一種液壓聯動包帶預緊力施加裝置的校準方法

史路陽，趙興亮，黃愛輝，劉志超，陳 林，李夢聰

（阿米檢測技術有限公司，天津300308）

預緊力組合結構廣泛應用于現代大型工程中，預緊力的確定是關鍵問題。因此，需要對預緊力施加裝置進行定期校準，以確定數據的準確可靠，但在國內，液壓聯動包帶預緊力施加裝置沒有相應校準規范/檢定規程。因其與液壓千斤頂工作原理一致，以油液作為工作介質，通過密封容積的變化來傳遞運動，通過油液內部的壓力來傳遞動力，因此，本文參照液壓千斤頂的校準方法（《JJG 621—2012液壓千斤頂檢定規程》），對液壓聯動包帶預緊力施加裝置的校準技術開展研究。

1 液壓聯動包帶預緊力施加裝置組成

液壓聯動包帶預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。液壓手動泵對加載單元供油，加載單元對包帶施加預緊力，監控液壓手動泵上液壓表，通過液壓聯動包帶預緊力施加裝置壓力載荷換算表，得到壓力對應的預緊力的值。

圖1 液壓聯動包帶預緊力施加裝置組成Fig.1 Composition of preload applying device for hydraulic linkage bale

2 液壓聯動包帶預緊力施加裝置的校準方法研究

2.1 以標準壓力表示值為輸入壓力值

將液壓聯動包帶預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準壓力表，把加載單元與標準測力儀同軸放置于校準裝置上，如圖2所示，以標準壓力表的示值為輸入壓力開展校準工作。

圖2 以標準壓力表的示值為輸入壓力值的校準方法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且使用無異常的情況下，將液壓聯動包帶預緊力施加裝置的液壓手動泵、高壓管、加載單元按序連接，把加載單元與標準測力儀同軸放置于校準裝置上，如圖3所示，以液壓表的示值為輸入壓力開展校準工作。

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

2.3 校準用計量標準器具及受力裝置

計量標準器具：選用等級不低于0.5級且力值上限與加載單元額定力值相適應的標準測力儀，依據液壓表的等級及量程選用最大允許誤差絕對值不大于液壓表最大允許誤差絕對值1/4的標準壓力表（《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程》）。

受力裝置：應用足夠剛度、穩定的門式框架或張力桿，其結構在承受最大力值時無明顯變形。加載單元主軸線與標準測力儀應重合，即同軸放置于校準裝置上。

安裝完畢后，依據液壓聯動包帶預緊力施加裝置出廠使用說明書中方法及壓力載荷換算表，使用液壓手動泵加壓至5 kN，并保壓5 min檢查是否有漏油；確認各部件連接緊固無漏油問題后，進行加壓、泄壓3次，使壓力表讀數處于穩定狀態。

3 液壓聯動包帶預緊力施加裝置重復性校準實驗

3.1 實驗目的

因液壓聯動包帶預緊力施加裝置與千斤頂原理一樣，所以通過具體的實驗數據，可驗證校準液壓聯動包帶預緊力施加裝置。參考《JJG 621—2012液壓千斤頂檢定規程》中校準方法，檢驗計量性能指標是否科學、合理，以及是否具有可操作性。第2節介紹了兩種校準方法，第1種方法和第2種方法分別以標準壓力表的示值和液壓表的示值作為輸入壓力值。使用標準壓力表讀取壓力值比液壓表更為準確，能得到更準確的校準結果，故本文采用2.1中介紹的校準方法。

3.2 重復性的校準實驗

3.2.1 重復性的校準

將墊塊、加載單元、標準測力儀同軸放置在校準裝置（框架）中間[1-2]，如圖4所示，并調整至工作狀態。

圖4 墊塊、加載單元、標準測力儀同軸放置簡圖Fig.4 Schematic diagram of coaxial placement of pad，loading unit and standard dynamometer

使用手動泵加壓，將壓力表示值依次穩定在10、20、30和40 MPa，用標準測力儀依次測量每個壓力點對應的輸出力值，讀數并記錄數據。此過程進行不少于3次。按公式（1）計算重復性R

式中：Fimax、Fimin、為第i次測量時，對應校準3次重復測量測力儀上讀數的最大值、最小值、平均值，kN.

