高準(zhǔn)確度微小扭矩標(biāo)準(zhǔn)裝置研究

張智敏, 李 濤, 張 躍, 孟 峰,吉鴻磊, 張 偉, 胡 剛

(1.中國計量科學(xué)研究院, 北京 100029; 2. 上海船舶設(shè)備研究所, 上海 200031)

1 引 言

扭矩參數(shù)是表征軸系動力機(jī)械的關(guān)鍵特征參數(shù),是以旋轉(zhuǎn)方式傳遞動力的設(shè)備的主要性能指標(biāo)。扭矩量值作為一個基本參量,在船舶、航空、航天、汽車、微機(jī)械等行業(yè)有著越來越重要的應(yīng)用。近年來,隨著航空航天、汽車、電子等行業(yè)的迅速發(fā)展,對微小扭矩的測量也有著迫切的需求。國外如德國PTB、日本NMIJ相繼建立了微小扭矩標(biāo)準(zhǔn)裝置[1,2]。我國現(xiàn)有扭矩基準(zhǔn)機(jī)復(fù)現(xiàn)的扭矩值范圍為0.5 N·m～ 5 kN·m,已不能滿足微小扭矩測量的需求。為此,中國計量科學(xué)研究院(NIM)研究建立了一臺基于空氣軸承支撐技術(shù)的高準(zhǔn)確度1 mN·m～1 N·m微小扭矩標(biāo)準(zhǔn)裝置[3](以下簡稱1 N·m扭矩機(jī))。1 N·m扭矩機(jī)的建立為我國相關(guān)行業(yè)提供了微小扭矩測量手段,進(jìn)一步保證了我國扭矩量值傳遞的準(zhǔn)確、可靠和一致。

2 1 N·m扭矩機(jī)工作原理和機(jī)械結(jié)構(gòu)

1 N·m扭矩機(jī)采用靜重式結(jié)構(gòu),根據(jù)砝碼所產(chǎn)生的重力和空氣對砝碼的浮力的合力與力臂杠桿臂長的矢積來復(fù)現(xiàn)扭矩值。扭矩機(jī)產(chǎn)生的扭矩值為:

(1)

式中:M為扭矩值, N·m;m為砝碼質(zhì)量,kg;g為安裝地點的重力加速度,m/s2;ρa(bǔ)為空氣密度,kg/m3;ρw為砝碼材料密度,kg/m3;L為力臂長度,m。

1 N·m扭矩機(jī)主要由空氣軸承、力臂杠桿系統(tǒng)、砝碼懸掛機(jī)構(gòu)、砝碼加載機(jī)構(gòu)、扭平機(jī)構(gòu)、聯(lián)接器和床身機(jī)座組成。力臂杠桿支撐部分采用空氣軸承支撐系統(tǒng),以減小支撐部分帶來的摩擦扭矩;力臂杠桿平衡狀態(tài)由位移傳感器進(jìn)行測量并通過扭平機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整,以保證系統(tǒng)加載后力臂保持初始平衡狀態(tài);2套砝碼加載機(jī)構(gòu)分列力臂的兩側(cè),可以分別產(chǎn)生順時針和逆時針方向扭矩;砝碼懸掛機(jī)構(gòu)由薄鋼帶和鎖緊機(jī)構(gòu)組成,可保證砝碼所產(chǎn)生的力始終垂直向下;扭矩機(jī)主動軸和從動軸上裝配有撓性聯(lián)接器,扭矩機(jī)與傳感器間聯(lián)接器采用軸鎖緊裝置,以解決由于聯(lián)接件加工安裝和傳感器自重等因素帶來的傳感器與扭矩機(jī)不同軸而產(chǎn)生的寄生分量的問題。1 N·m扭矩機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 1 N·m扭矩機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)圖

