杠桿組件的結構性能對扭矩標準機力臂杠桿平衡的影響分析

【摘 要】分析了扭矩標準機的工作原理和扭矩平衡機構的關鍵技術，從扭矩平衡驅動裝置、配重平衡機構、支承的刀口和刀承選擇、力臂杠桿鎖緊機構及力臂杠桿自動平衡系統等方面進行分析，并從初負荷和最大負荷靈敏限的理論出發，分析了力臂杠桿組件結構性能的重要性，其對扭矩標準機杠桿平衡的影響很大，由此得出力臂杠桿組件對整機計量準確度的高低起到至關重要作用，可為相關領域的扭矩標準機關鍵技術研制及生產提供一定參考價值，具有良好的經濟效益。

【關鍵詞】扭矩標準機；杠桿平衡；結構性能；計量；準確度

中圖分類號： TH823 文獻標識碼： A 文章編號： 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

機械和計量學上的“扭矩”是一個綜合反映機械設備力學特性的重要參數，用以評估機械設備和動力設備的運轉、能耗、壽命、效率和安全等性能，是機械產品開發研究、測試分析、質量檢驗、安全和優化控制等工作中不可缺少的內容[1-2]。就計量領域而言，扭矩標準機作為產生標準扭矩值的精密裝置，是扭矩計量器具檢定系統框圖中重要的一環，廣泛應用于工業制造、航空航天、橋梁交通、國防裝備及科學研究等領域，用于對扭矩傳感器、轉矩轉速傳感器及其它扭矩計量器具進行檢定和校準，從而確定扭矩的計量準確度[3-4]。

然而，我國前些年的扭矩標準設備技術相對陳舊，設備的準確性、可靠性和自動化程度與國際上先進工業國家（如德國、英國、日本等）的扭矩設備相比有不小的差距[5-8]，這樣現狀引起我國該領域專家的擔憂。近五年來，我國與電機相關的生產企業對扭矩、轉矩轉速測量裝置等計量服務的需求日益增強，并向寬量程、高準確度及智能化等態勢飛速發展，引起我們計量部門對該市場發展情況的極大重視。不少相關研究院所開展對扭矩標準機的創新設計的大力度關注和資金投入，作為扭矩標準機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及需要重點研究的對象。近幾年來，對于力臂杠桿組件的影響分析，國內不少學者都展開了不少研究。王剛等[9]研究發現，對于扭矩標準裝置，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，在力臂和中心轉軸之間使用特殊連接，構成負載平衡系統，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]主要考慮了影響標準機性能指標的主要因素包括標準力臂對材料、機械 加工、裝配調整、性能測試等方面，認為應選擇了膨脹系數非常小的因鋼瓦合金鋼，同時對力臂結構采用計算機輔助設計分析進行優化設計，同時應編制合理的加工工藝，從而保證力臂長度的準確性。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行理論分析，說明力臂杠桿對整機計量準確度的重要性。還有不少學者也不同程度地開展此方面的研究。以上種種研究表明，力臂杠桿的結構組件對于一臺扭矩標準機的重要性可想而知。本文正是針對杠桿組件的結構性能特點展開分析，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，該扭矩標準機的組成包括：主機、力臂杠桿、砝碼、扭矩平衡機構、計算機及軟件系統等。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），由此產生標準扭矩值，然后將標準扭矩值傳遞到被檢扭矩計量器具，扭矩平衡機構再將力臂杠桿平緩地調整回到水平位置的同時產生大小相等、方向相反的平衡力矩，再通過比較二者的扭矩示值，即可到被檢扭矩計量器具的扭矩示值誤差的大小。

2 扭矩平衡機構的關鍵技術

2.1 扭矩平衡驅動裝置

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

在調平過程中，調節速度最低為2°/min，以避免產生附加應力而造成減速機驅動主軸時的動作不當現象，也為砝碼組加載后可及時恢復力臂杠桿的平衡狀態要求，因此要兼顧精度與速度兩個指標。

