機(jī)車(chē)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)觸頭壓力檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)與研究

蘇翼雄，宋 洋，寧輝政，蔡旭平，古小靈

（1.廣西壯族自治區(qū)計(jì)量檢測(cè)研究院，廣西 南寧 530007；2.柳州科路測(cè)量?jī)x器有限責(zé)任公司，廣西 柳州 545005）

0 引 言

轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)觸頭壓力是決定觸點(diǎn)可靠接觸和轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)正常工作的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)[1]。觸頭壓力過(guò)大，影響轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的正常使用，同時(shí)增加磨損，降低轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)使用壽命，降低其在使用期內(nèi)的可靠性；觸頭壓力過(guò)小，則觸頭的實(shí)際接觸面積減小，接觸電阻增加，電動(dòng)穩(wěn)定性較差，易導(dǎo)致開(kāi)關(guān)燒損引發(fā)事故。

轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的檢測(cè)是機(jī)車(chē)段修中的重要內(nèi)容，其核心是觸頭壓力的檢測(cè)和調(diào)修。機(jī)車(chē)段修技術(shù)規(guī)程對(duì)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)觸頭壓力指標(biāo)都有明確規(guī)定，如東風(fēng)4D型、東風(fēng)7C/7D型等機(jī)車(chē)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)觸頭壓力的范圍為102.9～107.8N[2-3]，東風(fēng)8B型內(nèi)燃機(jī)車(chē)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)觸頭壓力的范圍為155～200N[4]。目前，國(guó)內(nèi)各機(jī)務(wù)段對(duì)該觸頭壓力采用人工檢測(cè)方法，具體做法是：當(dāng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)處于轉(zhuǎn)換入位狀態(tài)時(shí)，檢測(cè)人員利用靜觸頭與動(dòng)觸頭接觸構(gòu)成回路，利用能發(fā)聲或發(fā)光的電路串到該回路中，如萬(wàn)用表或指示燈，再用彈簧測(cè)力計(jì)鉤住主觸頭（主觸頭頂端出廠時(shí)就帶有直徑3.2mm的插孔）進(jìn)行反向拉測(cè)，如圖1所示，當(dāng)動(dòng)觸頭和靜觸頭分離，觀測(cè)到電路發(fā)出斷路指示時(shí)，彈簧測(cè)力計(jì)的示值即為觸頭壓力。這種方法存在人為因素多、測(cè)量誤差大、重復(fù)性差、效率低等缺點(diǎn)，直接導(dǎo)致轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)檢修后觸頭壓力仍處于非正常工作狀態(tài)，帶來(lái)安全隱患。

圖1 彈簧拉力計(jì)法測(cè)量轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)壓力

本研究針對(duì)彈簧測(cè)力計(jì)測(cè)量轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)壓力中存在的缺陷開(kāi)展研究工作，解決長(zhǎng)期困擾機(jī)車(chē)維護(hù)單位的機(jī)車(chē)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)觸頭壓力檢測(cè)方法不可靠的技術(shù)難題。

1 測(cè)量原理

如圖2所示，利用力和反作用力的原理[5]，將觸頭壓力轉(zhuǎn)換為拉動(dòng)觸頭時(shí)的拉力。測(cè)量過(guò)程中逐步增加拉力直至轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的動(dòng)觸點(diǎn)、靜觸點(diǎn)分離，拉力傳感器的輸出變化為F（t）；將動(dòng)觸點(diǎn)、靜觸點(diǎn)和信號(hào)發(fā)生器組成回路導(dǎo)通狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，觸點(diǎn)在t0時(shí)刻分離，此時(shí)的拉力值F（t0）就是觸頭壓力值，其數(shù)學(xué)描述為

式中：F（t0）——觸頭壓力值（測(cè)量結(jié)果）；

F（t）——拉力傳感器的輸出；

u（t）——觸頭接觸的（0～1）狀態(tài)函數(shù)；

t0——觸點(diǎn)分離時(shí)間。

設(shè)計(jì)中，充分利用計(jì)算機(jī)可以實(shí)現(xiàn)多通道同步數(shù)據(jù)采集和處理的功能，在動(dòng)觸點(diǎn)、靜觸點(diǎn)分離瞬間采集拉力傳感器的輸出，從而得到觸點(diǎn)壓力值，降低了傳統(tǒng)檢測(cè)方法中人的主觀參與程度，避免人為誤差的影響。

圖2 觸頭壓力測(cè)量原理示意圖

2 裝置工作流程

本裝置由控制柜和主機(jī)部分構(gòu)成，如圖3所示。控制柜集成了工控機(jī)、操作臺(tái)、打印機(jī)等設(shè)備，作為主機(jī)的動(dòng)作、數(shù)據(jù)保存和打印；主機(jī)由拉力測(cè)量系統(tǒng)、工作臺(tái)和氣動(dòng)機(jī)械手等主要模塊構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的定位鎖緊、觸頭抓緊拉動(dòng)、測(cè)量工位切換等功能。

