一種旋轉扭矩校準裝置的測量不確定度評定

陳明連 李 江 倪晉權 倪昔東 李 濤

(上海船舶設備研究所，上海 200031)

1 引 言

扭矩參數是動力系統中的重要參數[1]。對于各動力設備，譬如汽車、火車、輪船、飛機等，其動力系統中安裝的扭矩測量儀或扭矩傳感器工作狀態都是在旋轉狀態下進行扭矩測量的。而在校準實驗室中，扭矩傳感器的計量校準基本是在靜態扭矩校準裝置上進行校準的。因此，存在旋轉狀態和靜態校準之間的差異。在某些設備動力系統現場中，旋轉軸上安裝的扭矩校準測量設備，在旋轉時有很大的旋轉動態效應，其扭矩特性遠遠偏離于靜態校準時的數據，以靜代動的校準方式會造成一定的質量事故，甚至出現斷軸事故[2]。目前國內外開展了一些相關的研究，研制了旋轉扭矩校準裝置，應用到各類旋轉動力設備中。但是對于旋轉扭矩校準還沒有統一的校準規范，也沒有統一的測量不確定度評定方法，只有各單位自己編制自己使用的企業標準。

針對上述問題，研制了一種旋轉扭矩校準裝置，并著重對該裝置的扭矩測量不確定度評定進行了闡述，為最終制訂旋轉扭矩校準規范奠定基礎。

2 裝置組成

旋轉扭矩校準裝置的構成如圖1所示。上圖中所示旋轉扭矩(和推力)校準裝置[3]，由平臺、直流伺服電機、傳動箱、傳動箱安裝座、標準扭矩傳感器、波紋管聯軸器、推力校準單元、電氣控制裝置、上位機和軟件以及被校扭矩單元和被校推力單元等組成。平臺為整臺裝置提供支撐，直流伺服電機做驅動，被校扭矩單元做負載對系統扭矩進行加載。標準扭矩傳感器經過靜態校準和轉速特性校準后作為標準器具串接到軸系中，為裝置提供標準扭矩數據。推力校準單元作為標準器具，為校準推力提供標準推力數據，本文不討論裝置中推力校準相關內容。

圖1 一種旋轉扭矩校準裝置Fig.1 One type of rotation torque calibration machine

3 裝置電控原理

通過電控柜集成控制元器件，結合伺服電機、控制器等對系統扭矩、轉速進行控制。電控柜內采用模塊化設計，將控制的電氣元件都安裝在柜內，有效防止信號的干擾和被干擾。控制柜內包含兩臺直流調速控制器，可編程控制器(PLC)，以及空開、熔斷器、濾波器、設備安全繼電器等元器件。

直流調速控制器采用西門子6RA80系列，扭矩加載驅動側直流調速控制器采用轉速控制模式驅動直流電機旋轉，與速度編碼器的反饋構成閉環轉速控制系統，扭矩負載驅動電機直流調速控制器采用轉矩控制模式，與標準扭矩傳感器的反饋構成閉環扭矩控制系統[4]。

4 測量不確定度評定

4.1 測量模型

進行測量不確定度評定，需要建立測量模型或測量函數。測量模型是測量中涉及的所有已知量間的數學關系[5]。通過對校準裝置結構和扭矩測量影響因素的分析，校準裝置的測量原理是將標準扭矩傳感器數值與被校動力儀內部扭矩測量單元扭矩數值進行比較，從而對動力儀扭矩進行校準，因此本裝置扭矩校準的測量模型為

M=T(E,Δ,R,δ,fr,S)

(1)

式中：M——動力儀扭矩示值，N·m；T——標準扭矩傳感器示值，N·m；E——標準扭矩傳感器誤差；Δ——讀數分辨率；R——裝置扭矩測量重復性；δ——軸系同軸度；fr——軸系摩擦扭矩；S——標準扭矩傳感器轉速。

