大量程引伸计的优化设计

　　在水泥胶沙强度检测方法标准中,试验条件要求加载时力速度为2·4kN/s±8·33%,此时只需要负荷传感器就足够了。而金属拉伸试验方法标准中,试验条件有如下规定:

　　此时不仅需要负荷传感器,而且还需要位移传感器才能实现金属与非金属材料力学性能测试自动化。同时,在进行弹性模量E的测定时,需要在弹性范围内记录轴向力和与其相应的轴向变形的数字数据对。此时位移传感器的应用也是不可避免的。目前使用的材料试验机负荷传感器发展较快,能够满足工业需要,而引伸计的性能要求因力学性能指标而异,有些要求高精度,有些则要求大量程但在很多情况下,我们希望同一引伸计既能适用在弹塑性阶段精确测量E、σ0·2,又可测量从开始拉伸直到断裂的全过程。由此我们需要设计一种大量程引伸计,对其结构尺寸进行优化,并且夹持机构在原有基础上作出相应改进。

　　1　理论分析

　　国内外现有应变式引伸计的弹性元件,可归纳为3类力学模型,如图1所示[1]。

　　图1(a)是悬臂梁结构,其工作原理是:悬臂梁自由端沿P方向的位移量与固定端附近的梁上下表面的应变有一定函数关系。图1(b)是纯弯曲梁结构,其工作原理是:纯弯曲梁表面的应变ε与梁两端点转角θ有关,而刚性臂的另一端P向的位移ΔL也与转角θ有关,所以位移ΔL与应变ε有一定函数关系。图1(c)是弓形曲梁结构,适用于较大变形测量,其工作原理是利用曲杆两端沿P方向的位移与弓梁中点表面对应的应变有对应函数关系。

　　大量程引伸计的设计在原有纯弯曲梁结构上考虑加工方便及标距要求、量程增大等自身因素,作了适当改进。该引伸计受力模型为上下对称结构,取上半部分如图2所示。

　　该引伸计由刚性体和弹性体两大部分组成。刚性体的一端固定在试样上,当试样被拉伸时,刚性体也随着运动;另一端与弹性体相连接,在弹性体上贴有应变片。当试样伸长时,弹性元件也随之变形,安装其上的应变敏感元件组成的电桥便有输出。还需指出的是,此处为了满足标距的要求,L1段与L3、L4段应有一角度θ,并且在刚性体与弹性体连接处为了平稳过渡,h1尺寸不宜过小,h2次之,h3尺寸尽量小,以提高测量灵敏度。

　　根据图2受力模型,设试样位移为ΔL,弹性体上的应变为ε。由单位载荷法,可得:

　　刀口与试样接触处受力

　　2　弹性体的选材及结构尺寸设计优化

　　弹性体选择为合金结构钢40CrNiMoA。合金结构钢由于合金元素的作用,能明显的提高强度,韧度,耐磨性,并具有良好的淬透性。40CrNiMoA的屈服极限为:σs= 835MPa,其弹性模量为: E=210GPa。此处为保证在比例极限范围内,应力应不超过屈服应力的1/3,故: