CN112129436B - 一种转辙机转换力实时测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于测力传感器领域，具体涉及一种转辙机转换力实时测量装置。该装置包括转换力传感器模块和转换力采集器模块。转换力传感器安装于转辙机动作杆中性轴上开设的通孔内，当动作杆受力时引起通孔的变形，进而引起传感器的变形，并通过传感元件输出电信号。转换力采集器模块完成对传感器的供电和传感器信号采集、处理与记录，实现转辙机转换力的实时监测。本发明相较于目前转辙机力测量装置，实现了对转辙机转换力的实时监测，能够反映转辙机服役时的工作状态，所得到的数据时效性更好。

Description

一种转辙机转换力实时测量装置

技术领域

本发明属于测力传感器领域，具体涉及一种转辙机转换力实时测量装置。

背景技术

转辙机是驱动道岔变更线路以及反映道岔位置的基础电气设备。转辙机转换力是指转辙机搬动道岔时的驱动力。当转辙机转换力过大会使得尖轨与基本轨相互挤压，长期作用下则会使基本轨变形，进而影响行车安全；当转辙机转换力过小，会使尖轨搬动不到位，列车会有脱轨风险，危及行车安全。转辙机转换力的测量对掌握道岔运行状态、提升行车安全、降低维护成本具有重要意义。

目前对转辙机力的测量装置是便携式测试仪。在窗口时间对转辙机受力状态进行检测。这种方法需要打开转辙机，临时将转辙机部分零件替换为测力销等装置，这种方法替换了转辙机部分零件进行测量，改变了转辙机服役工作状态并且测量过程中引入冲击，测量误差结果较大。此外巡检人员只能在夜间上线检查，其检查结果并不能体现转辙机服役工作状况，时效性差。另外检测操作过程复杂，成本高。

发明内容

本发明为了解决现有测量装置时效性差、过程繁琐的问题，提供了一种转辙机转换力在线实时测量装置，是一种新型的转辙机转换力测量装置，安装于转辙机内部。采用在转辙机内部的动作杆上安装转换力传感器，动作杆受力应变变化引起转换力传感器形变，然后通过转换力采集器获得形变电信号并输出，实现了转辙机转换力的实时监测。此外，由于动作杆实际工况复杂，会受到不同方向的弯矩作用，因此，使用时转换力传感器安装于动作杆中性轴处，避免了弯矩对转换力测量的影响，所测的转辙机转换力更加准确。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是：

一种转辙机转换力实时测量装置，包括转换力传感器5和转换力采集器6。

所述的转换力传感器5包括锥形弹性力敏模块、弹性体预紧模块和弹性体封盖模块。

所述的弹性体预紧模块包括螺纹底座3、旋调导杆4和预紧卡环f；所述的螺纹底座3上半部分的外部设有螺纹，其内部为通孔，通孔的上半部分加工为圆孔，下半部分加工为六方孔；预紧卡环f固定安装在螺纹底座3的顶部的圆孔内，螺纹底座3与预紧卡环f同轴；所述的旋调导杆4，从螺纹底座3的底部向上穿过，使其上半部分穿过螺纹底座3和预紧卡环f；旋调导杆4下部与螺纹底座3的六方孔配合，且旋调导杆4下部的外表面与螺纹底座3六方孔内壁相接触固定，使旋调导杆4和螺纹底座3固定为一体，旋调导杆4上部位于螺纹底座3外。

所述的锥形弹性力敏模块包括锥形力敏结构2和力敏电阻c；所述的锥形力敏结构2的材质为弹性材料，其上部为开口的圆形筒体结构，其中部为收缩的锥形筒体结构，其底部为阶梯轴结构，且上部的圆形筒体结构的直径大于螺纹底座3上半部分的直径，螺纹底座3上半部分的直径在下部的锥形筒体结构的直径最大值和最小值之间；锥形筒体结构的下部加工有一个平面，作为应变放大圆环d，且平面的中心设有通孔，为了放大应变信号，其材料弹性模量应小于100GPa，且中心通孔的尺寸大于旋调导杆4的直径；所述的力敏电阻c安装在应变放大圆环d上表面，力敏电阻c靠近应变放大圆环d内径，其方向垂直于应变放大圆环d半径；锥形力敏结构2底部的阶梯轴结构卡在预紧卡环f上，且锥形力敏结构2与预紧卡环f之间能够相互旋转；旋调导杆4的中部穿过锥形力敏结构2，旋调导杆4顶部位于锥形力敏结构2上方。

