一種液壓聯(lián)動(dòng)包帶預(yù)緊力施加裝置的校準(zhǔn)方法

史路陽，趙興亮，黃愛輝，劉志超，陳 林，李夢(mèng)聰

（阿米檢測(cè)技術(shù)有限公司，天津300308）

預(yù)緊力組合結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代大型工程中，預(yù)緊力的確定是關(guān)鍵問題。因此，需要對(duì)預(yù)緊力施加裝置進(jìn)行定期校準(zhǔn)，以確定數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確可靠，但在國(guó)內(nèi)，液壓聯(lián)動(dòng)包帶預(yù)緊力施加裝置沒有相應(yīng)校準(zhǔn)規(guī)范/檢定規(guī)程。因其與液壓千斤頂工作原理一致，以油液作為工作介質(zhì)，通過密封容積的變化來傳遞運(yùn)動(dòng)，通過油液內(nèi)部的壓力來傳遞動(dòng)力，因此，本文參照液壓千斤頂?shù)男?zhǔn)方法（《JJG 621—2012液壓千斤頂檢定規(guī)程》），對(duì)液壓聯(lián)動(dòng)包帶預(yù)緊力施加裝置的校準(zhǔn)技術(shù)開展研究。

1 液壓聯(lián)動(dòng)包帶預(yù)緊力施加裝置組成

液壓聯(lián)動(dòng)包帶預(yù)緊力施加裝置由液壓手泵、耐震液壓表、油路流量分配器、高壓油管、加載單元組成，如圖1所示。液壓手動(dòng)泵對(duì)加載單元供油，加載單元對(duì)包帶施加預(yù)緊力，監(jiān)控液壓手動(dòng)泵上液壓表，通過液壓聯(lián)動(dòng)包帶預(yù)緊力施加裝置壓力載荷換算表，得到壓力對(duì)應(yīng)的預(yù)緊力的值。

圖1 液壓聯(lián)動(dòng)包帶預(yù)緊力施加裝置組成Fig.1 Composition of preload applying device for hydraulic linkage bale

2 液壓聯(lián)動(dòng)包帶預(yù)緊力施加裝置的校準(zhǔn)方法研究

2.1 以標(biāo)準(zhǔn)壓力表示值為輸入壓力值

將液壓聯(lián)動(dòng)包帶預(yù)緊力施加裝置的液壓泵、高壓管、加載單元按序連接，在液壓泵和高壓管連接處串接標(biāo)準(zhǔn)壓力表，把加載單元與標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀同軸放置于校準(zhǔn)裝置上，如圖2所示，以標(biāo)準(zhǔn)壓力表的示值為輸入壓力開展校準(zhǔn)工作。

圖2 以標(biāo)準(zhǔn)壓力表的示值為輸入壓力值的校準(zhǔn)方法Fig.2 Calibration method using standard pressure gauge as input pressure value

2.2 以液壓表的示值為輸入壓力值

在液壓表在有效期內(nèi)且使用無異常的情況下，將液壓聯(lián)動(dòng)包帶預(yù)緊力施加裝置的液壓手動(dòng)泵、高壓管、加載單元按序連接，把加載單元與標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀同軸放置于校準(zhǔn)裝置上，如圖3所示，以液壓表的示值為輸入壓力開展校準(zhǔn)工作。

圖3 以液壓表的示值為輸入壓力值的校準(zhǔn)方法Fig.3 Calibration method using the value of hydraulic gauge as the input pressure value

2.3 校準(zhǔn)用計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器具及受力裝置

計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器具：選用等級(jí)不低于0.5級(jí)且力值上限與加載單元額定力值相適應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀，依據(jù)液壓表的等級(jí)及量程選用最大允許誤差絕對(duì)值不大于液壓表最大允許誤差絕對(duì)值1/4的標(biāo)準(zhǔn)壓力表（《JJG 52—2013彈性元件式一般壓力表、壓力真空表和真空表檢定規(guī)程》）。

受力裝置：應(yīng)用足夠剛度、穩(wěn)定的門式框架或張力桿，其結(jié)構(gòu)在承受最大力值時(shí)無明顯變形。加載單元主軸線與標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀應(yīng)重合，即同軸放置于校準(zhǔn)裝置上。

