簡易手動機械預置式扭矩扳子校準裝置

易青

摘 要：文章介紹了簡易手動機械預置式扭矩扳子校準裝置的測量原理、制作要點、操作程序、測量不確定度的分析及使用范圍，為現有儀器提供了新的用途。

關鍵詞：扭矩扳子；力矩；力臂；電阻應變儀；荷重傳感器；校準；檢驗

1 概述

隨著扭矩扳子在我公司對旋緊力矩有要求的螺絲緊固件作業中廣泛的使用，需要對扭矩扳子定期進行檢定。由于送上級部門檢定周期需要半年或一年的時間，但扳子在周期內的使用中，由于存在使用磨損、外力碰撞等原因，并根據實際情況有時需要再檢驗，本人根據力矩原理，利用現有的YJ-26型靜態電阻應變儀與電阻應變荷重傳感器組合，制作了一臺簡易手動機械預置式扭矩扳子校準裝置，經使用效果良好。

2 簡易預置式扭矩扳子校準裝置的組成

2.1 YJ-26型靜態電阻應變儀

YJ-26型靜態電阻應變儀是在靜力強度研究中，測量結構及材料任意點變形的應力分析儀器；如配相應的傳感器，可測量力等物理量。

2.2 BHR-4型的電阻應變荷重傳感器

BHR-4型的電阻應變荷重傳感器量程為（0-200）kg，原理是利用電阻應變原理構成。采用圓筒型彈性體為測力敏感元件，電阻應變片為轉換元件。該傳感器結構簡單、強度高、攜帶方便、抗沖擊穩定性好。常用于各種構造物體的荷重實驗。

2.3 扭矩扳子轉軸固定支架

固定支架起著支撐、固定、調整扭矩扳子角度的作用，并與水平地板焊接在一起（并有加強筋連接）。千斤頂高度可調支架不用焊接，可在地上移動；靜態電阻應變儀、電阻應變荷重傳感器、油壓千斤頂和其組合成一個體系。如圖1所示。

圖1

2.4 扭矩扳子轉軸固定支架的轉軸可調角度裝置

首先加工一個材料為碳素工具鋼（T8）？準230mm×30mm的金屬圓盤（扭矩扳子夾具），在其？準170mm圓周內（距其圓周邊20mm），除圓心外按同一方向均勻分布六個根據不同扭矩扳子旋轉正方形扳頭的尺寸而制作的正方形通孔，其邊長尺寸分別是19.4+0.2mm、19+0.2mm、12.8+0.2mm、12.5+0.2mm、25+0.2mm、25.6+0.2mm；也可根據其它扳子的不同尺寸制作。在？準200mm圓周上每隔15mm弧長，鉆一個？準12.5mm的孔（加工成沉頭座），同樣地在扭矩扳子轉軸固定支架上進行配鉆，得到相應通孔。其金屬圓盤中心孔為？準20.5mm（加工成沉頭座），同樣進行配鉆，得到相應轉軸固定支架通孔；（金屬圓盤經過熱處理獲得相應的硬度和耐磨性）用相應的圓柱頭內六角螺栓與扭矩扳子轉軸固定支架進行沉頭座連接并且是動配合（圓盤可轉動）。

3 校準扭矩扳子的測量原理

3.1 標定靜態電阻應變儀的顯示值（？滋？著）與力（kg）間的正比例關系

根據說明書對應YJ-26型靜態電阻應變儀（當靈敏系數k=2標定值為15000？滋？著）與BHR-4型的電阻應變荷重傳感器（量程為0-200kg組合，顯示值（？滋？著）與力（kg）的比例應為10：1。（如果配不同量程傳感器也可以是其他比例。）

3.2 校準靜態電阻應變儀

用一組（10個）M1等20kg標準砝碼對靜態電阻應變儀與荷重傳感器進行組校準（或經上級計量部門校準）；在量程范圍內確定（包含上、下限）至少五個點進行測量，檢驗其基本誤差不大于測量值的±0.8%。否則重新調整儀器再進行測試。

3.3 根據不同規格量程的扭矩扳子制定出不同的表格

其內容是：按JJG707-2003《扭矩扳子》檢定規程要求確定出3～5個力矩M（Nm）校準點；并根據力臂d（扳子轉軸到手柄中心長度m），根據力矩原理M=F·d，通過F=M/d，計算出相應的力F（N）。除以9.8kg·m/s2再轉換成千克力F（kg）。最后轉換成儀器的顯示值（？滋？著），并根據準確度等級確定允許基本誤差±4%～±10%的誤差范圍。舉例如表1所示校準扭矩扳子明細表。型號規格：AC80～300Nm，L=0.488m允許基本誤差±4%

表1

注：L的長度（單位必須是米）作為制定表格的依據，如果該表格確定下來，則L不變；反之，如果儀器測量出三次平均F（？滋？著）的應變值，除以10，乘以9.8得出F（N），再乘以L（d）得出所測量的力矩（Nm）。

4 校準扭矩扳子的過程

將手動機械式扭矩扳子預置到所需要校準的力矩值上，把扭矩扳子的正方形旋轉扳頭插入到位于扭矩扳子轉軸固定支架上的圓盤扭矩扳子卡具中，轉動圓盤觀察，使扭矩扳子處于近似水平狀態時，然后用兩個？準12mm的銷釘（或圓柱頭螺釘）在圓盤？準200mm圓周上？準12.5mm的對稱孔與扭矩扳子轉軸固定支架的相應通孔穿插限位；（連接圓盤與扭矩扳子轉軸固定支架）并鎖緊。

