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内容概况:既然压强传感器测力系统对试验机的机械部分要求更高,那么何以不改用力传感器的测力系统呢?这是因为与力传感器相比,使用压强传感器有几个明显的优点:压强传感器工作条件较好,安装和维护方便,成本低廉。
      在仪器行业大家都一直在争论着液压试验机是采用那种传感器好,测力系统的关键元件之一传感器到底采用负荷(力)传感器,还是采用液压(压强)传感器?在这个问题上大家各有说法,这里谈谈我个人的管豹之见,供大家在设计和选型时参考。

      在讨论之前,请允许我先假设读者具备一点力学基础,对下置式万能试验机有所印象(本文将以此为例)。并且,直接影响电测试验机最终性能的两个重要因素,由于无论对压强传感器测力还是力传感器测力都同样重要,因此我先假设这两个因素同样理想,所以,同时忽略,不在本文之中讨论。这两个因素是:①信号放大部分的性能 ②上下钳口中心线与活塞中心线重合,二根升降丝杆中心线与活塞中心线在同一个平面。

      众所周知,力传感器输出的电信号反映的是作用在传感器上的力值。以油缸下置式万能试验机为例,多数采用了精度优于0.3‰的轮辐式传感器,并将传感器安装在工作活塞和台板之间。这样,在活塞未升起感器主要受到由台板、立柱、上横梁构成的框架的自身重力,该力是恒定的。当活塞升起,试验机开始工作时,传感器受到框架自重G0(一般通过清零在显示读数前去除)、试样上受到的拉力F0、框与升降丝杆间的摩擦力fk三个力的作用。这里fk是一个非线性力,但由于相对于F而言很小,在量程不是很小的情况下可以在精度允许范围内忽略。所以,可以认为微机上显示的试样受力F0等于传感器所受力F,即F0=F 。

      而压强传感器反映的是液压系统内部的压强,根据帕斯卡原理,该压强值乘以工作活塞面积,即为工作活塞受到的力F′,而活塞面积对每一台试验机而言,都是一个常数,即F′=P.K。这时,试样受到的力F0= F′-G0-fk-fH。其中fH是活塞与油缸壁间的摩擦力,该力的大小于油缸活塞的制造工艺、配合精度、密封方式相关。所以,相对于力传感器而言,使用压强传感器的测力系统要将压强转化为显示给用户的力值,除了要忽略框架与丝杆间摩擦力fk外,还需处理好油缸活塞间摩擦力fH。当fH不是足够小,或者fH变动比较大,那么总摩擦力f=fk+fH就不能轻易被忽略掉,尤其在量程低端更加可能使精度超差。现在,大家可以推出一个结论了,要想使压强传感器测力系统表现得和力传感器测力系统一样好,必须使fH足够小。

      fH能做得足够小吗?回答是肯定的。当近百年前德国人开始生产油缸上置式万能试验机并应用动摆测力机构时,这个问题就已经部分解决了。答案就是精确控制油缸、活塞的形状、尺寸、配合以及表面光洁度,不使用任何形式的密封圈,依靠控制油缸活塞间的间隙既达到密封目的,也达到润滑目的。也就是说,既要让油缸活塞间始终存在一层油膜,又不能让压力高达25MPa的油从这里泄漏出去。试想,当油缸和活塞表面本身已非常光洁(镜面),而且还有清洁的油膜在润滑,其摩擦力无疑是足够小的。这样做还带来了额外的好处,那就是①永远无需更换密封圈 ②油缸活塞的使用寿命几乎无限长。例如,本企业用做铸件内部质量控制的一台300kN试验机是上世纪70年代生产的,至今仍在正常运作。

