張智敏, 胡 剛, 張 躍, 孟 峰, 張 偉

(中國計量科學研究院, 北京 100029)

1 引 言

扭矩是動力機械的重要工作參數(shù),與動力機械的工作能力、能源消耗、效率、運轉(zhuǎn)壽命及安全性能緊密相關(guān),準確可靠地測出旋轉(zhuǎn)動力機械的平均或瞬時扭矩值,對改進和提高機械產(chǎn)品的性能有著重要意義。近年來,各行業(yè)尤其是風電、船舶等行業(yè)對大扭矩測量的需求日益增長,要求測量的扭矩量程越來越大,精度越來越高。為滿足風電等行業(yè)對大扭矩測量的需求,德國PTB、日本NMIJ等相繼建立了大量程扭矩標準裝置[1,2],德國PTB建立了測量上限至20 kN·m的系列靜重式扭矩標準裝置及1.1 MN·m參考式扭矩標準裝置,開展了5 MN·m參考式扭矩校準裝置的研發(fā)[3]。中國計量科學研究院相繼建立了從1 mN·m至20 kN·m的系列靜重式扭矩基標準裝置[4～6],為我國扭矩量值的溯源提供了技術(shù)保障。但現(xiàn)有扭矩基標準裝置還不能滿足20 kN·m以上的大扭矩量值溯源,因此中國計量科學研究院建立了100 kN·m靜重式扭矩標準裝置(以下簡稱100kN·m扭矩裝置)。

100 kN·m扭矩標準裝置采用靜重式結(jié)構(gòu),研制的高精度大承載刀口支承、力臂系統(tǒng)、砝碼加載系統(tǒng)等,有效優(yōu)化了力臂、砝碼等分量引起的不確定度。建立的100 kN·m靜重式扭矩標準裝置相對擴展不確定度優(yōu)于1×10-4(k=3)。

2 扭矩裝置機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

100 kN·m扭矩裝置采用靜重式結(jié)構(gòu),根據(jù)砝碼產(chǎn)生的重力和空氣對砝碼的浮力的合力與力臂臂長的矢積來復現(xiàn)扭矩值。裝置機械系統(tǒng)主要由力臂系統(tǒng)、砝碼組及加載系統(tǒng)、力臂調(diào)平機構(gòu)、聯(lián)接器和機座等組成[7]。

裝置總長約為4 400 mm,寬約為4 700 mm,總高約為4 100 mm。力臂支承部分采用刀口支承方式,以減小支承部分帶來的摩擦扭矩；力臂采用單梁結(jié)構(gòu),系統(tǒng)由多個部件組成,結(jié)合隨遇平衡原理,確保力臂重心處于中心刀刃上,以提高力臂的靈敏度；力臂平衡狀態(tài)由位移傳感器進行測量并通過伺服控制系統(tǒng)進行控制調(diào)整,以保證系統(tǒng)加載后保持初始平衡狀態(tài)；砝碼加載系統(tǒng)采用內(nèi)外圈砝碼串接與升降機構(gòu)結(jié)合的結(jié)構(gòu)形式,實現(xiàn)了大砝碼平穩(wěn)可靠的加卸載；砝碼懸掛機構(gòu)采用邊刀支承的多自由度柔性聯(lián)接方式,以減小砝碼懸掛給扭矩測量結(jié)果帶來的影響；扭矩標準裝置和扭矩傳感器的聯(lián)接采用撓性聯(lián)接技術(shù),解決了由于聯(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標準裝置輸出軸不同軸的問題。100 kN·m扭矩裝置機械結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.1 刀口支承部件

刀口支承部件是100 kN·m扭矩裝置的關(guān)鍵部件,要求其具有大載荷、高強度、高耐磨性和高靈敏度的特性。通過設(shè)計計算、材料冶煉、熱處理以及超精鏡面磨削加工工藝[8]等來確保制作的高精度刀口支承部件滿足裝置要求。

刀口支承部件設(shè)計中,首先通過理論計算與有限元分析得出初步的設(shè)計參數(shù),然后進行試樣制造并進行相應的各項試驗,依據(jù)試驗數(shù)據(jù)調(diào)整設(shè)計參數(shù)。通過分析計算和實際試驗相結(jié)合,找到最理想的刀口與刀承之間的接觸半徑與長度,在刀口支承的大載荷承載能力和高靈敏限之間取得最佳的平衡點。

100 kN·m扭矩裝置力臂長度為1.8 m,其刀口支承的額定載荷主要由以下部分組成:力臂兩側(cè)滿載狀態(tài)下承受重量約為12 t,力臂自重約為2 t,連接配件與被校扭矩傳感器等重約1 t,刀口刀承需承受的總載荷約15 t,考慮1.5倍安全裕度,刀口刀承承載能力須優(yōu)于22.5 t,約229.56 kN。經(jīng)過計算分析并考慮到力臂結(jié)構(gòu)和安全余量,主刀刀刃長度選為300 mm。圖2為刀口支承部件示意圖。

