彈簧勁度系數批量檢測裝置的研制

官雨欣 向卓 邱香玉

摘要：為了解決目前市面上出售的彈簧勁度系數檢測儀一次僅能檢測一根彈簧勁度系數，檢測效率較低的問題，研制了一種批量檢測彈簧勁度系數的裝置，該裝置主要由固定座、直線導軌、多個滑動連接在直線導軌上的滑塊等構成，可一次檢測多根彈簧的勁度系數，顯著提高了彈簧勁度系數的檢測效率。

關鍵詞：彈簧;勁度系數;批量檢測

0 ? ?引言

彈簧是一種使用彈性材料制成的在外力作用下發生形變，除去外力后又恢復原狀的機械零件[1-3]。彈簧的勁度系數即彈簧軸向受力與軸向變形量的比，是衡量彈簧性能的重要參數，所有彈簧在彈性限度內均遵守胡克定律，即彈簧伸長的長度與所受的拉力呈正比。

胡克定律的數學表達式：

F=kx

式中，F為彈簧所受的拉力;x為彈簧伸長的長度;k為彈簧的彈性系數。

彈簧在出廠前均要通過拉伸測試來檢測其勁度系數，目前市面上出售的彈簧勁度系數檢測儀一次僅能測一根彈簧，其檢測效率較低。因此，針對工廠大批量生產彈簧時需要檢測的樣本容量較大的現狀，需要購入多臺檢測儀以滿足生產需求，設備采購成本較高，亟需設計一種彈簧勁度系數批量檢測裝置，以提高彈簧勁度系數的檢測效率。

1 ? ?裝置快速演示原理

彈簧勁度系數批量檢測裝置主要由固定座、直線導軌、多個滑動連接在直線導軌上的滑塊、用于牽引所述滑塊在直線導軌上滑動的牽引機構、用于檢測所述滑塊拉伸量的位移檢測機構以及用于根據所述牽引機構的牽引力大小和位移檢測機構檢測的滑塊拉伸量計算彈簧勁度系數的計算單元構成。其總體結構如圖1所示。

其中固定座固定設置在直線導軌的前端，牽引機構設于直線導軌的后端，滑塊并排間隔設置在固定座與牽引機構之間，位移檢測機構與計算單元連接。位移檢測機構包括平行于直線導軌設置的滑軌、檢測塊、光電傳感器、處理器、用于監測檢測塊位置的激光位移傳感器以及用于驅動檢測塊在滑軌上滑動的驅動機構，檢測塊與滑軌滑動連接，光電傳感器包括分別安裝在滑塊和檢測塊上的發送器和接收器，接收器連接檢測電路，檢測電路及激光位移傳感器連接處理器，處理器連接計算單元，接收器接收到發送器發出的光信號時，處理器根據此時激光位移傳感器監測到的檢測塊的位置確定滑塊的位置，處理器根據滑塊的位置變化計算出滑塊的拉伸量。

裝置工作原理：先將多個彈簧串聯起來，將最前端的彈簧連接于固定座，并使各彈簧處于自然狀態，再通過牽引機構以大小為F的牽引力拉動滑塊，此時每根彈簧的受力大小均為F（選擇高精度的滑軌副，這樣可以保證滑塊與直線導軌間摩擦系數極小，使得摩擦力對拉力的影響極小，可以忽略不計），在拉動一段距離后停下牽引機構，使得各彈簧處于靜止的拉伸狀態，滑塊的拉伸量由位移檢測機構提供給計算單元，計算單元根據連接彈簧兩端滑塊的拉伸量計算出兩者的差值，即可得到彈簧的拉伸量s，再根據牽引機構提供的牽引力F值和公式k=F/s就可計算出對應彈簧的勁度系數k值。

通過以上描述可以看出，本檢測裝置通過滑塊同時串聯多根彈簧，能夠一次檢測多根彈簧的勁度系數，并且其對彈簧的長度沒有限制，各待測彈簧長度及勁度系數均可以不同，具有較高的檢測效率，特別適合彈簧生產工廠批量檢測使用。

2 ? ?測試與分析

調試好彈簧勁度系數批量測量裝置，彈簧勁度系數批量測量裝置是依據彈簧的軸向受力與軸向變形量的比值，即k=F/x，將5根勁度系數分別為k0、k1、k2、k3、k4的輕彈簧串聯在一起，在不考慮彈簧本身重量和彈簧與軌道之間摩擦力的前提下，其中第1根是被標定的彈簧，其勁度系數k0=5.0 N/cm，在外力F的作用下5根彈簧都被拉伸，依據k=F/x即可計算出k1=k0×Δx/Δx1，k2=k0×Δx/Δx2，k3=k0×Δx/Δx3，k4=k0×Δx/Δx4。在上述相同的實驗條件下，進行3次實驗操作，其測試結果如表1所示。

彈簧勁度系數批量測量裝置3次測試結果的誤差均在5%以內。實驗結果顯示，彈簧拉伸較長時其誤差越小，彈簧勁度系數批量測量裝置結果能夠滿足工廠彈簧批量標定測試的需要。實驗結果表明，研制的彈簧勁度系數批量檢測裝置可一次檢測多根彈簧的勁度系數，可實現高效率檢測彈簧的勁度系數。

3 ? ?結語

本文研制的彈簧勁度系數批量檢測裝置可以實現多個彈簧的勁度系數測定，可以直接讀出彈簧中各彈簧的拉力，實驗方法簡單、直觀。需要注意的是，在使用該裝置時彈簧必須保持水平，在不考慮彈簧本身重量和彈簧與軌道之間摩擦力的前提下進行測量，否則會對測量精度產生較大影響。

[參考文獻]

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[2] 陳玉軍，董芳芳.彈簧串并聯特點及應用[J].物理通報，2014（1）：40-43.

[3] 徐沛羽，王海軍.一種測組合彈簧勁度系數的實驗儀器與實驗[J].中小學實驗與裝備，2013，23（4）：19-21.

收稿日期：2020-02-11

作者簡介：官雨欣（1999—），女，湖南衡陽人，研究方向：電子工程。

通信作者：向卓（1983—），男，湖南衡陽人，碩士研究生，講師，主要從事計算機技術及應用相關研究工作。