標(biāo)準(zhǔn)扭矩扳子校準(zhǔn)裝置的設(shè)計(jì)

夏冰玉，林杰俊，王佩君

（上海船舶設(shè)備研究所，上海 200031）

0 引言

2013年由國家計(jì)量院和扭矩站牽頭，對(duì)國家原扭矩扳子檢定儀的檢定規(guī)程（JJG797—1992）[1]進(jìn)行了修訂。修訂后的新規(guī)程（JJG797—2013）決定停用“靜重扭矩機(jī)”檢定方法，同時(shí)新增“標(biāo)準(zhǔn)扭矩扳子”檢定方法[2]。近年來，標(biāo)準(zhǔn)扭矩扳子作為一種更為便捷的新型校準(zhǔn)設(shè)備逐漸在各級(jí)計(jì)量機(jī)構(gòu)得到普及使用。為規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)扭矩扳子的溯源，2014年國家頒布了由中國計(jì)量科學(xué)研究院（以下簡稱國家計(jì)量院）和中船重工第七〇四研究所國防科技工業(yè)大扭矩一級(jí)計(jì)量站（以下簡稱扭矩站）聯(lián)合制訂的《JJG1103—2014標(biāo)準(zhǔn)扭矩扳子檢定規(guī)程》[3]，為標(biāo)準(zhǔn)扭矩扳子的溯源工作提供了規(guī)范依據(jù)。

現(xiàn)有的扭矩標(biāo)準(zhǔn)裝置可分為刀口式和滾動(dòng)軸承支撐式。其中，滾動(dòng)軸承支撐式的扭矩標(biāo)準(zhǔn)裝置準(zhǔn)確度等級(jí)較低，無法滿足0.1級(jí)標(biāo)準(zhǔn)扭矩扳子的溯源需求。而刀口式的扭矩標(biāo)準(zhǔn)裝置雖然具有較高的準(zhǔn)確度等級(jí)，但由于其刀口支撐式的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，只能承受重力方向的單向力，無法承受標(biāo)準(zhǔn)扭矩扳子校準(zhǔn)時(shí)的多分量力。因此，目前雖然已頒布了標(biāo)準(zhǔn)扭矩扳子的檢定規(guī)程，但事實(shí)上由于校準(zhǔn)裝置的欠缺，0.1級(jí)標(biāo)準(zhǔn)扭矩扳子的溯源工作仍然無法展開。

扭矩站設(shè)計(jì)了測量不確定度0.03%（k=2）的標(biāo)準(zhǔn)扭矩扳子校準(zhǔn)裝置，以滿足標(biāo)準(zhǔn)扭矩扳子溯源的迫切需求，為我國各行業(yè)扭矩的準(zhǔn)確測量提供可靠的技術(shù)保證。圖1所示為扭矩量值傳遞發(fā)展趨勢關(guān)系圖。

圖1 扭矩量值傳遞發(fā)展趨勢關(guān)系圖

1 標(biāo)準(zhǔn)扭矩扳子校準(zhǔn)現(xiàn)狀

隨著世界工業(yè)的快速發(fā)展，扭矩扳子因其便攜的特點(diǎn)得到了廣泛應(yīng)用，其扭矩扳子校準(zhǔn)檢定技術(shù)也獲得迅速的發(fā)展，因此也產(chǎn)生了扭矩扳子檢定儀的溯源問題。歐洲在這一領(lǐng)域的研究起步較早，2000年前，歐洲校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室機(jī)構(gòu)就發(fā)布了扭矩扳子檢定儀校準(zhǔn)導(dǎo)則DKD-R 3-8，這一導(dǎo)則規(guī)定了扭矩扳子檢定儀的校準(zhǔn)設(shè)備為標(biāo)準(zhǔn)扭矩扳子或力臂砝碼組合裝置。隨后，關(guān)于標(biāo)準(zhǔn)扭矩扳子的校準(zhǔn)導(dǎo)則DKD-R 3-7頒布，導(dǎo)則中規(guī)定了標(biāo)準(zhǔn)扭矩扳子的校準(zhǔn)方案，并建議盡量使用標(biāo)準(zhǔn)扭矩扳子。歐洲的標(biāo)準(zhǔn)扭矩扳子都溯源至德國國家聯(lián)邦物理技術(shù)研究院（PTB），因此PTB較早就開展了標(biāo)準(zhǔn)扭矩扳子校準(zhǔn)方法及裝置的研究。

