疲勞試驗(yàn)機(jī)同軸度產(chǎn)生的原因及調(diào)整方法

凌 明 魏亞功/.上海市浦東新區(qū)計(jì)量質(zhì)量檢測(cè)所；.上海華龍測(cè)試儀器有限公司

0 引言

拉、壓疲勞試驗(yàn)機(jī)主要用于材料的力學(xué)性能試驗(yàn)。由于設(shè)計(jì)、加工、安裝、使用等多方面因素的影響,試驗(yàn)機(jī)不可避免地存在同軸度誤差。同軸度誤差的存在使材料作拉伸試驗(yàn)時(shí)引入附加彎矩,從而影響到試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。拉、壓疲勞試驗(yàn)機(jī)的上、下液壓夾頭同軸度指標(biāo)是影響材料疲勞壽命的一項(xiàng)重要技術(shù)參數(shù)，因此需要對(duì)上、下液壓夾頭不同軸產(chǎn)生原因進(jìn)行分析，然后進(jìn)行調(diào)整，達(dá)到符合規(guī)程要求的同軸度，保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果可靠性。

1 同軸度對(duì)試驗(yàn)力的影響

拉壓疲勞試驗(yàn)機(jī)的上、下液壓夾頭(以下簡(jiǎn)稱夾頭)的同軸度，對(duì)試驗(yàn)機(jī)的力值準(zhǔn)確度有明顯影響。本文對(duì)規(guī)格為50 kN的1級(jí)拉壓疲勞試驗(yàn)機(jī)的拉力進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)結(jié)果

數(shù)據(jù)表明，同軸度對(duì)試驗(yàn)力有影響，而且還很大。上述試驗(yàn)機(jī)的幾何同軸度為0.25%，已經(jīng)導(dǎo)致1 kN點(diǎn)的力值誤差達(dá)到了1.9%，超出了規(guī)程規(guī)定的1%范圍。因此，僅僅滿足JJG556-2011《軸向加荷疲勞試驗(yàn)機(jī)檢定規(guī)程》中對(duì)上、下夾頭的同軸度的8%～12%的要求是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。

2 同軸度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響

拉壓疲勞試驗(yàn)機(jī)(圖1)的上、下液壓夾頭同軸度，除了影響試驗(yàn)力的準(zhǔn)確度以外，也對(duì)材料的拉、壓疲勞試驗(yàn)結(jié)果有較大影響，尤其對(duì)低應(yīng)變的試驗(yàn)影響更甚。因?yàn)樯?、下夾頭的不同軸，會(huì)引入附加彎曲應(yīng)力并疊加到平均應(yīng)力上，造成應(yīng)力局部集中，降低材料疲勞壽命。

圖1 拉壓疲勞試驗(yàn)機(jī)夾頭夾持試樣

試驗(yàn)機(jī)上、下夾頭的幾何同軸度一般有這樣3種類型：

(1) 上、下夾頭只有夾持中心位移，使材料在拉伸或拉壓試驗(yàn)時(shí)增加了彎曲應(yīng)力，見(jiàn)圖2(a)。如果中間斷開(kāi)，此時(shí)試樣就成為懸臂彎曲。

(2) 如果上、下夾頭只有同向夾持傾斜，則試樣處于純彎曲，見(jiàn)圖2(b)。

(3) 如果上、下夾頭既有中心位移，又重疊夾持傾斜。這種情況會(huì)呈現(xiàn)三種夾持方式：

1) 即一端夾持傾斜，另一端純中心位移，見(jiàn)圖3(a)。

2) 或一端夾持傾斜，而另一端中心位移及夾持傾斜，見(jiàn)圖3(b)。

圖2 上、下夾頭呈現(xiàn)的兩種夾持情況

3) 也可能兩端夾持傾斜和中心有位移，見(jiàn)圖3(c)。

圖3 上、下夾頭呈現(xiàn)的三種夾持情況

上、下夾頭不同軸的存在會(huì)使拉壓疲勞試驗(yàn)試樣不在中間疲勞斷裂。

為了得到材料疲勞試驗(yàn)準(zhǔn)確的結(jié)果，除了要求有較好的力值準(zhǔn)確度外，還要求試驗(yàn)機(jī)上、下夾頭有較好的同軸度。

由于目前沒(méi)有受力同軸度檢驗(yàn)的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)定，沒(méi)有同軸度基、標(biāo)準(zhǔn)溯源的途徑，所以日常檢定工作中主要是考核幾何同軸度為主。

3 幾何同軸度產(chǎn)生的原因與檢查

3.1 幾何同軸度的產(chǎn)生原因

影響試驗(yàn)機(jī)上、下夾頭同軸度的因素很多，下文對(duì)試驗(yàn)機(jī)同軸度產(chǎn)生的原因、檢測(cè)方法和調(diào)整技巧談?wù)効捶ā?/p>

