轉轍機動作桿力傳感器的設計與標定

馬韜，王大志,2※，謝明軍，陳相吉，陳玉亮，張森，鄭曉虎

（1.大連理工大學機械工程學院，遼寧 大連 116024；2.大連理工大學寧波研究院，浙江 寧波 315016；3.西安鐵路信號有限責任公司，西安 710100）

0 引言

隨著我國鐵路運輸量增長以及列車提速，列車通過道岔的速度與頻率不斷提高，對道岔轉換設備——轉轍機也越發依賴[1]。轉轍機是鐵路系統的故障多發點，直接影響到鐵路運輸的效率與安全[2]。對轉轍機進行在線健康監測的需求迫在眉睫[3]，實時評判道岔健康狀況，及時高效地維護設備，可大大提升鐵路運輸系統的安全性。

動作桿作為道岔轉換的核心執行部件，其由轉轍機電機輸出的轉矩驅動，通過鎖閉桿將道岔鎖閉在規定位置，實現列車行進線路的切換[4]。若動作桿受力過大，長期運行將導致軌道擠壓變形；若受力過小，動作桿推動尖軌不到位可能會導致列車脫軌，故監測動作桿受力狀態十分重要。目前常見的測量方法有便攜式測量儀檢測法[5]和電氣參數估算法[6-8]，前者依靠人工夜間巡檢，效率低下且不滿足實時監測需求；后者采集轉轍機電氣參數（電壓、電流和功率），屬于間接測量，難以保證準確性。

為了滿足軌道交通領域對安全監測的迫切需求，通號（西安）軌道交通工業集團與大連理工大學合作建立了高性能傳感技術與系統聯合實驗室，對轉轍機動作桿受力狀態監測裝置進行立項，并開展了相應的先期研究工作[9-10]。本文設計了一種轉轍機動作桿力傳感器，首先介紹其測量原理與結構設計，并利用仿真軟件分析其靈敏度與強度，最后設計搭建標定平臺，對力傳感器進行了標定測試，分析其精度、線性度等參數。

1 動作桿力傳感器設計

在鐵路運輸領域，機械構件的設計往往選取較大的安全系數以保障系統的安全與穩定。轉轍機動作桿截面尺寸為40 mm×50 mm，正常情況下受載通常不超過10 kN，由力學公式可知：

即當動作桿受到10 kN的拉壓力時，桿件整體的平均應變僅為23.8 με，這給動作桿受力的精確測量帶來了很大困難。針對這一問題，動作桿力傳感器主要從傳感器安裝位置、結構設計及采集電路三方面加以設計并解決。

安裝位置上，由于動作桿上有多個用于限位、固定或注油的圓孔，在這些圓孔處桿件截面尺寸發生變化，其局部應力增大，這就是應力集中現象。將轉轍機動作桿力傳感器安裝在這些圓孔位置，既不改變轉轍機的結構連接方式，也能有效地利用應力集中現象提升靈敏度。

結構設計上，彈性體作為傳感器的核心，其被設計為錐形薄壁結構。其通過預緊安裝與動作桿安裝孔錐面緊密貼合，隨動作桿受力而變形，并進一步放大應變，是一種直接測量方法。彈性體選用低楊氏模量、高強度的材料制造，確保其在易形變的同時不產生強度破壞。

信號采集方面，采集器利用惠斯通電橋將電阻阻值的微小變化轉化為橋路電壓信號輸出，較直接測量電阻阻值精度更高。同時，由于物體單向受載時橫向、軸向應變始終正負相反，若利用兩個可變電阻組成惠斯通半橋，傳感器受載時阻值一增一減，可提升橋路輸出的大小。此外，采集器還利用放大濾波單元對橋路輸出電壓進一步放大，同樣有助于提高測量精度?；菟雇姌驕y量原理與采集器實物如圖1所示。

圖1 惠斯通電橋測量原理與采集器實物

動作桿力傳感器主體結構主要由彈性體、支承體及緊固件3部分組成。支承體扣在彈性體上，并通過平頭螺釘固定彈性體，其截面設計為圓角矩形，有利于加工時夾持及安裝時定位。緊固件為帶六角凸臺的螺柱，可利用扳手將其旋入動作桿安裝孔中，經支承體將彈性體與動作桿錐面壓緊，實現傳感器的預緊安裝。配套的輔助定位工具呈M形，使用時扣于動作桿上，其限位槽與支承體嵌合，將傳感器周向固定，再配合扳手完成傳感器準確、快速地定位與安裝，其整體設計方案如圖2所示。

圖2 力傳感器方案設計

此種轉轍機動作桿力傳感器設計具有以下優點：傳感器結構緊湊體積小，可在不改變轉轍機連接結構的基礎上實現動作桿受力的直接測量；傳感器主體結構采用模塊化設計方法，裝卸便捷可逆，零件通用，利于維護；傳感器定位、安裝準確方便，操作效率高；傳感器安裝后形成密閉空間，保護傳感器敏感元件，不易受外界干擾。

