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摘要：针对铁路道岔转换过程中转辙机动作杆的受力状态难以实时、直接测量的问题，提出了一种转辙机动作杆力传感器的设计方案并进行了标定测试。传感器的设计从安装位置、结构设计及采集电路三方面出发，提高传感器的灵敏度；该传感器的主体结构设计遵循模块化原则，在组装、定位与安装方面准确高效；利用ANSYS仿真软件对传感器与杆件的装配体进行计算，分析出力传感器灵敏度可达390µV/kN，分辨率优于1‰FS，并且不会发生材料强度破坏；最后设计并搭建了力传感器标定平台，利用该平台对力传感器进行标定测试，测试结果表明该力传感器测量精度及线性度均优于1%FS。此种转辙机动作杆力传感器实现了对动作杆受力状态的直接测量，在铁路系统监测领域有较大的应用价值与发展潜力。
关键词：铁路道岔；转辙机；力传感器；标定
Design and Calibration of Force Sensor for Actuator Rod of Switch Machine Ma Tao1，Wang Dazhi1,2※，Xie Mingjun3，Chen Xiangji1，Chen Yuliang1，Zhang Sen1，Zheng Xiaohu1
(1.School of Mechanical Engineering,Dalian University of Technology,Dalian,Liaoning 116024,China;2.Ningbo Research Institute,Dalian
University of Technology,Ningbo,Zhejiang 315016,China;3.Xi′an Railway Signal Co.,Ltd.,Xi′an 710100,China)
Abstract:In view of the difficulty of real-time and direct measurement of the force state of the actuator rod in the process of railway switch conversion,a design scheme of force sensor for actuator rod of switch machine was put forward and calibration test was carried out.The sensor was designed from three aspects of installation position,structure design and acquisition circuit to improve the sensitivity of the sensor.The main structure design of the sensor followed the principle of modularization,and it was accurate and efficient in assembly,positioning and installation.ANSYS simulation software was used to calculate the assembly of the sensor and the rod.The sensitivity of the sensor was up to 390µV/kN,the resolution was better than 1‰FS,and the material strength was not damaged.Finally,a force sensor calibration platform was designed and built,and the calibration test of the force sensor was carried out by using the platform.The test results show that the measurement accuracy and the linearity of the force sensor are both better than 1%FS.This kind of force sensor realizes the direct measurement of the force state of the actuator rod of switch machine,and has great application value and development potential in railway system monitoring.Key words:railroad switch;switch machine;force sensor;calibration