所述的弹性体封盖模块包括密封圆筒1；密封圆筒1为下端开口的筒体结构，密封圆筒1套装在锥形力敏结构2的顶部，密封保护锥形力敏结构2内的传感元件；密封圆筒1上盖的中心设有密封孔b，用于旋调导杆4的穿过和密封，旋调导杆4绕密封孔b旋转，密封孔b旁设有引线孔a，将锥形力敏结构2内的电缆引出并且固定线缆。

测量时，将转换力传感器5置于被测转辙机的动作杆中性轴处上开设的通孔内，通过转动旋调导杆4，使螺纹底座3旋入通孔的下段，直至锥形力敏结构2下部的锥形筒体结构的外圆锥面e与动作杆中性轴上的通孔中部的锥形内壁紧密贴合，其预紧扭矩不小于3N·m。

所述的转换力采集器6包括采集电路与接口；所述的接口包括传感器接口和输出接口，通过接口将整个装置电路连通；所述的采集电路包括供电模块g、测量模块h、放大模块i、数据处理模块j和信号输出模块k；所述的测量模块h、放大模块i、数据处理模块j和信号输出模块k依次串联，供电模块g为四个模块供电；力敏电阻c通过电缆和传感器接口与测量模块h连接，测量模块h完成对转换力传感器5的采集并输出电压信号，电压信号经过放大模块i放大后接入数据处理模块j，对初始信号进行清零，并标定输出信号与拉压力的对应关系，最后信号输出模块k通过输出接口与外部的电压表或上位机连接，将电压信号输出，得到被测转辙机的转换力。

本发明有益效果为：

(1)相较于目前转辙机力测量装置，本发明实现了对转辙机转换力的实时监测，能够反映转辙机服役时的工作状态，得到更高时效性数据。

(2)本发明的转换力传感器应变圆环与力敏结构一体加工，与被测表面直接接触，测量效率高。

(3)本发明的转换力传感器对转辙机动作杆的动态与静态力均可测量，故对转辙机动作杆不同工作状态下的受力均可得到。

(4)本发明相较于传统测力传感器，体积较小并且不用改变转辙机原有结构即可实现测量，不影响转辙机原始的运行状态。

(6)本发明相较于传统的对转辙机电机的电参数测量法，是对转辙机转换力的直接测量，所得到的数据更加准确可靠，更能准确得到转辙机工作状态。

附图说明

图1(a)和图1(b)分别为本发明的转换力传感器的整体装配示意图和剖视图。

图2为本发明的转辙机转换力实时测量装置的整体示意图。

图中：1密封圆环；2锥型力敏结构；3螺纹底座；4旋调导杆；5转换力传感器；6转换力采集器；a引线孔；b密封孔；c力敏电阻；d应变放大圆环；e外圆锥面；f预紧卡环；g供电模块；h测量模块；i放大模块；j数据处理模块；k信号输出模块。

具体实施方式

以下结合附图和技术方案进一步说明本发明的具体实施方式。

本发明针对当前转换力测量装置时效性差过程繁琐等问题，发明了一种转辙机转换力传感器实时测量装置，实现了对转换力的监测。

如图1(a)和图(b)以及图2所示，本发明的装置主要有转换力传感器5和转换力采集器6组成。使用本发明的装置进行转辙机的转换力监测时，首先在转辙机动作杆中性轴处加工出通孔(通孔的上段为直孔，用于转换力传感器5的穿过；中段加工为锥形结构，与锥型力敏结构配合；下段为直孔，与螺纹底座3配合)，然后将转换力传感器5安装进通孔内，通过转动旋调导杆4，使锥形力敏结构2下部的锥形筒体结构的外圆锥面e与动作杆中性轴的通孔中段的锥形结构的内壁紧密贴合，其预紧扭矩不小于3N·m，从而使转换力传感器5的弹性体变形与被测转辙机动作杆上的通孔变形一致，最终弹性体应力变化引发电信号输出，通过转换力采集器6采集数据和输出，进而得到被测结构受力状态量值，以实现对转换力的测量。

