基于空气轴承支撑技术的100N·m扭矩标准机的设计

　　0　引言

　　目前国际上比较先进的工业国家如德国、英国、日本等相继建立了采用空气轴承支撑技术的高准确度扭矩标准机。中国目前有5kN·m、1kN·m、50N·m三台扭矩基准机,均采用刀子—刀承支撑结构,其不确定度为0.01%(k=3),保存在中国计量科学研究院。采用空气轴承作为力臂杠杆的支撑部件可以减小支撑部分的摩擦力,减少杠杆轴向旋转之外的其他运动,减小了摩擦扭矩带来的不确定度,提高了扭矩机的灵敏度。德国、英国研制出的采用空气轴承支撑结构和挠性联轴器的扭矩机,其不确定度可以达到2×10-5(k=2)。为提高我国扭矩机的技术水平,2005年中国计量科学研究院申请了科技部科技平台项目:建立100N·m高准确度扭矩标准机(以下简称100N·m扭矩机)。本文介绍了该机的设计原理、机械结构和工作流程。

　　1　100N·m扭矩机的技术方案

　　100N·m扭矩机采用静重式结构,根据砝码所产生的重力和空气对砝码的浮力的合力与杠杆臂长的矢积来复现扭矩值。扭矩机产生的扭矩值按式(1)计算:

　　式中:M为扭矩值(N·m);m为砝码质量(kg);g为安装地点的重力加速度(m/);ρa为空气密度(kg/m3);ρw为砝码材料密度(kg/m3);L为力臂长度(m);α为力臂与铅垂线的夹角(rad)。

　　该机由力臂杠杆和两套砝码组成。杠杆支撑部分采用空气轴承支撑系统,以减小支撑部分带来的摩擦;杠杆平衡状态由位移传感器进行测量并通过伺服控制系统进行控制调整,以保证系统加载后保持初始平衡状态;扭矩机的主动轴和从动轴上装配挠性联轴器,扭矩机与传感器的联结器采用轴锁紧装置,以解决由于联结件加工安装和传感器自重等因素带来的传感器与扭矩机不同轴而产生的寄生分量的问题。

　　2　100N·m扭矩机的机械结构

　　图1为100N·m扭矩机的机械结构图。

　　2.1　力臂杠杆系统

　　力臂杠杆的支撑结构是100N·m扭矩机设计中的关键技术之一。该机采用了静压空气轴承(包括空压机、恒压器和过滤器)支撑技术。静压空气轴承利用静压气体轴承的润滑机理,由外部对轴承提供加压气体,经节流器喷射到轴承表面,气流在轴承表面形成一层很薄的压力气膜,使气轴浮在轴套中。空气轴承包括一个转子和一个定子。在允许的稳定的压力和负荷下,转子和定子完全不接触,当外部的冲击力作用在转子一端时,转子向定子的另一端偏移,转子与定子间的压力气膜开始起作用,空气压力的大小取决于压力气膜间隙的大小,冲击力作用端间隙增大,压力减小,另一端间隙减小,压力增大,两端的压差使转子的偏心量减小并保持在定子的中间。在100N·m扭矩机中采用了德国CEH公司的LLH150/80型空气轴承,该轴承的摩擦扭矩小于20μN·m,可以承受600N轴向力、900N径向力和250N·m弯矩。