一种扭矩扳手测量结果不确定度评定方法

摘要

本发明公开了一种扭矩扳手测量结果不确定度评定方法，首先将待测扭矩扳手放入测量系统中测得扭矩扳手的实测值，统计影响测量结果的各项不确定度分量：示值重复性引入的标准不确定度分量

说明书

技术领域

本发明涉及计量测试与统计领域，具体是指扭矩扳手测量结果不确定度批评定中的扭矩加载装置标准不确定度的量化分析的方法。

背景技术

扭矩扳手是工业生产中机械设备装配与维修的计量器具，具有准确度的要求，在不同应用场合的工业生产中，根据准确度等级和生产技术要求来选择扭矩扳手，测量与控制拧紧螺栓的扭矩值。高精度的如1级扭矩扳手常常用来复检拧紧螺栓的扭矩值。扭矩扳手必须使用标准仪器设备来定期计量检定，该标准仪器设备即为扭矩扳手标准检定装置（或称扭矩扳手标准检定仪）。

根据计量学与统计学的要求，每一个计量检定结果都要评定其不确定度，企业或计量机构建立新的扭矩扳手标准检定仪、中国合格评定国家认可委员会对国家级计量检定机构的扭矩扳手标准检定仪的年度评审、上级计量机构对下级计量机构的扭矩扳手标准检定仪的年度评审，都要进行对该标准检定仪的不确定度的评定，确认该标准设备的测量能力。

不确定度的评定实际上是一个对各个影响测量结果的要素进行量化分析处理的过程。我国的质量认证体系沿袭了国际质量认证体系，扭矩扳手标准检定装置测量能力的认可评审与扭矩扳手的计量管理办法都通过积极学习和仿照国际标准、欧盟标准以及德国标准来编制而成。

扭矩扳手标准检定装置主要由扭矩测量仪、扭矩传感器、扭矩加载装置组成。现在计量机构实验室中的扭矩扳手检定装置都配置扭矩加载装置。对扭矩扳手标准检定装置的不确定度评定或扭矩扳手测量结果的不确定度评定应该从扭矩测量仪、扭矩传感器、扭矩加载装置进行全面的评定，对所有影响测量结果的不确定度分量进行量化分析处理。但是，无论从数据库中搜索到的已发表的国内外相关研究论文来看，还是中国合格评定国家认可委员会和中国计量科学研究院以及各省计量科学研究院对下级计量机构设备的认可评审工作，或国防系统一级和二级计量站对下级计量机构的设备的认可评审工作来看，对扭矩扳手标准检定仪不确定度的评定或扭矩扳手测量结果不确定度的评定都不计及扭矩加载装置引入的不确定度分量。有些人已经考虑到扭矩加载装置对不确定度有影响，之所以都不计及扭矩加载装置引入的标准不确定度分量，或只模糊地或笼统地估算扭矩加载装置个别因素，如同轴度引入的标准不确定度分量，或重复使用贝塞尔公式对重复性实验数据进行计算来评定扭矩加载装置对不确定度的贡献，是因为人们对其缺乏深入研究，感到无法量化分析其引入的一些重要的不确定度分量，如弯矩引入的不确定度分量，扭矩加载装置变形与扭矩扳手变形引入的不确定度分量，不得不将其忽略或回避。我国相关检定规程JJG797-1992、JJG707-2003、JJG995-2005以及相关的国际标准ISO 6789 Assembly tools for screws and nuts - Hand torque tools -Requirements and test methods for design conformance testing, quality conformance testing and recalibration procedure 2003、欧盟标准EURA MET/cg-14/v.01 Guidelines on the Calibration of Static Torque Measuring Devices 2007、德国标准DKD-R3-8 Static Calibration of Torque Wrench Calibration Devices 2003都没有对扭矩加载装置提出技术要求和引入的不确定度分量的要求，避开相应论述，这是全球质量管理的缺失。因此，目前对于扭矩扳手标准检定装置不确定度的评定，或扭矩扳手测量结果不确定度的评定，或扭矩扳手测量结果示值误差不确定度的评定，其各不确定度分量仅仅包括以下部分：

