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天津大学硕士学位论文 参考式扭矩标准机的研制参考式扭矩标准机的研制 the development of serial-connection torque standard machine 学科专业： 仪器仪表工程 研 究 生： 王 倩 指导教师： 刘常杰 副教授 企业导师： 李源 高级工程师 天津大学精仪学院 2012 年 4 月 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果， 也不包含为获得 天津大学天津大学 或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 签字日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 天津大学天津大学 有关保留、使用学位论文的规定。 特授权 天津大学天津大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 （保密的学位论文在解密后适用本授权说明） 学位论文作者签名： 导师签名： 签字日期： 年 月 日 签字日期： 年 月 日 中文中文摘要摘要 扭矩标准装置在国民经济建设中，起到量值传递和量值溯源的作用，是扭矩 计量检定工作的依据。从某种程度上讲，扭矩标准装置的技术水平反映了一个国 家和地区的扭矩测量水平。长期以来，静重式扭矩标准装置以其原理简单，结构 形式易于实现，相对准确度较高等特点，一直作为扭矩量值在各国国家基准和各 级标准的复现形式。 但随着工业化步伐的加快，世界各工业发达国家为了满足不同层次、不同场 合的扭矩测量要求，相继探讨出许多扭矩测试新技术，研制、生产出很多新式扭 矩测量仪来。与之相对应，单一的静重式扭矩标准机已无法满足各类扭矩测量仪 的溯源要求， 因此研制一种适应范围更广的扭矩标准装置类型成为摆在扭矩计量 面前急需解决的问题。 课题在总结国内外各类扭矩标准装置结构和原理的基础上， 结合多年来扭矩 计量工作中所遇各类扭矩测量仪的实际检测需求， 在国内首次提出了研制参考式 扭矩标准装置。采用准确度等级达到 0.03 级的标准扭矩传感器作为扭矩量值溯 源的主体，保证整机的测量不确定度优于 0.1%；采用结构刚性较高的龙门机架 作为承载原件，减小机构变形对测量结果的影响；采用图像对中技术，将 实物 长度尺寸转变为电脑像素，提高了测量系统的同轴度，减小了初始同轴度对测量 结果的影响； 采用具有一定线性纠偏和角纠偏能力挠性联轴器来保证测量过程中 测量系统同轴度的一致性，减小了测量过程中同轴度变化对测量结果的影响；采 用 ni 高速采集卡，保证测量系统对采集频率的要求，以提高标准装置的控制能 力。 通过课题的研究， 研制出具有工作效率高， 适应范围广的新型扭矩标准装置， 填补了我国在此领域的空白。 采用分部件法进行不确定度评定和整机的测量结果 的比对，验证本标准装置可以达到准确度等级 0.1 级的水平。 关键词：关键词：参考式；扭矩标准；图像对中；挠性联轴器 abstract torque standard equipment in national economic construction, the quantity value transfer and traceability for the role, is the torque measuring verification based on. to some extent, torque standard equipment technical level reflects a national and regional level of torque measurement. long-term since, deadweight torque standard device with its simple principle, structure is easy to be realized, relatively high accuracy and other characteristics, has been used as a