橡胶减振垫板刚度监测系统研究

噪

NOISE声与振动控制ANDVIBRATIONCONTROLVol38No.Z1

Apr.2018

文章编号：1006-1355(2018)Z1-0491-04

橡胶减振垫板刚度监测系统研究

王月月，赵俊娟，李贤徽

（北京市劳动保护科学研究所环境噪声与振动北京市重点实验室，北京1000）

摘要：近年来铁路运输的快速发展，对轨道橡胶减振垫板刚度提出更高的要求，研究其刚度性能具有重大的安全意义和经济前景，为此设计研究一种基于电测应变法的橡胶减振垫板刚度监测系统，包括传感器模块、无线数据传输模块、LabVIEW软件模块三部分，利用应变片将橡胶减振垫板受加载力作用时的应力应变转化为电测信号，进而对垫板的刚度进行分析。采用该系统进行垫板静刚度测试实验，实验中该系统能够及时有效的采集垫板在受不同加载力作用时的电压幅值，电压幅值会随着加载力的变化而变化。同时，系统在垫板锥体中部45°贴片位置处测得的电压幅值与刚度成一次函数关系，可有效监测减振垫板的刚度变化。

关键词：振动与波；减振垫板；刚度；传感器；无线数据传输；LabVIEW中图分类号：TB53

文献标志码：A

DOI编码：10.3969/j.issn.1006-1355.2018.Z1.106

ResearchofStiffnessTestingSystemforRubberDampingPads

WANGYueyue,ZHAOJunjuan,LIXianhui

(TheStateKeyLaboratoryofMechanicalSystemandVibration,China)

Abstract:Withtherapiddevelopmentofdomesticrailwaytransportation,ahigherrequirementforthestiffnessofrubberdampingpadsisputforward.Studyingthestiffnesspropertiesoftherubberdampingpadsisofagreatsignificanceinthesecurityandeconomicaspects.Inthispaper,astiffnesstestingsystemforrubberdampingpadsbasedonelectricalstraingaugemeasurementwasdesigned.Thistestingsystemconsistedofsensormodule,wirelessdatatransmissionmoduleofArduinoandtheLabVIEWsoftwaremodule.Thestressandstrainoftherubberpadweretranslatedintoelectricsignalbyusingstraingauges.Then,thestiffnessofthepadcouldbeanalyzedbythesystem.Finally,thissystemwasusedforstaticanddynamicstiffnesstestingoftherubberpads.Thevoltageamplituderesultedfromthedifferentloadingonthepadscouldbetimelyandeffectivelycollectedbythetestingsystem.Itwasfoundthatthevoltageamplitudecollectedbythesystemhasalinearrelationshipwiththestiffnesswhenthestraingaugeisattachedin45°directionwiththemiddlesectionofthepadcone.Theanalysisofexperimentindicatesthatusingthismethodcaneffectivelydetectthechangeofthestiffnessofrubberdampingpads.

Keywords:vibrationandwave;rubberdampingpad;stiffness;sensor;wirelessdatatransmission;LabVIEW

现有轨道系统多采用橡胶减振垫板减少轮轨作用力和改善系统走行性能，轨道橡胶减振垫板是轨道结构中的重要部件。其中，与钢轨直接接触的轨下橡胶减振垫板，其刚度使用状态直接关系到整车的安全性和可靠性[1]。特别是对于无砟轨道，钢轨支承弹性几乎完全受轨下橡胶减振垫板刚度的支配，

收稿日期：2018-02-28

基金项目：十三五国家重点研发计划资助项目

(2016YFC0701309-03)

作者简介：王月月（1990-），女，山东省泰安市人，硕士，主要

研究方向为噪声与振动控制研究。E-mail:bethyue.1990@163.com

刚度则更显重要[2]。为降低轨下橡胶减振垫板对其轨道各项动力参数的影响，减少对钢轨、部件的损伤及维修量，应重视检测轨下橡胶减振垫板的刚度。加上近年来城市轨道交通的安全形势，对轨道橡胶减振垫板的刚度性能提出了更高的要求[3–5]。基于此种现状，本文研究了一套橡胶减振垫板刚度监测系统，监测橡胶减振垫板在机械载荷作用下的刚度变化，进而对其刚度进行分析和预警，为车辆安全运行提供技术保障，为产品结构优化提供理论与实际指导。

