李自武，沈運杰，劉戎，李風(fēng)雷

(中航工業(yè)西安航空發(fā)動機 (集團)有限公司，陜西西安710021)

0 引言

扭矩倍增器是通過齒輪系結(jié)構(gòu)的放大作用，使輸入扭矩值按一定倍率放大得到更大的輸出扭矩值，是用于緊固連接設(shè)備部件螺栓和螺母的器具，利用它可以在螺栓、螺母上施加一定數(shù)值的扭矩以使之滿足預(yù)緊力要求。扭矩倍增器適用于其它扭矩扳子難以使用的場合，能夠平穩(wěn)施加扭矩，并且使被緊固設(shè)備免受更大的外力作用。扭矩倍增器在航空、航天和船舶制造等行業(yè)廣泛應(yīng)用。

我國在扭矩倍增器的生產(chǎn)和使用方面起步較晚，各單位所使用的扭矩倍增器大多是進口設(shè)備，沒有專門的扭矩倍增器檢定/校準技術(shù)文件，僅在JJG707－2003《扭矩扳子檢定規(guī)程》6.2.4.2條款簡短概括提及，但未對扭矩倍增器的計量特性指標、準確度等級、校準方法等方面進行具體的規(guī)定。大多數(shù)單位按扭矩倍增器出廠設(shè)計的標稱傳動比進行使用，僅僅把扭矩倍增器作為裝配工具，不按計量器具進行管理。許多單位在扭矩倍增器的使用和校準方法上存在很大差異，很難保證其提供的量值準確可靠，嚴重影響設(shè)備的裝配質(zhì)量。本文對扭矩倍增器工作原理及結(jié)構(gòu)特點進行分析，結(jié)合我們近幾年對各種型號規(guī)格的倍增器的校準試驗結(jié)果，論證了扭矩倍增器按照正確的校準方法進行周期校準的必要性。

1 扭矩倍增器結(jié)構(gòu)特點

扭矩倍增器生產(chǎn)廠家和型號規(guī)格比較多，一般為2%～5%。從結(jié)構(gòu)特點上來說分為兩類:一類為扭矩倍增器輸入、輸出接口在同一條軸線上，工作原理見圖1(b);另一類為扭矩倍增器輸入、輸出接口不在同一條軸線上，如8200和8202，工作原理見圖1(b)。它們都是通過齒輪系的放大，在反作用力臂的作用下，使輸入扭矩值按一定倍率放大得到更大的輸出扭矩。

扭矩倍增器為機械傳動的系統(tǒng)，由于結(jié)構(gòu)特點的限制，會有許多影響其傳動比準確度的因素，主要有以下幾方面:

1)部件加工精度。扭矩倍增器各傳動部件的加工及配合精度決定其在不同的旋轉(zhuǎn)方位傳動比存在偏差。

2)支撐軸承與軸的間隙。扭矩倍增器輸出的扭矩值較大，齒輪系之間的徑向力作用在支撐軸承上，長期使用會使支撐軸承與軸之間出現(xiàn)磨損，支撐軸承與軸之間間隙會造成其傳動比發(fā)生變化。

3)傳動齒輪的變形或磨損。在大扭矩的作用下，齒輪出現(xiàn)變形或磨損，會造成扭矩倍增器傳動比發(fā)生變化。

4)傳動系統(tǒng)的潤滑。支撐軸承與軸、齒輪與齒輪之間潤滑狀態(tài)的惡化，會使傳動系統(tǒng)阻力增大，同時也會加速配合面的磨損，影響傳動比。

圖1 扭矩倍增器工作原理簡圖

2 校準試驗

2.1校準裝置

基于TSD－20000－TM扭矩倍增器校準裝置平臺，進行校準能力的二次開發(fā)。選擇多個不同量程的扭矩傳感器，拓展裝置的測量能力。校準裝置輸入端扭矩測量范圍:20～2700 Nm，輸出端扭矩測量范圍200～27000 Nm，系統(tǒng)誤差可以達到±0.3%，裝置可以實現(xiàn)勻速施加扭矩，計算機自動采集與數(shù)據(jù)處理。

根據(jù)對扭矩倍增器工作原理及結(jié)構(gòu)特點的分析，利用TSD-20000-TM扭矩倍增器校準裝置，對不同型號的扭矩倍增器進行示值重復(fù)性、方位誤差及傳動比誤差等技術(shù)指標進行校準試驗。以8200型扭矩倍增器為例進行說明。8200型扭矩倍增器主要技術(shù)指標如下:測量范圍1200～12000 lb·ft換算為1627～16270 Nm;傳動比11.1∶1;誤差±5%。

圖2 校準裝置結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 重復(fù)性試驗

在扭矩倍增器測量范圍內(nèi)選3個試驗點，其中包括測量范圍的下限和上限兩點。隨機選取扭矩倍增器輸出端的一個位置，對扭矩倍增器施加扭矩，以校準裝置輸出端測量指示儀表指示的給定扭矩值為依據(jù)，讀取校準裝置輸入端測量指示儀表指示值。按扭矩值遞增順序逐點進行測量，在扭矩倍增器每級輸出扭矩值加到后，讀取輸入端測量指示儀表指示值，直到額定扭矩，然后卸除扭矩，該方位連續(xù)進行10次測量。

重復(fù)性R按公式 (2)計算

式中:Mi為扭矩倍增器在重復(fù)測量時輸入扭矩的第i次讀數(shù)值;Mmax為扭矩倍增器輸入扭矩10次讀數(shù)的最大值;Mmin為最小值;為10次讀數(shù)的平均值;R為示值重復(fù)性。

