基于空氣軸承支撐技術的高準確度大扭矩標準裝置研究

張智敏,張 躍,孟 峰,蔣繼樂,胡 剛,張 偉

(中國計量科學研究院,北京 100029)

1 引 言

高端動力裝備在裝備制造業(yè)中占有舉足輕重的地位,是制造業(yè)中各種重大成套技術裝備的核心組成部分,如動力機械中風力發(fā)電機組,交通運輸設備的動力傳動系統(tǒng)航空發(fā)動機、汽車發(fā)動機及變速箱,大型艦艇推進系統(tǒng)及大型工程成套設備中的壓縮機、風機和各種泵等?，F(xiàn)代高端動力裝備不再是單純的機械系統(tǒng),而是集精密機械、高精度多參數(shù)測量技術和控制技術于一體的系統(tǒng)。扭矩參數(shù)是高端動力裝備軸系動力機械的關鍵特征參數(shù),是以旋轉(zhuǎn)方式傳遞動力的設備的主要性能指標。扭矩測量系統(tǒng)用于準確、可靠地測量動力及傳動機械設備的扭矩參數(shù),監(jiān)測設備工作狀態(tài),當設備的運動參數(shù)處于正常范圍內(nèi)時,系統(tǒng)根據(jù)設備的工作狀態(tài)優(yōu)化其運動狀態(tài)控制參數(shù),從而提高設備的工作效率;當設備運動參數(shù)超出正常范圍內(nèi)時,系統(tǒng)發(fā)出故障警報,通過分析扭矩參數(shù)對系統(tǒng)故障進行診斷并采用適當?shù)墓收咸幚聿呗詫υO備運動狀態(tài)進行緊急控制。由此可見,扭矩參數(shù)準確、可靠的測量是現(xiàn)代動力裝備有效可靠工作的基礎。

為滿足先進制造業(yè)等領域?qū)Ω邷蚀_大扭矩參數(shù)計量儀器的需求,2012年中國計量科學研究院承擔了國家重大科學儀器設備開發(fā)專項項目“20 kN·m高準確度扭矩標準裝置的研發(fā)”,2016年研制完成了20 kN·m高準確度扭矩標準裝置[1](以下簡稱20 kN·m扭矩機)。

2 工作原理和機械結(jié)構(gòu)

20 kN·m扭矩機采用靜重式結(jié)構(gòu),根據(jù)砝碼所產(chǎn)生的重力和空氣對砝碼的浮力的合力與力臂杠桿臂長的矢積來復現(xiàn)扭矩值。扭矩機產(chǎn)生的扭矩值為:

(1)

式中:M為扭矩值,N·m;m為砝碼質(zhì)量,kg;g為安裝地點的重力加速度,m/s2;ρa為空氣密度,kg/m3;ρw為砝碼材料密度,kg/m3;L為力臂長度,m。

20 kN·m扭矩機主要由機械系統(tǒng)和電控系統(tǒng)組成[2],結(jié)構(gòu)圖見圖1所示。

圖1 20 kN·m扭矩機機械結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Mechanical structure of 20 kN·m torque machine

20 kN·m扭矩機機械系統(tǒng)主要由空氣軸承支撐系統(tǒng)、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。力臂支撐部分采用了先進的空氣軸承支撐系統(tǒng),極大地減小了支撐部分帶來的摩擦扭矩;力臂采用低熱膨脹系數(shù)的因瓦合金材料,減小了力臂長度因溫度變化引起的不確定度;力臂采用多部件框架結(jié)構(gòu),以解決力臂系統(tǒng)中主軸軸線和邊刀刀刃間平行度難于保證的問題,確保了力臂長度的高準確性;砝碼懸掛機構(gòu)采用邊刀支撐的多自由度柔性聯(lián)接方式,減小了砝碼懸掛給扭矩測量結(jié)果帶來的影響;砝碼加載系統(tǒng)采用砝碼組和轉(zhuǎn)動圓盤組合的方式,實現(xiàn)了不同量程范圍扭矩值測量時加卸荷中不出現(xiàn)逆程;扭矩機的主動軸和從動軸上裝配了撓性聯(lián)軸器,與傳感器的聯(lián)接采用液壓抱緊裝置,消除了由于傳感器自重及聯(lián)接件加工安裝等因素帶來的傳感器與扭矩機不同軸而產(chǎn)生的不確定度因素。

