拉力、壓力和萬能試驗機的檢定方法初探

劉慧軍

（湖南省邵陽市計量測試檢定所，湖南 邵陽 422000）

1 引言

萬能試驗機是發展材料科學，促進生產產品質量，提升材料品質的重要檢測設備。到現在為止，萬能試驗機的分類方式可以按照如下要求：（1）按照萬能試驗機的運行方式分類；（2）按照測定力學的方式進行分類；（3）按照萬能試驗機結構特點來分類；（4）按照萬能試驗機測定的材料類型進行分類。目前階段，萬能試驗機的品種多達上百種，單純以某一種分類方式進行界定的話，無法做到對試驗機類型的有效覆蓋，也不能完全地對萬能試驗機的性能做出有效的分離。萬能實驗機到現在已經發展出豐富的型號，強大的功能類型也讓實驗機的分類也變得困難重重，試驗機的負荷范圍不斷擴大，可以測定的材料也越來越豐富，它們之間界限也越來越模糊，萬能試驗機的分類也就變得復雜起來。

2 關于電子式和液壓式萬能試驗機的分析討論

2.1 從結構特點方面進行分析

電子式的萬能試驗機結構特點：動力源是由伺服電機提供的，執行部件主要是杠絲和絲母，通過它們之間的配合，實現萬能試驗機移動橫梁的運動，并且可以通過外部控制，操控橫梁的移動速度。現在這種試驗機的傳動控制，主要通過同步帶和減速機來實現。在我國國內，同步帶這種傳動方式主要集中在長春地區，紅山出產的萬能試驗機，多采用減速機來傳動。這兩種傳動方式都可以滿足使用者的要求，具體的優缺點還有待探討。同時這種試驗機的傳感方面，主要是采用負荷傳感器。

液壓萬能試驗機的結構特點：從名字不難看出來，這種實驗機的動力是由高壓液壓源提供的?？刂葡到y中，主要采用手動閥、伺服閥或者是比例閥這幾種方式來進行控制。市場上普通的液壓萬能試驗機只能夠支持手動加載，控制系統比較粗放，壓力傳感器也是浦東的液壓壓力傳感器，究其原因還是價格問題。但是電液伺服類的萬能材料試驗機主要是采用伺服閥或者是比例閥這兩種控制元件，在測力方面，有些技術含量高的廠家已近使用高精度的負荷傳感器來實現力學測量。

2.2 從適用性能方面進行分析

電子式的萬能試驗機性能特點：電子式的萬能試驗機通常是不使用油源的，所以在設備維護和保養方面更加方便快捷，同時也更加清潔無污染。在測定范圍方面，從0.001～1 000 mm/min范圍內，可根據使用者的要求自由調整，速比達到100萬倍，實驗的行程同樣可以調整，方便靈活，實用性強。在精度方面，測定的力學的精度可達0.2%左右，相對還是很高的。同時，這套試驗機重量很輕，有足夠的空間來滿足使用者的使用要求，可以方便快捷的加載各類裝置進行力學實驗，對材料的大小種類適用性也很強，是真正的萬能試驗機。從控制方面，所謂的“三荷控制”即載荷控制、應變控制、位移控制，在國內出產的主流電子式萬能試驗機都可以做到。

3 萬能試驗機相關的分析與思考

3.1 同軸度檢定方面的分析思考

同軸度是一個概念名詞，指的是萬能試驗機夾持裝置在實驗過程中，上下夾頭和力軸線的統一程度。在拉伸實驗過程中，材料收到正應力，使材料不斷被拉長，但是受到同軸度的影響，材料可能會受到彎曲應力，從而對實驗的結果產生其他影響，造成測定數值不準。在假設中，如果夾持裝置可以自動對中，或者是測定的材料具有良好的柔韌性，那么對實驗結果可能影響不大，但是如果測定的材料具有極大的剛性或者抗曲橈性，亦或者是需要極限趨近于材料的柔韌極致的測量項目時，這種彎曲應力對實驗結果的影響可能是十分巨大的。

在檢測同軸度的時候，往往采用以下幾種方式：（1）在校驗棒上用百分表來進行檢測；（2）在矯正校驗棒的傾斜角度時，用象限水平儀進行矯正；（3）檢測對中性：切開校驗棒，用上下夾頭夾住進行校驗；（4）利用鉛錘來進行校驗；（5）用同軸度自動檢測儀。這幾種方法都是驗證幾何同軸度的，由于實驗條件的不同，可能矯正的情況也不相同。方法（5）更適用于在檢測時，夾具已經受力條件下進行校驗，更貼近實驗現實。同時這種方法，是明確記載在《電子式萬能試驗機》規程中的。在實驗時力小于5 N的條件下，規程要求按照鉛錘法進行校驗。

