简述扭矩标准机应用及其测量能力的分析评估

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 简述扭矩标准机应用及其测量能力 的分析评估 【摘 要】简述了扭矩标准机的 应用领域及所发挥的作用，介绍了影响 整机计量准确度的一些关键因素，详细 分析了静重式扭矩标准机各部件测量不 确定度的分量组成，通过部件法进行了 不确定度计算。通过测量不确定度的分 析与评定，使生产厂家更清楚如何更好 地设计各个部件以获得更加合理的结构； 也为用户对整机的维护提供技术参考， 最终在整机投入使用后可长期处于相应 准确度等级的良好状态。 中国论文网 /8/view-12932463.htm 【关键字】扭矩标准机；静重式； 扭矩传感器；测量不确定度；计量 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 中图分类号： TH823 文献标识 码： A 文章编号： 2095- 2457（2017）35-0036-003 Brief introduction to the application of torque standard machine and the analysis and evaluation of its measuring ability GUO Gui-yong XUE Jin （Fujian Institute of Metrology， Fuzhou 350003， China） 【Abstract】The application field of torque standard machine and its function are introduced briefly. Some key factors influencing the measurement accuracy of the whole machine are introduced. The components of the measurement uncertainty of each part of the static weight torque standard machine are analyzed in detail. Component method for the calculation of uncertainty. Through the analysis and assessment of -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 measurement uncertainty， manufacturers can better understand how to design each component better to get a more reasonable structure. It also provides technical reference for the maintenance of the whole machine to the user， and finally can be long-term after the complete machine is put into operation At the appropriate level of accuracy of the state. 【Key words】Torque standard machine； Dead weight type； Torque sensor； Measurement uncertainty； Measurement 0 引言 扭矩是重要的物理量，是一 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，其准 确测量和控制在航天、航空、船舶、兵 器、汽车、矿山、水电等行业有着广泛 的应用，这些重要部件的性能及装配质 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 量、制造过程的控制等方面的准确性和 可靠性，均与扭矩标准机（以下简称扭 矩机）的测量技术密不可分的1-3。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4-5。 扭矩机在以上多个重要领域都发 挥了良好作用，为我国工业测量提供技 术支撑6-7 。但由于影响扭矩机整机的 测量准确度因素很多，而影响量分量较 大的是其中的某些部件所引入的，如力 臂长度偏差、砝码力偏差、力臂刀口支 撑的摩擦扭矩、标准力臂输出轴心和平 衡力臂输出轴心之间的不同轴度等。为 了能够准确分析和评估扭矩机整机最真 实的测量技术能力，必须对以上这些影 响量进行详细分析，将如何更好地对整 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 机各个部件进行设计与维护，如何保证 整机的设计结构更加合理等关键问题已 经摆在我们面前，只有真正解决这些问 题，扭矩机才能在投入使用后长期处于 相应准确度等级的良好状态。 1 数学模型与误差来源分析 1.1 评定对象及依据 1）评定对象：（1）名称：静重 式扭矩标准机；（2）型号规格： 5kNm；（3）准确度等级：0.03 级； 2）评定依据：（1）JJF 1059.1- 2012 测量不确定度评定与表示8； （2）JJG 769-2009扭矩标准机检定规 程9。 1.2 建立数学模型 该扭矩机的测量方法是采用力臂 杠杆、砝码产生重力加载，从而产生纯 扭矩的方法进行的，其基本数学模型为： MA=LF+Mf+M =L（XL1，XL2， XL3，XL4） -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 F（XF1，XF2 ，XF3）+Mf+M 式中：MA：加载扭矩实际值 （单位：Nm） ；L：力臂杠杆实际长度 值，是关于 XL1，XL2 ，XL3，XL4 变 量的函数（单位：m） ；F：砝码产生重 力标准值，是关于 XF1，XF2，XF3 变 量的函数（单位：N） ；Mf：力臂杠杆 刀刃支撑的摩擦扭矩产生的扭矩附加值 （单位：Nm） ；M：加载力臂杠杆平 面轴心和平衡力臂杠杆平面轴心同轴度 产生的扭矩附加值（单位：Nm） ； XL1：由力臂杠杆长度偏差引入的变量 （单位：mm） ；XL2：由温度变化引起 力臂杠杆长度变化的变量（单位：mm） ； XL3：由力臂杠杆挠度变化和力臂杠杆 水平位置偏差所引起力臂杠杆长度变化 的变量（单位：mm） ；XL4：由被校传 感器和力臂杠杆连接同轴度偏差所引起 力臂杠杆长度变化的变量（单位：mm） ； XF1：由砝码质量偏差引起的变量（单 位：kg） ；XF2：由于地理位置差异引起 砝码产生重力变化的变量（单位：N） ； -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 XF3：由于温度变化引起砝码质量变化 的变量（单位：kg） 。 