DLB型叠加式力标准机的针对性设计

根据JJG1116-2015《叠加式力标准机检定规程》的要求, 0.03级、0.05级、0.1级的叠加式力标准机的30S负荷波动性要求分别为0.01%、0.02%、0.03%。在实际工作中, 标准机计量检定人员常用的标准测力仪, 其测量仪表为DMP40, 灵敏度值通常为2.00000m V/V, 其0.01%即20个变动的数字量;0.02%即40个变动的数字量;0.03%即60个变动的数字量。计量检定人员常用的办法是观察记录波动范围的最大值和最小值, 取平均值。得到的检定结果实质上就是一个范围, 或者说是一个估计值。

准确把握叠加式力标准机的力值波动性来源, 对于设计师来说非常重要。波动性来源分析: (1) 标准机传感器的蠕变; (2) 力值显示装置的分辨力; (3) 伺服控制系统的响应速度; (4) 液压脉动特性。

对于来源 (1) 传感器选型必须慎重, 最好选择国际知名品牌的恰当型号。

对于来源 (2) 和 (3) , 要求力值显示装置稳定有效的内码值不得少于100万码, 即六位稳定显示。伺服控制系统的响应速度为20Hz, 采样频率为25Hz。

对于来源 (4) , 除使用了济南中路昌试验机有限公司的专利技术:电液伺服万能试验机的伺服泵装置 (专利号:201320124811.3) , 又增加了一项针对性的特殊设计。

在标准机的伺服控制系统与施力油缸之间设置了增压装置 (见图1) , 出现了两个显著的效果:一是伺服控制的液压系统———工作压力的降低导致了液压脉动的减小;二是标准机在所有的工作状态下, 增压装置与施力油缸之间是一个密闭的空间, 既没有液压油的流入, 又没有液压油的流出, 实现了液压脉动的有效隔离, 是帕斯卡原理的一次经典应用。

图1 增压装置工作原理图   下载原图

进程工作原理 (检定标准机) :控制系统增压推动活塞下行, 密闭空间的系统压力升高, 推动施力活塞上升, 标准机传感器受力。当到达第一个检定点时 (10%FS) , 控制系统处于力值保持状态, 增压活塞处于停滞状态, 施力活塞处于停滞状态, 标准机传感器的输出信号处于稳定状态。当力值显示装置能够准确捕捉到标准机传感器灵敏度标准值时, 读取标准测力仪的测试结果。举例说明:100k N所对应的标准机传感器灵敏度标准值为0.20033m V/V, 当标准机传感器灵敏度的实测值为稳定的0.20033m V/V时, 检定人员再去读取标准测力仪的显示值。这种状态就是一种精准的传递, 不再是一个范围, 不再是一个估计值。这就是所谓的10.9环工程。然后可继续进行第二点、第三点……直到最大力。

回程工作原理:控制系统降压, 由于密闭空间的系统压力高于控制系统, 液压油推动活塞上行, 系统压力释放, 施力活塞下行, 标准机传感器受力下降。当下降到回程的第一个检定点时 (90%FS或80%FS) , 控制系统处于力值保持状态, 增压活塞处于停滞状态, 施力活塞处于停滞状态, 标准机传感器的输出信号处于稳定状态。当力值显示装置能够准确捕捉到标准机传感器灵敏度标准值时, 读取标准测力仪的测试结果。然后可继续进行第二点、第三点……直到最小检定力值。

方位误差的来源有两方面:其一包括标准机传感器的受力轴线与施力轴线的同轴度;施力油缸內圆表面的直线度;施力活塞外圆表面的直线度;施力活塞外圆表面Z轴方向 (即施力轴线) 与重力轴线的平行度;施力轴线与施力端面的垂直度 (或称施力端面的水平度;施力端面的平面度) ;标准传感器与被校传感器的两个受力端面的平行度;反力架横梁与标准机传感器接触面的水平度。其二为标准测力仪传感器 (或被检定的传感器) 的受力轴线与施力轴线的同轴度, 包括上、下两个工作空间的施力端面的平面度、水平度 (即垂直于重力轴线) ;反力架横梁在0°、90°、180°、270°四个方位的受力变形的一致性。

方位误差控制的特殊设计之一:无间隙反力架。

采用无间隙反力架的叠加式力标准机, 由施力活塞的升降来完成拉压空间的调整, 无受力基准的变更, 没有贡献方位误差。

采用丝杠与螺旋副配合实现试验空间调整, 称为有间隙反力架。丝杠与螺母的轴向与径向之间必须保有足够的间隙, 否则可能卡住。

如果叠加式力标准机采用有间隙反力架, 非工作状态时, 在重力的作用下, 螺旋副的间隙存在于丝杠螺纹的上端面, 如图2所示。

当标准机开始加载时, 第一步克服上横梁的自重。此时, 传感器的受力最大值为上横梁的重力值。第二步克服螺旋副的间隙。此时, 传感器的受力值不再增加。第三步, 间隙完全消除后, 传感器连续受力。此时, 螺旋副的间隙存在于丝杠螺纹的下端面, 如图3所示。

图2 螺旋副非受力状态示意图

图3 螺旋副负载状态示意图

标准机上、下压板的水平度是在非加载状态下调好的。此时, 丝杠螺纹上端面受力。即上、下压板水平的基准为丝杠螺纹的上端面。当第三步, 传感器可以连续受力时, 变成了丝杠螺纹的下端面受力。即水平的基准变成了丝杠螺纹的下端面, 受力基准发生了变更。

水平基准的变化, 由于螺纹螺距的误差及螺旋副间隙的误差, 致使原来已调试好的水平失去了价值, 贡献了方位误差。

对于叠加式力标准机而言, 无间隙反力架不存在水平基准的变更, 没有贡献方位误差。

图4 简支梁受力示意图

方位误差控制的特殊设计方法之二是正方形的反力架横梁。

采用正方形横梁、四立柱结构的叠加式力标准机, 消除了0°与180°方向 (Y轴) 和90°与270°方向 (X轴) 受力变形不一致, 没有贡献方位误差。

叠加式力标准机反力架横梁的长方形结构存在理论缺陷。

长方形梁的长度尺寸 (X轴方向) 与宽度尺寸 (Y轴方向) 不一致, 在反力架横梁受力时, 力臂不同导致力 (弯) 矩不同。如图4所示, 根据弯曲应力理论:

弯矩的计算公式:

挠度的计算公式:

式中:M———弯矩;W———挠度;P———载荷;b———传感器直径;l———横梁跨距;E———钢材的弹性模量, E=200GPa;I———截面惯量 (, 式中:b———矩形截面的宽度;h———矩形截面的高度) 。

从挠度计算公式中可知:X轴方向与Y轴方向由于l值 (跨度) 不同, 所以负载后产生的挠度不同。即反力架横梁在长度方向与宽度方向的受力变形不一致, 导致标准测力仪传感器在X轴、Y轴两个方向的受力不一致, 从而贡献了方位误差。

由此看来, 长方形反力架横梁结构在试验机上能够得到广泛应用, 是因为试验机没有方位误差要求, 试验力示值误差只检定0°方位。长方形反力架横梁的宽度方向, 工作人员距试验机中心点 (理论上的受力轴线) 的距离最小, 力臂最小, 最省力。

对于叠加式力标准机, 正方形四支柱结构反力架横梁, 受力轴线到0°、90°、180°、270°4个方位的距离相同, 即力臂相同, 受力变形一致。从理论上来说没有贡献方位误差。