材料试验机的误差特性

    万能材料试验机可以用来对各种金属和非金属材料进行拉伸、压缩、弯曲、扭转、剪切、冲击,以及疲劳试验,以确定其各种机械性能,正确使用万能材料试验机可以确保正确合理的选择材料和使用材料,做到既经济又安全。可见,万能材料试验机是一种应用领域十分广泛的精密仪器。

 

    本文就是以WE系列万能试验机为例从其工作原理入手来分析各类示值误差产生的原因。

 

    工作原理WE系列万能材料试验机是基于液压摆锤测力原理来设计制造的。首先,我们来简单讨论一下该试验机的液压系统是如何工作的。如图1,打开送油阀,油液经油管1进入工作油缸3内,使工作活塞4上升对试样加荷。同时,一部分油液经油管流入缓冲阀(图略),再通过油管2进入测力油缸5内,测力油缸5内的测力活塞6在油压作用下下移,通过拉杆、摆杆、推板、丝杆而使指针沿度盘刻度转动,指示出试验载荷数值。

 

    图1液压系统工作原理简图由帕斯卡原理,我们知道加在密闭液体任一部分的压强,必然按其原来的大小,由液体向各个方向传递。因此,易得：F测力A1=F工作A2(1)其中,F测力测力活塞所受到的力;F工作工作活塞所受到的力,也是我们标准测力仪所受的力;A1、A2分别是测力活塞和工作活塞的有效面积。

 

    其中,需要注意的是,A为有效面积,并不等于实际面积。有效面积略大于实际面积。如图2,当力作用到测力活塞后,F1作用到短臂R上,根据力矩平衡原理：GLsin=F1Rcos(-)(2)其中,G摆砣重量;L摆杆长度;摆锤扬起角度;F1=0时,短臂R与摆轴水平线的夹角;F1短臂R所受到的力,正常情况等于F测力;R短臂R长。

 

    又由图2易得：x=msincoscos(-)(3)其中,x在F1作用下,推杆(丝杆)移动的距离;m丝杆到摆轴轴心的距离。由公式(1)、公式(2)、公式(3)连立求解得：x=mRA1GLA2cosF2(4)F2标准测力仪所受的力,正常情况下等于F工作。又指针偏转角度有：=2xd=2mRA1dGLA2cosF2(5)其中,度盘指针偏转角度;d指针同轴齿轮节圆半径。公式(5)中,m、R、A1、A2、d、L、G、均为常数,所以与F2成正比,所以试验机标称刻度是等分。

 

    3误差分析从公式(4),我们很容易发现,各个常数在设计时都是定值,但是只要有一个发生改变,x就会发生变化。其中,m、R、A1、A2、L、G与x成正比或反比,对x的示值误差影响都较好分析。这里主要是要分析F和带来的示值误差。21测力机构和主体部分摩擦力的影响首先谈谈F的影响。当试验机测力活塞存在摩擦的时候,公式(1)为：F1+f摩擦力A1=F2A2(6)则公式(5)变为：x1=mRA1GLA2cosF2-mRGLcosf摩擦力(7)图2摆锤测力原理图此时示值相对误差为：=x1-xx=mRA1GLA1cosF2-mRGLcosf摩擦力-mRA1GLA2cosF2/mRA1GLA2cosF2=-f摩擦力A1A2F2(8)可见,为负值。

 

    且根据关于摩擦的物理知识,我们还可以得出其误差特征：测力活塞摩擦力造成的误差为负值,随着负荷增加,其相对误差逐渐减小。同理,我们可以得到如试验机主体部分产生摩擦力的误差特征为：误差为正值,随着负荷增加,其相对误差逐渐减小。

 

    万能材料试验机扬角改变的影响接下来谈谈对x的影响。根据公式(4)很容易误认为cos也和x成正比。其实这是一个错误,因为有两个含义,根据图2,既是F1=0时,短臂R与水平线的夹角,我们称为1;也是F1=0时推杆与铅垂线的夹角,我们称为2。在正常情况下1=2==2330,我们也才能得到公式(4)。当1发生变化,2不变的情况下,公式(4)就会发生变化：x2=mR