扭矩扳子检定仪加载系统误差分析

扭矩扳子检定仪加载系统误差分析 第六图书馆 文章简要介绍了常见的扭矩扳子的原理和分类,介绍了丝杠式和转轴式两种常见的加载结构,然后重点讨论分析了这两种加载结构 所带来的系统误差,并通过实验数据的对比进一步证实分析的结论,最后根据理论分析的结果和实际工作中的经验给出了几点改进 的建议以供参考。文章简要介绍了常见的扭矩扳子的原理和分类,介绍了丝杠式和转轴式两种常见的加载结构,然后重点讨论分析 了这两种加载结构所带来的系统误差,并通过实验数据的对比进一步证实分析的结论,最后根据理论分析的结果和实际工作中的经 验给出了几点改进的建议以供参考。扭矩扳子 检定 误差 转轴式 丝杠式工业计量王恩锋 陈柯行 刘军 柴继新 孙颖中国航空工业第一集团公司北京长城计量测试技术研究所,北京1000952007第六图书馆 www.6lib.com 第六图书馆 M~SUREMENT EQUIPMENT AND APPLICATION 计 量 装 置 及 应 用 扭 矩 扳 子 检 定 仪 加 载 系 统 误 差 分 析 王恩锋 。陈柯行 。刘 军 。柴继新 。孙 颖 (中国航空工业第一集团公司 北京长城计量测试技术研究所，北京 100095) [摘 要]文章简要介绍了常见的扭矩扳子的原理和分类，介绍了丝杠式和转轴式两种常见的加载结构，然后重点讨论 分析了这两种加载结构所带来的系统误差，并通过实验数据的对比进一步证实分析的结论，最后根据理论分析的结果 和实际工作中的经验给出了几点改进的建议以供参考。 [关键词]扭矩扳子；检定；误差；转轴式；丝杠式 [中图分类号]TH823 [文献标识码]B [文章编号]1002—1183【2007)06-0025—03 随着我国制造业的崛起，扭矩扳子作为生产线上 用来控制装配准确度、保障产品质量的重要计量器 具，在航空、航天、汽车、石油、摩托车、船舶、模 具等行业中得到了越来越广泛的应用。因此，扭矩扳 子的计量检定工作的重要性就显得尤为突出了。目 前，国内为生产扭矩扳子检定装置的企业有很多家， 产品质量也参差不齐，其中扭矩测量仪的准确度等级 往往更为人们所关注，而加载装置所引起的误差在实 际中经常被人们所忽视，但事实上它所引起的误差可 能更大，本文即重点讨论加载装置对测量结果 的 影响。 1 扭矩扳子的分类与原理 常见扭矩扳子可分为定值式和非定值式两种： 定值式扭矩扳子有时也称为响声式，使用前先设 定好一个扭矩值，使用时达到预设值后，扳子自动打 滑，同时释放扭矩，并发出 “咔”的响声，提示操作 者应停止加载。 非定值式扭矩扳子可以理解为是一个简易的扭矩 测量仪，使用 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 盘或者数字显示屏来显示施加的扭矩 值，检定时将扳子示值与 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 值比对即可。 2 常见的扭矩扳子检定装置的结构 扭矩扳子检定装置通常包括三部分组成 ：扭矩测 量仪、扭矩传感器和加载工作台，其中检定证书一般 只给出前两者的组合准确度，一般为 0．3级到0．5 级，这个准确度对于校准1—1O级的扭矩扳子显然是 够用了，然而加力工作台引入的误差却往往被忽略 了，实验证明，这部分的引入误差有时可以达到5％， 远远高于标准器具的不确定度，因此提高扭矩扳子量 传准确可靠的关键因素就在于选择一种什么样的结 构，尽可能减小加载装置所带来的误差。 现在被各个厂家所选用的加载结构主要有丝杠推 拉式和转轴式两种，下面将分别对这两种结构进行讨 论分析。 3 扭矩扳子检定装置误差分析 3．1 误差分析前的几点假设 本文只讨论加载装置对测量所带来的误差，为了 简化模型，进行如下几点合理假设： (1)假设扳子本身的刚性足够。 