量塊安放對長度測量值的影響

韓翹楚

【摘要】量塊是一種長度計量標準器。在檢定過程中，量塊在豎直安放時受自身重力作用的影響，其長度將比水平安放時有所縮短。為了盡可能消除這一影響因素，確保量塊長度測量值的準確性，應根據量塊的不同標稱長度選擇合適的安放方式。

【關鍵詞】量塊;安放;長度測量

【DOI編碼】10.3969/j.issn.1674-4977.2022.03.028

Influence of Gauge Block Placement on Length Measurement

HAN Qiao-chu

（Liaoning Institute of Measurement，Shengyang 110004，China）

Abstract：Gauge block is a length measuring standard. When the gauge block is placed vertically，its length will be shorter than that when it is placed vertically. In order to eliminate this influence factor as much as possible and ensure the accuracy of the measured value of the gauge block length，the appropriate placement method should be selected according to the different nominal length of thegauge block.

Key words：gauge block;placement;length measured

1概述

量塊是用耐磨材料制造的橫截面為矩形，且有一對互相平行測量面的標準端面量具。量塊在長度計量儀器的檢定和校準過程中有著廣泛的應用。通過量塊可以進行長度的量值傳遞，也可以作為計量標準器對長度計量測試儀器、量具、量規等進行檢定或校準，還可以調整精密機床的夾具、刀具在加工中的定位尺寸或對精密儀器進行調校。因此，量塊測量值的準確度就顯得尤為重要。

在量塊的檢定過程中，除了溫度，量塊的安放也是影響測量結果的一個重要因素。由于量塊安放的不同會使其長度和形態發生變化，進而影響長度測量值的準確度。本文將分析如何減小量塊安放姿態對長度測量值的影響。

2量塊的標準姿態

在國家檢定規程JJG 46—2011《量塊》中規定了量塊的標準安放方式，即“長度等于或小于100 mm的量塊，在測量和使時，量塊的軸線可垂直或水平安裝;大于100 mm時，量塊的軸線應水平安裝。這時，量塊一個較窄的側面放置在分別距量塊兩端面各為0.211×l_n的兩個橫放的支柱上”。

3量塊垂直安放對測量值的影響

垂直安放的量塊受自身重力的影響，其長度將比水平安放的情況下有所縮短。量塊垂直安放比水平安放測得值的縮短量，可以用下式來計算。

S=0.5（LW/EA）=0.5（L²ρ/E）

式中，L為量塊長度;W為量塊自身的重力;E為量塊的彈性模量;A為量塊的橫截面積;ρ為量塊材料密度。

以鋼制量塊的計算結果為例，與一等量塊長度測量不確定度的允許值進行比較，如表1所示。

由上表數據可知，對長度等于或小于100 mm的量塊，垂直安放的縮短量與一等量塊長度測量不確定度允許值相比較可以忽略不計。但是，對長度大于100 mm的量塊，垂直安放的縮短量與一等量塊長度測量不確定度允許值幾乎處于同一個數量級。因此，量塊檢定規程中規定：“大于100 mm時，量塊的軸線應水平安裝?！?/p>

4量塊水平安放的支承位置

量塊水平安放樣式如圖1所示。用量塊一個較窄的側面安放在與次面相垂直的支柱A、B上。量塊測量面在量塊測量軸線彎曲與不彎曲時兩者之間的夾角，稱為轉角θ。a為支承量塊兩個橫放支柱與測量軸線兩端測量面之間的距離，b為支承量塊兩個橫放支柱之間的距離。當a=0.211×l_a時，θ=0。此時，量塊雖然在其自身均勻分布的重力作用下產生彈性變形而導致測量軸線發生彎曲，但因為兩測量面轉角為0，所以兩測量面之間的平行度不會受到影響。a=0.211×l_n為支承量塊兩個橫放支柱與測量軸線兩端測量面之間的最佳距離。由于上述安放位置的選擇原則首先是由艾利發現的，該支承點被稱為艾利點。

5非艾利點支承

當被測量塊處于非艾利點支承位置時，就會對量塊長度的測量結果產生影響。下面以長度為1000 mm的量塊為例，分析當支承點位置不在艾利點上時對測量結果產生的影響。假設兩個支柱A和B的位置分別距離量塊的兩個端面a_x，并假設a_x-a=5mm。由于量塊受自身重力作用的影響而產生彈性形變，進而使量塊的軸線產生彎曲，導致兩測量面位置的撓角不等于零。根據材料力學可知，撓角的計算公式為：

其中，q為沿量塊軸線單位長度的重力，q=0.0241 N/mm;b為支承量塊的兩個支柱A和B之間的距離，b=1000mm-2×216mm=568mm;a為支承量塊的兩個支柱A和B分別與測量軸線兩端測量面之間的距離，a=211mm+5mm=216 mm;E為量塊材料的彈性模數，E=2059.4N/mm;J為與測量軸線相垂直量塊橫截面對中性軸的慣性矩，J=3.216×10⁴mm。將上述數據代撓角計算公式中可以得出θ_x=2.433×10^-6rad。

由于量塊橫截面和支承情況的對稱性，并根據JJG 146—2011《量塊》檢定規程中提出的距離測量面邊緣0.8 mm范圍內忽略不計的規定，量塊測量面的有效高度H為33.4 mm。由于量塊測量面的撓角不等于零，使量塊上邊的長度伸長，下邊的長度縮短，其伸長與縮短量之差為：Δ=2H×θ。將H=33.4mm，θ_x=2.433×10^-6rad代入可得Δ=0.16μm。

根據以上計算可知，當1000mm量塊的兩個支撐位置各偏離5mm時，長度變動量增加0.16μm，這個數值相對于其變動量允許值0.60μm來說是不可以忽略的。因此，長度大于100mm的量塊，在水平安放時應注意支撐點位置的選擇。如果支柱A和B之間的距離b太近，則量塊的兩端下垂而中間部分略有抬高，如圖2所示。如果支柱A和B之間的距離b太遠，則量塊的兩端上翹而中間部分略有下垂，如圖3所示。在這兩種情況下，由于撓角不等于零，量塊的兩個端面不處于平行的狀態，就會造成中心長度和變動量的檢定或校準結果不準確。

6支承工具

當量塊水平安放時，不僅要注意支承點位置的選擇，也要有合適的支承工具。在對標稱長度大于100mm的量塊進行檢定或校準時，按照量塊支承位置（艾利點）的要求，應該使用相應的支承工具來固定標準量塊和被測量塊。一般來說，在滿足量塊保護及支承力要求的前提下，支承面寬度應該盡可能地窄，同時，為了滿足不同長度量塊檢定或校準需求，使用的都是可調節型支承工具（如圖4所示）。

在使用這種夾具時，需要注意以下兩個問題：1）當兩塊被測量塊的標稱值之差較小時，應注意支承位置的調節，避免由于疏忽導致測量結果不準確。2）在利用兩個活動式壓緊臂上的螺釘固定量塊時，應左右用力一致且適度，盡量讓量塊減少受力和變形。

7結論

綜上所述，量塊是一種在長度計量工作中常用的計量器具，不僅可以用于長度的測量，還作為長度計量的主要標準器之一，在長度量值傳遞中發揮著重要的作用。因此，在檢定或校準量塊的過程中，應根據實際情況，選用合適的檢定或校準方法來確保量塊量值的可靠性，使量塊的量值傳遞工作能夠順利進行。

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