简易手动机械预置式扭矩扳子校准装置

易青

摘 要：文章介绍了简易手动机械预置式扭矩扳子校准装置的测量原理、制作要点、操作程序、测量不确定度的分析及使用范围，为现有仪器提供了新的用途。

关键词：扭矩扳子；力矩；力臂；电阻应变仪；荷重传感器；校准；检验

1 概述

随着扭矩扳子在我公司对旋紧力矩有要求的螺丝紧固件作业中广泛的使用，需要对扭矩扳子定期进行检定。由于送上级部门检定周期需要半年或一年的时间，但扳子在周期内的使用中，由于存在使用磨损、外力碰撞等原因，并根据实际情况有时需要再检验，本人根据力矩原理，利用现有的YJ-26型静态电阻应变仪与电阻应变荷重传感器组合，制作了一台简易手动机械预置式扭矩扳子校准装置，经使用效果良好。

2 简易预置式扭矩扳子校准装置的组成

2.1 YJ-26型静态电阻应变仪

YJ-26型静态电阻应变仪是在静力强度研究中，测量结构及材料任意点变形的应力分析仪器；如配相应的传感器，可测量力等物理量。

2.2 BHR-4型的电阻应变荷重传感器

BHR-4型的电阻应变荷重传感器量程为（0-200）kg，原理是利用电阻应变原理构成。采用圆筒型弹性体为测力敏感元件，电阻应变片为转换元件。该传感器结构简单、强度高、携带方便、抗冲击稳定性好。常用于各种构造物体的荷重实验。

2.3 扭矩扳子转轴固定支架

固定支架起着支撑、固定、调整扭矩扳子角度的作用，并与水平地板焊接在一起（并有加强筋连接）。千斤顶高度可调支架不用焊接，可在地上移动；静态电阻应变仪、电阻应变荷重传感器、油压千斤顶和其组合成一个体系。如图1所示。

图1

2.4 扭矩扳子转轴固定支架的转轴可调角度装置

首先加工一个材料为碳素工具钢（T8）？准230mm×30mm的金属圆盘（扭矩扳子夹具），在其？准170mm圆周内（距其圆周边20mm），除圆心外按同一方向均匀分布六个根据不同扭矩扳子旋转正方形扳头的尺寸而制作的正方形通孔，其边长尺寸分别是19.4+0.2mm、19+0.2mm、12.8+0.2mm、12.5+0.2mm、25+0.2mm、25.6+0.2mm；也可根据其它扳子的不同尺寸制作。在？准200mm圆周上每隔15mm弧长，钻一个？准12.5mm的孔（加工成沉头座），同样地在扭矩扳子转轴固定支架上进行配钻，得到相应通孔。其金属圆盘中心孔为？准20.5mm（加工成沉头座），同样进行配钻，得到相应转轴固定支架通孔；（金属圆盘经过热处理获得相应的硬度和耐磨性）用相应的圆柱头内六角螺栓与扭矩扳子转轴固定支架进行沉头座连接并且是动配合（圆盘可转动）。

3 校准扭矩扳子的测量原理

3.1 标定静态电阻应变仪的显示值（？滋？着）与力（kg）间的正比例关系

根据说明书对应YJ-26型静态电阻应变仪（当灵敏系数k=2标定值为15000？滋？着）与BHR-4型的电阻应变荷重传感器（量程为0-200kg组合，显示值（？滋？着）与力（kg）的比例应为10：1。（如果配不同量程传感器也可以是其他比例。）

3.2 校准静态电阻应变仪

用一组（10个）M1等20kg标准砝码对静态电阻应变仪与荷重传感器进行组校准（或经上级计量部门校准）；在量程范围内确定（包含上、下限）至少五个点进行测量，检验其基本误差不大于测量值的±0.8%。否则重新调整仪器再进行测试。

3.3 根据不同规格量程的扭矩扳子制定出不同的表格

其内容是：按JJG707-2003《扭矩扳子》检定规程要求确定出3～5个力矩M（Nm）校准点；并根据力臂d（扳子转轴到手柄中心长度m），根据力矩原理M=F·d，通过F=M/d，計算出相应的力F（N）。除以9.8kg·m/s2再转换成千克力F（kg）。最后转换成仪器的显示值（？滋？着），并根据准确度等级确定允许基本误差±4%～±10%的误差范围。举例如表1所示校准扭矩扳子明细表。型号规格：AC80～300Nm，L=0.488m允许基本误差±4%

表1

注：L的长度（单位必须是米）作为制定表格的依据，如果该表格确定下来，则L不变；反之，如果仪器测量出三次平均F（？滋？着）的应变值，除以10，乘以9.8得出F（N），再乘以L（d）得出所测量的力矩（Nm）。

4 校准扭矩扳子的过程

将手动机械式扭矩扳子预置到所需要校准的力矩值上，把扭矩扳子的正方形旋转扳头插入到位于扭矩扳子转轴固定支架上的圆盘扭矩扳子卡具中，转动圆盘观察，使扭矩扳子处于近似水平状态时，然后用两个？准12mm的销钉（或圆柱头螺钉）在圆盘？准200mm圆周上？准12.5mm的对称孔与扭矩扳子转轴固定支架的相应通孔穿插限位；（连接圆盘与扭矩扳子转轴固定支架）并锁紧。