torque value in national standard and the standard levels of realization forms. with the development of industrialization, developed industrial countries have explored many torque testing of new technology, development, produced a lot of new torque measuring instruments to meet the needs of different levels, different torque measurement requirements. by contrast, single deadweight torque standard device has been unable to meet all kinds of torque measuring instrument traceability requirements, so the development of an adaptation to a wider range of torque standard equipment types has become urgent to solve the problem of torque measurement. this topic in the access to large domestic and various types of torque standard equipment structure and based on the principle of torque measurement, combined with years of work encountered in various types of torque measuring instrument in detecting the actual demand, put forward first in home development reference type of torque standard equipment. the degree of accuracy reaches level 0.03 standard torque sensor for torque measurement traceability main body, ensuring the measurement uncertainty is less than 0.1%; the structure rigidity, high longmen shelf for carrying the original, reduction mechanism deformation influence on the measurement results; using image on technology, the real length dimension into computer pixel, improving the measurement system of coaxial degree, reduces the initial coaxial degree influence on the measurement results; by certain linear correction and angular deflection rectifying ability flexible coupling to ensure the measurement process measurement system of coaxial degree of consistency, reduces the measurement process of coaxial degree of the measurement result; using ni high speed data acquisition card, ensure measurement system of collection frequency requirements, in order to improve the control ability of standard device. through this topic research, developed with higher working efficiency, wide application range of the novel torque standard equipment, fill the blank in this field in china. the component method for uncertainty evaluation and the measurement results comparison, verification of the standard device can achieve accuracy class 0.1 grade level. key words：serial-connection; torque standard; image pair; flexible coupling i 目录目录 第一章 绪论 . 1 1.1 课题的提出 . 1 1.2 扭矩测量 . 1 1.2.1 扭矩的物理学定义与时域分析 . 1 1.2.2 扭矩测量的基本原理 . 4 1.2.3 扭矩计量 . 7 1.3 论文的主要工作 . 11 第二章 参考式扭矩标准机的研制方案 . 14 2.1 参考式扭矩标准机的工作原理 . 14 2.2 参考式扭矩标准机的实现方案 . 17 2.2.1 技术指标 . 17 2.2.2 研制内容 . 17 2.2.3 实现方案 . 17 2.3 参考式扭矩标准机的性能测试 . 22 2.3.1 利用不同扭矩测量仪的对比测试 . 22 2.3.2 参考式扭矩标准机的主要性能指标 . 28 2.4 本章小结 . 29 第三章 改善参考式扭矩标准机性能的技术措施 . 31 3.1 图像对中技术 . 32 3.1.1 图像对中技术简介 . 32 3.1.2 图像对中技术的优点 . 33 3.2 图像对中技术在参考式扭矩标准机上的应用 . 34 3.2.1 图像对中技术的实现 . 34 3.2.2 工业相机和对中附件的选择 . 35 3.3 挠性联轴器 . 38 3.4 金属膜片式挠性联轴器在参考式扭矩标准机上的应用 . 39 3.5 本章小节 . 41 ii 第四章 参考式扭矩标准机的不确定度评定 . 42 4.1 不确定度评定 . 42 4.2 分项相对不确定度 . 43 4.2.1 标准扭矩传感器的相对不确定度分量 murel . 43 4.2.2 加载系统引入的相对不确定度分项 )( rrel mu . 46 4.2.3 联接引起的相对不确定度分项 lrel mu . 46 4.3 合成与扩展不确定度 . 48 4.4 本章小结 . 49 第五章 数据结果验证 . 50 5.1 验收方法 . 50 5.2 整机技术参数 . 50 5.2.1 软件功能具备性检验 . 50 5.2.2 整机技术指标检测 . 52 5.3 本章小结 . 52 参考文献 . 53 致 谢 . 55 第一章 绪论 1 第一章 绪论 1.1 课题的提出 本课题主要来源于上海市质量技术监督局技术改造项目扭矩实验室检 测设备更新中数字化扭矩扭矩测量加载装置和上海市计量测试技术研究院科研 项目综合扭矩标准装置中参考式扭矩标准装置的内容。 扭矩标准装置在国民经济建设中，起到量值传递和量值溯源的作用，是扭矩 计量检定工作的依据。从某种程度上讲，扭矩标准装置的技术水平反映了一个国 家和地区的扭矩测量水平。 近年来世界各工业发达国家相继探讨出许多扭矩测试 新技术，研制、生产出很多新式扭矩测量仪来满足不同层次、不同场合的扭矩测 量要求。与之相对应，扭矩标准装置的研制也由以往单一的静重式标准机向杠杆 放大式、力传感器式、参考式等多种形式发展，以适应不同等级、不同形式扭矩 测量仪的检定需求。 我国自上世纪七十年代开始进行扭矩标准机的研制以来， 一直沿用静重式的 结构特点，在关键的支撑方面经过了滑动轴承支撑、刀口支撑、挠性支撑、气浮 轴承支撑几个发展阶段。 