扭矩倍增器校準(zhǔn)方法

李自武，沈運(yùn)杰，劉戎，李風(fēng)雷

(中航工業(yè)西安航空發(fā)動(dòng)機(jī) (集團(tuán))有限公司，陜西西安710021)

0 引言

扭矩倍增器是通過(guò)齒輪系結(jié)構(gòu)的放大作用，使輸入扭矩值按一定倍率放大得到更大的輸出扭矩值，是用于緊固連接設(shè)備部件螺栓和螺母的器具，利用它可以在螺栓、螺母上施加一定數(shù)值的扭矩以使之滿足預(yù)緊力要求。扭矩倍增器適用于其它扭矩扳子難以使用的場(chǎng)合，能夠平穩(wěn)施加扭矩，并且使被緊固設(shè)備免受更大的外力作用。扭矩倍增器在航空、航天和船舶制造等行業(yè)廣泛應(yīng)用。

我國(guó)在扭矩倍增器的生產(chǎn)和使用方面起步較晚，各單位所使用的扭矩倍增器大多是進(jìn)口設(shè)備，沒(méi)有專門(mén)的扭矩倍增器檢定/校準(zhǔn)技術(shù)文件，僅在JJG707－2003《扭矩扳子檢定規(guī)程》6.2.4.2條款簡(jiǎn)短概括提及，但未對(duì)扭矩倍增器的計(jì)量特性指標(biāo)、準(zhǔn)確度等級(jí)、校準(zhǔn)方法等方面進(jìn)行具體的規(guī)定。大多數(shù)單位按扭矩倍增器出廠設(shè)計(jì)的標(biāo)稱傳動(dòng)比進(jìn)行使用，僅僅把扭矩倍增器作為裝配工具，不按計(jì)量器具進(jìn)行管理。許多單位在扭矩倍增器的使用和校準(zhǔn)方法上存在很大差異，很難保證其提供的量值準(zhǔn)確可靠，嚴(yán)重影響設(shè)備的裝配質(zhì)量。本文對(duì)扭矩倍增器工作原理及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行分析，結(jié)合我們近幾年對(duì)各種型號(hào)規(guī)格的倍增器的校準(zhǔn)試驗(yàn)結(jié)果，論證了扭矩倍增器按照正確的校準(zhǔn)方法進(jìn)行周期校準(zhǔn)的必要性。

1 扭矩倍增器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

扭矩倍增器生產(chǎn)廠家和型號(hào)規(guī)格比較多，一般為2%～5%。從結(jié)構(gòu)特點(diǎn)上來(lái)說(shuō)分為兩類:一類為扭矩倍增器輸入、輸出接口在同一條軸線上，工作原理見(jiàn)圖1(b);另一類為扭矩倍增器輸入、輸出接口不在同一條軸線上，如8200和8202，工作原理見(jiàn)圖1(b)。它們都是通過(guò)齒輪系的放大，在反作用力臂的作用下，使輸入扭矩值按一定倍率放大得到更大的輸出扭矩。

扭矩倍增器為機(jī)械傳動(dòng)的系統(tǒng)，由于結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的限制，會(huì)有許多影響其傳動(dòng)比準(zhǔn)確度的因素，主要有以下幾方面:

1)部件加工精度。扭矩倍增器各傳動(dòng)部件的加工及配合精度決定其在不同的旋轉(zhuǎn)方位傳動(dòng)比存在偏差。

2)支撐軸承與軸的間隙。扭矩倍增器輸出的扭矩值較大，齒輪系之間的徑向力作用在支撐軸承上，長(zhǎng)期使用會(huì)使支撐軸承與軸之間出現(xiàn)磨損，支撐軸承與軸之間間隙會(huì)造成其傳動(dòng)比發(fā)生變化。

3)傳動(dòng)齒輪的變形或磨損。在大扭矩的作用下，齒輪出現(xiàn)變形或磨損，會(huì)造成扭矩倍增器傳動(dòng)比發(fā)生變化。

4)傳動(dòng)系統(tǒng)的潤(rùn)滑。支撐軸承與軸、齒輪與齒輪之間潤(rùn)滑狀態(tài)的惡化，會(huì)使傳動(dòng)系統(tǒng)阻力增大，同時(shí)也會(huì)加速配合面的磨損，影響傳動(dòng)比。

圖1 扭矩倍增器工作原理簡(jiǎn)圖

2 校準(zhǔn)試驗(yàn)

