12月1日，由中国计量科学研究院（以下简称“中国计量院”）牵头承担的“十二五”国家重大仪器专项项目“高端动力装置扭矩和速度测量仪器设备的研发与应用”在中国计量院昌平院区通过了科技部组织的专家验收。项目建立了包括20 kN?m高准确度大扭矩标准装置、双天线雷达测速仪、加速度计动态特性校准装置在内的成套科学仪器，攻克了空气轴承制造、无扰动质量参数测量等关键核心技术，大幅提高了我国高端动力装置的关键参数测量能力，为我国轨道交通、高端船舶等核心动力部件的自主设计制造和产业化开发提供了全套解决方案，实现了以高新技术引领相关装备制造业的转型升级。
图1 项目综合验收会现场
高端动力装备是先进交通运输设备、大型发电设备和精密加工机械等重大成套技术装备的心脏，在装备制造业中占有举足轻重的地位。为保障动力装置的工作能力、效率、运转寿命和安全性，必须对传动轴等基础部件的扭矩、转速等关键参数进行准确测量。目前，我国高端动力装备在设计、制造对扭矩、转速等关键参数的测量仍然依赖于进口高端仪器。这严重制约了我国高速列车转向架、大型船舶推进系统、航空发动机、风力发电机组等高端装备核心部件的完全自主设计和研发。为此，中国计量院在“十二五”国家重大仪器专项的支持下，针对高端动力装备对转矩、速度等关键参数的测量需求，展开了对相关科学仪器的研发与应用研究。
据项目负责人，中国计量院力学与声学计量研究所所长张跃研究员介绍，以大型舰船为例，其推进系统的传动主轴通常需要承受几十千牛米的扭矩。舰船快速机动时，瞬时扭矩甚至可高达十几万牛米。如果不能对扭矩、速度进行快速高准确度测量和控制，将损伤传动主轴、降低装备使用寿命，严重时可直接导致主轴失效。
2012年，中国计量院在近四十年的扭矩计量经验基础上，经反复论证，提出了基于新型结构的20 kN?m高精度大扭矩标准装置设计方案。
“为减小支撑部件带来的摩擦扭矩、提高测量准确度，我们选择采用静压空气轴承来替代传统的刀口支撑。但承载力高达20 kN?m的空气轴承，当时即使是德国也不具备加工能力。”张跃介绍说。
为此，中国计量院与合作单位专门就静压空气轴承制造工艺展开了重点攻关。经近4年的努力，项目组克服了材料处理、几何量测量、精密加工和装配等难题，实现了大尺寸、超高精度、超低摩擦扭矩空气轴承的自主研制，使我国空气轴承制造技术水平全面超越进口产品，不仅承载能力高、支撑状态稳，而且更加节能。
除减小轴承支撑部分引入的不确定度分量外，该装置还充分考虑了力臂、砝码等分量引入的不确定度，研发出一系列具有自主知识产权的力臂系统、悬挂系统、砝码加载系统和扭平机构等精密机械和测控系统，并实现了扭矩测量过程的全自动控制。为保障砝码量值的准确可溯源，项目组还自主研发了一套高准确度大质量参数测量装置，首次在国内实现了最高2000 kg的F1等级砝码的准确称量。
截至项目验收时，20 kN?m高精度大扭矩标准装置的测量范围达到了100 N?m~24 kN?m，不确定度优于0.002%（k=2），综合技术指标国际领先。该装置将我国扭矩基准装置的测量上限从5 kN?m扩大到24 kN?m，解决了高端动力装备等对大扭矩量值的溯源问题，打破了大扭矩测量仪器和空气轴承等核心部件完全依赖进口的局面，为我国相关装备的自主设计研发提供了解决方案和技术保障。
图2 20kN?m高准确度大扭矩标准装置
此外，项目还成功研制了速度测量范围（20~350 km/h）的双天线雷达测速仪和加速度计动态特性校准装置，为我国高速铁路能力提升、国产汽车安全气囊加速度计自主研发和产品化提供了重要技术支撑。
目前，项目建立的大质量参数测量装置已服务于国家863计划项目燃料电池-氢气电池的能效分析，空气轴承、扭矩标准装置和安全气囊加速度计校准装置等也已形成面向工程化、产业化的技术档案，将持续驱动引领我国相关制造业提质升级和创新发展。