2 動作桿力傳感器分析

為了分析轉轍機動作桿力傳感器的靈敏度與強度能否滿足要求，對力傳感器與動作桿的裝配體進行了有限元仿真分析。利用SolidWorks建立力傳感器與動作桿的模型裝配體，并導入ANSYS Workbench中。為了降低運算量，對模型進行了適當簡化與截取，傳感器模型一些不影響仿真結果的細節特征被略去，且只截取一小段動作桿用于仿真。彈性體材料設置為鋁合金，其余材料均設置為結構鋼。網格采用多區域六方體劃分方法，大小設置為1 mm。所有接觸面均設置為綁定，并在動作桿一端添加10 kN的壓縮載荷，另一端添加全約束，緊固件上表面施加200 N的縱向預緊力。打開弱彈簧設置，經ANSYS Workbench計算后輸出應力應變云圖。其中著重分析傳感器彈性體電阻粘貼處的應變值，用于估算傳感器的靈敏度；并檢查模型整體的應力最大值，判斷選用材料的強度是否滿足要求。

彈性體的應變分布如圖3所示。當動作桿伸出受壓時，平行于動作桿軸向的電阻被壓縮，所受應變約為49 με；而垂直于動作桿軸向的電阻被拉伸，所受應變約為3 με。

圖3 力傳感器彈性體應變分布云圖

由電阻材料特性[11]及惠斯通半橋法測量原理[12]，有以下公式：

代入材料屬性與采集器性能參數，并將兩式合并，可得惠斯通橋路電壓理論變化值為：

可知理論上力傳感器靈敏度C為：

本文中，采集器放大電路的增益倍數K=32，選用16位AD轉換芯片，可得：

即理論上傳感器靈敏度為390 μV/kN，當動作桿受載10 kN時，采集器可采得3 272單位的信號變化，滿足項目1‰FS分辨率的要求。此外，分析仿真所得的應力云圖，可知整體模型最大應力點位于傳感器彈性體上，其值約為24 MPa，遠遠低于材料屈服極限。仿真結果表明，傳感器靈敏度與強度均滿足要求。

3 動作桿力傳感器標定

任意傳感器從制作完成到投入使用，均需經歷標定這一重要步驟，其直接影響傳感器的最終測量精度。由于實驗室缺少場地與設備復現轉轍機在道岔上的運作狀態，因此設計并搭建了一套轉轍機動作桿力傳感器標定平臺，用于動作桿力傳感器的標定與測試。

該力傳感器標定平臺由主體結構模塊、液壓加載模塊、力傳感器模塊以及信號采集模塊4部分構成，其整體組裝效果如圖4所示。主體結構模塊用于固定各機械部件，其中動作桿水平放置并中段固定，由方孔套限位，并通過銷釘與連接件連接，還原了動作桿在道岔上的固定與受載方式；液壓加載模塊可利用高精度液壓泵、液壓缸等對動作桿施加穩定精確、連續可調的拉壓載荷，以模擬動作桿在伸縮過程中道岔的阻力；力傳感器模塊包括標準力傳感器和動作桿力傳感器，標準力傳感器與動作桿串聯，動作桿力傳感器安裝在動作桿中，兩者均隨動作桿受載而變形，并輸出信號；信號采集模塊完成對傳感器的供電以及信號的采集、處理與記錄。最終根據標準力傳感器的輸出信號對動作桿力傳感器進行標定。該力傳感器標定平臺模擬了動作桿在道岔上的固定與受載方式，并能對動作桿施加高精度連續拉壓力，可實現力傳感器的準確、可靠、高效標定與測試。

圖4 力傳感器標定平臺設計

利用該標定平臺對力傳感器進行標定測試，進一步分析傳感器的線性度及測量精度。測試前，需將高精度液壓泵設置為初始狀態，使標準力傳感器輸出力值為零，并對采集器進行清零操作，確保零點準確。標定時，首先利用高精度液壓泵對動作桿加載壓力，直至標準力傳感器輸出力值為10 kN；卸載后切換拉壓狀態，再次加載拉力至10 kN后卸載；根據信號采集模塊記錄的波形曲線調整采集器中的參數，完成動作桿力傳感器的標定。測試時，重復上述方法，通過高精度液壓泵對動作桿逐級加載拉壓力，同時記錄動作桿力傳感器與標準力傳感器的輸出力值，并繪制出力傳感器的特性曲線，如圖5所示，其測量精度及線性度均優于1%FS，滿足項目需求。

圖5 力傳感器特性曲線

4 結束語

本文主要涉及一種轉轍機動作桿力傳感器的設計與標定，首先解釋了力傳感器的設計思路與測量原理，從安裝位置、結構設計及采集電路3方面提高傳感器的靈敏度；并介紹其主體結構及輔助工具的設計，確保在組裝、定位與安裝傳感器時準確、高效；再利用仿真軟件對傳感器進行分析，仿真結果表明其分辨率優于1‰FS，且不會發生強度破壞；最后設計搭建了標定平臺并對力傳感器進行標定測試，測試結果表明該傳感器測量精度及線性度均優于1%FS。此種轉轍機動作桿力傳感器實現了對動作桿受力狀態的直接測量，在鐵路系統監測領域有較大的應用價值與發展潛力。