新型自平衡液壓式力標(biāo)準(zhǔn)機力值砝碼系統(tǒng)

虞躍凌 王振基/上海市計量測試技術(shù)研究院

0 引言

液壓式力標(biāo)準(zhǔn)機(HM：hydraulic-amplification force standard machine)就是以砝碼的重力作為標(biāo)準(zhǔn)負荷，經(jīng)過一定的兩組油缸活塞組合的液壓系統(tǒng)放大后，按預(yù)定順序自動平穩(wěn)地把負荷施加到被檢測力儀上的力標(biāo)準(zhǔn)機。液壓式力標(biāo)準(zhǔn)機作為國家的基標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，是一種高準(zhǔn)確度等級的力值計量標(biāo)準(zhǔn)裝置[1]。

常見液壓式力標(biāo)準(zhǔn)機的工作原理如圖1所示。砝碼加載在測力活塞上，使測力油缸內(nèi)液體產(chǎn)生壓力，其壓力通過油管傳遞到工作油缸內(nèi)，使工作活塞產(chǎn)生的力作用到被檢測力儀上。

圖1 液壓式力標(biāo)準(zhǔn)機工作原理

當(dāng)油缸活塞之間的漏油量比較小，接近于液壓靜平衡，以及忽略油缸活塞之間機械摩擦的情況下，作用在被檢測力儀上的力F，根據(jù)帕斯卡原理可表示為

式中：W—加載在測力活塞上砝碼的重力（kN）；

F1—初載荷（kN）；

S1—工作活塞的有效面積（cm2）；

S2—測力活塞的有效面積（cm2）。

1 傳統(tǒng)液壓式力標(biāo)準(zhǔn)機檢定校準(zhǔn)時存在的問題

傳統(tǒng)液壓式力標(biāo)準(zhǔn)機的工作方式就是按照砝碼排列順序依次加卸載，為了擴展力標(biāo)準(zhǔn)機的測量點，砝碼的組合方式往往會采用兩組標(biāo)準(zhǔn)力值砝碼，即一組小砝碼加上一組大砝碼的方式。F1作為初載荷，其產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)力值等于一級小砝碼產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)力值，F(xiàn)1與小砝碼組相加所產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)力值等于一級大砝碼產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)力值；F1加上大、小砝碼組相加所產(chǎn)生的力值等于該力標(biāo)準(zhǔn)機的測量上限。

初載荷F1可用式（3）表示：

式中：W0—測力活塞及其砝碼加卸載機構(gòu)中的掛鉤、托盤等裝置的自重（kN）；

h—工作活塞底面距測力活塞底面的高度差（mm），即工作時的動態(tài)平衡位置；

r—工作油的比重（kN/cm2）；

W1—工作活塞及其上的工作臺等的自重（kN）；

W2—被檢測力計的自重（kN）。通常，工作活塞及其上面的工作臺等的自重W1達幾十千牛，而正是由于W1的存在，使用傳統(tǒng)的液壓技術(shù)，無法平衡這么大的W1，所以由式（3）可知，對于液壓式力標(biāo)準(zhǔn)機來說，不可避免地產(chǎn)生了一個初載荷F1。

由于初載荷F1的存在，液壓式力標(biāo)準(zhǔn)機在檢定校準(zhǔn)工作中就帶來了問題。

1）被檢儀器設(shè)備的自重W2一般是通過調(diào)整力標(biāo)準(zhǔn)機工作活塞底面距測力活塞底面的高度差h來進行平衡。被檢儀器的自重W2的變化范圍很大并且無法控制，最大值要達到幾千牛，因此每次平衡的位置都不一樣，理論上只要h足夠大，力標(biāo)準(zhǔn)機就可以自動平衡W2。但在實際工作中h的調(diào)整范圍都是有限的，大多數(shù)情況下，W2都會超出力標(biāo)準(zhǔn)機自平衡范圍，因此需要通過在測力活塞上另加小砝碼來進行平衡。所以，在實際工作中，需要對每一臺被檢的測力儀進行稱重，通過計算得到需要配重的小砝碼數(shù)值，既增加檢定的工作量，降低了工作效率，同時對于每一臺被檢測力儀，都需要選擇不同的小砝碼來進行平衡，這就引進了一個變量，影響到整個檢定過程的不確定度。

