Крутящий момент силы - физическая величина, характеризующая огромное многообразие процессов и определяющая режимы работы машин и механизмов, применяемых в промышленности, транспорте, сельском хозяйстве… Трудно назвать область технической деятельности, где мы могли бы обойтись без измерений крутящего момента!
Измерения крутящего момента силы используется при оценке:
Технология измерения крутящего момента силы применяется при контроле режимов работы промышленного и технологического оборудования (например, буровые установки, прокатные станы), а также всех видов транспорта.
Датчики крутящего момента силы становятся основой современных испытательных стендов, применяемых при разработке двигателей, узлов трансмиссии, тормозов и пр. В частности, используемые в этих целях датчики крутящего момента силы фланцевого исполнения, отличающиеся точностью, надежностью и компактностью исполнения, помогают сокращать время на разработку, несмотря на возрастающую сложность объектов тестирования. Измерительные приборы дополняются измерительными усилителями с системой сбора информации и программным обеспечением. Для этих целей применяется высокоточные датчики как малого момента – от 0.01 Нм, так и датчики большого момента – до 1000 кНм.
Проблемность измерений крутящего момента силы обусловлена рядом факторов.
Начнем с бурного роста этих средств измерений. Сегодня парк рабочих средств измерений крутящего момента силы оценивается более чем в миллион единиц! И число средств измерений крутящего момента силы, вносимых в Государственный реестр средств измерений РФ, постоянно растет.
Стремительное увеличение парка СИ измерений крутящего момента силы сопровождается изменением структуры, расширением номенклатуры, значительным расширением диапазона и повышением точности измерений. Несмотря на то, что основную массу СИ, внесенных в реестр, составляют моментные (динамометрические) ключи, все больше появляется средств измерений крутящего момента более высокой точности, в широком диапазоне моментов, которые могут использоваться как высокоточные рабочие СИ, так и в качестве средств поверки рабочих средств измерений (например, моментных ключей и отверток).
Одновременно с происходящими количественными и качественными изменениями парка рабочих средств измерений крутящего момента постепенно нарастал разрыв между необходимым и фактическим уровнями метрологического обеспечения, в значительной мере обусловленный устареванием поверочной базы.
Понимание, что недостаточный уровень измерительных возможностей в этом важнейшем виде измерений грозит стать барьером, препятствующим инновационным подходам, поставило перед метрологическими институтами и центрами метрологии и стандартизации задачу модернизации и совершенствования эталонной базы средств измерений крутящего момента силы.
В 2010 г. Ростехрегулированием утвержден государственный эталон единицы крутящего момента силы, разработанный на базе ГЭТ 149 – 85 (УНИИМ, г. Екатеринбург). Эталон единицы крутящего момента состоит из трех эталонных установок и имеет диапазон воспроизведения единицы крутящего момента силы от 1.0 до 250 Нм; от 20.0 до 2500Нм и от 200 до 20 000Нм. Стандартная неопределенность по типу А не превышает 0.8 ٠ 10-4 в диапазоне от 1.0 до 2500Нм и 1.5٠ 10-4 в диапазоне от 2500 нм до 20000нм, по типу В не превышает 1.0 ٠ 10-4 в диапазоне от 1.0 до 2500Нм и 2.0٠ 10-4 в диапазоне от 2500 нм до 20000нм.
Модернизированный государственный эталон представляет собой комплекс из трех установок. Каждая эталонная установка состоит из рычага определенной длины с опорной и грузоприемными призмами, набора грузов и привода с осью вращения, проходящей через точку опоры рычага для создания момента силы. Поверяемое СИ одним концом закрепляется на рычаге, другим, на механизме закручивания.
Параллельно с модернизацией государственного эталона единицы крутящего момента силы в августе 2009 года в ФГУ «Ростест-Москва» для поверки, калибровки и испытаний датчиков крутящего момента силы введена в строй образцовая установка (заводской №015/2009), производства “DrehmomentService Dr. Peschel”(Германия), имеющая диапазон измерений от 20 до 20000 Нм.
В основе работы образцовой установки для воспроизведения крутящего момента силы ТСМ лежит метод сравнения измерений эталонного датчика крутящего момента силы, являющегося частью установки и поверяемого (калибруемого) датчика крутящего момента силы.
