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摘要：托盘分拣机是各中、大型机场行李自动处理系统中实现行李分拣的核心单机设备，由若干台小车组成封闭环线在轨道内运行，环线周长的收紧程度过紧或过松会导致分拣系统异常振动和噪声，对系统运行的稳定性、安全性及整机设备使用寿命有重要影响，关乎行李处理系统的正常运行，因此有必要研究适合设备运行的环线拉力数值范围，为安装和运维提供指导。本文根据托盘分拣机的结构特点，设计了一款基于电阻应变原理的销轴式拉力传感器，取代原有普通销轴安装在样机系统上，并将环线拉力测量信号集成到PLC系统进行组态，研究了收紧程度、速度以及小车位置对拉力的影响。该装置具有设计巧妙、数据稳定、响应快、可实时监测环线拉力动态变化等优点，对于指导工程运用有重要意义。
关键词：民航机场、托盘分拣机、销轴式拉力传感器、拉力、速度
作者：唐成生1,2 张笃超1,2 王新华1,2 苏福1,2
1为中国民用航空局第二研究所
2为民航成都物流技术有限公司
一
引言
改革开放以来，我国民用航空业取得了长足的进步和快速的发展，目前已经成为世界上拥有航线网络最密集、机场数量最多的国家之一[1]。虽然民航运输业在2020年之后的特殊时期受到了严重影响，但是民航基建领域却并未停下脚步，按照《“十四五”民用航空发展规划》提出的目标，到2025年我国颁证的民航运输机场数量将由 2020 年的 241个提升至270个[2]，短期内整个民航产业规模仍将持续高速增长。
按照《四型机场建设导则》要求，民航机场的发展正由快速发展向高质量发展迈进。对于智慧型机场而言，行李处理系统则是一套极为重要的设备，将直接影响机场运营和旅客出行体验。目前除个别小机场外，大多机场已采用能实现自动分拣的行李自动处理系统，而托盘式分拣机（Tilt Tray Sorter）则是在该系统中用于行李分拣应用最广泛的单机设备，具有处理行李规模大、分拣效率高、对行李的损害小、系统先进、可实现全开放式值机等优点[3]。托盘式分拣机的运行原理如图1所示，旅客托运的行李从值机柜台经普通输送机传送到高速注入系统上，然后注入到环形的托盘分拣机上，当行李随着环线运行到设定的滑槽处时，实现自动分拣。
图1 托盘分拣机系统原理示意
整台托盘分拣机走行部分是利用销轴将若干台运载小车首尾相连组成封闭的环线构成，如图2所示。环线的周长根据机场对行李分拣数量的规模而设定，范围从几十米到几百米分布不等，这也决定了小车的数量。设备运行时，为保证最佳的运行性能，需要调节环线的收紧程度，因此每台分拣机环线的周长可通过小车上专用的机构进行调节（不同厂家出产的设备，松紧调节方式不同），目前大多采用专业工程师经验而定，尚无量化的标准。考虑到环线的收紧程度过松和过紧时会导致设备异常振动和噪声，影响系统运行的稳定性、安全性和设备使用寿命，因此研究环线的拉力大小有重要意义。
图2 运载小车连接示意图
目前市面上众多的测力传感器中，销轴式测力传感器因其结构紧凑，抗扭转、抗弯曲能力强，可根据非标设备定制，广泛应用于各行业的机械设备受力检测[5]。例如，薛璐等[6]通过研究挖掘装载机铲斗和斗杆间连接结构的特点，设计了一款可用于测量挖掘作业过程中铲斗与斗杆间的销轴受力情况的传感器。齐小民等[7]设计的销轴传感器用于研究列车过道岔时的振动与冲击对原有普通销轴的静强度和疲劳寿命的影响。韩江义和高翔[8]研制了一种检测拖拉机牵引力的销轴式传感器，并利用ANSYS分析了传感器的极限载荷。姚茜等[9]为了避免起吊堆垛机载货台的钢丝绳因过载而断裂，设计了一款销轴传感器安装在动滑轮轴心处，可精确测量钢丝绳的拉力大小。官国焱[10]通过实证研究法模拟试验，设计的销轴传感器应用于某水库的水闸螺旋式启闭机上，可预防顶闸事故的发生，提升水闸管理水平。
