残余扭矩扳手校准技术与测量不确定度评估方法研究

【资料简介】

一、引言

在机械装配、汽车制造、航空航天等制造领域，螺纹连接的预紧扭矩精度直接决定了连接结构的可靠性与使用寿命。扭矩施加过程中，受螺栓弹性变形、连接副摩擦力分布不均匀、工具卸载回弹等因素影响，实际留存于螺纹连接副中的扭矩即残余扭矩，往往与工具施加的初始扭矩存在显著偏差，这种偏差可能引发螺栓松脱、预紧过载断裂等风险，因此对残余扭矩检测工具的校准精度提出了较高要求。
残余扭矩扳手作为专门用于测量已装配螺纹连接副残余扭矩的专用计量器具，其测量精度直接影响残余扭矩检测结果的可靠性，成都精炬达厂家推出的JD-CSC系列残余扭矩扳手，凭借结构设计优化与高精度传感器配置，在国内制造领域得到了广泛应用。本文以JD-CSC系列残余扭矩扳手为研究对象，系统分析残余扭矩扳手的校准技术路径，结合实践数据开展测量不确定度评估，为残余扭矩扳手的计量校准工作提供可参考的技术方案。

 

二、残余扭矩扳手的工作原理与JD-CSC系列产品特性
2.1 残余扭矩测量基本原理

残余扭矩测量的核心原理是通过对已拧紧的螺栓施加额外扭矩，监测螺栓开始发生转动瞬间的扭矩值，该扭矩值即为螺纹连接副的残余扭矩。当前主流的残余扭矩测量方法分为转角法和灵敏度法，其中转角法通过记录螺栓从静止到产生微小转角过程中的扭矩峰值，该峰值即为残余扭矩；灵敏度法则根据扭矩增量与转角增量的变化率判定转动起始点，两种方法对工具的扭矩传感器精度与响应速度都有较高要求。
与常规扭矩扳手不同，残余扭矩扳手不需要直接输出拧紧扭矩，而是专注于微小转动起始点的扭矩捕捉，因此要求工具具备更高的分辨率和更低的响应滞后，这也对校准过程中的参数设置与方法选择提出了差异化要求。
2.2 成都精炬达JD-CSC系列残余扭矩扳手特性
成都精炬达JD-CSC系列残余扭矩扳手为数显式扭矩测量工具，核心配置包括高精度应变式扭矩传感器、微处理器控制单元、数字显示屏与可换扳头结构，主要技术特性如下：

· 测量范围覆盖10N·m~500N·m，可满足不同规格螺栓残余扭矩检测需求，测量分辨率最高可达0.1N·m；
· 内置自动识别转动起始点算法，能够自动捕捉螺栓微小转动的临界扭矩，减少人为判定误差；
· 具备数据存储与输出功能，可存储最多200组测量数据，支持USB接口导出校准数据；
· 采用一体化刚性杆身设计，降低测量过程中杆身变形带来的扭矩测量误差。
基于上述产品特性，JD-CSC系列残余扭矩扳手的校准工作需要针对数显式工具的特点，选择匹配的校准装置与校准方法，保证校准结果能够反映工具的实际测量精度。
 

三、残余扭矩扳手校准技术方案设计
3.1 校准装置选型

针对JD-CSC系列数显残余扭矩扳手，校准装置选择静重式扭矩标准机，该装置通过标准砝码产生标准扭矩，不确定度优于0.01%，能够满足残余扭矩扳手的校准溯源要求。校准装置组成包括：扭矩标准机主机、标准砝码组、数据采集系统、固定夹具，其中夹具用于固定残余扭矩扳手的输出端，保证扭矩作用方向与标准机轴线重合，避免附加弯矩带来的校准误差。
本次校准选用的静重式扭矩标准机测量范围为0~1000N·m，覆盖JD-CSC系列全量程范围，标准扭矩值的扩展不确定度U=0.005%（k=2），满足量值溯源要求。
3.2 校准环境与预处理

校准环境需要满足计量校准的通用要求：环境温度控制在20℃±5℃，相对湿度不超过80%RH，校准平台无明显振动，周围无强电磁场干扰。校准前，残余扭矩扳手需要在校准环境中恒温放置至少2小时，保证扳手温度与环境温度一致，避免温度差导致传感器零点漂移；同时检查扳手外观，确认无明显损坏、显示屏显示正常、扳头与杆身连接无松动，零点校准正常后再开展后续校准工作。
3.3 校准点选择与校准流程
根据JJF 1445-2014《扭矩扳手检定规程》的要求，结合残余扭矩扳手的使用特点，选择量程的10%、30%、50%、70%、90%作为校准点，每个校准点重复测量3次，取平均值计算示值误差。具体校准流程如下：

1. 将JD-CSC系列残余扭矩扳手安装固定在扭矩标准机上，调整扳手位置，保证扭矩作用线与标准机轴线同轴，固定扳手手柄端；
2. 对每个校准点，按照从小到大的顺序加载标准扭矩，待标准机稳定后，记录残余扭矩扳手的示值；

3. 每个校准点加载完成后，卸载至零点，重复下一次测量，3次测量完成后进入下一个校准点；
4. 全部校准点测量完成后，计算每个校准点的示值误差、重复性，判定是否满足精度要求。
3.4 校准结果判定指标