刀口刀承采用專用粉末冶金高速鋼制造,經(jīng)過可靠的時效處理,消除內(nèi)應力,成品零件具有HRC 66～68的硬度和良好的高韌性,采用超精加工和鏡面磨削技術(shù),保證刀口刀承超高尺寸精度、形位公差精度及極精細表面粗糙度的要求。

2.2 力臂系統(tǒng)

力臂系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和材料性能關(guān)系著長度值的準確性,直接影響到整臺裝置的技術(shù)性能指標。力臂系統(tǒng)由主刀口支承部件、力臂本體、配重部件、力臂保護機構(gòu)和激光位移傳感器水平監(jiān)測等部件組成,力臂系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖3所示。

圖3 力臂系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structure of moment-arm system

綜合考慮力臂的靈敏性、力臂的剛度和強度、砝碼加載系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)以及整機的美觀度等因素,力臂的標稱長度設(shè)計為1 800 mm。力臂設(shè)計采用等剛度設(shè)計原則,在滿足力臂剛度和強度的前提下,盡量減輕力臂的質(zhì)量。為保證力臂的機械性能,整個力臂件鍛造后整體加工,采用整料雕刻成形。為保證大尺寸力臂在切削過程中的變形可控,加工過程時使用百分表全程檢測其變形情況。力臂精加工時采用三點裝夾原則,避免造成過定位,出現(xiàn)應力彎曲。

力臂主刀刀刃與力臂兩側(cè)邊刀刀刃之間的空間平行度是整套裝置設(shè)計與制造成敗的關(guān)鍵點。力臂的設(shè)計[9]不僅要保證力臂長度的準確性,同時設(shè)計中要充分考慮力臂的對稱性,使力臂質(zhì)心落在力臂的對稱鉛垂線上。設(shè)計過程中借助三維設(shè)計軟件,控制力臂部件的重心點與力臂主刀刀刃重合。這一點在力臂設(shè)計中非常重要,因為依靠配重鉈等部件對力臂重心點調(diào)整的偏移量有限,設(shè)計中對力臂的對稱性如不予以充分的考慮和驗證,將會對力臂重心調(diào)整帶來困難。

設(shè)計了4組配重部件裝配在力臂上,通過對4組配重部件的不斷調(diào)整,最終使力臂系統(tǒng)的重心落于設(shè)計的重心點位置。隨遇平衡調(diào)節(jié)系統(tǒng)裝配于力臂前端。通過對此部件的反復調(diào)整,最終使力臂系統(tǒng)消除重心偏移產(chǎn)生的附加力矩達到隨遇平衡狀態(tài)。水平監(jiān)測系統(tǒng)和防過載保護系統(tǒng)位于力臂下端,采用激光位移傳感器和力傳感器對力臂的狀態(tài)進行監(jiān)測,通過伺服控制系統(tǒng)控制力臂調(diào)平機構(gòu)對力臂的水平狀態(tài)進行控制調(diào)整,以保證力臂系統(tǒng)加載后保持初始平衡狀態(tài)。

力臂長度的校準使用高準確度三坐標測量機。在力臂裝配狀態(tài)下在三坐標測量機上測出力臂長度及主刀刀刃與兩側(cè)邊刀刀刃間的平行度,根據(jù)測量數(shù)據(jù),精密研磨兩側(cè)邊刀承座,然后再在三坐標機上測量,這個過程需要反復進行多次,最終使力臂的長度精度和形位公差均達到設(shè)計要求。

力臂材料的性能直接關(guān)系著力臂長度的準確性。力臂系統(tǒng)采用整體結(jié)構(gòu),部件總長約3 800 mm,需要承受約15 t的載荷,綜合考慮材料的機械性能、制造加工性能、熱處理性能、溫度熱膨脹系數(shù)等因素,選用35號調(diào)質(zhì)鋼作為力臂材料。

2.3 砝碼組及加載機構(gòu)

100 kN·m扭矩裝置的扭矩值范圍為1～100 kN·m。力臂的標稱長度為1 800 mm,砝碼規(guī)格與數(shù)量為555.56 N×12、1 111.11 N×4、2 777.78 N×6、5 555.56 N×5,分為內(nèi)外兩圈砝碼,左右兩側(cè)各27個。砝碼組質(zhì)量及允許誤差如表1所示。

表1 砝碼組標稱質(zhì)量及允許誤差Tab.1 Nominal mass and permissible error of weights

砝碼組采用優(yōu)質(zhì)不銹鋼材料制造,遴選砝碼材料時先對該批次不銹鋼材料的密度和磁化率進行檢測,滿足要求后確定該批材料作為砝碼組材料。砝碼組和懸掛框架之間的配合依據(jù)錐面導向,平面接觸定位的原則設(shè)計。

