1 引 言
对于任何形式施加轴向拉力或压力的拉力试验机、万能试验机、拉压疲劳试验机、蠕变持久强度试验机等‚都要求其保证施加力的轴线与试样轴线相重合‚即要求试验机不仅要具有较小的机械偏心量‚同时‚该试验机系统要具有足够的受力同轴度(以下简称同轴度) 。这样才能保证试验数据的准确可靠‚否则会使试样受到偏心载荷的作用而导致试样提早断裂。为此‚研究和检测材料试验机试样受力后的同轴度始终是令人关心的问题。
2 同轴度检测技术的发展 为了测定试样受力时的同轴度‚人们采用了许多的方式方法进行检测。如几何法:1) 选用一定长度和直径的校验试棒略加施力‚而后用百分表相对两支柱‚检查校验试棒在两支柱间的平行性与倾斜度;2) 用象限水平仪检测校验试棒的倾角;3) 将已加工好的一完整试样从中部切断‚分别装在试验机的上下夹头上‚测其试样的对中性、倾斜性等。这种检测方法在机械加工与装配保证后‚测试结果基本能够令人满意‚但由于此法人为的影响因素较大‚目前已基本无人使用。随着科学技术的不断进步‚人们已采用了高准确度的电子引伸计、应变同轴度传感器‚甚至已有人研制出应力应变传感器‚即在一次装夹或两次装夹的情况下‚同时测出同轴度和所施加的负荷值‚这无疑给检测、检定工作带来了极大的方便‚同时也提高了检测、检定的准确度‚减少了人为因素的影响。
3 同轴度与机械偏心量 同轴度顾名思义是试验机在承受一定轴向负荷的条件下‚试样的几何轴线与试验机施加力的轴线的一致程度。而机械偏心量则是试验机在非施力状态下‚上下夹头几何中心的偏离程度。实际上‚试验机的整个试样施力系统是由多个环节和很多零件组成的。如:作动筒、上下法兰盘、各种试样夹持器、连接器、整机框架以及不同的夹持状态等‚其在受到一定力的作用时‚都会比不受力前有所变化‚甚至变化较大。因此我们认为‚材料试验机机械偏心量的检测是前提条件‚而试样受力同轴度的检测才是结果。根据国家计量检定规程JJG139 - 1999“拉力、压力和万能试验机检定规程”‚可以证明受力同轴度是力学计量检定工作中的一个重要环节。材料试验机的同轴度大小成为金属材料力学性能检测质量的重要影响量。
4 同轴度的一般检测方法
4.1 检测试棒的选择 同轴度检测试棒的选用应与试验机试样夹持器相吻合‚ 试棒本身的同轴度公差为 0102mm。由于试验机施加的负荷越大‚其系统同轴度越好‚所以在jj g139 - 1999“拉力、压力和万能试验机检定规程”中对同轴度检测施加的力值作了规定:一般为试验机满负荷的4 %。由于不同试验机的额定负荷值不同‚试棒的承受能力相差很大‚为了保证检测同轴度的准确‚试棒必须在弹性变形范围内工作。这样人们可以根据材料力学性能理论选择不同弹性模量的材料‚如:钢、黄铜、铝合金等‚以适用于不同负荷的试验机。
4.2 同轴度检测原理通常试验机存在一定的不同轴性‚导致试棒在受力状态时‚其横截面上承受的应力是不均匀的‚附加了一定的弯矩‚故使试棒在拉伸过程中沿试棒轴向的各个方向上产生的应力是不同的。所以‚人们通过测量其每个方向的应变量大小而得知同轴度。则测量应变可以用各种引伸计或应变片电测法。
4.3 同轴度一般检测方法检测时‚先将检验试样夹持在夹头上‚在试样的对称方向各装一个电子引伸计‚ 加至最大力的1 %时调零‚再施加试验力至最大试样力的4 % ‚测量检验试样相对两侧的弹性变形‚ 在相互垂直的方向上各测3次。检验时使用的最大试验力不应超过检验试样的弹性极限。同轴度按下列公式计算。 e =δlmax - δl -δl×100 % 式中:δlmax ———在同一测量点‚检验试样变形较大一侧的变形值; δl -———在同一测量点‚同一次测量中‚检验试样两侧变形的算术平均值。
5 同轴度检测技术的最新发展由于材料试验机对我国的国防工业‚压力容器制造工业‚冶金及金属材料科学研究领域有着重要作用‚所以人们对材料试验机的力值准确度和同轴度两大指标及电控性能的要求不断提高‚此外随着科学技术的不断进步 ‚人们已经在诸多方面取得了可喜的成绩。比如:用一只应力应变传感器‚通过不同的组桥方法可以同时检定材料试验机试验力和同轴度两大指标。这种非电量测量法不仅实现了数字化测量‚简便了传感器装夹‚而且大大提高了测量准确度。该检测系统由应力应变传感器和与之相配的校验仪组成。应力应变传感器是该系统的关键部件之一‚它是采用一个经过特殊热处理工艺和机械加工的柱式弹性体‚并在不同位置上布贴十只经过标定合格的电阻应变片r1～ r10 ‚ 组成三个半桥测量和一个全桥测量的四个惠斯登电桥‚分别测量试验力、轴向应变和两个垂直方向上的弯曲应变。为了减少温度漂移‚ 在传感器的非受力部分粘贴六只同样的应变片作为补偿片 r11～ r16 ‚然后经过充氮和密封处理‚就形成了一只新型应力应变传感器。有了这样一只高准确度双功能传感器‚人们就可以方便地利用电子放大器、单片机或个人电脑进行数据分析、处理‚加上显示和打印单元就形成了一套完整的、具有当代技术水准的力值同轴度检测装置。
6 结束语任何一项计量校准检测工作都是随着科技水平的发展而发展的‚同轴度的检测也是一样‚ 人们从只检测试验机的机械偏心量‚到今天的受力同轴度检测‚从繁杂的装夹到现在的一次加卸荷自动检测‚都体现了科学技术的发展和进步。
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