杠桿組件的結(jié)構(gòu)性能對扭矩標(biāo)準(zhǔn)機(jī)力臂杠桿平衡的影響分析

【摘 要】分析了扭矩標(biāo)準(zhǔn)機(jī)的工作原理和扭矩平衡機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)，從扭矩平衡驅(qū)動(dòng)裝置、配重平衡機(jī)構(gòu)、支承的刀口和刀承選擇、力臂杠桿鎖緊機(jī)構(gòu)及力臂杠桿自動(dòng)平衡系統(tǒng)等方面進(jìn)行分析，并從初負(fù)荷和最大負(fù)荷靈敏限的理論出發(fā)，分析了力臂杠桿組件結(jié)構(gòu)性能的重要性，其對扭矩標(biāo)準(zhǔn)機(jī)杠桿平衡的影響很大，由此得出力臂杠桿組件對整機(jī)計(jì)量準(zhǔn)確度的高低起到至關(guān)重要作用，可為相關(guān)領(lǐng)域的扭矩標(biāo)準(zhǔn)機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研制及生產(chǎn)提供一定參考價(jià)值，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

【關(guān)鍵詞】扭矩標(biāo)準(zhǔn)機(jī)；杠桿平衡；結(jié)構(gòu)性能；計(jì)量；準(zhǔn)確度

中圖分類號(hào)： TH823 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2017）32-0061-003

【Abstract】The working principle of torque standard machine and the key technology of torque balance mechanism are analyzed. From the aspects of torque balance drive device， balance weight mechanism， support cutter and knife bearing selection， arm lever locking mechanism and arm lever automatic balance system And so on. Based on the theory of the initial load and the maximum load sensitivity limit， the importance of the structural performance of the lever arm assembly is analyzed. It has a great influence on the lever balance of the torque standard machine. Machine measurement accuracy plays a crucial role in the level of accuracy， for the relevant areas of torque standard machine key technology development and production provide some reference value， with good economic benefits.

【Key words】Torque standard machine； Lever balance； Structural performance； Measurement； Accuracy

0 引言

機(jī)械和計(jì)量學(xué)上的“扭矩”是一個(gè)綜合反映機(jī)械設(shè)備力學(xué)特性的重要參數(shù)，用以評估機(jī)械設(shè)備和動(dòng)力設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)、能耗、壽命、效率和安全等性能，是機(jī)械產(chǎn)品開發(fā)研究、測試分析、質(zhì)量檢驗(yàn)、安全和優(yōu)化控制等工作中不可缺少的內(nèi)容[1-2]。就計(jì)量領(lǐng)域而言，扭矩標(biāo)準(zhǔn)機(jī)作為產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)扭矩值的精密裝置，是扭矩計(jì)量器具檢定系統(tǒng)框圖中重要的一環(huán)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)制造、航空航天、橋梁交通、國防裝備及科學(xué)研究等領(lǐng)域，用于對扭矩傳感器、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器及其它扭矩計(jì)量器具進(jìn)行檢定和校準(zhǔn)，從而確定扭矩的計(jì)量準(zhǔn)確度[3-4]。

然而，我國前些年的扭矩標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備技術(shù)相對陳舊，設(shè)備的準(zhǔn)確性、可靠性和自動(dòng)化程度與國際上先進(jìn)工業(yè)國家（如德國、英國、日本等）的扭矩設(shè)備相比有不小的差距[5-8]，這樣現(xiàn)狀引起我國該領(lǐng)域?qū)＜业膿?dān)憂。近五年來，我國與電機(jī)相關(guān)的生產(chǎn)企業(yè)對扭矩、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測量裝置等計(jì)量服務(wù)的需求日益增強(qiáng)，并向?qū)捔砍?、高?zhǔn)確度及智能化等態(tài)勢飛速發(fā)展，引起我們計(jì)量部門對該市場發(fā)展情況的極大重視。不少相關(guān)研究院所開展對扭矩標(biāo)準(zhǔn)機(jī)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)的大力度關(guān)注和資金投入，作為扭矩標(biāo)準(zhǔn)機(jī)最為核心的部件之一，力臂杠桿組件成為大家共同的興趣點(diǎn)及需要重點(diǎn)研究的對象。近幾年來，對于力臂杠桿組件的影響分析，國內(nèi)不少學(xué)者都展開了不少研究。王剛等[9]研究發(fā)現(xiàn)，對于扭矩標(biāo)準(zhǔn)裝置，影響其不確定度的主要因素之一為杠桿裝置力臂長度的不確定度、支撐點(diǎn)摩擦扭矩的不確定度、力臂水平度等方面引起的不確定度所組成的。因此采用了力偶施加方式，在力臂和中心轉(zhuǎn)軸之間使用特殊連接，構(gòu)成負(fù)載平衡系統(tǒng)，消除了因采用支撐軸承附加摩擦扭矩帶來的不確定度分量，且測試的效果較好。倪昔東等[10]主要考慮了影響標(biāo)準(zhǔn)機(jī)性能指標(biāo)的主要因素包括標(biāo)準(zhǔn)力臂對材料、機(jī)械 加工、裝配調(diào)整、性能測試等方面，認(rèn)為應(yīng)選擇了膨脹系數(shù)非常小的因鋼瓦合金鋼，同時(shí)對力臂結(jié)構(gòu)采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)分析進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，同時(shí)應(yīng)編制合理的加工工藝，從而保證力臂長度的準(zhǔn)確性。馬培鳳[11]、李濤[12]均從力臂杠桿長度的變化及其引入的不確定度進(jìn)行理論分析，說明力臂杠桿對整機(jī)計(jì)量準(zhǔn)確度的重要性。還有不少學(xué)者也不同程度地開展此方面的研究。以上種種研究表明，力臂杠桿的結(jié)構(gòu)組件對于一臺(tái)扭矩標(biāo)準(zhǔn)機(jī)的重要性可想而知。本文正是針對杠桿組件的結(jié)構(gòu)性能特點(diǎn)展開分析，特別是對于力臂杠桿平衡的影響方面做了一些分析。