安裝完畢后，依據(jù)液壓聯(lián)動(dòng)包帶預(yù)緊力施加裝置出廠使用說明書中方法及壓力載荷換算表，使用液壓手動(dòng)泵加壓至5 kN，并保壓5 min檢查是否有漏油；確認(rèn)各部件連接緊固無漏油問題后，進(jìn)行加壓、泄壓3次，使壓力表讀數(shù)處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3 液壓聯(lián)動(dòng)包帶預(yù)緊力施加裝置重復(fù)性校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

因液壓聯(lián)動(dòng)包帶預(yù)緊力施加裝置與千斤頂原理一樣，所以通過具體的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可驗(yàn)證校準(zhǔn)液壓聯(lián)動(dòng)包帶預(yù)緊力施加裝置。參考《JJG 621—2012液壓千斤頂檢定規(guī)程》中校準(zhǔn)方法，檢驗(yàn)計(jì)量性能指標(biāo)是否科學(xué)、合理，以及是否具有可操作性。第2節(jié)介紹了兩種校準(zhǔn)方法，第1種方法和第2種方法分別以標(biāo)準(zhǔn)壓力表的示值和液壓表的示值作為輸入壓力值。使用標(biāo)準(zhǔn)壓力表讀取壓力值比液壓表更為準(zhǔn)確，能得到更準(zhǔn)確的校準(zhǔn)結(jié)果，故本文采用2.1中介紹的校準(zhǔn)方法。

3.2 重復(fù)性的校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)

3.2.1 重復(fù)性的校準(zhǔn)

將墊塊、加載單元、標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀同軸放置在校準(zhǔn)裝置（框架）中間[1-2]，如圖4所示，并調(diào)整至工作狀態(tài)。

圖4 墊塊、加載單元、標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀同軸放置簡(jiǎn)圖Fig.4 Schematic diagram of coaxial placement of pad，loading unit and standard dynamometer

使用手動(dòng)泵加壓，將壓力表示值依次穩(wěn)定在10、20、30和40 MPa，用標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀依次測(cè)量每個(gè)壓力點(diǎn)對(duì)應(yīng)的輸出力值，讀數(shù)并記錄數(shù)據(jù)。此過程進(jìn)行不少于3次。按公式（1）計(jì)算重復(fù)性R

式中：Fimax、Fimin、為第i次測(cè)量時(shí)，對(duì)應(yīng)校準(zhǔn)3次重復(fù)測(cè)量測(cè)力儀上讀數(shù)的最大值、最小值、平均值，kN.

3.2 .2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表1為以標(biāo)準(zhǔn)壓力表示值為輸入壓力值時(shí)，液壓聯(lián)動(dòng)包帶預(yù)緊力施加裝置輸出力值重復(fù)性校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。

表1 重復(fù)性校準(zhǔn)數(shù)據(jù)Tab.1 Repeatability calibration data

根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知，該方法的測(cè)量結(jié)果的重復(fù)性不超過0.8%，且各個(gè)測(cè)量點(diǎn)重復(fù)性符合《JJG 621—2012液壓千斤頂檢定規(guī)程》對(duì)示值重復(fù)性指標(biāo)要求，符合產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)要求，證明該校準(zhǔn)方法有效可靠，可以用來開展液壓聯(lián)動(dòng)包帶預(yù)緊力施加裝置的重復(fù)性校準(zhǔn)工作。

3.3 測(cè)量不確定度評(píng)定

3.3.1 數(shù)學(xué)模型

液壓聯(lián)動(dòng)包帶預(yù)緊力裝置的示值誤差為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀在測(cè)量點(diǎn)的實(shí)際力值與液壓聯(lián)動(dòng)包帶預(yù)緊力裝置對(duì)應(yīng)的額定力值（見表2）之差。按公式（2）計(jì)算示值誤差：

表2 各讀數(shù)點(diǎn)的額定力值（參照使用說明書）Tab.2 Rated force values of each reading point（given in the operation manual）

3.3.2 輸入量F 的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u（F）的評(píng)定

此輸入量的不確定度來源包含測(cè)量對(duì)象的示值波動(dòng)、溫度特性、標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀的示值分辨力和壓力表的分辨力等，綜合體現(xiàn)在測(cè)量對(duì)象示值的測(cè)量重復(fù)性中。使用合并樣本標(biāo)準(zhǔn)差作A類不確定度評(píng)定（參考《JJF 1059.1—2012測(cè)量不確定度評(píng)定與表示》）。各校準(zhǔn)點(diǎn)的測(cè)量結(jié)果的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差Sk按公式（3）計(jì)算，結(jié)果見表3。

