扭轉試驗機扭矩校準裝置的設計與分析

鮑海嘯，任軍豪，蔣大宏，王時越、2，李 鋮，陳曙光

（1.昆明理工大學建筑工程學院，云南 昆明 650500；2.云南省土木工程防災重點實驗室，云南 昆明 650500；3.武漢先導時代科技有限公司，湖北 武漢 430079）

在建筑行業特別是鋼結構的生產過程中，扭矩這個參數極其重要[1]，測扭矩的方式主要是通過扭轉試驗機，因此保持扭轉試驗機扭矩值得準確可靠就非常關鍵，這就需要定期對扭轉試驗機的扭矩值進行校準，常用的方法有扭矩傳感器校準法和杠桿砝碼校準法。扭矩傳感器校準法需要將校準用傳感器送到更高一級的檢定校準機構來溯源至國家基準[2]，對檢測機構開展內部校準就很不經濟。杠桿砝碼校準法的校準過程非常復雜且成本較高，需要用到長度超過2m 的剛性杠桿，杠桿的制作、安裝很困難，同時還需要一堆高精度的砝碼，對這些砝碼的保管運輸及使用保養都會產生很大的經濟成本，且加載的過程中砝碼加載到一定重量時試驗機本身重量小于砝碼重量甚至會產生側傾覆，因此很多地區并不具備對一些大量程的扭轉試驗機的檢定校準條件。本文針對10kN·m 量程的扭轉試驗機，通過有限元優化設計，制作一個輕質便攜的杠桿，同時使用千斤頂來代替砝碼施力，利用力傳感器顯示力值大小[3]，從而實現對扭轉試驗機施加準確可靠的扭矩以保證其測試結果的準確可靠。

1 裝置設計

優化的核心思想是使裝置達到輕質高強、減小運輸、制作及保養的成本并且滿足規范所要求的校準試驗。以此，設計出如圖1 所示的裝置，并在10kN·m 量程扭轉試驗機進行試驗研究。

圖1 裝置構型

1.1 杠桿優化設計

根據已有的校準方法，校準所用到的是長達2m 多的一根剛性杠桿，端部使用懸掛砝碼的方式施力。由于結構主要受彎，故采取工字鋼結構形式對其進行改良[4]。在杠桿與扭轉試驗機連接處需要開一個連接孔，孔邊為扭轉、擠壓等復雜受力，則加厚截面。中間部分受力較小若為實心板重量會增加因此采用桁架梁的形式，以達到減少重量的目的，中部桁架為10mm×10mm 的矩形桿，整體構型如圖2 所示。

圖2 杠桿構型

利用等強梁的原理采取變截面形式可以節省大量材料從而進一步減少杠桿的重量。等強梁變化規律為：式中：n-安全系數；σs-選用的Q235 鋼的屈服應力235MPa；M（x）=FL-每個截面所對應的彎矩值[4]；［σ ］-許用應力。以1-1 截面為初始截面（x=0）同時設定板的厚度h=10mm進行應力計算求取截面寬度，取n=2 解得當x=0 時，M=FL=8.75kN·m，解得b=52.98mm，取整得b=60mm，當x=680 時，M=FL=0.125kN·m，將2-2 截面的高度設為40mm，計算得寬度為b=13.7mm。

對杠桿整體進行計算剪切應力：

式中：［σ -］式（2）設計值；Fs-橫截面上的剪力；b-截面寬度；Iz-整個截面對中性軸的慣性矩；-截面上距中性軸為y 的橫線以外部分面積對中性軸的靜矩[4]。

杠桿許用剪應力τmax=［σ ］/2，根據式（3）解得b=31.9mm，可知整個杠桿的截面最小寬度為31.9mm，故將截面寬度進行取整，最終2-2 截面寬度定40mm。

1.2 加載方式設計

傳統的加載方式為懸掛砝碼，托盤掛在杠桿相應的固定位置再逐級加砝碼的方式施力。本文選用支撐反力來代替重力，施力裝置為3.2t 手搖機械式千斤頂，預先固定在相應的位置上，保證力與端點的距離為定值從而保證力矩的穩定。

