12月1日，由中國計量科學(xué)研究院（以下簡稱“中國計量院”）牽頭承擔(dān)的“十二五”國家重大儀器專項項目“高端動力裝置扭矩和速度測量儀器設(shè)備的研發(fā)與應(yīng)用”在中國計量院昌平院區(qū)通過了科技部組織的專家驗收。項目建立了包括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、加速度計動態(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、高端船舶等核心動力部件的自主設(shè)計制造和產(chǎn)業(yè)化開發(fā)提供了全套解決方案，實現(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。

圖1 項目綜合驗收會現(xiàn)場

       高端動力裝備是先進(jìn)交通運輸設(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。為保障動力裝置的工作能力、效率、運轉(zhuǎn)壽命和安全性，必須對傳動軸等基礎(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，我國高端動力裝備在設(shè)計、制造對扭矩、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)計和研發(fā)。為此，中國計量院在“十二五”國家重大儀器專項的支持下，針對高端動力裝備對轉(zhuǎn)矩、速度等關(guān)鍵參數(shù)的測量需求，展開了對相關(guān)科學(xué)儀器的研發(fā)與應(yīng)用研究。

       據(jù)項目負(fù)責(zé)人，中國計量院力學(xué)與聲學(xué)計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)的傳動主軸通常需要承受幾十千牛米的扭矩。艦船快速機(jī)動時，瞬時扭矩甚至可高達(dá)十幾萬牛米。如果不能對扭矩、速度進(jìn)行快速高準(zhǔn)確度測量和控制，將損傷傳動主軸、降低裝備使用壽命，嚴(yán)重時可直接導(dǎo)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(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)時即使是德國也不具備加工能力。”張躍介紹說。

       為此，中國計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)，并實現(xiàn)了扭矩測量過程的全自動控制。為保障砝碼量值的準(zhǔn)確可溯源，項目組還自主研發(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)實現(xiàn)了最高2000 kg的F1等級砝碼的準(zhǔn)確稱量。

       截至項目驗收時，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，解決了高端動力裝備等對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)測速儀和加速度計動態(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(shù)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(biāo)準(zhǔn)裝置和安全氣囊加速度計校準(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)動引領(lǐng)我國相關(guān)制造業(yè)提質(zhì)升級和創(chuàng)新發(fā)展。