1 工作原理

如圖1所示，該扭矩標(biāo)準(zhǔn)機(jī)的組成包括：主機(jī)、力臂杠桿、砝碼、扭矩平衡機(jī)構(gòu)、計(jì)算機(jī)及軟件系統(tǒng)等。其工作原理為采用力臂杠桿和砝碼的加載原理，即在臂長恒定的力臂杠桿上加載力值砝碼（組），由此產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)扭矩值，然后將標(biāo)準(zhǔn)扭矩值傳遞到被檢扭矩計(jì)量器具，扭矩平衡機(jī)構(gòu)再將力臂杠桿平緩地調(diào)整回到水平位置的同時(shí)產(chǎn)生大小相等、方向相反的平衡力矩，再通過比較二者的扭矩示值，即可到被檢扭矩計(jì)量器具的扭矩示值誤差的大小。

2 扭矩平衡機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 扭矩平衡驅(qū)動(dòng)裝置

扭矩驅(qū)動(dòng)裝置是力臂杠桿平衡驅(qū)動(dòng)的關(guān)鍵部件，其平衡性能的效果好壞直接影響到力臂杠桿有效長度，進(jìn)而關(guān)系到整機(jī)測量準(zhǔn)確度的高低。如圖2所示，扭矩驅(qū)動(dòng)裝置是采用伺服電機(jī)（功率為3kW）與減速機(jī)（串聯(lián)）以驅(qū)動(dòng)主軸平穩(wěn)、緩慢地旋轉(zhuǎn)，從而驅(qū)動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)，可配合將撓性聯(lián)軸器與被檢扭矩傳感器進(jìn)行對中鎖緊，然后將扭矩傳遞至已連接的被檢扭矩傳感器，帶動(dòng)力臂杠桿繞軸線進(jìn)行微小調(diào)整，最終滿足力臂杠桿達(dá)到平衡狀態(tài)。endprint

在調(diào)平過程中，調(diào)節(jié)速度最低為2°/min，以避免產(chǎn)生附加應(yīng)力而造成減速機(jī)驅(qū)動(dòng)主軸時(shí)的動(dòng)作不當(dāng)現(xiàn)象，也為砝碼組加載后可及時(shí)恢復(fù)力臂杠桿的平衡狀態(tài)要求，因此要兼顧精度與速度兩個(gè)指標(biāo)。

2.2 配重平衡機(jī)構(gòu)

為了使得力臂杠桿處于自由狀態(tài)時(shí)的自然平衡，應(yīng)對其固有的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行配重補(bǔ)償，一般都是采取四個(gè)方向的配重來實(shí)現(xiàn)此要求。如圖3所示，力臂杠桿的配重平衡機(jī)構(gòu)由左、右、后三組平衡砣及用于調(diào)整力臂杠桿重心的上平衡陀（用于調(diào)整靈敏度）組成，實(shí)現(xiàn)了多個(gè)方向的平衡調(diào)整，直至力臂杠桿平衡滿足控制指標(biāo)要求。

依據(jù)JJG 769-2009《扭矩標(biāo)準(zhǔn)機(jī)檢定規(guī)程》對力臂杠桿的初負(fù)荷和最大負(fù)荷靈敏限的計(jì)算公式及測試方法，即可得出力臂杠桿的初負(fù)荷靈敏限和最大負(fù)荷靈敏限[13-14]。