2.1 力臂支撐系統(tǒng)

對于高準確度扭矩標準裝置,力臂支撐部分帶來的摩擦扭矩是影響扭矩標準裝置不確定度的主要分量之一。支撐方式?jīng)Q定了支撐引起的摩擦扭矩的大小,支撐方式確定了,摩擦扭矩也就基本確定,很難再通過其它技術手段進行修正或彌補。目前我國的大扭矩基標準裝置一般采用刀口支撐,刀口支撐結(jié)構(gòu)與靜壓空氣軸承支撐結(jié)構(gòu)相比,摩擦扭矩較大,從而影響了扭矩機的高準確度。

空氣軸承是使用氣體潤滑技術,因此具有摩擦小、精度高、溫升低、壽命長、耐高低溫,對主機和環(huán)境無污染等特點,而且克服了液體潤滑的液體黏度問題,但空氣軸承也存在承載能力小和剛度差的弱點,一旦承載能力不足,空氣軸承的轉(zhuǎn)子與定子擦靠,就失去氣浮狀態(tài)變成固體滑動軸承,摩擦力就大大增加甚至造成裝置損壞。

用于扭矩標準裝置支撐部件的靜壓空氣軸承一般采用2種結(jié)構(gòu)形式:H型和X型。H型結(jié)構(gòu)空氣軸承包括1個轉(zhuǎn)子和1個定子,其間隙大小依靠轉(zhuǎn)子和定子的加工精度決定,不具有可調(diào)節(jié)性。X型結(jié)構(gòu)空氣軸承[3,4]的轉(zhuǎn)子由2個錐體和中間的墊片組成,通過調(diào)整轉(zhuǎn)子中間的墊片厚度可以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子與定子間的間隙。比較這2種結(jié)構(gòu)的空氣軸承,H型空氣軸承加工制造難度大,但使用起來性能穩(wěn)定可靠,X型空氣軸承加工難度相對低些,但軸承的性能與軸承上下腔體內(nèi)的氣體壓力調(diào)整有很大關系,在不同承載時有時會出現(xiàn)振動,對測量結(jié)果帶來影響。

20 kN·m扭矩機采用H型空氣軸承作為力臂的支撐部件。根據(jù)裝置設計的技術參數(shù)和結(jié)構(gòu)特點,20 kN·m扭矩機空氣軸承的最大摩擦扭矩[5]小于60 μN·m,徑向承載高達60 000 N,軸向承載 15 000 N,軸向彎矩承載能力3 400 N·m,轉(zhuǎn)子的直徑為110 mm,長度為540 mm。大尺寸、大承載、超高準確度、超低摩擦扭矩的空氣軸承,在制造過程中對空氣軸承轉(zhuǎn)子和定子的尺寸公差配合,形狀圓度、圓柱度等多個環(huán)節(jié)均有著超高的制造精度要求。高精度制造及裝配是空氣軸承研制成敗的一大關鍵,另一個關鍵點是空氣軸承轉(zhuǎn)子和定子的材料選取和處理。該空氣軸承使用密度輕、強度高的鋁合金作為轉(zhuǎn)子和定子的制作材料,表面采用陽極硬化處理,使轉(zhuǎn)子和定子的表面獲得高硬度和高強度,再經(jīng)過精密加工裝配調(diào)試,最終制作出滿足扭矩機要求的空氣軸承。

2.2 力臂系統(tǒng)

扭矩標準裝置的扭矩值是由砝碼所產(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)的。力臂系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和材料性能關系著長度值的準確性,直接影響到整臺裝置的技術性能指標。影響力臂準確度的主要因素有:力臂的制造材料、力臂加工精度、力臂大負荷狀態(tài)下的剛度特性、力臂長度受溫度變化影響程度、力臂輸出主軸軸線與邊刀刀刃的平行度等。20 kN·m扭矩標準置力臂設計要求中力臂的標稱長度為1 600 mm,輸出主軸與兩側(cè)邊刀刀刃的平行度不超過±0.02 mm,力臂的滿載變形量≤0.15 mm,力臂長度的不確定度小于0.000 3%,因此對力臂的材料、制造加工、裝配調(diào)整、測量均有很高要求。

