摘要：橡膠減振元件在軌道結(jié)構(gòu)中起著至關(guān)重要的作用，對軌道各項(xiàng)動(dòng)力參數(shù)的影響非常明顯。本文介紹了一種橡膠減振元件剛度測量的新系統(tǒng)，利用傳感器采集橡膠減振元件在不同壓力下的電壓信號(hào)，經(jīng)由無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)中進(jìn)行處理。同時(shí)采用萬能試驗(yàn)機(jī)對該系統(tǒng)進(jìn)行校定、驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示測得的電壓幅值與橡膠減振元件所受壓力成一定比例。通過對上位機(jī)中軟件的相應(yīng)調(diào)整，在監(jiān)測界面上直接顯示出橡膠減振元件的剛度數(shù)值，實(shí)現(xiàn)剛度的方便監(jiān)測。

關(guān)鍵詞：橡膠減振元件剛度傳感器無線傳輸萬能試驗(yàn)機(jī)電壓幅值

1．前言

橡膠減振元件是軌道結(jié)構(gòu)中的重要部件，主要是利用橡膠材料的高彈特性，為軌道結(jié)構(gòu)提供緩沖、減振、絕緣等功能[1]。隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，橡膠減振元件在鐵路交通結(jié)構(gòu)中得到越來越廣泛的應(yīng)用[2]。

目前我國大面積使用的無砟軌道結(jié)構(gòu)中，使用了大量的橡膠減振元件用以降低軌道剛度、提高線路彈性、改善輪軌相互動(dòng)力作用、降低軌道的動(dòng)態(tài)效應(yīng)[3]。在橡膠減振元件中最為典型的是軌下彈性墊板，鋼軌支承彈性幾乎完全受軌下彈性墊板剛度的支配[3]。目前我國使用的軌下彈性墊板大部分采用溝槽式墊板[4]，墊板的剛度對軌道各項(xiàng)動(dòng)力參數(shù)有著非常明顯的影響，為減少其對軌道各項(xiàng)動(dòng)力參數(shù)的影響，減少對鋼軌、部件的傷損及維修量，應(yīng)重視研究橡膠減振元件的剛度特性[3]。

日本學(xué)者曾推導(dǎo)出典型形狀減振橡膠的剛度公式，但在應(yīng)用應(yīng)變能原理推導(dǎo)計(jì)算公式時(shí)，假定了應(yīng)變能系數(shù)，具有一定誤差。此外有限元法更能精確分析復(fù)雜形狀的橡膠結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性，但一般工程技術(shù)人員使用超彈性有限元法計(jì)算墊板剛度較為困難[4]。我國傳統(tǒng)的剛度測試方式多是在減振元件使用之前測定一定載荷下的位移變化，然后根據(jù)剛度的定義，進(jìn)行后續(xù)的計(jì)算。

本文介紹的橡膠減振元件剛度特性測量系統(tǒng)主要包括傳感器、無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、上位機(jī)等。通過特定設(shè)計(jì)的傳感器信號(hào)采集模塊采集不同壓力下橡膠減振元件處的電壓信號(hào)，利用無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)將測得的電壓信號(hào)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)中進(jìn)行處理。根據(jù)電壓幅值的變化檢測剛度的變化，從而實(shí)現(xiàn)橡膠減振元件剛度的方便監(jiān)測。

2.測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

橡膠減振元件剛度特性測量系統(tǒng)主要是由傳感器模塊、無線數(shù)據(jù)傳輸模塊及上位機(jī)中的軟件處理模塊組成。傳感器模塊利用電阻應(yīng)變片采集電壓信號(hào)，然后通過無線數(shù)據(jù)傳輸與上位機(jī)相連，將傳感器所測得的信號(hào)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)中進(jìn)行處理，同時(shí)在上位機(jī)中利用LabVIEW軟件開發(fā)設(shè)計(jì)的界面控制該測量系統(tǒng)。