      把fH做小容易吗?这个问题的答案将会因厂家而异。无疑需要一些专用设备,如珩磨机、研磨机,更重要的是需要熟练的检验人员。对于直径达数百毫米的油缸活塞来说,其测量误差不能超过0.01毫米,也就是人工测量要达到数万分之一的分辨率,这时不仅要求测量设备的精度要够,更重要的是操编辑要性格稳、手势稳。而且,测量后的结果并不能保证每只油缸或活塞都能在同一批次里找到自己的另一半,于是就要将暂时不能配对的油缸或活塞库存起来。同时,由于油缸活塞在车、磨等加工工序会积累内部应力,导致微小的变形,所以这些半成品不能马上精加工成为成品,而是必须存放三个月或更长时间,待内部应力释放完毕、变形稳定后方可精加工和测量。由于这两个原因,需要在油缸活塞生产环节中保持相当数量的成品和半成品,导致一些资金积压和场地占用。上述这些必要的条件,有些不是可以一蹴而就的,因此对于试验机行业内自己具备金加工能力的老厂而言,做到不难;对于机械部分依靠外购的试验机厂家,或许就有些难度和成本压力了。

      既然压强传感器测力系统对试验机的机械部分要求更高,那么何以不改用力传感器的测力系统呢?这是因为与力传感器相比,使用压强传感器有几个明显的优点:

      1、压强传感器工作条件较好。做金属材料试验时,往往要将试棒拉断,作用在试棒上数十吨的力在试棒断裂瞬间骤降为零,给试验机本身带来强烈的冲击。冲击在应用力传感器的试验机上部分通过移动横梁、丝杆传递到底座,另一部分则通过上横梁、立柱、台板传递到力传感器,再经过活塞、油腔、油缸传递到底座。由于经上横梁到力传感器之间全部是刚性连接,无缓冲环节,所以每拉断一次试棒,力传感器就要经受一次冲击。而压强传感器一般安装在油缸后面的油路中,断裂冲击力经油缸中的一腔油转变为压强的突变传送到压强传感器,尽管油是不可压缩的,但采用间隙密封方式的油缸活塞间存在微量泄漏,这些泄漏使得油腔压强变化在幅度上和速率上都小于冲击力变化,所以,压强传感器在试棒断裂瞬间的工况要优于力传感器。推论:同档次的压强传感器使用寿命有可能长于力传感器。

      2、压强传感器安装和维护方便,各生产厂家的力传感中外形和安装尺寸都各有差别,一旦选定后需在台板下或活塞上加工相应安装孔,安装时还必须保证传感器受力中心线必须与活塞中心线、上下钳口中心线重合,以减少侧向分力带来的误差。一旦力传感器损坏,必须以同样安装尺寸的传感器替换(如同样的传感器一时缺货,试验机就无法迅速恢复正常),且需将专业人员借助起重工具将受力框架抬起后才能掉换。而压强传感器可装在油路上方便操作的位置,各厂家产品安装上唯一的区别就是接口不同,即使要换用其它厂家的传感器,最多也只需加装一只成本低廉的转接头即可。而具体安装更是方便,即使不懂机械的人用一把扳手即可完成:拆下坏的,拧上新的,拧紧,OK。

      3、压强传感器成本低廉。力传感器随着量程增加价格成倍上涨,某国外中档品牌600KN力传感器报价近万元人民币,而5000kN力传感器即使国产的也要一万以上;而压强传感器不直接测力,通常试验机液压系统工作压力在15-35Mpa之间,相应压强传感器报价在千元以下,高精度的也不到力传感器的三分之一价格。显然,使用压强传感器有利于降低客户的采购成本和维护成本。

      当然,力传感器也有不可替代的优点,最主要的就是油缸活塞间的摩擦力对它全无影响。因此,力传感器在300kN以下试验机尤其是100kN级中得到了广泛应用。在这一级别中,使用力传感器比使用压强传感器,可以得到扩展一档量程的效果。

      总结以上讨论,我以为可以得出以下结论:a、300kN以上中大吨位液压试验机以采用压强传感器测力为宜,小吨位试验机以采用力传感器为宜;b、某台中大吨位的试验机采用压强传感器测力,如果能够达到性能要求,则换用力传感器表现可能更好,反之则不然。换言之,若两台分别采用压强和力传感器的同型号试验机,如果其极限精度一致,则可以推论采用压强方式测力的这一台其机械部性能往往优于另一台。C、在中大吨位试验机上固执地采用力传感器而不使用压强传感器,或许是因为有本文讨论以外的原因。

      最后,定性地列个表格,把两种传感器的特点对比一下,有趣的是,8个项目中1项打平,其余7项比分是4:3,基本上平分秋色。

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