一種旋轉(zhuǎn)扭矩校準(zhǔn)裝置的測量不確定度評定

陳明連 李 江 倪晉權(quán) 倪昔東 李 濤

(上海船舶設(shè)備研究所，上海 200031)

1 引 言

扭矩參數(shù)是動力系統(tǒng)中的重要參數(shù)[1]。對于各動力設(shè)備，譬如汽車、火車、輪船、飛機等，其動力系統(tǒng)中安裝的扭矩測量儀或扭矩傳感器工作狀態(tài)都是在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下進行扭矩測量的。而在校準(zhǔn)實驗室中，扭矩傳感器的計量校準(zhǔn)基本是在靜態(tài)扭矩校準(zhǔn)裝置上進行校準(zhǔn)的。因此，存在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)和靜態(tài)校準(zhǔn)之間的差異。在某些設(shè)備動力系統(tǒng)現(xiàn)場中，旋轉(zhuǎn)軸上安裝的扭矩校準(zhǔn)測量設(shè)備，在旋轉(zhuǎn)時有很大的旋轉(zhuǎn)動態(tài)效應(yīng)，其扭矩特性遠遠偏離于靜態(tài)校準(zhǔn)時的數(shù)據(jù)，以靜代動的校準(zhǔn)方式會造成一定的質(zhì)量事故，甚至出現(xiàn)斷軸事故[2]。目前國內(nèi)外開展了一些相關(guān)的研究，研制了旋轉(zhuǎn)扭矩校準(zhǔn)裝置，應(yīng)用到各類旋轉(zhuǎn)動力設(shè)備中。但是對于旋轉(zhuǎn)扭矩校準(zhǔn)還沒有統(tǒng)一的校準(zhǔn)規(guī)范，也沒有統(tǒng)一的測量不確定度評定方法，只有各單位自己編制自己使用的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

針對上述問題，研制了一種旋轉(zhuǎn)扭矩校準(zhǔn)裝置，并著重對該裝置的扭矩測量不確定度評定進行了闡述，為最終制訂旋轉(zhuǎn)扭矩校準(zhǔn)規(guī)范奠定基礎(chǔ)。

2 裝置組成

旋轉(zhuǎn)扭矩校準(zhǔn)裝置的構(gòu)成如圖1所示。上圖中所示旋轉(zhuǎn)扭矩(和推力)校準(zhǔn)裝置[3]，由平臺、直流伺服電機、傳動箱、傳動箱安裝座、標(biāo)準(zhǔn)扭矩傳感器、波紋管聯(lián)軸器、推力校準(zhǔn)單元、電氣控制裝置、上位機和軟件以及被校扭矩單元和被校推力單元等組成。平臺為整臺裝置提供支撐，直流伺服電機做驅(qū)動，被校扭矩單元做負(fù)載對系統(tǒng)扭矩進行加載。標(biāo)準(zhǔn)扭矩傳感器經(jīng)過靜態(tài)校準(zhǔn)和轉(zhuǎn)速特性校準(zhǔn)后作為標(biāo)準(zhǔn)器具串接到軸系中，為裝置提供標(biāo)準(zhǔn)扭矩數(shù)據(jù)。推力校準(zhǔn)單元作為標(biāo)準(zhǔn)器具，為校準(zhǔn)推力提供標(biāo)準(zhǔn)推力數(shù)據(jù)，本文不討論裝置中推力校準(zhǔn)相關(guān)內(nèi)容。

圖1 一種旋轉(zhuǎn)扭矩校準(zhǔn)裝置Fig.1 One type of rotation torque calibration machine

3 裝置電控原理

通過電控柜集成控制元器件，結(jié)合伺服電機、控制器等對系統(tǒng)扭矩、轉(zhuǎn)速進行控制。電控柜內(nèi)采用模塊化設(shè)計，將控制的電氣元件都安裝在柜內(nèi)，有效防止信號的干擾和被干擾。控制柜內(nèi)包含兩臺直流調(diào)速控制器，可編程控制器(PLC)，以及空開、熔斷器、濾波器、設(shè)備安全繼電器等元器件。

直流調(diào)速控制器采用西門子6RA80系列，扭矩加載驅(qū)動側(cè)直流調(diào)速控制器采用轉(zhuǎn)速控制模式驅(qū)動直流電機旋轉(zhuǎn)，與速度編碼器的反饋構(gòu)成閉環(huán)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)，扭矩負(fù)載驅(qū)動電機直流調(diào)速控制器采用轉(zhuǎn)矩控制模式，與標(biāo)準(zhǔn)扭矩傳感器的反饋構(gòu)成閉環(huán)扭矩控制系統(tǒng)[4]。

4 測量不確定度評定

4.1 測量模型

進行測量不確定度評定，需要建立測量模型或測量函數(shù)。測量模型是測量中涉及的所有已知量間的數(shù)學(xué)關(guān)系[5]。通過對校準(zhǔn)裝置結(jié)構(gòu)和扭矩測量影響因素的分析，校準(zhǔn)裝置的測量原理是將標(biāo)準(zhǔn)扭矩傳感器數(shù)值與被校動力儀內(nèi)部扭矩測量單元扭矩數(shù)值進行比較，從而對動力儀扭矩進行校準(zhǔn)，因此本裝置扭矩校準(zhǔn)的測量模型為

M=T(E,Δ,R,δ,fr,S)

(1)