引言
随着我国铁路运输量增长以及列车提速，列车通过道岔的速度与频率不断提高，对道岔转换设备——转辙机也越发依赖[1]。转辙机是铁路系统的故障多发点，直接影响到铁路运输的效率与安全[2]。对转辙机进行在线健康监测的需求迫在眉睫[3]，实时评判道岔健康状况，及时高效地维护设备，可大大提升铁路运输系统的安全性。
动作杆作为道岔转换的核心执行部件，其由转辙机电机输出的转矩驱动，通过锁闭杆将道岔锁闭在规定位置，实现列车行进线路的切换[4]。若动作杆受力过大，长期运行将导致轨道挤压变形；若受力过小，动作杆推动尖轨不到位可能会导致列车脱轨，故监测动作杆受力状态十分重要。目前常见的测量方法有便携式测量仪检测法[5]和电气参数估算法[6-8]，前者依靠人工夜间巡检，效率低下且不满足实时监测需求；后者采集转辙机电气参数(电压、电流和功率)，属于间接测量，难以保证准确性。
为了满足轨道交通领域对安全监测的迫切需求，通号(西安)轨道交通工业集团与大连理工大学合作建立了高性能传感技术与系统联合实验室，对转辙机动作杆受力状态监测装置进行立项，并开展了相应的先期研究工作[9-10]。本文设计了一种转辙机动作杆力传感器，首先介绍其测量原理与结构设计，并利用仿真软件分析其灵敏度与强度，最后设计搭建标定平台，对力传感器进行了标定测试，分析其精度、线性度等参数。
1动作杆力传感器设计
在铁路运输领域，机械构件的设计往往选取较大的安全系数以保障系统的安全与稳定。转辙机动作杆截面尺寸为40 mm×50 mm，正常情况下受载通常不超过10 kN，由力学公式可知：
即当动作杆受到10 kN的拉压力时，杆件整体的平均应变仅为23.8µε，这给动作杆受力的精确测量带来了很大困难。针对这一问题，动作杆力传感器主要从传感器安装位置、结构设计及采集电路三方面加以设计并解决。
安装位置上，由于动作杆上有多个用于限位、固定或注油的圆孔，在这些圆孔处杆件截面尺寸发生变化，其局部应力增大，这就是应力集中现象。将转辙机动作杆力传感器安装在这些圆孔位置，既不改变转辙机的结构连接方式，也能有效地利用应力集中现象提升灵敏度。
结构设计上，弹性体作为传感器的核心，其被设计为锥形薄壁结构。其通过预紧安装与动作杆安装孔锥面紧密贴合，随动作杆受力而变形，并进一步放大应变，是一种直接测量方法。弹性体选用低杨氏模量、高强度的材料制造，确保其在易形变的同时不产生强度破坏。
信号采集方面，采集器利用惠斯通电桥将电阻阻值的微小变化转化为桥路电压信号输出，较直接测量电阻阻值精度更高。同时，由于物体单向受载时横向、轴向应变始终正负相反，若利用两个可变电阻组成惠斯通半桥，传感器受载时阻值一增一减，可提升桥路输出的大小。此外，采集器还利用放大滤波单元对桥路输出电压进一步放大，同样有助于提高测量精度。惠斯通电桥测量原理与采集器实物如图1所示。
动作杆力传感器主体结构主要由弹性体、支承体及紧固件3部分组成。支承体扣在弹性体上，并通过平头螺钉固定弹性体，其截面设计为圆角矩形，有利于加工时夹持及安装时定位。紧固件为带六角凸台的螺柱，可利用扳手将其旋入动作杆安装孔中，经支承体将弹性体与动作杆锥面压紧，实现传感器的预紧安装。配套的辅助定位工具呈M形，使用时扣于动作杆上，其限位槽与支承体嵌合，将传感器周向固定，再配合扳手完成传感器准确、快速地定位与安装，其整体设计方案如图2所示。
此种转辙机动作杆力传感器设计具有以下优点：传感器结构紧凑体积小，可在不改变转辙机连接结构的基础上实现动作杆受力的直接测量；传感器主体结构采用模块化设计方法，装卸便捷可逆，零件通用，利于维护；传感器定位、安装准确方便，操作效率高；传感器安装后形成密闭空间，保护传感器敏感元件，不易受外界干扰。
2动作杆力传感器分析
为了分析转辙机动作杆力传感器的灵敏度与强度能否满足要求，对力传感器与动作杆的装配体进行了有限元仿真分析。利用SolidWorks建立力传感器与动作杆的模型装配体，并导入ANSYS Workbench中。为了降低运算量，对模型进行了适当简化与截取，传感器模型一些不影响仿真结果的细节特征被略去，且只截取一小段动作杆用于仿真。弹性体材料设置为铝合金，其余材料均设置为结构钢。网格采用多区域六方体划分方法，大小设置为1 mm。所有接触面均设置为绑定，并在动作杆一端添加10 kN的压缩载荷，另一端添加全约束，紧固件上表面施加200 N的纵向预紧力。打开弱弹簧设置，经ANSYS Workbench计算后输出应力应变云图。其中着重分析传感器弹性体电阻粘贴处的应变值，用于估算传感器的灵敏度；并检查模型整体的应力最大值，判断选用材料的强度是否满足要求。
弹性体的应变分布如图3所示。当动作杆伸出受压时，平行于动作杆轴向的电阻被压缩，所受应变约为49µε；而垂直于动作杆轴向的电阻被拉伸，所受应变约为3µε。