2.1傳感器模塊

橡膠減振元件剛度特性試驗(yàn)中最基本任務(wù)的是應(yīng)變測量，是了解墊板在力學(xué)載荷等因素作用下變形、損傷的基礎(chǔ)，所以傳感器模塊采用應(yīng)變傳感器進(jìn)行墊板處信號(hào)的采集。根據(jù)應(yīng)變測試原理，選用高精度BHF350-3AA電阻應(yīng)變片（如圖1）作為傳感器的前端。

圖1BHF350-3AA電阻應(yīng)變片

該電阻應(yīng)變片是以環(huán)氧—酚醛為基底，康銅箔為敏感柵的全密封結(jié)構(gòu)，能夠滿足0.01~0.02級(jí)傳感器的使用要求，靈敏度系數(shù)為2.02~2.12。測試時(shí)，將應(yīng)變片的兩根引線通過接線端子與屏蔽導(dǎo)線相連，再將應(yīng)變片固定在減振元件上，使得應(yīng)變片的敏感柵隨著橡膠減振元件的受力變形獲得同樣的形變，敏感柵的電阻也發(fā)生相應(yīng)的變化。該變化與減振元件的應(yīng)變量成比例，因此通過測量電路將電阻變化轉(zhuǎn)換為電壓變化，從而獲知被測元件應(yīng)變量的大小。

傳感器模塊的設(shè)計(jì)不僅包括電阻應(yīng)變片的選擇，還包括測量電路的設(shè)計(jì)。所以在選定了電阻應(yīng)變片后，進(jìn)行傳感器設(shè)計(jì)中的電橋電路設(shè)計(jì)以及漂移補(bǔ)償設(shè)計(jì)。根據(jù)應(yīng)變測量原理，選用雙橋式電路完成電路補(bǔ)償，通過放大電路的設(shè)計(jì)及拱橋電壓的測定（如圖2），減少測試的滯后、蠕變及零漂。

圖2信號(hào)采集模塊電路連接圖

在選定傳感器及設(shè)計(jì)測量電路完成之后，將前端電阻應(yīng)變片與測量電路連接，得到如圖3所示的傳感器模塊。

圖3剛度測量系統(tǒng)傳感器模塊

2.2無線數(shù)據(jù)傳輸模塊

無線數(shù)據(jù)傳輸模塊采用基于Arduino和無線點(diǎn)對點(diǎn)APC220-43的無線傳輸檢測系統(tǒng)。該模塊的無線傳輸網(wǎng)絡(luò)開發(fā)板采用ArduinounoR3開發(fā)板(如圖4)。Arduino能夠用來感應(yīng)和控制現(xiàn)實(shí)物理世界，它由一個(gè)基于單片機(jī)并且開放源碼的硬件平臺(tái)，和為Arduino板編寫程序的開發(fā)環(huán)境組成?，F(xiàn)在被廣泛用來讀取大量的傳感器信號(hào)，并且可控制各種的物理設(shè)備。其控制芯片為ATMEGA328P-PU，ATMEGA328P-PU是基于AVR指令集的8位處理器，頻率為20MHz，存儲(chǔ)器空間為32KB。以此為基礎(chǔ)將相應(yīng)的程序?qū)懭朐撻_發(fā)板中，實(shí)現(xiàn)對傳感器所采集信號(hào)的讀取。

圖4ArduinounoR3開發(fā)板

無線射頻傳輸模塊為APC220（如圖5），APC220芯片是高度集成半雙工微功率無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，其嵌入高速單片機(jī)和高性能射頻芯片，創(chuàng)新地采用高效的循環(huán)交織糾檢錯(cuò)編碼，抗干擾和靈敏度都大大提高，最大可以糾正24bits連續(xù)突發(fā)錯(cuò)誤，達(dá)到業(yè)內(nèi)的領(lǐng)先水平。

圖5APC220-43芯片

將傳感器模塊與無線數(shù)據(jù)傳輸模塊進(jìn)行連接，從而保證傳感器模塊采集到的信號(hào)通過無線數(shù)據(jù)傳輸模塊完整的傳輸?shù)缴衔粰C(jī)中進(jìn)行處理。傳感器系統(tǒng)與APC220-43、ArduinounoR3、上位機(jī)連接線路如圖6所示：

