鮑海嘯，任軍豪，蔣大宏，王時(shí)越、2，李 鋮，陳曙光

（1.昆明理工大學(xué)建筑工程學(xué)院，云南 昆明 650500；2.云南省土木工程防災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明 650500；3.武漢先導(dǎo)時(shí)代科技有限公司，湖北 武漢 430079）

在建筑行業(yè)特別是鋼結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)過程中，扭矩這個(gè)參數(shù)極其重要[1]，測(cè)扭矩的方式主要是通過扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)，因此保持扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)扭矩值得準(zhǔn)確可靠就非常關(guān)鍵，這就需要定期對(duì)扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)的扭矩值進(jìn)行校準(zhǔn)，常用的方法有扭矩傳感器校準(zhǔn)法和杠桿砝碼校準(zhǔn)法。扭矩傳感器校準(zhǔn)法需要將校準(zhǔn)用傳感器送到更高一級(jí)的檢定校準(zhǔn)機(jī)構(gòu)來溯源至國家基準(zhǔn)[2]，對(duì)檢測(cè)機(jī)構(gòu)開展內(nèi)部校準(zhǔn)就很不經(jīng)濟(jì)。杠桿砝碼校準(zhǔn)法的校準(zhǔn)過程非常復(fù)雜且成本較高，需要用到長(zhǎng)度超過2m 的剛性杠桿，杠桿的制作、安裝很困難，同時(shí)還需要一堆高精度的砝碼，對(duì)這些砝碼的保管運(yùn)輸及使用保養(yǎng)都會(huì)產(chǎn)生很大的經(jīng)濟(jì)成本，且加載的過程中砝碼加載到一定重量時(shí)試驗(yàn)機(jī)本身重量小于砝碼重量甚至?xí)a(chǎn)生側(cè)傾覆，因此很多地區(qū)并不具備對(duì)一些大量程的扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)的檢定校準(zhǔn)條件。本文針對(duì)10kN·m 量程的扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)，通過有限元優(yōu)化設(shè)計(jì)，制作一個(gè)輕質(zhì)便攜的杠桿，同時(shí)使用千斤頂來代替砝碼施力，利用力傳感器顯示力值大小[3]，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)施加準(zhǔn)確可靠的扭矩以保證其測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確可靠。

1 裝置設(shè)計(jì)

優(yōu)化的核心思想是使裝置達(dá)到輕質(zhì)高強(qiáng)、減小運(yùn)輸、制作及保養(yǎng)的成本并且滿足規(guī)范所要求的校準(zhǔn)試驗(yàn)。以此，設(shè)計(jì)出如圖1 所示的裝置，并在10kN·m 量程扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)研究。

圖1 裝置構(gòu)型

1.1 杠桿優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)已有的校準(zhǔn)方法，校準(zhǔn)所用到的是長(zhǎng)達(dá)2m 多的一根剛性杠桿，端部使用懸掛砝碼的方式施力。由于結(jié)構(gòu)主要受彎，故采取工字鋼結(jié)構(gòu)形式對(duì)其進(jìn)行改良[4]。在杠桿與扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)連接處需要開一個(gè)連接孔，孔邊為扭轉(zhuǎn)、擠壓等復(fù)雜受力，則加厚截面。中間部分受力較小若為實(shí)心板重量會(huì)增加因此采用桁架梁的形式，以達(dá)到減少重量的目的，中部桁架為10mm×10mm 的矩形桿，整體構(gòu)型如圖2 所示。

圖2 杠桿構(gòu)型

利用等強(qiáng)梁的原理采取變截面形式可以節(jié)省大量材料從而進(jìn)一步減少杠桿的重量。等強(qiáng)梁變化規(guī)律為：式中：n-安全系數(shù)；σs-選用的Q235 鋼的屈服應(yīng)力235MPa；M（x）=FL-每個(gè)截面所對(duì)應(yīng)的彎矩值[4]；［σ ］-許用應(yīng)力。以1-1 截面為初始截面（x=0）同時(shí)設(shè)定板的厚度h=10mm進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算求取截面寬度，取n=2 解得當(dāng)x=0 時(shí)，M=FL=8.75kN·m，解得b=52.98mm，取整得b=60mm，當(dāng)x=680 時(shí)，M=FL=0.125kN·m，將2-2 截面的高度設(shè)為40mm，計(jì)算得寬度為b=13.7mm。