现在市场上很多扭矩扳子生产厂家为了降低成 本，减少扳子用料，使得扳子本身刚度不够，未达到 标称值时就已产生明显变形，由此带来的误差属于扳 子自身质量问题，不在本文讨论之列。 (2)扭矩传感器自身抵抗弯矩的能力足够。 国内目前扭矩传感器的性能也是参差不齐，有些 扭矩产品并没有抵抗侧向力和弯矩的能力，而扳子检 定中，侧向力的干扰又是不可避免的，在分析中认为 传感器具有这方面的技术，附加弯矩不会带来明显 误差。 (3)扳子检定在水平方向进行，排除自重影响。 3．2 丝杠式扭矩扳子检定装置的系统误差分析 丝杠式扭矩扳子检定装置为日系产品广泛采用， 用丝杠推拉来模拟扳手的工作状态，具有结构简单、 [收稿日期]2007—03～12 [作者简介]王恩锋 (1982一)，男，河北任丘人，助理工程师，毕业于北京科技大学，从事力学专业计量、力学计量产品开发 工作。 工业计量 2007年第 17卷第 6期 ·25· 维普资讯 http://www.cqvip.com http://www.6lib.com 第六图书馆 www.6lib.com 第六图书馆 计 量 装 置 及 应 用 MEASUREMENT EI ENT AND_APPLI 的l!lI 重量轻、加载省力等优点，因此也具有比较大的市场 占有量。国内也有企业进行仿造，但未得其精，结构 不尽合理，进而引起很大的测量误差。 图 1 丝杠式加载装置扳子受力示意图 通常情况下，这种装置在检定时把扳子放在与导 轨平行的方向，然后转动丝杠进行加载，使其偏离其 实位置一个角度OL，那么作用在扳子上的推力可以分 解为沿扳子方向的 和垂直于扳子方向的 F ，同时 扳子手柄处还要受到一个与 反向的摩擦力，，在扳 子另一端会受到来自传感器的反作用力F 和F 。以及 扭矩 ，进行如下的受力分析： Fo=F·sina (1) F =F·c0s (2) 厂= ·F (3) F：=一F (4) F o=一(Fo一 (5) T= F， ， ，L，r)=F·[(sina～ ·c0s )r+L·c0s ] (6) 式中： 为扳子手柄与检定装置挡块之间的摩擦系 数；r为扳子手柄处圆的半径；L为扳子校准时的有 效长度。 根据公式 (6)可以明显看出，影响 的因素有 F， ， ，L，r几个。 根据公式 (1)当 =0时，有 Fo=0，此时没有 ’ 相对滑动趋势，认为F =0，公式 (6)简化为： T=FL (7) 此时为理想状态，系统误差最小，通常的检定状 态下 不为0，则会引入误差 d=T—F ·L=F·r(sina-／x·COS~) (8) 当且仅当sina： ·cos 时，d=0，但实际情况 是 是一个实际的粗糙表面的摩擦系数，它并不应该 是个常量，因此这个误差通常情况下不会为零，就是 此装置的测量系统误差。 以上分析是基于校准装置导轨和挡块的刚性足够 的前提下进行的，当导轨和丝杠的刚性不足时，丝杠 产生的力的方向会发生偏移，使得 角发生非线性的 变化，扩大系统误差；同样的，挡块的刚性不足会使 得 F产生 方向的分力，也会带来新的系统误差。 ． 26 · 3．3 转轴式扭矩扳子检定装置的系统误差分析 转轴式扭矩扳子检定装置 ，是将扳子固定不 动，利用旋转扭矩传感器的方法施加扭矩的，这种 加载方式结构上往往要稍微复杂一些，重量通常比 较重，但是系统误差却比较小，准确度和稳定性比 较好。 图2 转轴式加载装置扳子受力分析图 这种结构使用时传感器旋转而扳子始终保持固定 不动，扳子受到的扭矩值 始终等于FL，根据假设 扳子刚度足够，不发生变形，则亦不存在摩擦力影 响，因此检定的准确度和可靠性比较好。 当加载装置刚度不足时，横梁和扳子挡块会发生 明显变形，也会带来系统误差，当扳子刚度足够而横 梁刚度不够时受力情况如图3所示。 图 3 横梁刚性不足时扳手受力分析图 根据分析，横梁刚度不足会使得作用在扳子上的 力产生沿扳子方向的分力，其效果有些类似丝杠式加 载方式出现 角度后的情况，这里不再重复推导。 