本实施例中转辙机动作杆材料为钢，通孔位于动作杆中性轴处，通孔中段的锥形结构部分深度为2mm，锥度取45°，其上半部分为光孔，直径为16mm，深度20mm，其下半部分的直孔部分内表面为螺纹，所攻螺纹取标准螺纹M10，深度为10mm。转换力传感器5包括密封圆环1、锥形力敏结构2、螺纹底座3、旋调导杆4、力敏电阻c和应变放大圆环的d。所述锥形力敏结构2中心通孔直径为3.4mm；所述外圆锥面e最大直径为13mm，最小直径6mm，与水平夹角成45°，中心通孔直径3.4mm；所述应变放大圆环d直径8mm，内径6mm；所述力敏电阻c为金属应变片，安装在应变放大圆环d的表面；所述预紧卡环f外径为5.5mm，内径为4.5mm；所述螺纹底座3材料为钢材质，其顶部圆环外径5.5mm，内径4.5mm，螺纹长度取6mm，螺纹底座总高15mm；在螺纹底座下半部分加工出内切圆直径5.4mm的六方孔；所述旋调导杆4材质为钢材质，其上圆柱直径为3.4mm，从螺纹底座顶部圆环和锥形力敏结构通孔穿过，底部六棱柱尺寸与螺纹底座六方孔保持一致，安装于螺纹底座3下半部分内，使旋调导杆4可以带动螺纹底座3旋转，顶部加工出扁平形状以供安装工具夹持；所述密封圆环1材料为钢，直径为15mm，其内径与锥形力敏结构2外径保持一致，安装于锥形力敏结构2顶部，上表面引线孔a直径为3mm，用于引出并固定线缆；最终完成转换力传感器5的组装。

如图2，转换力采集器6包含供电模块g、测量模块h、放大模块i、数据处理模块j和信号输出模块k以及传感器接口和输出接口。转换力传感器5内部的力敏电阻c通过电缆接入测量模块h中，测量模块h将力敏电阻c采集的压电信号接入放大模块i进行放大，进而接入数据处理模块j进行清零标定等处理，最终通过信号输出模块k将电压信号输出，得到转辙机转换力。

测量步骤如下：

(1)转换力传感器5的定位与安装

转换力传感器5插入转辙机动作杆中性轴处的通孔中，旋转旋调导杆4，通过六方结构带动螺纹底座3旋转。将螺纹底座3安装进动作杆通孔下段处所攻螺纹；由于传感器存在测量敏感方向，安装过程中要对传感器进行定位，保证将力敏电阻c测量方向与动作杆平行，定位完毕后锥形力敏结构2不再旋转；进一步通过旋调导杆4，将锥形力敏结构2的外圆锥面e与动作杆锥形孔表面贴合，最终完成转换力传感器5的安装。

(2)转换力传感器5与转换力采集器6连接并实时测量

转换力传感器5安装好之后，当转辙机动作杆运动时，通孔产生变形，进而锥形力敏结构2与应变放大圆环d产生变形，通过应变放大圆环d放大应变信号增大转换力传感器5灵敏度和线性度；力敏电阻c将力信号转化为电信号；用电缆将力敏电阻c通过电缆接入转换力采集器6的测量电路中。放大模块i将测量电路输出信号放大若干倍之后接入数据处理模块j中；对初始信号进行清零，并标定输出信号与转换力的对应关系，最终实时获得电压信号大小表示转换力大小。

Claims (1)

