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  2017年12月1日，由中國計(jì)量科學(xué)研究院（以下簡稱“中國計(jì)量院”）牽頭承擔(dān)的“十二五”國家重大儀器專項(xiàng)項(xiàng)目“高端動(dòng)力裝置扭矩和速度測量儀器設(shè)備的研發(fā)與應(yīng)用”在中國計(jì)量院昌平院區(qū)通過了科技部組織的專家驗(yàn)收。項(xiàng)目建立了包括20 kN/m高準(zhǔn)確度大扭矩標(biāo)準(zhǔn)裝置、雙天線雷達(dá)測速儀、加速度計(jì)動(dòng)態(tài)特性校準(zhǔn)裝置在內(nèi)的成套科學(xué)儀器，攻克了空氣軸承制造、無擾動(dòng)質(zhì)量參數(shù)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(shù)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(shè)計(jì)制造和產(chǎn)業(yè)化開發(fā)提供了全套解決方案，實(shí)現(xiàn)了以高新技術(shù)引領(lǐng)相關(guān)裝備制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)。

圖1 項(xiàng)目綜合驗(yàn)收會(huì)現(xiàn)場

  高端動(dòng)力裝備是先進(jìn)交通運(yùn)輸設(shè)備、大型發(fā)電設(shè)備和精密加工機(jī)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(yùn)轉(zhuǎn)壽命和安全性，必須對(duì)傳動(dòng)軸等基礎(chǔ)部件的扭矩、轉(zhuǎn)速等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確測量。目前，我國高端動(dòng)力裝備在設(shè)計(jì)、制造對(duì)扭矩、轉(zhuǎn)速等關(guān)鍵參數(shù)的測量仍然依賴于進(jìn)口高端儀器。這嚴(yán)重制約了我國高速列車轉(zhuǎn)向架、大型船舶推進(jìn)系統(tǒng)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組等高端裝備核心部件的完全自主設(shè)計(jì)和研發(fā)。為此，中國計(jì)量院在“十二五”國家重大儀器專項(xiàng)的支持下，針對(duì)高端動(dòng)力裝備對(duì)轉(zhuǎn)矩、速度等關(guān)鍵參數(shù)的測量需求，展開了對(duì)相關(guān)科學(xué)儀器的研發(fā)與應(yīng)用研究。

  據(jù)項(xiàng)目負(fù)責(zé)人，中國計(jì)量院力學(xué)與聲學(xué)計(jì)量研究所所長張躍研究員介紹，以大型艦船為例，其推進(jìn)系統(tǒng)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(jī)動(dòng)時(shí)，瞬時(shí)扭矩甚至可高達(dá)十幾萬牛米。如果不能對(duì)扭矩、速度進(jìn)行快速高準(zhǔn)確度測量和控制，將損傷傳動(dòng)主軸、降低裝備使用壽命，嚴(yán)重時(shí)可直接導(dǎo)致主軸失效。

  2012年，中國計(jì)量院在近四十年的扭矩計(jì)量經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，經(jīng)反復(fù)論證，提出了基于新型結(jié)構(gòu)的20 kN/m高精度大扭矩標(biāo)準(zhǔn)裝置設(shè)計(jì)方案。

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

  為此，中國計(jì)量院與合作單位專門就靜壓空氣軸承制造工藝展開了重點(diǎn)攻關(guān)。經(jīng)近4年的努力，項(xiàng)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(xiàn)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(wěn)，而且更加節(jié)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(shí)產(chǎn)權(quán)的力臂系統(tǒng)、懸掛系統(tǒng)、砝碼加載系統(tǒng)和扭平機(jī)構(gòu)等精密機(jī)械和測控系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)了扭矩測量過程的全自動(dòng)控制。為保障砝碼量值的準(zhǔn)確可溯源，項(xiàng)目組還自主研發(fā)了一套高準(zhǔn)確度大質(zhì)量參數(shù)測量裝置，首次在國內(nèi)實(shí)現(xiàn)了最高2000 kg的F1等級(jí)砝碼的準(zhǔn)確稱量。

  截至項(xiàng)目驗(yàn)收時(shí)，20 kN?m高精度大扭矩標(biāo)準(zhǔn)裝置的測量范圍達(dá)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(biāo)國際領(lǐng)先。該裝置將我國扭矩基準(zhǔn)裝置的測量上限從5 kN/m擴(kuò)大到24 kN/m，解決了高端動(dòng)力裝備等對(duì)大扭矩量值的溯源問題，打破了大扭矩測量儀器和空氣軸承等核心部件完全依賴進(jìn)口的局面，為我國相關(guān)裝備的自主設(shè)計(jì)研發(fā)提供了解決方案和技術(shù)保障。

圖2 20kN/m高準(zhǔn)確度大扭矩標(biāo)準(zhǔn)裝置

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

  目前，項(xiàng)目建立的大質(zhì)量參數(shù)測量裝置已服務(wù)于國家863計(jì)劃項(xiàng)目燃料電池-氫氣電池的能效分析，空氣軸承、扭矩標(biāo)準(zhǔn)裝置和安全氣囊加速度計(jì)校準(zhǔn)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(xù)驅(qū)動(dòng)引領(lǐng)我國相關(guān)制造業(yè)提質(zhì)升級(jí)和創(chuàng)新發(fā)展。