拉力試驗機是一種常用的力學(xué)檢測設(shè)備，是保證材料拉伸、壓縮、彎曲、撕裂、剝離等試驗順利進行的基礎(chǔ)檢測設(shè)備。電子萬能試驗機主要包括計算機控制系統(tǒng)、動力傳動系統(tǒng)、測力機構(gòu)、傳感器及工作臺。下圖拉力機包括底部的工作臺和門字形的框架，安裝在框架上的移動梁作為移動端，臺面或頂端的固定梁作為固定端，固定端直接連夾具，移動端通過力學(xué)傳感器連接夾具。試樣的兩端固定在兩個夾具上，移動端以一定的速度運動，試樣被拉伸或壓縮，記錄力學(xué)傳感器上的力值和對應(yīng)的移動端位移和時間，給出受力曲線。
拉力試驗機的典型結(jié)構(gòu)圖
力學(xué)傳感器屬于拉力試驗機上的精密部件，也是易損部件，當(dāng)力學(xué)傳感器上所受到的力達到或超過破壞極限，就會造成損壞。
為了避免力學(xué)傳感器的破壞，現(xiàn)有的拉力試驗機上也有多種保護措施。
比如降低傳感器的量程:假設(shè)力學(xué)傳感器出廠的量程標(biāo)注為1000N，實際的破壞極限可能是1100N，多余的這100N作為保險系數(shù)。
再比如拉力試驗機上設(shè)置報警或停機力值，當(dāng)力學(xué)傳感器所受力值達到設(shè)定值時設(shè)備會發(fā)出報警，并且停止運行，避免過載破壞。
最后，作為最基本的保護手段，拉力試驗機上都設(shè)有急停按鈕，檢測時操作人員一直關(guān)注力值變化，當(dāng)發(fā)現(xiàn)力值馬上就要超過量程時，可以手動啟動急停按鈕，避免過載破壞。
不過，多數(shù)情況下，操作人員如果不提前判斷的話，反應(yīng)速度還不如拉力試驗機自身的停機保護更快些。
實際操作中，即使在這多重保護措施之下，力學(xué)傳感器受力超過破壞極限而損壞的情況仍然時有發(fā)生。
原因是：
(1)測試模量比較高的材料時容易超量程，無論是拉伸還是壓縮，力值都會急劇上升，如果移動端的運行速度又較快，這種情況下監(jiān)測力學(xué)傳感器所受力值達到報警力值再采取措施往往為時已晚，因為力值上升太快，在保護機制執(zhí)行的過程中，力值已經(jīng)超過力學(xué)傳感器的破壞極限；
(2)在壓縮測試過程中，即使模量再低的材料，壓縮到一定程度之后，力值也會急劇上升，很容易超過破壞極限造成力學(xué)傳感器的損壞。
所以說，上述幾種保護措施并非萬無一失，拉力試驗機上的力學(xué)傳感器還需要更加有效的保護方案。
拉力機過載保護解決的方案：
(1)原理部分
上述幾種保護措施，特別是閉環(huán)控制方式，從原理上說是有效的，問題在于這幾種措施都有一定的局限。
在量程上設(shè)置裕量的方式，對于偶爾出現(xiàn)的某些稍微超過量程的情況，可以避免傳感器的破壞，但是如果負荷繼續(xù)增加，傳感器還是會被壓壞。
閉環(huán)控制的方式，可以通過設(shè)置恰當(dāng)?shù)膱缶蛲C條件而發(fā)揮作用。
但是，從檢測到報警信號到停機還有一定的響應(yīng)時間，在快速壓縮過程中，這個響應(yīng)時間內(nèi)系統(tǒng)過載足以把傳感器壓壞。
采用急停的方式，更是依賴于操作者的反應(yīng)靈敏程度，不能作為常規(guī)的保護措施。