1. 示值重复性引入的标准不确定度分量                                                。

2. 仪器与传感器引入的标准不确定度分量，包括：仪器的分辨力引入的分量。准确度等级或最大允差引入的分量，零点漂移引入的分量，回零差引入的分量。

3. 扭矩扳手引入的不确定度分量，包括扭矩扳手的分辨力引入的分量和回零差引入的分量。

4. 估读扭矩扳手设定值的误差引入的不确定度分量。

5. 环境因素引入的不确定度分量。

 

以上共9个不确定度分量，尚缺少扭矩加载装置引入的各个不确定度分量，这些尚缺的分量都是不确定度的重要影响量。

现代电子工业技术发展迅猛，测量仪器与传感器的精度越来越高，唯有机械结构的扭矩加载装置没有变化，不仅制造精度没有要求提高，甚至出现简陋化，成了测量系统最大的测量误差来源，是扭矩扳手检定结果不确定度的最大影响因素。不计及扭矩加载装置引入的各个不确定度分量，扭矩扳手标准检定装置（扭矩扳手标准检定仪）不确定度的评定或扭矩扳手检定结果不确定度的评定结果必然偏小。

扭矩扳手标准检定仪的不确定度评定和扭矩扳手测量结果不确定度的评定对扭矩扳手标准检定仪和扭矩扳手的设计与生产过程的质量控制有重要影响。不确定度评定不准确影响到扭矩扳手的测量结果的准确性，以及用户与生产商对扭矩扳手检定仪提出的技术要求，导致出现以为高精度实际低精度，以为高质量实际低质量，生产管理工作在无意中发生错误；不确定度评定不准确会影响到对扭矩扳手技术性能的正确判断，将不合格的扭矩扳手误判为合格产品，合格的扭矩扳手被误判为不合格产品，却以为判断正确的，发生计量管理工作的混乱；扭矩扳手是计量器具，不合格的计量器具会指示错误的拧紧扭矩值，同样发生生产管理工作的混乱，影响机械设备的制造质量和维修质量。许多机械设备发生爆炸等安全事故和质量事故因螺栓预紧力不正确引起，螺栓预紧力不正确则与扭矩扳手计量不准确有密切关系。

2007年8月20日，台湾中华航空公司一架波音737-800型飞机在日本那霸机场降落后发生强烈爆炸，经查事故原因是一颗螺栓松脱造成。事故发生后，中华航空公司紧急对公司所拥有的13架同型号波音737-800飞机进行特别检查，在应检查的翼前缝条组件的208颗螺栓竟有48%的螺栓预紧力不足，即螺栓的拧紧扭矩值不足。波音公司设定这些螺栓的拧紧扭矩值应在50~80blf.in，实际只有30~40blf.in，误差达到40~50%。究其原因为扭矩扳手计量不准确造成，扭矩扳手计量不准确可以追溯到计量检定准确与否，即扭矩扳手标准检定仪准确与否，扭矩扳手测量不确定度的评定准确与否。

2010年12月14日，深圳地铁一号线国贸站扶梯发生逆行事故，造成25人受伤；2011年7月5日，北京地铁4号线动物园站扶梯发生逆行事故，造成1死30伤。这两起事故的原因都是由于扶梯固定驱动电机的4颗螺栓松动，其中有一颗螺栓被拉断。这是典型的拧紧螺栓的扭矩值计量不准确造成的事故。拧紧扭矩值不足，螺栓会松动；拧紧扭矩值过大，会造成螺栓过载而被拉断，其它螺栓随之松动。由于扭矩计量不准确发生的事故可发生在许多场合，常见的行驶中汽车轮胎飞脱的原因也是由于螺栓松动导致被拉断，造成重大事故。机械设备由螺栓联接而成，大的石油化工管道以及风力发电机的风叶的一个联接法兰就有上百颗螺栓，技术要求这一圈螺栓必须预紧力一致，达到预定值，这就要求拧紧螺栓的计量器具必须准确，否则管道会漏油漏气，风叶会破断。

