張智敏, 李 濤, 張 躍, 孟 峰,吉鴻磊, 張 偉, 胡 剛

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

1 引 言

扭矩參數是表征軸系動力機械的關鍵特征參數,是以旋轉方式傳遞動力的設備的主要性能指標。扭矩量值作為一個基本參量,在船舶、航空、航天、汽車、微機械等行業(yè)有著越來越重要的應用。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準裝置[1,2]。我國現有扭矩基準機復現的扭矩值范圍為0.5 N·m～ 5 kN·m,已不能滿足微小扭矩測量的需求。為此,中國計量科學研究院(NIM)研究建立了一臺基于空氣軸承支撐技術的高準確度1 mN·m～1 N·m微小扭矩標準裝置[3](以下簡稱1 N·m扭矩機)。1 N·m扭矩機的建立為我國相關行業(yè)提供了微小扭矩測量手段,進一步保證了我國扭矩量值傳遞的準確、可靠和一致。

2 1 N·m扭矩機工作原理和機械結構

1 N·m扭矩機采用靜重式結構,根據砝碼所產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現扭矩值。扭矩機產生的扭矩值為:

(1)

式中:M為扭矩值, N·m;m為砝碼質量,kg;g為安裝地點的重力加速度,m/s2;ρa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扭矩機主要由空氣軸承、力臂杠桿系統、砝碼懸掛機構、砝碼加載機構、扭平機構、聯接器和床身機座組成。力臂杠桿支撐部分采用空氣軸承支撐系統,以減小支撐部分帶來的摩擦扭矩;力臂杠桿平衡狀態(tài)由位移傳感器進行測量并通過扭平機構進行調整,以保證系統加載后力臂保持初始平衡狀態(tài);2套砝碼加載機構分列力臂的兩側,可以分別產生順時針和逆時針方向扭矩;砝碼懸掛機構由薄鋼帶和鎖緊機構組成,可保證砝碼所產生的力始終垂直向下;扭矩機主動軸和從動軸上裝配有撓性聯接器,扭矩機與傳感器間聯接器采用軸鎖緊裝置,以解決由于聯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不同軸而產生的寄生分量的問題。1 N·m扭矩機機械結構圖如圖1所示。

圖1 1 N·m扭矩機機械結構圖

2.1 空氣軸承

空氣軸承利用靜壓氣體軸承的潤滑機理,由外部對軸承提供加壓氣體,經節(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?？諝廨S承包括一個轉子和一個定子。在允許的穩(wěn)定的壓力和負荷下,轉子和定子完全不接觸,當外部的沖擊力作用在轉子一端時,轉子向定子的另一端偏移,轉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,兩端的壓差使轉子的偏心量減小并保持在定子的中間。1 N·m扭矩機采用X型空氣軸承,該空氣軸承具有軸向定位功能,轉子和定子間的間隙為5 μm,經過計算和實際測量,空氣軸承的摩擦扭矩[4]小于0.3 μN·m。空氣軸承的結構見圖2所示。

圖2 空氣軸承結構示意圖

2.2 力臂杠桿系統

力臂杠桿系統由力臂杠桿、配平機構、力臂限位保護機構和水平監(jiān)測機構等部件組成[5],力臂杠桿系統的結構見圖3所示。

圖3 力臂杠桿系統結構圖

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。力臂杠桿系統的設計不僅要考慮力臂的長度,同時要充分考慮力臂的對稱性,使其質心在力臂的對稱鉛垂線上[6]。設計過程中借助三維設計軟件,控制力臂杠桿的重心點與力臂輸出主軸的軸心線重合。配平機構裝配在力臂杠桿上,通過對配平機構的不斷調整,最終使力臂杠桿系統的重心落在設計的重心點位置。水平監(jiān)測機構和力臂限位保護機構位于力臂杠桿下端;水平監(jiān)測機構用以監(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行無接觸測量,通過扭平機構進行精確調整,保證力臂杠桿在加載后保持初始水平位置;力臂限位保護機構可以在扭矩機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過度的位移,保護空氣軸承。

1 N·m扭矩機采用4J36因瓦合金作為力臂材料[7],其線膨脹系數為6×10-7/℃,強度、剛度均可以滿足該機的工作要求。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 砝碼加載機構

該扭矩機包括2套砝碼加載機構,每套砝碼加載機構由砝碼吊掛、砝碼組和砝碼支撐系統組成。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向、平面接觸定位的原則設計。砝碼的標稱質量值及質量允許誤差如表1所示。

表1 砝碼標稱質量及質量允許誤差

3 性能試驗

1 N·m扭矩機研制完成后,對該機進行了計量性能試驗。試驗采用TT1-1Nm高準確度扭矩傳感器及精密數字測量儀DMP40,負荷點覆蓋了1 N·m扭矩機的全量程范圍1 mN·m～1 N·m。

3.1 試驗程序

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

3.2 扭矩值重復性

扭矩值重復性按式(2)計算。圖4～圖6 為1 N·m扭矩機扭矩值重復性試驗結果。

(2)

圖4 1 N·m量程段扭矩值重復性

圖5 500 mN·m量程段扭矩值重復性

圖6 200 mN·m量程段扭矩值重復性

4 不確定度評估

靜重式扭矩標準機是以砝碼的重力作為標準負荷,借助一定的力臂杠桿,通過適當的加荷機構按預定的順序自動平穩(wěn)地將力矩直接施加到被測扭矩儀上的扭矩機。在靜重式扭矩機的不確定度評估中,產生不確定度的因素包括由扭矩值復現中各物理因素帶來的不確定度分量及與扭矩機安裝、調試性能有關的因素帶來的不確定度分量[8]。1 N·m扭矩機的各不確定度分量見表2所示。

表2 1 N·m扭矩機不確定度分量表

1 N·m扭矩機的相對合成標準不確定度為:

(3)

1 N·m扭矩機的相對合成標準不確定度在1～5 mN·m范圍內小于1.7×10-4;在5～100 mN·m范圍內小于3.7×10-5;在100 mN·m～1 N·m范圍內小于1.3×10-5。

1 N·m扭矩機的相對擴展不確定度Ur,c為:

Ur,c=2ur,c

(4)

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

5 結 論

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

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