1监测系统架构

为了准确监测橡胶减振垫板的位移及刚度变

第Z1期橡胶减振垫板刚度监测系统研究492

化，使用电阻应变传感器进行垫板刚度安全预警是十分有效的。本文所研究橡胶减振垫板刚度监测系统主要包括传感器模块、无线数据传输模块、基于LabVIEW的软件模块三部分。1.1传感器模块

根据橡胶减振垫板刚度监测系统的应用需求，计划采用电阻应变式传感器进行减振垫板的相关参数测量，从而确定减振垫板的位移及刚度等参数的变化。电阻应变式传感器主要是通过电阻参数的变化来实现电测非电量的目的，它具有体积小、结构轻、灵敏度高、适用范围广等特点。模块前端选用应变测试元件为高精度BHF350-3AA电阻应变片，然后通过电路漂移补偿设计、测量电路制作、器件的测量标定等方面完成传感器模块的设计。1.2无线数据传输模块

橡胶减振垫板刚度监测系统的数据传输模块采用无线传输方式，确保传感器在室外环境所采集到的电压信号准确、完整地传输到计算机中。无线数据传输模块采用基于Arduino和无线点对点APC220-43的无线传输检测系统。Arduino由一个基于单片机并且开放源码的硬件平台（图1）和一套为Arduino板编写程序的开发环境组成，进而完成传感器模块所采集信号的读取[6]。然后利用无线数据传输系统将读取到的信号进行传输，无线射频传输模块为APC220，内含高速单片机和高性能射频芯片，如图2所示。

图1ArduinounoR3开发板

图2APC220-43芯片

在传感器模块与数据传输模块设计完成后，基本上完成了监测系统硬件的构建。整个硬件部分通过前端传感器模块中的电阻应变片与橡胶减振垫板贴合，然后通过相应的监测电路采集垫板受加载力过程中的电压幅值变化，通过无线数据传输方式将传感器模块采集到的信号进行传输。1.3基于LabVIEW的软件模块

软件模块是基于LabVIEW软件来实现的，主要完成了串口的通信设计、电压信号的分析与处理，从而实现电压幅值信号的实时处理与显示。根据橡胶减振垫板刚度监测系统的硬件设备资源以及本系统的设计方案，该系统的软件模块采用LabVIEW12.0进行开发。在实现应变片电压信号的实时采集、存储、处理的同时，充分利用LabVIEW的图形化友好界面，形成适合橡胶减振垫板刚度监测系统的特有软件前面板界面，见图3。

图3LabVIEW软件模块的前面板示意图

在传感器模块与数据传输模块设计完成的基础上，通过LabVIEW软件的设计，构建出监测系统的软、硬件部分。

2刚度监测系统测试实验

实验采用橡胶隔离式减振垫板进行测定。实验测定隔离式减振垫板在静态载荷状态下的静刚度值，同时分析电压幅值与刚度的关系，进而检验系统的有效性。

利用压力机对同一批次分别在1－4号锥体上贴片的隔离式减振垫板（如图4所示）施加大小与频率相同的加载力。

其中该试验垫板尺寸为300mm×300mm×30mm，底板平面厚度9mm，柱高21mm，锥体根部底径50mm，顶径12mm。同时试验台压力板面积320mm×320mm。经有限元分析[7]，该隔离式减振垫无应力集中点，即各锥体位置受力均匀。经分析采用锥体中部与锥体母线成45°方向如图5的布片方式进行贴片。

493噪声与振动控制第38卷

图4USM1000W隔离式减振垫板样品及布片位置图

图5锥体中部与锥体成45°位置布片位置图

将准备好的垫板试样放置在试验机的压力台上，经过加载卸载准备阶段后正式进行试验[8]。以每秒钟2kN～3kN的速度均匀加载，在此过程中分别记录垫板所受加载力F以及垫板压缩量Δx。实验过程中橡胶减振垫板刚度监测系统采集隔离式减振垫板在受不同加载力作用时的电压幅值，并在系统软件界面上显示出来。

3系统实验数据分析

为了直观地得出系统所测电压幅值与垫板刚度的关系，将所测得的位移、加载力、电压幅值进行相应的处理。根据刚度的计算方法，对1、2、3、4号锥体中部45°布片位置处不同加载力下的数据进行处理，列于表1中。