JD-CSC系列残余扭矩扳手的最大允许示值误差为±1%，测量重复性要求不超过0.5%，计算公式如下：

示值误差：δ= ( ¯x-T0) /T0× 100%，其中¯x为三次测量示值平均值，T0为标准扭矩值。
测量重复性：R= (xmax-xmin) / ¯x× 100%，其中xmax为三次测量示值最大值，xmin为三次测量示值最小值。
当所有校准点的示值误差不超过最大允许误差，重复性满足要求时，判定校准合格，否则判定不合格。
四、JD-CSC系列残余扭矩扳手校准实例与数据处理
本次研究选取成都精炬达JD-CSC-200型残余扭矩扳手，测量范围0~200N·m，精度等级1级，按照上述校准技术方案开展校准，得到校准数据如下表所示：


从校准数据可以看出，本次校准的JD-CSC-200型残余扭矩扳手所有校准点的示值误差最大为+0.50%，小于最大允许误差±1%；测量重复性最大为0.20%，小于0.5%的要求，因此该扳手校准合格，精度满足使用要求。
 

五、残余扭矩扳手测量不确定度评估
5.1 不确定度来源分析

根据校准过程，残余扭矩扳手示值误差测量结果的不确定度主要来源于以下几个方面：

1. 标准扭矩装置引入的标准不确定度分量u₁：即扭矩标准机本身的不确定度，由标准砝码误差、装置安装同轴度误差等因素引入；

2. 残余扭矩扳手示值重复性引入的标准不确定度分量u₂：由多次测量过程中扳手示值的随机波动引入；
3. 数显示值分辨力引入的标准不确定度分量u₃：JD-CSC系列为数字显示，示值分辨力会引入不确定度；

4. 温度偏差引入的标准不确定度分量u₄：由校准环境温度与标准温度的偏差引入，本次校准环境温度偏差控制在±2℃以内，对扭矩传感器的影响很小，可忽略不计，因此本次评估不纳入计算。
5.2 各标准不确定度分量计算
以100N·m校准点为例，计算各不确定度分量：

（1）标准扭矩装置引入的u₁
本次使用的扭矩标准机扩展不确定度U₁=0.005%，包含因子k=2，因此标准不确定度：

u₁ = U₁/k = 0.005%/2 = 2.5×10⁻⁵ = 0.0025%

相对标准不确定度ur1= 0.0025% = 2.5×10⁻⁵。
（2）示值重复性引入的u₂
本次对100N·m校准点进行了3次重复测量，得到测量列：100.35N·m、100.30N·m、100.40N·m，根据贝塞尔公式计算实验标准偏差s：
s = √[Σ²/(n-1)] = √[/(3-1)] ≈ 0.05N·m

校准结果取3次测量的平均值，因此标准不确定度u₂ = s/√n = 0.05/√3 ≈ 0.0289N·m

相对标准不确定度ur2= u₂/x̄ = 0.0289/100.35 ≈ 2.88×10⁻⁴ ≈ 0.029%。
（3）示值分辨力引入的u₃
JD-CSC-200型残余扭矩扳手的示值分辨力为0.1N·m，数字示值分辨力的误差区间为半宽度为分辨力的1/2，即a=0.05N·m，服从均匀分布，包含因子k=√3，因此标准不确定度：

u₃ = a/k = 0.05/√3 ≈ 0.0289N·m

相对标准不确定度ur3= u₃/x̄ = 0.0289/100.35 ≈ 2.88×10⁻⁴ ≈ 0.029%。
需要说明的是，当重复性已经包含分辨力的影响时，两者只取较大值，本次评估中重复性与分辨力引入的分量大小相当，因此都纳入合成计算。
5.3 合成标准不确定度计算

各不确定度分量相互独立，因此相对合成标准不确定度ucrel为：

ucrel= √ = √((2.5×10⁻⁵)² + (2.88×10⁻⁴)² + (2.88×10⁻⁴)²) ≈ 4.08×10⁻⁴ ≈ 0.041%

合成标准不确定度uc= ucrel× x̄ = 0.041% × 100.35 ≈ 0.041N·m。
5.4 扩展不确定度计算与结果报告
取包含因子k=2（对应置信概率约95%），因此扩展不确定度U = k × uc= 2 × 0.041 ≈ 0.09N·m，相对扩展不确定度Urel= U/x̄ × 100% ≈ 0.09%。
对于其他校准点，按照相同方法计算得到的扩展不确定度均不超过0.1%，远小于扳手最大允许误差1%，说明校准结果的可靠性满足要求。
 

 

六、结论与建议
本文以成都精炬达JD-CSC系列残余扭矩扳手为研究对象，构建了完整的残余扭矩扳手校准技术流程，通过实例校准验证了方案的可行性，同时开展了测量不确定度评估，得到以下结论：
1. 针对JD-CSC系列数显残余扭矩扳手，采用静重式扭矩标准机按照五点校准、三次重复测量的方案，能够准确评定扳手的示值误差与重复性，校准流程简便可靠，适合计量机构开展日常校准工作；
2. 从本次不确定度评估结果来看，残余扭矩扳手校准结果的不确定度主要来源于测量重复性和示值分辨力，标准装置引入的不确定度极小，因此校准过程中需要保证足够的重复测量次数，减小随机误差对校准结果的影响；
3. 本次校准的JD-CSC-200型残余扭矩扳手，示值误差和重复性均满足1级精度要求，校准结果的扩展不确定度远小于最大允许误差，说明该产品的精度性能稳定可靠，能够满足工业领域残余扭矩测量的需求。
针对残余扭矩扳手的校准与使用，提出以下建议：一是残余扭矩扳手需要定期校准，校准周期建议不超过12个月，频繁使用的工具可以缩短至6个月；二是使用过程中需要避免超载使用，防止扭矩传感器发生变形，影响测量精度；三是校准过程中必须保证扳手安装同轴度，避免附加弯矩引入额外误差，保证校准结果的准确性。

 

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