谈测力夹具质量对测力仪影响

摘要：本研究通过探讨采用试验机对力学性能进行检定的过程，夹具质量对标准测力仪的影响，通过分析其原因，以寻求缓解甚至消除影响的途径。
关键词：夹具质量；标准测力仪；重要性；影响
在科学技术迅速发展的环境下，航空航天技术也相应的发展得十分迅猛，导致人们所要求的材料性能越来越高。材料性能主要包括4个方面，分别是工艺性能、物理性能、化学性能以及机械性能。本研究主要对材料选材、设计制作的基本依据，即机械性能进行研究。

1、使用夹具的必要性

确定材料机械性能的参数不得不依赖实验，而材料试验机则是进行实验的工具。夹具作为控制试验机质量的关键手段，对试验机定期计量检定是保障实验数据科学性、有效性具有重要作用。用于计量检定试验机的力学性能首先要具备标准测力仪、连接夹具与待检试验机这3个要素。体现了在计量检定试验机的性能中，夹具起到十分重要的作用。标准测力仪借由夹具与试验机连接的加力装置，试验机所施加的载荷借由夹具传递至标准测力仪上，从而根据比较试验机的理论受力与标准测力仪的实际受力两者之间的关系，对试验机力学性能是否与要求相符进行判断。而夹具在判断过程中起到重要作用。
在检定工作中常需要更换不同的夹具，试验机的不同需要连接相应型号的测力仪，也因此需要采用大小样式不一的夹具，这是影响鉴定工作顺利进行与检定结果正确性的重要因素之一。对夹具科学合理的应用不仅可保证检定工作的顺利，还可提高检定工作的效率。

2、夹具质量对测力仪的影响

对同一台试验机中的相同测量点采用不一样的标准测力仪进行检定将会取得不一样的结果。一般情况下，对相同的测量点采用标准测力仪检定的结果应该是相同的，而导致这种偏差所涉及的因素包括夹具、试验机与测力仪的稳定性等，其中夹具是做主要的影响因素[3]。
在夹具设计时需要对结构与强度这两个因素进行考虑。夹具结构的设计主要是结合标准测力仪连接头与试验机加力装置这两个装置的样式进行的，而使标准测力仪与试验机加力装置可顺利连接且对检定工作无影响是结构设计的要求。另一方面，夹具强度的设计时结合最大载荷承受力，以保护测力仪为目的，要求夹具在和强度承受力须大于测力仪的测量荷载最大承受力。确保夹具具备的强度足够需要通过两个方面满足：①选择适用的材料；②设计合理的尺寸大小。并不是说尺寸越大而夹具的强度足够，尺寸大了而质量就大，尺寸大会导致在使用装卸夹具时的困难增加，降低工作效率；两者均对准确使用标准测力仪具有较大影响。

3、影响因素分析

构造测力仪的部分主要有读数测量与弹性环体两个部分。一般情况下，弹性环体是由横弹性材料不锈钢（Ni42CrTi）与高强度弹簧钢（65Si2MnWA）构成。在弹性环体试样的拉伸试验受力变形曲线图（见图1）可看出，在外力作用下，试样在开始受力后变形至被拉断，其过程可分为Ob段（弹性变形阶段）、bcd段（屈服阶段）、dB段（均匀塑性变形阶段）、BK段（局部变形阶段）等4个阶段。
测力仪工作的原理是对Ob段（弹性变形阶段）的特性进行利用，借由测力仪测量的变形量探讨所受相应外力的大小。并且在去除所受外力后，测力仪的变形自动消失，使测力仪的循环使用得到了保证。
对测力仪的材料本身而言，若材料特性较为理想，那么在Ob段（弹性变形阶段），其受力和变形应呈现出完全线性的对应关系。然为实际上，材料本身的结构特性与现阶段的加工工艺均未能实现理想的状况，因此在Ob段（弹性变形阶段），其受力和变形呈现出不完全的线性关系。通过测力仪的检定证书标准数值可判断出这一点。若以鉴定证书中的各个载荷测量点做为横坐标，而取相应的标准变形值作为纵坐标，并将对应点画出，连接相邻的每个点，若材料本身的受力变形特征属于完全线性的关系，此时各条线段的斜率应为一致。但是实际上各条线段多呈现的斜率并不一致，反映出了实际情况中，在Ob段（弹性变形阶段）中测力仪本身的受力变形特征并不是完全的线性关系。其中的偏差是导致测力仪使用时发生误差的主要因素。