    尽管世界各国尤其西方工业国家十分重视螺栓联接的质量，对扭矩扳手的设计屡有创新，扭矩扳手检定仪也在不断更新换代以提高测量准确度，减小测量结果不确定度，但扭矩扳手标准检定装置不确定度的评定，或扭矩扳手测量结果不确定度的评定，或扭矩扳手测量结果示值误差不确定度的评定的完整性与准确性一直没有得到突破，扭矩加载装置的不确定度分量未能计入使之不完整，所评定的不确定度失实。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种科学、完整、准确的扭矩扳手测量结果不确定度评定方法。

本发明所述的一种扭矩扳手测量结果不确定度评定方法，其特征在于包括以下步骤：

1）将待测扭矩扳手放入测量系统中，该测量系统包括扭矩测量仪、扭矩传感器、扭矩加载装置，

2）测得扭矩扳手的实测值，

3）统计影响测量结果的各项不确定度分量，具体为：

3.1）示值重复性引入的标准不确定度分量；

3.2）仪器与传感器引入的标准不确定度分量，

3.3）扭矩扳手引入的标准不确定度分量，

3.4）估读扭矩扳手设定值的误差引入的标准不确定度分量，

3.5）环境因素引入的标准不确定度分量，

3.6）扭矩加载装置引入的标准不确定度分量，

4）合成标准不确定度  

5）计算扩展不确定度               

    所述步骤3.6）中的扭矩加载装置引入的标准不确定度分为三种情况：

A）传感器为悬臂梁式支承的扭矩加载装置引入的标准不确定度

               （10）

式中，弯矩引入的标准不确定度分量，手柄摩擦力矩引入的标准不确定度分量，同轴度引入的标准不确定度分量；传感器弯矩灵敏度系数，传感器有效高度，摩擦系数，扭矩扳手手柄摩擦力臂长度，载荷扭矩，扭矩扳手有效力臂长度，同轴度，为包含因子；

若取，（10）式可写为：

                                       (11)；

或                                （12）

B) 传感器为末端有支承的扭矩加载装置引入的相对不确定度，此时传感器不受到弯矩作用

                （13）

若取，（13）式可写为：

                                    （14）；

或                               (15)

式中传感器末端有支承的摩擦力矩引入的标准不确定度分量，为包含因子；

C）传感器为末端有支承的扭矩加载装置引入的标准不确定度，此时传感器既受弯矩作用还受到摩擦力矩作用；

    （16）

若取，（16）式可写为：

                            （17）。

    或                          （18）

所述步骤3.2）中仪器与传感器引入的标准不确定度分量包括了仪器的分辨力引入的分量、准确度等级或最大允差引入的分量、零点漂移引入的分量、回零差引入的分量。

所述步骤3.3）中扭矩扳手引入的标准不确定度分量，包括扭矩扳手的分辨力引入的分量以及与回零差引入的分量。

所述步骤3.6）中扭矩加载装置引入的标准不确定度分量，包括弯矩引入的不确定度分量，传感器末端支承的摩擦力矩引入的不确定度，手柄摩擦力矩引入的不确定度分量，同轴度引入的不确定度分量，其中

        。

扭矩扳手标准检定装置由扭矩测量仪、扭矩传感器、扭矩加载装置三大部件组成。评定扭矩扳手标准检定装置的测量能力，须从这三大部件入手评定其不确定度分量。扭矩测量仪与传感器作为仪器类电子产品，其不确定度评定有成熟的统一的评定方法。扭矩加载装置是机械结构，影响量似乎难以确定，难以量化分析，国内外对扭矩加载装置引入不确定度不予评定或仅给予缺乏依据的模糊估计，使得扭矩扳手标准检定装置的不确定度评定、扭矩扳手测量结果不确定度的评定残缺不全，不正确。

本发明通过理论分析研究，建立评定扭矩加载装置标准不确定度的技术方案，使得原来对扭矩加载装置引起的不确定度不能进行量化变为可量化处理，即对扭矩加载装置各作用力引起的误差进行全面量化分析，为扭矩加载装置引入的不确定度分量的评定提供计算方法，从而解决扭矩扳手标准检定装置（扭矩扳手标准检定仪）的不确定度评定以及扭矩扳手测量结果不确定度评定的完整性与准确性问题，为扭矩扳手的设计制造和选用提供可靠依据，解决扭矩扳手检定结果不确定度评定不客观、不全面、不准确的世界难题，从而提高工业装备的制造技术水平和质量控制水平，减少和避免发生安全事故。

