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1、1 引言1.1 计量的意义和作用 人类为了生存和发展，必须认识自然、利用自然和改造自然，而自然界的一切现象或物质，是通过一定的“量”来描述和体现的。也就是说：“量是现象、物体或物质可定性区别和定量确定的一种属性。”因此，要认识大千世界和造福人类，就必须对各种“量”进行分析确认，既要区分量的性质，又要确定其量值。计量正是达到这种目的的重要手段之一。 计量是关于测量的科学，是实现单位统一、量值准确可靠和与国际一致的科学和管理活动。实际上，人类在科学研究、经济活动和社会活动中，每时每刻都离不开计量。众所周知，尺子、秤、电表、秒表、煤气表都是用于计量的，计量已经渗透到了人类工作、学习、生活的各个方面，
2、人们在不知不觉当中，应用和享用了计量知识和技术。计量与国民经济建设和科学技术的各个领域息息相关，无论是人类的衣食住行、工农业生产、国防建设、科学研究，还是国内外贸易，处处都离不开计量。现代计量已经成为国民经济的重要技术基础。此外，大量的事实证明，物理学上的许多重要发展，都是在精密计量测试的基础上取得的。而许多国防尖端技术的突破，也和计量测试分不开。因此，从这个意义上说，可以将科学技术和计量的关系概括为一句话：“科技要发展，计量须先行”。 1.2 计量的对象及发展 在相当长的时间里，计量的对象主要是物理量，随着科技进步和社会发展，逐渐扩展到工程量、化学量、生理量，甚至心理量。目前的计量，早已不再
3、停留在以往度量衡的基础上，而是形成了一门独立的学科计量学，涉及长度、温度、力学、电磁学、无线电、时间频率、光学、电离辐射、声学和化学等各种专业，即所谓的十大计量。 1.3 计量法的实施 为了在全国范围内统一计量制度，1959年6月25日国务院发布“关于统一计量制度的命令”，确定以当时的公制即后来的国际单位制，为国家基本计量制度。1985年9月6日全国人大常委会通过“中华人民共和国计量法”，与此同时，在1985年我国还加入了国际法制计量组织（OIML），这标志着中国的计量工作纳入了法制管理的轨道，计量法律、法规体系已基本完备，并已经与国际法制计量接轨。 1.4 法制计量 计量的内容和含义十分广泛
4、，而法制计量是计量中一个重要的概念，对于工农业生产、国防科技和人民生活都是必不可少且至关重要的。计量院作为国家法定计量技术机构，在计量法实施20年的时间里，建立并不断改进计量基标准；加强国际合作与交流，增强国际地位；开展强制检定，保障人民生命安全；受国家质检总局委托，承担计量标准考核和计量器具型式批准试验任务。 1.5 国内外现状力学处测力室是计量院建立最早的实验室之一。该实验室研制并保存的20MN基准测力机是目前国内最大的超重型精密力值计量装置。它首次把静压润滑技术应用于单缸结构的工作缸塞系统中,制造技术难度大,全部零件实现国产化。1990年通过原国家技术监督局鉴定,达到国际先进水平。199
5、2年被批准为大力值国家基准,1996年获得国家科技进步一等奖。它的应用为大型工程项目科研与技术开发提供了精密的测试手段，提高了对工程结构和高层建筑安全受力状态的检测水平,也为航空航天技术总体精度的提高创造了必要条件。20MN基准测力机的力值准确度优于1104 ,力值变动度优于1104 ,灵敏限优于2105 。 1990年10月,计量院与日本NRLM进行大力值比对。中日两台20MN基准机力值比对的结果一致性约在1104，我国的20MN基准机力值波动度处于105 量级,优于日本20MN机一个数量级,充分显示了静压润滑工作缸塞系统的优良性能和先进水平。 德国物理技术研究院(PTB) 的16.5MN