式中：M——動力儀扭矩示值，N·m；T——標(biāo)準(zhǔn)扭矩傳感器示值，N·m；E——標(biāo)準(zhǔn)扭矩傳感器誤差；Δ——讀數(shù)分辨率；R——裝置扭矩測量重復(fù)性；δ——軸系同軸度；fr——軸系摩擦扭矩；S——標(biāo)準(zhǔn)扭矩傳感器轉(zhuǎn)速。

這些因素分別會引入測量不確定度分量，其中E、R、S引入的不確定度分量為A類，Δ、δ、fr引入的不確定度分量為B類。

4.2 不確定度分量的評定

4.2.1 標(biāo)準(zhǔn)扭矩傳感器靜態(tài)誤差引入的不確定度分量

為了計算標(biāo)準(zhǔn)扭矩傳感器誤差E，需要將標(biāo)準(zhǔn)扭矩傳感器安裝到靜態(tài)扭矩標(biāo)準(zhǔn)機上進行校準(zhǔn)。圖2為200N·m扭矩標(biāo)準(zhǔn)機。

圖2 200N·m扭矩標(biāo)準(zhǔn)機Fig.2 200N·m torque standard machine

標(biāo)準(zhǔn)扭矩傳感器與扭矩標(biāo)準(zhǔn)之間采用光軸法蘭和液壓抱閘聯(lián)接，而不采用鍵連接，可消除鍵連接的不同軸度和偏心的影響。200N·m扭矩標(biāo)準(zhǔn)機、液壓抱閘、聯(lián)接法蘭和被校扭矩傳感器之間的安裝如圖3所示。

(2)

圖3 標(biāo)準(zhǔn)扭矩傳感器校準(zhǔn)聯(lián)接圖Fig.3 Conection diagram of standard torque transducer

4.2.2 讀數(shù)分辨率引入的不確定度分量u2

(3)

式中：Tr——標(biāo)準(zhǔn)扭矩傳感器的額定扭矩，N·m。

4.2.3 扭矩測量重復(fù)性引入的不確定度分量u3

裝置對動力儀進行扭矩校準(zhǔn)，扭矩測量重復(fù)性采用A類評定方法，經(jīng)過6次實際測量，其引入的不確定度分量為

(4)

4.2.4 同軸度誤差引入的不確定度分量u4

(5)

軸系采用工裝進行對中，可以使得徑向跳動小于0.05mm，同時還可以采用激光對中儀進行校核對中精度。

4.2.5 軸系摩擦引入的不確定度分量u5

軸系摩擦扭矩經(jīng)過測試和修正，摩擦引入的誤差可降低到最小，估計u5為0.1%。軸系摩擦扭矩測試方法為，將圖1中聯(lián)軸器斷開，使得軸系左右分開。啟動直流伺服電機，在不同速度下旋轉(zhuǎn)，測得空載工況下(此時只有軸系摩擦扭矩)標(biāo)準(zhǔn)扭矩傳感器的值，即為軸系摩擦扭矩值，從而在校準(zhǔn)時將摩擦扭矩值剔除和修正。

4.2.6 標(biāo)準(zhǔn)扭矩傳感器轉(zhuǎn)速誤差引入的不確定度分量u6

(6)

轉(zhuǎn)速特性校準(zhǔn)即將扭矩傳感器安裝到專門的轉(zhuǎn)速特性校準(zhǔn)裝置中，在不加載扭矩的情況下，校準(zhǔn)因轉(zhuǎn)速變化扭矩傳感器產(chǎn)生的誤差。轉(zhuǎn)速特性校準(zhǔn)裝置如圖4所示。

圖4 轉(zhuǎn)速特性校準(zhǔn)裝置Fig.4 Rotate speed characteristic calibration machine

各不確定度分量之間相互獨立，測試系統(tǒng)扭矩標(biāo)準(zhǔn)合成不確定度ucr為

(7)

ucr=0.27%

因此，扭矩測量擴展不確定度Ur為

Ur=k×ucr

(8)

Ur=2×0.27%=0.6% (k=2)

4.3 試驗驗證

滿量程為25N·m的XX型動力儀在該裝置上進行校準(zhǔn)，標(biāo)稱值y0為25N·m時，校準(zhǔn)值y為25.07N·m,XX型動力儀出廠扭矩校準(zhǔn)的不確定度為UX=0.8%(k=2)。為了驗證該評定方法是否合理，應(yīng)滿足公式(9)的要求。

(9)

式中：y——動力儀校準(zhǔn)值，N·m；y0——動力儀扭矩校準(zhǔn)裝置標(biāo)稱值，N·m。

將數(shù)據(jù)代入上式計算，可得

從驗證結(jié)果可以看出，本裝置滿足測量標(biāo)準(zhǔn)性能驗證要求。因此，可認(rèn)為該評定方法是合理的。

5 結(jié)束語

鑒于國內(nèi)外目前尚無旋轉(zhuǎn)扭矩校準(zhǔn)規(guī)范，本文基于一種旋轉(zhuǎn)扭矩校準(zhǔn)裝置，詳細分析了影響旋轉(zhuǎn)扭矩校準(zhǔn)不確定度的因素，深入介紹了各不確定度分量評定的方法，為最終建立旋轉(zhuǎn)扭矩校準(zhǔn)規(guī)范奠定了基礎(chǔ)。采用本文所述的旋轉(zhuǎn)扭矩測量不確定度評估方法，對我們研制的一臺旋轉(zhuǎn)扭矩校準(zhǔn)裝置(試驗臺)進行了評定，并進行了試驗驗證。在校準(zhǔn)測量中，旋轉(zhuǎn)扭矩工況可能有差別，應(yīng)根據(jù)實際情況增加或減少不確定度分量。