3.2 鑒別力閥檢定的分析和思考

在各類萬能試驗機檢定規程中，可以看到，鑒別力閥的檢定是必須要進行的。究其原因，主要是現階段許多萬能試驗機的技術標準不一樣，設計理念也不同。很多試驗機在進入測試模式時，才允許檢定力值。未進入檢測模式時，試驗中沒有力學施加，顯示的數值不會發生變化，這種現象并不能真實反映試驗機測試系統的精度水平。只有對相對力值、零點漂移和鑒別力閥均有正確反應的萬能試驗機，實驗結果才是真實可靠的。

3.3 對檢定規程的分析

自從JJG 157-1995《非金屬拉力、壓力和萬能試驗機檢定規程》被2008版代替，再到JJG 139-2014《拉力、壓力和萬能試驗機檢定規程》實施至今，筆者經歷了小負荷試驗機檢定方法和技術要求的三次變化過程，充分認識到了新規程適應時代的進步，檢定方法的操作性更強。在此筆者將JJG157《非金屬拉力、壓力和萬能試驗機檢定規程》1995版和2008版進行比較，可以更加具體的了解到非金屬及小負荷材料試驗機的檢定方法和技術要求在這段時期內的變化和提高，主要有以下特點：

（1）規程適用范圍變大，相較于舊的規程只適用于新制的，使用中和修理后的試驗機檢定，新規程可用于非金屬材料的拉力、壓力和萬能試驗機檢定。同時在力的尺度上，可以達到10 N以上，檢測材料范圍也從非金屬擴大到小負荷和微小負荷的試驗機，以及一些高分子材料試驗機。

（2）試驗機分級及術語變化：首先是在新規程中試驗機分為三級，也就是0.5、1、2三級，修改了舊規程中0、1、2、3四級制。術語方面，新規程中α指的是相對分辨力，區別于就規程中的相對分辨率。

（3）試驗機安裝規范變化：新規程中要求試驗機安裝過程中在水平度上不超過0.2 mm/m，區別于舊規程中只要求安裝在固定的底座上。

（4）萬能試驗機安全裝置要求：新規程要求試驗力達到測定上線103%～105%范圍時或者是活動部件到達極限時，保護裝置立即開啟；在舊規程中是試驗力達到測定上線102%～110%范圍時開啟。新規程中試驗機靈敏度將更加精確，對機器操作人員和試驗機的壽命都有了有效保護，安全程度也大大提高。

（5）萬能試驗機加力系統要求：在舊規程中，試驗機保持顯示數值的變動范圍根據實驗機類型不同而不同。液壓壓力試驗機保持加力的變化范圍為顯示數值上限的0.5%，而液壓式為顯示上限的0.2%。在新規程中統一為顯示數值的0.5%。新規程相對于舊規程，要求更加精準。

（6）萬能試驗機噪聲要求：在試驗力不大于5N范圍內，對于實驗機的噪聲要求，舊規程要求限定在60分貝以內，大于5 N小于1 MN時，要求限制在75分貝以內，大于1 MN時，限制在80分貝以內。而新規程則是統一要求，只要試驗力大于5 N，最大噪聲不得超過75分貝。新規程相對于舊規程，要求更加嚴格。

（7）萬能試驗機零點漂移要求：新規程對于萬能試驗機測量裝置在15分鐘內的零點漂移數值做出規范，0.5級時，下限為±0.5%，1級和2級測量下限都是±1%。區別于舊規程中：0級上限±0.1%，1級測量上限是±0.2%，2級測量上限是±0.5%。新規程相對于舊規程更加精細嚴格。

（8）萬能試驗機測量裝置功能變化：相對于舊規程，新規程增加要求萬能試驗機必須顯示力學方向的顯示，在顯示時，必須通過正負號顯示試驗力的方向。同時增加了顯示范圍，必須要顯示從零到最大值的103%以上范圍和試驗力峰值保持的功能。

（9）萬能試驗機形變測量變化：新規程對試驗機變形測量裝置的功能做了增加，要求最大形變量的示數要能夠保存和顯示形變方向；接觸式的大變形量的引伸計附加力不超過0.2 N，實驗時測量的示值下限允許誤差的一半。

