杠杆组件的结构性能对扭矩标准机力臂杠杆平衡的影响分析

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 杠杆组件的结构性能对扭矩标准机 力臂杠杆平衡的影响分析 【摘 要】分析了扭矩标准机的 工作原理和扭矩平衡机构的关键技术， 从扭矩平衡驱动装置、配重平衡机构、 支承的刀口和刀承选择、力臂杠杆锁紧 机构及力臂杠杆自动平衡系统等方面进 行分析，并从初负荷和最大负荷灵敏限 的理论出发，分析了力臂杠杆组件结构 性能的重要性，其对扭矩标准机杠杆平 衡的影响很大，由此得出力臂杠杆组件 对整机计量准确度的高低起到至关重要 作用，可为相关领域的扭矩标准机关键 技术研制及生产提供一定参考价值，具 有良好的经济效益。 中国论文网 /8/view-12933366.htm -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 【关键词】扭矩标准机；杠杆平 衡；结构性能；计量；准确度 中图分类号： TH823 文献标识 码： A 文章编号： 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 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 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 机械和计量学上的“扭矩” 是一个 综合反映机械设备力学特性的重要参数， 用以评估机械设备和动力设备的运转、 能耗、寿命、效率和安全等性能，是机 械产品开发研究、测试分析、质量检验、 安全和优化控制等工作中不可缺少的内 容1-2 。就计量领域而言，扭矩标准机 作为产生标准扭矩值的精密装置，是扭 矩计量器具检定系统框图中重要的一环， 广泛应用于工业制造、航空航天、桥梁 交通、国防装备及科学研究等领域，用 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 于对扭矩传感器、转矩转速传感器及其 它扭矩计量器具进行检定和校准，从而 确定扭矩的计量准确度3-4。 然而，我国前些年的扭矩标准设 备技术相对陈旧，设备的准确性、可靠 性和自动化程度与国际上先进工业国家 （如德国、英国、日本等）的扭矩设备 相比有不小的差距5-8，这样现状引起 我国该领域专家的担忧。近五年来，我 国与电机相关的生产企业对扭矩、转矩 转速测量装置等计量服务的需求日益增 强，并向宽量程、高准确度及智能化等 态势飞速发展，引起我们计量部门对该 市场发展情况的极大重视。不少相关研 究院所开展对扭矩标准机的创新设计的 大力度关注和资金投入，作为扭矩标准 机最为核心的部件之一，力臂杠杆组件 成为大家共同的兴趣点及需要重点研究 的对象。近几年来，对于力臂杠杆组件 的影响分析，国内不少学者都展开了不 少研究。王刚等9研究发现，对于扭矩 标准装置，影响其不确定度的主要因素 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 之一为杠杆装置力臂长度的不确定度、 支撑点摩擦扭矩的不确定度、力臂水平 度等方面引起的不确定度所组成的。因 此采用了力偶施加方式，在力臂和中心 转轴之间使用特殊连接，构成负载平衡 系统，消除了因采用支撑轴承附加摩擦 扭矩带来的不确定度分量，且测试的效 果较好。倪昔东等10 主要考虑了影响 标准机性能指标的主要因素包括标准力 臂对材料、机械 加工、装配调整、性 能测试等方面，认为应选择了膨胀系数 非常小的因钢瓦合金钢，同时对力臂结 构采用计算机辅助设计分析进行优化设 计，同时应编制合理的加工工艺，从而 保证力臂长度的准确性。马培凤11、 李涛12均从力臂杠杆长度的变化及其 引入的不确定度进行理论分析，说明力 臂杠杆对整机计量准确度的重要性。还 有不少学者也不同程度地开展此方面的 研究。以上种种研究表明，力臂杠杆的 结构组件对于一台扭矩标准机的重要性 可想而知。本文正是针对杠杆组件的结 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 构性能特点展开分析，特别是对于力臂 杠杆平衡的影响方面做了一些分析。 1 工作原理 如图 1 所示，该扭矩标准机的组 成包括：主机、力臂杠杆、砝码、扭矩 平衡机构、计算机及软件系统等。其工 作原理为采用力臂杠杆和砝码的加载原 理，即在臂长恒定的力臂杠杆上加载力 值砝码（组） ，由此产生标准扭矩值， 然后将标准扭矩值传递到被检扭矩计量 器具，扭矩平衡机构再将力臂杠杆平缓 地调整回到水平位置的同时产生大小相 等、方向相反的平衡力矩，再通过比较 二者的扭矩示值，即可到被检扭矩计量 器具的扭矩示值误差的大小。 