將油壓千斤頂放在千斤頂可調支架上，并根據扭矩扳子的水平高度調整可調支架的高度，將荷重傳感器放在油壓千斤頂上，且將荷重傳感器頂端放置一個小“Y”型鋼筋支架，使得傳感器支架、千斤頂、千斤頂可調支架的總高度約等于扭矩扳子水平狀態的高度，且扭矩扳子與水平方向的夾角小于10°（減少誤差），再按某表格用卷尺測出相應的長度L約等于d（扳子轉軸到手柄中心的力作用線的垂直距離），確定傳感器“Y”支架所頂扭矩扳子的支點。調整好并標定靜態電阻應變儀并連接電阻應變荷重傳感器，對千斤頂緩慢地施加力直到扭矩扳子發出“嗒”的一聲，此時觀察應變儀的示值（？滋？著）并記錄，然后撤力即可，同一點重復測量三次，得出平均；重復上述過程，所得測量值與表格相應允許基本誤差（？滋？著）進行比較是否合格。

5 簡易預置式扭矩扳子校準裝置測量不確定度評定

5.1 測量方法：依據JJG707-2003《扭矩扳子檢定規程》。

5.2 測量環境條件：室內溫度：（10～30）℃。

相對濕度：不大于85%的環境條件下進行校準。

5.3 測量標準：簡易預置式扭矩扳子校準裝置其允許誤差限為±0.8%。

5.4 被測對象：機械預置式定值扭矩扳子型號為AC（280-760）Nm扭矩預置值為760Nm最大允許誤差±4%。

5.5 評定結果的使用：在上述條件下進行測量所得結果可直接使用本文不確定度的評定結果。

5.6 數學模型：e=MM-M

式中：e-扭矩扳子在測量點的示值誤差。

M-扭矩扳子在測量點的標稱值。

M-扭矩標準器對應被測扭矩扳子動作時測量值的算術平均值。

5.7 輸入量的標準不確定度的評定

5.7.1 輸入量MM的標準不確定度u（MM）的評定

主要不確定度來源是用預置式扭矩扳子校驗裝置對其校準時所得名義值與約定真值的誤差。用允許誤差限W表示，W=±0.8%（扭矩扳子檢驗裝置示值的重復性對測量結果的影響可忽略）按線性分布規律計算在測量點的此分項標準不確定度為均勻分布，區間半寬度為W×WS，用B類方法評定。對應760Nm測量點計算式：u（MM）=W×WS/■=0.8%×760×■=3.510（Nm）

5.7.2 M的標準不確定度u（M）的評定

此輸入量的不確定度來源包括被測量對象的報響動作時，扭矩值不確定性、測量過程中被測對象的溫度特性、測量儀器的示值重復性及其零位調整、示值分辨率、測量儀器與被測對象連接過程的附加響應等以及測量人員讀數過程的影響，綜合體現于對該扳子測量示值的測量重復性中。上述不確定影響因素的作用是同時體現密不可分的，對于這些不確定度分項不單獨評定，統一由合并樣本標準差確定這些因素綜合產生的標準不確定度u（M）的評定僅是示值分散性的評定，與u（MM）評定的內容相互獨立。

使用合并樣本標準差作A類不確定度評定方法是抽取7件設置于760Nm點的樣機分別作10次重復性測量所得測量示值Mik如下：

（樣機號：i=1-7，測量序號k=1-10）

M1k：753.16，754.35，752.48，755.72，752.83，756.45，753.29，754.76，75

5.27，752.45，得M1=754.08；

同理得M2=764.65；M3=755.1；M4=764.06；M5=752.88；M6=753.64；M7=754.16。

單次實驗標準差： 由此得到7組單次實

驗標準差，計算結果如表2。

合并樣本標準差：

實際測量是在重復性條件下每個測量過程連續進10次，以每一測量點的10次測量值的算術平均值為該測量點被測示值平均值M；則測量重復性產生的標準不確定度

5.8 合成不確定度的評定

5.8.1 靈敏系數：數學模型e=MM-M

靈敏系數

5.8.2 標準不確定度匯總表如表3：

表3 標準不確定度匯總計算

5.8.3 合成標準不確定度

輸入量M和MM彼此獨立不相關，所以合成不確定度計算式為

uc2（e）=[C1u（MM）]2+[C2u（M）]2

合成不確定度值uc（e）=■=3.554（Nm）

5.9 擴展不確定度的評定

取k=2，則擴展不確定度：

U=k·uc（e）=2×3.554=7.108（Nm）相對擴展不確定度：Urel=■×100%實例：取平均最小值■5=■=752.88，則Urel=■×100%=0.94%

6 結束語

經過幾年的實踐證明手動機械預置式扭矩扳子校驗裝置具有簡單、經濟、實用的特點，其裝置的相對擴展不確定度約為準確度為4級的扭矩扳子1/4，所以達到了準確度為（4～10）級、量程為50Nm～1500Nm的手動機械預置式扭矩扳子校準的技術指標，滿足扳子在使用中的檢驗要求。擴展了現有儀器的使用領域，不足之處是使用者需要有一個熟練操作的過程。

參考文獻

[1]國家計量檢定規程.JJG707-2003.扭矩扳子[S].2009.

[2]閆曉瑗，謝剛.工程力學[M].東北大學出版社，1998.

[3]宣安東.實用測量不確定度評定及案例（上冊）.[M].中國計量出版社，2007.