對(duì)杠桿整體進(jìn)行計(jì)算剪切應(yīng)力：

式中：［σ -］式（2）設(shè)計(jì)值；Fs-橫截面上的剪力；b-截面寬度；Iz-整個(gè)截面對(duì)中性軸的慣性矩；-截面上距中性軸為y 的橫線以外部分面積對(duì)中性軸的靜矩[4]。

杠桿許用剪應(yīng)力τmax=［σ ］/2，根據(jù)式（3）解得b=31.9mm，可知整個(gè)杠桿的截面最小寬度為31.9mm，故將截面寬度進(jìn)行取整，最終2-2 截面寬度定40mm。

1.2 加載方式設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的加載方式為懸掛砝碼，托盤掛在杠桿相應(yīng)的固定位置再逐級(jí)加砝碼的方式施力。本文選用支撐反力來代替重力，施力裝置為3.2t 手搖機(jī)械式千斤頂，預(yù)先固定在相應(yīng)的位置上，保證力與端點(diǎn)的距離為定值從而保證力矩的穩(wěn)定。

1.3 接觸裝置設(shè)計(jì)

接觸方式為點(diǎn)接觸，形成點(diǎn)接觸的方式是在傳感器與杠桿之間放置一個(gè)鋼珠。將鋼珠放置于傳感器中心位置，設(shè)計(jì)一個(gè)冠狀零件戴于鋼珠上，通過螺栓固定，使鋼珠與傳感器進(jìn)行良好的接觸并能保證傳感器的穩(wěn)定性及精確度。

由于安裝間隙，使杠桿上升的過程中會(huì)產(chǎn)生位移，接觸點(diǎn)會(huì)在杠桿上移動(dòng)，采用滑軌滑道的方式使接觸點(diǎn)在受側(cè)向分力影響移動(dòng)時(shí)更加合理?；壊捎秒p圓弧滾道[5]，滾道長(zhǎng)20mm 在滾道內(nèi)側(cè)裝配鋼珠，利用鋼珠的滾動(dòng)效應(yīng)使滑塊可以自由進(jìn)行橫向移動(dòng)，滑塊下部為一個(gè)弧段與下面的鋼珠接觸，在上升的過程中限制鋼珠的側(cè)向移動(dòng)。

2 裝置模擬分析

使用ANSYS 對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元計(jì)算分析，裝置與試驗(yàn)機(jī)連接處承受10kN·m 的彎矩，施力點(diǎn)與受力中心位置距離為0.8m，則在施力點(diǎn)施加12.5kN 的集中荷載，套在試驗(yàn)機(jī)上的孔邊采用完全固定的約束方式。對(duì)模型進(jìn)行應(yīng)力、變形分析[6]。

通過對(duì)結(jié)構(gòu)的分析，得到如圖3 所示的杠桿變形結(jié)果，最大變形為3.2mm。

圖3 ANSYS 計(jì)算

圖3（b）為等效應(yīng)力云圖，孔邊最大應(yīng)力為69.3MPa，桁架部分最大應(yīng)力為207MPa，均未超過選用材料Q235 鋼的屈服強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值（235MPa），因此該結(jié)構(gòu)形式滿足強(qiáng)度要求。

3 裝置試驗(yàn)分析

采用應(yīng)變電測(cè)技術(shù)對(duì)裝置進(jìn)行應(yīng)力測(cè)試分析，貼片在孔邊及危險(xiǎn)點(diǎn)處，貼片方式如圖4 所示。