（10）萬能試驗機檢定條件要求：新規程要求增加檢定條件，電子式的試驗機在檢定前要求預熱，按照使用說明書上的操作規范，預先預熱到規定的時間范圍，要是沒有規定的要求最多預熱30分鐘。在檢定時，要排除周圍可能存在的震動、電磁干擾等影響因素，以防影響實驗結果。

（11）萬能試驗機的同軸度檢定要求：新規程在同軸度檢定方面，在舊規程基礎上增加了一種檢驗方法，新規程規定，在不具備檢測儀檢驗同軸度的情況下，允許通過檢驗幾何同軸度來代替。

（12）新規程在噪聲檢查方面增加了2個檢測點（舊規程為4個，新規程為6個）。

（13）萬能試驗機零點漂移檢驗的要求：新規程在檢測零點漂移過程中，增加了大變形引伸計附著力的測定檢驗，規定了檢驗方法：當拉力試驗機活動夾具移動到到固定夾頭上方時，要求使用播針式的測力儀測定試驗力；當移動到固定夾具下方時，使用專用砝碼來測定試驗力。

（14）萬能實驗機在試驗力示數上的要求：新規程要求在選擇標準器的時候，不大于100 N的試驗力推薦使用標準砝碼，100 N到5 kN的試驗力推薦使用標準側力儀。新規程還規定了無分檔試驗機測定點，要求按照最大實驗的100%、80%、60%、40%、20%、10%、5%、2%、1%、0.5%、0.2%、0.1%……一直測量到實驗示數的下限為止。相對于舊規程，測量點更加密集，數值更加具體，可靠性強。

（15）萬能實驗機夾具誤差的要求：在舊的規程中，夾具間距50 mm以內時可直接使用游標卡尺進行檢定；間距大于等于50 mm時，增加鋼尺測量。而在新規程中，在100 mm以下使用游標卡尺，不小于100 mm時，增加鋼尺測量檢定

3.4 關于在試驗機檢定中遇到的問題討論

在試驗機的檢定問題上，通過查詢各種資料發現，很多試驗機檢定規程中，并未提到試驗機的使用年限要求，在一些記載中認為，試驗機只要檢定結果合格，就可以使用。但是同時也有記載表明，使用年限達到一定時間之后，其原件有磨損或者疲勞而出現問題，比如油管爆裂、關鍵部位斷裂等問題，由此發生的安全隱患值得重視。除此之外，筆者發現很多試驗機的電源開關都是通過閘刀開關或者是自動空氣開關直接與電網連接，一旦發生漏電或者是短路現象，極易造成安全隱患，因此筆者建議試驗機應該先通過漏電保護器，再與電網連接，減少安全隱患。

4 結語

結合上文分析，可以看到萬能試驗機開始的檢定依據主要還是JJG157《非金屬拉力、壓力和萬能試驗機檢定規程》、JJG139《拉力、壓力和萬能試驗機檢定規程》、JJG1063《電液伺服萬能試驗機檢定規程》以及JJG475《電子式萬能試驗機檢定規程》。在應用范圍上，《非金屬拉力、壓力和萬能試驗機檢定規程》主要適用于小負荷材料試驗機，常見皮革、紙張、橡膠、塑料、纖維等非金屬材料試驗機；JJG139《拉力、壓力和萬能試驗機檢定規程》主要用于最大試驗力為2.5 kN～10 MN的機械、液壓擺錘式萬能試驗機；JJG1063《電液伺服萬能試驗機檢定規程》主要用于液壓方式加載具有閉環控制功能并采用計算機系統測量力學性能參數的試驗機；JJG475《電子式萬能試驗機檢定規程》主要用于具備閉環控制功能的電子拉力（壓力）試驗機的檢定。除了兩個主要檢定項目示值誤差和示值重復性相同，四本檢定規程在其他檢定項目中還是有所差異。

隨著時代發展，萬能試驗機的技術性能得到了很大的提高，機械正弦擺試驗機已經逐漸淘汰，舊式帶描繪筒記錄裝置已經跟不上時代，有的試驗機移動橫梁的位移用于表示試樣的變型等等一系列變化下，JJG139-2014《拉力、壓力和萬能試驗機檢定規程》將JJG139-1999和JJG157-2008兩個規程進行了合并及修訂，新的規程檢定方法操作性更強，適用面更廣，綜上所述，筆者認為《電子式萬能試驗機檢定規程》和《拉力、壓力和萬能材料試驗機檢定規程》是試驗機領域內使用最廣泛的規程，以上討論只是個人的一些粗淺理解，如有錯誤，歡迎批評指正，互相交流，共同提高。