馬韜，王大志,2※，謝明軍，陳相吉，陳玉亮，張森，鄭曉虎

（1.大連理工大學(xué)機械工程學(xué)院，遼寧 大連 116024；2.大連理工大學(xué)寧波研究院，浙江 寧波 315016；3.西安鐵路信號有限責(zé)任公司，西安 710100）

0 引言

隨著我國鐵路運輸量增長以及列車提速，列車通過道岔的速度與頻率不斷提高，對道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備——轉(zhuǎn)轍機也越發(fā)依賴[1]。轉(zhuǎn)轍機是鐵路系統(tǒng)的故障多發(fā)點，直接影響到鐵路運輸?shù)男逝c安全[2]。對轉(zhuǎn)轍機進(jìn)行在線健康監(jiān)測的需求迫在眉睫[3]，實時評判道岔健康狀況，及時高效地維護(hù)設(shè)備，可大大提升鐵路運輸系統(tǒng)的安全性。

動作桿作為道岔轉(zhuǎn)換的核心執(zhí)行部件，其由轉(zhuǎn)轍機電機輸出的轉(zhuǎn)矩驅(qū)動，通過鎖閉桿將道岔鎖閉在規(guī)定位置，實現(xiàn)列車行進(jìn)線路的切換[4]。若動作桿受力過大，長期運行將導(dǎo)致軌道擠壓變形；若受力過小，動作桿推動尖軌不到位可能會導(dǎo)致列車脫軌，故監(jiān)測動作桿受力狀態(tài)十分重要。目前常見的測量方法有便攜式測量儀檢測法[5]和電氣參數(shù)估算法[6-8]，前者依靠人工夜間巡檢，效率低下且不滿足實時監(jiān)測需求；后者采集轉(zhuǎn)轍機電氣參數(shù)（電壓、電流和功率），屬于間接測量，難以保證準(zhǔn)確性。

為了滿足軌道交通領(lǐng)域?qū)Π踩O(jiān)測的迫切需求，通號（西安）軌道交通工業(yè)集團與大連理工大學(xué)合作建立了高性能傳感技術(shù)與系統(tǒng)聯(lián)合實驗室，對轉(zhuǎn)轍機動作桿受力狀態(tài)監(jiān)測裝置進(jìn)行立項，并開展了相應(yīng)的先期研究工作[9-10]。本文設(shè)計了一種轉(zhuǎn)轍機動作桿力傳感器，首先介紹其測量原理與結(jié)構(gòu)設(shè)計，并利用仿真軟件分析其靈敏度與強度，最后設(shè)計搭建標(biāo)定平臺，對力傳感器進(jìn)行了標(biāo)定測試，分析其精度、線性度等參數(shù)。

1 動作桿力傳感器設(shè)計

在鐵路運輸領(lǐng)域，機械構(gòu)件的設(shè)計往往選取較大的安全系數(shù)以保障系統(tǒng)的安全與穩(wěn)定。轉(zhuǎn)轍機動作桿截面尺寸為40 mm×50 mm，正常情況下受載通常不超過10 kN，由力學(xué)公式可知：

即當(dāng)動作桿受到10 kN的拉壓力時，桿件整體的平均應(yīng)變僅為23.8 με，這給動作桿受力的精確測量帶來了很大困難。針對這一問題，動作桿力傳感器主要從傳感器安裝位置、結(jié)構(gòu)設(shè)計及采集電路三方面加以設(shè)計并解決。

安裝位置上，由于動作桿上有多個用于限位、固定或注油的圓孔，在這些圓孔處桿件截面尺寸發(fā)生變化，其局部應(yīng)力增大，這就是應(yīng)力集中現(xiàn)象。將轉(zhuǎn)轍機動作桿力傳感器安裝在這些圓孔位置，既不改變轉(zhuǎn)轍機的結(jié)構(gòu)連接方式，也能有效地利用應(yīng)力集中現(xiàn)象提升靈敏度。

結(jié)構(gòu)設(shè)計上，彈性體作為傳感器的核心，其被設(shè)計為錐形薄壁結(jié)構(gòu)。其通過預(yù)緊安裝與動作桿安裝孔錐面緊密貼合，隨動作桿受力而變形，并進(jìn)一步放大應(yīng)變，是一種直接測量方法。彈性體選用低楊氏模量、高強度的材料制造，確保其在易形變的同時不產(chǎn)生強度破壞。

