yīng)靠近孔周，即使略微偏離孔周其最終測量效果也將急劇下降。

2 動(dòng)作桿受力分析

在Ansys Workbench中建立轉(zhuǎn)轍機(jī)動(dòng)作桿仿真模型，其包括動(dòng)作桿、導(dǎo)軌與連接銷。由以上分析可知?jiǎng)幼鳁U上的小孔處會(huì)有應(yīng)力集中，孔周應(yīng)變測量是對動(dòng)作桿受力測量的理想位置，但是動(dòng)作桿的實(shí)際結(jié)構(gòu)與受力狀態(tài)相較于理想平面模型復(fù)雜，這里對動(dòng)作桿裝配體仿真旨在得出動(dòng)作桿實(shí)際工況狀態(tài)下的孔周應(yīng)力集中結(jié)果，并尋求最佳的測量位置，為傳感器設(shè)計(jì)提供方向。

方孔套與動(dòng)作桿設(shè)置為摩擦接觸，在動(dòng)作桿一側(cè)施加軸向載荷，另一側(cè)連接銷固支約束。得到動(dòng)作桿表面應(yīng)力云圖如圖6所示。

圖6 動(dòng)作桿應(yīng)變云圖Fig.6 Strain nephogram of actuator rod

根據(jù)仿真結(jié)果可以看出孔周附近應(yīng)變較之均勻應(yīng)力段有大于2倍的應(yīng)力應(yīng)變，最終選取靠近電機(jī)一側(cè)的帶錐面的螺紋孔作為傳感器安裝點(diǎn)，利用錐面和螺紋能夠?qū)鞲衅鲝椥泽w安裝于動(dòng)作桿錐孔內(nèi)，使傳感器彈性體與動(dòng)作桿錐面密貼，從而感知螺紋孔錐面的變形以完成動(dòng)作桿應(yīng)力應(yīng)變的測量。

在前期研究基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)制作了動(dòng)作桿應(yīng)力測量傳感器，其結(jié)構(gòu)包括上半部分的錐形彈性體和下半部分的螺紋底座。但是這種將彈性體通過螺紋與被測構(gòu)件錐面相配合的應(yīng)力應(yīng)變測量方法的可行性還有待驗(yàn)證，這里建立了傳感器與動(dòng)作桿裝配仿真模型，如圖7所示。

圖7 傳感器和裝配模型Fig.7 Sensorandassembly diagram

傳感器錐面與動(dòng)作桿錐面為摩擦接觸，且為了符合實(shí)際工況，這里設(shè)置了3個(gè)分析步，每一步持續(xù)時(shí)間為1 s，第一步為對傳感器底座施加豎直向下的預(yù)緊力和動(dòng)作桿底面的無摩擦支撐；第二步保持該狀態(tài)1 s；第三步為對動(dòng)作桿一側(cè)施加軸向力和另一側(cè)的固定約束。最終得到的彈性體z方向應(yīng)變云圖如圖8所示。

圖8 彈性體應(yīng)變云圖Fig.8 Sensor elastic bodystress nephogram

對整個(gè)過程彈性體應(yīng)變分析，當(dāng)對傳感器施加預(yù)緊力后，在與動(dòng)作桿方向平行的方向上，其內(nèi)表面產(chǎn)生的應(yīng)變大小為396.7×10-6；然后對動(dòng)作桿施加軸向力后，其應(yīng)變大小變?yōu)?31.2×10-6，即增加了35×10-6，此時(shí)動(dòng)作桿表面應(yīng)變?yōu)?5×10-6；彈性體內(nèi)表面z方向應(yīng)變隨著時(shí)間變化曲線如圖9所示。根據(jù)該仿真結(jié)果可得，這種通過預(yù)緊將彈性體安裝在被測構(gòu)件錐孔的應(yīng)變測量方法具有可行性，且相較于動(dòng)作桿表面應(yīng)變大小有一定的放大作用。

圖9 z方向應(yīng)變變化曲線Fig.9 z-direction strain curve

3 傳感器實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集分析

采集器是監(jiān)測系統(tǒng)中的重要組成部分，其先完成對傳感器應(yīng)變數(shù)據(jù)的采集，然后通過計(jì)算標(biāo)定將其轉(zhuǎn)化為電壓模擬量。采集器安裝于轉(zhuǎn)轍機(jī)電機(jī)旁，設(shè)計(jì)采集器時(shí)著重滿足體積小、低功耗、抗震動(dòng)、抗電磁、防潮等要求。采集器采用模塊化設(shè)計(jì)，包括供電單元、傳感測量單元、放大濾波單元、AD/DA單元、單片機(jī)等[7-8]。模塊化的設(shè)計(jì)方式減少了內(nèi)部自身的干擾，提高了采集器的互換性。采集器組成框圖如圖10所示。

圖10 采集器組成框架Fig.10 Theframework oftransmitter

對于傳感元件的測量，這里選取惠斯通半橋測量電路[9-10]，惠斯通電橋計(jì)算式為：

為了進(jìn)一步驗(yàn)證該傳感器的可行性，首先對傳感器的靜態(tài)特性進(jìn)行測試。在動(dòng)作桿靜態(tài)實(shí)驗(yàn)平臺上，每增加300 N，記錄一組傳感器輸出電壓與動(dòng)作桿受力數(shù)據(jù)，最終得到的傳感器靜態(tài)特性曲線如圖11所示。對數(shù)據(jù)分析，經(jīng)過計(jì)算可得傳感器線性度為1%FS。

圖11 傳感器特性曲線Fig.11 Sensor characteristic curve

隨后將該傳感器裝入轉(zhuǎn)轍機(jī)進(jìn)行測試驗(yàn)證，其主要驗(yàn)證傳感器的測量精度與動(dòng)態(tài)測量效果，轉(zhuǎn)轍機(jī)測試平臺包括轉(zhuǎn)轍機(jī)、液壓負(fù)載與控制柜等。這里模擬了轉(zhuǎn)轍機(jī)實(shí)際工況，動(dòng)作桿由轉(zhuǎn)轍機(jī)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，液壓負(fù)載模擬道岔阻力，通過調(diào)節(jié)液壓負(fù)載大小模擬不同的道岔阻力。最終得到圖12所示的采集器輸出曲線。由圖可知，該測量方法具有較高的信噪比，能夠有效反映轉(zhuǎn)轍機(jī)動(dòng)作桿受力狀態(tài)。

圖12 采集器信號曲線Fig.12 The signal curve oftransmitter

4 結(jié)束語

依據(jù)參數(shù)仿真研究了小孔應(yīng)力集中現(xiàn)象，對理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了拓展分析，確定傳感元件的布置點(diǎn)，為后續(xù)傳感器設(shè)計(jì)提供了思路。又根據(jù)動(dòng)作桿仿真模型結(jié)果，設(shè)計(jì)了動(dòng)作桿力傳感器，包括彈性體和底座。相較于傳統(tǒng)測力傳感器，該傳感器體積較小，并且不用改變轉(zhuǎn)轍機(jī)原有結(jié)構(gòu)即可實(shí)現(xiàn)測量，不影響轉(zhuǎn)轍機(jī)原始的運(yùn)行狀態(tài)。

通過采集器與轉(zhuǎn)轍機(jī)動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該測量方法具有良好的信噪比，能夠滿足轉(zhuǎn)轍機(jī)的測量要求，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)轍機(jī)的監(jiān)測目的。為大剛度結(jié)構(gòu)件的應(yīng)力應(yīng)變測量提供了新的思路與測量方法。