力臂系統(tǒng)由力臂、配平機構(gòu)、力臂伺服保護頂緊機構(gòu)和水平監(jiān)測機構(gòu)等部件組成,力臂系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 力臂系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of the moment-arm system

力臂系統(tǒng)設計[6]不僅要考慮力臂的長度,同時要充分考慮力臂的對稱性,使其質(zhì)心在力臂的對稱鉛垂線上。設計過程中借助三維設計軟件,控制力臂的重心點與力臂輸出主軸的軸心線重合。配平機構(gòu)裝配在力臂上,通過對配平機構(gòu)的不斷調(diào)整,最終使力臂系統(tǒng)的重心落在設計的重心點位置。力臂通過輸出主軸與空氣軸承精密裝配后形成整套力臂系統(tǒng)。水平監(jiān)測機構(gòu)和力臂伺服保護頂緊機構(gòu)位于力臂下端,力臂的平衡位置由激光位移傳感器進行無接觸測量,通過力臂調(diào)平機構(gòu)進行精確調(diào)整,保證力臂在加載后保持初始水平位置。力臂伺服保護頂緊機構(gòu),采用伺服電機控制機械機構(gòu)運動,配合高準確度壓力傳感器,控制力臂的頂緊動作,在裝置使用及安裝或拆卸被校扭矩傳感器時可避免力臂受到較大沖擊時出現(xiàn)過度的位移,從而保護力臂和空氣軸承。

裝置采用4J36因瓦合金作為力臂材料[7],其線膨脹系數(shù)為6×10-7/℃,強度、剛度均可以滿足該機的工作要求。因此環(huán)境溫度(20±2) ℃時,力臂長度因溫度變化引起的不確定度小于1×10-6。

2.3 砝碼組及加載機構(gòu)

靜重式扭矩標準裝置砝碼質(zhì)量值的準確度直接影響到整個裝置的技術性能指標,是影響裝置準確度的主要因素。

20 kN·m扭矩機的扭矩值范圍為100～24 000 N·m,分為1 000,2 000,5 000,10 000,20 000 N·m 這5個量程段,每個量程段包括12個扭矩點。裝置包括兩套砝碼組及加載系統(tǒng),分列力臂左右兩側(cè),可分別產(chǎn)生順時針和逆時針方向扭矩。每套砝碼組包括5組砝碼:62.5 N×12,125 N×12,312.5 N×12,625 N×12,1 250 N×12,砝碼最大允許相對誤差為±2×10-6。砝碼組如圖3所示。

圖3 扭矩機砝碼組Fig.3 Weight groups of the machine

在三坐標機上測量確定力臂的實際長度值后,根據(jù)實測的安裝地點的重力加速度、砝碼密度及空氣密度,計算出砝碼的標稱質(zhì)量值,在NIM質(zhì)量實驗室對每塊砝碼進行精確測量和調(diào)整,確保每塊砝碼質(zhì)量值達到最終的技術要求。砝碼的標稱質(zhì)量值及質(zhì)量允差如表1所示。

表1 砝碼標稱質(zhì)量及質(zhì)量允差Tab.1 Nominal mass values and tolerances of the weights

砝碼加載機構(gòu)是砝碼組自動加卸載的執(zhí)行機構(gòu),是扭矩裝置工作的重要部件。砝碼自動加載機構(gòu)是通過升降砝碼轉(zhuǎn)盤,結(jié)合砝碼組的串接設計,實現(xiàn)砝碼組的自動加卸載功能。加載機構(gòu)主要由砝碼加載器單元、伺服控制系統(tǒng)與升降導向部件、砝碼托盤旋轉(zhuǎn)機構(gòu)等組成。裝置采用高精度無齒隙不銹鋼滾珠絲桿升降機,在加載機構(gòu)中設計有4根專用線性導向機構(gòu),確保砝碼加載系統(tǒng)的平穩(wěn)性。