4、影响量数据图分析情况

现以型号为ES100kN的百分表式标准测力仪—100kN测力仪作为例子，根据100kN标准测力仪的检定证书，描绘出其受力变形特性的曲线图，以之各个负荷测量点与相应的标准变形值分别设为横坐标与纵坐标，画出相应的点，并将相邻的两点连接，是各个相邻的线段形成一条曲线，详情见图2。
从100 kN标准测力仪的实际受力变形特性曲线图（图2）中可看出，100 kN标准测力仪的受力变形曲线基本上为一条直线，体现了测力仪的实际受力变形特性与线性相似。在开始检定工作前，首先要平衡测力仪的载荷零点，通常此时是对配套夹具进行质量平衡，然而这种做法是将夹具质量对标准测力仪的相关影响完全忽略。正常工作时，是通过测力仪检定证书中的标准负荷与相应的标准变形值而获取测力仪的受力变形特性曲线，是在无夹具负重的状态下所获得的测力仪本身特性曲线。
现检测设测力仪与配套夹具的总质量为测力仪载荷最大量的5个百分比，测力仪加上了夹具后多多少少发生了变形，此时夹具本身质量承受的重力以及测力仪的受力变形对应关系如标准测力仪加上夹具前后的特性曲线对比图（如图3）所示。以此时作为开始检定的零点状态，即将测力仪实际的受力变形特性曲线（ac）的零点顺着曲线方向移至点A，已形成新的特性曲线（ac），详情见图3。
将A点设为坐标的原点，并建立YAX受力变形坐标系。与YAX坐标系中以各个载荷标准点分别作为起点，并作与Y轴平行的射线，分别相较于曲线a

摘自：毕业论文任务书www.udooo.com

与曲线ac，详情见图4。
在轴方向上两交点间的距离（即测力仪对应相同载荷其实际标准变化值与理论标准值之间的差异）。对此距离进行测量，并除以相应的理论标准变形值即可得出夹具质量对相应负荷点所导致的相对误差，详情见图5（图4圆圈中的放大图）。
根据测量图可看出，与10kN载荷测量点相对应的实际特性曲线以及理论特性曲线之间在Y轴方向所相差的数值为-0.002mm，变形差值除以理论变形值（即-0.002mm除以0.754mm），计算所得误差等于-0.265%。即是夹具对10kN载荷测量点的造成的误差大小为-0.265%。

5、缓解甚至消除影响的途径

（一）在确保安全强度的基础上，尽量做缩小夹具的尺寸，将夹具质量可能对测力仪造成的影响尽可能最小化。
（二）由于对夹具要求的特殊性，因此在要求使用质量偏大的夹具时，尽可能选取大量程测力仪配套使用，从而减小夹具对测力仪产生的影响。若强制要求使用销量呈的测力仪，则首先计算可能会产生的影响量，如果影响偏大，则采取修正补偿处理。
（三）在送测力仪至上级单位做检定工作时，若条件允许应附带配套使用的夹具一起送检，从而尽可能将夹具质量所导致的系统误差消除，确保测力仪的工作时与检定时呈现一致的状态，使测力仪在这两种情况下所取得的理论与实际受力变形特性相符。
（四）在进行测力仪检定时，应将日常工作上的常用负荷点作为首选检定点，防止测力仪的弹性阶段出现不完全的线性关系，尽量确保使用点的准确性、有效性。
（五）在夹具设计时，确保测力仪最大量程在加上夹具的质量后小于测力仪比例载荷极限值，防止测力仪其使用范围与自身有效工作的范围不相符。
参考文献：
孙建新，杨宗英.夹具质量对标准测力仪的影响[J].计测技术，2009，29（02）：21-22.
袁礼彬.机床夹具制造中组合加工法的应用与实践[J].机械制造与自动化，2010，39（01）：49-51.
[3]谈建国，盛叶宾，吴黎剑.试验机检定技术的研究[J].中国计量，2010（09）：77-78.