圖6系統(tǒng)平臺(tái)各組成部分連接示意圖

2.3軟件處理模塊

上位機(jī)中的軟件處理模塊采用LabVIEW進(jìn)行開發(fā)，形成獨(dú)特的橡膠減振元件剛度測量系統(tǒng)界面（如圖7）。LabVIEW作為一個(gè)專為測試測量設(shè)計(jì)的編程語言，使用工程師們最熟悉的圖形化的編程方式，已逐漸地成為測試測量行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的軟件開發(fā)平臺(tái)[5-8]。

圖7LabVIEW信號(hào)處理模塊的前面板示意圖

LabVIEW開發(fā)的程序包含兩個(gè)主要組成部分，一個(gè)是前面板（FrontPanel）（如圖6所示），另一個(gè)是圖形化框圖（BlockDiagram）（如圖7所示）。通過在用戶界面上設(shè)置相應(yīng)的啟動(dòng)、運(yùn)行和結(jié)束按鈕，來控制監(jiān)測系統(tǒng)。

圖8LabVIEW信號(hào)處理模塊的圖形化框圖

3.墊板剛度試驗(yàn)

根據(jù)《鐵道混凝土枕軌下用橡膠墊板技術(shù)條件》的規(guī)定：軌下彈性墊板靜剛度值采用試驗(yàn)機(jī)測定。采用萬能材料試驗(yàn)機(jī)測試橡膠減振元件的靜剛度是一種簡便易行的方法[9]。所以本次系統(tǒng)驗(yàn)證采用微機(jī)控制電子式萬能試驗(yàn)機(jī)，此試驗(yàn)機(jī)可有效的記錄施力推板的位移變化，相應(yīng)的可推導(dǎo)出減振元件在對應(yīng)加載力作用下的位移。

表1二號(hào)墊板各加載力下實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表

本次試驗(yàn)采用兩塊TDI溝槽式墊板進(jìn)行布片，墊板尺寸為18.5*14.5*0.8cm。分別在墊板的邊側(cè)及端側(cè)進(jìn)行布片。特別注意應(yīng)變片在減振元件上的固定方式，所以選用了對橡膠具有較好貼合作用并且不會(huì)影響應(yīng)變片性能的百得膠，使得應(yīng)變片牢固地粘貼在墊板的表面，在粘貼的方向上保證電阻應(yīng)變片的敏感柵垂直于墊板平面（如圖9所示），在墊板的四周分別設(shè)置傳感器模塊，并進(jìn)行相應(yīng)的編號(hào)。

圖9傳感器模塊安裝示意圖

本次試驗(yàn)環(huán)境溫度為22℃，將準(zhǔn)備好的墊板試樣放在萬能試驗(yàn)機(jī)的施力底板上，予加靜載10kN,停留10s，再次加載10kN，卸載，而后正式進(jìn)行試驗(yàn)。正式試驗(yàn)開始時(shí)，以每秒鐘3mm速度均勻加載，當(dāng)加至1、2、3kN時(shí)，各停留1min，記錄墊板在不同加載力下的電壓幅值及位移變化。以二號(hào)墊板為例，二號(hào)墊板共設(shè)置5組應(yīng)變片進(jìn)行試驗(yàn)，其中1、4號(hào)應(yīng)變片分別分布于墊板的兩個(gè)端部，2、3、5號(hào)應(yīng)變片分布于墊板邊側(cè)且2、3號(hào)處于同一側(cè)，5號(hào)應(yīng)變片處于另一側(cè)，1~5號(hào)墊板的貼片方向?yàn)榭v柵與墊板厚度方向平行如圖10所示。表1列出了二號(hào)墊板的各組應(yīng)變片的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖10二號(hào)墊板傳感器模塊設(shè)置示意圖

根據(jù)《中華人民共和國鐵路行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)——鐵道混凝土枕軌下用橡膠墊板技術(shù)條件》中對于墊板剛度試驗(yàn)的剛度計(jì)算方法

