一种液压联动包带预紧力施加装置的校准方法

史路阳，赵兴亮，黄爱辉，刘志超，陈 林，李梦聪

（阿米检测技术有限公司，天津300308）

预紧力组合结构广泛应用于现代大型工程中，预紧力的确定是关键问题。因此，需要对预紧力施加装置进行定期校准，以确定数据的准确可靠，但在国内，液压联动包带预紧力施加装置没有相应校准规范/检定规程。因其与液压千斤顶工作原理一致，以油液作为工作介质，通过密封容积的变化来传递运动，通过油液内部的压力来传递动力，因此，本文参照液压千斤顶的校准方法（《JJG 621—2012液压千斤顶检定规程》），对液压联动包带预紧力施加装置的校准技术开展研究。

1 液压联动包带预紧力施加装置组成

液压联动包带预紧力施加装置由液压手泵、耐震液压表、油路流量分配器、高压油管、加载单元组成，如图1所示。液压手动泵对加载单元供油，加载单元对包带施加预紧力，监控液压手动泵上液压表，通过液压联动包带预紧力施加装置压力载荷换算表，得到压力对应的预紧力的值。

图1 液压联动包带预紧力施加装置组成Fig.1 Composition of preload applying device for hydraulic linkage bale

2 液压联动包带预紧力施加装置的校准方法研究

2.1 以标准压力表示值为输入压力值

将液压联动包带预紧力施加装置的液压泵、高压管、加载单元按序连接，在液压泵和高压管连接处串接标准压力表，把加载单元与标准测力仪同轴放置于校准装置上，如图2所示，以标准压力表的示值为输入压力开展校准工作。

图2 以标准压力表的示值为输入压力值的校准方法Fig.2 Calibration method using standard pressure gauge as input pressure value

2.2 以液压表的示值为输入压力值

在液压表在有效期内且使用无异常的情况下，将液压联动包带预紧力施加装置的液压手动泵、高压管、加载单元按序连接，把加载单元与标准测力仪同轴放置于校准装置上，如图3所示，以液压表的示值为输入压力开展校准工作。

图3 以液压表的示值为输入压力值的校准方法Fig.3 Calibration method using the value of hydraulic gauge as the input pressure value

2.3 校准用计量标准器具及受力装置

计量标准器具：选用等级不低于0.5级且力值上限与加载单元额定力值相适应的标准测力仪，依据液压表的等级及量程选用最大允许误差绝对值不大于液压表最大允许误差绝对值1/4的标准压力表（《JJG 52—2013弹性元件式一般压力表、压力真空表和真空表检定规程》）。

受力装置：应用足够刚度、稳定的门式框架或张力杆，其结构在承受最大力值时无明显变形。加载单元主轴线与标准测力仪应重合，即同轴放置于校准装置上。

安装完毕后，依据液压联动包带预紧力施加装置出厂使用说明书中方法及压力载荷换算表，使用液压手动泵加压至5 kN，并保压5 min检查是否有漏油；确认各部件连接紧固无漏油问题后，进行加压、泄压3次，使压力表读数处于稳定状态。

3 液压联动包带预紧力施加装置重复性校准实验

3.1 实验目的

因液压联动包带预紧力施加装置与千斤顶原理一样，所以通过具体的实验数据，可验证校准液压联动包带预紧力施加装置。参考《JJG 621—2012液压千斤顶检定规程》中校准方法，检验计量性能指标是否科学、合理，以及是否具有可操作性。第2节介绍了两种校准方法，第1种方法和第2种方法分别以标准压力表的示值和液压表的示值作为输入压力值。使用标准压力表读取压力值比液压表更为准确，能得到更准确的校准结果，故本文采用2.1中介绍的校准方法。

3.2 重复性的校准实验

3.2.1 重复性的校准

将垫块、加载单元、标准测力仪同轴放置在校准装置（框架）中间[1-2]，如图4所示，并调整至工作状态。

图4 垫块、加载单元、标准测力仪同轴放置简图Fig.4 Schematic diagram of coaxial placement of pad，loading unit and standard dynamometer

使用手动泵加压，将压力表示值依次稳定在10、20、30和40 MPa，用标准测力仪依次测量每个压力点对应的输出力值，读数并记录数据。此过程进行不少于3次。按公式（1）计算重复性R

式中：Fimax、Fimin、为第i次测量时，对应校准3次重复测量测力仪上读数的最大值、最小值、平均值，kN.