目前无论是从测量范围还是测量准确度都已达到了国际 先进水平。 近年来， 国内某国防研究所又自主研发了杠杆放大式的扭矩标准装置， 填补了我国在此方面的空白。但其从原理上来说仍属于静重式，虽然准确度等级 较高，但适用范围相对较小，工作效率相对较低，因此本课题以研制适应范围更 广、工作效率更高的扭矩标准装置为出发点，通过消化吸收国外先进设计理念， 引用成熟产品和技术，设计研制了国内首台参考式扭矩标准装置，填补了我国在 此方面的空白。 1.2 扭矩测量 1.2.1 扭矩的物理学定义与时域分析 一、一、 扭矩的物理学定义扭矩的物理学定义 使机械构建产生转动效应，并伴随扭矩变形的力偶矩或力矩成为扭矩，符号 为 t。 第一章 绪论 2 力偶矩是由作用在同一物体上的大小相等， 方向相反的两个平行力形成如所 图 1-1 示 。力偶矩的大小用扭矩 t 来度量，它等于力 f 与力偶臂 l 的乘积，即： t=fl 公式中：l-力偶臂，单位为 m； f-作用力，单位为 n。 图 1- 1 力偶矩与力矩示意图 a)-力偶矩；b)-力矩示意图 力矩是偏离物体旋转中心 o 的作用力 f，对物体形成的扭矩（图）。它的大 小等于作用力 f 与旋转中心 o 到作用力 f 间的距离 l(力臂)的乘积。 力偶矩与力的表达式相同，但两者的含义是有区别的。 二、二、 扭矩的时域分析扭矩的时域分析 扭矩值随时间变化的过程称为扭矩的时间历程， 时域分析则是指研究扭矩随 时间变化的特性。 按照时间历程的特点，扭矩可以分为稳态扭矩和动态扭矩两类。 1. 稳态扭矩 稳态扭矩是扭矩值随时间变化很小和很缓慢的，或者不随时间变化的扭矩。 通常包括静止扭矩、恒定扭矩、缓变扭矩和脉动扭矩。 静止扭矩：传动轴静止，扭矩值不随时间的变化而变化（图）。这类扭矩的 特征是 t=常数，转速 n=0. 恒定扭矩：扭矩值仍为常数，但转动轴以某一转速 n 转动（图）。这类扭矩 的特征参数是 tn=常数，转速 n0. 缓变扭矩：扭矩值随时间变化作缓慢变化（图）。这类扭矩的参数用某一时 刻的扭矩值 tm 来表征。 脉动扭矩：扭矩的平均值是常数，但它的瞬时值有幅度不大的脉动变化，如 图 1-2 所示。这类扭矩的特征是均值 tm、脉动微幅t 及脉动频率 f。一般t 通常在 tm 的 3%5%以下。 第一章 绪论 3 图 1- 2 稳态扭矩 a)-静止扭矩；b)-恒定扭矩；c)-缓变扭矩；d)-脉冲扭矩 以上四种扭矩都可以用静态扭矩测量仪测定。 2. 动态扭矩 动态扭矩是指扭矩值随着时间的变化很大且很快的扭矩。通常包括振动扭 矩、过度扭矩和随机扭矩。 振动扭矩：扭矩值是按一定周期波动。如图所示的是余弦波振动扭矩。该振 动扭矩的特征参数是平均值、振幅 t、振动频率 f，并注明对应的转速值 n。 一般传动系统中所产生的扭矩振动扭矩，如图所示的复杂形态。 过渡扭矩：动力机械从一种状态转换到另一状态时，传动轴所承受的扭矩， 如图所示。过度扭矩的特征参数是：最大扭矩值 tmax 或最小扭矩值 tmin、扭 矩变化率t/t，同时记录扭矩的时间历程。 随机扭矩：这是一种不确定的、无规律变化的扭矩，如图 1-3 所示。图 1-3 表明了 t（t）随时间 t 的变化情况，它给人以形象和直观的感觉，但很难用扭矩 的平均值来表征。可按照随机过程的数据处理理论处理。 图 1- 3 动态扭矩 a)-简单扭矩；b)-震动扭矩；c),d)-过度扭矩；e),f)-随机扭矩 第一章 绪论 4 1.2.2 扭矩测量的基本原理 扭矩测量按照它的基本原理，可以分为传递法、平衡力法及能量转换法等三 类。 一、一、 传递法传递法 传递法又称为扭轴法， 它是根据弹性轴在传递扭矩时所产生的物理参数的变 化来测量扭矩的方法。 这些变化的物理参数， 包括弹性轴的变形角、 应变和应力。 下面我们从变形的几何关系、物理关系以及静力学关系这三个方面，来建立 扭矩变形以及横截面上剪应力的计算公式。 1. 变形几何关系 圆轴在扭矩变形后，截面（n-n）像刚性平面一样对截面（q-q）转动一个扭 转角d。在小变形情况下，由几何关系可得微小剪应变，即 dx d r r 1- 1 式中：r点到圆心的距离； dx d 扭转角沿轴线x的变化率。 由公式 1-1 可知，圆轴横截面上某一点的剪应变，与该点到圆心的距离r成 正比。