查阅相关文献，不难发现应用于机场行李托盘分拣机环线拉力检测的传感器，未见有相关报道。因此本文利用小车之间相互连接，并起传力作用的销轴，设计了一款适用于托盘分拣机的销轴式拉力传感器，旨在量化环线的拉力，填补这一研究空白，同时为工程运用提供参考。
二
销轴式传感器的设计原理
1.结构设计
销轴传感器的设计需要满足既不改变原销轴的装配功能，也不改变原结构的作用力传递路径，当力传递到传感器上时可实现测量功能。图3展示了本文设计的销轴传感器取代原有销轴将两辆小车连接起来的场景，销轴两端受小车A车尾的拉力，中间部分受小车B车头的拉力，静止状态下两个作用力的大小相等，方向在水平方向相反。根据销轴受力的特点，在销轴上设置了4个长条形的盲孔用于贴置电阻应变片，贴置方向与传感器轴线成45°，贴好后用环氧树脂进行封装，可起到防水防尘的作用，如图4所示。
图3 轴销传感器安装示意图
图4 传感器结构设计图
销轴式传感器本身是一个整体弹性元件，根据应用场景可得到其受力模型如图5所示[11]，可以简化为两端固支，中间受均布载荷q作用的实心截面梁。均布载荷q在长度l2上的集度即为小车B车头的拉力，本文研究目标就是求得FT的大小，便可得到环线的拉力。
图5 传感器的受力分析
从剪力图可以看出传感器的两端（应变片所处区域）受恒定剪力FT/2作用，根据材料力学可知在中性层处于纯剪切状态，切应力取得最大值τmax [12]，计算方法如下：
在应变片布置位置处截取横截面E-E，建立如图6所示的直角坐标系zOy， O为截面形心，取中性层外表面a点，分析其平面应力状态，由于该点仅受切应力作用，故主应力σ1和σ2分别在沿x轴±45°方向取的，则有：
图6 中性层a点的应力状态分析图
式中E为材料弹性模量，v为泊松比。
2.电路设计
传感器的测量电路如图7所示，选用了4个相同的双剪型电阻应变片组成惠斯通全桥电路，当传感器受力变形时，会引起应变片的变形，从而使其电阻值发生变化，最终反映到输出电压上。对于同一类型的应变片，利用全桥电路的温度补偿效应可以消除环境温度带来的误差[13]。电路输入直流电压Ue，根据基尔霍夫电压定律和欧姆定律，忽略高阶无穷小量[14]，可得到输出电压Uo：
又因为 ，k为应变片灵敏度系数，ε为应变片的线应变，可得到下式：
将式（6）代入式（8）可得：
由式（9）可知，
为了实现传感器在设备上的保护和监测功能，本文将测量输出信号接入了PLC控制系统进行组态，并配有显示器，当环线拉力测量值超过设定的波动范围时，PLC控制系统报警或停机，从而实现保护功能。图8给出了传感器的信号采集逻辑框图，24V直流电源通过接入到信号隔离器给模拟变送器提供24V电压，经模拟变送器转换后给传感器提供12V的工作电压，传感器的输出电压再经模拟变送器转化为模拟量电流，最后由信号隔离器转换为无源信号后传入PLC。
图7 直流电桥原理(全桥）
图8 信号采集逻辑框图
三
传感器的标定与应用
传感器的标定试验如图9所示，根据图3传感器安装示意图，制作了专用夹具将传感器固定在试验台上，可防止传感器转动和轴向运动，让标定试验尽可能地还原传感器真实的应用场景。利用液压加载设备在传感器中间部位施加标定载荷，范围为0~5000 N，对应输出电流为4~20 mA，每相邻两个标定载荷值间隔1000 N。
图9 销轴传感器的标定