信號采集方面，采集器利用惠斯通電橋?qū)㈦娮枳柚档奈⑿∽兓D(zhuǎn)化為橋路電壓信號輸出，較直接測量電阻阻值精度更高。同時，由于物體單向受載時橫向、軸向應(yīng)變始終正負(fù)相反，若利用兩個可變電阻組成惠斯通半橋，傳感器受載時阻值一增一減，可提升橋路輸出的大小。此外，采集器還利用放大濾波單元對橋路輸出電壓進(jìn)一步放大，同樣有助于提高測量精度。惠斯通電橋測量原理與采集器實物如圖1所示。

圖1 惠斯通電橋測量原理與采集器實物

動作桿力傳感器主體結(jié)構(gòu)主要由彈性體、支承體及緊固件3部分組成。支承體扣在彈性體上，并通過平頭螺釘固定彈性體，其截面設(shè)計為圓角矩形，有利于加工時夾持及安裝時定位。緊固件為帶六角凸臺的螺柱，可利用扳手將其旋入動作桿安裝孔中，經(jīng)支承體將彈性體與動作桿錐面壓緊，實現(xiàn)傳感器的預(yù)緊安裝。配套的輔助定位工具呈M形，使用時扣于動作桿上，其限位槽與支承體嵌合，將傳感器周向固定，再配合扳手完成傳感器準(zhǔn)確、快速地定位與安裝，其整體設(shè)計方案如圖2所示。

圖2 力傳感器方案設(shè)計

此種轉(zhuǎn)轍機動作桿力傳感器設(shè)計具有以下優(yōu)點：傳感器結(jié)構(gòu)緊湊體積小，可在不改變轉(zhuǎn)轍機連接結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上實現(xiàn)動作桿受力的直接測量；傳感器主體結(jié)構(gòu)采用模塊化設(shè)計方法，裝卸便捷可逆，零件通用，利于維護(hù)；傳感器定位、安裝準(zhǔn)確方便，操作效率高；傳感器安裝后形成密閉空間，保護(hù)傳感器敏感元件，不易受外界干擾。

2 動作桿力傳感器分析

為了分析轉(zhuǎn)轍機動作桿力傳感器的靈敏度與強度能否滿足要求，對力傳感器與動作桿的裝配體進(jìn)行了有限元仿真分析。利用SolidWorks建立力傳感器與動作桿的模型裝配體，并導(dǎo)入ANSYS Workbench中。為了降低運算量，對模型進(jìn)行了適當(dāng)簡化與截取，傳感器模型一些不影響仿真結(jié)果的細(xì)節(jié)特征被略去，且只截取一小段動作桿用于仿真。彈性體材料設(shè)置為鋁合金，其余材料均設(shè)置為結(jié)構(gòu)鋼。網(wǎng)格采用多區(qū)域六方體劃分方法，大小設(shè)置為1 mm。所有接觸面均設(shè)置為綁定，并在動作桿一端添加10 kN的壓縮載荷，另一端添加全約束，緊固件上表面施加200 N的縱向預(yù)緊力。打開弱彈簧設(shè)置，經(jīng)ANSYS Workbench計算后輸出應(yīng)力應(yīng)變云圖。其中著重分析傳感器彈性體電阻粘貼處的應(yīng)變值，用于估算傳感器的靈敏度；并檢查模型整體的應(yīng)力最大值，判斷選用材料的強度是否滿足要求。

彈性體的應(yīng)變分布如圖3所示。當(dāng)動作桿伸出受壓時，平行于動作桿軸向的電阻被壓縮，所受應(yīng)變約為49 με；而垂直于動作桿軸向的電阻被拉伸，所受應(yīng)變約為3 με。

圖3 力傳感器彈性體應(yīng)變分布云圖

由電阻材料特性[11]及惠斯通半橋法測量原理[12]，有以下公式：

代入材料屬性與采集器性能參數(shù)，并將兩式合并，可得惠斯通橋路電壓理論變化值為：

可知理論上力傳感器靈敏度C為：

本文中，采集器放大電路的增益倍數(shù)K=32，選用16位AD轉(zhuǎn)換芯片，可得：

即理論上傳感器靈敏度為390 μV/kN，當(dāng)動作桿受載10 kN時，采集器可采得3 272單位的信號變化，滿足項目1‰FS分辨率的要求。此外，分析仿真所得的應(yīng)力云圖，可知整體模型最大應(yīng)力點位于傳感器彈性體上，其值約為24 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于材料屈服極限。仿真結(jié)果表明，傳感器靈敏度與強度均滿足要求。

