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万能材料试验机为什么有档位之分

发布时间：2012-02-06

以前经常碰到准备购置万能试验机的用户，首先遇到的问题一定是：我需要的是多大(多小)的试验机？换句话说，以后我用这台机子做试验，试验结果可能在多大范围内？例如，该机将主要用来做某种金属材料试验，要求试验结果有屈服点、极限强度等，试棒规格在φ12-φ32之间，正常情况下φ32的试棒在300kN左右开始屈服，500kN左右达到极限抗拉，那么该试验机*大量程应为600kN比较合适。同时，又要完成φ12试棒的试验，其屈服点大致在42kN，要求该机在40kN附近能保证1级精度。由于 EQ \\F(40,600) =6.7%，所以该机至少应在600kN的6%～100%范围内保证精度要求，一台三档的600kN试验机就可以满足要求了。如果考虑到留有余地，也可以选购1000kN级的4档试验机，在20kN～1000kN之间都可以提供准确有效的数据。具体档位分配通常如下表所示：
万能试验机规格、档位、量程对照表规格
分档 100kN 300kN 600kN 1000kN
三档4-100% 4-100kN 12-300 kN 24-600 kN 40-1000 kN
四档2-100% 2-100 kN 6-300 kN 12-600 kN 20-1000 kN
五档1-100% 1-100 kN 3-300 kN 6-600 kN 10-1000 kN
六档0.4-100% 0.4-100 kN 1.2-300 kN 2.4-600 kN 4--1000 kN
　
由上表可知某种规格已确定的机型，其分档越多，量程范围越大，显然，仅就这一指标而言，用户的希望一定是：档位越多越好！
　
然而，天上不会掉下馅饼，的更优异性能一定需要付出更高代价的。回顾经典机型动摆式万能试验机，在其度盘中清一色设置的是三档，何以不设为四挡呢？因为对于这一款纯机械式的产品而言，影响其精度的摩擦力除了上篇文章中谈到fH和fk外，还有动摆机构内部数十个零部件相对运动(既有滑动，也有转动)带来的综合摩擦力fD，影响精度的不利因素比电测机型更多，因此，三档对动摆机来说是性能和成本的*佳平衡；做成四档未尝做不到，但需要反复调试、修整，量产有困难；五档几乎不可能。随着传感器和微电子技术的发展，应用在试验机上的电测系统在性能和成本上已超越或接近于动摆测力系统，动摆机在万能机舞台上已逐渐从主角的位置上退了下来。使用传感器电测系统，由于可以排除摩擦力fD的有害影响，可以比较容易地比动摆机扩展一档，达到量产四档机的水准；通过选用工艺更精良的机械主体、更精密的传感器和放大板，也可以不太困难的做到五档机的水准，但是，六档机，仍然是一个困难的目标。
　
难在何处？我们以600kN级万能试验机为例，从机械和微电子两个方面来作一分析。首先，6档的低端的0.4%FS,，也就是在 600×0.4%=2.4kN这一点上要求测力误差不大于±1%，即，误差**值小于2.4kN×1%=24N≈2.4公斤。即使其它可能影响示值精度的因素都被忽略(假设这量程60000公斤的传感器在2.4公斤时仍然线性，假设2.4公斤时传感器输出的微弱信号放大电路进行大倍率放大时仍然没有失真)，这区区2.4公斤相对于自重近三吨的试验机主体来说仍然是太小了。前文谈过带来误差的摩擦力fk，这个fk实际上是两个接触面上产生的摩擦力的合力，即上横梁与衬套间摩擦力fk1和衬套与升降丝杆间的摩擦力fk2。由于在调整试验空间时，丝杆是转动的，所以衬套与丝杆间相对位置以及横梁与衬套间相对位置都在变化，使fk1和fk2都在变化中。