（1）試驗(yàn)機(jī)活動(dòng)橫梁升降的平穩(wěn)性

試驗(yàn)機(jī)橫梁升降平穩(wěn)性主要取決試驗(yàn)機(jī)立柱的加工精度和裝配后的平行度，還取決于橫梁和立柱間的夾緊方式及橫梁和立柱間的間隙大小，這些都是加工和裝配的結(jié)果，也是不可調(diào)整的。

（2）橫梁升降時(shí)安裝力傳感器的下平面平行性

試驗(yàn)機(jī)橫梁下底面(傳感器基面)在橫梁升(或降)后的水平重復(fù)性也是先天決定的，它隨著橫梁升(或降)后橫梁夾緊，橫梁下底面水平發(fā)生變化，產(chǎn)生后果是使上夾頭的夾持產(chǎn)生傾斜。

（3）單個(gè)夾頭夾持的傾斜與否、夾頭夾持的重復(fù)性、夾頭塊的互換性也影響試驗(yàn)機(jī)的同軸度。

（4）斜面墊(防松墊)上下平面的平行性等都能影響試驗(yàn)機(jī)上下夾頭同軸度。

3.2 同軸度的幾種檢驗(yàn)方法

試驗(yàn)前檢測(cè)試驗(yàn)機(jī)夾頭同軸度方法主要有以下4種：

（1）利用兩根圓試樣分別夾在上、下夾頭上，見(jiàn)圖4(a)。把V型鐵靠在下面的試樣上轉(zhuǎn)一周，利用百分表測(cè)量上面試樣A、B兩端位移及計(jì)算得到試樣傾斜量、傾斜方向。

（2）利用一根標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)圓棒和帶平臺(tái)的中心檢驗(yàn)棒分別夾在上、下夾頭上，見(jiàn)圖4(b)，轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)盤一周，分別測(cè)得標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)圓棒A、B兩端位移及計(jì)算出試樣傾斜量、傾斜方向。

（3）以底座為基礎(chǔ)，分別測(cè)量上、下檢具的平移和傾斜，見(jiàn)圖4(c)。

圖4 試驗(yàn)機(jī)夾頭同軸度的檢測(cè)方法

第一、二種方法共同點(diǎn)都是利用下夾頭夾持一根檢具(棒)作為基礎(chǔ)來(lái)測(cè)量上夾頭夾持的檢具，得到夾頭的平移和傾斜，這樣測(cè)量用的基礎(chǔ)本身受到下夾頭的夾持后是否傾斜的影響。對(duì)尋找平移和傾斜的原因不方便。第三種方法下轉(zhuǎn)動(dòng)軸也受到下夾頭夾持后傾斜與否的影響，并且也影響到上夾頭檢具的測(cè)量結(jié)果，對(duì)排除和分析帶來(lái)麻煩，觀察也不直觀。并且第二、三種需要旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤，則轉(zhuǎn)盤與轉(zhuǎn)軸間存在間隙也將影響測(cè)量結(jié)果。按照?qǐng)D4(a)、(b)、(c)對(duì)同一臺(tái)試驗(yàn)機(jī)的同軸度進(jìn)行檢驗(yàn)得結(jié)果如表2（數(shù)據(jù)表明幾種檢驗(yàn)方法對(duì)檢驗(yàn)結(jié)果影響不大）。

表2 同一臺(tái)試驗(yàn)機(jī)的同軸度檢驗(yàn)的結(jié)果

（4）上、下夾頭同軸度測(cè)量方法見(jiàn)圖5。測(cè)量時(shí)可用低壓把同心棒夾緊，基準(zhǔn)板放在液壓夾頭上平面，兩圓柱(圓柱也可用內(nèi)六角螺釘代替)靠緊液壓夾頭側(cè)面轉(zhuǎn)一圈，可以得到同心棒A處百分表讀數(shù)，同樣可讀得B處讀數(shù)，依據(jù)百分表讀數(shù)可按下式計(jì)算偏心值：

式中：eA—為A處的偏心值；

Xmax、Xmin—百分表最大和最小讀數(shù)；

ΔA-B—A、B兩處偏心值之差。

如果A、B兩處偏心值相同，即ΔA-B為零，則可認(rèn)為同心棒垂直于液壓夾頭上平面。如果偏心值e很小，說(shuō)明同心棒處于夾頭夾持中心。如果A、B兩處偏移值大致相同eA≈eB≈0，則說(shuō)明位移和傾斜都沒(méi)有(比較小)。只對(duì)一個(gè)夾頭而言，靠近夾頭近的點(diǎn)偏移量eA不可能大，此時(shí)只須觀察eA、eB值是否一致，若一致說(shuō)明該夾頭裝上試驗(yàn)機(jī)后，試驗(yàn)機(jī)同軸度能調(diào)得很理想。按第四種方法測(cè)量時(shí)，利用的基礎(chǔ)是夾頭的上平面和外圓，此平面在加工時(shí)與夾頭中心線互相垂直，外圓中心線與夾頭中心線重合(此兩點(diǎn)加工時(shí)工藝保證)。所以它可以客觀地分別測(cè)得上、下夾頭的夾持情況，它不受另一夾頭的影響，也可用一個(gè)為基準(zhǔn)測(cè)另一個(gè)，給測(cè)量和調(diào)整帶來(lái)方便。

