摘 要 针对计量领域的精密计量仪器——静重式扭矩标准机，其扭矩平衡装置功能能否正常运转的关键部件是轴承座，其不仅为轴提供支撑，还承受平衡机构微调系统轴传递的各种载荷。一个可靠的轴承座对于减轻轴的偏心振动，保证扭矩标准机的正常工作具有重要作用。但由于軸承座的形状复杂，传统的解析法在计算轴承座的承载性能时存在较大误差。故基于有限元分析软件ANSYS，对扭矩标准机轴承座的承载特性进行仿真分析，为扭矩平衡装置的轴承座结构设计及选型起到重要指导意义。
关键词 ANSYS；精密计量仪器；轴承座；结构设计；承载特性
前言
随着我国经济的迅速发展和社会需求的不断提高，精密仪器的应用领域越来越广，对精密仪器的防微振的优化设计方法也在不断改进和发展中[1]。扭矩标准机作为扭矩计量领域的精密仪器，其扭矩平衡装置的性能好坏，直接测量整机准确度的影响[2-6]。本文通过对一台扭矩标准机扭矩平衡机装置的轴承座特性进行仿真分析，研究对该精密计量仪器的平衡微调系统轴的防微振设计，剖析了作为关键部件之一的轴承座对该扭矩标准机整机性能的影响大小。
为了设计出符合性能要求的轴承座，根据弹性力学薄壁圆环理论，充分考虑轴承工作运转中游隙大小所产生的影响，建立轴承内外圈与轴和轴承座配合的仿真计算模型，同时考虑轴承游隙受到轴承运转过程中内外圈温差膨胀的影响。在此过程，重点仿真分析轴承座强度要求，并侧重于探求轴瓦孔变形与轴承间隙之间的关系，以确保能满足最小油膜厚度的要求[7，8]。
1 关键部件描述
如图1所示为静重式扭矩标准机，属于扭矩计量专业范畴，该扭矩标准机是采用力臂杠杆和砝码的加载原理，即在臂长恒定的力臂杠杆上加载力值砝码（组），从而产生标准扭矩值，然后将标准扭矩值传递到被检扭矩传感器，扭矩平衡装置在将力臂杠杆调整回水平位置的同时产生大小相等方向相反的平衡力矩。通过比较被检扭矩传感器的显示仪表和标准扭矩值，即可得到被检扭矩传感器的示值误差。该扭矩标准机的计量性能主要取决于力臂杠杆的组合机构、刀口及刀承的构造、砝码（组）的稳定性、整机结构及安装质量的好坏。其中，该扭矩标准机的扭矩平衡装置作为核心部件之一，起到实时调整扭矩杠杆顺利平衡的重要作用。如图2所示为扭矩平衡装置的同轴度测量，如图3所示扭矩平衡装置的轴承座为该对扭矩负载的微小调节作用很大，属于精密计量仪器的关键部件，因此有必要对其进行仿真设计。
2 有限元仿真计算
如图4所示为轴承座模型，根据有限元理论、算法及类似部件分析案例[9，10]，轴承座承受主轴传递的水平推力和竖直压力，其应力和应变变化情况为重点考虑对象，选用实体单元 SOLID185单元，材料的弹性模量为1.7E11Pa，泊松比为0.3。如图4为轴承座的应力分布图。
如图5所示，最大等效应力出现在大沉孔下端区域，其值小Q235 钢材的屈服极限240Mpa，轴承座的强度满足要求。轴承座的最大等效应力远小于材料的许用应力，材料特性没有充分发挥出来。
最小油膜厚度是决定轴承能否正常工作的重要因素，轴瓦孔的变形又会影响最小油膜厚度，因此对轴瓦孔的变形估算就变得非常重要。由图6、7的变形分布图可知，轴瓦孔在 X 方向的最大变形为 5.26µm，在 Y 方向的最大变形为 3.85µm，都远远小于轴承间隙允差40µm，因此可以保证最小油膜厚度，即可保证轴承的正常作业。
3 结束语
通过以上分析，计量领域的该扭矩标准机的精密部件之一的重要性，应用 ANSYS 软件进行分析，对其轴承座进行了强度和变形分析，找到了结构最容易破坏的位置，并且发现了材料特性发挥是否充分的问题，为后续的优化设计提供了充分的理论依据。分析结果表明，通过对精密计量仪器轴承座进行仿真分析，轴承座强度符合设计要求，轴瓦孔变形远小于轴承间隙，能满足最小油膜厚度的要求，该轴承座的结构设计满足扭矩标准机平衡装置的设计要求。由此可见，精密计量仪器的轴承座仿真分析可参考此计算分析方法，以获得良好的承载特性。
参考文献
[1] 冯苗锋，杨毅萌，袁姗姗，等.计量精密仪器的防微振设计[J].桂林理工大学学报，2012，32（3）：415-418.
[2] 倪守忠，蒋晓波.摩擦力矩对扭矩标准机测量精度的影响[J].衡器，2014，（12）：30-32.
[3] 倪守忠，蒋晓波，尚贤平，等.超大扭矩标准装置及其力偶控制技术研究[J].衡器，2015，44（12）：14-17.
[4] 朱春梅，王朝霞，胡啸峰.扭矩测量系统的研究与设计[J].机械设计与制造，2009，（5）：30-32.
[5] 熊俊，胡斌.标准扭矩传感器校准系统的研制[J].计测技术，2010，（4）：53-54.
[6] 乔慧，田祥林，王娜娜.无扭矩平衡装置的研究与应用[J].科技创新与应用，2014，（1）：93-94.
[7] 刘越，戈红霞，望运虎.多轴承支撑轴系的轴承工作游隙优化研究[J].车辆与动力技术，2015，（3）：41-44，50.
[8] 陈元华，王国富.柴油机前端主轴承座结构改进及强度分析[J].农业装备与车辆工程，2017，55（3）：62-64，74.
[9] 吴磊，梁卓，林圣存，等.全浮式半轴的结构计算分析与优化设计[J].广西科技大学学报，2017，28（1）：97-102.
[10] 殷有泉.非线性有限元基础.北京：北京大学出版社，2007：33-34.
作者简介
郭贵勇，（1983-），男，福建漳州人，毕业于福州大学机械设计及理论专业，工学硕士，现工作单位：福建省计量科学研究院，研究方向：力与扭矩计量、机械结构设计。