在大噸位與小噸位的拉力試驗(yàn)機(jī)選擇當(dāng)中，往往起決定因素的是力值傳感器，那么在儀器行業(yè)大家都一直在爭論著液壓試驗(yàn)機(jī)是采用那種傳感器好，測力系統(tǒng)的關(guān)鍵元件之一傳感器到底采用負(fù)荷(力)傳感器，還是采用液壓(壓強(qiáng))傳感器?在這個(gè)問題上大家各有說法，今天天氏庫力小編就簡單的幫大家總結(jié)一下關(guān)于力值傳感器的選擇。
在討論之前，請(qǐng)?jiān)试S我先假設(shè)讀者具備一點(diǎn)力學(xué)基礎(chǔ)，對(duì)下置式萬能試驗(yàn)機(jī)有所印象(本文將以此為例)。并且，直接影響電測試驗(yàn)機(jī)最終性能的兩個(gè)重要因素，由于無論對(duì)壓強(qiáng)傳感器測力還是力傳感器測力都同樣重要，因此我先假設(shè)這兩個(gè)因素同樣理想，所以，同時(shí)忽略，不在本文之中討論。這兩個(gè)因素是:①信號(hào)放大部分的性能 ②上下鉗口中心線與活塞中心線重合，二根升降絲桿中心線與活塞中心線在同一個(gè)平面。
眾所周知，力傳感器輸出的電信號(hào)反映的是作用在傳感器上的力值。以油缸下置式萬能試驗(yàn)機(jī)為例，多數(shù)采用了精度優(yōu)于0.3‰的輪輻式傳感器，并將傳感器安裝在工作活塞和臺(tái)板之間。這樣，在活塞未升起感器主要受到由臺(tái)板、立柱、上橫梁構(gòu)成的框架的自身重力，該力是恒定的。當(dāng)活塞升起，試驗(yàn)機(jī)開始工作時(shí)，傳感器受到框架自重G0(一般通過清零在顯示讀數(shù)前去除)、試樣上受到的拉力F0、框與升降絲桿間的摩擦力fk三個(gè)力的作用。這里fk是一個(gè)非線性力，但由于相對(duì)于F而言很小，在量程不是很小的情況下可以在精度允許范圍內(nèi)忽略。所以，可以認(rèn)為微機(jī)上顯示的試樣受力F0等于傳感器所受力F，即F0=F 。
而壓強(qiáng)傳感器反映的是液壓系統(tǒng)內(nèi)部的壓強(qiáng)，根據(jù)帕斯卡原理，該壓強(qiáng)值乘以工作活塞面積，即為工作活塞受到的力F′，而活塞面積對(duì)每一臺(tái)試驗(yàn)機(jī)而言，都是一個(gè)常數(shù)，即F′=P.K。這時(shí)，試樣受到的力F0= F′-G0-fk-fH。其中fH是活塞與油缸壁間的摩擦力，該力的大小于油缸活塞的制造工藝、配合精度、密封方式相關(guān)。所以，相對(duì)于力傳感器而言，使用壓強(qiáng)傳感器的測力系統(tǒng)要將壓強(qiáng)轉(zhuǎn)化為顯示給用戶的力值，除了要忽略框架與絲桿間摩擦力fk外，還需處理好油缸活塞間摩擦力fH。當(dāng)fH不是足夠小，或者fH變動(dòng)比較大，那么總摩擦力f=fk+fH就不能輕易被忽略掉，尤其在量程低端更加可能使精度超差?，F(xiàn)在，我們可以推出一個(gè)結(jié)論了，要想使壓強(qiáng)傳感器測力系統(tǒng)表現(xiàn)得和力傳感器測力系統(tǒng)一樣好，必須使fH足夠小。
fH能做得足夠小嗎?回答是肯定的。當(dāng)近百年前德國人開始生產(chǎn)油缸上置式萬能試驗(yàn)機(jī)并應(yīng)用動(dòng)擺測力機(jī)構(gòu)時(shí)，這個(gè)問題就已經(jīng)部分解決了。答案就是精確控制油缸、活塞的形狀、尺寸、配合以及表面光潔度，不使用任何形式的密封圈，依靠控制油缸活塞間的間隙既達(dá)到密封目的，也達(dá)到潤滑目的。也就是說，既要讓油缸活塞間始終存在一層油膜，又不能讓壓力高達(dá)25MPa的油從這里泄漏出去。試想，當(dāng)油缸和活塞表面本身已非常光潔(鏡面)，而且還有清潔的油膜在潤滑，其摩擦力無疑是足夠小的。這樣做還帶來了額外的好處，那就是①永遠(yuǎn)無需更換密封圈 ②油缸活塞的使用壽命幾乎無限長。例如，本公司用做鑄件內(nèi)部質(zhì)量控制的一臺(tái)300kN試驗(yàn)機(jī)是上世紀(jì)70年代生產(chǎn)的，至今仍在正常運(yùn)作。