1.一种转辙机转换力实时测量装置，其特征在于，所述的转辙机转换力实时测量装置包括转换力传感器(5)和转换力采集器(6)；

所述的转换力传感器(5)包括锥形弹性力敏模块、弹性体预紧模块和弹性体封盖模块；

所述的弹性体预紧模块包括螺纹底座(3)、旋调导杆(4)和预紧卡环(f)；所述的螺纹底座(3)上半部分的外部设有螺纹，其内部为通孔，通孔的上半部分加工为圆孔，下半部分加工为六方孔；预紧卡环(f)固定安装在螺纹底座(3)的顶部的圆孔内，螺纹底座(3)与预紧卡环(f)同轴；所述的旋调导杆(4)，从螺纹底座(3)的底部向上穿过，使其上半部分穿过螺纹底座(3)和预紧卡环(f)；旋调导杆(4)下部与螺纹底座(3)的六方孔配合，且旋调导杆(4)下部的外表面与螺纹底座(3)六方孔内壁相接触固定，使旋调导杆(4)和螺纹底座(3)固定为一体，旋调导杆(4)上部位于螺纹底座(3)外；

所述的锥形弹性力敏模块包括锥形力敏结构(2)和力敏电阻(c)；所述的锥形力敏结构(2)的材质为弹性材料，其上部为开口的圆形筒体结构，其中部为收缩的锥形筒体结构，其底部为阶梯轴结构，且上部的圆形筒体结构的直径大于螺纹底座(3)上半部分的直径，螺纹底座(3)上半部分的直径在下部的锥形筒体结构的直径最大值和最小值之间；锥形筒体结构的下部加工有一个平面，作为应变放大圆环(d)，且平面的中心设有通孔，其材料弹性模量小于100GPa，且中心通孔的尺寸大于旋调导杆(4)的直径；所述的力敏电阻(c)安装在应变放大圆环(d)上表面，力敏电阻(c)靠近应变放大圆环(d)内径，其方向垂直于应变放大圆环(d)半径；锥形力敏结构(2)底部的阶梯轴结构卡在预紧卡环(f)上，且锥形力敏结构(2)与预紧卡环(f)之间能够相互旋转；旋调导杆(4)的中部穿过锥形力敏结构(2)，旋调导杆(4)顶部位于锥形力敏结构(2)上方；

所述的弹性体封盖模块包括密封圆筒(1)；密封圆筒(1)为下端开口的筒体结构，密封圆筒(1)套装在锥形力敏结构(2)的顶部，密封保护锥形力敏结构(2)内的传感元件；密封圆筒(1)上盖的中心设有密封孔(b)，用于旋调导杆(4)的穿过和密封，旋调导杆(4)绕密封孔(b)旋转，密封孔(b)旁设有引线孔(a)，将锥形力敏结构(2)内的电缆引出并且固定线缆；

测量时，将转换力传感器(5)置于被测转辙机的动作杆中性轴处上开设的通孔内，通过转动旋调导杆(4)，使螺纹底座(3)旋入通孔的下段，直至锥形力敏结构(2)下部的锥形筒体结构的外圆锥面(e)与动作杆中性轴上的通孔中部的锥形内壁紧密贴合，其预紧扭矩不小于3N·m；

所述的转换力采集器(6)包括采集电路与接口；所述的接口包括传感器接口和输出接口，通过接口将整个装置电路连通；所述的采集电路包括供电模块(g)、测量模块(h)、放大模块(i)、数据处理模块(j)和信号输出模块(k)；所述的测量模块(h)、放大模块(i)、数据处理模块(j)和信号输出模块(k)依次串联，供电模块(g)为四个模块供电；力敏电阻(c)通过电缆和传感器接口与测量模块(h)连接，测量模块(h)完成对转换力传感器(5)的采集并输出电压信号，电压信号经过放大模块(i)放大后接入数据处理模块(j)，对初始信号进行清零，并标定输出信号与拉压力的对应关系，最后信号输出模块(k)通过输出接口与外部的电压表或上位机连接，将电压信号输出，得到被测转辙机的转换力。

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