表3 試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差Tab.3 Test standard deviation

在同等條件下，用同樣的方法再測(cè)量2組，得到的單次測(cè)量結(jié)果的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差如表4所示。

表4 3組單次測(cè)量結(jié)果的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差Tab.4 Experimental standard deviations of the three groups of single measurement results

合并標(biāo)準(zhǔn)樣本差為

以每一測(cè)量讀數(shù)點(diǎn)的3次測(cè)量值的算術(shù)平均值作為測(cè)量結(jié)果，則測(cè)量重復(fù)性產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

由此得到各點(diǎn)測(cè)量重復(fù)性產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)不確定度，如表5所示。

表5 測(cè)量重復(fù)性產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)不確定度Tab.5 Standard uncertainty generated by measurement repeatability

3.3.3 輸入量F的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u（F）的評(píng)定

此輸入量的不確定度來源于標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀，主要不確定度來源是所用標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀自身名義值與約定真值的誤差，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀校準(zhǔn)證書給出的最大允許誤差來評(píng)定?？梢罁?jù)公式（6）評(píng)定，按線性分布規(guī)律計(jì)算在測(cè)量點(diǎn)的此分項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)不確定度，此為均勻分布，用B類方法進(jìn)行評(píng)定，依次求得各測(cè)量點(diǎn)對(duì)應(yīng)的輸入量標(biāo)準(zhǔn)不確定度，如表（6）所示。

式中：W為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀的示值誤差限；F為液壓聯(lián)動(dòng)包帶預(yù)緊力裝置對(duì)應(yīng)的額定力值（kN）；

3.3.4 輸入量Fs的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u（Fs）的評(píng)定

此輸入量的不確定度來源為壓力表自身誤差所造成的對(duì)應(yīng)讀取標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀力值的誤差，根據(jù)壓力表級(jí)別判斷其最大允許誤差?？梢罁?jù)公式（7）評(píng)定，按線性分布規(guī)律計(jì)算在測(cè)量點(diǎn)的此分項(xiàng)引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度，為均勻分布，用B類方法進(jìn)行評(píng)定，依次求得各測(cè)量點(diǎn)對(duì)應(yīng)的輸入量標(biāo)準(zhǔn)不確定度，如表（6）所示。

式中：W為壓力表的示值誤差限；Fs為壓力表各讀數(shù)點(diǎn)的理論輸出力值（MPa）；

表6 各測(cè)量點(diǎn)對(duì)應(yīng)的輸入量標(biāo)準(zhǔn)不確定度Tab.6 Standard uncertainty of input quantity corresponding to each measurement point

3.3.5 合成不確定度的評(píng)定

上述各分量彼此不相關(guān)，按公式（8）計(jì)算各測(cè)量點(diǎn)的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度，結(jié)果如表7所示。

表7 各測(cè)量點(diǎn)的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度Tab.7 Synthetic standard uncertainty of each measurement point

3.3.6 擴(kuò)展不確定度的評(píng)定

取置信概率P=95%，包含因子k=2，則該裝置的擴(kuò)展不確定度U95和相對(duì)擴(kuò)展不確定度U95rel分別按下述公式（9）和（10）計(jì)算，求得的擴(kuò)展不確定度和相對(duì)擴(kuò)展不確定度，如表8所示。

表8 擴(kuò)展不確定度U95和相對(duì)擴(kuò)展不確定度U95relTab.8 Extended uncertainty U95 and relative extended uncertainty U95rel

從上述測(cè)量不確定度的評(píng)定[3]可知：該實(shí)驗(yàn)的測(cè)量結(jié)果的不確定度不超過0.4%，符合產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)要求，證明該方法有效可靠，可以用來校準(zhǔn)液壓聯(lián)動(dòng)包帶預(yù)緊力施加裝置。

4 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)證明，上述液壓聯(lián)動(dòng)包帶預(yù)緊力施加裝置校準(zhǔn)方法可靠，達(dá)到了產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)要求。液壓聯(lián)動(dòng)包帶預(yù)緊力施加裝置量值的準(zhǔn)確溯源，可為工業(yè)生產(chǎn)提供可靠的計(jì)量技術(shù)保障，在實(shí)際工作中具有很重要的指導(dǎo)意義。