易青

摘 要：文章介紹了簡(jiǎn)易手動(dòng)機(jī)械預(yù)置式扭矩扳子校準(zhǔn)裝置的測(cè)量原理、制作要點(diǎn)、操作程序、測(cè)量不確定度的分析及使用范圍，為現(xiàn)有儀器提供了新的用途。

關(guān)鍵詞：扭矩扳子；力矩；力臂；電阻應(yīng)變儀；荷重傳感器；校準(zhǔn)；檢驗(yàn)

1 概述

隨著扭矩扳子在我公司對(duì)旋緊力矩有要求的螺絲緊固件作業(yè)中廣泛的使用，需要對(duì)扭矩扳子定期進(jìn)行檢定。由于送上級(jí)部門(mén)檢定周期需要半年或一年的時(shí)間，但扳子在周期內(nèi)的使用中，由于存在使用磨損、外力碰撞等原因，并根據(jù)實(shí)際情況有時(shí)需要再檢驗(yàn)，本人根據(jù)力矩原理，利用現(xiàn)有的YJ-26型靜態(tài)電阻應(yīng)變儀與電阻應(yīng)變荷重傳感器組合，制作了一臺(tái)簡(jiǎn)易手動(dòng)機(jī)械預(yù)置式扭矩扳子校準(zhǔn)裝置，經(jīng)使用效果良好。

2 簡(jiǎn)易預(yù)置式扭矩扳子校準(zhǔn)裝置的組成

2.1 YJ-26型靜態(tài)電阻應(yīng)變儀

YJ-26型靜態(tài)電阻應(yīng)變儀是在靜力強(qiáng)度研究中，測(cè)量結(jié)構(gòu)及材料任意點(diǎn)變形的應(yīng)力分析儀器；如配相應(yīng)的傳感器，可測(cè)量力等物理量。

2.2 BHR-4型的電阻應(yīng)變荷重傳感器

BHR-4型的電阻應(yīng)變荷重傳感器量程為（0-200）kg，原理是利用電阻應(yīng)變?cè)順?gòu)成。采用圓筒型彈性體為測(cè)力敏感元件，電阻應(yīng)變片為轉(zhuǎn)換元件。該傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、強(qiáng)度高、攜帶方便、抗沖擊穩(wěn)定性好。常用于各種構(gòu)造物體的荷重實(shí)驗(yàn)。

2.3 扭矩扳子轉(zhuǎn)軸固定支架

固定支架起著支撐、固定、調(diào)整扭矩扳子角度的作用，并與水平地板焊接在一起（并有加強(qiáng)筋連接）。千斤頂高度可調(diào)支架不用焊接，可在地上移動(dòng)；靜態(tài)電阻應(yīng)變儀、電阻應(yīng)變荷重傳感器、油壓千斤頂和其組合成一個(gè)體系。如圖1所示。

圖1

2.4 扭矩扳子轉(zhuǎn)軸固定支架的轉(zhuǎn)軸可調(diào)角度裝置

首先加工一個(gè)材料為碳素工具鋼（T8）？準(zhǔn)230mm×30mm的金屬圓盤(pán)（扭矩扳子夾具），在其？準(zhǔn)170mm圓周內(nèi)（距其圓周邊20mm），除圓心外按同一方向均勻分布六個(gè)根據(jù)不同扭矩扳子旋轉(zhuǎn)正方形扳頭的尺寸而制作的正方形通孔，其邊長(zhǎng)尺寸分別是19.4+0.2mm、19+0.2mm、12.8+0.2mm、12.5+0.2mm、25+0.2mm、25.6+0.2mm；也可根據(jù)其它扳子的不同尺寸制作。在？準(zhǔn)200mm圓周上每隔15mm弧長(zhǎng)，鉆一個(gè)？準(zhǔn)12.5mm的孔（加工成沉頭座），同樣地在扭矩扳子轉(zhuǎn)軸固定支架上進(jìn)行配鉆，得到相應(yīng)通孔。其金屬圓盤(pán)中心孔為？準(zhǔn)20.5mm（加工成沉頭座），同樣進(jìn)行配鉆，得到相應(yīng)轉(zhuǎn)軸固定支架通孔；（金屬圓盤(pán)經(jīng)過(guò)熱處理獲得相應(yīng)的硬度和耐磨性）用相應(yīng)的圓柱頭內(nèi)六角螺栓與扭矩扳子轉(zhuǎn)軸固定支架進(jìn)行沉頭座連接并且是動(dòng)配合（圓盤(pán)可轉(zhuǎn)動(dòng)）。