因此圆心处为零，圆轴表面最大。 2. 物理关系 根据剪切虎克定律， 圆轴横截面上 g 点处的剪应力 r ， 与该点处的剪应变 r 成正比，即 dx d grg rr 1- 2 式中：g是材料的剪切弹性模量，是一常量。 由公式 1-2 可知，圆轴横截面上某点的剪应力的大小，与该点到圆心的距离 r成正比，圆轴表面最大，圆心处为零，其方向与其半径相垂直。 3. 静力学关系 在圆轴横截面上离圆心为r处，取一微面积，此微面积上的合力为 。 对圆心的微力矩为。截面上所有这些微力矩的综合就等于横 截面上的力矩 t，即： 1- 3 式中：a 为整个截面面积。 第一章 绪论 5 1- 4 式中：，是只与尺寸和截面形状和有关的几何量，成为横截面对圆心的极 惯性矩，用符号 ip表示，其单位为 m4，即有 1- 5 当 dx=l 时，则扭转角为 1- 6 当两个横截面相隔单位长度时，则单位长度的扭矩转角为 1- 7 上式是计算扭转变形的基本公式。将前述及 t 的定义式代入，得 1- 8 由公式 1-8 可见，剪应力与扭矩成正比，扭轴应力变化可以引起扭轴的材料 的磁阻的变化，而形成磁弹性扭矩传感器；或者，引起某些透光的材料的双折射 的现象，从而形成光弹扭矩测量传感器。这些都可称为应力扭矩传感器。 对于一个已经给定的测量轴，扭矩 t 与剪应变 成正比。因此，测出剪应变 就等于测出了扭矩 t。从材料力学方面可知，图中所示的轴表面上的纯剪应力的 状态，相当于与轴线成 45和 135方向上的拉应力 ，以及相等的压应力- 所 形成的应力状态。可以证明，扭矩应 力下的应变为 1- 9 如果能够在与轴线成45的方向上测出应变值， 从而就能测量扭矩 t 的大 小。而扭轴的应变，又可以引起紧贴在轴表面上的电阻应变片的电阻的变化，形 成应变型扭矩传感器。 二、二、 平衡力法平衡力法 平衡力法用平衡扭矩 to，去平衡被测扭矩 t，从而可以求得 t 的值，也称反 力法。即 t=to 第一章 绪论 6 比如将原动机装在如图 1-4 所示的天平座上，原动机未启动时将天平力臂较 平。 当原动机的主轴受扭矩 t 作用时， 在它的机座上必定同时作用着相反的平衡 力矩 to（或称为支座反力矩），此时，天平力臂就倾斜；加载法码，重新使天 平力臂校平。设天平臂长为 l，则： w2l-w1l=to=t 1- 10 图 1- 4 平衡力法 三、三、 能量转换法能量转换法 能量转换法根据能量守恒定律，间接测量扭矩。在各种能量转换机械中，势 必遵循能量守恒定律 e1= e2 +e 1- 11 式中：e1-机构的输入能量； e2-机构的输出能量； e-能量转换过程中的能量损耗。 或者按照单位时间内的能量转换关系 p1=p2 +p 式中：p1-机构的输入功率； p2-机构的输出功率； p-能量转换过程中的功率损耗。 考虑能量转换中的效率 ，则有 1- 12 在动力机械中 p2=ktn,则有 第一章 绪论 7 1- 13 式中，k 是取决于所用单位的常数。 在制动机械中，p1=ktn,则有 1- 14 上述功率 p1，p2可以通过测量电流 i、电压 u 或流量 q、压力 p 等确定。 1.2.3 扭矩计量 作为产生标准扭矩的扭矩计量装置的扭矩标准机,目前已经 广泛应用于各 种扭矩仪的校准和鉴定中。多年来, 由于受连接件和扭矩传感器的限制, 在我国 对扭矩标准机进行检定校准, 一直采用部件法。 即，分别检定扭矩机的各个部 件 ， 如同轴度、 砝码、 力臂等 , 通过这些部件的测量结果进行不确定度分析, 从 而给出扭矩机的准确度级别或者不确定度。 因为无法对扭矩机整机的计量性能进 行准确测量, 一些可以影响到扭矩机测量结果的不确定度的因素未被考虑到,从 而 影响了扭矩机的准确性。 近年来, 中国计量科学研究院 ( 以下简称“计量院”)， 在扭矩值的影响因 素以及扭矩值的测量方法等方面进行了深入的研究, 根据目前国内以及国外扭 矩计量的发展状况, 重新修订了国家扭矩计量器具检定系统表, 新修订的系统表 jjg2047- 2006 扭矩计量器具检定系统 表 于 2007 年 6 月 8 日开始实 施。在 jjg2047-2006扭矩计量器具检定系统 表中规定: 对 0.03 级和 0.05 级的静重式扭矩标准机, 除了对它进行不确定度分析以及评估外, 还要采用 0.03 级及其以上级别的标准扭矩仪作为传递标准, 同扭矩基准机进行量值比对。 