Вместо абсолютной калибровки с системами рычаг-масса, имеющей место в государственном эталоне, выбран метод сравнения, использующий образцовый преобразователь. Отнимающая много времени калибровка (поверка) по дискретным точкам (пошаговая калибровка) заменена калибровкой методом сравнения, допускающей повторное определение характеристик измерительного прибора практически на любом числе измерительных точек. Так как время, требуемое для одной серии измерений, очень коротко, измерения можно быстро повторять в различных установочных положениях. При этом может быть получено достаточное количество измеренных характеристик. Возможна калибровка (поверка) первичных преобразователей с правосторонним, левосторонним и с переменным крутящим моментом.
В процессе поверки (калибровки) ТСМ реализует два метода выполнения измерений – шаговый (дискретный) и непрерывный. Выбор процесса зависит от целей выполняемых работ и требований к точностным параметрам, предъявляемых заказчиком к представляемым результатам поверки (калибровки).
Конструктивно установка представляет собой пространственную конструкцию, базирующуюся на трех вертикальных стойках. Поперечные металлические площадки, имеющие форму равностороннего треугольника, придают установке необходимую жесткость. Эталонный датчик устанавливается в предназначенное для него пространство, расположенное в измерительной оси ТСМ. Оно располагается между двумя штатными переходниками фланцевого типа. Эти переходники, присоединены к эталонному датчику, с определенным крутящим моментом и должны находиться на нем постоянно. С помощью подъёмника, расположенного на верхней траверсе ТСМ, её измерительная ось расстыковывается для установки эталонного датчика в его рабочее положение.
Установка имеет высоту 3200 мм, в поперечном сечении она представляет собой равносторонний треугольник с основанием 1100 мм х 1100 мм.
Масса установки составляет 2300 кг. Жесткость установки 3º / 20000Нм.
В качестве эталонных преобразователей в установке используются датчики (набор из трех датчиков) крутящего момента силы типа TB2, производства фирмы НВМ (“Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH”), Германия.
a) TB2 / 10 kN·m для использования в диапазоне от 500 Н·м до 20 кН·м.
b) TB2 / 2 kN·m для использования в диапазоне от 100 Н·м до 3 кН·м.
c) TB2 / 200 N·m для использования в диапазоне от 20 Н·м до 400 Н·м.
Отбор датчиков для установки производился селективным методом - путем отбора образцов, имеющих наилучшие точностные характеристики.
Исследования с целью определения метрологических характеристик установки проводились в два этапа:
Для этого использовались дополнительные два транспортируемых эталона сравнения крутящего момента – датчики типа ТТ1 производства (Lahti Precision,Финляндия), которые были откалиброваны в РТВ на Национальных первичных эталонах крутящего момента Германии и привезены в Москву для выполнения сравнительных измерений.
После монтажа и предварительной калибровки собранной установки ученым хранителем эталона крутящего момента силы Германии( РТВ) доктором Дирком Реске были проведены измерения с целью исследований возможностей проведения калибровки и измерений, введенной в эксплуатацию установки.
Исследования были выполнены в период с 22 по 27 августа 2009 года.
Полученные результаты этих измерений показали очень хорошую стабильность и воспроизводимость полученных и накопленных значений крутящего момента силы.
Выбирая известную чувствительность датчиков, как эталонное значение, можно графически отображать относительное отклонение и сравнивать его с данными соответствующего сертификата калибровки, полученными на эталонном оборудовании, воспроизводящем крутящий момент при помощи статической нагрузки.
Результаты исследований показывают, что образцовая установка для калибровки и поверки высокоточных первичных преобразователей крутящего момента силы производства фирмы Drehmomentservice, Германия способно воспроизводить крутящие моменты в диапазоне от 20 N-m до 20kN-m и удовлетворяет требованиям расширенной неопределенности 0,04% ( к=2).
Характеристики подтверждены:
Государственный эталон, хранимый на Урале, и образцовая установка для воспроизведения крутящего момента силы, находящаяся в центральной части России в ФГУ Ростест-Москва, создают метрологическую базу, необходимую для обеспечения точности, достоверности и сопоставимости измерений крутящего момента.