PTB主要采用空氣軸承靜重式扭矩標(biāo)準(zhǔn)機(jī)和參考式扭矩校準(zhǔn)裝置進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)扭矩扳子的校準(zhǔn)檢定。這樣的校準(zhǔn)形式比較快捷方便，獲得很多校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室的認(rèn)可。日本國家計(jì)量院（NMIJ）也對(duì)標(biāo)準(zhǔn)扭矩扳子進(jìn)行研究，他們主要采用空氣軸承靜重式扭矩標(biāo)準(zhǔn)機(jī)進(jìn)行校準(zhǔn)檢定。

在國內(nèi)，扭矩站也曾嘗試用空氣軸承靜重式扭矩標(biāo)準(zhǔn)機(jī)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)扭矩扳子進(jìn)行校準(zhǔn)。但在校準(zhǔn)過程中發(fā)現(xiàn)，由于標(biāo)準(zhǔn)扭矩扳子在扭矩標(biāo)準(zhǔn)裝置上校準(zhǔn)時(shí)是垂直安裝的，與實(shí)際使用狀態(tài)的水平安裝位置不同，另外，扳子本身的重力和扳子的安裝垂直度等也會(huì)影響到扳子校準(zhǔn)的準(zhǔn)確度。因此，項(xiàng)目組設(shè)計(jì)了一臺(tái)可以水平位置校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)扭矩扳子的裝置，以提高校準(zhǔn)的準(zhǔn)確度。

目前，各國對(duì)標(biāo)準(zhǔn)扭矩扳子的校準(zhǔn)檢定方式都在摸索階段，使用的校準(zhǔn)裝置也不同，國際上沒有一個(gè)相對(duì)統(tǒng)一的方法，這也使得各國的校準(zhǔn)檢定結(jié)果存在差異。

2 彎矩對(duì)標(biāo)準(zhǔn)扭矩扳子校準(zhǔn)的影響

現(xiàn)有的扭矩標(biāo)準(zhǔn)機(jī)都是以扭矩傳感器為使用對(duì)象進(jìn)行設(shè)計(jì)的，在設(shè)計(jì)時(shí)往往只考慮到純扭矩狀態(tài)測試情況，沒有將標(biāo)準(zhǔn)扭矩扳子校準(zhǔn)過程中產(chǎn)生的較大側(cè)向彎矩的情況考慮在內(nèi)，因此，裝置在結(jié)構(gòu)上無法承受過大的側(cè)向彎矩。

如圖 2所示，扭矩傳感器在扭矩標(biāo)準(zhǔn)機(jī)上進(jìn)行量值傳遞時(shí)，一端與扭矩標(biāo)準(zhǔn)機(jī)輸出的標(biāo)準(zhǔn)扭矩相連，另一端為固定端。無論是參考式扭矩標(biāo)準(zhǔn)機(jī)還是靜重式扭矩標(biāo)準(zhǔn)機(jī)，扭矩傳感器在扭矩標(biāo)準(zhǔn)機(jī)上的安裝都必須保證左右兩端輸出軸同軸。因此，扭矩傳感器在校準(zhǔn)過程中，只受到純扭力的影響，不會(huì)受到來自于其他方向的扭矩或力的影響，保證了量值傳遞的準(zhǔn)確性。也因?yàn)檫@個(gè)原因，在評(píng)估用于校準(zhǔn)扭矩傳感器的扭矩標(biāo)準(zhǔn)機(jī)的不確定度時(shí)，需要考慮同軸度引入的誤差分量。