3.2 .2实验数据

表1为以标准压力表示值为输入压力值时，液压联动包带预紧力施加装置输出力值重复性校准数据。

表1 重复性校准数据Tab.1 Repeatability calibration data

根据以上实验数据分析可知，该方法的测量结果的重复性不超过0.8%，且各个测量点重复性符合《JJG 621—2012液压千斤顶检定规程》对示值重复性指标要求，符合产品的技术指标要求，证明该校准方法有效可靠，可以用来开展液压联动包带预紧力施加装置的重复性校准工作。

3.3 测量不确定度评定

3.3.1 数学模型

液压联动包带预紧力装置的示值误差为标准测力仪在测量点的实际力值与液压联动包带预紧力装置对应的额定力值（见表2）之差。按公式（2）计算示值误差：

表2 各读数点的额定力值（参照使用说明书）Tab.2 Rated force values of each reading point（given in the operation manual）

3.3.2 输入量F 的标准不确定度u（F）的评定

此输入量的不确定度来源包含测量对象的示值波动、温度特性、标准测力仪的示值分辨力和压力表的分辨力等，综合体现在测量对象示值的测量重复性中。使用合并样本标准差作A类不确定度评定（参考《JJF 1059.1—2012测量不确定度评定与表示》）。各校准点的测量结果的实验标准差Sk按公式（3）计算，结果见表3。

表3 试验标准差Tab.3 Test standard deviation

在同等条件下，用同样的方法再测量2组，得到的单次测量结果的实验标准差如表4所示。

表4 3组单次测量结果的实验标准差Tab.4 Experimental standard deviations of the three groups of single measurement results

合并标准样本差为

以每一测量读数点的3次测量值的算术平均值作为测量结果，则测量重复性产生的标准不确定度为

由此得到各点测量重复性产生的标准不确定度，如表5所示。

表5 测量重复性产生的标准不确定度Tab.5 Standard uncertainty generated by measurement repeatability

3.3.3 输入量F的标准不确定度u（F）的评定

此输入量的不确定度来源于标准测力仪，主要不确定度来源是所用标准测力仪自身名义值与约定真值的误差，根据标准测力仪校准证书给出的最大允许误差来评定。可依据公式（6）评定，按线性分布规律计算在测量点的此分项标准不确定度，此为均匀分布，用B类方法进行评定，依次求得各测量点对应的输入量标准不确定度，如表（6）所示。

式中：W为标准测力仪的示值误差限；F为液压联动包带预紧力装置对应的额定力值（kN）；

3.3.4 输入量Fs的标准不确定度u（Fs）的评定

此输入量的不确定度来源为压力表自身误差所造成的对应读取标准测力仪力值的误差，根据压力表级别判断其最大允许误差。可依据公式（7）评定，按线性分布规律计算在测量点的此分项引入的标准不确定度，为均匀分布，用B类方法进行评定，依次求得各测量点对应的输入量标准不确定度，如表（6）所示。

式中：W为压力表的示值误差限；Fs为压力表各读数点的理论输出力值（MPa）；

表6 各测量点对应的输入量标准不确定度Tab.6 Standard uncertainty of input quantity corresponding to each measurement point

3.3.5 合成不确定度的评定

上述各分量彼此不相关，按公式（8）计算各测量点的合成标准不确定度，结果如表7所示。

表7 各测量点的合成标准不确定度Tab.7 Synthetic standard uncertainty of each measurement point

3.3.6 扩展不确定度的评定

取置信概率P=95%，包含因子k=2，则该装置的扩展不确定度U95和相对扩展不确定度U95rel分别按下述公式（9）和（10）计算，求得的扩展不确定度和相对扩展不确定度，如表8所示。

表8 扩展不确定度U95和相对扩展不确定度U95relTab.8 Extended uncertainty U95 and relative extended uncertainty U95rel

从上述测量不确定度的评定[3]可知：该实验的测量结果的不确定度不超过0.4%，符合产品的技术指标要求，证明该方法有效可靠，可以用来校准液压联动包带预紧力施加装置。

4 结论

实验证明，上述液压联动包带预紧力施加装置校准方法可靠，达到了产品技术指标要求。液压联动包带预紧力施加装置量值的准确溯源，可为工业生产提供可靠的计量技术保障，在实际工作中具有很重要的指导意义。