3 校準(zhǔn)扭矩扳子的測(cè)量原理

3.1 標(biāo)定靜態(tài)電阻應(yīng)變儀的顯示值（？滋？著）與力（kg）間的正比例關(guān)系

根據(jù)說(shuō)明書(shū)對(duì)應(yīng)YJ-26型靜態(tài)電阻應(yīng)變儀（當(dāng)靈敏系數(shù)k=2標(biāo)定值為15000？滋？著）與BHR-4型的電阻應(yīng)變荷重傳感器（量程為0-200kg組合，顯示值（？滋？著）與力（kg）的比例應(yīng)為10：1。（如果配不同量程傳感器也可以是其他比例。）

3.2 校準(zhǔn)靜態(tài)電阻應(yīng)變儀

用一組（10個(gè)）M1等20kg標(biāo)準(zhǔn)砝碼對(duì)靜態(tài)電阻應(yīng)變儀與荷重傳感器進(jìn)行組校準(zhǔn)（或經(jīng)上級(jí)計(jì)量部門(mén)校準(zhǔn)）；在量程范圍內(nèi)確定（包含上、下限）至少五個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，檢驗(yàn)其基本誤差不大于測(cè)量值的±0.8%。否則重新調(diào)整儀器再進(jìn)行測(cè)試。

3.3 根據(jù)不同規(guī)格量程的扭矩扳子制定出不同的表格

其內(nèi)容是：按JJG707-2003《扭矩扳子》檢定規(guī)程要求確定出3～5個(gè)力矩M（Nm）校準(zhǔn)點(diǎn)；并根據(jù)力臂d（扳子轉(zhuǎn)軸到手柄中心長(zhǎng)度m），根據(jù)力矩原理M=F·d，通過(guò)F=M/d，計(jì)算出相應(yīng)的力F（N）。除以9.8kg·m/s2再轉(zhuǎn)換成千克力F（kg）。最后轉(zhuǎn)換成儀器的顯示值（？滋？著），并根據(jù)準(zhǔn)確度等級(jí)確定允許基本誤差±4%～±10%的誤差范圍。舉例如表1所示校準(zhǔn)扭矩扳子明細(xì)表。型號(hào)規(guī)格：AC80～300Nm，L=0.488m允許基本誤差±4%

表1

注：L的長(zhǎng)度（單位必須是米）作為制定表格的依據(jù)，如果該表格確定下來(lái)，則L不變；反之，如果儀器測(cè)量出三次平均F（？滋？著）的應(yīng)變值，除以10，乘以9.8得出F（N），再乘以L(fǎng)（d）得出所測(cè)量的力矩（Nm）。

4 校準(zhǔn)扭矩扳子的過(guò)程

將手動(dòng)機(jī)械式扭矩扳子預(yù)置到所需要校準(zhǔn)的力矩值上，把扭矩扳子的正方形旋轉(zhuǎn)扳頭插入到位于扭矩扳子轉(zhuǎn)軸固定支架上的圓盤(pán)扭矩扳子卡具中，轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤(pán)觀察，使扭矩扳子處于近似水平狀態(tài)時(shí)，然后用兩個(gè)？準(zhǔn)12mm的銷(xiāo)釘（或圓柱頭螺釘）在圓盤(pán)？準(zhǔn)200mm圓周上？準(zhǔn)12.5mm的對(duì)稱(chēng)孔與扭矩扳子轉(zhuǎn)軸固定支架的相應(yīng)通孔穿插限位；（連接圓盤(pán)與扭矩扳子轉(zhuǎn)軸固定支架）并鎖緊。