圖2 扭矩傳感器扭矩校準(zhǔn)狀態(tài)

標(biāo)準(zhǔn)扭矩扳子與扭矩傳感器的結(jié)構(gòu)形式有很大的不同。標(biāo)準(zhǔn)扭矩扳子一般為L型結(jié)構(gòu)，輸出端與校準(zhǔn)裝置輸出軸連接，長力臂端則需采用擋桿進(jìn)行扭矩傳遞。如圖 3所示，標(biāo)準(zhǔn)扭矩扳子在扭矩標(biāo)準(zhǔn)機(jī)上進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)，必須通過擋桿實(shí)現(xiàn)扭矩值的加載。而擋桿不僅對(duì)標(biāo)準(zhǔn)扭矩扳子產(chǎn)生被測方向的扭矩T的影響，還會(huì)產(chǎn)生一個(gè)不同維度方向的額外扭矩Tˊ的影響。額外的扭矩會(huì)影響標(biāo)準(zhǔn)扭矩T的輸出準(zhǔn)確性。標(biāo)準(zhǔn)扭矩扳子校準(zhǔn)時(shí)的扭矩傳遞方式與扭矩傳感器的完全不同，其誤差來源也不盡相同。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)扭矩扳子校準(zhǔn)狀態(tài)

如圖4所示，刀口式支撐部件由刀口和刀承組成，是一種線接觸的支撐結(jié)構(gòu)，能承受較大的垂直方向的力，但無法承受其他方向的力。

而標(biāo)準(zhǔn)扭矩扳子與扭矩傳感器在校準(zhǔn)過程中最大的區(qū)別便在于：扭矩傳感器在校準(zhǔn)過程中只產(chǎn)生純扭矩，而標(biāo)準(zhǔn)扭矩扳子除被測扭矩外，還會(huì)對(duì)裝置產(chǎn)生一個(gè)側(cè)向彎矩。這個(gè)有別于被測扭矩方向的彎矩，正是現(xiàn)有刀口式支撐裝置所無法承受的。其影響不僅會(huì)對(duì)測試結(jié)果造成較大的誤差，還會(huì)增大刀口損毀的可能性，降低裝置的使用壽命。

因此，標(biāo)準(zhǔn)扭矩扳子校準(zhǔn)裝置必須采用新型支撐結(jié)構(gòu)，該支撐部件應(yīng)既能保證多方向受力的支撐能力，又能保證自身摩擦系數(shù)滿足高準(zhǔn)確度的設(shè)計(jì)要求。本文研究的裝置采用空氣軸承作為裝置的核心支撐部件，以克服彎矩帶來的影響。

空氣軸承是用氣體作為潤滑劑的滑動(dòng)軸承。由于氣體粘度低、粘度隨溫度變化小、化學(xué)穩(wěn)定性好，因此，空氣軸承具有摩擦小、精度高、溫升低、壽命長、耐高低溫及原子輻射、對(duì)主機(jī)和環(huán)境無污染等特點(diǎn)，其在低摩擦低功耗支承、高精密支承和特殊工況下的支撐中得到了廣泛地應(yīng)用[4-6]。裝置中采用的是一種抗彎矩能力較強(qiáng)的空氣軸承，既能承受來自多方向的分力，又能滿足低摩擦力的使用需求，對(duì)本裝置來說，是非常適合且必不可少的支撐部件。

3 工作原理及組成

本文研究的標(biāo)準(zhǔn)扭矩扳子校準(zhǔn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖 5所示。裝置使用參考式扭矩標(biāo)準(zhǔn)機(jī)原理，選用高準(zhǔn)確度扭矩傳感器提供參考扭矩值，以伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)力。裝置包括：機(jī)架、空氣軸承、標(biāo)準(zhǔn)扭矩傳感器、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、固定板升降系統(tǒng)、力臂檔桿和電控系統(tǒng)等多個(gè)部件。

