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

0 引言

拉、壓疲勞試驗機主要用于材料的力學性能試驗。由于設計、加工、安裝、使用等多方面因素的影響,試驗機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時引入附加彎矩,從而影響到試驗結果的準確性。拉、壓疲勞試驗機的上、下液壓夾頭同軸度指標是影響材料疲勞壽命的一項重要技術參數(shù)，因此需要對上、下液壓夾頭不同軸產(chǎn)生原因進行分析，然后進行調(diào)整，達到符合規(guī)程要求的同軸度，保證實驗結果可靠性。

1 同軸度對試驗力的影響

拉壓疲勞試驗機的上、下液壓夾頭(以下簡稱夾頭)的同軸度，對試驗機的力值準確度有明顯影響。本文對規(guī)格為50 kN的1級拉壓疲勞試驗機的拉力進行試驗驗證。試驗結果見表1。

表1 試驗結果

數(shù)據(jù)表明，同軸度對試驗力有影響，而且還很大。上述試驗機的幾何同軸度為0.25%，已經(jīng)導致1 kN點的力值誤差達到了1.9%，超出了規(guī)程規(guī)定的1%范圍。因此，僅僅滿足JJG556-2011《軸向加荷疲勞試驗機檢定規(guī)程》中對上、下夾頭的同軸度的8%～12%的要求是遠遠不夠的。

2 同軸度對試驗結果的影響

拉壓疲勞試驗機(圖1)的上、下液壓夾頭同軸度，除了影響試驗力的準確度以外，也對材料的拉、壓疲勞試驗結果有較大影響，尤其對低應變的試驗影響更甚。因為上、下夾頭的不同軸，會引入附加彎曲應力并疊加到平均應力上，造成應力局部集中，降低材料疲勞壽命。

圖1 拉壓疲勞試驗機夾頭夾持試樣

試驗機上、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時增加了彎曲應力，見圖2(a)。如果中間斷開，此時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使拉壓疲勞試驗試樣不在中間疲勞斷裂。

為了得到材料疲勞試驗準確的結果，除了要求有較好的力值準確度外，還要求試驗機上、下夾頭有較好的同軸度。

由于目前沒有受力同軸度檢驗的有關標準或規(guī)定，沒有同軸度基、標準溯源的途徑，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

影響試驗機上、下夾頭同軸度的因素很多，下文對試驗機同軸度產(chǎn)生的原因、檢測方法和調(diào)整技巧談談看法。

（1）試驗機活動橫梁升降的平穩(wěn)性

試驗機橫梁升降平穩(wěn)性主要取決試驗機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果，也是不可調(diào)整的。

（2）橫梁升降時安裝力傳感器的下平面平行性

試驗機橫梁下底面(傳感器基面)在橫梁升(或降)后的水平重復性也是先天決定的，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）單個夾頭夾持的傾斜與否、夾頭夾持的重復性、夾頭塊的互換性也影響試驗機的同軸度。

（4）斜面墊(防松墊)上下平面的平行性等都能影響試驗機上下夾頭同軸度。

3.2 同軸度的幾種檢驗方法

試驗前檢測試驗機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，見圖4(a)。把V型鐵靠在下面的試樣上轉一周，利用百分表測量上面試樣A、B兩端位移及計算得到試樣傾斜量、傾斜方向。

（2）利用一根標準長圓棒和帶平臺的中心檢驗棒分別夾在上、下夾頭上，見圖4(b)，轉動轉盤一周，分別測得標準長圓棒A、B兩端位移及計算出試樣傾斜量、傾斜方向。

（3）以底座為基礎，分別測量上、下檢具的平移和傾斜，見圖4(c)。

圖4 試驗機夾頭同軸度的檢測方法

第一、二種方法共同點都是利用下夾頭夾持一根檢具(棒)作為基礎來測量上夾頭夾持的檢具，得到夾頭的平移和傾斜，這樣測量用的基礎本身受到下夾頭的夾持后是否傾斜的影響。對尋找平移和傾斜的原因不方便。第三種方法下轉動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量結果，對排除和分析帶來麻煩，觀察也不直觀。并且第二、三種需要旋轉轉盤，則轉盤與轉軸間存在間隙也將影響測量結果。按照圖4(a)、(b)、(c)對同一臺試驗機的同軸度進行檢驗得結果如表2（數(shù)據(jù)表明幾種檢驗方法對檢驗結果影響不大）。