將油壓千斤頂放在千斤頂可調(diào)支架上，并根據(jù)扭矩扳子的水平高度調(diào)整可調(diào)支架的高度，將荷重傳感器放在油壓千斤頂上，且將荷重傳感器頂端放置一個(gè)小“Y”型鋼筋支架，使得傳感器支架、千斤頂、千斤頂可調(diào)支架的總高度約等于扭矩扳子水平狀態(tài)的高度，且扭矩扳子與水平方向的夾角小于10°（減少誤差），再按某表格用卷尺測(cè)出相應(yīng)的長(zhǎng)度L約等于d（扳子轉(zhuǎn)軸到手柄中心的力作用線(xiàn)的垂直距離），確定傳感器“Y”支架所頂扭矩扳子的支點(diǎn)。調(diào)整好并標(biāo)定靜態(tài)電阻應(yīng)變儀并連接電阻應(yīng)變荷重傳感器，對(duì)千斤頂緩慢地施加力直到扭矩扳子發(fā)出“嗒”的一聲，此時(shí)觀察應(yīng)變儀的示值（？滋？著）并記錄，然后撤力即可，同一點(diǎn)重復(fù)測(cè)量三次，得出平均；重復(fù)上述過(guò)程，所得測(cè)量值與表格相應(yīng)允許基本誤差（？滋？著）進(jìn)行比較是否合格。

5 簡(jiǎn)易預(yù)置式扭矩扳子校準(zhǔn)裝置測(cè)量不確定度評(píng)定

5.1 測(cè)量方法：依據(jù)JJG707-2003《扭矩扳子檢定規(guī)程》。

5.2 測(cè)量環(huán)境條件：室內(nèi)溫度：（10～30）℃。

相對(duì)濕度：不大于85%的環(huán)境條件下進(jìn)行校準(zhǔn)。

5.3 測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)：簡(jiǎn)易預(yù)置式扭矩扳子校準(zhǔn)裝置其允許誤差限為±0.8%。

5.4 被測(cè)對(duì)象：機(jī)械預(yù)置式定值扭矩扳子型號(hào)為AC（280-760）Nm扭矩預(yù)置值為760Nm最大允許誤差±4%。

5.5 評(píng)定結(jié)果的使用：在上述條件下進(jìn)行測(cè)量所得結(jié)果可直接使用本文不確定度的評(píng)定結(jié)果。

5.6 數(shù)學(xué)模型：e=MM-M

式中：e-扭矩扳子在測(cè)量點(diǎn)的示值誤差。

M-扭矩扳子在測(cè)量點(diǎn)的標(biāo)稱(chēng)值。

M-扭矩標(biāo)準(zhǔn)器對(duì)應(yīng)被測(cè)扭矩扳子動(dòng)作時(shí)測(cè)量值的算術(shù)平均值。

5.7 輸入量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度的評(píng)定

5.7.1 輸入量MM的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u（MM）的評(píng)定

主要不確定度來(lái)源是用預(yù)置式扭矩扳子校驗(yàn)裝置對(duì)其校準(zhǔn)時(shí)所得名義值與約定真值的誤差。用允許誤差限W表示，W=±0.8%（扭矩扳子檢驗(yàn)裝置示值的重復(fù)性對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響可忽略）按線(xiàn)性分布規(guī)律計(jì)算在測(cè)量點(diǎn)的此分項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為均勻分布，區(qū)間半寬度為W×WS，用B類(lèi)方法評(píng)定。對(duì)應(yīng)760Nm測(cè)量點(diǎn)計(jì)算式：u（MM）=W×WS/■=0.8%×760×■=3.510（Nm）