圖5 試驗(yàn)機(jī)夾頭同軸度的檢測(cè)方法

一般試驗(yàn)機(jī)用戶都能進(jìn)行四種測(cè)量方法，而且比較方便，其中用第四種方法，從準(zhǔn)備到測(cè)量既方便又可靠。

4 同軸度的調(diào)整方法

單個(gè)夾頭夾持同軸度是描述同心棒中心線與夾頭夾持中心線重合的程度，e、Δ值小說(shuō)明單個(gè)夾頭同軸度好。在調(diào)整試驗(yàn)機(jī)同軸度時(shí)，因立柱、橫梁鎖緊方式已定，要改動(dòng)比較困難，單個(gè)夾頭夾持同軸度是關(guān)鍵。試驗(yàn)機(jī)同軸度要求500mm長(zhǎng)時(shí)Δ為0.3mm，所以單個(gè)夾頭夾持同軸度Δ值最好調(diào)至0.1mm，e值盡量小。e值大反映同心棒中心線與夾頭夾持中心線位移大，說(shuō)明兩夾頭塊不一致或左右?jiàn)A頭塊的基角β不一致(見(jiàn)圖6)，可改變基角加以修正。

圖6 夾頭剖視圖

測(cè)量試驗(yàn)機(jī)的同軸度，其目的是要尋找和得到較好的夾頭同軸度。從試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)看，活動(dòng)橫梁兩端與立柱間的間隙是關(guān)鍵，間隙兩端不一致會(huì)引起橫梁升(或降)時(shí)，橫梁傳感器基面不平行，直接影響上夾頭夾持傾斜。在調(diào)整兩端間隙時(shí)，可以在活動(dòng)橫梁上放一水平儀，其間隙調(diào)整至活動(dòng)橫梁上升(或下降)自如，并且水平儀的水平變化盡量小，這是保證上下夾頭同軸度的基礎(chǔ)。其實(shí)這個(gè)環(huán)節(jié)出廠時(shí)已調(diào)得差不多，使用者應(yīng)該在更換夾頭或在更換夾頭塊后，注意測(cè)量和調(diào)整上下夾頭的同軸度。

上文分析單個(gè)夾頭的自身同軸度比較重要，也是保證上、下夾頭同軸度的基礎(chǔ)?？梢岳脠D4(d)所示的方法反復(fù)測(cè)量，測(cè)量單個(gè)夾頭夾持校驗(yàn)棒的同軸度變化，看其是否重復(fù)性好。測(cè)量和調(diào)整單個(gè)夾頭主要是eA≈eB，使校驗(yàn)棒垂直于夾頭上端面。如果是eA= eB并且偏的方向不變，說(shuō)明此時(shí)的夾頭塊的基角β兩邊不對(duì)稱，需要修正β角，使eA≈eB。如果偏的方向總在變化，則說(shuō)明夾頭的活塞內(nèi)腔斜角 β塞與夾頭B夾不吻合，此時(shí)需要修正。按理應(yīng)把活塞兩邊的β塞修得對(duì)稱并與β夾一樣，但是修活塞內(nèi)腔，首先得把活塞拆出，這樣比較麻煩。雖然此時(shí)修理夾頭塊比較方便，但修完后，夾頭塊不能互換，只能記住方向單配。只要調(diào)整到單個(gè)夾頭，使eA≈eB，且重復(fù)性好，則把夾頭裝上試驗(yàn)機(jī)后就比較好調(diào)整了。因?yàn)閑的大小只是中心平移，再調(diào)整時(shí)比較簡(jiǎn)單。

裝好兩個(gè)夾頭后預(yù)鎖緊是關(guān)鍵，通過(guò)超載拉力后的鎖緊(調(diào)整斜面墊)，試驗(yàn)機(jī)在做拉、壓雙向試驗(yàn)時(shí)，夾頭同軸度不會(huì)發(fā)生變化，材料疲勞試驗(yàn)?zāi)軌虻玫奖容^滿意的結(jié)果。

5 結(jié)語(yǔ)

本文不僅介紹了試驗(yàn)機(jī)上、下液壓夾頭同軸度的測(cè)量方法，更剖析了同軸度產(chǎn)生的原因并給出進(jìn)行疲勞試驗(yàn)前更換或裝拆液壓夾頭時(shí)調(diào)整同軸度的經(jīng)驗(yàn)和方法，方便廣大試驗(yàn)機(jī)操作人員實(shí)際操作。

[1]全國(guó)力值硬度計(jì)量技術(shù)委員會(huì).JJG556-2011[S].北京：中國(guó)計(jì)量出版社，2011.

[2]張貴仁.材料試驗(yàn)機(jī)[M].北京：中國(guó)計(jì)量出版社，2009.