2）初載荷F1的安裝調(diào)試復(fù)雜，影響初載荷F1的因素非常多。除去以上提到W1、W2等因素外，S1、S2等參數(shù)在機械加工完成以后變成了定值，放大比k不可能是一個整數(shù)值，W1非常大，通常要幾十千牛，同時也不可能是一個整數(shù)值，所以只能調(diào)整W0來平衡。由于W0中的測力活塞安裝在測力油缸內(nèi)，安裝后就是一個定值。只能通過調(diào)整砝碼加卸載機構(gòu)中的掛鉤、托盤等裝置自重的方法來實現(xiàn)平衡。在整個調(diào)整過程中，需反復(fù)稱量、研磨掛鉤、托盤等裝置，同時，還要考慮：

（1）掛鉤、托盤等裝置的幾何尺寸必須同時滿足設(shè)計要求；

（2）注意砝碼加卸載機構(gòu)的同軸度，即在調(diào)整掛鉤時，必須一組一組地進行研磨和稱量，而不是單獨對每個掛鉤進行調(diào)整；

（3）必須考慮到力值砝碼的質(zhì)心位置的調(diào)整，也就是對中問題。

因此要將初載荷F1的調(diào)整到一個理想的值，就必須消耗大量的時間和人力物力。

3）日常的檢定校準(zhǔn)中，初載荷F1一旦發(fā)生變化，產(chǎn)生系統(tǒng)誤差，就會影響整個力標(biāo)準(zhǔn)機的準(zhǔn)確度等級，而重新調(diào)整又非常困難，必須把整個砝碼加卸載系統(tǒng)拆分后，才能對初載荷F1重新進行調(diào)整。

4）當(dāng)被檢測力儀的測量范圍接近力標(biāo)準(zhǔn)機的滿量程時，由于初載荷F1的存在，只能按照砝碼排列順序從小到大依次加卸載，大大降低了工作效率。

2 新型自平衡液壓技術(shù)的采用和標(biāo)準(zhǔn)力值砝碼系統(tǒng)的設(shè)計

由此可見，如果可以設(shè)法消除初載荷F1，那么問題就迎刃而解，力標(biāo)準(zhǔn)機的工作原理就完全符合經(jīng)典的帕斯卡原理，其公式就轉(zhuǎn)變?yōu)?/p>

籌建5 MN液壓式力標(biāo)準(zhǔn)機時，針對初載荷F1，做了大量的試驗工作，力圖解決這個問題。隨著近年來液壓技術(shù)的不斷發(fā)展，利用液壓分流穩(wěn)壓保載原理，研發(fā)出一種新型自平衡液壓油缸技術(shù)。利用新技術(shù)制造的工作油缸及活塞系統(tǒng)，通過反復(fù)試驗，已完全可以自動平衡重達幾十千牛的W1，并且其液壓缸的靈敏度、穩(wěn)定性以及油缸泄漏性都完全符合設(shè)計要求，取得了滿意的效果。而被檢測力儀自重W2相對于W1的自重，極限最大值也只有W1的10%，所以在自動平衡W1的同時，也可以將被檢測力儀的自重W2一并平衡掉。

測力油缸及活塞系統(tǒng)也采用這種自平衡液壓油缸技術(shù)，可以自動平衡W0。同時，在液壓油路系統(tǒng)的設(shè)計中也可減小工作活塞底面與測力活塞底面之間的高度差h，這樣使整個液壓系統(tǒng)處于一種動態(tài)的平衡狀態(tài)，消除了初載荷F1，達到了原定的研制要求。

由于初載荷F1可以被平衡掉，就可以改變原先標(biāo)準(zhǔn)力值砝碼依次加卸載的傳統(tǒng)工作方式，通過自由組合力值砝碼，實現(xiàn)最佳的的加卸載，大大提高工作效率。以測量范圍為50 kN～5 MN的液壓式力標(biāo)準(zhǔn)機為例，被檢測力儀或力傳感器的常見檢定點如表1所示。

表1 （50kN～5MN）的常用檢定點

根據(jù)要求，在標(biāo)準(zhǔn)力值砝碼的組合方式上，改變傳統(tǒng)的大、小兩套砝碼組，采用三套砝碼組的形式，取傳遞放大比為200，具體砝碼規(guī)格和可實現(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)力值如表2所示。

