弹簧劲度系数批量检测装置的研制

官雨欣 向卓 邱香玉

摘要：为了解决目前市面上出售的弹簧劲度系数检测仪一次仅能检测一根弹簧劲度系数，检测效率较低的问题，研制了一种批量检测弹簧劲度系数的装置，该装置主要由固定座、直线导轨、多个滑动连接在直线导轨上的滑块等构成，可一次检测多根弹簧的劲度系数，显著提高了弹簧劲度系数的检测效率。

关键词：弹簧;劲度系数;批量检测

0    引言

弹簧是一种使用弹性材料制成的在外力作用下发生形变，除去外力后又恢复原状的机械零件[1-3]。弹簧的劲度系数即弹簧轴向受力与轴向变形量的比，是衡量弹簧性能的重要参数，所有弹簧在弹性限度内均遵守胡克定律，即弹簧伸长的长度与所受的拉力呈正比。

胡克定律的数学表达式：

F=kx

式中，F为弹簧所受的拉力;x为弹簧伸长的长度;k为弹簧的弹性系数。

弹簧在出厂前均要通過拉伸测试来检测其劲度系数，目前市面上出售的弹簧劲度系数检测仪一次仅能测一根弹簧，其检测效率较低。因此，针对工厂大批量生产弹簧时需要检测的样本容量较大的现状，需要购入多台检测仪以满足生产需求，设备采购成本较高，亟需设计一种弹簧劲度系数批量检测装置，以提高弹簧劲度系数的检测效率。

1    装置快速演示原理

弹簧劲度系数批量检测装置主要由固定座、直线导轨、多个滑动连接在直线导轨上的滑块、用于牵引所述滑块在直线导轨上滑动的牵引机构、用于检测所述滑块拉伸量的位移检测机构以及用于根据所述牵引机构的牵引力大小和位移检测机构检测的滑块拉伸量计算弹簧劲度系数的计算单元构成。其总体结构如图1所示。

其中固定座固定设置在直线导轨的前端，牵引机构设于直线导轨的后端，滑块并排间隔设置在固定座与牵引机构之间，位移检测机构与计算单元连接。位移检测机构包括平行于直线导轨设置的滑轨、检测块、光电传感器、处理器、用于监测检测块位置的激光位移传感器以及用于驱动检测块在滑轨上滑动的驱动机构，检测块与滑轨滑动连接，光电传感器包括分别安装在滑块和检测块上的发送器和接收器，接收器连接检测电路，检测电路及激光位移传感器连接处理器，处理器连接计算单元，接收器接收到发送器发出的光信号时，处理器根据此时激光位移传感器监测到的检测块的位置确定滑块的位置，处理器根据滑块的位置变化计算出滑块的拉伸量。

装置工作原理：先将多个弹簧串联起来，将最前端的弹簧连接于固定座，并使各弹簧处于自然状态，再通过牵引机构以大小为F的牵引力拉动滑块，此时每根弹簧的受力大小均为F（选择高精度的滑轨副，这样可以保证滑块与直线导轨间摩擦系数极小，使得摩擦力对拉力的影响极小，可以忽略不计），在拉动一段距离后停下牵引机构，使得各弹簧处于静止的拉伸状态，滑块的拉伸量由位移检测机构提供给计算单元，计算单元根据连接弹簧两端滑块的拉伸量计算出两者的差值，即可得到弹簧的拉伸量s，再根据牵引机构提供的牵引力F值和公式k=F/s就可计算出对应弹簧的劲度系数k值。

通过以上描述可以看出，本检测装置通过滑块同时串联多根弹簧，能够一次检测多根弹簧的劲度系数，并且其对弹簧的长度没有限制，各待测弹簧长度及劲度系数均可以不同，具有较高的检测效率，特别适合弹簧生产工厂批量检测使用。

2    测试与分析

调试好弹簧劲度系数批量测量装置，弹簧劲度系数批量测量装置是依据弹簧的轴向受力与轴向变形量的比值，即k=F/x，将5根劲度系数分别为k0、k1、k2、k3、k4的轻弹簧串联在一起，在不考虑弹簧本身重量和弹簧与轨道之间摩擦力的前提下，其中第1根是被标定的弹簧，其劲度系数k0=5.0 N/cm，在外力F的作用下5根弹簧都被拉伸，依据k=F/x即可计算出k1=k0×Δx/Δx1，k2=k0×Δx/Δx2，k3=k0×Δx/Δx3，k4=k0×Δx/Δx4。在上述相同的实验条件下，进行3次实验操作，其测试结果如表1所示。

弹簧劲度系数批量测量装置3次测试结果的误差均在5%以内。实验结果显示，弹簧拉伸较长时其误差越小，弹簧劲度系数批量测量装置结果能够满足工厂弹簧批量标定测试的需要。实验结果表明，研制的弹簧劲度系数批量检测装置可一次检测多根弹簧的劲度系数，可实现高效率检测弹簧的劲度系数。

3    结语

本文研制的弹簧劲度系数批量检测装置可以实现多个弹簧的劲度系数测定，可以直接读出弹簧中各弹簧的拉力，实验方法简单、直观。需要注意的是，在使用该装置时弹簧必须保持水平，在不考虑弹簧本身重量和弹簧与轨道之间摩擦力的前提下进行测量，否则会对测量精度产生较大影响。

[参考文献]

[1] 有四普，夏清华，左伟，等.弹簧劲度系数精确测量研究[J].物理通报，2014（7）：88-90.

[2] 陈玉军，董芳芳.弹簧串并联特点及应用[J].物理通报，2014（1）：40-43.

[3] 徐沛羽，王海军.一种测组合弹簧劲度系数的实验仪器与实验[J].中小学实验与装备，2013，23（4）：19-21.

收稿日期：2020-02-11

作者简介：官雨欣（1999—），女，湖南衡阳人，研究方向：电子工程。

通信作者：向卓（1983—），男，湖南衡阳人，硕士研究生，讲师，主要从事计算机技术及应用相关研究工作。