为了从理论和实践上进一步验证重型冲击式气扳机性能测试系统的稳定性和可靠性，本文对一些典型的重型气扳机在本系统上的扭矩测试结果进行了分析与研究，其具体目的是：
(1)验证传感器的线性和稳定性；
(2)验证试验台可达到的最大量程是否满足设计要求；
(3)最小量程的分辨率；
(4)测试系统的稳定性；
(5)给出某一产品的测量不确定度；
(6)给出5种典型产品的测试结果；
(7)与现有试验台数据的比较；
(8)分析产生差异的原因及修正后的数据比较。
1 测试系统的校准
本系统的校准见图1。
图1 测试系统的标定
试验台的型号为bs2型，其量程为200～4 000 n*m。根据试验台的量程及需要测试的重型冲击式气扳机的类型，设计了5种规格的试验用螺栓和螺母，其螺纹尺寸满足国家标准的要求，所用材料为适宜的合金结构钢。这5种螺栓的规格为m16、m20、m24、m30和m42。
在传感器的对称点上贴有4片应变片，其桥路见图2。
图2中的布片形式为全桥四工作臂输出，其特点是桥路简单，连接容易，还可实现温度补偿。
图2 应变片构成的桥路
经过大量的标定，得到了5种试验螺栓的回归直线方程，见表1。
表1 5种试验螺栓的回归直线方程
| 螺栓规格 | 回归直线方程 | 应变仪增益 | 波存电压，mv | 备 注 |
| m16 | y=19.8+652.7x | 200 | 2 | 合金钢螺母 |
| m20 | y=50.8+805.2x | 200 | 2 | 合金钢螺母 |
| m24 | y=66.0+979.1x | 200 | 2 | 合金钢螺母 |
| m30 | y=24.4+1 338x | 200 | 2 | 合金钢螺母 |
| m42 | y=170+1 964x | 200 | 2 | 合金钢螺母 |
注：x——电桥输出电压量 y——扭矩
传感器线性的检验采用加标准砝码的方法，由于条件限制，所加砝码的值均在传感器的下限以外，但从结果分析来看，线性是非常好的，对产生的回归直线方程来讲，其误差最大为4.5%，相关系数为0.996 23。
假设传感器最大可测上限为8 000n.m，而螺栓为m42，由表1和传感器的结构尺寸，可以算出传感器产生的最大周向应力σ0为932mpa，此值与合金钢的许用应力σ0.2=900mpa相符。
假设传感器最小可测下限为200n.m，而对应的螺栓为m16，由表1和传感器的结构尺寸，可以算出传感器产生的最小周向应力σ0为64mpa，此值相当于满量程值的1／15，以现有仪器的分辨率，足可以分辨出来。
2 一些机器的试验结果
在得到了各种试验螺栓的标定回归直线方程后，便可以着手进行机器试验了。由于条件所限，我们选取了气扳机系列产品中不同型号的a、b、c、d、d′、e等6台样机。由于是对测试系统的验证，所以所列数据仅供参考。此外，由于外界条件的限制，如空压机站不能提供较高气压，所以，以下试验均是在压力为0.5 mpa下进行的。
具体结果见表2～表7。各组均值为5次试验结果的算术平均值。
表2 a气扳机的试验(试验螺栓规格为m16)
| 扭矩(n.m) | 141 | 192 | 233 | 264 | 269 |
| 标准偏差(n.m) | 4.33 | 5.02 | 6.10 | 6.38 | 6.40 |
| 采样时间(s) | 0.4 | 0.8 | 1.2 | 1.6 | 2.0 |
表3 b气扳机的试验(试验螺栓规格为m20)
| 扭矩(n.m) | 280 | 386 | 454 | 488 | 500 |
| 标准偏差(n.m) | 27.2 | 21.3 | 8.87 | 9.96 | 17.3 |
| 采样时间(s) | 0.4 | 0.8 | 1.2 | 1.6 | 2.0 |
表4 c气扳机的试验(试验螺栓规格为m24)
| 扭矩(n.m) | 191 | 278 | 344 | 398 | 445 |