砝碼主要由砝碼體、小吊鉤和配重螺母等部件組成。通過高準確度加工件小吊鉤來保證各個砝碼間的裝配精度,保證砝碼串接起來后的垂直度,同時要求砝碼質(zhì)心與圓心重合,使其對稱性好,確保砝碼吊起后的晃動小。砝碼間的互相連接采用外吊鉤的串接方式,采用三點圓錐導向定位銷,確保砝碼每次加卸載后互相間的位置保持一致。砝碼組結(jié)構(gòu)見圖4所示。

圖4 砝碼組結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure of weight group

砝碼加卸載采用內(nèi)外兩圈砝碼組和升降機構(gòu)結(jié)合的結(jié)構(gòu)形式,通過精密螺旋升降機構(gòu)與電氣控制系統(tǒng)相互配合,保證砝碼組的選擇和加卸載位置的準確性。內(nèi)外兩圈砝碼組分別安置于內(nèi)外托盤之上,通過軟件設(shè)定,實現(xiàn)砝碼組的自動加卸載。

3 性能驗證試驗

裝置安裝調(diào)試完畢后,采用TB2-10kNm、TB2-50kNm、T40FH 150kNm扭矩傳感器及數(shù)字測量儀DMP40,對裝置進行了性能驗證試驗。扭矩點覆蓋了100 kN·m扭矩裝置順時針(CW)和逆時針(CCW) 1 kN·m～100 kN·m全量程范圍。

3.1 重復性試驗

試驗按以下步驟進行:在0°方位角施加預負荷3次。預負荷完成后,逐級施加試驗負荷,然后退回到零負荷。在0°角進行3次試驗,然后依次在120°和240°方位角上,施加預負荷1次,逐級施加試驗負荷1次。在預負荷以及逐級試驗時,在每級扭矩加到后,保持30 s,記錄讀數(shù)值,直到額定扭矩。

扭矩值重復性按式(1)計算。圖5～圖7為100 kN·m扭矩裝置重復性試驗結(jié)果。

(1)

圖5 10 kN·m量程段扭矩值重復性Fig.5 Repeatability in 10 kN·m torque range segment

圖6 50 kN·m量程段扭矩值重復性Fig.6 Repeatability in 50 kN·m torque range segment

圖7 100 kN·m量程段扭矩值重復性Fig.7 Repeatability in 100 kN·m torque range segment

3.2 靈敏限試驗

采用一等標準毫克組和克組砝碼、標準扭矩傳感器以及精密數(shù)字測量儀對扭矩裝置靈敏限進行測量,測量摩擦扭矩對扭矩機不確定度的影響。

在初負荷和最大負荷,當力臂調(diào)平后,在力臂一端施加微小力(由砝碼產(chǎn)生),直到精密數(shù)字測量儀的指示有明顯改變,記錄砝碼質(zhì)量值。扭矩裝置靈敏限按(2)式計算。表2為裝置靈敏限試驗結(jié)果。

(2)

式中: Δm為在力臂上添加的小砝碼質(zhì)量；m為該測量點產(chǎn)生扭矩的砝碼標稱質(zhì)量。

表2 靈敏限試驗結(jié)果Tab.2 Results of sensitivity test

4 不確定度評定

在靜重式扭矩裝置不確定度評定中,產(chǎn)生不確定度的因素包括由扭矩值復現(xiàn)中各物理因素帶來的不確定度分量及與扭矩裝置安裝、調(diào)試性能有關(guān)的因素帶來的不確定度分量[10]。表3給出了100 kN·m扭矩裝置的各不確定度分量、分布類別及相對標準不確定度等。

100 kN·m扭矩裝置的合成標準不確定度ur,c為:

=1.65×10-5

(3)

100 kN·m扭矩裝置的合成擴展不確定度Ur,c=3ur,c=5.0×10-5。

表3 不確定度分量表Tab.3 Uncertainty budget

5 結(jié) 論

100 kN·m扭矩裝置采用了高精度大承載的力臂支承機構(gòu),有效減小了支承部分帶來的摩擦扭矩；力臂采用了單梁結(jié)構(gòu)并配置了力臂限位保護機構(gòu),同時解決了力臂系統(tǒng)中主刀刀刃和兩側(cè)邊刀刀刃平行度難于保證的問題,確保了力臂長度的高準確度；砝碼加載系統(tǒng)采用了內(nèi)外圈砝碼組和升降機構(gòu)結(jié)合的結(jié)構(gòu)形式,保證了大砝碼產(chǎn)生的力精確可靠地施加到力臂上,提高了扭矩裝置測量的準確度。100 kN·m扭矩裝置在1～100 kN·m范圍內(nèi)的重復性優(yōu)于5×10-5,相對擴展不確定度小于1×10-4(k=3),該裝置的控制系統(tǒng)與主機有機結(jié)合,實現(xiàn)了扭矩裝置的全自動化工作。