本发明的有益效果：

    根据本技术方案把扭矩加载装置量化分析处理以后，可以清晰地看到影响扭矩加载装置引入的不确定度分量的要素为扭矩扳手有效长度、传感器的有效高度、传感器末端支承的摩擦半径、扭矩扳手手柄摩擦半径、同轴度。扭矩加载装置相对标准不确定度的大小与扭矩的大小无关。扭矩扳手的手柄越长，不确定度越小；传感器越高，不确定度越大；同轴度越大，不确定度也越大。这为扭矩扳手标准检定设备生产商和扭矩扳手生产商提供了直观的设计依据，减小设计制造的盲目性，也为扭矩扳手标准检定仪与扭矩扳手的生产过程的质量控制提供有效的依据。

由于扭矩加载装置是测量系统最大的误差来源，评定扭矩扳手标准检定装置时不计入扭矩加载装置的不确定度分量，测量结果不确定度评定值缺失了一半以上。本发明纠正了这一错误，根据计量学与统计学以及力学理论提供了扭矩加载装置不确定度分量的量化与评定方法，公式（10）、（11）、（12）、（13）、（14）、（15）、（16）、（17）、（18）囊括了各种结构的扭矩加载装置标准不确定度的量化计算方法，使得扭矩扳手标准检定装置（扭矩扳手标准检定仪）不确定度的评定与扭矩扳手测量结果不确定度的评定具有完整性、全面性与正确性，让社会能够正确判定扭矩扳手标准检定装置的测量能力和测量扭矩扳手的准确程度，可以依据扭矩扳手标准检定装置的不确定度评定结果来选用扭矩扳手标准检定设备，依据扭矩扳手测量结果不确定度的评定结果来选用扭矩扳手，制定工业生产的技术要求，正确控制产品质量，减少和避免由于计量不准确造成的产品质量事故与安全事故，为企业创造经济效益和社会效益。

本发明对扭矩加载装置的量化分析结果所推导的不确定度公式，补充和完整了扭矩扳手测量结果不确定度的评定方法，为扭矩扳手测量结果不确定度评定建立了全面的函数关系。把这些公式编入数据采集软件或仪器内部数据处理软件后，一旦提供了公式所需的物理量，就会得到测量结果的同时得到测量结果的扩展不确定度，立刻知道本次测量的可信度，提高工作效率。

 

说明书附图

图1为扭矩扳手受力分析图，

图2 为扭矩传感器侧向受力分析图，

图3为传感器末端支承示意图，

图4是扭矩扳手标准检定装置（扭矩扳手标准检定仪）示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种扭矩扳手测量结果不确定度评定方法，其包括以下步骤：

1）将待测扭矩扳手3放入测量系统中，该测量系统包括扭矩测量仪1、扭矩传感器2、扭矩加载装置4（见图4），

2）测得扭矩扳手的实测值，

3）统计影响测量结果的各项不确定度分量，具体为：

（1）. 示值重复性引入的标准不确定度分量；

（2）. 仪器与传感器引入的标准不确定度分量，

（3）. 扭矩扳手引入的标准不确定度分量，

（4）. 估读扭矩扳手设定值的误差引入的标准不确定度分量，

（5）. 环境因素引入的标准不确定度分量，

（6）、扭矩加载装置引入的标准不确定度，

4）合成标准不确定度  

5）计算扩展不确定度               

其中步骤3）扭矩扳手测量结果不确定度评定方法可以完整地概括为：

1.      示值重复性引入的标准不确定度分量。

2.      仪器与传感器引入的标准不确定度分量。包括仪器的分辨力、准确度等级或最大允差、零点漂移、回零差引入的不确定度分量。

3.      扭矩扳手引入的标准不确定度分量。包括扭矩扳手的分辨力与回零差引入的不确定度分量。

4.      估读扭矩扳手设定值的误差引入的标准不确定度分量。

5.      温度变化、电磁变化、电压变化、振动等环境因素引入的标准不确定度分量。

6.      扭矩加载装置引入的标准不确定度分量，包括支承传感器的末端支承的摩擦力矩引入的不确定度分量、扭矩加载装置变形和扭矩扳手变形引起的扭矩扳手手柄与挡杆发生摩擦引入的标准不确定度分量、同轴度误差引入的标准不确定度分量、侧向力引起的弯矩引入的标准不确定度分量。