2.2 配重平衡機構

為了使得力臂杠桿處于自由狀態時的自然平衡，應對其固有的機械結構進行配重補償，一般都是采取四個方向的配重來實現此要求。如圖3所示，力臂杠桿的配重平衡機構由左、右、后三組平衡砣及用于調整力臂杠桿重心的上平衡陀（用于調整靈敏度）組成，實現了多個方向的平衡調整，直至力臂杠桿平衡滿足控制指標要求。

依據JJG 769-2009《扭矩標準機檢定規程》對力臂杠桿的初負荷和最大負荷靈敏限的計算公式及測試方法，即可得出力臂杠桿的初負荷靈敏限和最大負荷靈敏限[13-14]。

（1）初負荷靈敏限：同時在力臂杠桿的兩側施加扭矩標準機的初負荷，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，按下式計算出初負荷靈敏限：S1=Δm1/m1×100%，其中：S1為初負荷靈敏限；Δm1為測量初負荷時，所施加的小砝碼的質量；m1為初負荷對應的砝碼質量；（2）最大負荷靈敏限：同時在力臂杠桿的兩側施加扭矩標準機的最大負荷，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，按下式計算出最大負荷靈敏限：S2=Δm2/m2×100%，其中：S2為最大負荷靈敏限；Δm2為測量最大負荷時，所施加的小砝碼的質量；m2為最大負荷對應的砝碼質量。

2.3 支承的刀口和刀承

對于適合工程扭矩計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總不確定度的1/3，選擇此結構的支承方式時很難通過特別的技術手段進行更多的改善。如圖4、5所示，這是一臺5kNm扭矩標準機的力臂杠桿刀口和刀承，其支采用刀子、刀承支承結構，其刀口及刀承所采用的材料、硬度以及三個刀口的平行度能夠保證扭矩標準機的初負荷靈敏限和滿負荷靈敏限不大于0.0l%的要求（對于整機準確度等級為0.03級而言）。

2.4 力臂杠桿鎖緊機構

如圖6所示，該鎖緊機構是一種采用機械式的支撐保護與限位機構，而加壓和卸壓過程是依靠空壓機的驅動通過吸氣、壓縮及排氣實現的，保證被檢扭矩計量器具在拆裝過程，將力臂杠桿的位移量限制在一個較小幅度內，避免力臂杠桿的任意擺動，從而達到不對支承刀口和刀承的機構施加附加外力，有效地保護了支承刀口和刀承不易受到損壞。

2.5 力臂杠桿自動平衡系統

靜重式扭矩標準機是采用砝碼進行施加載荷，每級砝碼在加載時，力臂杠桿將發生位移變化，通過采用激光非接觸式位移傳感器（分辨率lμm）檢測到力臂杠桿發生的水平偏移量，位于扭矩機構中的伺服電機接收到位移信號，通過控制減速機將力臂杠桿進行量化控制直至精確地調整至水平位置，從而確保力臂杠桿達到平衡，最終實現扭矩的加載。該自動平衡系統的標定和檢測時，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行多次測量與調整得以實現，以確保在整機正常工作時力臂杠桿的平衡準確度優于0.06mm/m，由此力臂杠桿的有效工作長度得以保證，整機的扭矩計量性能也符合技術要求。

3 結論

對于扭矩標準機而言，力臂杠桿組件是最為核心部件之一，其結構性能與力臂杠桿是否達到良好的平衡狀態是息息相關的。對于大多數的研究機構和生產廠家，為了研制出使得整機保持較高準確度的力臂杠桿，應對力臂杠桿各部分組件技術細節進行性能分析和綜合計算評估，分別從扭矩驅動平衡裝置的調節速度、配重平衡機構的配重補償、力臂杠桿鎖緊機構對支承刀口和刀承的保護以及力臂杠桿自動平衡系統的水平控制等方面進行質量把控，以使真正地實現各部分組件本身及整體組件對力臂杠桿平衡指標的影響量足夠小，最終較好地滿足整機達到相應準確度等級的技術要求。

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