1.3 接觸裝置設計

接觸方式為點接觸，形成點接觸的方式是在傳感器與杠桿之間放置一個鋼珠。將鋼珠放置于傳感器中心位置，設計一個冠狀零件戴于鋼珠上，通過螺栓固定，使鋼珠與傳感器進行良好的接觸并能保證傳感器的穩定性及精確度。

由于安裝間隙，使杠桿上升的過程中會產生位移，接觸點會在杠桿上移動，采用滑軌滑道的方式使接觸點在受側向分力影響移動時更加合理。滑軌采用雙圓弧滾道[5]，滾道長20mm 在滾道內側裝配鋼珠，利用鋼珠的滾動效應使滑塊可以自由進行橫向移動，滑塊下部為一個弧段與下面的鋼珠接觸，在上升的過程中限制鋼珠的側向移動。

2 裝置模擬分析

使用ANSYS 對結構進行有限元計算分析，裝置與試驗機連接處承受10kN·m 的彎矩，施力點與受力中心位置距離為0.8m，則在施力點施加12.5kN 的集中荷載，套在試驗機上的孔邊采用完全固定的約束方式。對模型進行應力、變形分析[6]。

通過對結構的分析，得到如圖3 所示的杠桿變形結果，最大變形為3.2mm。

圖3 ANSYS 計算

圖3（b）為等效應力云圖，孔邊最大應力為69.3MPa，桁架部分最大應力為207MPa，均未超過選用材料Q235 鋼的屈服強度標準值（235MPa），因此該結構形式滿足強度要求。

3 裝置試驗分析

采用應變電測技術對裝置進行應力測試分析，貼片在孔邊及危險點處，貼片方式如圖4 所示。

圖4 貼片方式

ANSYS 模擬結果顯示桁架處應力較大，為了測出杠桿的各部的應力狀況及幾個危險點的應力狀態。1#、2#、3#、4#幾處貼BF120-2AA 應變計，通過公式（4）計算處點的應力：

式中：E-彈性模量；ε-測出應變值。

根據數值模擬分析的結果，桁架桿的部分區域受力最大。所以對其中的兩根桿進行應力測試，分別在中間的桿上的四個面貼上BF120-2AA 應變計，貼片方式見圖4。通過電阻應變儀測出各點應變后，按式（4）計算其應力。

與試驗機連接的端部是一個孔洞，孔邊受力情況較復雜，孔周邊區域內會出現顯著應力集中的現象，由于擠壓等其他復雜力的作用，孔邊為復雜平面應力狀態。對孔邊貼片以監測其應力狀態，12#、13#、14#、15#均采用BF120-3CB 金屬箔式電阻應變花，測出其主應力大小。通過電阻應變儀測出應變花各點應變后，按式（5）和式（6）可以分別計算出其主應力和等效應力：

式中：E-彈性模量；μ-泊松比；εi+n-各方向上的應變值；i-中性層方向；n-與中性層所成夾角，σ3=0。

4 裝置性能評估

加載至10kN·m 時各點的應力狀態如表1 所示，試驗結果與模擬計算結果對比大致相同。試驗結果表明杠桿與試驗機的連接端上下表面的應力與模擬的結果相同，連接端截面達到強度要求。在桁架的上下表面處，應力與模擬值、計算值均接近，等強梁設計合理且大量減少材料的使用量。試驗表明，桁架桿處接近施力端部的桿為結構最危險的地方，與模擬相近且并未屈服，桁架桿有效提高杠桿的穩定性。孔邊平面應力區域較復雜，通過試驗測出并未產生屈服與變形。試驗的結果表示杠桿的設計合理，達到輕質高強且攜帶運輸方便的設計目的。

表1 各點應力值對比

5 結束語

應力測試結果表明強度均達到要求，試驗過程中杠桿全段無屈服現象。并且此裝置具有以下優點：①杠桿采用工字鋼的結構形式，杠桿中部區域受彎矩影響較小，采取桁架結構形式，可以省去大量的材料從而使杠桿達到輕質高強；②施力裝置接觸面平滑且可在杠桿上移動以調整接觸點，同時可以完成點荷載的加載方式，提高扭矩校準值的準確度；③使用力傳感器代替砝碼加載，能使裝置輕便、可靠、易操作。