靜重式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)是力儀測試中應(yīng)用最普遍、準(zhǔn)確度等級最高的力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)，它是以砝碼串的重力作為標(biāo)準(zhǔn)力值。針對力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)工作過程中砝碼串的擺動現(xiàn)象，分析了現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，提出了擺動角的測量和計算方法，并對砝碼串的擺動過程進(jìn)行分析和計算，得出了砝碼串?dāng)[動對標(biāo)準(zhǔn)力值影響量的大小。將得出的擺動影響量與標(biāo)準(zhǔn)力值的允許誤差進(jìn)行對比分析，給出了較為合適的判斷依據(jù)。

1.引言

靜重式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī) （DWM） 是以砝碼的重力作為標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷，通過適當(dāng)機(jī)構(gòu)按預(yù)定順序自動平穩(wěn)地把負(fù)荷直接地施加到被檢測力儀上的力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)。在所有力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)當(dāng)中，靜重式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)的準(zhǔn)確度等級是最高的。對于準(zhǔn)確度等級達(dá)到 0.01 的靜重式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)，其力值誤差要求在±0.01%以內(nèi)，其力值重復(fù)性誤差要求在±0.005%以內(nèi)。這樣的標(biāo)準(zhǔn)力值精度就是靠靜重式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)的砝碼質(zhì)量精度和平穩(wěn)地力值加卸載機(jī)構(gòu)來保證的。

仔細(xì)觀察靜重式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)的工作過程就會發(fā)現(xiàn)，每當(dāng)加載或是卸載一個標(biāo)準(zhǔn)力值以后，掛在反向架上的砝碼串都會產(chǎn)生或大或小的擺動。當(dāng)穩(wěn)定時間結(jié)束開始記錄數(shù)據(jù)時，砝碼串的擺動會減弱但并沒有達(dá)到完全靜止的狀態(tài)。這種現(xiàn)象是否會對靜重式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)的性能有影響，此時的標(biāo)準(zhǔn)力值是否還能達(dá)到 0.01 的準(zhǔn)確度等級？

2.問題分析

 2.1擺動產(chǎn)生的原因分析

靜重式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)的砝碼串結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。不難看出，反向架與被測力儀在測試過程中是小面積接觸，接觸點位于反向架的中軸線上。反向架和砝碼串的外形設(shè)計以及砝碼串的懸掛設(shè)計都是以反向架中軸線中心對稱的。目的就是讓每塊砝碼的質(zhì)心都在反向架的中軸線上。理論上講，在力值加卸載過程中，力值的變化都發(fā)生在反向架中軸線上，砝碼串是不會產(chǎn)生擺動的。

但在實際當(dāng)中，所有零件的機(jī)械加工都存在誤差，砝碼串的裝配和配重也存在誤差，砝碼加工材料的密度均勻性也并非理想狀態(tài)。其次，測試人員放置被測力儀時也很難保證其與反向架的接觸點剛好在反向架的中軸線上。再者，力值加卸載機(jī)構(gòu)在工作過程產(chǎn)生的振動等等。所有上述因素都會導(dǎo)致靜重式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)在加載或卸載某一塊砝碼時，砝碼串的質(zhì)心偏離了反向架的中軸線。質(zhì)心偏離中軸線就造成了一種不平衡狀態(tài)，這種不平衡狀態(tài)不可能保持，整個機(jī)構(gòu)必然會在重力的驅(qū)動下重新回到平衡狀態(tài)。這個重新平衡的過程就是我們經(jīng)常能觀察到的現(xiàn)象—砝碼串?dāng)[動。

可見，砝碼串?dāng)[動是必然的，這種擺動的程度取決于不平衡狀態(tài)產(chǎn)生的瞬間砝碼串質(zhì)心與反向架中軸線的偏離量。

2.2擺動過程分析

擺動的支點就是反向架與被測力儀的接觸點。被測力儀安裝好并與反向架接觸之后，該接觸點的位置就是固定不變的。整個砝碼串就是以該接觸點為中心做擺動，其擺動幅度可以通過測量砝碼邊緣某點的極限位置來確定，如圖 2 所示。砝碼串在兩個極限位置時，整體略高于平衡狀態(tài)，速度為零，但與反向架中軸線呈一定的角度；砝碼串在中間位置時，整體高度與平衡位置相同，位于反向架中軸線上，但有一定的運動速度。整個砝碼串在擺動過程中規(guī)律地依次經(jīng)過上述幾個位置。由于砝碼體形很大，擺動過程中受到空氣的阻力，再加上接觸點受力后產(chǎn)生微小形變成為一個接觸面。這些都會導(dǎo)致砝碼串的擺動逐漸減弱，足夠長的時間之后，砝碼串會回到新的平衡狀態(tài)。

