多油缸超大力值叠加式力标准机的设计方案

　　摘 要：叠加式力标准机因较高的性价比近年来在各国得到广泛应用，但由于大尺寸精密油缸制造工艺难度较大、造价较高，目前叠加式力标准机的规格仅限于 30MN 以下。采用多油缸组合力源设计，可以有效解决超大力值力标准机的制造难题。通过相似设，制造了一台3MN 多油缸叠加式力标准机，试验结果表明，采用多油缸力源不仅可以实现力值快速、精密控制，而且通过油缸的组合使用，可以降低测量下限，进一步扩大叠加式力标准机的测量范围。

　　力标准机是力值量传的基本装置。常见的力标准机主要有静重式力标准机、杠杆式力标准机、液压式力标准机及叠加式(参考式)力标准机。由于制造技术原因，对于1MN 以上的力标准机大多采用液压式力标准机及叠加式力标准机。现有最大的液压式力标准机为 20MN，分别建在中国计量科学研究院和日本计量研究所。现有最大的叠加式力标准机为 30MN，建在中国测试技术研究院及英国国家物理实验室。美国国家标准与技术研究院也建有53MN 比较式力测量装置，但该装置采用万能试验机作为力源，尚不能称为力标准机。

　　对于精密液压控制，受零部件的技术性能限制，液体压力通常控制在25MPa 以下，液体压力过大时力值无法快速平稳控制，同时过高的压力对装置的可靠性产生不利影响。当力值大于60MN 时，油缸直径必须大于1.7m，而由于制造技术原因，大尺寸油缸精密制造的难度及制造费用较大。采用多油缸组合设计技术，可以在20MPa 控制油压的条件下，通过增加油缸数量的方法将单个油缸的直径控制在0.9m 以下，实现60MN 力源的精密控制。而直径 1m 以下的油缸无论制造还是维护均比较成熟，从而可有效解决超大力值力标准装置制造难题。

　　1 多油缸力标准机设计方案

　　1.1 总体方案

　　多油缸力标准机由机座、油缸组、标准传感器、上下承载平台、移动工作平台及液压控制系统等部分组成(图1)。其中油缸组按主副油缸设计，用1 个主油缸及若干个副油缸组合加荷。为了确保设备运行平稳，将主油缸与下承载台刚性联结，副油缸与下承载台自由接触。标准传感器采用三个(组)并联安装在下承载台上。工作平台安装在导轨上，通过导轨可将工作平台在测试位置与安装位置之间进行移动。

　　1.2力源设计

　　力标准机力源采用多油缸设计时，加荷过程必须确保各油缸同步施加负荷移动。为了做到这一点，在设计时将主油缸与下承载平台之间进行刚性联结，主油缸活塞对承载平台起导向作用，根据帕斯卡原理，将所有油缸的油路连通，便可使各油缸的工作压力保持一致。