（1）初負(fù)荷靈敏限：同時(shí)在力臂杠桿的兩側(cè)施加扭矩標(biāo)準(zhǔn)機(jī)的初負(fù)荷，記錄平衡指示位置，在力臂杠桿的一端施加小砝碼Δm1，直至平衡指示器有明顯變化。記錄所加小砝碼Δm1大小，按下式計(jì)算出初負(fù)荷靈敏限：S1=Δm1/m1×100%，其中：S1為初負(fù)荷靈敏限；Δm1為測量初負(fù)荷時(shí)，所施加的小砝碼的質(zhì)量；m1為初負(fù)荷對應(yīng)的砝碼質(zhì)量；（2）最大負(fù)荷靈敏限：同時(shí)在力臂杠桿的兩側(cè)施加扭矩標(biāo)準(zhǔn)機(jī)的最大負(fù)荷，記錄平衡指示位置，在力臂杠桿的一端施加小砝碼Δm2，直至平衡指示器有明顯變化。記錄所加小砝碼Δm2大小，按下式計(jì)算出最大負(fù)荷靈敏限：S2=Δm2/m2×100%，其中：S2為最大負(fù)荷靈敏限；Δm2為測量最大負(fù)荷時(shí)，所施加的小砝碼的質(zhì)量；m2為最大負(fù)荷對應(yīng)的砝碼質(zhì)量。

2.3 支承的刀口和刀承

對于適合工程扭矩計(jì)量的力臂杠桿各種支承方式而言，摩擦力矩的因素帶來的始終是無法避免的，其不確定分量基本上占到了整機(jī)總不確定度的1/3，選擇此結(jié)構(gòu)的支承方式時(shí)很難通過特別的技術(shù)手段進(jìn)行更多的改善。如圖4、5所示，這是一臺(tái)5kNm扭矩標(biāo)準(zhǔn)機(jī)的力臂杠桿刀口和刀承，其支采用刀子、刀承支承結(jié)構(gòu)，其刀口及刀承所采用的材料、硬度以及三個(gè)刀口的平行度能夠保證扭矩標(biāo)準(zhǔn)機(jī)的初負(fù)荷靈敏限和滿負(fù)荷靈敏限不大于0.0l%的要求（對于整機(jī)準(zhǔn)確度等級為0.03級而言）。

2.4 力臂杠桿鎖緊機(jī)構(gòu)

如圖6所示，該鎖緊機(jī)構(gòu)是一種采用機(jī)械式的支撐保護(hù)與限位機(jī)構(gòu)，而加壓和卸壓過程是依靠空壓機(jī)的驅(qū)動(dòng)通過吸氣、壓縮及排氣實(shí)現(xiàn)的，保證被檢扭矩計(jì)量器具在拆裝過程，將力臂杠桿的位移量限制在一個(gè)較小幅度內(nèi)，避免力臂杠桿的任意擺動(dòng)，從而達(dá)到不對支承刀口和刀承的機(jī)構(gòu)施加附加外力，有效地保護(hù)了支承刀口和刀承不易受到損壞。

2.5 力臂杠桿自動(dòng)平衡系統(tǒng)

靜重式扭矩標(biāo)準(zhǔn)機(jī)是采用砝碼進(jìn)行施加載荷，每級砝碼在加載時(shí)，力臂杠桿將發(fā)生位移變化，通過采用激光非接觸式位移傳感器（分辨率lμm）檢測到力臂杠桿發(fā)生的水平偏移量，位于扭矩機(jī)構(gòu)中的伺服電機(jī)接收到位移信號(hào)，通過控制減速機(jī)將力臂杠桿進(jìn)行量化控制直至精確地調(diào)整至水平位置，從而確保力臂杠桿達(dá)到平衡，最終實(shí)現(xiàn)扭矩的加載。該自動(dòng)平衡系統(tǒng)的標(biāo)定和檢測時(shí)，使用分度值為0.02mm/m的條形水平儀對力臂杠桿的水平度進(jìn)行多次測量與調(diào)整得以實(shí)現(xiàn)，以確保在整機(jī)正常工作時(shí)力臂杠桿的平衡準(zhǔn)確度優(yōu)于0.06mm/m，由此力臂杠桿的有效工作長度得以保證，整機(jī)的扭矩計(jì)量性能也符合技術(shù)要求。

3 結(jié)論

對于扭矩標(biāo)準(zhǔn)機(jī)而言，力臂杠桿組件是最為核心部件之一，其結(jié)構(gòu)性能與力臂杠桿是否達(dá)到良好的平衡狀態(tài)是息息相關(guān)的。對于大多數(shù)的研究機(jī)構(gòu)和生產(chǎn)廠家，為了研制出使得整機(jī)保持較高準(zhǔn)確度的力臂杠桿，應(yīng)對力臂杠桿各部分組件技術(shù)細(xì)節(jié)進(jìn)行性能分析和綜合計(jì)算評估，分別從扭矩驅(qū)動(dòng)平衡裝置的調(diào)節(jié)速度、配重平衡機(jī)構(gòu)的配重補(bǔ)償、力臂杠桿鎖緊機(jī)構(gòu)對支承刀口和刀承的保護(hù)以及力臂杠桿自動(dòng)平衡系統(tǒng)的水平控制等方面進(jìn)行質(zhì)量把控，以使真正地實(shí)現(xiàn)各部分組件本身及整體組件對力臂杠桿平衡指標(biāo)的影響量足夠小，最終較好地滿足整機(jī)達(dá)到相應(yīng)準(zhǔn)確度等級的技術(shù)要求。

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