圖3 機(jī)車(chē)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)觸頭壓力檢測(cè)臺(tái)照片

裝置的主要工作流程如下：

1）用起吊裝置將機(jī)車(chē)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)吊于主機(jī)工作臺(tái)上，利用工作臺(tái)的定位孔和楔形定位塊實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的定位。

2）當(dāng)控制柜的計(jì)算機(jī)發(fā)出檢測(cè)A面觸頭壓力指令時(shí)，主機(jī)工作臺(tái)上的氣動(dòng)鎖緊裝置啟動(dòng)，轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)固定在工作臺(tái)上；同時(shí)，主機(jī)工作臺(tái)下的觸頭導(dǎo)通狀態(tài)監(jiān)控裝置啟動(dòng)，自動(dòng)連接轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的對(duì)應(yīng)觸頭。

3）氣動(dòng)機(jī)械手伸出，抓緊、拉動(dòng)觸頭，此時(shí)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的動(dòng)、靜觸點(diǎn)斷開(kāi)，力測(cè)量系統(tǒng)檢測(cè)得到觸頭壓力值，由計(jì)算機(jī)采集并存儲(chǔ)，A面觸頭壓力檢測(cè)完畢；氣動(dòng)機(jī)械手和觸頭導(dǎo)通狀態(tài)監(jiān)控裝置復(fù)位。

4）當(dāng)計(jì)算機(jī)發(fā)出測(cè)量轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)B面觸頭指令時(shí)，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)齒輪傳動(dòng)使主機(jī)的工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)180°后，各模塊依次工作，完成B面觸頭壓力的檢測(cè)。

5）當(dāng)需要調(diào)修時(shí)，計(jì)算機(jī)發(fā)出進(jìn)入調(diào)修工位的指令，主機(jī)工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)90°，進(jìn)入調(diào)修狀態(tài)，待計(jì)算機(jī)發(fā)出調(diào)修完畢指令后，工作臺(tái)復(fù)位，等待重復(fù)測(cè)量調(diào)修后的觸頭壓力指令。

6）計(jì)算機(jī)發(fā)出檢測(cè)工作全部完成的指令后，工作臺(tái)鎖緊裝置復(fù)位，用起吊裝置將轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)吊離工作臺(tái)。

3 主要模塊介紹

3.1 測(cè)量電子模塊設(shè)計(jì)

3.1.1 拉壓力傳感器

本研究采用基于電阻應(yīng)變效應(yīng)的拉壓力傳感器進(jìn)行力值信號(hào)提取。將電阻應(yīng)變片粘合在產(chǎn)生力學(xué)應(yīng)變的基體上，當(dāng)基體受力變化時(shí)，電阻應(yīng)變片產(chǎn)生形變，阻值發(fā)生改變。采用電阻應(yīng)變片接入惠斯通電橋中，通過(guò)橋差來(lái)檢測(cè)應(yīng)變片的阻值變化，將電阻信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，輸出信號(hào)與電阻應(yīng)變量以及激勵(lì)電壓成正比[6-7]。采用標(biāo)準(zhǔn)砝碼和高精度電壓表進(jìn)行傳感器的精度檢測(cè)，表1是其中一個(gè)傳感器線性輸出檢測(cè)結(jié)果，線性誤差≤0.3%。

表1 電阻應(yīng)變傳感器的輸入輸出特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.1.2 信號(hào)放大電路

傳感器的輸出基本在mV級(jí)上，根據(jù)輸出信號(hào)的特點(diǎn)，要達(dá)到AD采集的要求，在保證高放大倍率的同時(shí)還需保證低信號(hào)失真，宜采用兩級(jí)放大電路[8]。本項(xiàng)目前置放大器采用德州儀器公司生產(chǎn)的TLC2652，理論上閉環(huán)放大倍數(shù)10倍；第二級(jí)放大器主要由運(yùn)放AD620[9]構(gòu)成，完成信號(hào)的二次放大和低通濾波的作用，理論上放大倍數(shù)100倍。

本研究設(shè)計(jì)的放大電路，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，其線性度好（優(yōu)于0.27%），放大倍數(shù)約1000倍。當(dāng)拉力為60～200N時(shí)，經(jīng)放大后的電壓信號(hào)為0.6～2V，滿足A/D轉(zhuǎn)換需求。

3.2 工作平臺(tái)設(shè)計(jì)

工作平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)被測(cè)件定位夾緊、平臺(tái)旋轉(zhuǎn)、平臺(tái)鎖緊的設(shè)計(jì)，是本研究的核心和保證測(cè)量可靠的前提。工作平臺(tái)主要由工件壓緊定位機(jī)構(gòu)、電動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、位置傳感器等主要部件組成，如圖4所示。

圖4 工作平臺(tái)實(shí)物圖

3.3 氣動(dòng)機(jī)械手的設(shè)計(jì)

