Калибратор крутящего момента

Калибратор крутящего момента — это средство измерений (рабочий эталон, установка, стенд), предназначенное для воспроизведения, хранения и передачи единицы крутящего момента (Н·м) с целью поверки, калибровки и градуировки динамометрических ключей, датчиков момента, моментных винтовёрток и других средств измерений крутящего момента. Калибраторы крутящего момента обеспечивают метрологическую прослеживаемость результатов измерений крутящего момента к государственному первичному эталону единицы крутящего момента.

Назначение и область применения

Калибраторы крутящего момента применяются для:

• Поверки и калибровки динамометрических ключей (ручных, щелчковых, стрелочных, цифровых), моментных отвёрток, гайковёртов с контролем момента, датчиков крутящего момента, моментных стендов.
• Градуировки (установления зависимости между показаниями средства измерений и значением крутящего момента) измерительных преобразователей крутящего момента.
• Контроля точности сборочных операций в машиностроении, авиастроении, автомобилестроении, приборостроении, энергетике, где критично соблюдение заданного усилия затяжки резьбовых соединений.
• Метрологического обеспечения производственных процессов и испытательного оборудования (например, стендов для испытания редукторов, муфт, тормозных систем).

Калибраторы используются в метрологических службах предприятий, аккредитованных лабораториях, центрах стандартизации и метрологии (ЦСМ), а также в сервисных центрах и на ремонтных предприятиях.

Классификация

Калибраторы крутящего момента классифицируются по нескольким признакам.

По типу воспроизводимого момента

• Статические — воспроизводят постоянный (неизменный во времени) крутящий момент. Используются для поверки статических динамометрических ключей и датчиков.
• Динамические — воспроизводят крутящий момент, изменяющийся во времени (например, импульсный, ударный). Применяются для калибровки ударных гайковёртов, моментных ключей с динамическим принципом действия.

По конструктивному исполнению

• Рычажно-грузовые — классический тип, основанный на уравновешивании момента силы тяжести груза, подвешенного на рычаге заданной длины. Обеспечивают высокую точность, но требуют ручного набора момента и громоздки.
• Электронные (тензометрические) — используют тензорезисторный датчик крутящего момента, сигнал с которого обрабатывается электронным блоком. Позволяют автоматизировать процесс, имеют цифровую индикацию, возможность записи результатов. Наиболее распространённый тип в современных лабораториях.
• Электромеханические — сочетают электродвигатель с редуктором и датчик момента. Могут работать как в режиме задатчика момента (нагружения), так и в режиме измерения. Часто используются в составе автоматизированных стендов.
• Гидравлические — используют гидравлический цилиндр для создания усилия на рычаге. Применяются для калибровки высокомоментных ключей (свыше 1000 Н·м).

По классу точности

Класс точности калибратора определяется пределами допускаемой основной погрешности. В соответствии с ГОСТ Р 8.661-2009 (ГСИ. Калибраторы крутящего момента. Методы поверки) и рекомендациями международных стандартов (ISO 6789, DIN 51309) устанавливаются классы:

• 0,5 — пределы допускаемой относительной погрешности ±0,5 %.
• 1,0 — ±1,0 %.
• 2,0 — ±2,0 %.
• 5,0 — ±5,0 % (для рабочих средств измерений).

Для эталонных калибраторов (рабочих эталонов 1-го и 2-го разрядов) погрешность может составлять ±0,1 % и менее.

Устройство и принцип действия

Рычажно-грузовой калибратор

Основные элементы: рычаг известной длины (плечо), ось вращения, груз (набор грузов) известной массы, опорная стойка, фиксатор.

Принцип действия: на рычаг, жёстко связанный с поверяемым инструментом (например, динамометрическим ключом), подвешивается груз массой m. Крутящий момент M вычисляется по формуле: M = m × g × L, где g — ускорение свободного падения (9,80665 м/с²), L — длина плеча рычага. Поворот рычага под действием груза создаёт момент, который воспринимается поверяемым ключом. Показания ключа сравниваются с расчётным значением.

Электронный (тензометрический) калибратор

Основные элементы: тензорезисторный датчик крутящего момента (торсионный вал с наклеенными тензорезисторами), электронный блок обработки сигнала (АЦП, микроконтроллер), цифровой дисплей, интерфейсы связи (RS-232, USB, Ethernet), приспособление для закрепления поверяемого инструмента (например, квадратный хвостовик, патрон).

Принцип действия: поверяемый инструмент (ключ, отвёртка) через переходник соединяется с датчиком калибратора. При приложении усилия к инструменту торсионный вал датчика закручивается на малый угол. Возникающая деформация (сдвиг) регистрируется тензорезисторами, включёнными в мостовую схему. Изменение сопротивления преобразуется в электрический сигнал, который после усиления и аналого-цифрового преобразования отображается на дисплее в единицах крутящего момента (Н·м, кгс·м, lbf·ft). Электронный блок может запоминать пиковое значение (максимальный момент), усреднять показания, вести журнал измерений.