    其中，扭矩加载装置引入的标准不确定度分量是本发明的核心，以下结合附图对该分量进行详细分析。

图1 为扭矩扳手受力分析图，扭矩扳手的手柄受到正向作用力和摩擦力，传感器则受到侧向力、末端支承的摩擦力矩、手柄摩擦力矩和扭矩。当扭矩扳手的手柄受到作用力时（见图1），除了对传感器产生扭矩，扭矩扳手3与传感器的联接端还会出现大小相等方向相反的反作用力（）。这种作用于传感器并与传感器的轴线垂直的力称为侧向力或径向力，侧向力对传感器2的作用产生弯矩（见图2）。由于扭矩加载装置变形和扭矩扳手变形引起扭矩扳手的手柄与挡杆的摩擦产生摩擦力矩，使传感器受到产生误差的扭矩作用。扭矩扳手的方榫、转接件、传感器、驱动轴或联接座之间的配合会出现同轴度误差，在侧向力作用下产生同轴度扭矩。支承扭矩传感器主要有两种方式：悬臂梁式（图2）与传感器末端支承式（图3），其中 2-扭矩传感器，5-末端轴承支承，6-末端非轴承支承。悬臂梁式支承方式传感器受到弯矩作用，传感器末端支承方式的传感器不受到弯矩作用，但受到末端支承摩擦力矩的作用。这些作用力都是加载装置引入不确定度的变量：

这些作用力都是系统内力，与扭矩共生。只要找出这些的变量对测量误差的影响量，就可以通过统计学理论求出加载装置引入的标准不确定度分量或相对标准不确定度分量，即可完整正确地评定扭矩扳手标准检定装置的标准不确定度和扭矩扳手测量结果不确定度以及扭矩扳手测量结果示值误差的不确定度。

 

简而言之，扭矩加载装置引入的不确定度分量应包括传感器末端支承摩擦力矩、手柄摩擦力矩、同轴度扭矩、弯矩引入的不确定度分量，都归于传感器支承结构对不确定度的贡献、扭矩扳手手柄支承结构对不确定度的贡献、同轴度对不确定度的贡献三部分。

1)      传感器支承结构对不确定度的贡献

A) 传感器为悬臂梁式支承的弯矩引起的标准不确定度分量

悬臂梁式支承的传感器在承受扭矩的同时还要承受弯矩，该弯矩是误差引入量，由侧向力引起。传感器的有效高度越大，造成测量误差的弯矩越大（见图3），即测量误差越大，其关系式如下：

                                  （1）

                （2）

式中  ——传感器弯矩灵敏度系数 

      ——传感器有效高度

——传感器受到的扭矩载荷

      ——扭矩扳手力臂有效长度

置信区间半宽为弯矩引起的极限误差，则弯矩引起的相对不确定度分量：

                               （3）

式中 为对应于置信水准的包含因子。

从（3）式可以看到，传感器的高度（长度）越大，扭矩扳手的有效力臂越短，弯矩引入的不确定度分量越大。

 

B) 传感器末端有支承的摩擦力矩引入的标准不确定度分量

末端支承摩擦力矩引起的测量误差：

                       （4）

式中 ——摩擦系数

——轴承支承机构的摩擦力臂长度

置信区间半宽为末端支承的摩擦力矩引入的测量误差，末端支承的摩擦力矩引起的标准不确定度：

                                （5）

式中 为包含因子。

    如果支承部位处于传感器的外壳，而传感器的弹性体与外壳的间隙较大，互相不接触，则传感器不仅承受摩擦力矩还承受弯矩作用，须根据式（3）计及弯矩引入的不确定度分量。

2) 扭矩扳手手柄支承结构对不确定度的贡献

由于扭矩加载装置的变形、扭矩扳手的变形、同轴度误差，或者扭矩加载装置结构设计不合理都会引起扭矩扳手的手柄与挡杆发生摩擦，产生摩擦力矩，引起测量误差：

                   (6)