2.1校準(zhǔn)裝置

基于TSD－20000－TM扭矩倍增器校準(zhǔn)裝置平臺(tái)，進(jìn)行校準(zhǔn)能力的二次開(kāi)發(fā)。選擇多個(gè)不同量程的扭矩傳感器，拓展裝置的測(cè)量能力。校準(zhǔn)裝置輸入端扭矩測(cè)量范圍:20～2700 Nm，輸出端扭矩測(cè)量范圍200～27000 Nm，系統(tǒng)誤差可以達(dá)到±0.3%，裝置可以實(shí)現(xiàn)勻速施加扭矩，計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集與數(shù)據(jù)處理。

根據(jù)對(duì)扭矩倍增器工作原理及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的分析，利用TSD-20000-TM扭矩倍增器校準(zhǔn)裝置，對(duì)不同型號(hào)的扭矩倍增器進(jìn)行示值重復(fù)性、方位誤差及傳動(dòng)比誤差等技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行校準(zhǔn)試驗(yàn)。以8200型扭矩倍增器為例進(jìn)行說(shuō)明。8200型扭矩倍增器主要技術(shù)指標(biāo)如下:測(cè)量范圍1200～12000 lb·ft換算為1627～16270 Nm;傳動(dòng)比11.1∶1;誤差±5%。

圖2 校準(zhǔn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 重復(fù)性試驗(yàn)

在扭矩倍增器測(cè)量范圍內(nèi)選3個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，其中包括測(cè)量范圍的下限和上限兩點(diǎn)。隨機(jī)選取扭矩倍增器輸出端的一個(gè)位置，對(duì)扭矩倍增器施加扭矩，以校準(zhǔn)裝置輸出端測(cè)量指示儀表指示的給定扭矩值為依據(jù)，讀取校準(zhǔn)裝置輸入端測(cè)量指示儀表指示值。按扭矩值遞增順序逐點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，在扭矩倍增器每級(jí)輸出扭矩值加到后，讀取輸入端測(cè)量指示儀表指示值，直到額定扭矩，然后卸除扭矩，該方位連續(xù)進(jìn)行10次測(cè)量。

重復(fù)性R按公式 (2)計(jì)算

式中:Mi為扭矩倍增器在重復(fù)測(cè)量時(shí)輸入扭矩的第i次讀數(shù)值;Mmax為扭矩倍增器輸入扭矩10次讀數(shù)的最大值;Mmin為最小值;為10次讀數(shù)的平均值;R為示值重復(fù)性。

根據(jù)數(shù)據(jù)分析，可以得出如下結(jié)論:多數(shù)8200型扭矩倍增器的重復(fù)性均在5%之內(nèi)，隨著測(cè)量次數(shù)的增加，測(cè)量值變化很小，圖3是編號(hào)為F291的扭矩倍增器輸出端扭矩值為6000 lb·ft(8135 Nm)時(shí)輸入端10次測(cè)量值的分布圖。也有使用時(shí)間較久且從來(lái)沒(méi)有進(jìn)行過(guò)維護(hù)保養(yǎng)的扭矩倍增器重復(fù)性大于5%的現(xiàn)象。

2.3 方位誤差試驗(yàn)

圖3 重復(fù)性試驗(yàn)結(jié)果

在扭矩倍增器測(cè)量范圍內(nèi)選7個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，其中包括測(cè)量范圍的下限和上限，各試驗(yàn)點(diǎn)大致均勻分布。對(duì)扭矩倍增器施加扭矩，以校準(zhǔn)裝置輸出端測(cè)量指示儀表指示的給定扭矩值為依據(jù)，讀取校準(zhǔn)裝置輸入端測(cè)量指示儀表指示值。按扭矩值遞增順序逐點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量試驗(yàn)，在扭矩倍增器每級(jí)輸出扭矩值加到后，讀取輸入端測(cè)量指示儀表指示值，直到額定扭矩，然后卸除扭矩。隨機(jī)選取一個(gè)方位進(jìn)行一個(gè)循環(huán)測(cè)量，該方位定義為扭矩倍增器0°方位。卸下扭矩倍增器，轉(zhuǎn)動(dòng)扭矩倍增器輸入端，使其輸出端依次旋轉(zhuǎn)90°，180°，270°方位角，每次轉(zhuǎn)換方位后進(jìn)行一個(gè)循環(huán)測(cè)量。方位誤差按公式 (5)計(jì)算

式中:Ki為扭矩倍增器各方位的實(shí)測(cè)傳動(dòng)比;Miout為扭矩倍增器的各方位輸出扭矩值;Miin為扭矩倍增器的各方位輸入扭矩值;K0°，K90°，K180°，K270°分別為扭矩倍增器在0°，90°，180°，270°方位的實(shí)測(cè)傳動(dòng)比;K為各方位傳動(dòng)比的平均值;Ep為扭矩倍增器方位誤差。

