量块安放对长度测量值的影响

韩翘楚

【摘要】量块是一种长度计量标准器。在检定过程中，量块在竖直安放时受自身重力作用的影响，其长度将比水平安放时有所缩短。为了尽可能消除这一影响因素，确保量块长度测量值的准确性，应根据量块的不同标称长度选择合适的安放方式。

【关键词】量块;安放;长度测量

【DOI编码】10.3969/j.issn.1674-4977.2022.03.028

Influence of Gauge Block Placement on Length Measurement

HAN Qiao-chu

（Liaoning Institute of Measurement，Shengyang 110004，China）

Abstract：Gauge block is a length measuring standard. When the gauge block is placed vertically，its length will be shorter than that when it is placed vertically. In order to eliminate this influence factor as much as possible and ensure the accuracy of the measured value of the gauge block length，the appropriate placement method should be selected according to the different nominal length of thegauge block.

Key words：gauge block;placement;length measured

1概述

量塊是用耐磨材料制造的横截面为矩形，且有一对互相平行测量面的标准端面量具。量块在长度计量仪器的检定和校准过程中有着广泛的应用。通过量块可以进行长度的量值传递，也可以作为计量标准器对长度计量测试仪器、量具、量规等进行检定或校准，还可以调整精密机床的夹具、刀具在加工中的定位尺寸或对精密仪器进行调校。因此，量块测量值的准确度就显得尤为重要。

在量块的检定过程中，除了温度，量块的安放也是影响测量结果的一个重要因素。由于量块安放的不同会使其长度和形态发生变化，进而影响长度测量值的准确度。本文将分析如何减小量块安放姿态对长度测量值的影响。

2量块的标准姿态

在国家检定规程JJG 46—2011《量块》中规定了量块的标准安放方式，即“长度等于或小于100 mm的量块，在测量和使时，量块的轴线可垂直或水平安装;大于100 mm时，量块的轴线应水平安装。这时，量块一个较窄的侧面放置在分别距量块两端面各为0.211×l_n的两个横放的支柱上”。

3量块垂直安放对测量值的影响

垂直安放的量块受自身重力的影响，其长度将比水平安放的情况下有所缩短。量块垂直安放比水平安放测得值的缩短量，可以用下式来计算。

S=0.5（LW/EA）=0.5（L²ρ/E）

式中，L为量块长度;W为量块自身的重力;E为量块的弹性模量;A为量块的横截面积;ρ为量块材料密度。

以钢制量块的计算结果为例，与一等量块长度测量不确定度的允许值进行比较，如表1所示。

由上表数据可知，对长度等于或小于100 mm的量块，垂直安放的缩短量与一等量块长度测量不确定度允许值相比较可以忽略不计。但是，对长度大于100 mm的量块，垂直安放的缩短量与一等量块长度测量不确定度允许值几乎处于同一个数量级。因此，量块检定规程中规定：“大于100 mm时，量块的轴线应水平安装。”

4量块水平安放的支承位置

量块水平安放样式如图1所示。用量块一个较窄的侧面安放在与次面相垂直的支柱A、B上。量块测量面在量块测量轴线弯曲与不弯曲时两者之间的夹角，称为转角θ。a为支承量块两个横放支柱与测量轴线两端测量面之间的距离，b为支承量块两个横放支柱之间的距离。当a=0.211×l_a时，θ=0。此时，量块虽然在其自身均匀分布的重力作用下产生弹性变形而导致测量轴线发生弯曲，但因为两测量面转角为0，所以两测量面之间的平行度不会受到影响。a=0.211×l_n为支承量块两个横放支柱与测量轴线两端测量面之间的最佳距离。由于上述安放位置的选择原则首先是由艾利发现的，该支承点被称为艾利点。

5非艾利点支承

当被测量块处于非艾利点支承位置时，就会对量块长度的测量结果产生影响。下面以长度为1000 mm的量块为例，分析当支承点位置不在艾利点上时对测量结果产生的影响。假设两个支柱A和B的位置分别距离量块的两个端面a_x，并假设a_x-a=5mm。由于量块受自身重力作用的影响而产生弹性形变，进而使量块的轴线产生弯曲，导致两测量面位置的挠角不等于零。根据材料力学可知，挠角的计算公式为：

其中，q为沿量块轴线单位长度的重力，q=0.0241 N/mm;b为支承量块的两个支柱A和B之间的距离，b=1000mm-2×216mm=568mm;a为支承量块的两个支柱A和B分别与测量轴线两端测量面之间的距离，a=211mm+5mm=216 mm;E为量块材料的弹性模数，E=2059.4N/mm;J为与测量轴线相垂直量块横截面对中性轴的惯性矩，J=3.216×10⁴mm。将上述数据代挠角计算公式中可以得出θ_x=2.433×10^-6rad。

由于量块横截面和支承情况的对称性，并根据JJG 146—2011《量块》检定规程中提出的距离测量面边缘0.8 mm范围内忽略不计的规定，量块测量面的有效高度H为33.4 mm。由于量块测量面的挠角不等于零，使量块上边的长度伸长，下边的长度缩短，其伸长与缩短量之差为：Δ=2H×θ。将H=33.4mm，θ_x=2.433×10^-6rad代入可得Δ=0.16μm。

根据以上计算可知，当1000mm量块的两个支撑位置各偏离5mm时，长度变动量增加0.16μm，这个数值相对于其变动量允许值0.60μm来说是不可以忽略的。因此，长度大于100mm的量块，在水平安放时应注意支撑点位置的选择。如果支柱A和B之间的距离b太近，则量块的两端下垂而中间部分略有抬高，如图2所示。如果支柱A和B之间的距离b太远，则量块的两端上翘而中间部分略有下垂，如图3所示。在这两种情况下，由于挠角不等于零，量块的两个端面不处于平行的状态，就会造成中心长度和变动量的检定或校准结果不准确。

6支承工具

当量块水平安放时，不仅要注意支承点位置的选择，也要有合适的支承工具。在对标称长度大于100mm的量块进行检定或校准时，按照量块支承位置（艾利点）的要求，应该使用相应的支承工具来固定标准量块和被测量块。一般来说，在满足量块保护及支承力要求的前提下，支承面宽度应该尽可能地窄，同时，为了满足不同长度量块检定或校准需求，使用的都是可调节型支承工具（如图4所示）。

在使用这种夹具时，需要注意以下两个问题：1）当两块被测量塊的标称值之差较小时，应注意支承位置的调节，避免由于疏忽导致测量结果不准确。2）在利用两个活动式压紧臂上的螺钉固定量块时，应左右用力一致且适度，尽量让量块减少受力和变形。

7结论

综上所述，量块是一种在长度计量工作中常用的计量器具，不仅可以用于长度的测量，还作为长度计量的主要标准器之一，在长度量值传递中发挥着重要的作用。因此，在检定或校准量块的过程中，应根据实际情况，选用合适的检定或校准方法来确保量块量值的可靠性，使量块的量值传递工作能够顺利进行。

【参考文献】

[1]张宜远，黄晓蓉.以1000 mm量块为例剖析大尺寸量块检定[J].中国计量，2014（10）：107-108

[2]谢英.探究量块检定方法以及检定中存在的问题[J].质量与市场，2020（6）：71-73.

[3]孟菲.量块艾利点支承架装卡不适对量块测量的影响[J].计量与测试技术，2003（5）：8-9.