一種測量彈簧彈力裝置的設計及應用

許勇軍， 吳森利， 張丹， 張會芳

（中國航空工業標準件制造有限責任公司，貴陽 550014）

0 引言

我公司是生產緊固件的專業化生產廠家，近年來制造了多種大規格的壓縮彈簧，其中一種彈簧外徑為φ181 mm，內徑為φ165 mm，主要技術要求為彈簧在壓剩至1.8 mm時，保證其彈力值為P=（45+10）N。由于該彈簧外形尺寸較大，公司現有的普通小型拉壓彈簧測力儀無法對其彈力值進行檢測，若購買大型的測力儀則需十幾萬元，還必須定做，故公司決定自行設計制造一個專用的測量工裝，來測量此類彈簧的彈力值。

1 方案設計

1.1 方案原理分析

該方案的設計以我公司原有的普通小型彈簧拉壓測力儀的測力原理為基礎，構造了一個組合裝置，采用等效測量的方法，將彈簧拉壓測力儀的工作臺面積放大，以達到可測量大面積壓縮彈簧彈力值的效果。

原有彈簧拉壓測力儀的結構簡圖如圖1。

圖1 原有彈簧拉壓測力儀的結構簡圖

其工作原理為：將彈簧水平立于下工作臺上，彈簧的軸線與工作臺面垂直。通過轉動搖臂對上工作臺施加一個下壓的力，并使其與彈簧的一端面接觸，彈簧在上、下工作臺的擠壓下產生彈性變形，當被壓縮到我們要求達到的行程時，彈簧反向施加給工作臺上的力會通過傳感裝置在數顯箱上的力值讀數表上顯示出來，此時讀數表上顯示的數值即為彈簧在此行程下所受的壓力。但由于普通小型彈力測量儀的工作臺兩側有導程柱，故其所測量彈簧的面積有限，且不能輕易增大其工作臺面積，除非購置更大型的測量儀。

1.2 裝置設計

由彈簧拉壓測力儀的工作原理，我們設計了一套簡單的組合裝置。利用該套裝置即可間接地測量出壓縮彈簧在額定的條件下所受的彈力值。

該裝置由2個平板（底座、壓板）、4個支架、4個固定套、4塊百分表及4根高度測桿組合而成，見圖2。

圖2 組合裝置

由于壓板既是施力物也為承載物，所以要求壓板在使用過程中不能產生變形，結合實際情況我們可以選用不同規格、不同材料的板材，這里我們選用5 mm的鋼板。在鋼板上設計制作了4個導程孔，便于與后面設計的高度測桿一同使用，以達到快速調整定位的效果。結構簡圖見圖3。

同理，底座作為承載物在使用過程中不能產生變形，因此，我們也選擇用5 mm的鋼板來制作。為使百分表探頭能穿過底座與壓板接觸，我們在底座上加工了4個φ9 mm的孔，以便于百分表的探頭能檢測到彈簧受力后的壓剩尺寸及壓剩尺寸是否均勻。其結構簡圖見圖4。

為了提高檢測精度，對底座及壓板與壓縮彈簧的接觸面需進行精磨，以保證一定的平面度，這也是保證與零件接觸時的測量高度能達到所要求精度的條件之一。

為固定4個百分表，我們在底座的下方設計了4個固定套，將4個固定套焊接在底座4個φ9 mm孔的正下方，并在固定套上設計了一個螺紋孔，用4個普通螺釘即可對百分表進行固定使用，這樣的設計便于組裝、拆卸百分表。其結構見圖5。

圖3 壓板結構簡圖

圖4 底座結構簡圖

圖5 固定套結構簡圖

為了方便觀看到百分表上的數值，還需將底板支高到可觀看到的高度，因此，在底板上增加4個支架，并通過螺紋形式與底座連接，其結構簡圖見圖6。

圖6 支架結構簡圖

為了達到快速定位找正的目的，我們還設計了4根高度測桿，其高度比被測彈簧的高度小2～3 mm即可，其直徑比壓板上所設計的導程孔的直徑小0.2～0.4 mm即可，這樣可使得在彈簧上放上壓板后，高度測量桿能通過壓板上的導程孔立于底座上而不倒，其結構簡圖見圖7。

1.3 測力裝置的工作原理

圖7 高度測桿結構簡圖

先將支架安裝在底座的4個螺紋孔上，再將安裝上支架的底座放于工作臺上，用鋼球或高度尺等工具找平。然后將彈簧水平放置在底座上，此時目測彈簧是在底座的正中間。將壓板水平放置在彈簧的正上方并邊角對齊底座，將高度測桿穿過壓板上的4個導程孔放置在底座上，此時在壓板上放置重物，通過改變重物的大小來調整下壓力，通過移動零件上方放置的重物的位置，并結合高度測桿進行初定位找正，當目測到4個高度測桿的末端將要從壓板上露頭與壓板上端面齊平時，重物重心即在零件中間。之后，通過塊規進行精確找正，通過用塊規測量上壓板與底座之間的各邊縫隙來微調所施加的重物，當上壓板與底座之間各邊縫隙達到所要求的彈簧壓剩高度時停止增加重物的重量。這時將彈簧上所放的所有重物（包括壓板）放在彈簧拉壓測力儀上測量，此時彈簧拉壓測力儀上顯示的讀數即為壓縮彈簧所受到的彈力值。

2 對比驗證

為驗證該套彈簧測力裝置應用的可行性，我們用既可在彈簧拉壓測力儀上直接測出彈力值，又可在該套彈簧測力裝置上測力的某零件進行了對比實驗。

1）將某壓縮彈簧放在彈簧拉壓測力儀上，連續進行5次測力，當其壓剩高度為1.5 mm時，所得的彈力值如表1。

表1 彈簧拉壓測力測得的彈力值A N

2）用同一零件放在該套彈簧測力裝置上按上述原理連續進行5次測力，當壓剩高度為1.5 mm時，測得的彈力值如表2。

表2 新裝置測得的彈力值B N

3）數據統計分析。我們利用數理統計的有關假設檢驗論據對數據進行分析（取顯著水平α=0.01），彈簧拉壓測力儀上測得的彈力值的樣本方差

同理，用彈簧測力裝置測得的彈力值的樣本方差：SB2≈0.000 75，由此可得SA2/SB2≈0.67。

通過對上述兩種方法測得的彈力值的數理統計分析，得出 0.043＜SA2/SB2＜23.2，再由數理統計相關理論，我們可以得出這兩種方法測得的彈力值無顯著差異，具有可互換性。因此我們認為該彈簧測力裝置能滿足壓縮彈簧的彈力值測力使用要求。

3 結語

通過對比普通小型彈簧拉壓測力儀的測力原理，設計了該套彈力測量裝置，并且運用數理統計分析的有關理論對用兩種測力裝置測得的數據進行了統計分析，得出的結論是我們所設計的該套彈簧測力裝置的應用是可行的，用其對壓縮彈簧的彈力進行測量與用彈簧拉壓測力儀進行測量是等效的。

當壓縮彈簧的額定彈力值在彈簧拉壓測力儀的量程范圍內，但面積超過了彈簧拉壓測力儀工作臺面積時，均可根據實際情況制作這樣一套裝置來測量彈簧的彈力值。

該套裝置解決了研制初期需大量投入資金的問題。其結構簡單，取材方便，造價低廉，在為企業節約大量資金的同時，又能方便地檢測出較大面積彈簧的彈力值，能夠適應中小企業在產品研制階段及今后中小批量的該類產品的彈力值檢測。

［1］ 盛驟，謝式千，潘承毅.概率論與數理統計［M］.北京:高等教育出版社，2008.