3 動作桿力傳感器標(biāo)定

任意傳感器從制作完成到投入使用，均需經(jīng)歷標(biāo)定這一重要步驟，其直接影響傳感器的最終測量精度。由于實驗室缺少場地與設(shè)備復(fù)現(xiàn)轉(zhuǎn)轍機在道岔上的運作狀態(tài)，因此設(shè)計并搭建了一套轉(zhuǎn)轍機動作桿力傳感器標(biāo)定平臺，用于動作桿力傳感器的標(biāo)定與測試。

該力傳感器標(biāo)定平臺由主體結(jié)構(gòu)模塊、液壓加載模塊、力傳感器模塊以及信號采集模塊4部分構(gòu)成，其整體組裝效果如圖4所示。主體結(jié)構(gòu)模塊用于固定各機械部件，其中動作桿水平放置并中段固定，由方孔套限位，并通過銷釘與連接件連接，還原了動作桿在道岔上的固定與受載方式；液壓加載模塊可利用高精度液壓泵、液壓缸等對動作桿施加穩(wěn)定精確、連續(xù)可調(diào)的拉壓載荷，以模擬動作桿在伸縮過程中道岔的阻力；力傳感器模塊包括標(biāo)準(zhǔn)力傳感器和動作桿力傳感器，標(biāo)準(zhǔn)力傳感器與動作桿串聯(lián)，動作桿力傳感器安裝在動作桿中，兩者均隨動作桿受載而變形，并輸出信號；信號采集模塊完成對傳感器的供電以及信號的采集、處理與記錄。最終根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)力傳感器的輸出信號對動作桿力傳感器進(jìn)行標(biāo)定。該力傳感器標(biāo)定平臺模擬了動作桿在道岔上的固定與受載方式，并能對動作桿施加高精度連續(xù)拉壓力，可實現(xiàn)力傳感器的準(zhǔn)確、可靠、高效標(biāo)定與測試。

圖4 力傳感器標(biāo)定平臺設(shè)計

利用該標(biāo)定平臺對力傳感器進(jìn)行標(biāo)定測試，進(jìn)一步分析傳感器的線性度及測量精度。測試前，需將高精度液壓泵設(shè)置為初始狀態(tài)，使標(biāo)準(zhǔn)力傳感器輸出力值為零，并對采集器進(jìn)行清零操作，確保零點準(zhǔn)確。標(biāo)定時，首先利用高精度液壓泵對動作桿加載壓力，直至標(biāo)準(zhǔn)力傳感器輸出力值為10 kN；卸載后切換拉壓狀態(tài)，再次加載拉力至10 kN后卸載；根據(jù)信號采集模塊記錄的波形曲線調(diào)整采集器中的參數(shù)，完成動作桿力傳感器的標(biāo)定。測試時，重復(fù)上述方法，通過高精度液壓泵對動作桿逐級加載拉壓力，同時記錄動作桿力傳感器與標(biāo)準(zhǔn)力傳感器的輸出力值，并繪制出力傳感器的特性曲線，如圖5所示，其測量精度及線性度均優(yōu)于1%FS，滿足項目需求。

圖5 力傳感器特性曲線

4 結(jié)束語

本文主要涉及一種轉(zhuǎn)轍機動作桿力傳感器的設(shè)計與標(biāo)定，首先解釋了力傳感器的設(shè)計思路與測量原理，從安裝位置、結(jié)構(gòu)設(shè)計及采集電路3方面提高傳感器的靈敏度；并介紹其主體結(jié)構(gòu)及輔助工具的設(shè)計，確保在組裝、定位與安裝傳感器時準(zhǔn)確、高效；再利用仿真軟件對傳感器進(jìn)行分析，仿真結(jié)果表明其分辨率優(yōu)于1‰FS，且不會發(fā)生強度破壞；最后設(shè)計搭建了標(biāo)定平臺并對力傳感器進(jìn)行標(biāo)定測試，測試結(jié)果表明該傳感器測量精度及線性度均優(yōu)于1%FS。此種轉(zhuǎn)轍機動作桿力傳感器實現(xiàn)了對動作桿受力狀態(tài)的直接測量，在鐵路系統(tǒng)監(jiān)測領(lǐng)域有較大的應(yīng)用價值與發(fā)展?jié)摿Α?/p>