为了保证 扭矩标准机量值比对的进行, 上海市计量测试技术研究院引进了 一套高准确度扭矩传感器和精密数字测量仪, 并配备了挠性联轴器和轴锁紧装 置,又进行了大量的性能试验和研究, 建成了一套具有高准确度的扭矩传递标准, 可以满足日常扭矩标准机比对的苛刻要求。 一、一、 扭矩计量器具检定系统扭矩计量器具检定系统 扭矩计量是工业产品的开发研究、质量检测、测试分析、定型鉴定以及优化 控制、节能、安全等工作的内容之一。扭矩传感器及配套仪器装置已成为工厂实 验室、测试中心、院校、科研单位、检验部门等的必备测试工具，也是一些在线 流水线上采用电子计算机控制生产或试验系统中提供扭矩信息所必需的组成部 第一章 绪论 8 分，这些扭矩设备无论是从安全使用角度，还是测量可靠性角度都急需溯源到国 家基标准器上，以达到扭矩计量单位的统一和量值的准确、可靠。 2006 年经国家质量监督检验检疫总局批准，更新后的扭矩计量器具检定 系统表正式颁布实施。 该检定系统表适用于扭矩计量器具的检定和量值传递。 它规定了扭矩国家基 准的用途， 基准的计量学参数和借助于计量标准向工作计量器具传递扭矩单位量 值的程序，并指明其不确定度和基本检定方法等。在开展校准时，也可作为量值 溯源的依据。 在整个扭矩检定系统中，扭矩标准器主要是分为两大种： 第一种，为产生或者复现扭矩值的固定式标准器。目前以静重式结构标准机 为主， 部分较大量程的机器采用杠杆式结构， 还有一些其他结构原理的标准装置。 第二种，为传递扭矩值的各种便携式的标准器。此类标准器按其测量原理可 分为应变式扭矩仪、百分表式、等等。 二、二、 扭矩标准装置扭矩标准装置 扭矩标准装置在国民经济建设中，起到量值传递和量值溯源的作用，是扭矩 计量检定工作的依据。从某种程度上讲，扭矩标准装置的技术水平反映了一个地 区和国家的扭矩测量水平。 世界上的各个工业较发达的国家相继的探讨出了许多 扭矩测试新技术，并研制和生产出很多新式扭矩测量仪来满足不同层次、不同场 合的扭矩测量要求。与之相对应，扭矩标准装置的研制也由以往单一的静重式标 准机向杠杆放大式、力传感器式、参考式等多种形式发展，以适应不同等级、不 同形式扭矩测量仪的检定需求。 扭矩标准装置根据其设计原理可大致分为静重式扭矩标准装置、 杠杆放大式 扭矩标准装置、参考式扭矩标准装置、其他类型的扭矩标准装置。上海计量院在 上世纪九十年代初引入了青山试验机厂生产的扭矩机， 并通过结构和控制等方面 的技术改造，使得不确定度得到一定程度的提高。近年来随着控制技术、材料技 术以及加工工艺等方面的进步，原有设备在横梁结构设计、刀口材料选择和自动 控制等方面日益突现出先天局限，对检定工作带来一定程度的影响，无法全面满 足社会各行业的量值溯源需求，急迫的需要对其进行技术改造。 就在此时，世界各工业发达国家也相继探讨出许多扭矩测试新技术，研制、 生产出很多新式扭矩测量仪来满足不同层次、不同场合的扭矩测量要求。与之相 对应，扭矩标准装置的研制也由以往单一的静重式标准机向杠杆放大式、力传感 器式、参考式等多种形式发展，以适应不同等级、不同形式扭矩测量仪的检定需 求。 第一章 绪论 9 静重式扭矩标准机虽然具有准确度等级高的优点， 但由于其结构上的局限仅 能开展扭矩传感器和部分扭矩测量仪的量值传递， 无法满足例如扭矩扳子检定仪 等专用设备和在线设备的检定需求。 2006 年，我院参与了由中国计量科学研究院主导的 jjg2047-2006扭矩计 量器具检定系统表的修订工作。对原有扭矩计量标准的传递结合近年来扭矩计 量的实际需求进行了较大修改。其中首次提出了参考式扭矩标准机的概念，但在 国内尚缺少实物。 在调研和结构设计的基础上，提出研制适应范围更广的“参考式扭矩标准 机” ， 与静重式扭矩标准机共同构成具有准确度等级高、 适用对象更为广泛的 “综 合扭矩标准装置”。 静重式扭矩标准装置（deadweight torque standard machine dtm），是将砝 码的重力作为标准的负荷，通过力臂的杠杆作用产生一个标准力矩，并且借助适 当的机构按预定顺序准确、平稳、自动地把作用力矩和平衡力矩施加到被检或者 校扭矩仪，亦或扭矩传感器、扭矩扳子、扭矩改锥等等，上的扭矩标准机。