文中所采用的方案是在移動梁和固定梁之間增加預(yù)壓緊或預(yù)拉伸的彈性裝置，當(dāng)負荷達到預(yù)壓緊力或預(yù)拉伸力時，彈性裝置繼續(xù)發(fā)生變形，從而在試樣的壓縮或拉伸之外串聯(lián)一個彈性裝置的壓縮或拉伸變化，受力相同時變形量增加，或者變形相同時受力更小。
此時再結(jié)合在量程上設(shè)置裕量的保護方式以及閉環(huán)控制的方式，可以保證在壓力傳感器達到破壞極限之前采取報警或停機措施。
(2)方案部分防止壓縮過載的保護裝置如圖2所示，彈性保護裝置包括內(nèi)部的彈性元件和外殼，外殼有一個端蓋可以向內(nèi)運動，彈簧以一定的壓縮量裝配到外殼中。
幾種拉力試驗機過載保護裝置
綜合保護護裝置保護裝置裝置確定壓縮量的標(biāo)準(zhǔn)是:當(dāng)傳感器受到的壓縮力大于傳感器的量程時，端蓋壓縮彈簧繼續(xù)向內(nèi)運動，為閉環(huán)控制系統(tǒng)留出反應(yīng)時間，避免傳感器被壓壞。
當(dāng)傳感器受到的壓縮力小于傳感器的量程時，端蓋受到彈簧的擠壓和外殼的限制而不能運動，從而不影響測量結(jié)果。
同理，可以設(shè)計出如圖3所示的防止拉伸過載的保護裝置，以及把壓縮過載保護裝置和拉伸過載保護裝置結(jié)合起來形成的如圖4所示的保護裝置，可以同時實現(xiàn)壓縮和拉伸的過載保護。
應(yīng)用實例分析：
汽車內(nèi)飾頂棚是一種復(fù)合材料，包括三明治骨架和復(fù)合在三明治骨架上的面料，采用模壓工藝生產(chǎn)。
厚度是頂棚的一個重要指標(biāo)，在與護板、扶手等部件配合的部位都需要滿足厚度的要求，所以一般采用在模具上增加限位的方式來保證厚度。
為了在實驗室模擬頂棚的壓制過程，作者制作了一對小模具，采用拉力試驗機來提供壓力，這時候就遇到了前面所說的壓力過載保護的問題。當(dāng)小模具到達限位之后，不能像實際生產(chǎn)的壓機一樣達到壓力及時停止，而是按照設(shè)定的速度繼續(xù)下行，直至接收到停機信號。
采用圖2所示的設(shè)計方案，按照傳感器的量程2000N采用彈性系數(shù)200N/mm的彈簧制作了壓縮保護裝置，當(dāng)壓力達到2000N之后，移動梁繼續(xù)以1mm/s的速度下行，1s之后才能達到2200N，如果傳感器的破壞極限是2200N，則為系統(tǒng)提供了1秒的緩沖時間，確保閉環(huán)控制系統(tǒng)能夠發(fā)揮保護作用。
如果沒有彈性保護裝置，壓力會在瞬間突破2500N，把傳感器壓壞。
采用力學(xué)傳感器上串聯(lián)預(yù)壓縮和/或預(yù)拉伸的彈性保護裝置的方法，結(jié)合傳感器預(yù)留的量程裕量和控制系統(tǒng)的閉環(huán)控制報警措施，可以避免拉力試驗機在某些情況下響應(yīng)時間過長而導(dǎo)致的過載保護措施失效的問題，避免傳感器被壓壞。
雙柱拉力試驗機
總的來說，上面這套過載保護的設(shè)計方案可行性是沒有問題的，即在拉力試驗機上，通過預(yù)壓縮或預(yù)拉伸的彈性保護裝置，結(jié)合傳感器預(yù)留的量程余量和控制系統(tǒng)的閉環(huán)控制保護措施，可以在傳感器負荷急劇上升時提供過載保護，為控制系統(tǒng)爭取到寶貴的響應(yīng)時間，避免拉力試驗機過載時對力學(xué)傳感器的損傷。最后也希望這種設(shè)計能盡快大量運用到拉力試驗機的實際制造過程中。
來源：天氏庫力 發(fā)布日期
2018-12-12 瀏覽：