更为糟糕的是，由于目前绝大多数的万能机主机在活塞与台板之间都在采用球面支杆连接(球面支杆连接的好外是：①当装配过程中上下钳口中心线与活塞中心线有微量不重合时；②当试样外形不够规则导致夹紧时试样受到扭力时，球面支杆在受力后能自动调整受力框架使之微量倾斜，改善试样受力情况，达到简化和改善试验机生产过程中工艺要求的目的。然而这种倾斜使得上横梁会压迫到衬套及丝杆)，球面支杆起自动调整作用时，框架倾斜目前无法测量，导致上横梁对衬套、丝杆的正压力无法计量，所以fk是不可预计和控制的。当然，对于特定试样和特定试验空间，其fk大致不变，可以通过调整软件中的设置来消除影响，然而，当换了试样，改变试验空间高度后，fk变化了，会使精度发生变化，所以，这样做未免是自欺欺人。那么，机械方面的误差因素没办法克服吗？也不是。北方某试验机厂曾少量生产一种万能机主机，该机不采用球座结构，活塞和受力框架间完全刚性连接，用加工精度和整体刚度的大冗余量来保证各受力线重合；上横梁固定在立柱顶端，与丝杆不接触；丝杆固定于底座上不转动，靠内置于移动横梁中的蜗杆机构驱动横梁升降。由此可知，只有使用类似结构的机械主体，方有可能*大程度地消除fk的有害影响，在机械方面达到六档机的可能。由于这一类型的主机加工要求严苛，所以不仅价格倍于链传动球座联结式主体，产量也很少。
　
除了机械部分，在微电子主面还要求：①由于六档机的低端已非常接近于传感器零位，所以传感器本身的噪音和零位漂移都必须非常小 ②放大电路自身噪音也要很小，信噪比要高，放大倍数要恒定 ③以可靠的接地来保证系统零电位一致，要专业电源，过滤电网中固有的脉动和涌动。
　
所以，一台真正意义上的具备六档量程的万能试验机，即使外形粗鄙不堪，它仍然是一件艺术品。它配备**的传感器和放大器，电路中每个元件都经过筛远；需要精良的加工设备来制作它的每一个零件；更重要的是需要一支严谨、负责的技师队伍来操作生产设备、来组装、调试、检验并经过反复的老化考核。做得到所有这些的企业是值得尊敬的。然而，它仍然是一件艺术品，它象征的意义远远超过实用的意义，因为上述的必要条件都是昂贵的。在工业生产中，只有量产的，才是廉价的。奥迪也算好车了吧？价格和传说中手工制造的劳斯莱斯比起来又怎样呢？
　
如果你要面对多种试验对象，需要大量程范围的试验机，原来您准备选择六档的600kN万能试验机，那么，我建议您买一台四档的1000kN液压万能和四档50kN电子万能。两台机子可以毫不勉强地保证您做1kN～1000kN之间的试验，并且在20kN～50kN区间的试验两台机子都能完成。其1kN～1000kN的量程范围，当然远超六档600kN的2.4-600kN量程范围。这两个机型都是量产的，价格适中，而且其性能指标相对于国内生产水平来说完全可以达到，只要是正规厂家生产，相信质量都是有保证的，可以放心使用，而且维护的费用低廉。或许您会说原来某厂家的6档机，只比4档的稍贵一点，这样买2台设备花了我2倍的钱――我猜某厂家的老总一定是您的至交好友，恭喜您买到了便宜，事后别忘了请他吃饭。事实上，且不说日后维护保养的费用，仅就售价而言，一台真正的六档机的价格一定会超出2台四档机价格之和。
　
支持我们不选择分档过多的试验机的另一个理由是，生产厂家为了在低端不超差，有可能牺牲中**的精度。说白了就是某台机子如果按四档出厂，那么整个量程内误差都可控制在同方向的0.5%以内，而如果要调试五档或六档，为了使低端不超，通过调整软件中的参数设置，把精度曲线勉强塞进±1%的框框内，这时可能低端误差-0.9%，**误差+0.9%。虽然就指标而言是不超差的，但其实性能是打折了。*后，以本省计量力学业内一位专家的意见来小结这次讨论吧。我曾就一些厂家在资料上提出的六档量程的提法咨询过他。他认为这只是一种噱头罢了：“除非用户事先提出并支付额外检定费用，我们都是按照三档，*多四档量程来检，检过以后的数据才是被承认的。再说了，谁会买个大磅秤去称个鸡蛋呢？

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