根據(jù)數(shù)據(jù)分析，可以得出如下結(jié)論:扭矩倍增器各方位之間的測(cè)量值偏差比較明顯，多數(shù)扭矩倍增器的方位誤差不大5%，所以僅僅在一個(gè)方位校準(zhǔn)，按照該方位的校準(zhǔn)結(jié)果進(jìn)行使用，很難保證量值的準(zhǔn)確。表1是編號(hào)為F298為扭矩倍增器7個(gè)測(cè)量點(diǎn)方位誤差試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表1 方位誤差試驗(yàn)表數(shù)據(jù)

2.4 傳動(dòng)比誤差試驗(yàn)

試驗(yàn)方法如2.3，傳動(dòng)比誤差按公式 (6)計(jì)算

式中:e扭矩倍增器傳動(dòng)比誤差;Ks扭矩倍增器傳動(dòng)比標(biāo)稱值。

圖4中系列1～3為新購(gòu)買(mǎi)的3臺(tái)扭矩倍增器各測(cè)量點(diǎn)傳動(dòng)比分布圖，這3臺(tái)扭矩倍增器的傳動(dòng)比誤差均在其傳動(dòng)比標(biāo)稱值的±5%之內(nèi)。系列4為使用較久且沒(méi)有進(jìn)行過(guò)維護(hù)保養(yǎng)的扭矩倍增器各測(cè)量點(diǎn)傳動(dòng)比分布圖，其傳動(dòng)比誤差有超出其傳動(dòng)比標(biāo)稱值的±5%的現(xiàn)象。在扭矩倍增器的整個(gè)測(cè)量范圍內(nèi)傳動(dòng)比并不是固定的值，整個(gè)測(cè)量范圍按個(gè)別校準(zhǔn)點(diǎn)的實(shí)測(cè)傳動(dòng)比進(jìn)行使用的方法是不正確的。扭矩倍增器在長(zhǎng)期的使用過(guò)程中，隨著磨損、配合精度、潤(rùn)滑狀態(tài)的變化，其傳動(dòng)比也隨之變化。

圖4 傳動(dòng)比誤差試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)論

1)扭矩倍增器應(yīng)該按計(jì)量器具進(jìn)行周期校準(zhǔn)。扭矩倍增器在長(zhǎng)期的使用過(guò)程中，隨著磨損、配合精度、潤(rùn)滑狀態(tài)的變化，其傳動(dòng)比也隨之變化。按照出廠設(shè)計(jì)的標(biāo)稱傳動(dòng)比使用，不進(jìn)行周期校準(zhǔn)的方法是錯(cuò)誤，會(huì)造成極大的質(zhì)量安全隱患。

2)扭矩倍增器應(yīng)按多方位傳動(dòng)比的平均值進(jìn)行使用。扭矩倍增器的傳動(dòng)比應(yīng)該在多方位 (推薦3～4個(gè)方位)進(jìn)行校準(zhǔn)，取其平均值，僅僅在其某一個(gè)方位進(jìn)行校準(zhǔn)，使用單個(gè)方位測(cè)量所得的傳動(dòng)比，這樣很難提供準(zhǔn)確可靠的量值。如圖5所示，只有每個(gè)方位的測(cè)量結(jié)果都在平均值的5%之內(nèi)，才能保證其提供準(zhǔn)確可靠的量值。

圖5 誤差試驗(yàn)圖

3)扭矩倍增器應(yīng)該進(jìn)行方位誤差、重復(fù)性和傳動(dòng)比誤差的校準(zhǔn)。潤(rùn)滑狀態(tài)惡化、配合面磨損、軸及齒輪變形等因素都會(huì)影響傳動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)比的變化，所以扭矩倍增器應(yīng)進(jìn)行定期的維護(hù)保養(yǎng)。當(dāng)某些技術(shù)指標(biāo)出現(xiàn)超差時(shí)，應(yīng)該有控制措施。表3為扭矩倍增器技術(shù)指標(biāo)及超差原因分析。

表3 技術(shù)指標(biāo)及超差原因分析

綜上所述，扭矩倍增器應(yīng)該作為計(jì)量器具進(jìn)行管理。只有采用正確的校準(zhǔn)和使用方法，才能保證產(chǎn)品的裝配質(zhì)量，避免質(zhì)量安全隱患。

［1］洪寶林.力學(xué)計(jì)量(上)［M］．北京:原子能出版社，2002.

［2］李孝武，劉景利，劉煥橋等.力學(xué)計(jì)量 ［M］．北京:中國(guó)計(jì)量出版社，1999.

［3］國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)疫總局.JJG707－2003扭矩扳子檢定規(guī)程［S］．北京:中國(guó)計(jì)量出版社，2003.