  式中 ——摩擦系数

       ——手柄摩擦力臂长度

置信区间半宽为手柄摩擦力矩引入的测量误差，手柄摩擦力矩引入的标准不确定度分量：

                            (7)

    式中 为包含因子。

3) 同轴度对不确定度的贡献

在固定传感器式扭矩加载装置中，扭矩扳手的方榫旋转中心、转接件与传感器中心不在同一条轴线上，出现同轴度误差。在旋转传感器式扭矩加载装置中，扭矩扳手的方榫旋转中心、转接件与传感器中心以及驱动轴不在同一条轴线上，也出现同轴度误差。在侧向力作用下产生同轴度扭矩即为同轴度引起的测量误差：

                        （8）

式中 ——同轴度

置信区间半宽为同轴度误差引起的极限测量误差，同轴度引入的标准不确定度分量：

                               (9)

    式中 为包含因子

分三种情况合成扭矩加载装置引入的相对标准不确定度：

A) 传感器为悬臂梁式支承的扭矩加载装置引入的标准不确定度（传感器受弯矩作用）

               （10）

若取，（10）式可写为：

                                       (11)

或                                  (12)

B) 传感器为末端有支承的扭矩加载装置引入的标准不确定度（支承部位在或不在传感器的外壳上，传感器不受到弯矩作用）

                （13）

若取，（13）式可写为：

                                      （14）

或                                （15）

C）传感器为末端有支承的扭矩加载装置引入的标准不确定度（支承部位在传感器的外壳上，弹性体与外壳不接触，传感器既受弯矩作用还受到摩擦力矩作用）

     （16）

若取，（16）式可写为：

                              （17）

或                    （18）

以下结合实例对本发明的效果做出说明。

例1．中国合格评定国家认可委员会对上海某研究所的扭矩扳手标准检定装置（扭矩扳手标准检定仪，进口产品，TTC2000型）进行年度评审，评审过程符合国际惯例和我国相关规程，不考虑扭矩加载装置引入的不确定度分量的评定结果为：

扩展不确定度     （，2710Nm）

该评定结果的有效期自2011年06月30日至2012年04月13日。考虑扭矩加载装置引入的不确定度分量后该扭矩扳手检定仪的不确定度评定结果为：

扩展不确定度    （，2710Nm）

前后两种评定方法的评定结果是4倍的关系。按照检定规程的要求，被测量的误差必须至少3倍于测量标准仪的扩展不确定度，的扩展不确定度的扭矩扳手标准检定仪只能检定4~10级扭矩扳手，但这台扭矩扳手标准检定仪被一直用来检1~3级扭矩扳手。计量学与统计学上的错误被长期以为正确。

 

例2. 两台扭矩扳手标准检定装置的测量数据比对，被测量为1级数显扭矩扳手。

 

表1.  测量原始数据，70N.m

注： A：扭矩扳手标准检定仪，ATL1000型，准确度0.3级，设备标准不确定度0.17%（70N.m）。

     B：扭矩扳手标准检定仪，VERSATEST600型，准确度0.25级，设备标准不确定度0.15%（70N.m,不计及扭矩加载装置不确定度分量）。 

 

表2.  统计与评定结果

    使用标准检定仪A来检定1级数显扭矩扳手，测量误差为-0.55%，仍可判准确度为1级，测量结果的扩展不确定度为0.35%（k=2）是合理的。使用标准检定仪B来检定1级数显扭矩扳手，测量误差为2.16%，可判准确度为3级，显然测量不准确，属于误判；不计及扭矩加载装置的不确定度分量的测量结果扩展不确定度为0.36% (k=2)，很容易让人误以为将此测量结果判准确度为3级的可信度高。依据现有的检定规程和对不确定度的评定方法，这样的错判现象难免发生。