| 标准偏差(n.m) | 20.0 | 28.0 | 19.8 | 12.6 | 17.9 |
| 采样时间(s) | 0.6 | 1.2 | 1.8 | 2.4 | 3.0 |
表5 d气扳机的试验(试验螺栓规格为m30)
| 扭矩(n.m) | 342 | 515 | 671 | 777 | 849 |
| 标准偏差(n.m) | 9.10 | 32.1 | 27.3 | 28.1 | 29.8 |
| 采样时间(s) | 0.6 | 1.2 | 1.8 | 2.4 | 3.0 |
表6 d′气扳机的试验(试验螺栓规格为m30)
| 扭矩(n.m) | 332 | 522 | 670 | 755 | 840 |
| 标准偏差(n.m) | 14.7 | 14.6 | 15.0 | 15.7 | 16.6 |
| 采样时间(s) | 0.6 | 1.2 | 1.8 | 2.4 | 3.0 |
表7 e气扳机的试验(试验螺栓规格为m42)
| 扭矩(n.m) | 1 014 | 1 339 | 1 597 | 1 794 | 1 965 |
| 标准偏差(n.m) | 80.4 | 86.7 | 80.4 | 54.6 | 59.4 |
| 采样时间(s) | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
表8给出b冲击式气扳机在不同时间测得的值的比较，试验用螺母也进行了更换。
表8 b气扳机在不同日期测得的数据
| 测试日期 | 扭矩(n.m) |
| 采样时间(s) | 0.4 | 0.8 | 1.2 | 1.6 | 2.0 |
| 1997-03-12 | 均值 | 285 | 380 | 455 | 499 | 524 |
| 偏差 | 13.4 | 13.5 | 13.5 | 13.5 | 13.8 |
| 1997-04-02 | 均值 | 280 | 386 | 454 | 488 | 500 |
| 偏差 | 27.2 | 21.3 | 8.87 | 9.96 | 17.3 |
从表8的结果可以看出，更换a3材料的螺母后，对测试影响不大，也具有良好的稳定性。但是如果用a3材料的螺母做多次试验，由于屈服强度的不同，螺母很容易损坏，因而会产生较大的差异。
表9给出了bs2型试验台与原来试验台(cby-24，cby-250型)所测数据之间的比较，通过表9可以看出两种试验台之间存在较大差异，但从表10所列的数据可以看出，同一台冲击式气扳机作用在不同规格的螺纹副上，尽管产生的扭矩有变化，但产生的夹紧力(张力)基本保持不变。
表9 两种试验台上扭矩数据的比较
| 试验台型号 | 测量参数 | 样 机 编 号 |
| a | b | c | d | d′ | e |
| | 采样时间(s) | 2 | 2 | 3 | 3 | 3 | 5 |
| cby-24，cby-250 | 扭矩(n.m) | 220 | 760 | 604 | 898 | 858 | 1 531 |
| bs2 | 扭矩(n.m) | 269 | 500 | 445 | 849 | 840 | 1 965 |
| | 相对偏差(%) | -18 | +52 | +36 | +6 | +2 | -22 |
表10 b气扳机作用在不同螺栓上产生的扭矩与张力
| 螺栓规格 | 测量参数 | 采样时间(s) |
| 0.4 | 0.8 | 1.2 | 1.6 | 2.0 |
| m20 | 扭矩(n.m) | 280 | 386 | 454 | 488 | 500 |
| 张力(kn) | 80 | 111 | 130 | 140 | 143 |
| m24 | 扭矩(n.m) | 339 | 459 | 536 | 590 | 600 |