6、液压式测力机采用了十分复杂的四缸并联动压润滑方案, 对制造水平、加工工艺要求较高, 而且成本也十分昂贵, 日本国家计量研究所(NRLM )的20MN 液压式测力机采用传统的单缸动压润滑结构, 投资是我国20MN 测力机的八倍。2 液压测力装置提出和意义在工业生产中，测量两个物体之间夹紧力的大小是实际生产中经常要遇到的问题。一般常规的测量方法比较多，譬如利用弹簧、应变片的方法等，但在某些场合下使用常规的测量方法往往有很多不便，如要测量制动器抱闸的夹紧力，要测量圆柱形电极接电连接头之间夹紧力等。而液压式测量装置可以很好的解决上述问题。总体上，测力计量在工业生产、建筑、国防等领域中具有非常重要的作用
7、。各种类型的测力装置可以产生准确的力值, 作为一个国家力值的基(标) 准, 在国家整个力值传递(溯源) 系统中占有十分重要的地位。与其他类型测力装置相比, 液压式测力装置可以测量很大的力, 适用于大力值计量领域。3 液压测力装置的原理液压式测力装置是以帕斯卡原理为基础设计制造的。帕斯卡定律指出, 密闭容器内的液体向各个方向施加相等的压力, 根据这一原理, 作用于封闭液体的外力, 以相等的压力向限制液体的容器或管道的表面传递。因而, 在液压式测力机的液压系统中, 作用于小面积的测力活塞上的标准砝码的重力W , 会在大面积的工作活塞上产生一个大的标准力值F, 作用到待检的测力计或测力传感器上, 如
8、图1 所示。油液在油缸、活塞间隙中的泄漏由泵站提供的压力为P 的高压油补给, 从而使系统接近于液压平衡。设计、制造液压式测力机的技术关键在于油缸和活塞之间不能存在任何的机械摩擦, 而只能有液体摩擦。同时, 为了尽量减小缸塞间的漏油量, 以保证全机处于液压平衡状态, 要求缸塞间的配合间隙极小(单边间隙一般不得超过几十微米)。无论采用何种方案解决这一关键问题, 不仅要以严谨、可靠的理论为基础, 还要考虑加工工艺、制造成本等诸多实际因素。传统的解决方法是采用“动压润滑”的方法, 即油缸围绕活塞旋转, 从而在缸塞间建立液体摩擦。这一方法对有效面积较小的测力缸塞系统而言, 不难实现, 但对于有效面积较大
9、的工作缸塞系统来说, 却存在以下两点问题。一是由于油缸旋转, 使缸塞相对位置不断变化, 因而漏油量也不断变化, 整个液压系统内部的压力很难保持稳定, 结果造成测力机的波动度较大; 二是制造工艺复杂,成本较高。本文介绍一种液压式测力装置，用它既可以测量圆形二物体之间的夹紧力，通过改变前后顶头的形状，又可用来测量非圆柱形物体之间的夹紧力，而且通过装置上的压力表可直接读出被测量物体之间夹紧力的大小。装置结构简单，制造容易，使用方便。4 总体设计4.1油缸的选用与校核内径大小和内桶的长度的确定是液压式测力装置测量范围的重要参数，壁厚的确定是液压测力装置稳定性和安全性的重要参数之一。在静止液体中，任意一
10、点所受到各方向的压力都相等。静止液体中某一微小面积么上受法向作用力队其压力可用下式表示，静止液体和固体壁面相接触时，固体壁面上各点在莱一方向上所受静压作用力的总和。便是液体在该方向上作用于固体壁面上的力。 固体壁面为一平面时，如不计重力作用(即忽略项)，平面上各点处的静压力大小相等，作用在固体壁面上的力等于静压力与承压面积的乘积，即FpA，其作用方向垂直于壁面。 当固体壁面为一曲面时，情况就不同了：曲面上液压作用力在某一方向上的分力等于压力和曲面在该方向的垂直面内投影面积的乘积。图2 作用在曲面上的力缸筒壁厚的校核当缸简壁厚时，可按薄壁圆筒的计算公式校验其强度。即：式中 缸筒试验压力，比最大工