这种 扭矩机的计量学性能取决于砝码质量、杠杆长度、安装地点的重力加速度、砝码 材料和空气密度的测量不确定度以及砝码的加卸方式、机械结构、质量稳定度、 杠杆的材料、构造、支撑结构、水平控制程度，还有同轴度、加工工艺、安装质 量等密切相关。量值复现主要溯源于质量、长度、时间基本量。可采用部件法， 通过不确定度分析和评估，计算出其扩展不确定度。同时为了保证标准机与基准 机之间量值的一致性，通过与基准机的定期比对来保证扭矩量值的准确可靠。 杠杆放大式扭矩标准装置（lever-amplification torque standard machine ltm），是以砝码的重力作为标准力值，通过一定的杠杆机构的放大后，再通过 力臂杠杆的作用产生标准力矩，再借助于适当的机构，按照预定的顺序准确、平 稳、自动地把作用力矩和平衡力矩施加到被检、校扭矩仪（或扭矩传感器、扭矩 扳子、扭矩改锥）上的扭矩标准机。这种扭矩机可以获得较大量程的扭矩值，其 不确定度的影响因素除与静重式扭矩机相同外，还应考虑杠杆放大比、杠杆的构 造与组合情况、刀刃与刀承的构造以及加工工艺和安装质量等因素的影响。这种 装置一般采用部件检定法，直接向其基本量进行溯源，通过测量和计算确定它的 扭矩值扩展不确定度。 同时用相应准确度等级的标准扭矩仪对其进行检定或量值 比对，检定或比对的数据作为不确定度分析和计算的验证，以此来保证其扭矩值 的准确。 参考式扭矩标准机/串接式扭矩标准机（serial-connection torque standard machine sct） 第一章 绪论 10 用准确度高的标准扭矩仪（或扭矩传感器）作为参考标准，与被检扭矩扳子 检定仪串联，以手动、或机械、或液压方式施加扭矩的扭矩标准机。这类标准机 的不确定度的影响因素与标准扭矩仪的技术指标（重复性、直线度、滞后、方位 误差和长期稳定度等），以及标准扭矩仪和被检扭矩扳子检定的连接方式、连接 质量等因素有关。标准扭矩仪可用相应等级的扭矩基、标准机进行检定。通过对 整机进行不确定度分析和计算确定它们的扭矩值扩展不确定度， 同时用相应准确 度等级的标准扭矩仪进行检定，检定的实验数据纳入不确定度分析和计算。 三、三、 国内外扭矩标准装置情况简介国内外扭矩标准装置情况简介 国内扭矩标准装置的类型比较单一，以静重式扭矩标准机为主，加、卸载过 程以手动为主，装置可靠性不高；联接多采用硬联接，联接质量较差；不确定度 主要通过分部件法进行评定，缺少可靠旁证数据。国内部分扭矩标准装置的状况 如表 1-1 所示： 表 1-1：国内部分扭矩标准装置状况 单位名称 仪器名称 测量范围 不确定度 结构特点 备注 中国计量科学 研究院 扭矩基准机 (0.550)nm (101000)nm (50-5000)nm 0.01% 0.01% 0.01% 静重式（三刀口支撑） 青山试验机厂 制造、计量院自 行改造 上海市计量测 试技术研究院 扭矩标准机 (2-200)nm (50-5000)nm 0.1% 0.05% 静重式（三刀口支撑） 青山试验机厂； 自制 上海 704 所 扭矩标准机 (2-200)nm (200-2000)nm (50050k)nm 0.1% 0.05% 0.05% 静重式（轴承支撑、三 刀口支撑）杠杆放大式 自制 红山试验机厂 上海第二电表 厂 扭矩标准机 （1-30000）nm 0.1% 静重式（轴承支撑） 自制 湘仪动力测试 仪器厂 扭矩标准机 （1-50000）nm 0.1% 静重式（轴承支撑） 自制 重庆 296 区域 计量站 扭矩标准机 (0.550)nm (101000)nm (50-5000)nm 0.05% 0.05% 0.05% 静重式（三刀口支撑） 青山试验机厂； 自制 国外的扭矩标准装置以欧美的主流。传统的静重式扭矩标准机，在消除摩擦 扭矩方面由刀口支撑发展到气浮轴承支撑，使不确定度提高到 0.01%以上。加、 卸载过程多是自动控制，可靠性高；联接方面引入挠性联轴器，极大减小了联接 不同轴引入的测量误差；不确定度的评定除进行分部件计算外，通过国际比对进 行数据旁证。