图6为1、2、3、4号锥体中部45°布片位置刚度-电压幅值关系图，图中电压幅值均表现为上升趋势，即在加载过程中电压幅值随刚度增加呈上升趋势，利用线性拟合得出各位置处刚度—电压幅值的拟合直线。拟合直线显示出1、2、3、4号锥体中部45°布片位置的电压幅值与刚度成线性关系，电压幅值随着垫板刚度的增大而增大，将各拟合直线的相关参数列于表2。

U——系统测得的电压幅值/mV；

s——垫板受力过程中的刚度值（/kN/mm）。表2列出了1、2、3、4号锥体中部45°布片位置的

刚度-电压幅值线性拟合结果。

表1垫板1、2、3、4号锥体中部45°布片位置处

刚度-电压幅值计算表1号

2号

加载力电压幅值/刚度/

电压幅值/刚度/mV(kN∙mm-1)mV(kN∙mm-1)1.8kN222.10.65213.00.584kN235.60.93222.00.5kN

241.71.31226.11.266kN246.11.59233.21.558kN256.62.01246.72.049kN260.9

2.22

253.8

2.28

3号

4号

加载力电压幅值/刚度/电压幅值/刚度/mV(kN∙mm-1

)

mV(kN∙mm-1)1.8kN209.00.43222.00.424kN220.40.90231.20.935kN226.41.27236.81.296kN231.01.52241.61.578kN

237.61.98250.21.979kN

244.1

2.19

2.4

2.19表2布片位置处各刚度-电压幅值线性拟合结果应变片位置

编号线性拟合方程R2ΔΔUs12U=22.46s+211.470.97522.4622U=23.35s+199.020.98323.3432U=18.83s+202.070.98718.8342

U=18.24s+213.93

0.996

18.24

从表中可以看出锥体中部45°布片位置处线性拟合度均在97%以上，表明垫板刚度变化引起的电压幅值变化占该电压幅值变化的97%以上，由此可以说明该系统所测电压幅值的变化几乎完全是由垫板刚度变化引起，即本系统可有效的检测垫板实际受力过程中的刚度变化，并能够及时有效的在系统软件界面上显示出来。

根据表中最后一列可知，锥体中部45°布片位置处单位刚度变化引发的系统电压数值变化在18mV～24mV之间，初步预计本系统在该位置处的刚度测试精度在0.05kN/mm左右，在系统界面显示的电压幅值数值曲线上可以明显的判断出垫板刚度的变化，从而有效地监测垫板使用过程中的刚度变化。

4结语

本文将橡胶减振垫板应变特性与刚度性能联系起来，研发了一种基于传感器、无线数据传输、LabVIEW软件的用于监测橡胶减振垫板刚度的系

第Z1期橡胶减振垫板刚度监测系统研究494

图61－4号锥体中部45°布片位置刚度-电压幅值关系图

统。该系统利用电阻应变片将橡胶减振垫板受加载力作用时的应力应变转化为电测信号，进而实现对垫板刚度的分析与预警。基于该系统，可利用多次实验的刚度与电压幅值之间的线性拟合关系实现对系统的标定，进一步对软件进行相应的调整，使得软件界面能够直接显示出垫板的刚度数值，实现该监测系统的直观方便检测。

参考文献：

[1]佘廉.铁路交通灾害预警管理[M].北京：科学技术出版

社，2004.

[2]蔡文峰，王平，赵伟.关于橡胶减振垫板刚度计算方法的

研究[J].铁道建筑，2008(04)：83-85.

[3]徐田坤.城市轨道交通网络运营安全风险评估理论与方

法研究[D].北京：北京交通大学，2012.

[4]曾笑昱，刘苏，张奇.基于事故统计分析的城市轨道交通

运营安全和可靠性研究[J].安全与环境工程，2012(1)：90-94.

[5]蔡国强，周莉茗，李熙，等.基于GO法的城市轨道交通车

门系统可靠性分析[J].西南交通大学学报西南交通大学学报，2011(2)：2-269.

[6]渠淼，牛国锋，冒张霄，等.基于Arduino的智能环境监控

系统设计[J].微型机与应用，2014(20)：83-85.

[7]孙伟，李以农，刘万里，郑玲.橡胶隔振器非线性动态特

性建模及实验研究[J].振动与冲击，2012，32(23)：71-76.[8]GB/T528-2009硫化橡胶或热塑性橡胶拉伸应力应变性

能的测定[S].