機(jī)架整體為框架式結(jié)構(gòu)，右側(cè)為反力支架。機(jī)架底部安裝大減速比的減速驅(qū)動(dòng)電機(jī)用于輸出扭矩。輸出的扭矩傳遞到與減速機(jī)輸出端相連接的標(biāo)準(zhǔn)扭矩傳感器上。標(biāo)準(zhǔn)扭矩傳感器使用前必須在標(biāo)準(zhǔn)扭矩機(jī)上進(jìn)行校準(zhǔn)，以保證輸出的準(zhǔn)確性。

空氣軸承作為核心部件固定在標(biāo)準(zhǔn)扭矩傳感器上方，為其提供一個(gè)低摩擦的支撐，如此，可保證標(biāo)準(zhǔn)扭矩傳感器在使用過程中不會(huì)受到除軸向扭矩外的其他外力影響。空氣軸承是本裝置保證高準(zhǔn)確度的關(guān)鍵技術(shù)之一。

操作平臺(tái)（即被測標(biāo)準(zhǔn)扭矩扳子安裝位置）上安裝有可移動(dòng)調(diào)節(jié)檔桿，用以滿足不同規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)扭矩扳子。被檢標(biāo)準(zhǔn)扭矩扳子水平安裝，這樣可以保證標(biāo)準(zhǔn)扭矩扳子的被檢狀態(tài)與使用狀態(tài)一致，同時(shí)可減少由標(biāo)準(zhǔn)扭矩扳子自重帶來的對(duì)測試結(jié)果的影響。

圖5 標(biāo)準(zhǔn)扭矩扳子校準(zhǔn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖

裝置頂部設(shè)計(jì)有可自動(dòng)升降的傳感器固定板。設(shè)計(jì)固定板的作用是當(dāng)裝置需要進(jìn)行溯源時(shí)，可通過固定板串接扭矩傳感器，用于比對(duì)驗(yàn)證本裝置輸出扭矩的準(zhǔn)確度。同時(shí)，固定板也可作為傳統(tǒng)的扭矩標(biāo)準(zhǔn)機(jī)使用，增加了裝置的功能性。

裝置利用全自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)校準(zhǔn)測量及數(shù)據(jù)處理。通過操作監(jiān)控工作臺(tái)可設(shè)置不同的加載量程和測試點(diǎn)。使用高準(zhǔn)確度儀表對(duì)標(biāo)準(zhǔn)傳感器和被測標(biāo)準(zhǔn)扭矩扳子的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集及處理，可提高測試精度，減小人力加載速度與沖擊對(duì)扭矩的影響和人工讀數(shù)準(zhǔn)確性與同步性影響。電控系統(tǒng)裝在反力支架內(nèi)，另配有一臺(tái)觸屏電腦用于人機(jī)交互。

本裝置在溯源時(shí)，可在升降固定板和空氣軸承之間串接高準(zhǔn)確度的標(biāo)準(zhǔn)扭矩傳感器，參考扭矩標(biāo)準(zhǔn)機(jī)相關(guān)規(guī)程進(jìn)行[7]。此外，在日常使用時(shí)，也可在升降固定板和空氣軸承之間串接被測傳感器，用于量值傳遞。被測傳感器的安裝方式如圖6所示。

圖6 扭矩傳感器安裝方式示意圖

4 不確定度評(píng)估

分析測量原理和裝置組成，認(rèn)為影響裝置不確定度的因素包括以下部分[8-10]：1）標(biāo)準(zhǔn)扭矩傳感器的誤差引入的不確定度分量ud，包括：重復(fù)性、內(nèi)插誤差、回零差、滯后、溫度變化和扭矩標(biāo)準(zhǔn)機(jī)不確定度等；2）扭矩控制準(zhǔn)確度引入的不確定度分量uw；3）安裝誤差引入的不確定度分量ua；4）抗彎型空氣軸承摩擦扭矩誤差引入的不確定度分量um。