根據(jù)物理原理，我們可以將砝碼串的擺動過程用圖 3 所示的簡圖表示，上面的點為反向架與被測力儀的接觸點，下面的點視為砝碼串的質(zhì)心，中間的連線表示反向架和各塊砝碼之間的連接件。不難發(fā)現(xiàn)，在擺動過程中砝碼串與反向架中軸線的角度，以及砝碼的運動速度都會影響砝碼串傳遞給反向架的力，反向架通過接觸點再將力傳遞給被測力儀。也就是說，在砝碼串?dāng)[動的過程中，被測力儀受到的力是變化的。

2.3擺動受力分析

被測力儀在砝碼串?dāng)[動過程中受到的力的變化量究竟有多大？對擺動過程進(jìn)行受力分析，如圖 4 所示。由于所有零部件都處在同一個相對穩(wěn)定的環(huán)境中，且砝碼串?dāng)[動時的速度較小，所以忽略空氣在擺動過程中的影響。

當(dāng)砝碼串在擺幅最大的位置時，砝碼運動速度為 ν=0，砝碼質(zhì)心位置最高，與反向架中軸線的夾角為 θ，則有：

T1=G2=G·cos θ=mg cos θ

 當(dāng)砝碼串在平衡位置時，砝碼運動速度最大，砝碼質(zhì)心最低，且位于反向架中軸線上，則有：

E= 12 mν2=mgh=mgL（1- cos θ）

F= mLν2  =2mg（1- cos θ）

T2=G+F=mg+2mg（1- cos θ）=mg（3- 2cos θ）

E—砝碼在速度 ν 時的動能；

F—砝碼以速度 ν 圓周運動所需向心力。

當(dāng)砝碼串處于理想狀態(tài)，靜止于平衡位置時，也就是標(biāo)準(zhǔn)力值的公稱值：T=G=mg

顯然，砝碼串位于擺幅最大位置，運動速度為零時，被測力儀受到的力最小；砝碼串位于平衡位置，運動速度最大時，被測力儀受到的力最大。它們相對于標(biāo)準(zhǔn)力值的差值比例分別為：

可見，砝碼串在擺動過程中產(chǎn)生的力值變化量的最大值和最小值取決于擺動時的角度 θ。直接測量這一角度的大小非常困難，但根據(jù)圖 2 所示去測量砝碼串的擺動幅度 A 和測量點與被測力儀承載點之間的距離 L，就可以很容易地計算出砝碼串的擺動角度 θ：

測量 A 值時，要選在砝碼擺動幅度最大的平面上，測量砝碼邊緣某點的兩個擺動極限位之間的距離。測量 L 值時，若不能直接測量，也可分段測量再相加獲得。在實際應(yīng)用中，一臺靜重式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)調(diào)試完成后，L 的值一般是不變的，而 A的值在不同的測試中會發(fā)生變化。所以，根據(jù)上述分析可以計算出一個對照表格，如表 1 所示。

準(zhǔn)確度等級為 0.01 的靜重式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)，其力值誤差為±1×10- 4，力值重復(fù)性誤差為±5×10- 5。

從表 1 中的數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng) L=990mm，砝碼串的擺幅在 6mm 以下時，力值的相對變化量小于±1×10- 5，占允許力值誤差的 1%，占允許力值重復(fù)性誤差的 20%。

3.分析結(jié)論

筆者長期觀察，砝碼串的擺幅在正常情況下是很小的，一般不會超過 4mm，并且，砝碼串的擺動是逐步衰減的，擺動角 θ 逐漸減小，擺動造成的力值變化量也就逐漸減小。就數(shù)值大小而言，筆者認(rèn)為，對于 0.01 級的靜重式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)，只要砝碼串?dāng)[動的影響量在±1×10- 5 以內(nèi)，就可以認(rèn)為不對標(biāo)準(zhǔn)力值造成影響。若超過這一范圍就需要對標(biāo)準(zhǔn)機(jī)進(jìn)行調(diào)整了。

砝碼串?dāng)[動也有其有益的一面。當(dāng)我們觀察到砝碼串發(fā)生擺動并且可以順暢地完成整個擺動周期，這也恰好說明砝碼串沒有與其它零部件或是其它砝碼存在粘連現(xiàn)象，證明砝碼串工作正常，產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)力值可信。

4.結(jié)束語

砝碼串工作過程中的擺動現(xiàn)象非常普遍，只有經(jīng)過分析計算才能知道它對標(biāo)準(zhǔn)力值的影響究竟有多大。同時，也可以給我們在靜重式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)的設(shè)計、加工、調(diào)試、校驗等工作過程中提供依據(jù)。