2.1 空氣軸承

空氣軸承利用靜壓氣體軸承的潤滑機(jī)理,由外部對軸承提供加壓氣體,經(jīng)節(jié)流器噴射到軸承表面,氣流在軸承表面形成一層很薄的壓力氣膜,使軸承浮在軸套中。空氣軸承包括一個轉(zhuǎn)子和一個定子。在允許的穩(wěn)定的壓力和負(fù)荷下,轉(zhuǎn)子和定子完全不接觸,當(dāng)外部的沖擊力作用在轉(zhuǎn)子一端時,轉(zhuǎn)子向定子的另一端偏移,轉(zhuǎn)子與定子間的壓力氣膜開始起作用,空氣壓力的大小取決于壓力氣膜間隙的大小,沖擊力作用端間隙增大,壓力減小,另一端間隙減小,壓力增大,兩端的壓差使轉(zhuǎn)子的偏心量減小并保持在定子的中間。1 N·m扭矩機(jī)采用X型空氣軸承,該空氣軸承具有軸向定位功能,轉(zhuǎn)子和定子間的間隙為5 μm,經(jīng)過計算和實際測量,空氣軸承的摩擦扭矩[4]小于0.3 μN·m。空氣軸承的結(jié)構(gòu)見圖2所示。

圖2 空氣軸承結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 力臂杠桿系統(tǒng)

力臂杠桿系統(tǒng)由力臂杠桿、配平機(jī)構(gòu)、力臂限位保護(hù)機(jī)構(gòu)和水平監(jiān)測機(jī)構(gòu)等部件組成[5],力臂杠桿系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)見圖3所示。

圖3 力臂杠桿系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

力臂通過輸出主軸與空氣軸承精密裝配后形成整套力臂杠桿系統(tǒng)。力臂杠桿系統(tǒng)的設(shè)計不僅要考慮力臂的長度,同時要充分考慮力臂的對稱性,使其質(zhì)心在力臂的對稱鉛垂線上[6]。設(shè)計過程中借助三維設(shè)計軟件,控制力臂杠桿的重心點與力臂輸出主軸的軸心線重合。配平機(jī)構(gòu)裝配在力臂杠桿上,通過對配平機(jī)構(gòu)的不斷調(diào)整,最終使力臂杠桿系統(tǒng)的重心落在設(shè)計的重心點位置。水平監(jiān)測機(jī)構(gòu)和力臂限位保護(hù)機(jī)構(gòu)位于力臂杠桿下端;水平監(jiān)測機(jī)構(gòu)用以監(jiān)測力臂杠桿的水平平衡位置,該平衡位置由激光位移傳感器進(jìn)行無接觸測量,通過扭平機(jī)構(gòu)進(jìn)行精確調(diào)整,保證力臂杠桿在加載后保持初始水平位置;力臂限位保護(hù)機(jī)構(gòu)可以在扭矩機(jī)工作中或安裝被校扭矩傳感器時“間隙夾緊”力臂,避免力臂受到較大沖擊出現(xiàn)過度的位移,保護(hù)空氣軸承。

1 N·m扭矩機(jī)采用4J36因瓦合金作為力臂材料[7],其線膨脹系數(shù)為6×10-7/℃,強(qiáng)度、剛度均可以滿足該機(jī)的工作要求。在環(huán)境溫度(20±2)℃條件下,力臂杠桿長度因溫度變化引起的不確定度小于2×10-6。

2.3 砝碼加載機(jī)構(gòu)

該扭矩機(jī)包括2套砝碼加載機(jī)構(gòu),每套砝碼加載機(jī)構(gòu)由砝碼吊掛、砝碼組和砝碼支撐系統(tǒng)組成。每套砝碼組包括5組砝碼,砝碼采用無磁不銹鋼材料;砝碼組和砝碼吊掛框架之間的配合采取錐面導(dǎo)向、平面接觸定位的原則設(shè)計。砝碼的標(biāo)稱質(zhì)量值及質(zhì)量允許誤差如表1所示。

表1 砝碼標(biāo)稱質(zhì)量及質(zhì)量允許誤差

3 性能試驗

1 N·m扭矩機(jī)研制完成后,對該機(jī)進(jìn)行了計量性能試驗。試驗采用TT1-1Nm高準(zhǔn)確度扭矩傳感器及精密數(shù)字測量儀DMP40,負(fù)荷點覆蓋了1 N·m扭矩機(jī)的全量程范圍1 mN·m～1 N·m。

