旧式万能试验机的改造

　　如何提高旧式试验机的使用效率及试验准确度是当前要解决的现实问题之一。本文采用弹性梁元件对旧式液压万能材料试验机下横梁进行改造, 将其作为载荷传感器, 可实现载荷的电量输出, 在提高设备准确度的同时实现数据的自动采集。

　　一、传感器的设计原则

　　载荷传感器结构形状与相关尺寸对其性能的影响极大。如果弹性体设计不合理, 无论弹性体的加工准确度多高、粘贴的电阻应变片品质多好, 载荷传感器都难以达到较高的测力性能。因此, 在测力传感器的设计过程中, 对弹性体进行合理的设计至关重要。

　　一般说来, 普通的机械零件和构件只需满足足够安全系数下的强度和刚度即可, 对在受力条件下零件或构件上的应力分布情况不必严格要求。而载荷传感器弹性体的设计因测力性能的需要, 其结构与普通的机械零件和构件有所不同, 除需满足机械强度和刚度要求外, 还必须保证弹性体上粘贴电阻应变片部位的应变与弹性体承受的载荷保持严格的对应关系。同时, 为了提高测力传感器测力的灵敏度, 还应使贴片部位达到较高的应变水平。

　　为了满足上述要求, 在载荷传感器的弹性体设计方面, 经常应用“应力集中”的设计原则, 确保贴片部位的应力( 应变) 水平较高, 并与被测力保持严格的对应关系, 以提高所设计测力传感器的测力灵敏度和测力准确度。

　　本研究以10kN试验机为例, 分析了梁型载荷传感器的设计原理, 并对其使用效果进行了实际验证。

　　二、传感器结构

　　万能试验机下端加载横梁与拉杆是螺栓连接, 可方便更换下横梁, 如图1所示。

　　图1中q为液压油压力, 下横梁的受力与变形随着油缸内压力增大而增大。因此, 在横梁处设一载荷传感器可实现万能机的载荷电量输出。

　　参考万能机原下横梁尺寸, 设计的传感器弹性体如图2所示, 弹性体中间挖空的几何形状为双槽双孔结构,弹性体高H=33mm, 宽b=25mm, l=44mm, a=33mm, R=11mm, hmin=5.5mm, 传感器采用30CrNiMoTi4V材料(σs=685MPa, σp=885MPa) 制造, 4枚电阻应变片分别沿轴向贴在两圆孔内的上下位置, 按全桥接线, 然后用金属薄片将孔密封, 用传感器替换下横梁, 由应变放大器放大,可得到载荷的电量输出。

　　三、弹性体有限元计算及贴片位置的确定

　　弹性体既要有足够的强度, 贴片位置也应有足够的应变。对弹性体进行有限元计算时, 利用结构的对称性, 取其一半进行单元离散, 按平面应力进行处理。离散网格如图3(b)所示, 沿空腔内abcd表面x方向的应力分布如图3(a)所示。当载荷F为10kN时, 弹性梁最大应力为225.8MPa, 最大应变为1065με, 对应孔内的d点, 对应坐标为x0=36.0mm, 传感器弹性体满足强度及应变要求。