5.7.2 M的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u（M）的評(píng)定

此輸入量的不確定度來(lái)源包括被測(cè)量對(duì)象的報(bào)響動(dòng)作時(shí)，扭矩值不確定性、測(cè)量過(guò)程中被測(cè)對(duì)象的溫度特性、測(cè)量?jī)x器的示值重復(fù)性及其零位調(diào)整、示值分辨率、測(cè)量?jī)x器與被測(cè)對(duì)象連接過(guò)程的附加響應(yīng)等以及測(cè)量人員讀數(shù)過(guò)程的影響，綜合體現(xiàn)于對(duì)該扳子測(cè)量示值的測(cè)量重復(fù)性中。上述不確定影響因素的作用是同時(shí)體現(xiàn)密不可分的，對(duì)于這些不確定度分項(xiàng)不單獨(dú)評(píng)定，統(tǒng)一由合并樣本標(biāo)準(zhǔn)差確定這些因素綜合產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u（M）的評(píng)定僅是示值分散性的評(píng)定，與u（MM）評(píng)定的內(nèi)容相互獨(dú)立。

使用合并樣本標(biāo)準(zhǔn)差作A類(lèi)不確定度評(píng)定方法是抽取7件設(shè)置于760Nm點(diǎn)的樣機(jī)分別作10次重復(fù)性測(cè)量所得測(cè)量示值Mik如下：

（樣機(jī)號(hào)：i=1-7，測(cè)量序號(hào)k=1-10）

M1k：753.16，754.35，752.48，755.72，752.83，756.45，753.29，754.76，75

5.27，752.45，得M1=754.08；

同理得M2=764.65；M3=755.1；M4=764.06；M5=752.88；M6=753.64；M7=754.16。

單次實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差： 由此得到7組單次實(shí)

驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差，計(jì)算結(jié)果如表2。

合并樣本標(biāo)準(zhǔn)差：

實(shí)際測(cè)量是在重復(fù)性條件下每個(gè)測(cè)量過(guò)程連續(xù)進(jìn)10次，以每一測(cè)量點(diǎn)的10次測(cè)量值的算術(shù)平均值為該測(cè)量點(diǎn)被測(cè)示值平均值M；則測(cè)量重復(fù)性產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)不確定度

5.8 合成不確定度的評(píng)定

5.8.1 靈敏系數(shù)：數(shù)學(xué)模型e=MM-M

靈敏系數(shù)

5.8.2 標(biāo)準(zhǔn)不確定度匯總表如表3：

表3 標(biāo)準(zhǔn)不確定度匯總計(jì)算

5.8.3 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

輸入量M和MM彼此獨(dú)立不相關(guān)，所以合成不確定度計(jì)算式為

uc2（e）=[C1u（MM）]2+[C2u（M）]2

合成不確定度值uc（e）=■=3.554（Nm）

5.9 擴(kuò)展不確定度的評(píng)定

取k=2，則擴(kuò)展不確定度：

U=k·uc（e）=2×3.554=7.108（Nm）相對(duì)擴(kuò)展不確定度：Urel=■×100%實(shí)例：取平均最小值■5=■=752.88，則Urel=■×100%=0.94%

6 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)幾年的實(shí)踐證明手動(dòng)機(jī)械預(yù)置式扭矩扳子校驗(yàn)裝置具有簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的特點(diǎn)，其裝置的相對(duì)擴(kuò)展不確定度約為準(zhǔn)確度為4級(jí)的扭矩扳子1/4，所以達(dá)到了準(zhǔn)確度為（4～10）級(jí)、量程為50Nm～1500Nm的手動(dòng)機(jī)械預(yù)置式扭矩扳子校準(zhǔn)的技術(shù)指標(biāo)，滿(mǎn)足扳子在使用中的檢驗(yàn)要求。擴(kuò)展了現(xiàn)有儀器的使用領(lǐng)域，不足之處是使用者需要有一個(gè)熟練操作的過(guò)程。

參考文獻(xiàn)

[1]國(guó)家計(jì)量檢定規(guī)程.JJG707-2003.扭矩扳子[S].2009.

[2]閆曉瑗，謝剛.工程力學(xué)[M].東北大學(xué)出版社，1998.

[3]宣安東.實(shí)用測(cè)量不確定度評(píng)定及案例（上冊(cè)）.[M].中國(guó)計(jì)量出版社，2007.