表2 同一臺試驗機的同軸度檢驗的結果

（4）上、下夾頭同軸度測量方法見圖5。測量時可用低壓把同心棒夾緊，基準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)靠緊液壓夾頭側面轉一圈，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，則可認為同心棒垂直于液壓夾頭上平面。如果偏心值e很小，說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，則說明位移和傾斜都沒有(比較小)。只對一個夾頭而言，靠近夾頭近的點偏移量eA不可能大，此時只須觀察eA、eB值是否一致，若一致說明該夾頭裝上試驗機后，試驗機同軸度能調(diào)得很理想。按第四種方法測量時，利用的基礎是夾頭的上平面和外圓，此平面在加工時與夾頭中心線互相垂直，外圓中心線與夾頭中心線重合(此兩點加工時工藝保證)。所以它可以客觀地分別測得上、下夾頭的夾持情況，它不受另一夾頭的影響，也可用一個為基準測另一個，給測量和調(diào)整帶來方便。

圖5 試驗機夾頭同軸度的檢測方法

一般試驗機用戶都能進行四種測量方法，而且比較方便，其中用第四種方法，從準備到測量既方便又可靠。

4 同軸度的調(diào)整方法

單個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值小說明單個夾頭同軸度好。在調(diào)整試驗機同軸度時，因立柱、橫梁鎖緊方式已定，要改動比較困難，單個夾頭夾持同軸度是關鍵。試驗機同軸度要求500mm長時Δ為0.3mm，所以單個夾頭夾持同軸度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，說明兩夾頭塊不一致或左右夾頭塊的基角β不一致(見圖6)，可改變基角加以修正。

圖6 夾頭剖視圖

測量試驗機的同軸度，其目的是要尋找和得到較好的夾頭同軸度。從試驗機結構看，活動橫梁兩端與立柱間的間隙是關鍵，間隙兩端不一致會引起橫梁升(或降)時，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，可以在活動橫梁上放一水平儀，其間隙調(diào)整至活動橫梁上升(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。其實這個環(huán)節(jié)出廠時已調(diào)得差不多，使用者應該在更換夾頭或在更換夾頭塊后，注意測量和調(diào)整上下夾頭的同軸度。

上文分析單個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?？梢岳脠D4(d)所示的方法反復測量，測量單個夾頭夾持校驗棒的同軸度變化，看其是否重復性好。測量和調(diào)整單個夾頭主要是eA≈eB，使校驗棒垂直于夾頭上端面。如果是eA= eB并且偏的方向不變，說明此時的夾頭塊的基角β兩邊不對稱，需要修正β角，使eA≈eB。如果偏的方向總在變化，則說明夾頭的活塞內(nèi)腔斜角 β塞與夾頭B夾不吻合，此時需要修正。按理應把活塞兩邊的β塞修得對稱并與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)整到單個夾頭，使eA≈eB，且重復性好，則把夾頭裝上試驗機后就比較好調(diào)整了。因為e的大小只是中心平移，再調(diào)整時比較簡單。

裝好兩個夾頭后預鎖緊是關鍵，通過超載拉力后的鎖緊(調(diào)整斜面墊)，試驗機在做拉、壓雙向試驗時，夾頭同軸度不會發(fā)生變化，材料疲勞試驗能夠得到比較滿意的結果。

5 結語

本文不僅介紹了試驗機上、下液壓夾頭同軸度的測量方法，更剖析了同軸度產(chǎn)生的原因并給出進行疲勞試驗前更換或裝拆液壓夾頭時調(diào)整同軸度的經(jīng)驗和方法，方便廣大試驗機操作人員實際操作。

[1]全國力值硬度計量技術委員會.JJG556-2011[S].北京：中國計量出版社，2011.

[2]張貴仁.材料試驗機[M].北京：中國計量出版社，2009.