国外部分扭矩标准装置的状况如表 1-2 所示 第一章 绪论 11 表 1-2：国外部分扭矩标准装置、扭矩校准装置状况 单位名称 仪器名称 测量范围 不确定度 结构特点 备注 法国 lne 扭矩标准装置 (220)knm (10200)knm 0.5% 0.05% 测力传感器式 自制 美国 ormono 扭矩标准机 200knm 0.03% 静重式（挠性杠杆） 自制 美国 ako 扭矩标准机 200knm 0.03% 杠杆放大式 自制 日本 ono sokkl 扭矩标准装置 2000kgfm 0.1% 静重式（轴承支撑） 自制 德国 hbm 扭矩标准装置 200knm 0.05% 静重式（三刀口支撑） 自制 德国 ptb 扭矩标准装置 1nm 20nm 1knm 20knm 1mnm 0.5% 0.02% 0.002% 0.002% 0.08% 静重式（三刀口支撑和 气浮轴承） 参考式 自制 1.3 论文的主要工作 一、一、 实验室现状实验室现状 上海计量院扭矩实验室拥有两台建成于上世纪八十年代末的静重式扭矩标 准机两台，此两台标准机作为华东地区扭矩最高计量标准，自建立至今对解决华 东地区扭矩量值溯源起到了重要作用。 二十年间，随着国内工业技术的不断进步和消化吸收国外成熟经验，扭矩计 量发展迅猛。在扭矩标准机方面，涌现出了适用于不同测量范围和不同被测对象 的杠杆放大式、测力式、参考式等新型扭矩标准机。在传统静重式扭矩标准机方 面，影响标准机等级重要因素的静摩擦也得到了极大改善，逐步由滚动轴承转换 为刀口支撑，直至目前国际上流行的气浮轴承支撑。标准机的等级也由 0.1 级逐 步提升到 0.005 级。 我院 200nm 扭矩标准机由于受当时工业技术和考核办法的限制，一直维持 手动加载模式，装置的重复性和长期稳定性不佳。此外由于横梁刀口是直接安放 在平面支撑台面，定位精度差，导致正反两个方面的扭矩值不一致，严重影响测 量准确度。此外由于采用刀口支撑，刀口与支撑面在摩擦力的作用下，常年使用 磨损严重，维护保养难度较大。 第一章 绪论 12 2006 年，我院由浦西整体搬迁至现张江实验室，两台扭矩标准机搬迁后经 考核，其中 200nm 标准机按照新的考核办法已降至 0.1 级。2009 年，存放标准 机的实验室由于晚间湿度过大（超过 90%rh），导致标准机严重锈蚀，已经无 法满足量传工作的要求。虽经多方争取有了新的实验室，但标准机一直没有进行 维修，现处于停用状态。 2009 年，我国颁布实施了改版后的 jjg769-2009扭矩标准机检定规程， 对标准机的准确度等级和考核方法进行了较大修改。不同于以往的分部件评定， 新的检定规程要求在原有分部件评定的基础上， 采用标准扭矩仪对扭矩量值进行 复现，并以此作为评判标准机级别的重要依据。参照新的检定规程，200nm 扭 矩标准机即使维修后，准确度等级也仅能维持在 0.1 级，失去了在华东地区的技 术优势。 二、二、 现有扭矩标准装置存在的问题现有扭矩标准装置存在的问题 200nm 扭矩标准机自二十世纪八十年代末建成至今，没有进行过大规模的 技术改造，时至今日由于其自身的缺陷和当时的技术限制已无法正常工作，主要 体现在如下方面： 1、横粱结构设计不合理，抗弯刚性不够，长期使用后存在较为严重的残余 变形，影响横粱的有效长度； 2、支撑用的三刀口材料选用不合理，刚度和韧性配比不合理，长期使用出 现刀口磨损现象，增大了摩擦扭矩，降低了装置的灵敏阈； 3、水平控制方式有缺陷，控制精度和抗干扰能力差，且控制能力无法进行 明确量化，影响横粱的有效长度； 4、砝码定位系统可靠性较差，故障率较高，影响加、卸载过程的进行； 5、电气控制设备老化、维修保养难度加大，影响装置的可靠性； 6、被检对象的安装不便，标准装置与被检对象的定位靠手工操作，增大了 人为误差； 7、结构单一、适用被检对象有限，仅能开展扭矩传感器和部分扭矩测量仪 的量值传递，无法满足例如扭矩扳子检定仪等专用设备和在线设备的检定需求。 三、三、 主要研主要研究工作究工作 为了能够对现有标准装置的问题进行分析解决，本次的设计，主要完成的研 究工作有： 1、研制实用合理的外形结构形式； 2、根据结构强度核算，电机功率计算，减速箱速比计算选用合理的配件； 3、研究解决图象法自动对中技术； 4、研究对中精度对测量结果的影响； 第一章 绪论 13 5、引入挠性联轴器，提高被测件连接质量； 6、研制适用多种被测件检测辅助夹具； 7、设计支撑平台的三维移动和翻转功能；