将油压千斤顶放在千斤顶可调支架上，并根据扭矩扳子的水平高度调整可调支架的高度，将荷重传感器放在油压千斤顶上，且将荷重传感器顶端放置一个小“Y”型钢筋支架，使得传感器支架、千斤顶、千斤顶可调支架的总高度约等于扭矩扳子水平状态的高度，且扭矩扳子与水平方向的夹角小于10°（减少误差），再按某表格用卷尺测出相应的长度L约等于d（扳子转轴到手柄中心的力作用线的垂直距离），确定传感器“Y”支架所顶扭矩扳子的支点。调整好并标定静态电阻应变仪并连接电阻应变荷重传感器，对千斤顶缓慢地施加力直到扭矩扳子发出“嗒”的一声，此时观察应变仪的示值（？滋？着）并记录，然后撤力即可，同一点重复测量三次，得出平均；重复上述过程，所得测量值与表格相应允许基本误差（？滋？着）进行比较是否合格。

5 简易预置式扭矩扳子校准装置测量不确定度评定

5.1 测量方法：依据JJG707-2003《扭矩扳子检定规程》。

5.2 测量环境条件：室内温度：（10～30）℃。

相对湿度：不大于85%的环境条件下进行校准。

5.3 测量标准：简易预置式扭矩扳子校准装置其允许误差限为±0.8%。

5.4 被测对象：机械预置式定值扭矩扳子型号为AC（280-760）Nm扭矩预置值为760Nm最大允许误差±4%。

5.5 评定结果的使用：在上述条件下进行测量所得结果可直接使用本文不确定度的评定结果。

5.6 数学模型：e=MM-M

式中：e-扭矩扳子在测量点的示值误差。

M-扭矩扳子在测量点的标称值。

M-扭矩标准器对应被测扭矩扳子动作时测量值的算术平均值。

5.7 输入量的标准不确定度的评定

5.7.1 输入量MM的标准不确定度u（MM）的评定

主要不确定度来源是用预置式扭矩扳子校验装置对其校准时所得名义值与约定真值的误差。用允许误差限W表示，W=±0.8%（扭矩扳子检验装置示值的重复性对测量结果的影响可忽略）按线性分布规律计算在测量点的此分项标准不确定度为均匀分布，区间半宽度为W×WS，用B类方法评定。对应760Nm测量点计算式：u（MM）=W×WS/■=0.8%×760×■=3.510（Nm）

5.7.2 M的标准不确定度u（M）的评定

此输入量的不确定度来源包括被测量对象的报响动作时，扭矩值不确定性、测量过程中被测对象的温度特性、测量仪器的示值重复性及其零位调整、示值分辨率、测量仪器与被测对象连接过程的附加响应等以及测量人员读数过程的影响，综合体现于对该扳子测量示值的测量重复性中。上述不确定影响因素的作用是同时体现密不可分的，对于这些不确定度分项不单独评定，统一由合并样本标准差确定这些因素综合产生的标准不确定度u（M）的评定仅是示值分散性的评定，与u（MM）评定的内容相互独立。

使用合并样本标准差作A类不确定度评定方法是抽取7件设置于760Nm点的样机分别作10次重复性测量所得测量示值Mik如下：

（样机号：i=1-7，测量序号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。

单次实验标准差： 由此得到7组单次实

验标准差，计算结果如表2。

合并样本标准差：

实际测量是在重复性条件下每个测量过程连续进10次，以每一测量点的10次测量值的算术平均值为该测量点被测示值平均值M；则测量重复性产生的标准不确定度

5.8 合成不确定度的评定

5.8.1 靈敏系数：数学模型e=MM-M

灵敏系数

5.8.2 标准不确定度汇总表如表3：

表3 标准不确定度汇总计算

5.8.3 合成标准不确定度

输入量M和MM彼此独立不相关，所以合成不确定度计算式为

uc2（e）=[C1u（MM）]2+[C2u（M）]2

合成不确定度值uc（e）=■=3.554（Nm）

5.9 扩展不确定度的评定

取k=2，则扩展不确定度：

U=k·uc（e）=2×3.554=7.108（Nm）相对扩展不确定度：Urel=■×100%实例：取平均最小值■5=■=752.88，则Urel=■×100%=0.94%

6 结束语

经过几年的实践证明手动机械预置式扭矩扳子校验装置具有简单、经济、实用的特点，其装置的相对扩展不确定度约为准确度为4级的扭矩扳子1/4，所以达到了准确度为（4～10）级、量程为50Nm～1500Nm的手动机械预置式扭矩扳子校准的技术指标，满足扳子在使用中的检验要求。扩展了现有仪器的使用领域，不足之处是使用者需要有一个熟练操作的过程。

参考文献

[1]国家计量检定规程.JJG707-2003.扭矩扳子[S].2009.

[2]闫晓瑗，谢刚.工程力学[M].东北大学出版社，1998.

[3]宣安东.实用测量不确定度评定及案例（上册）.[M].中国计量出版社，2007.