当挡块刚性不足时，也会产生 方向的分力，影 响测量准确度和可靠性。 由此可见，保证横梁刚度足够是确保转轴式加载 装置测量准确度的必要条件。 3．4 实验对比 为了证明如上的分析结果，我们进行了如下的一 组实验，我选用了一台简易的丝杠式加载装置和一台 便携式的转轴式加载装置分别对同一把扳子进行多次 校准，并将实验数据进行对比。试验中选用的传感器 和仪表的配套准确度均为0．3级，对于检定5级扳子 绰绰有余，传感器有专门的抵抗侧向力的电路补偿，经 实验证实扭矩满负荷侧向力影响优于0．1％，符合分析之 前进行的假设。试验中相关标准器具的信息见表1。 对210Nm和300Nm两个检定点分别使用丝杠式 和转轴式加载装置分别进行 10次测量，测得数据见 表 2、表3。 Industrial M easurement 2Il07 V01．】7 No．6 维普资讯 http://www.cqvip.com http://www.6lib.com 第六图书馆 www.6lib.com 第六图书馆 MEAslJREMENT u—EQUI EN丁 jlAND_APPLl rjON 表 1 实验器具一览表 计 量 装 置 及 应 用 表2 丝杠式加载装置测试数据表 Nm 将两组数据进行统计，计算平均示值、相对示值 误差和重复性指标， 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 如表4。 表 4 两组数据对比表 实验结果表明采用丝杠加载方式的检定结果全部 超差，而使用转轴加载方式检定的结果均在5级范围 之内，其重复性指标转轴式也明显优于丝杠式，进而 证明了前边的分析：转轴式结构的系统误差要优于丝 杠式结构。 4 结论与措施 通过以上分析和实验，结合长期以来实际工作中 的经验，我们对扭矩扳子检定装置的改进提出如下的 建议： (1)不论转轴式还是丝杠式加载装置，加载部 分、横梁以及扳子挡块的刚度是必须要保证的。 (2)如果传感器本身抵抗侧向力弯矩能力不够， 那么在传感器头部安装导向轴承是必要的，当然轴承 部分的摩擦也会带来一定的误差，但是经计算这个影 响在0．05％以内，对最终结果不会带来明显影响。 (3)对丝杠式加载装置，最好能做一些改进，可 行的有两种方式：第一，改进成丝杠带动横梁绕传感 器一起旋转，这样使得扳子相对衡梁和传感器是固定 不动的，进而消除误差；第二，在挡块处做些文章， 例如增加轴向滑块，使得加载时扳子可沿轴向移动， 亦可消除相关误差。 [编辑：薛 敏] (上接第 12页) 票据无纸化。 2．3 数据网络化 通过远端计量中心 自动监控小型材称量的全过 程，实现从钢坯热送 入炉加热 轧制成材 质检计 量 堆垛入库 销售等过程物流与信息流的自动跟 踪、实时查询和数据共享。 2．4 远程监控维护 自动场景录像和截取、音频对讲远程交流，方便 查找故障原因；显示称量采样仪表工作状况，衡器零 位自动跟踪、自动报警和软手动操作，保证计量数据 的可靠性。 工业计量 2007年第 17卷第6期 3 实施后的效果 该项 目的实施及运行，实现了小型材 自动计量、 自动打印标牌、计量数据的自动传输，提高了工作效 率；减少现场司秤操作人员8人，降低了生产和管理 成本；系统程序具有超限报警独特功能，将每捆钢材 的理论数据与实际计量数据对比，超限声光报警、数 据自动剔除，通知轧制岗位及时采取纠正措施，利用 技术手段堵塞质量管理的漏洞，有效减少废品和计量 异议的发生；通过优化和固化小型材信息管理的业务 流程，形成了一种以先进的信息技术为手段的集成管 理模式，促进了济钢钢后计量现代化和管理信息化的 进程，具有较大的经济效益和技术推广价值。 [编辑：薛 敏] ． 27 ． 维普资讯 http://www.cqvip.com http://www.6lib.com 第六图书馆 www.6lib.com 第六图书馆