3.2 .2實驗數據

表1為以標準壓力表示值為輸入壓力值時，液壓聯動包帶預緊力施加裝置輸出力值重復性校準數據。

表1 重復性校準數據Tab.1 Repeatability calibration data

根據以上實驗數據分析可知，該方法的測量結果的重復性不超過0.8%，且各個測量點重復性符合《JJG 621—2012液壓千斤頂檢定規程》對示值重復性指標要求，符合產品的技術指標要求，證明該校準方法有效可靠，可以用來開展液壓聯動包帶預緊力施加裝置的重復性校準工作。

3.3 測量不確定度評定

3.3.1 數學模型

液壓聯動包帶預緊力裝置的示值誤差為標準測力儀在測量點的實際力值與液壓聯動包帶預緊力裝置對應的額定力值（見表2）之差。按公式（2）計算示值誤差：

表2 各讀數點的額定力值（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 的標準不確定度u（F）的評定

此輸入量的不確定度來源包含測量對象的示值波動、溫度特性、標準測力儀的示值分辨力和壓力表的分辨力等，綜合體現在測量對象示值的測量重復性中。使用合并樣本標準差作A類不確定度評定（參考《JJF 1059.1—2012測量不確定度評定與表示》）。各校準點的測量結果的實驗標準差Sk按公式（3）計算，結果見表3。

表3 試驗標準差Tab.3 Test standard deviation

在同等條件下，用同樣的方法再測量2組，得到的單次測量結果的實驗標準差如表4所示。

表4 3組單次測量結果的實驗標準差Tab.4 Experimental standard deviations of the three groups of single measurement results

合并標準樣本差為

以每一測量讀數點的3次測量值的算術平均值作為測量結果，則測量重復性產生的標準不確定度為

由此得到各點測量重復性產生的標準不確定度，如表5所示。

表5 測量重復性產生的標準不確定度Tab.5 Standard uncertainty generated by measurement repeatability

3.3.3 輸入量F的標準不確定度u（F）的評定

此輸入量的不確定度來源于標準測力儀，主要不確定度來源是所用標準測力儀自身名義值與約定真值的誤差，根據標準測力儀校準證書給出的最大允許誤差來評定。可依據公式（6）評定，按線性分布規律計算在測量點的此分項標準不確定度，此為均勻分布，用B類方法進行評定，依次求得各測量點對應的輸入量標準不確定度，如表（6）所示。

式中：W為標準測力儀的示值誤差限；F為液壓聯動包帶預緊力裝置對應的額定力值（kN）；

3.3.4 輸入量Fs的標準不確定度u（Fs）的評定

此輸入量的不確定度來源為壓力表自身誤差所造成的對應讀取標準測力儀力值的誤差，根據壓力表級別判斷其最大允許誤差。可依據公式（7）評定，按線性分布規律計算在測量點的此分項引入的標準不確定度，為均勻分布，用B類方法進行評定，依次求得各測量點對應的輸入量標準不確定度，如表（6）所示。

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

表6 各測量點對應的輸入量標準不確定度Tab.6 Standard uncertainty of input quantity corresponding to each measurement point

3.3.5 合成不確定度的評定

上述各分量彼此不相關，按公式（8）計算各測量點的合成標準不確定度，結果如表7所示。

表7 各測量點的合成標準不確定度Tab.7 Synthetic standard uncertainty of each measurement point

3.3.6 擴展不確定度的評定

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

表8 擴展不確定度U95和相對擴展不確定度U95relTab.8 Extended uncertainty U95 and relative extended uncertainty U95rel

從上述測量不確定度的評定[3]可知：該實驗的測量結果的不確定度不超過0.4%，符合產品的技術指標要求，證明該方法有效可靠，可以用來校準液壓聯動包帶預緊力施加裝置。

4 結論

實驗證明，上述液壓聯動包帶預緊力施加裝置校準方法可靠，達到了產品技術指標要求。液壓聯動包帶預緊力施加裝置量值的準確溯源，可為工業生產提供可靠的計量技術保障，在實際工作中具有很重要的指導意義。