微控闸调器弹簧试验台研究

陈新华 上海华铁旅客服务有限公司

根据铁运[2008] 15号《关于印发〈铁路货车制动装置检修规则〉的通知》文件要求，为适应铁路现代化进程，满足铁路提速、重载、新技术推广使用及货车装备现代化对货车制动系统的要求，进一步提高铁路货车检修质量，保证铁路运输安全，铁道部重新制定了《铁路货车制动装置检修规则》，在该规则中明确规定厂、段修在对闸调器进行检修时，必须用“弹簧试验机”对闸调器部件中的所有弹簧进行试验，以保证闸调器的总成性能。

1 闸调器结构及使用现状

目前，闸调器主要有ST1-600和ST2-250两种类型。它们的结构如图1所示。

图1 闸调器结构图

从图1可见，闸调器中的弹簧有：主弹簧、压紧弹簧、小弹簧、引导螺母弹簧。

从货车运用实际情况来看，弹簧的主要失效形式为弹性力衰弱和弹簧自由高减小等。因此，在进行车辆厂、段修时，要对闸调器组成中所有弹簧进行试验，以保证闸调器在车辆运用时有良好的技术状态。由于目前的仪表式闸调器弹簧性能检测机存在着检测精度不高等问题，因此，提出微控闸调器弹簧试验台研究课题，以提高闸调器弹簧检测精度，保证闸调器总成性能。

2 微控闸调器弹簧试验台的构造

根据《铁路货车制动装置检修规则》规定，装用闸调器上的弹簧必须符合以下表1中技术参数要求：

表1 闸调器弹簧参数表

从表1可知，微控闸调器弹簧试验台主要是要检测弹簧的自由高、装配载荷和极限载荷是否满足表1中技术参数要求，如果满足表1中技术参数要求，那么该弹簧合格；如果不满足表1中技术参数要求，那么该弹簧不合格。要检测弹簧的高度，那么必须有长度计量仪，这里采用长度传感器，位移传感器又称为线性传感器，它分为电感式位移传感器，电容式位移传感器，光电式位移传感器，超声波式位移传感器，霍尔式位移传感器。在这个项目中，我们采用电感式位移传感器。如图2所示。该位移传感器是一种属于金属感应的线性器件，接通电源后，在开关的感应面将产生一个交变磁场，当金属物体接近此感应面时，金属中则产生涡流而吸收了振荡器的能量，使振荡器输出幅度线性衰减，然后根据衰减量的变化来完成无接触检测物体的目的。该位移传感器具有无滑动触点，工作时不受灰尘等非金属因素的影响，并且低功耗，长寿命，可使用在各种恶劣条件下。位移传感器主要应用在自动化装备生产线对模拟量的智能控制。

图2 NS-Y3位移传感器

从表1可知，从弹簧直径来看有10.5、10、6和4.5 mm等规格；从弹簧自由高来看有 595＋10-3、350＋4-3、45＋2.5-1.5、152和50±2不等，ST1-600型主弹簧的自由高最高，压紧弹簧的自由高最小，高度相差约550 mm；根据弹簧高度不同，我们分别选择线性位移为500 mm和800 mm两种规格。要检测弹簧的弹性力，我们可以采用称重传感器。称重传感器按转换方法分为光电式、液压式、电磁力式、电容式、磁极变形式、振动式、陀螺仪式、电阴应变式等8类，以电阻应变式使用最广。

电阻应变式称重传感器是基于这样一个原理：弹性体（弹性元件，敏感梁）在外力作用下产生弹性变形，使粘贴在其表面的电阻应变片（转换元件）也随之产生变形，电阻应变片变形后，它的阻值将发生变化（增大或减小），再经相应的测量电路把这一电阻变化转换为电信号（电压或电流），从而完成了将外力变换为电信号的过程。

由此可见，电阻应变片、弹性体和检测电路是电阻应变式称重传感器中不可缺少的几个主要部分。下面就这三方面简要论述。

（1）电阻应变片

电阻应变片是把一根电阻丝机械地分布在一块有机材料制成的基底上，即成为一片应变片。它的一个重要参数是灵敏系数K。我们来介绍一下它的意义。

设有一个金属电阻丝，其长度为L，横截面是半径为r的圆形，其面积记作S，其电阻率记作ρ，这种材料的泊松系数是μ。当这根电阻丝未受外力作用时，它的电阻值为R：

R=ρL/S（Ω）式（1）

当它的两端受F力作用时，将会伸长，也就是说产生变形。设其伸长ΔL，其横截面积则缩小，即它的截面圆半径减少Δr。此外，还可用实验证明，此金属电阻丝在变形后，电阻率也会有所改变，记作Δρ。