| 张力(kn) | 80 | 108 | 125 | 138 | 141 |
| m30 | 扭矩(n.m) | 400 | 547 | 662 | 740 | 788 |
| 张力(kn) | 72 | 99 | 119 | 134 | 142 |
3 两种试验台数据间的相互关系
由文献〔1〕可知，实际夹紧状态与原有试验台的传动状态之间的扭矩有下列关系：
mj=k.mc
(1)
式中 mj——夹紧状态的外加扭矩，n.m
mc——传动状态的外加扭矩，n.m
k——比例系数
将原有试验台的有关结构参数和气扳机对应的有关参数代入文献〔1〕的有关公式，就可计算出各气扳机对应的k值(这里取μ=0.14属于有润滑状态)，具体结果见表11。
表11 各气扳机所对应的k值
| 气扳机编号 | a | b | c | d | d′ | e |
| 上紧螺栓直径(mm) | 16 | 20 | 24 | 30 | 42 |
| 系数k | 1.28 | 0.638 | 0.766 | 0.958 | 1.337 |
利用表9和表11，就可将原试验台上测得的扭矩换算成夹紧状态下的扭矩，然后与bs2型试验台上的数据再进行比较，结果见表12。
表12 换算后两种试验台扭矩的比较
| 气扳机编号 | a | b | c | d | d′ | e |
| bs2试验台数据 | 269 | 500 | 445 | 849 | 840 | 1 965 |
原试验台
数据 | 换算前 | 220 | 760 | 604 | 898 | 858 | 1 531 |
| 换算后 | 282 | 485 | 463 | 860 | 822 | 2 047 |
| 换算后的偏差(%) | +4.8 | -3.0 | +4.0 | +1.3 | -2.1 | +4.1 |
从表12可以看出，经换算后两个试验台之间有良好的一致性。但是，原试验台上的数据如不进行换算，则会产生较大的偏差。至此，比较圆满地解决了两种试验台之间所存在的差异问题，为该试验台的推广应用打下了基础。
4 重型冲击式气扳机扭矩的不确定度
测试结果的不确定度由两部分组成：
(1)a类：它相当于测试系统的不确定度。
(2)b类：它相当于多次测量中测得数据的离散情况。
现以bg42型气扳机为例，简述扭矩的不确定度。
对于a类不确定度，为了减少量纲造成的影响，可用相对a类不确定度来表示，这与我们常说的相对误差有类似的地方。根据文献〔2〕及实际校准，在测量上限时产生的相对a类不确定度为±1%。
对于b类不确定度，也可采用类似a类不确定度的方法，用相对b类不确定度来表示，这与常说的变异系数是一致的。
综上所述，再根据标准的要求，在5 s时，bg42型气扳机的a类与b类不确定度分别为μa=0.01，μb=0.019 8，按95%的置信度，覆盖因子可取为1.96，最后相对扩展不确定度为4.35%。
5 结束语
通过上述的试验验证，对以前在扭矩测试过程中存在的问题有了合理的解释，并且验证了试验台的最大量程能满足实际需要。通过验证，可得出以下一些结论：
(1)冲击式气扳机的作用过程与静扭式气扳机不同，它可在一定螺栓范围内产生相同的夹紧力。
(2)冲击式气扳机的输出扭矩随螺栓的直径而变化，在一定范围内，其变化规律满足m(d2)=k.d2这一公式。
(3)不同材料的螺栓及螺母在规定上紧扭矩范围内，具有良好的可比性与重复性。
(4)本系统具有良好的复现性，同时也证明冲击式气扳机在上紧螺栓中具有一定的离散性。
(5)与原来的试验台比较，数据差别较大，但按一定规律换算后，两组数据趋于一致。
由于某些原因，试验中出现了一些小问题，例如螺栓、螺母、垫片的热处理不适当以及机加工上的毛病，这些都影响着零件的使用寿命，在今后的测试中，这些问题会逐步地加以解决。
总之，经过验证，本系统是成功的，它为我们上水平提供了可靠的保证。