4.1 標(biāo)準(zhǔn)扭矩傳感器和測量儀的誤差引入的不確定度分量ud

在標(biāo)準(zhǔn)扭矩傳感器和測量儀的誤差引入的不確定度分量中，重復(fù)性、內(nèi)插誤差、回零差、滯后可通過更高等級(jí)的靜重式扭矩標(biāo)準(zhǔn)機(jī)檢定或校準(zhǔn)得到。

標(biāo)準(zhǔn)扭矩傳感器的溫度靈敏系數(shù)一般為2×10-6/℃，而實(shí)驗(yàn)室的溫度變化為±3℃。設(shè)在區(qū)間內(nèi)為均勻分布，則包含因子溫度變化引入的不確定度分量為

標(biāo)準(zhǔn)扭矩傳感器引入不確定度分量的評(píng)估見表1。

表1 標(biāo)準(zhǔn)扭矩傳感器不確定度分量評(píng)估表

由標(biāo)準(zhǔn)扭矩傳感器引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量為

本項(xiàng)目采用不確定度為0.02%（k=2）的標(biāo)準(zhǔn)扭矩傳感器。

預(yù)估標(biāo)準(zhǔn)扭矩傳感器和測量儀的誤差引入的不確定度分量為

4.2 扭矩控制準(zhǔn)確度引入的不確定度分量uw

本項(xiàng)目所研制裝置扭矩加載最小分度值引入的不確定度分量的影響約為1.5×10-4，則預(yù)估扭矩控制準(zhǔn)確度引入的不確定度分量為

4.3 安裝誤差引入的不確定度分量ua

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，預(yù)計(jì)可將安裝允差控制在±1×10-4以內(nèi)，則預(yù)估安裝誤差引入的不確定度分量為

4.4 抗彎型空氣軸承摩擦扭矩誤差引入的不確定度分量um

根據(jù)空氣軸承使用經(jīng)驗(yàn)，預(yù)計(jì)本項(xiàng)目所研制的抗彎型空氣軸承摩擦扭矩產(chǎn)生的誤差為 5×10-5。預(yù)估抗彎型空氣軸承摩擦扭矩誤差引入的不確定度分量為

4.5 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc和擴(kuò)展不確定度Urel

合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc為

擴(kuò)展不確定度Urel=kuc=2.8×10-4，k=2。

根據(jù)上述不確定度分量預(yù)估，各不確定度分量計(jì)算方式如表2所示。

表2 不確定度分量計(jì)算方式

根據(jù)本項(xiàng)目技術(shù)要求，高準(zhǔn)確度標(biāo)準(zhǔn)扭矩扳子校準(zhǔn)裝置的不確定度 3倍優(yōu)于被校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)扭矩扳子。被校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)扭矩扳子的準(zhǔn)確度等級(jí)最高為0.1級(jí)，則高準(zhǔn)確度標(biāo)準(zhǔn)扭矩扳子校準(zhǔn)裝置的擴(kuò)展不確定度必須優(yōu)于3×10-4（k=2）。預(yù)估擴(kuò)展不確定度可滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)。

5 結(jié)論

本文研究的標(biāo)準(zhǔn)扭矩扳子校準(zhǔn)裝置采用空氣軸承作為支撐，克服了標(biāo)準(zhǔn)扭矩扳子在校準(zhǔn)過程中所產(chǎn)生的額外彎矩對(duì)測試結(jié)果的影響，提高了裝置的測量不確定度。經(jīng)分析，裝置的測量不確定度可達(dá) 0.03%（k=2）。裝置可滿足0.1級(jí)標(biāo)準(zhǔn)扭矩扳子的校準(zhǔn)需求。