機車轉(zhuǎn)換開關(guān)觸頭壓力檢測裝置的設(shè)計與研究

蘇翼雄，宋 洋，寧輝政，蔡旭平，古小靈

（1.廣西壯族自治區(qū)計量檢測研究院，廣西 南寧 530007；2.柳州科路測量儀器有限責(zé)任公司，廣西 柳州 545005）

0 引 言

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

轉(zhuǎn)換開關(guān)的檢測是機車段修中的重要內(nèi)容，其核心是觸頭壓力的檢測和調(diào)修。機車段修技術(shù)規(guī)程對轉(zhuǎn)換開關(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型等機車轉(zhuǎn)換開關(guān)觸頭壓力的范圍為102.9～107.8N[2-3]，東風(fēng)8B型內(nèi)燃機車轉(zhuǎn)換開關(guān)觸頭壓力的范圍為155～200N[4]。目前，國內(nèi)各機務(wù)段對該觸頭壓力采用人工檢測方法，具體做法是：當(dāng)轉(zhuǎn)換開關(guān)處于轉(zhuǎn)換入位狀態(tài)時，檢測人員利用靜觸頭與動觸頭接觸構(gòu)成回路，利用能發(fā)聲或發(fā)光的電路串到該回路中，如萬用表或指示燈，再用彈簧測力計鉤住主觸頭（主觸頭頂端出廠時就帶有直徑3.2mm的插孔）進行反向拉測，如圖1所示，當(dāng)動觸頭和靜觸頭分離，觀測到電路發(fā)出斷路指示時，彈簧測力計的示值即為觸頭壓力。這種方法存在人為因素多、測量誤差大、重復(fù)性差、效率低等缺點，直接導(dǎo)致轉(zhuǎn)換開關(guān)檢修后觸頭壓力仍處于非正常工作狀態(tài)，帶來安全隱患。

圖1 彈簧拉力計法測量轉(zhuǎn)換開關(guān)觸點壓力

本研究針對彈簧測力計測量轉(zhuǎn)換開關(guān)壓力中存在的缺陷開展研究工作，解決長期困擾機車維護單位的機車轉(zhuǎn)換開關(guān)觸頭壓力檢測方法不可靠的技術(shù)難題。

1 測量原理

如圖2所示，利用力和反作用力的原理[5]，將觸頭壓力轉(zhuǎn)換為拉動觸頭時的拉力。測量過程中逐步增加拉力直至轉(zhuǎn)換開關(guān)的動觸點、靜觸點分離，拉力傳感器的輸出變化為F（t）；將動觸點、靜觸點和信號發(fā)生器組成回路導(dǎo)通狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，觸點在t0時刻分離，此時的拉力值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——觸點分離時間。

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

圖2 觸頭壓力測量原理示意圖

2 裝置工作流程

本裝置由控制柜和主機部分構(gòu)成，如圖3所示?？刂乒窦闪斯た貦C、操作臺、打印機等設(shè)備，作為主機的動作、數(shù)據(jù)保存和打??；主機由拉力測量系統(tǒng)、工作臺和氣動機械手等主要模塊構(gòu)成，實現(xiàn)轉(zhuǎn)換開關(guān)的定位鎖緊、觸頭抓緊拉動、測量工位切換等功能。

圖3 機車轉(zhuǎn)換開關(guān)觸頭壓力檢測臺照片

裝置的主要工作流程如下：

1）用起吊裝置將機車轉(zhuǎn)換開關(guān)吊于主機工作臺上，利用工作臺的定位孔和楔形定位塊實現(xiàn)轉(zhuǎn)換開關(guān)的定位。

2）當(dāng)控制柜的計算機發(fā)出檢測A面觸頭壓力指令時，主機工作臺上的氣動鎖緊裝置啟動，轉(zhuǎn)換開關(guān)固定在工作臺上；同時，主機工作臺下的觸頭導(dǎo)通狀態(tài)監(jiān)控裝置啟動，自動連接轉(zhuǎn)換開關(guān)的對應(yīng)觸頭。

3）氣動機械手伸出，抓緊、拉動觸頭，此時轉(zhuǎn)換開關(guān)的動、靜觸點斷開，力測量系統(tǒng)檢測得到觸頭壓力值，由計算機采集并存儲，A面觸頭壓力檢測完畢；氣動機械手和觸頭導(dǎo)通狀態(tài)監(jiān)控裝置復(fù)位。

4）當(dāng)計算機發(fā)出測量轉(zhuǎn)換開關(guān)B面觸頭指令時，由電機驅(qū)動，通過齒輪傳動使主機的工作臺旋轉(zhuǎn)180°后，各模塊依次工作，完成B面觸頭壓力的檢測。

5）當(dāng)需要調(diào)修時，計算機發(fā)出進入調(diào)修工位的指令，主機工作臺旋轉(zhuǎn)90°，進入調(diào)修狀態(tài)，待計算機發(fā)出調(diào)修完畢指令后，工作臺復(fù)位，等待重復(fù)測量調(diào)修后的觸頭壓力指令。