2 扭矩平衡C 构的关键技术 2.1 扭矩平衡驱动装置 扭矩驱动装置是力臂杠杆平衡驱 动的关键部件，其平衡性能的效果好坏 直接影响到力臂杠杆有效长度，进而关 系到整机测量准确度的高低。如图 2 所 示，扭矩驱动装置是采用伺服电机（功 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 率为 3kW）与减速机（串联）以驱动主 轴平稳、缓慢地旋转，从而驱动主轴旋 转，可配合将挠性联轴器与被检扭矩传 感器进行对中锁紧，然后将扭矩传递至 已连接的被检扭矩传感器，带动力臂杠 杆绕轴线进行微小调整，最终满足力臂 杠杆达到平衡状态。 在调平过 程中，调节速度最低为 2/min，以避免 产生附加应力而造成减速机驱动主轴时 的动作不当现象，也为砝码组加载后可 及时恢复力臂杠杆的平衡状态要求，因 此要兼顾精度与速度两个指标。 2.2 配重平衡机构 为了使得力臂杠杆处于自由状态 时的自然平衡，应对其固有的机械结构 进行配重补偿，一般都是采取四个方向 的配重来实现此要求。如图 3 所示，力 臂杠杆的配重平衡机构由左、右、后三 组平衡砣及用于调整力臂杠杆重心的上 平衡陀（用于调整灵敏度）组成，实现 了多个方向的平衡调整，直至力臂杠杆 平衡满足控制指标要求。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 8 依据 JJG 769-2009扭矩标准机 检定规程对力臂杠杆的初负荷和最大 负荷灵敏限的计算公式及测试方法，即 可得出力臂杠杆的初负荷灵敏限和最大 负荷灵敏限13-14 。 （1）初负荷灵敏限：同时在力 臂杠杆的两侧施加扭矩标准机的初负荷， 记录平衡指示位置，在力臂杠杆的一端 施加小砝码 m1，直至平衡指示器有明 显变化。记录所加小砝码 m1 大小， 按下式计算出初负荷灵敏限： S1=m1/m1100%，其中： S1 为初负荷 灵敏限；m1 为测量初负荷时，所施加 的小砝码的质量；m1 为初负荷对应的 砝码质量；（2）最大负荷灵敏限：同 时在力臂杠杆的两侧施加扭矩标准机的 最大负荷，记录平衡指示位置，在力臂 杠杆的一端施加小砝码 m2，直至平衡 指示器有明显变化。记录所加小砝码 m2 大小，按下式计算出最大负荷灵敏 限：S2=m2/m2100%，其中： S2 为最 大负荷灵敏限；m2 为测量最大负荷时， -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 9 所施加的小砝码的质量；m2 为最大负 荷对应的砝码质量。 2.3 支承的刀口和刀承 对于适合工程扭矩计量的力臂杠 杆各种支承方式而言，摩擦力矩的因素 带来的始终是无法避免的，其不确定分 量基本上占到了整机总不确定度的 1/3，选择此结构的支承方式时很难通过 特别的技术手段进行更多的改善。如图 4、5 所示，这是一台 5kNm 扭矩标准机 的力臂杠杆刀口和刀承，其支采用刀子、 刀承支承结构，其刀口及刀承所采用的 材料、硬度以及三个刀口的平行度能够 保证扭矩标准机的初负荷灵敏限和满负 荷灵敏限不大于 0.0l%的要求（对于整 机准确度等级为 0.03 级而言） 。 2.4 力臂杠杆锁紧机构 如图 6 所示，该锁紧机构是一种 采用机械式的支撑保护与限位机构，而 加压和卸压过程是依靠空压机的驱动通 过吸气、压缩及排气实现的，保证被检 扭矩计量器具在拆装过程，将力臂杠杆 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 10 的位移量限制在一个较小幅度内，避免 力臂杠杆的任意摆动，从而达到不对支 承刀口和刀承的机构施加附加外力，有 效地保护了支承刀口和刀承不易受到损 坏。 2.5 力臂杠杆自动平衡系统 静重式扭矩标准机是采用砝码进 行施加载荷，每级砝码在加载时，力臂 杠杆将发生位移变化，通过采用激光非 接触式位移传感器（分辨率 lm）检测 到力臂杠杆发生的水平偏移量，位于扭 矩机构中的伺服电机接收到位移信号， 通过控制减速机将力臂杠杆进行量化控 制直至精确地调整至水平位置，从而确 保力臂杠杆达到平衡，最终实现扭矩的 加载。该自动平衡系统的标定和检测时， 使用分度值为 0.02mm/m 的条形水平仪 对力臂杠杆的水平度进行多次测量与调 整得以实现，以确保在整机正常工作时 力臂杠杆的平衡准确度优于 0.06mm/m，由此力臂杠杆的有效工作 长度得以保证，整机的扭矩计量性能也 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 11 符合技术要求。 3 结论 对于扭矩标准机而言，力臂杠杆 组件是最为核心部件之一，其结构性能 与力臂杠杆是否达到良好的平衡状态是 息息相关的。对于大多数的研