高度仪测杆挠度对曲轴拐径的测量误差分析

文 艺，熊潇潇，周 鹏

（1武汉重工铸锻有限责任公司，湖北 武汉430084；2湖北省烟草公司武汉市公司物流配送中心 ，湖北 武汉430000）

某柴油机曲轴，属于典型的细长类曲轴，是装配在某大型舰船上的重要传动部件。该曲轴是世界上最先进的曲轴之一，制造精度高，检测难度大［1－2］。

在该细长类曲轴检验过程中，涉及的检验工序很多。由于曲拐径多，拐径之间的角度为等分的72°，如何检验曲轴偏心距及拐径相对拐角，是检验该曲轴的重要核心问题。

1 细长曲轴拐径及拐径相对转角检验工艺分析

微电脑高度仪测量曲轴角度、偏心距示意图如图1所示。

图1 微电脑高度仪测量曲轴角度、偏心距示意图

该细长曲轴各拐径相对转角72°，累计相对转角公差为0.3°，各拐径偏心距为120±0.1mm。该项指标是曲轴重要技术指标之一［2］，要求高，检测难度大，检验步骤复杂。为此，在专用的高精度检验平台上，采用微电脑高度仪进行检测，考虑到高度仪在平台上反复左右移动过程中，振动等因素会影响高度仪的测量精度，为了减小检测误差，高度仪在曲轴一侧完成所有的检测工序，这样，高度仪的测杆长度就需要很大（图1），而现有的高度仪测杆最长仅为200mm，无法完成单边测量要求，为此，需要在系统误差分析后，设计测杆加长杆，以完成检测任务。

2 高度仪加长测杆设计方案

2.1 测杆的技术要求

高度仪通过测杆接触工件被测表面，由仪器内部传感器将力信号转换为电信号进行处理，得出相关技术数据，再根据数据进行分析，得出结论。因而测杆属于弹性敏感元件，必须符合下列性能要求。

1）刚性好 加长测杆需要好的刚性，减小加长测杆的变形，从而有利于减小因变形而产生的系统误差，提高检测精度。

2）重量轻 加长测杆的重量要满足该仪器平衡结构调整范围。过重，则影响传感器的灵敏度，从而影响了检测精度，同时也为测杆的刚性设计增加了难度。

3）加长测杆夹持方便：测杆夹头必须与高度仪夹持部分匹配，且要求拆卸方便。

4）易制作 加长测杆必须就地取材，在满足使用要求的条件下，尽量降低制造精度，减小制造成本。

2.2 高度仪加长测杆设计

2.2.1 选材 根据测杆要求，选用不锈钢冷拔无缝钢管，测杆夹头与钢管密封塞采用铝合金制造，球头测头采用合金钢表面淬火后镀铬处理［3］。

2.2.2 测杆设计 测杆外径20－0.015mm，内径17－0.20mm，内孔两端17H7（与钢管密封塞及测杆夹头相配），其余涉及参数见图2。

图2 高度仪加长测杆简图

2.2.3 高度仪加长测杆误差分析 考虑到加长测杆及侧头由于重量及刚度影响，会对测量带来新的系统误差，故需要对加长测杆进行刚性分析，进而分析由于测杆的加长而产生的检测误差。

加长测杆由于受自重力和测头重力的作用会产生变形，其受力及由此产生的挠度见图3。

图3 测杆受力及由此产生的挠度

1）求fA1

由图3（a）所示，设测杆单位长度载荷为均布载荷q，查表知：不锈钢密度ρ＝7.75×103kg／m3；可求出单位长度体积：

单位长度测杆质量

7.75 ×103×8.718×10－5＝0.6756kg／m单位长度测杆均布载荷

由材料力学知识［1］可知，一端固定简支梁在均布载荷作用下的挠度

由手册［3］知：不锈钢弹性模量空心钢管惯性矩；所以

2）求fA2

由设计计算知测头质量为28g，可得加长测杆重力

所以

3）求fA

综合考虑加长测杆的均布载荷和侧头集中载荷的影响，在加长测杆端部综合挠度

由加长测杆的刚性分析，其挠度影响的检测理论误差最大值为6.4μm，满足该曲拐径检测要求。

3 测杆测试实验

对高度仪加长测杆进行实验测试，以研究其使用性能是否合乎要求，测试步骤为：

1）将加长测杆安装后，按照微电脑高度仪使用要求，使用分度值0.1N的测力表，调整浮动悬吊系统量测压力，使测量压力达到出厂要求1.2N；

2）浮动悬吊系统平衡调整：按照微电脑高度仪使用要求，用3mm内六角扳手调整平衡荷重之轴心，即移动平衡荷重的左右位置，用分度值0.1N的测力表进行测试，使上下方向测压力均在1.2N；

3）用双零级标准量块对微电脑高度仪量测精度进行测试，按照下式进行统计分析，详见测试记录（表1）。

式中：Sn（）X为重复测量准确度。

表1 测杆测试性能参数表

由表1可知，随着被测尺寸的加长，该加长测杆测量误差逐渐减小，最大重复测量准确度为2.05 μm，满足细长曲轴拐径及偏心距尺寸的检测要求。

4 结论

通过测试，该微电脑高度仪加长测杆符合技术要求，灵敏度高，检测精度高，弥补了由于测杆长度不完整而给工作带来困难的缺陷，满足料细长曲轴的曲拐检测要求，也为后续其他大型细长曲轴的检验工作带来方便。

［1］ 翟 华，张宏梅，钟华勇，等.自重挠度对大型曲轴校直机在线检测系统的影响［J］.中国机械工程，2011（19）：22－25.

［2］ 俞红祥.曲轴连杆颈圆度在线检测与补偿研究［J］.仪器仪表学报，2012（10）：36－41.

［3］ 王文斌.机械设计手册［M］.北京：机械工业出版社，2004.