12月1日，由中國計量科學(xué)研究院（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“中國計量院”）牽頭承擔的“十二五”國家重大儀器專(zhuān)項項目“高端動(dòng)力裝置扭矩和速度測量?jì)x器設備的研發(fā)與應用”在中國計量院昌平院區通過(guò)了科技部組織的專(zhuān)家驗收。項目建立了包括20 kN?m高準確度大扭矩標準裝置、雙天線(xiàn)雷達測速儀、加速度計動(dòng)態(tài)特性校準裝置在內的成套科學(xué)儀器，攻克了空氣軸承制造、無(wú)擾動(dòng)質(zhì)量參數測量等關(guān)鍵核心技術(shù)，大幅提高了我國高端動(dòng)力裝置的關(guān)鍵參數測量能力，為我國軌道交通、高端船舶等核心動(dòng)力部件的自主設計制造和產(chǎn)業(yè)化開(kāi)發(fā)提供了全套解決方案，實(shí)現了以高新技術(shù)引領(lǐng)相關(guān)裝備制造業(yè)的轉型升級。

圖1 項目綜合驗收會(huì )現場(chǎng)

       高端動(dòng)力裝備是先進(jìn)交通運輸設備、大型發(fā)電設備和精密加工機械等重大成套技術(shù)裝備的心臟，在裝備制造業(yè)中占有舉足輕重的地位。為保障動(dòng)力裝置的工作能力、效率、運轉壽命和安全性，必須對傳動(dòng)軸等基礎部件的扭矩、轉速等關(guān)鍵參數進(jìn)行準確測量。目前，我國高端動(dòng)力裝備在設計、制造對扭矩、轉速等關(guān)鍵參數的測量仍然依賴(lài)于進(jìn)口高端儀器。這嚴重制約了我國高速列車(chē)轉向架、大型船舶推進(jìn)系統、航空發(fā)動(dòng)機、風(fēng)力發(fā)電機組等高端裝備核心部件的完全自主設計和研發(fā)。為此，中國計量院在“十二五”國家重大儀器專(zhuān)項的支持下，針對高端動(dòng)力裝備對轉矩、速度等關(guān)鍵參數的測量需求，展開(kāi)了對相關(guān)科學(xué)儀器的研發(fā)與應用研究。

       據項目負責人，中國計量院力學(xué)與聲學(xué)計量研究所所長(cháng)張躍研究員介紹，以大型艦船為例，其推進(jìn)系統的傳動(dòng)主軸通常需要承受幾十千牛米的扭矩。艦船快速機動(dòng)時(shí)，瞬時(shí)扭矩甚至可高達十幾萬(wàn)牛米。如果不能對扭矩、速度進(jìn)行快速高準確度測量和控制，將損傷傳動(dòng)主軸、降低裝備使用壽命，嚴重時(shí)可直接導致主軸失效。

       2012年，中國計量院在近四十年的扭矩計量經(jīng)驗基礎上，經(jīng)反復論證，提出了基于新型結構的20 kN?m高精度大扭矩標準裝置設計方案。

       “為減小支撐部件帶來(lái)的摩擦扭矩、提高測量準確度，我們選擇采用靜壓空氣軸承來(lái)替代傳統的刀口支撐。但承載力高達20 kN?m的空氣軸承，當時(shí)即使是德國也不具備加工能力?！睆堒S介紹說(shuō)。

       為此，中國計量院與合作單位專(zhuān)門(mén)就靜壓空氣軸承制造工藝展開(kāi)了重點(diǎn)攻關(guān)。經(jīng)近4年的努力，項目組克服了材料處理、幾何量測量、精密加工和裝配等難題，實(shí)現了大尺寸、超高精度、超低摩擦扭矩空氣軸承的自主研制，使我國空氣軸承制造技術(shù)水平全面超越進(jìn)口產(chǎn)品，不僅承載能力高、支撐狀態(tài)穩，而且更加節能。

       除減小軸承支撐部分引入的不確定度分量外，該裝置還充分考慮了力臂、砝碼等分量引入的不確定度，研發(fā)出一系列具有自主知識產(chǎn)權的力臂系統、懸掛系統、砝碼加載系統和扭平機構等精密機械和測控系統，并實(shí)現了扭矩測量過(guò)程的全自動(dòng)控制。為保障砝碼量值的準確可溯源，項目組還自主研發(fā)了一套高準確度大質(zhì)量參數測量裝置，首次在國內實(shí)現了最高2000 kg的F1等級砝碼的準確稱(chēng)量。

       截至項目驗收時(shí)，20 kN?m高精度大扭矩標準裝置的測量范圍達到了100 N?m~24 kN?m，不確定度優(yōu)于0.002%（k=2），綜合技術(shù)指標國際領(lǐng)先。該裝置將我國扭矩基準裝置的測量上限從5 kN?m擴大到24 kN?m，解決了高端動(dòng)力裝備等對大扭矩量值的溯源問(wèn)題，打破了大扭矩測量?jì)x器和空氣軸承等核心部件完全依賴(lài)進(jìn)口的局面，為我國相關(guān)裝備的自主設計研發(fā)提供了解決方案和技術(shù)保障。

圖2 20kN?m高準確度大扭矩標準裝置

       此外，項目還成功研制了速度測量范圍（20~350 km/h）的雙天線(xiàn)雷達測速儀和加速度計動(dòng)態(tài)特性校準裝置，為我國高速鐵路能力提升、國產(chǎn)汽車(chē)安全氣囊加速度計自主研發(fā)和產(chǎn)品化提供了重要技術(shù)支撐。

      目前，項目建立的大質(zhì)量參數測量裝置已服務(wù)于國家863計劃項目燃料電池-氫氣電池的能效分析，空氣軸承、扭矩標準裝置和安全氣囊加速度計校準裝置等也已形成面向工程化、產(chǎn)業(yè)化的技術(shù)檔案，將持續驅動(dòng)引領(lǐng)我國相關(guān)制造業(yè)提質(zhì)升級和創(chuàng )新發(fā)展。