图10展示了传感器载荷标定试验结果，横坐标为施加的载荷大小，纵坐标为检测到的模拟量电流，可以看出传感器受到的载荷大小与输出电流值成正比关系，这也符合了公式（9）的理论推导。通过线性拟合，可得到标定载荷与输出电流的函数关系式：
Io——输出电流, F——标定压力。
图10 传感器标定结果
图11给出了设备未运行时，环线的收紧量对拉力值的影响情况，具体测试方法是参照工程施工经验将环线收紧量适中时作为初始量，并将此收紧量定义为零值，分别调松和调紧环线的长度，每次调节的长度为3 mm。为保证每次调节的长度平均分配到整个环线上，调完后需要匀速运行3圈以上，然后将安装有传感器的小车停在环线直线段中间位置，再采集拉力值。另外，需要保证每次调完松紧运行之后均停在相同位置，以避免位置的影响。为对比传感器的制造偏差，定制了两根相同的传感器分别安装于两个相邻的小车（编号49车和50车）上以作对照，从图中可以看出两根传感器测量值与收紧量的变化趋势相同，但存在一定偏差，当环线未张紧时（收紧量<0）相对偏差较大，但当环线收紧以后相对偏差均在4%以内，并趋于稳定。出现偏差的原因与贴片工艺、传感器机械加工精度以及安装角度有关[15]，鉴于本文所设计的传感器通常应用于设备的过载保护，所以当环线收紧以后传感器的测试数据是可接受的。随着环线收紧，拉力值逐渐上升，且增长率逐渐增大，特别是收紧量为+9 mm时拉力值相较于0 mm，两个传感器检测值分别增长5.09倍和5.13倍，可见环线张紧达到一定程度之后，若再调紧环线拉力值会成倍数增加。
图11 环线收紧量对静态拉力值的影响
图12展示的是保持收紧量为零不变，50号小车在系统不同运行速度下拉力测量值随运动距离的变化情况。可以看出拉力值呈明显的周期性波动，且由于环线的对称性，波动的一个周期刚好等于环线半圈的长度，在直线电机处拉力达到峰值，之后拉力迅速下降，并且在进入弯段以前就降到谷值，而在弯段上拉力呈逐渐增大的趋势。另外，随着速度的增加，拉力值逐渐上升，从1 m/s到2 m/s时拉力最大值从364 N增长到了472 N，增幅达到29.6%。需要说明，当动态运行时，拉力值曲线明显出现锯齿状的震荡现象，其原因是每个小车通过布有直线电机处时会受到电机的推力，产生的瞬态冲击作用在销轴传感器上，致使拉力测量值发生震荡。
图12 不同速度下的拉力值随小车位置的变化
四
结论
本文根据机场托盘分拣机结构特点，通过理论计算和试验标定设计了一款销轴式传感器，量程为0～5000 N，可替代原有销轴装配在设备上，将检测到的环线拉力值信号传入到了PLC控制系统，实现了对环线拉力的动态监测功能。通过在周长为67.6m的样机上试验，测试了传感器的制造偏差、环线收紧量、不同速度、所处位置对拉力的影响，可得到如下结论：
1.对比两根传感器的测量值可知，当环线未张紧时（松紧量<0）相对偏差较大，但当环线张紧以后相对偏差均在4%以内，并趋于稳定。
2.该样机的环线收紧量适中时，在直线段中间位置处拉力在300N左右，随着环线收紧，拉力增长明显，收紧9mm时拉力增加大约5倍。
3.拉力值随着环线运行速度的上升而增加，速度从1m/s到2m/s时，拉力峰值大约增加29.6%。
4.拉力值在环线上的分布呈周期性波动，在直线电机布置处时拉力取得最大值，之后逐渐减小，并且在进入弯段以前就降到谷值，而在弯段上拉力呈逐渐增大的趋势。
基金项目：成都市新津区专利实施项目（KY2402W）
参考文献:
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———— 物流技术与应用 ————
编辑、排版：罗丹
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