1.3 测量 不确定度来源分析 由上面的数学模型中可以看出， 该扭矩机不确定度的主要来源：温度变 化因素对各不确定度分量是有影响的。 从上述分析可知，每个不确定度分量中 已考虑温度影响，因此可以认为各不确 定度分量之间是不相关的。来源如下： （1）力臂杠杆长度偏差产生不确定度 分量 urel（L）：长度偏差、环境温度 变化、力臂杠杆受力产生挠度和力臂杠 杆水平位置偏差、被校传感器和力臂杠 杆连接同轴度偏差等引起的相对标准不 确定度分量 urel（L） ；（2）砝码重力 偏差产生的不确定度分量 urel（F）： 码质量偏差、该扭矩机所处地理位置的 差异（g 值） 、环境温度变化引起的相对 标准不确定度分量 urel（F） ；（3）力 臂杠杆刀口支撑的摩擦扭矩引起的相对 标准不确定度分量 urel（f ） ；（4）力臂 杠杆输出轴心和平衡力臂杠杆输出轴心 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 8 之间的不同轴度所引起的相对标准不确 定度分量 urel（） 。 1.4 测量不确定度的评定方法 该扭矩机的标准不确定度评定根 据数学分析模型中的自变量参数来源分 析，采用 B 类评定方法进行。该扭矩机 的相对标准不确定度由力臂杠杆长度引 起的相对标准不确定度分量 urel（L ） 、 重力引起的相对标准不确定度分量 urel（F） 、摩擦扭矩引起的相对标准不 确定度分量 urel（f） 、轴心线变化引起 的相对标准不确定分量 urel（） 。 2 各项不确定分量计算 2.1 力臂杠杆长度引入的标准不 确定度分量 （1）力臂杠杆的设计长度与制 造引入的标准不确定度分量 urel（L1 ） 力臂杠杆设计名义值为 1000mm；根据力臂杠杆长度实测值可 知，力臂杠杆的最大误差值为- 0.027mm，力臂杠杆的最大允许误差极 值110-4。设区间内为均匀分布，置 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 9 信概率为 100%，包含因子 k=，所以 力臂杠杆的设计长度与制造引入的标准 不确定度分量为： urel（L1）=5.7710mm （2）力臂杠杆长度因环境温度 变化而引入的标准不确定度分量 urel（L2） 力臂杠杆因环境温度变化而产生 长度变化，该扭矩机的专用实验室空调 系统的温控波动范围为 t=5，则可 得力臂杠杆因环境温度变化而产生长度 变化量为： L=Lt 其中：L=1000mm，线膨胀系数 =11.210-6/。 则有：L=（100011.210- 65）=0.056mm，其不确定度按极值 处理，设区间内为均匀分布，置信概率 为 100%，其包含因子 ，所以温度变化 引起主力臂杠杆长度变化所引入的相对 标准不确定度分量为： -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 10 urel（L2）=3.2310mm （3）力臂杠杆满载挠度变形和 力臂水平位置偏差引入的标准不确定度 分量 urel（L3） 力臂杠杆满载后最大挠度引起力 臂杠杆下降为 0.15mm（试验实测值） ， 测量时力臂杠杆的水平位置偏离为 0.05mm（其值由激光位移传感器的测 量误差与电气控制精度所决定） ，共计 H=0.2mm。根据误差三角形计算，力 臂杠杆下降引起水平方向的长度变化为 L3 为： L3=L-=1000-=210-5mm 设区间内为均匀分布，置信概率 为 100%，其包含因子 k=，urel （L3） =1.1510-8mm （4）被z 扭矩传感器和力臂杠 杆连接同轴度偏差所引入的标准不确定 度分量 urel（L4） 被检扭矩传感器和力臂杠杆连接 的不同轴度误差值为 0.05mm，其不确 定度按极值处理，设区间内为均匀分布， -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 11 包含因子 k=， urel（L4）=2.8910-5mm （5）力臂杠杆长度引入的相对 标准不确定度分量 urel（L ） urel（L）=7.2210-5mm 2.2 作用力引入不确定度分量 （1）砝码质量偏差引入的相对 标准不确定度分量 urel（F1） 该扭矩机所使用的专用砝码经过 测试后得到，最大允许误差310-5。 设区间内为均匀分布，则 k=， urel（F1）=1.7310-5N （2）地理位置引起重力加速度 值偏差引入的相对标准不确定分量 urel（F2） 福州地区的重力加速度 g 的精确 值为 9.7900m/s2。其极限误差为 0.0001m/s2，相对误差为1.0210-5。 设区间内为均匀分布，置信概率为 100%， 包含因子 k=， urel（F2）=5.8910-6N （3）温度变化对砝码质量影响 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 12 引入的相对标准不确定度分量 urel（F3） 砝码组的质量会因环境温度变化 而产生变化，5kNm 扭矩标准机的实验 室空调系统的温控波动范围为 t=5， 导致空气密度和专用砝码密度变化，从 而会使密度因子 y=（1-a/m）产生变 化。密度因子的最大变 y 可按下式计 算： =0.5219810-6t=2.6110-5 设区间内为均匀分布，包含因子 k= urel（F3）=1.5110-5N （4）作用力引入的相对标准不 确定度分量 urel（F）： urel（F）=3.3110-5N 2.3 摩擦扭矩引入的不确定分量 最大负载扭矩时旋转支承的摩擦 扭矩测出为和最小负载扭矩时旋转支承 的摩擦扭矩均0.015% ，设区间内为均 匀分布，置信概率为 100%，包含因子 k=。摩擦扭矩引入的不确定度分量为： -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 13 urel （f）=8.6610-5N 2.4 同轴度引入的相对标准不确 定度分量 由于加载力臂平面中心、平衡力 臂平面中心不在同一轴线上引入测量误 差。由该扭矩机实测所得 =0.05mm， 即扭矩机输出轴与平衡力臂输出轴之间 的同轴度为 0.05mm（扭矩机调试安装 实测数值） ，同轴度0.1mm，设区间内 为均匀分布，置信概率为 100%，包含 因子 k=，所以由于力臂轴心线之间的 同轴度误差引入的相对标准不确定度分 量 urel（ ）为： urel（）= =5.7710-5mm 2.5 合成标准不确定度 根据分析可知，L、F、f、 变量 参数互不相关，温度影响已经在各影响 量中加以考虑且灵敏度系数 Ci=1，则有： uc（M）=1.3110-4Nm 2.6 相对扩展不确定度 -精选财经经济类资