扭转试验机扭矩校准装置的设计与分析

鲍海啸，任军豪，蒋大宏，王时越、2，李 铖，陈曙光

（1.昆明理工大学建筑工程学院，云南 昆明 650500；2.云南省土木工程防灾重点实验室，云南 昆明 650500；3.武汉先导时代科技有限公司，湖北 武汉 430079）

在建筑行业特别是钢结构的生产过程中，扭矩这个参数极其重要[1]，测扭矩的方式主要是通过扭转试验机，因此保持扭转试验机扭矩值得准确可靠就非常关键，这就需要定期对扭转试验机的扭矩值进行校准，常用的方法有扭矩传感器校准法和杠杆砝码校准法。扭矩传感器校准法需要将校准用传感器送到更高一级的检定校准机构来溯源至国家基准[2]，对检测机构开展内部校准就很不经济。杠杆砝码校准法的校准过程非常复杂且成本较高，需要用到长度超过2m 的刚性杠杆，杠杆的制作、安装很困难，同时还需要一堆高精度的砝码，对这些砝码的保管运输及使用保养都会产生很大的经济成本，且加载的过程中砝码加载到一定重量时试验机本身重量小于砝码重量甚至会产生侧倾覆，因此很多地区并不具备对一些大量程的扭转试验机的检定校准条件。本文针对10kN·m 量程的扭转试验机，通过有限元优化设计，制作一个轻质便携的杠杆，同时使用千斤顶来代替砝码施力，利用力传感器显示力值大小[3]，从而实现对扭转试验机施加准确可靠的扭矩以保证其测试结果的准确可靠。

1 装置设计

优化的核心思想是使装置达到轻质高强、减小运输、制作及保养的成本并且满足规范所要求的校准试验。以此，设计出如图1 所示的装置，并在10kN·m 量程扭转试验机进行试验研究。

图1 装置构型

1.1 杠杆优化设计

根据已有的校准方法，校准所用到的是长达2m 多的一根刚性杠杆，端部使用悬挂砝码的方式施力。由于结构主要受弯，故采取工字钢结构形式对其进行改良[4]。在杠杆与扭转试验机连接处需要开一个连接孔，孔边为扭转、挤压等复杂受力，则加厚截面。中间部分受力较小若为实心板重量会增加因此采用桁架梁的形式，以达到减少重量的目的，中部桁架为10mm×10mm 的矩形杆，整体构型如图2 所示。

图2 杠杆构型

利用等强梁的原理采取变截面形式可以节省大量材料从而进一步减少杠杆的重量。等强梁变化规律为：式中：n-安全系数；σs-选用的Q235 钢的屈服应力235MPa；M（x）=FL-每个截面所对应的弯矩值[4]；［σ ］-许用应力。以1-1 截面为初始截面（x=0）同时设定板的厚度h=10mm进行应力计算求取截面宽度，取n=2 解得当x=0 时，M=FL=8.75kN·m，解得b=52.98mm，取整得b=60mm，当x=680 时，M=FL=0.125kN·m，将2-2 截面的高度设为40mm，计算得宽度为b=13.7mm。

对杠杆整体进行计算剪切应力：

式中：［σ -］式（2）设计值；Fs-横截面上的剪力；b-截面宽度；Iz-整个截面对中性轴的惯性矩；-截面上距中性轴为y 的横线以外部分面积对中性轴的静矩[4]。

杠杆许用剪应力τmax=［σ ］/2，根据式（3）解得b=31.9mm，可知整个杠杆的截面最小宽度为31.9mm，故将截面宽度进行取整，最终2-2 截面宽度定40mm。

1.2 加载方式设计

传统的加载方式为悬挂砝码，托盘挂在杠杆相应的固定位置再逐级加砝码的方式施力。本文选用支撑反力来代替重力，施力装置为3.2t 手摇机械式千斤顶，预先固定在相应的位置上，保证力与端点的距离为定值从而保证力矩的稳定。