6）計算機發(fā)出檢測工作全部完成的指令后，工作臺鎖緊裝置復(fù)位，用起吊裝置將轉(zhuǎn)換開關(guān)吊離工作臺。

3 主要模塊介紹

3.1 測量電子模塊設(shè)計

3.1.1 拉壓力傳感器

本研究采用基于電阻應(yīng)變效應(yīng)的拉壓力傳感器進行力值信號提取。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，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，通過橋差來檢測應(yīng)變片的阻值變化，將電阻信號轉(zhuǎn)換為電信號，輸出信號與電阻應(yīng)變量以及激勵電壓成正比[6-7]。采用標(biāo)準砝碼和高精度電壓表進行傳感器的精度檢測，表1是其中一個傳感器線性輸出檢測結(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數(shù)據(jù)

3.1.2 信號放大電路

傳感器的輸出基本在mV級上，根據(jù)輸出信號的特點，要達到AD采集的要求，在保證高放大倍率的同時還需保證低信號失真，宜采用兩級放大電路[8]。本項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；第二級放大器主要由運放AD620[9]構(gòu)成，完成信號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)計的放大電路，經(jīng)實驗驗證，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，經(jīng)放大后的電壓信號為0.6～2V，滿足A/D轉(zhuǎn)換需求。

3.2 工作平臺設(shè)計

工作平臺可實現(xiàn)被測件定位夾緊、平臺旋轉(zhuǎn)、平臺鎖緊的設(shè)計，是本研究的核心和保證測量可靠的前提。工作平臺主要由工件壓緊定位機構(gòu)、電動轉(zhuǎn)動機構(gòu)、位置傳感器等主要部件組成，如圖4所示。

圖4 工作平臺實物圖

3.3 氣動機械手的設(shè)計

氣動機械手結(jié)構(gòu)如圖5所示，主要由3個驅(qū)動氣缸、拉桿、機械手、定位傳感器等輔助件組成。氣動機械手需完成進位、抓緊和拉動3個動作，分別采用不同氣缸控制。進位動作采用主氣缸，實現(xiàn)6組機械手的同步移動，移動范圍由限位塊限定；抓緊動作采用抓緊氣缸控制夾抓頭的動作，抓緊觸頭，通過光電位置傳感器由計算機控制行程；拉動動作采用慢速氣缸，緩慢施加拉力，使觸頭發(fā)生移動，通過觸發(fā)信號系統(tǒng)由計算機控制，拉壓力傳感器連接于拉緊氣缸后，感應(yīng)慢速氣缸移動時帶來的拉力變化。氣動機械手實現(xiàn)了觸頭的可靠拉緊和緩慢拉動功能。

圖5 氣動機械手三維設(shè)計圖

4 驗 證

4.1 計量性能驗證

完成新裝置研制后，為驗證裝置測量結(jié)果的準確性和可靠性，華南國家計量測試中心/廣東省計量科學(xué)研究院參照JJF 1134——2005《專用工作測力機校準規(guī)范》[10]對裝置進行了校準，表2給出了其中3個通道的校準結(jié)果?？梢钥闯?，各通道的示值誤差優(yōu)于±1%，最大示值誤差±1%基本滿足測量要求。

4.2 應(yīng)用驗證

利用觸頭壓力自動檢測裝置測量一個轉(zhuǎn)換開關(guān)單邊的6組觸頭壓力，測量3次，以最大最小值之差與均值相除獲得測量重復(fù)性，測量數(shù)據(jù)見表3。

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

同樣的被測對象，以傳統(tǒng)的測量方法進行比對試驗，3個檢測人員分別測量，測量重復(fù)性最大可到5%。換言之，傳統(tǒng)的測量方法中，檢測人員負責(zé)多項工作，不僅要通過彈簧測力計拉動觸頭，還要觀察指示觸點狀態(tài)的萬用表狀態(tài)，并兼顧查看彈簧測力計的示值，檢測的準確度與人有很大的關(guān)系。因此，即使觸點壓力合格的轉(zhuǎn)換開關(guān)，不同的檢測人員給出的檢測結(jié)果會出現(xiàn)較大的差異，難以保證量值統(tǒng)一。

表2 轉(zhuǎn)換開關(guān)觸頭壓力自動檢測裝置3個通道的校準結(jié)果

表3 轉(zhuǎn)換開關(guān)觸頭壓力自動檢測裝置的重復(fù)性實驗

5 結(jié)束語

本研究實現(xiàn)了對機車轉(zhuǎn)換開關(guān)觸頭壓力的自動檢測，最大示值誤差優(yōu)于±1%，測量重復(fù)性優(yōu)于1%，并實現(xiàn)了維修工位和測量工位的快速切換，極大方便轉(zhuǎn)換開關(guān)觸頭壓力的檢測和調(diào)修，填補機車轉(zhuǎn)換開關(guān)觸頭壓力自動檢測領(lǐng)域的空白。同時，降低了機車轉(zhuǎn)換開關(guān)觸頭壓力調(diào)修的勞動強度，解決由于勞動強度大給檢修人員帶來的困擾。

本項目成功研制了機車轉(zhuǎn)換開關(guān)觸頭壓力自動檢測裝置，為內(nèi)燃機車安全運行、檢測和修理提供可靠的技術(shù)支撐，具有實用價值。

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