氣動(dòng)機(jī)械手結(jié)構(gòu)如圖5所示，主要由3個(gè)驅(qū)動(dòng)氣缸、拉桿、機(jī)械手、定位傳感器等輔助件組成。氣動(dòng)機(jī)械手需完成進(jìn)位、抓緊和拉動(dòng)3個(gè)動(dòng)作，分別采用不同氣缸控制。進(jìn)位動(dòng)作采用主氣缸，實(shí)現(xiàn)6組機(jī)械手的同步移動(dòng)，移動(dòng)范圍由限位塊限定；抓緊動(dòng)作采用抓緊氣缸控制夾抓頭的動(dòng)作，抓緊觸頭，通過(guò)光電位置傳感器由計(jì)算機(jī)控制行程；拉動(dòng)動(dòng)作采用慢速氣缸，緩慢施加拉力，使觸頭發(fā)生移動(dòng)，通過(guò)觸發(fā)信號(hào)系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)控制，拉壓力傳感器連接于拉緊氣缸后，感應(yīng)慢速氣缸移動(dòng)時(shí)帶來(lái)的拉力變化。氣動(dòng)機(jī)械手實(shí)現(xiàn)了觸頭的可靠拉緊和緩慢拉動(dòng)功能。

圖5 氣動(dòng)機(jī)械手三維設(shè)計(jì)圖

4 驗(yàn) 證

4.1 計(jì)量性能驗(yàn)證

完成新裝置研制后，為驗(yàn)證裝置測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，華南國(guó)家計(jì)量測(cè)試中心/廣東省計(jì)量科學(xué)研究院參照J(rèn)JF 1134——2005《專(zhuān)用工作測(cè)力機(jī)校準(zhǔn)規(guī)范》[10]對(duì)裝置進(jìn)行了校準(zhǔn)，表2給出了其中3個(gè)通道的校準(zhǔn)結(jié)果。可以看出，各通道的示值誤差優(yōu)于±1%，最大示值誤差±1%基本滿足測(cè)量要求。

4.2 應(yīng)用驗(yàn)證

利用觸頭壓力自動(dòng)檢測(cè)裝置測(cè)量一個(gè)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)單邊的6組觸頭壓力，測(cè)量3次，以最大最小值之差與均值相除獲得測(cè)量重復(fù)性，測(cè)量數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

測(cè)量結(jié)果可以看出，對(duì)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)觸頭壓力，最大測(cè)量重復(fù)性為0.9%，主要是轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)安裝定位誤差和裝置的測(cè)量重復(fù)性誤差導(dǎo)致。本裝置測(cè)量單邊觸頭壓力的耗時(shí)＜45s，由于裝置具備自動(dòng)旋轉(zhuǎn)切換測(cè)量面的功能，因此，完成一個(gè)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)雙邊共12組觸頭壓力測(cè)量耗時(shí)＜120s。

同樣的被測(cè)對(duì)象，以傳統(tǒng)的測(cè)量方法進(jìn)行比對(duì)試驗(yàn)，3個(gè)檢測(cè)人員分別測(cè)量，測(cè)量重復(fù)性最大可到5%。換言之，傳統(tǒng)的測(cè)量方法中，檢測(cè)人員負(fù)責(zé)多項(xiàng)工作，不僅要通過(guò)彈簧測(cè)力計(jì)拉動(dòng)觸頭，還要觀察指示觸點(diǎn)狀態(tài)的萬(wàn)用表狀態(tài)，并兼顧查看彈簧測(cè)力計(jì)的示值，檢測(cè)的準(zhǔn)確度與人有很大的關(guān)系。因此，即使觸點(diǎn)壓力合格的轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，不同的檢測(cè)人員給出的檢測(cè)結(jié)果會(huì)出現(xiàn)較大的差異，難以保證量值統(tǒng)一。

表2 轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)觸頭壓力自動(dòng)檢測(cè)裝置3個(gè)通道的校準(zhǔn)結(jié)果

表3 轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)觸頭壓力自動(dòng)檢測(cè)裝置的重復(fù)性實(shí)驗(yàn)

5 結(jié)束語(yǔ)

本研究實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)車(chē)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)觸頭壓力的自動(dòng)檢測(cè)，最大示值誤差優(yōu)于±1%，測(cè)量重復(fù)性?xún)?yōu)于1%，并實(shí)現(xiàn)了維修工位和測(cè)量工位的快速切換，極大方便轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)觸頭壓力的檢測(cè)和調(diào)修，填補(bǔ)機(jī)車(chē)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)觸頭壓力自動(dòng)檢測(cè)領(lǐng)域的空白。同時(shí)，降低了機(jī)車(chē)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)觸頭壓力調(diào)修的勞動(dòng)強(qiáng)度，解決由于勞動(dòng)強(qiáng)度大給檢修人員帶來(lái)的困擾。

本項(xiàng)目成功研制了機(jī)車(chē)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)觸頭壓力自動(dòng)檢測(cè)裝置，為內(nèi)燃機(jī)車(chē)安全運(yùn)行、檢測(cè)和修理提供可靠的技術(shù)支撐，具有實(shí)用價(jià)值。

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