轴向力的动态测量

　　0 引 言

　　工程设计中, 常需随时精确地测出现场机械设备中正在运行的某零部件所承受的轴向力 ( 拉力或压力) 。本文课题动态测量要求达到以下目的: (1) 被测物是正在运行的机械设备中的某一零部件; (2) 在力不断变化时, 要随时测量出具体值; (3) 测量值要保证一定的精确度。

　　1 一般的解决方法

　　主要有三种方法。(1) 直接的测量法: 可在被测部件上串接一个测力计。但是大多数情况下, 为保持运行机械的强度可靠性, 测力计是无法直接串接到被测零件上的, 所以这一方法有时不可取。(2) 建模力学分析: 运行设备的负载是随时变化的, 受力非常复杂, 这一方法仍然很难实现。(3) 应力- 应变关系法: 通常根据材料应力- 应变的关系, 进行测量。这一方法是否能够解决我们的课题呢? 重点阐述如下:

　　1.1 应力—应变关系法的理论分析

　　根据虎克定律: 拉(压)应力

式中: σ=拉 ( 压)P/横截面积A; E为材料的弹性模量; ε为拉( 压) 应力作用下的应变ε=长度的变化量Δl/( 标定原长l)。

　　由式(1)可得:

　　由式(2) 知, 只要得到被测零件材料的弹性模量E、在被测物体上安装引伸仪, 测出其长度变化量Δl, 就可根据零件的横截面尺寸A和标定原长l, 算得相应的受力值。

　　1.2 弹性模量E的测量方法

　　国家标准GB288- 76“金属拉力试验”中, 规定了钢材的比例极限、弹性极限 (规定残余伸长应力)和屈服点等7项指标的测试标准; 但是弹性模量E的测试标准还未正式规定。目前, 测试钢材弹性模量最常用的方法是“增量法”, 其测试原理是虎克定律, 是将规定载荷分成几级等量, 逐级加载, 记录相应的伸长值(见图1)。计算公式为:

式中: n为4~6次; Δp为逐级施加的等量载荷; p0为初始载荷; pmax为相当于予期比例极限80%的载荷; A为试件的截面积; l0为引伸仪标距; (Δl)i为每级载荷下各次变形的平均值。试验局限在于: (1) 试验要在万能试验机上进行,试件必须是圆柱形, 便于装夹, 只产生简单的拉压应力, 避免产生弯、扭等复杂变形。(2) 所测点数有限, 还有目测读数误差, 很难真正准确地测出弹性模量E。

　　1.3 应力—应变关系法的现场分析

　　让我们再回到生产现场。首先, 上述弹性模量测定法根本不适用于现场中形状复杂的大型零部件。其次,由于被测零部件的外形尺寸往往是不规则的, 横截面积A值不精确, 不宜用式(2) 计算。所以应力—应变关系法也并不适于解决我们的现实课题。