根據(jù)數(shù)據(jù)分析，可以得出如下結(jié)論:多數(shù)8200型扭矩倍增器的重復(fù)性均在5%之內(nèi)，隨著測量次數(shù)的增加，測量值變化很小，圖3是編號為F291的扭矩倍增器輸出端扭矩值為6000 lb·ft(8135 Nm)時輸入端10次測量值的分布圖。也有使用時間較久且從來沒有進行過維護保養(yǎng)的扭矩倍增器重復(fù)性大于5%的現(xiàn)象。

2.3 方位誤差試驗

圖3 重復(fù)性試驗結(jié)果

在扭矩倍增器測量范圍內(nèi)選7個試驗點，其中包括測量范圍的下限和上限，各試驗點大致均勻分布。對扭矩倍增器施加扭矩，以校準裝置輸出端測量指示儀表指示的給定扭矩值為依據(jù)，讀取校準裝置輸入端測量指示儀表指示值。按扭矩值遞增順序逐點進行測量試驗，在扭矩倍增器每級輸出扭矩值加到后，讀取輸入端測量指示儀表指示值，直到額定扭矩，然后卸除扭矩。隨機選取一個方位進行一個循環(huán)測量，該方位定義為扭矩倍增器0°方位。卸下扭矩倍增器，轉(zhuǎn)動扭矩倍增器輸入端，使其輸出端依次旋轉(zhuǎn)90°，180°，270°方位角，每次轉(zhuǎn)換方位后進行一個循環(huán)測量。方位誤差按公式 (5)計算

式中:Ki為扭矩倍增器各方位的實測傳動比;Miout為扭矩倍增器的各方位輸出扭矩值;Miin為扭矩倍增器的各方位輸入扭矩值;K0°，K90°，K180°，K270°分別為扭矩倍增器在0°，90°，180°，270°方位的實測傳動比;K為各方位傳動比的平均值;Ep為扭矩倍增器方位誤差。

根據(jù)數(shù)據(jù)分析，可以得出如下結(jié)論:扭矩倍增器各方位之間的測量值偏差比較明顯，多數(shù)扭矩倍增器的方位誤差不大5%，所以僅僅在一個方位校準，按照該方位的校準結(jié)果進行使用，很難保證量值的準確。表1是編號為F298為扭矩倍增器7個測量點方位誤差試驗數(shù)據(jù)。

表1 方位誤差試驗表數(shù)據(jù)

2.4 傳動比誤差試驗

試驗方法如2.3，傳動比誤差按公式 (6)計算

式中:e扭矩倍增器傳動比誤差;Ks扭矩倍增器傳動比標稱值。

圖4中系列1～3為新購買的3臺扭矩倍增器各測量點傳動比分布圖，這3臺扭矩倍增器的傳動比誤差均在其傳動比標稱值的±5%之內(nèi)。系列4為使用較久且沒有進行過維護保養(yǎng)的扭矩倍增器各測量點傳動比分布圖，其傳動比誤差有超出其傳動比標稱值的±5%的現(xiàn)象。在扭矩倍增器的整個測量范圍內(nèi)傳動比并不是固定的值，整個測量范圍按個別校準點的實測傳動比進行使用的方法是不正確的。扭矩倍增器在長期的使用過程中，隨著磨損、配合精度、潤滑狀態(tài)的變化，其傳動比也隨之變化。

圖4 傳動比誤差試驗結(jié)果

3 結(jié)論

1)扭矩倍增器應(yīng)該按計量器具進行周期校準。扭矩倍增器在長期的使用過程中，隨著磨損、配合精度、潤滑狀態(tài)的變化，其傳動比也隨之變化。按照出廠設(shè)計的標稱傳動比使用，不進行周期校準的方法是錯誤，會造成極大的質(zhì)量安全隱患。

2)扭矩倍增器應(yīng)按多方位傳動比的平均值進行使用。扭矩倍增器的傳動比應(yīng)該在多方位 (推薦3～4個方位)進行校準，取其平均值，僅僅在其某一個方位進行校準，使用單個方位測量所得的傳動比，這樣很難提供準確可靠的量值。如圖5所示，只有每個方位的測量結(jié)果都在平均值的5%之內(nèi)，才能保證其提供準確可靠的量值。

圖5 誤差試驗圖

3)扭矩倍增器應(yīng)該進行方位誤差、重復(fù)性和傳動比誤差的校準。潤滑狀態(tài)惡化、配合面磨損、軸及齒輪變形等因素都會影響傳動系統(tǒng)傳動比的變化，所以扭矩倍增器應(yīng)進行定期的維護保養(yǎng)。當某些技術(shù)指標出現(xiàn)超差時，應(yīng)該有控制措施。表3為扭矩倍增器技術(shù)指標及超差原因分析。

表3 技術(shù)指標及超差原因分析

綜上所述，扭矩倍增器應(yīng)該作為計量器具進行管理。只有采用正確的校準和使用方法，才能保證產(chǎn)品的裝配質(zhì)量，避免質(zhì)量安全隱患。

［1］洪寶林.力學(xué)計量(上)［M］．北京:原子能出版社，2002.

［2］李孝武，劉景利，劉煥橋等.力學(xué)計量 ［M］．北京:中國計量出版社，1999.

［3］國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗疫總局.JJG707－2003扭矩扳子檢定規(guī)程［S］．北京:中國計量出版社，2003.