這些因素分別會引入測量不確定度分量，其中E、R、S引入的不確定度分量為A類，Δ、δ、fr引入的不確定度分量為B類。

4.2 不確定度分量的評定

4.2.1 標準扭矩傳感器靜態誤差引入的不確定度分量

為了計算標準扭矩傳感器誤差E，需要將標準扭矩傳感器安裝到靜態扭矩標準機上進行校準。圖2為200N·m扭矩標準機。

圖2 200N·m扭矩標準機Fig.2 200N·m torque standard machine

標準扭矩傳感器與扭矩標準之間采用光軸法蘭和液壓抱閘聯接，而不采用鍵連接，可消除鍵連接的不同軸度和偏心的影響。200N·m扭矩標準機、液壓抱閘、聯接法蘭和被校扭矩傳感器之間的安裝如圖3所示。

(2)

圖3 標準扭矩傳感器校準聯接圖Fig.3 Conection diagram of standard torque transducer

4.2.2 讀數分辨率引入的不確定度分量u2

(3)

式中：Tr——標準扭矩傳感器的額定扭矩，N·m。

4.2.3 扭矩測量重復性引入的不確定度分量u3

裝置對動力儀進行扭矩校準，扭矩測量重復性采用A類評定方法，經過6次實際測量，其引入的不確定度分量為

(4)

4.2.4 同軸度誤差引入的不確定度分量u4

(5)

軸系采用工裝進行對中，可以使得徑向跳動小于0.05mm，同時還可以采用激光對中儀進行校核對中精度。

4.2.5 軸系摩擦引入的不確定度分量u5

軸系摩擦扭矩經過測試和修正，摩擦引入的誤差可降低到最小，估計u5為0.1%。軸系摩擦扭矩測試方法為，將圖1中聯軸器斷開，使得軸系左右分開。啟動直流伺服電機，在不同速度下旋轉，測得空載工況下(此時只有軸系摩擦扭矩)標準扭矩傳感器的值，即為軸系摩擦扭矩值，從而在校準時將摩擦扭矩值剔除和修正。

4.2.6 標準扭矩傳感器轉速誤差引入的不確定度分量u6

(6)

轉速特性校準即將扭矩傳感器安裝到專門的轉速特性校準裝置中，在不加載扭矩的情況下，校準因轉速變化扭矩傳感器產生的誤差。轉速特性校準裝置如圖4所示。

圖4 轉速特性校準裝置Fig.4 Rotate speed characteristic calibration machine

各不確定度分量之間相互獨立，測試系統扭矩標準合成不確定度ucr為

(7)

ucr=0.27%

因此，扭矩測量擴展不確定度Ur為

Ur=k×ucr

(8)

Ur=2×0.27%=0.6% (k=2)

4.3 試驗驗證

滿量程為25N·m的XX型動力儀在該裝置上進行校準，標稱值y0為25N·m時，校準值y為25.07N·m,XX型動力儀出廠扭矩校準的不確定度為UX=0.8%(k=2)。為了驗證該評定方法是否合理，應滿足公式(9)的要求。

(9)

式中：y——動力儀校準值，N·m；y0——動力儀扭矩校準裝置標稱值，N·m。

將數據代入上式計算，可得

從驗證結果可以看出，本裝置滿足測量標準性能驗證要求。因此，可認為該評定方法是合理的。

5 結束語

鑒于國內外目前尚無旋轉扭矩校準規范，本文基于一種旋轉扭矩校準裝置，詳細分析了影響旋轉扭矩校準不確定度的因素，深入介紹了各不確定度分量評定的方法，為最終建立旋轉扭矩校準規范奠定了基礎。采用本文所述的旋轉扭矩測量不確定度評估方法，對我們研制的一臺旋轉扭矩校準裝置(試驗臺)進行了評定，并進行了試驗驗證。在校準測量中，旋轉扭矩工況可能有差別，應根據實際情況增加或減少不確定度分量。