圖4 貼片方式

ANSYS 模擬結(jié)果顯示桁架處應(yīng)力較大，為了測(cè)出杠桿的各部的應(yīng)力狀況及幾個(gè)危險(xiǎn)點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)。1#、2#、3#、4#幾處貼BF120-2AA 應(yīng)變計(jì)，通過公式（4）計(jì)算處點(diǎn)的應(yīng)力：

式中：E-彈性模量；ε-測(cè)出應(yīng)變值。

根據(jù)數(shù)值模擬分析的結(jié)果，桁架桿的部分區(qū)域受力最大。所以對(duì)其中的兩根桿進(jìn)行應(yīng)力測(cè)試，分別在中間的桿上的四個(gè)面貼上BF120-2AA 應(yīng)變計(jì)，貼片方式見圖4。通過電阻應(yīng)變儀測(cè)出各點(diǎn)應(yīng)變后，按式（4）計(jì)算其應(yīng)力。

與試驗(yàn)機(jī)連接的端部是一個(gè)孔洞，孔邊受力情況較復(fù)雜，孔周邊區(qū)域內(nèi)會(huì)出現(xiàn)顯著應(yīng)力集中的現(xiàn)象，由于擠壓等其他復(fù)雜力的作用，孔邊為復(fù)雜平面應(yīng)力狀態(tài)。對(duì)孔邊貼片以監(jiān)測(cè)其應(yīng)力狀態(tài)，12#、13#、14#、15#均采用BF120-3CB 金屬箔式電阻應(yīng)變花，測(cè)出其主應(yīng)力大小。通過電阻應(yīng)變儀測(cè)出應(yīng)變花各點(diǎn)應(yīng)變后，按式（5）和式（6）可以分別計(jì)算出其主應(yīng)力和等效應(yīng)力：

式中：E-彈性模量；μ-泊松比；εi+n-各方向上的應(yīng)變值；i-中性層方向；n-與中性層所成夾角，σ3=0。

4 裝置性能評(píng)估

加載至10kN·m 時(shí)各點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)如表1 所示，試驗(yàn)結(jié)果與模擬計(jì)算結(jié)果對(duì)比大致相同。試驗(yàn)結(jié)果表明杠桿與試驗(yàn)機(jī)的連接端上下表面的應(yīng)力與模擬的結(jié)果相同，連接端截面達(dá)到強(qiáng)度要求。在桁架的上下表面處，應(yīng)力與模擬值、計(jì)算值均接近，等強(qiáng)梁設(shè)計(jì)合理且大量減少材料的使用量。試驗(yàn)表明，桁架桿處接近施力端部的桿為結(jié)構(gòu)最危險(xiǎn)的地方，與模擬相近且并未屈服，桁架桿有效提高杠桿的穩(wěn)定性。孔邊平面應(yīng)力區(qū)域較復(fù)雜，通過試驗(yàn)測(cè)出并未產(chǎn)生屈服與變形。試驗(yàn)的結(jié)果表示杠桿的設(shè)計(jì)合理，達(dá)到輕質(zhì)高強(qiáng)且攜帶運(yùn)輸方便的設(shè)計(jì)目的。

表1 各點(diǎn)應(yīng)力值對(duì)比

5 結(jié)束語

應(yīng)力測(cè)試結(jié)果表明強(qiáng)度均達(dá)到要求，試驗(yàn)過程中杠桿全段無屈服現(xiàn)象。并且此裝置具有以下優(yōu)點(diǎn)：①杠桿采用工字鋼的結(jié)構(gòu)形式，杠桿中部區(qū)域受彎矩影響較小，采取桁架結(jié)構(gòu)形式，可以省去大量的材料從而使杠桿達(dá)到輕質(zhì)高強(qiáng)；②施力裝置接觸面平滑且可在杠桿上移動(dòng)以調(diào)整接觸點(diǎn)，同時(shí)可以完成點(diǎn)荷載的加載方式，提高扭矩校準(zhǔn)值的準(zhǔn)確度；③使用力傳感器代替砝碼加載，能使裝置輕便、可靠、易操作。