3.1 試驗程序

試驗按以下步驟進(jìn)行:將扭矩傳感器安裝調(diào)整成工作狀態(tài),對其預(yù)加額定負(fù)荷3次,前2次直接加到額定負(fù)荷,第3次按試驗負(fù)荷點逐級施加負(fù)荷。預(yù)負(fù)荷完成后,逐級施加試驗負(fù)荷進(jìn)行測量,也即在初始安裝位置上進(jìn)行3次測量,然后將扭矩傳感器繞其軸線依次旋轉(zhuǎn)到相對于初始位置120°和240°位置上,每次轉(zhuǎn)動后,逐級預(yù)加額定負(fù)荷1次,逐級加荷測量1次。在預(yù)負(fù)荷及逐級加荷試驗時,從加荷開始到扭矩值穩(wěn)定后開始讀數(shù)的時間及從卸荷開始到退回零負(fù)荷后開始讀數(shù)的時間均為60 s。

3.2 扭矩值重復(fù)性

扭矩值重復(fù)性按式(2)計算。圖4～圖6 為1 N·m扭矩機(jī)扭矩值重復(fù)性試驗結(jié)果。

(2)

圖4 1 N·m量程段扭矩值重復(fù)性

圖5 500 mN·m量程段扭矩值重復(fù)性

圖6 200 mN·m量程段扭矩值重復(fù)性

4 不確定度評估

靜重式扭矩標(biāo)準(zhǔn)機(jī)是以砝碼的重力作為標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷,借助一定的力臂杠桿,通過適當(dāng)?shù)募雍蓹C(jī)構(gòu)按預(yù)定的順序自動平穩(wěn)地將力矩直接施加到被測扭矩儀上的扭矩機(jī)。在靜重式扭矩機(jī)的不確定度評估中,產(chǎn)生不確定度的因素包括由扭矩值復(fù)現(xiàn)中各物理因素帶來的不確定度分量及與扭矩機(jī)安裝、調(diào)試性能有關(guān)的因素帶來的不確定度分量[8]。1 N·m扭矩機(jī)的各不確定度分量見表2所示。

表2 1 N·m扭矩機(jī)不確定度分量表

1 N·m扭矩機(jī)的相對合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為:

(3)

1 N·m扭矩機(jī)的相對合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度在1～5 mN·m范圍內(nèi)小于1.7×10-4;在5～100 mN·m范圍內(nèi)小于3.7×10-5;在100 mN·m～1 N·m范圍內(nèi)小于1.3×10-5。

1 N·m扭矩機(jī)的相對擴(kuò)展不確定度Ur,c為:

Ur,c=2ur,c

(4)

1 N·m扭矩機(jī)的相對擴(kuò)展不確定度(k=2)在1～5 mN·m范圍內(nèi)小于3.4×10-4;在5～100 mN·m范圍內(nèi)小于7.4×10-5;在100 mN·m～1 N·m范圍內(nèi)小于2.6×10-5。

5 結(jié) 論

1 N·m扭矩機(jī)采用了靜壓空氣軸承支撐技術(shù),減小了摩擦扭矩帶來的不確定度,提高了扭矩機(jī)的準(zhǔn)確度;設(shè)計的力臂杠桿系統(tǒng),保證力臂工作時既穩(wěn)定可靠,又有較高的靈敏性,確保了力臂長度的高準(zhǔn)確度,力臂采用了低熱膨脹系數(shù)的材料,減小了力臂長度因溫度變化引起的不確定度;砝碼加載系統(tǒng)采用了砝碼吊掛、砝碼組和砝碼支撐框架精密結(jié)合的方式,保證了微小砝碼精確可靠地加載,實現(xiàn)了在不同量程范圍測量時加卸荷中不出現(xiàn)逆程。通過理論分析和性能試驗證明,1 N·m扭矩機(jī)的相對擴(kuò)展不確定度(k=2)在1～5 mN·m范圍內(nèi)小于3.4×10-4;在5～100 mN·m范圍內(nèi)小于7.4×10-5;在100 mN·m～1 N·m范圍小于2.6×10-5,實現(xiàn)了全自動控制的目標(biāo)。1 N·m扭矩機(jī)的建立可以將我國扭矩基準(zhǔn)機(jī)的扭矩值測量下限由0.5 N·m擴(kuò)展到1 mN·m,擴(kuò)大了扭矩值的量值傳遞范圍。

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