由电阻材料特性[11]及惠斯通半桥法测量原理[12]，有以下公式：
代入材料属性与采集器性能参数，并将两式合并，可得惠斯通桥路电压理论变化值为：
即理论上传感器灵敏度为390µV/kN，当动作杆受载10 kN时，采集器可采得3 272单位的信号变化，满足项目1‰FS分辨率的要求。此外，分析仿真所得的应力云图，可知整体模型最大应力点位于传感器弹性体上，其值约为24 MPa，远远低于材料屈服极限。仿真结果表明，传感器灵敏度与强度均满足要求。
3动作杆力传感器标定
任意传感器从制作完成到投入使用，均需经历标定这一重要步骤，其直接影响传感器的最终测量精度。由于实验室缺少场地与设备复现转辙机在道岔上的运作状态，因此设计并搭建了一套转辙机动作杆力传感器标定平台，用于动作杆力传感器的标定与测试。
该力传感器标定平台由主体结构模块、液压加载模块、力传感器模块以及信号采集模块4部分构成，其整体组装效果如图4所示。主体结构模块用于固定各机械部件，其中动作杆水平放置并中段固定，由方孔套限位，并通过销钉与连接件连接，还原了动作杆在道岔上的固定与受载方式；液压加载模块可利用高精度液压泵、液压缸等对动作杆施加稳定精确、连续可调的拉压载荷，以模拟动作杆在伸缩过程中道岔的阻力；力传感器模块包括标准力传感器和动作杆力传感器，标准力传感器与动作杆串联，动作杆力传感器安装在动作杆中，两者均随动作杆受载而变形，并输出信号；信号采集模块完成对传感器的供电以及信号的采集、处理与记录。最终根据标准力传感器的输出信号对动作杆力传感器进行标定。该力传感器标定平台模拟了动作杆在道岔上的固定与受载方式，并能对动作杆施加高精度连续拉压力，可实现力传感器的准确、可靠、高效标定与测试。
利用该标定平台对力传感器进行标定测试，进一步分析传感器的线性度及测量精度。测试前，需将高精度液压泵设置为初始状态，使标准力传感器输出力值为零，并对采集器进行清零操作，确保零点准确。标定时，首先利用高精度液压泵对动作杆加载压力，直至标准力传感器输出力值为10 kN；卸载后切换拉压状态，再次加载拉力至10 kN后卸载；根据信号采集模块记录的波形曲线调整采集器中的参数，完成动作杆力传感器的标定。测试时，重复上述方法，通过高精度液压泵对动作杆逐级加载拉压力，同时记录动作杆力传感器与标准力传感器的输出力值，并绘制出力传感器的特性曲线，如图5所示，其测量精度及线性度均优于1%FS，满足项目需求。
4结束语
本文主要涉及一种转辙机动作杆力传感器的设计与标定，首先解释了力传感器的设计思路与测量原理，从安装位置、结构设计及采集电路3方面提高传感器的灵敏度；并介绍其主体结构及辅助工具的设计，确保在组装、定位与安装传感器时准确、高效；再利用仿真软件对传感器进行分析，仿真结果表明其分辨率优于1‰FS，且不会发生强度破坏；最后设计搭建了标定平台并对力传感器进行标定测试，测试结果表明该传感器测量精度及线性度均优于1%FS。此种转辙机动作杆力传感器实现了对动作杆受力状态的直接测量，在铁路系统监测领域有较大的应用价值与发展潜力。
参考文献：
[1]鲍才让太,莫重明,翟文革,等.转辙机综合监测的需求及方法研究[J].铁路通信信号工程技术,2021,18(4):5-10.
[2]史龙,周荣,王智新,等.道岔转换设备故障诊断与预测系统研究与设计[J].铁路通信信号工程技术,2019,16(7):5-8.
[3]朱建军,侯学辉,谢乾,等.基于大数据的转辙机监测及智能预警系统规划[J].中国新技术新产品,2021(18):25-27.
[4]刘顺.ZDJ9型转辙机转换过程中的受力分析及调整方法探讨[J].电子世界,2020(14):170-171.
[5]吕永昌.有关道岔转换阻力的测试[J].铁道通信信号,2006(12):21-22.
[6]王安,罗世刚,焦美鹏.转辙机转换力在轨监测方法研究[J].现代电子技术,2012,35(7):139-141.
[7]黄蕾.基于道岔转辙机动作功率曲线关联分析道岔故障[J].兵工自动化,2017,36(10):29-33.
[8]朱存仁,卢瑞冰,张超凡.城市轨道交通道岔转辙机动作功率参考曲线推荐方法研究[J].城市轨道交通研究,2021,24(9):170-172.
[9]张天赋,王大志,翟文革,等.转辙机动作杆受力分析与测量研究[J].机电工程技术,2021,50(9):33-35.
[10]张天赋.转辙机动作杆力传感器设计与测量研究[D].大连:大连理工大学,2021.
[11]李巧真,李刚,韩钦泽.电阻应变片的实验与应用[J].实验室研究与探索,2011,30(4):134-137.
[12]谭兴文,韩力.惠斯通电桥灵敏度的探究[J].西南师范大学学报(自然科学版),2008(4):149-152.
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