——墊板靜剛度，kN/mm；

為墊板所受的加載力，kN；

——墊板在加載時(shí)的壓縮量，mm；

——墊板在加載時(shí)的壓縮量，mm。

求得墊板在各應(yīng)變片處的剛度值。

將記錄的兩塊墊板所測得的位移值進(jìn)行轉(zhuǎn)化，分別計(jì)算墊板不同位置處的剛度值。

其中，，

Δx1=應(yīng)變片在加載力為時(shí)的位移x2-加載力為1kN時(shí)的位移x1，

Δx2=應(yīng)變片在加載力為時(shí)的位移x3-加載力為2kN時(shí)的位移x2，

剛度

剛度

分別采取一、二號(hào)墊板的3號(hào)應(yīng)變片進(jìn)行分析，以其測得的電壓幅值為橫坐標(biāo)，對應(yīng)剛度為縱坐標(biāo)，進(jìn)行擬合，分別如圖11、圖12所示。

圖11一號(hào)墊板3號(hào)應(yīng)變片的電壓幅值—剛度圖

圖12二號(hào)墊板3號(hào)應(yīng)變片的電壓幅值—剛度圖

從圖中可以初步認(rèn)定電壓幅值與剛度存在一定的聯(lián)系，當(dāng)電壓幅值變化時(shí)，剛度也相應(yīng)變化。如果將兩組應(yīng)變片的兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合時(shí),以其測得的電壓幅值為自變量，對應(yīng)的剛度值為因變量，得出下表中的擬合方程（如表2）。

表2一、二號(hào)墊板3號(hào)應(yīng)變片電壓幅值及剛度線性擬合數(shù)值對比表

兩組3號(hào)應(yīng)變片均位于墊板的同一邊側(cè)，可反映軌下彈性墊板該位置的剛度特性，取表2中兩組線性方程的平均值得到監(jiān)測系統(tǒng)在墊板邊側(cè)處的電壓幅值—剛度轉(zhuǎn)換方程為：y=-0.21x+82.20，由此獲得3號(hào)應(yīng)變片處即墊板邊側(cè)的電壓幅值與剛度的標(biāo)定系數(shù)。依照這種推算方法可進(jìn)一步得到減振元件所需部位的剛度標(biāo)定系數(shù)。利用該轉(zhuǎn)換方程中的轉(zhuǎn)化系數(shù)對上位機(jī)中的軟件進(jìn)行相應(yīng)設(shè)定，使得軟件界面直觀地顯示墊板的剛度數(shù)值。

4.結(jié)論

橡膠減振元件剛度特性測量系統(tǒng)通過對傳感器模塊、無線數(shù)據(jù)傳輸模塊及上位機(jī)中軟件處理模塊的特定設(shè)計(jì)，完成元件剛度的測試。利用萬能試驗(yàn)機(jī)對橡膠減振元件的剛度測試實(shí)驗(yàn)顯示：加載力與電壓幅值基本上呈一定比例關(guān)系，即可根據(jù)電壓幅值的變化情況判斷減振元件所受壓力的變化。同時(shí)推導(dǎo)得到剛度與電壓幅值的轉(zhuǎn)換方程，系統(tǒng)的軟件界面能夠直觀地顯示減振元件的剛度，實(shí)現(xiàn)了對減振元件剛度的測定及監(jiān)測。同時(shí)該系統(tǒng)可以為軌道結(jié)構(gòu)中的彈性減振元件的剛度特性及疲勞行為提供依據(jù)，為車輛安全運(yùn)行提供技術(shù)保障，具有重大的安全與經(jīng)濟(jì)意義。

作者簡介:

王月月（1990-），女，在讀研究生，目前從事環(huán)境噪聲與振動(dòng)研究。

趙俊娟（1983-），女，博士，目前從事環(huán)境噪聲與振動(dòng)研究。

李賢徽（1972-），男，研究員，博導(dǎo)，目前從事環(huán)境噪聲與振動(dòng)研究；