11、作压力大20一30； D缸筒内径； 6缸筒材料许用应力，；为材料抗拉强度，n为安全系数，一般取n35。图3 缸体当缸筒壁厚时，按厚壁圆筒公式校验，即：中低压液压缸的缸简壁厚常根据结构和工艺的需要来确定，其强度一般不是主要问题。本装置缸体材料用45钢，直径D为205mm，壁厚为22.5mm，属于厚壁圆筒，料抗拉强度为600MPa，带入公式校核合格。4.2 活塞的选用与校核 活塞外表面的粗糙度和精度是决定改液压测力装置精度和灵敏度的重要条件，它的密封首先用活塞圈，再用两个O型密封圈，经检验，密封合格。 图3 活塞 用45钢成型后，先淬火，然后渗碳，注意须放置时，要垂直放置，或悬挂。4.3 压力表的
12、选用一般选择压力表的常用工作点在其全量程的23左右时最为理想。因此P =Ps(23)=16(23)=24MPa式中 Ps 油缸的常用工作压力20MPaPp 所选压力表的量程根据工厂的实际情况所以决定选用30MPa的压力表。4.4密封圈的选用由于该液压测力装置是测量比较大的里，要求密封圈既能承受足够大的压强，又要尽量减少泄漏。4.4.1液压缸的密封液压缸是依靠密封的工作容积变化来传递动力和运动的。因此要求两个有相对运动的零件之间形成的空间应是密封的。不使油液从进油腔泄漏至回油腔，更不允许泄漏到缸体外面，若密封不良不仅使液压缸的性能和效率降低，甚致失去工作能力，因此，对液压缸的密封提出以下要求：（
13、1）在额定工作压力下，保证良好的密封，使其减少泄漏。（2）相对运动的零部件间，密封装置引起的摩擦力要小，不允许有卡死或爬行现象。（3）密封元件的加工工艺和装配简单。即制造容易，成本低，适于组织集中生产和标准化生产。（4）耐磨性好，工作寿命长，磨损后在一定程度上能自动补偿。本装置选用的是O型密封圈，通常安装在矩形的沟槽中，用于固定件或往复运动件间的密封。具有以下一些特点：（1） 密封性较好，寿命较长；（2） 用一个密封圈可起到双向密封的作用；（3） 懂摩擦阻力小；（4） 对油液的种类，温度和压力适应性较强；（5） 体积小，重量轻，成本小；（6） 结构简单，拆卸简单；（7） 既可做动密封，又可做静
14、密封；（8） 可在较大温度范围内工作。4.5 排气阀的选用如果没有排气阀的设置，压力油进入缸腔后，缸内仍会有客气，由于空气具有压缩性和滞后性，影响测力装置的准确性。为了避免这种现象的发生，出来阻止空气进入外，必须在缸体上安设排气阀。排气阀的位置要合理，一遍安装后调试前排除缸体内部的空气。由于空气比油轻，总是向上浮动，不会让空气有积存的残留死角。4.6 顶头的设计由于该液压测力装置在各种不同的环境条件下使用，有着不同的测量条件需要满足，所以塞给出两个成套的顶头，以便在不同的环境中，可以很好的和被测量物体贴合紧切，可以是测量更加准确。如下图。图4 顶头1 顶头24.7 液压油的和选用液压油的性能直
15、接关系到改液压测力机的准确性和精度，本文对此做了较为细致的讨论分析。4.7.1 液压油的主要物理性质4.7.1.1 密度密度定义为单位体积的质量，即 式中 m液体的质量， V液体的体积。4.7.1.2 压缩性和膨胀性 油液的密度是随着温度、压力的变化而变化的，即密度是温度和压力的函数其数学表达式为： 液体的密度随压力和温度的变化量很小，因此常取台劳级数一阶展开式来近似表达，即 式中，即是液体在压力为，温度为时的密度。是液体在压力为p、温度为t时的密度。 令 上式为线性化了的状态方程。式中k为液体的压缩率，为液体的热膨服率。当压力增加时，密度增加；温度增加时密度减小。根据密度定义，将m对微分，因既 在时，的表达式可改写为V液体的体积液体的初始体积。压缩率k的物理意义是：当液体的压力增加单位增量时，体积的相对变化率。压缩率的倒数称为液体的体积弹性模量K，即纯