Метрологическое обеспечение

В Российской Федерации метрологическое обеспечение измерений крутящего момента регламентируется государственной поверочной схемой (ГПС) для средств измерений крутящего момента силы (ГОСТ 8.541-86). Государственный первичный эталон единицы крутящего момента (ГЭТ 149-2010) хранится во Всероссийском научно-исследовательском институте метрологической службы (ВНИИМС, г. Москва). Эталон воспроизводит крутящий момент в диапазоне от 1 до 50000 Н·м с погрешностью не более 0,01 %.

Калибраторы крутящего момента подлежат обязательной первичной и периодической поверке в аккредитованных метрологических службах. Межповерочный интервал обычно составляет 1 год (для лабораторных калибраторов) или 6 месяцев (для калибраторов, используемых в производственных условиях). Результаты поверки оформляются свидетельством о поверке или внесением записи в паспорт средства измерений.

Примеры калибраторов крутящего момента

• КМ-1, КМ-2, КМ-3 (Россия) — рычажно-грузовые калибраторы, выпускаемые ООО «НПП «Автоматика» (г. Омск). Диапазон от 0,2 до 2000 Н·м, класс точности 0,5.
• Tohnichi (Япония) — серия электронных калибраторов (например, TME, TMS, TME2). Диапазон от 0,1 до 1000 Н·м, погрешность ±0,5 %.
• Norbar (Великобритания) — серии Pro-Test, T-Box, TT. Электронные калибраторы с возможностью работы в режимах «пик», «среднее», «след». Диапазон до 10000 Н·м.
• Sturtevant Richmont (США) — серия M-5, M-10. Рычажно-грузовые калибраторы, используемые в авиационной и космической промышленности.
• Hazet (Германия) — калибраторы для динамометрических ключей (например, 7900-1). Электронные, с интерфейсом USB.

Критика и ограничения

• Чувствительность к условиям эксплуатации — электронные калибраторы требуют стабильной температуры (обычно 20±5 °C) и влажности (не более 80 %). Внешние вибрации и удары могут искажать показания.
• Необходимость квалифицированного персонала — работа с рычажно-грузовыми калибраторами требует аккуратности при установке грузов, а с электронными — понимания настроек и режимов измерения.
• Ограниченный диапазон — один калибратор, как правило, перекрывает не весь диапазон моментов (например, от 0,1 до 200 Н·м), а несколько поддиапазонов, что требует приобретения нескольких приборов.
• Стоимость — высокоточные электронные калибраторы (класс 0,5 и выше) могут стоить от 100 000 до 500 000 рублей и более, что делает их недоступными для мелких предприятий.
• Сложность поверки — поверка самого калибратора требует наличия эталонов более высокого разряда, что возможно только в аккредитованных лабораториях.

Интересные факты

• Первые рычажно-грузовые калибраторы появились в начале XX века одновременно с развитием автомобильной промышленности, когда потребовалась точная затяжка резьбовых соединений.
• В СССР серийное производство калибраторов крутящего момента началось в 1960-х годах на заводе «Калибр» (г. Москва) и на Омском приборостроительном заводе.
• Современные электронные калибраторы могут подключаться к компьютеру через USB или Bluetooth и работать с программным обеспечением для автоматизации поверочных работ, формирования протоколов и отчётов.
• В метрологии крутящего момента существует понятие «динамический момент» — момент, возникающий при ударном воздействии (например, при работе ударного гайковёрта). Для его измерения и калибровки применяются специализированные динамические калибраторы, которые значительно сложнее статических.

Источники

1. ГОСТ 8.541-86 «ГСИ. Государственная поверочная схема для средств измерений крутящего момента силы».
2. ГОСТ Р 8.661-2009 «ГСИ. Калибраторы крутящего момента. Методы поверки».
3. МИ 3187-2009 «ГСИ. Калибраторы крутящего момента. Методика поверки».
4. ISO 6789:2017 «Assembly tools for screws and nuts — Hand torque tools — Requirements and test methods for design conformance testing, quality conformance testing and recalibration procedure».
5. DIN 51309:2005 «Material testing machines — Calibration of torque measuring devices».
6. Паспорт и руководство по эксплуатации на калибратор крутящего момента КМ-1 (ООО «НПП «Автоматика», г. Омск).
7. Каталог продукции Norbar Torque Tools (Великобритания).
8. Каталог продукции Tohnichi Mfg. Co., Ltd. (Япония).