1.3 接触装置设计

接触方式为点接触，形成点接触的方式是在传感器与杠杆之间放置一个钢珠。将钢珠放置于传感器中心位置，设计一个冠状零件戴于钢珠上，通过螺栓固定，使钢珠与传感器进行良好的接触并能保证传感器的稳定性及精确度。

由于安装间隙，使杠杆上升的过程中会产生位移，接触点会在杠杆上移动，采用滑轨滑道的方式使接触点在受侧向分力影响移动时更加合理。滑轨采用双圆弧滚道[5]，滚道长20mm 在滚道内侧装配钢珠，利用钢珠的滚动效应使滑块可以自由进行横向移动，滑块下部为一个弧段与下面的钢珠接触，在上升的过程中限制钢珠的侧向移动。

2 装置模拟分析

使用ANSYS 对结构进行有限元计算分析，装置与试验机连接处承受10kN·m 的弯矩，施力点与受力中心位置距离为0.8m，则在施力点施加12.5kN 的集中荷载，套在试验机上的孔边采用完全固定的约束方式。对模型进行应力、变形分析[6]。

通过对结构的分析，得到如图3 所示的杠杆变形结果，最大变形为3.2mm。

图3 ANSYS 计算

图3（b）为等效应力云图，孔边最大应力为69.3MPa，桁架部分最大应力为207MPa，均未超过选用材料Q235 钢的屈服强度标准值（235MPa），因此该结构形式满足强度要求。

3 装置试验分析

采用应变电测技术对装置进行应力测试分析，贴片在孔边及危险点处，贴片方式如图4 所示。

图4 贴片方式

ANSYS 模拟结果显示桁架处应力较大，为了测出杠杆的各部的应力状况及几个危险点的应力状态。1#、2#、3#、4#几处贴BF120-2AA 应变计，通过公式（4）计算处点的应力：

式中：E-弹性模量；ε-测出应变值。

根据数值模拟分析的结果，桁架杆的部分区域受力最大。所以对其中的两根杆进行应力测试，分别在中间的杆上的四个面贴上BF120-2AA 应变计，贴片方式见图4。通过电阻应变仪测出各点应变后，按式（4）计算其应力。

与试验机连接的端部是一个孔洞，孔边受力情况较复杂，孔周边区域内会出现显著应力集中的现象，由于挤压等其他复杂力的作用，孔边为复杂平面应力状态。对孔边贴片以监测其应力状态，12#、13#、14#、15#均采用BF120-3CB 金属箔式电阻应变花，测出其主应力大小。通过电阻应变仪测出应变花各点应变后，按式（5）和式（6）可以分别计算出其主应力和等效应力：

式中：E-弹性模量；μ-泊松比；εi+n-各方向上的应变值；i-中性层方向；n-与中性层所成夹角，σ3=0。

4 装置性能评估

加载至10kN·m 时各点的应力状态如表1 所示，试验结果与模拟计算结果对比大致相同。试验结果表明杠杆与试验机的连接端上下表面的应力与模拟的结果相同，连接端截面达到强度要求。在桁架的上下表面处，应力与模拟值、计算值均接近，等强梁设计合理且大量减少材料的使用量。试验表明，桁架杆处接近施力端部的杆为结构最危险的地方，与模拟相近且并未屈服，桁架杆有效提高杠杆的稳定性。孔边平面应力区域较复杂，通过试验测出并未产生屈服与变形。试验的结果表示杠杆的设计合理，达到轻质高强且携带运输方便的设计目的。

表1 各点应力值对比

5 结束语

应力测试结果表明强度均达到要求，试验过程中杠杆全段无屈服现象。并且此装置具有以下优点：①杠杆采用工字钢的结构形式，杠杆中部区域受弯矩影响较小，采取桁架结构形式，可以省去大量的材料从而使杠杆达到轻质高强；②施力装置接触面平滑且可在杠杆上移动以调整接触点，同时可以完成点荷载的加载方式，提高扭矩校准值的准确度；③使用力传感器代替砝码加载，能使装置轻便、可靠、易操作。