表2 三套標(biāo)準(zhǔn)力值砝碼組組合表

新型的力值砝碼組合方式在50 kN～5 MN的測量范圍內(nèi)，針對常見被檢測力儀或力傳感器的規(guī)格，表3給出了通過加載各級標(biāo)準(zhǔn)力值砝碼實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)力值的方法。這樣的砝碼組合方式有以下優(yōu)點：

1）工作效率提高，故障率降低

結(jié)構(gòu)改變后，就不需要從小砝碼組開始加載，縮短了加載時間，提高了工作效率；在最常見的1000 kN、2000 kN和3000 kN的檢測過程中，由于減少小砝碼組的加載數(shù)量，整個力標(biāo)準(zhǔn)機的動作減少，在實現(xiàn)工作效率提升的同時，降低了力標(biāo)準(zhǔn)機發(fā)生故障的概率。如果再增加一塊250 kg的大砝碼，那在檢測3000 kN時，也就可以直接加載大砝碼組，無需動作中、小砝碼組，進一步提高工作效率。以檢測一臺30 MN的測力儀為例，使用現(xiàn)有的力標(biāo)準(zhǔn)機完成全部檢測工作，至少需要3 h以上，而使用了新的工作方式，只需要2 h就可以完成。

表3 常用測力儀或力傳感器測量點實現(xiàn)方法

2）避免標(biāo)準(zhǔn)力值砝碼加卸載過程中的“逆程”現(xiàn)象[2]

傳統(tǒng)的液壓式力標(biāo)準(zhǔn)機是按順序依次加卸載標(biāo)準(zhǔn)力值砝碼，比如一臺2 MN的液壓式力標(biāo)準(zhǔn)機實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)力值的情況如表4所示。

表42 MN液壓式力標(biāo)準(zhǔn)機砝碼組合方式及實現(xiàn)力值

可知，在檢定完200 kN后檢定300 kN時，就必須要卸載兩級小砝碼，再加載一級大砝碼才能實現(xiàn)300 kN，并且對于檢測如500、700、900、1100、1300、1500、1700、1900等測量點時都不可避免地出現(xiàn)大小砝碼組倒換情況。而根據(jù)規(guī)程JJG144 - 2007《標(biāo)準(zhǔn)測力儀》要求，在進程檢定時，必須按負荷遞增順序逐級進行檢定，而回程檢定時，必須按負荷遞減順序逐級進行檢定。傳統(tǒng)的液壓式力標(biāo)準(zhǔn)機顯然就會出現(xiàn)“逆程”現(xiàn)象，無法完全滿足規(guī)程要求[3]。而新型的砝碼組合方式利用計算機軟件，根據(jù)需要測量的檢定點，篩選出最優(yōu)的砝碼加載順序，從而完全避免“逆程”現(xiàn)象。

3）擴展測量點

通過算法，進行排列組合，實現(xiàn)在整個測量范圍內(nèi)以50 kN為間隔的測量點進行檢測，可以實現(xiàn)如2050 kN、3650 kN等特殊點的檢測，從而滿足客戶對力傳感器或測力儀的特殊檢測要求。

另外，為了便于今后的裝卸，保養(yǎng)，重新定度，對整個機構(gòu)包括傳動機構(gòu)和砝碼的外形尺寸均重新進行了設(shè)計，并在研制和制造過程中逐一解決了相關(guān)技術(shù)難題，保證了該新型自平衡液壓式力標(biāo)準(zhǔn)機工作中準(zhǔn)確快速穩(wěn)定地加卸載標(biāo)準(zhǔn)力值砝碼，本文不再贅述。

[1]全國力值硬度計量技術(shù)委員會.JJG 734 - 2001[S].北京：中國計量出版社，2001.

[2]錢筱林, 陳群, 謝曉斌，等.靜重式力標(biāo)準(zhǔn)機“逆程”現(xiàn)象的影響及消除[J].現(xiàn)代計量測試，2001，9（04）：24-27.

[3]全國力值硬度計量技術(shù)委員會.JJG144 - 2007[S].北京：中國計量出版社，2007.