高度儀測桿撓度對曲軸拐徑的測量誤差分析

文 藝，熊瀟瀟，周 鵬

（1武漢重工鑄鍛有限責任公司，湖北 武漢430084；2湖北省煙草公司武漢市公司物流配送中心 ，湖北 武漢430000）

某柴油機曲軸，屬于典型的細長類曲軸，是裝配在某大型艦船上的重要傳動部件。該曲軸是世界上最先進的曲軸之一，制造精度高，檢測難度大［1－2］。

在該細長類曲軸檢驗過程中，涉及的檢驗工序很多。由于曲拐徑多，拐徑之間的角度為等分的72°，如何檢驗曲軸偏心距及拐徑相對拐角，是檢驗該曲軸的重要核心問題。

1 細長曲軸拐徑及拐徑相對轉角檢驗工藝分析

微電腦高度儀測量曲軸角度、偏心距示意圖如圖1所示。

圖1 微電腦高度儀測量曲軸角度、偏心距示意圖

該細長曲軸各拐徑相對轉角72°，累計相對轉角公差為0.3°，各拐徑偏心距為120±0.1mm。該項指標是曲軸重要技術指標之一［2］，要求高，檢測難度大，檢驗步驟復雜。為此，在專用的高精度檢驗平臺上，采用微電腦高度儀進行檢測，考慮到高度儀在平臺上反復左右移動過程中，振動等因素會影響高度儀的測量精度，為了減小檢測誤差，高度儀在曲軸一側完成所有的檢測工序，這樣，高度儀的測桿長度就需要很大（圖1），而現有的高度儀測桿最長僅為200mm，無法完成單邊測量要求，為此，需要在系統誤差分析后，設計測桿加長桿，以完成檢測任務。

2 高度儀加長測桿設計方案

2.1 測桿的技術要求

高度儀通過測桿接觸工件被測表面，由儀器內部傳感器將力信號轉換為電信號進行處理，得出相關技術數據，再根據數據進行分析，得出結論。因而測桿屬于彈性敏感元件，必須符合下列性能要求。

1）剛性好 加長測桿需要好的剛性，減小加長測桿的變形，從而有利于減小因變形而產生的系統誤差，提高檢測精度。

2）重量輕 加長測桿的重量要滿足該儀器平衡結構調整范圍。過重，則影響傳感器的靈敏度，從而影響了檢測精度，同時也為測桿的剛性設計增加了難度。

3）加長測桿夾持方便：測桿夾頭必須與高度儀夾持部分匹配，且要求拆卸方便。

4）易制作 加長測桿必須就地取材，在滿足使用要求的條件下，盡量降低制造精度，減小制造成本。

2.2 高度儀加長測桿設計

2.2.1 選材 根據測桿要求，選用不銹鋼冷拔無縫鋼管，測桿夾頭與鋼管密封塞采用鋁合金制造，球頭測頭采用合金鋼表面淬火后鍍鉻處理［3］。

2.2.2 測桿設計 測桿外徑20－0.015mm，內徑17－0.20mm，內孔兩端17H7（與鋼管密封塞及測桿夾頭相配），其余涉及參數見圖2。

圖2 高度儀加長測桿簡圖

2.2.3 高度儀加長測桿誤差分析 考慮到加長測桿及側頭由于重量及剛度影響，會對測量帶來新的系統誤差，故需要對加長測桿進行剛性分析，進而分析由于測桿的加長而產生的檢測誤差。

加長測桿由于受自重力和測頭重力的作用會產生變形，其受力及由此產生的撓度見圖3。

圖3 測桿受力及由此產生的撓度

1）求fA1

由圖3（a）所示，設測桿單位長度載荷為均布載荷q，查表知：不銹鋼密度ρ＝7.75×103kg／m3；可求出單位長度體積：

單位長度測桿質量

7.75 ×103×8.718×10－5＝0.6756kg／m單位長度測桿均布載荷

由材料力學知識［1］可知，一端固定簡支梁在均布載荷作用下的撓度

由手冊［3］知：不銹鋼彈性模量空心鋼管慣性矩；所以

2）求fA2

由設計計算知測頭質量為28g，可得加長測桿重力

所以

3）求fA

綜合考慮加長測桿的均布載荷和側頭集中載荷的影響，在加長測桿端部綜合撓度

由加長測桿的剛性分析，其撓度影響的檢測理論誤差最大值為6.4μm，滿足該曲拐徑檢測要求。

3 測桿測試實驗

對高度儀加長測桿進行實驗測試，以研究其使用性能是否合乎要求，測試步驟為：

1）將加長測桿安裝后，按照微電腦高度儀使用要求，使用分度值0.1N的測力表，調整浮動懸吊系統量測壓力，使測量壓力達到出廠要求1.2N；

2）浮動懸吊系統平衡調整：按照微電腦高度儀使用要求，用3mm內六角扳手調整平衡荷重之軸心，即移動平衡荷重的左右位置，用分度值0.1N的測力表進行測試，使上下方向測壓力均在1.2N；

3）用雙零級標準量塊對微電腦高度儀量測精度進行測試，按照下式進行統計分析，詳見測試記錄（表1）。

式中：Sn（）X為重復測量準確度。

表1 測桿測試性能參數表

由表1可知，隨著被測尺寸的加長，該加長測桿測量誤差逐漸減小，最大重復測量準確度為2.05 μm，滿足細長曲軸拐徑及偏心距尺寸的檢測要求。

4 結論

通過測試，該微電腦高度儀加長測桿符合技術要求，靈敏度高，檢測精度高，彌補了由于測桿長度不完整而給工作帶來困難的缺陷，滿足料細長曲軸的曲拐檢測要求，也為后續其他大型細長曲軸的檢驗工作帶來方便。

［1］ 翟 華，張宏梅，鐘華勇，等.自重撓度對大型曲軸校直機在線檢測系統的影響［J］.中國機械工程，2011（19）：22－25.

［2］ 俞紅祥.曲軸連桿頸圓度在線檢測與補償研究［J］.儀器儀表學報，2012（10）：36－41.

［3］ 王文斌.機械設計手冊［M］.北京：機械工業出版社，2004.