对式（1）求全微分，即求出电阻丝伸长后，它的电阻值改变了多少。我们有：

用式（1）去除式（2）得到

另外，我们知道导线的横截面积S=πr2，则Δs=2πr×Δr，所以

从材料力学我们知道

其中，负号表示伸长时，半径方向是缩小的。μ是表示材料横向效应泊松系数。把式（4）、（5）代入（3），有

其中

式（6）说明了电阻应变片的电阻变化率（电阻相对变化）和电阻丝伸长率（长度相对变化）之间的关系。

需要说明的是：灵敏度系数K值的大小是由制作金属电阻丝材料的性质决定的一个常数，它和应变片的形状、尺寸大小无关，不同的材料的K值一般在1.7～3.6之间；其次K值是一个无因次量，即它没有量纲。

在材料力学中ΔL/L称作为应变，记作ε，用它来表示弹性往往显得太大，很不方便，常常把它的百万分之一作为单位，记作με。这样，式（6）常写作：

（2）弹性体

弹性体是一个有特殊形状的结构件。它的功能有两个，首先是它承受称重传感器所受的外力，对外力产生反作用力，达到相对静平衡；其次，它要产生一个高品质的应变场（区），使粘贴在此区的电阻应变片比较理想地完成应力变化电信号的转换任务。

以托利多公司的SB系列称重传感器的弹性体为例，来介绍一下其中的应力分布。

设有一带有肓孔的长方体悬臂梁。

肓孔底部中心是承受纯剪应力，但其上、下部分将会出现拉伸和压缩应力。主应力方向一为拉伸，一为压缩，若把应变片贴在这里，则应变片上半部将受拉伸而阻值增加，而应变片的下半部将受压缩，阻值减少。下面列出肓孔底部中心点的应变表达式，而不再推导。

式中：Q--截面上的剪力；E--扬氏模量：μ-泊松系数；B、b、H、h-为梁的几何尺寸。

需要说明的是，上面分析的应力状态均是“局部”情况，而应变片实际感受的是“平均”状态。

（3）检测电路

检测电路的功能是把电阻应变片的电阻变化转变为电压输出。因为惠斯登电桥具有很多优点，如可以抑制温度变化的影响，可以抑制侧向力干扰，可以比较方便地解决称重传感器的补偿问题等，所以惠斯登电桥在称重传感器中得到了广泛的应用。

因为全桥式等臂电桥的灵敏度最高，各臂参数一致，各种干扰的影响容易相互抵销，所以称重传感器均采用全桥式等臂电桥，如图3所示。

图3 称重传感器全桥式等臂电桥

在本项目中，我们选择NS-TH6系列平行梁式称重传感器，该传感器采用优质铝合金制作，具有结构紧凑、抗过载能力强、测量精度高、密封性能好、安装简便、稳固等特点。外形尺寸如图4所示。

图4 NS-TH6型平行梁式称重传感器

从装配载荷和极限载荷来看，最大的载荷为3538±424 N，最少的为279±33 N，最大的为最少的十几倍。因此，我们分别选择了最大量程为100、300和500 kg三种规格的称重传感器来分别检测不同的弹簧。

根据以上设计分析，微控闸调器弹簧试验台主要由弹性力检测机构、弹簧高度检测机构、压头驱动机构、信号采集系统和检测机构总成以及控制试验及分析判断软件组成。微控闸调器弹簧试验台技术方案如图5所示。

图5 微控闸调器弹簧试验台技术方案

3 预期效果

按照以上技术方案研制微控闸调器弹簧试验台，能够实现闸调器弹簧性能试验有关工艺规程要求，弹簧自由高度精度可以达到±1mm，弹簧载荷精度可以达到±0.1%FS，作业自动化程度高，操作安全简便，检测试验记录信息并入HMIS系统网络，设备性能可靠，基本实现免维修。能够彻底解决现在厂、段修时闸调器弹簧的不试验、不记录现状，保证闸调器弹簧装用质量，提高闸调器检修质量，最大限度地减少安全隐患。