电动、气动扭矩拧紧机校准过程测量不确定度评定

黄湘奇 余红琳

摘 要：螺栓或螺母的拧紧应用于机械行业的装配是普遍现象，一台机器有成百上千个零件采用螺栓紧固的方法装配，在大批量生产中又由多人在不同的工位里完成的。且每天又要装配几百或上千台机器，并且还要拧紧到产品图纸规定的拧紧力矩的数值。为了提高生产效率、保证螺栓的拧紧力矩，就要选用准确的扭矩拧紧机。如何确保扭矩拧紧机的扭力值，就需要对拧紧机进行校准，而校准过程中容易受校准条件和测量误差的影响。所以，如何有效的控制随机误差和未定的系统误差，也就成为了机械行业十分关注的课题。

关键词：扭矩拧紧机;校准条件;校准过程;测量不确定度

不确定度就是表征被测量的真值所处的量值范围的评定。它是对测量结果受测量误差影响不确定程度的科学描述。具体地说，不确定度定量地表示了随机误差和未定系统误差的综合分布范围，它可以近似地理解为一定置信概率下的误差限值。因此以下将以阿特拉斯公司生产的扭矩拧紧机来讲述电动、气动扭矩拧紧机校准过程中的测量不确定度的评定。

1 概述

1.1 测量方法：依据JJF 1610-2017 电动、气动扭矩扳子校准规范

1.2 环境条件：温度（20±10）℃，每小时变化不应大于0.5℃，相对湿度不大于85%，无影响正常工作的振动冲击，无强烈电磁干扰。

1.3 测量标准器：标准的扭矩传感器，（0—20）N·m的传感器的扩展不确定度为 Urel=0.30% （k=2）;（18—180）N·m的传感器的扩展不确定度为Urel=0.30%（k=2）;（140—1400 ）N·m的传感器的扩展不确定度为 Urel=0.76%（k=2）。

1.4 被测对象：采用最大允许误差±2.5%，测量范围为在（ 0—20）N·m的扭矩拧紧机;最大允许误差±2.5%，测量范围为在（ 18—180）N·m的扭矩拧紧机;最大允许误差±2.5%，测量范围为在（ 140—1400）N·m的扭矩拧紧机。

1.5 测量过程：将扭矩传感器与扭矩拧紧机按照正确的方式连接，使其准确的处于同轴连接状态，开机预热拧紧机，选定加载方向（通常是顺时针方向），顶载满量程三次，选取在测量范围内的三个测量点，每个测量点分别重复测量十次，计算每个测量点的平均值，其与标准扭矩值的差值为示值误差。

1.6 评定结果的使用：在符合上述条件下的测量结果，一般可直接使用本不确定度的评定结果。

2 数学模型

Δ=X - X0

式中： △～被检扭矩拧紧机的示值误差;

X～被检扭矩拧紧机的平均值;

X0～被检扭矩拧紧机的示值。

3 输入量的标准不确定度评定

3.1 标准扭矩传感器本身引起的不确定度分量u11;u21;u31 。

标准扭矩传感器的扩展不确定度一般在校准证书中可以得到，可以将给出的扩展不确定度除以包含因子k，就得出标准扭矩传感器的标准不确定度。假如证书中没有给出扩展不确定度，则可约定对每个测量点的扩展不确定度 U，当k=3时，小于或等于规程中规定的最大允许误差的1/3。

根据B类不确定度评定方法，可查校准证书得知标准扭矩传感器本身引起的不确定度：标准的扭矩传感器，（ 0—20）N·m的传感器的扩展不确定度为 U =0.30%（k=2） ，则u11=0.15%;（18—180）N·m的传感器的扩展不确定度为U =0.30%（k=2），则u21=0.15%;（140—1400 ）N·m的传感器的扩展不确定度为 U =0.76%（k=2），则u31=0.38%。

3.2 测量重复性引入的A类标准不确定度分量u12;u22;u32 。

①选取示值18 N·m 为校准点，用（ 0—20）N·m 的标准扭矩传感器进行连续10次测量，得到测量数据为：18.56、18.54、18.62、18.40、18.71、18.63、18.57、18.77、18.53、18.89平均值为18.6。

采用贝塞尔公式计算  S= false=0.14 N·m

则由重复性引入的标准不确定度分量为：

u22=S/X·31/2=0.434%

②选取示值115 N·m 为校准点，用（ 18—180）N·m 的标准扭矩传感器进行连续10次测量，得到测量数据为：115.4、116.5、116.8、116.2、117.4、116.4、115.9、116.0、117.7、116.8平均值为116.52。

采用贝塞尔公式计算，则 S=0.71 N·m

则由重复性引入的标准不确定度分量为：u22=0.352%

③选取示值670 N·m 为校准点，用（140—1400）N·m 的标准扭矩传感器进行连续10次测量，得到测量数据为：669.8、667.4、669.2、670.8、672.9、670.2、670.4、669.9、669.7、669.8平均值为670.21。

采用贝塞尔公式计算，则 S=1.05 N·m

则由重复性引入的标准不确定度分量为：u32=0.090%

4 合成标准不确定度uc的评定

5 扩展不确定度Up的评定

k取2时，扩展不确定度为：

U1  =k×uc1=2×0.46%≈0.92%

U2 =k×uc2=2×0.38%≈0.76%

U3 =k×uc3=2×0.39%≈0.78%

6 测量结果不确定度报告

测量结果的扩展不确定度为：

U1=0.92% k=2;  U2=0.76% k=2;    U3=0.78% k=2

通过此次不确定度评定，测量设备和测量过程满足计量要求。

结束语

综上所述，本文基于通过研究电动、气动扭矩拧紧机校准过程中的测量不确定度的评定，描述其在拧紧机测量中的应用，可以用来解决拧紧机现场测量中的一些基本問题，有效的提高工业车辆的质量。日后加强研究并科学有效的进行扩展延伸，为企业带来更大的社会效益和经济利益。

参考文献：

[1]CNAS-CL01：2006《检测和校准实验室能力认可准则》

[2]GB/T 27418-2017 《测量不确定度评定和表示》

[3]JJF 1059.1-2012《测量不确定度评定与表示》