3 性能試驗

20 kN·m扭矩機安裝調(diào)試完畢以后,對該裝置進行了計量學性能評定的各項試驗。試驗采用TT1-1 kNm、TT1-2 kNm、TT1-5 kNm、TN-10 kNm、TN-20 kNm、TT1-50 kNm高準確度扭矩傳感器及高準確度數(shù)字測量儀DMP40,負荷點覆蓋了20 kN·m扭矩裝置順時針(CW)和逆時針(CCW)的全量程范圍100 N·m～24 kN·m。

3.1 重復性試驗

試驗按以下步驟進行:在0°方位施加預負荷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°方位進行3次試驗,然后依次在120°和240°方位,施加預負荷,逐級施加試驗負荷。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。從額定扭矩退回到零扭矩后,保持30 s,記錄零點讀數(shù)值。

扭矩值重復性R按式(2)計算。圖4～圖8為 20 kN·m 扭矩機扭矩值重復性試驗結(jié)果。

(2)

圖4 1 kN·m量程段扭矩值重復性Fig.4 Repeatability in 1 kN·m torque range segment

圖5 2 kN·m量程段扭矩值重復性Fig.5 Repeatability in 2 kN·m torque range segment

圖6 5 kN·m量程段扭矩值重復性Fig.6 Repeatability in 5 kN·m torque range segment

圖7 10 kN·m量程段扭矩值重復性Fig.7 Repeatability in 10 kN·m torque range segment

圖8 20 kN·m量程段扭矩值重復性Fig.8 Repeatability in 20 kN·m torque range segment

3.2 靈敏度試驗

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

在選取測量點,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。扭矩機靈敏限按式(3)計算。表2為裝置靈敏限試驗結(jié)果。

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

(3)

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

4 20 kN·m扭矩機不確定度評定

靜重式扭矩標準機是以砝碼的重力作為標準負荷,借助一定的力臂杠桿,通過適當?shù)募雍蓹C構(gòu)按預定的順序自動平穩(wěn)地將力矩直接施加到被測扭矩儀上的扭矩機。在靜重式扭矩機的不確定度評估中,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機安裝、調(diào)試性能有關的因素帶來的不確定度分量[8]。表3給出了20 kN·m扭矩機的各不確定度分量、分布類別及相對標準不確定度等。

表3 20 kN·m扭矩機不確定度分量表Tab.3 20 kN·m torque machine uncertainty budget

20 kN·m扭矩機的合成標準不確定度ur,c為:

4.3×10-6

(4)

合成擴展不確定度Ur為:

Ur=2ur,c=8.6×10-6

(5)

5 結(jié) 論

20 kN·m扭矩機采用了靜壓空氣軸承支撐技術,顯著減小了摩擦扭矩帶來的不確定度,提高了扭矩機的準確度。力臂系統(tǒng)采用了多部件框架結(jié)構(gòu),結(jié)合隨遇平衡原理使力臂重心處于力臂中心軸線上,保證力臂工作時既穩(wěn)定可靠又有較高的靈敏性,力臂采用了低熱膨脹系數(shù)的材料,減小了力臂長度因溫度變化引起的不確定度,確保了力臂長度的高準確度。設計的具有多自由度自適應調(diào)整功能的砝碼懸掛機構(gòu),可以確保砝碼所產(chǎn)生的力始終垂直向下,有效減小了砝碼懸掛給扭矩測量結(jié)果帶來的影響。砝碼加載系統(tǒng)采用了砝碼組、旋轉(zhuǎn)托盤和升降機構(gòu)結(jié)合的方式,保證了大砝碼精確可靠地加載,實現(xiàn)了在不同量程范圍進行測量時加卸荷中不出現(xiàn)逆程。理論分析和性能試驗表明,20 kN·m扭矩機在100 N·m～24 kN·m范圍內(nèi)的重復性優(yōu)于2×10-5,不確定度小于2×10-5(k=2),實現(xiàn)了全自動控制的目標。