把fH做小容易嗎?這個(gè)問題的答案將會(huì)因廠家而異。無疑需要一些專用設(shè)備，如珩磨機(jī)、研磨機(jī)，更重要的是需要熟練的檢驗(yàn)人員。對(duì)于直徑達(dá)數(shù)百毫米的油缸活塞來說，其測量誤差不能超過0.01毫米，也就是人工測量要達(dá)到數(shù)萬分之一的分辨率，這時(shí)不僅要求測量設(shè)備的精度要夠，更重要的是操作者要性格穩(wěn)、手勢(shì)穩(wěn)。而且，測量后的結(jié)果并不能保證每只油缸或活塞都能在同一批次里找到自己的另一半，于是就要將暫時(shí)不能配對(duì)的油缸或活塞庫存起來。同時(shí)，由于油缸活塞在車、磨等加工工序會(huì)積累內(nèi)部應(yīng)力，導(dǎo)致微小的變形，所以這些半成品不能馬上精加工成為成品，而是必須存放三個(gè)月或更長時(shí)間，待內(nèi)部應(yīng)力釋放完畢、變形穩(wěn)定后方可精加工和測量。由于這兩個(gè)原因，需要在油缸活塞生產(chǎn)環(huán)節(jié)中保持相當(dāng)數(shù)量的成品和半成品，導(dǎo)致一些資金積壓和場地占用。上述這些必要的條件，有些不是可以一蹴而就的，因此對(duì)于試驗(yàn)機(jī)行業(yè)內(nèi)自己具備金加工能力的老廠而言，做到不難;對(duì)于機(jī)械部分依靠外購的試驗(yàn)機(jī)廠家，或許就有些難度和成本壓力了。
既然壓強(qiáng)傳感器測力系統(tǒng)對(duì)試驗(yàn)機(jī)的機(jī)械部分要求更高，那么何以不改用力傳感器的測力系統(tǒng)呢?這是因?yàn)榕c力傳感器相比，使用壓強(qiáng)傳感器有幾個(gè)明顯的優(yōu)點(diǎn):
1、壓強(qiáng)傳感器工作條件較好。做金屬材料試驗(yàn)時(shí)，往往要將試棒拉斷，作用在試棒上數(shù)十噸的力在試棒斷裂瞬間驟降為零，給試驗(yàn)機(jī)本身帶來強(qiáng)烈的沖擊。沖擊在應(yīng)用力傳感器的試驗(yàn)機(jī)上部分通過移動(dòng)橫梁、絲桿傳遞到底座，另一部分則通過上橫梁、立柱、臺(tái)板傳遞到力傳感器，再經(jīng)過活塞、油腔、油缸傳遞到底座。由于經(jīng)上橫梁到力傳感器之間全部是剛性連接，無緩沖環(huán)節(jié)，所以每拉斷一次試棒，力傳感器就要經(jīng)受一次沖擊。而壓強(qiáng)傳感器一般安裝在油缸后面的油路中，斷裂沖擊力經(jīng)油缸中的一腔油轉(zhuǎn)變?yōu)閴簭?qiáng)的突變傳送到壓強(qiáng)傳感器，盡管油是不可壓縮的，但采用間隙密封方式的油缸活塞間存在微量泄漏，這些泄漏使得油腔壓強(qiáng)變化在幅度上和速率上都小于沖擊力變化，所以，壓強(qiáng)傳感器在試棒斷裂瞬間的工況要優(yōu)于力傳感器。推論:同檔次的壓強(qiáng)傳感器使用壽命有可能長于力傳感器。
2、壓強(qiáng)傳感器安裝和維護(hù)方便，各生產(chǎn)廠家的力傳感中外形和安裝尺寸都各有差別，一旦選定后需在臺(tái)板下或活塞上加工相應(yīng)安裝孔，安裝時(shí)還必須保證傳感器受力中心線必須與活塞中心線、上下鉗口中心線重合，以減少側(cè)向分力帶來的誤差。一旦力傳感器損壞，必須以同樣安裝尺寸的傳感器替換(如同樣的傳感器一時(shí)缺貨，試驗(yàn)機(jī)就無法迅速恢復(fù)正常)，且需將專業(yè)人員借助起重工具將受力框架抬起后才能掉換。而壓強(qiáng)傳感器可裝在油路上方便操作的位置，各廠家產(chǎn)品安裝上唯一的區(qū)別就是接口不同，即使要換用其它廠家的傳感器，最多也只需加裝一只成本低廉的轉(zhuǎn)接頭即可。而具體安裝更是方便，即使不懂機(jī)械的人用一把扳手即可完成:拆下壞的，擰上新的，擰緊，OK。
3、壓強(qiáng)傳感器成本低廉。力傳感器隨著量程增加價(jià)格成倍上漲，某國外中檔品牌600KN力傳感器報(bào)價(jià)近萬元人民幣，而5000kN力傳感器即使國產(chǎn)的也要一萬以上;而壓強(qiáng)傳感器不直接測力，通常試驗(yàn)機(jī)液壓系統(tǒng)工作壓力在15-35Mpa之間，相應(yīng)壓強(qiáng)傳感器報(bào)價(jià)在千元以下，高精度的也不到力傳感器的三分之一價(jià)格。顯然，使用壓強(qiáng)傳感器有利于降低客戶的采購成本和維護(hù)成本。當(dāng)然，力傳感器也有不可替代的優(yōu)點(diǎn)，最主要的就是油缸活塞間的摩擦力對(duì)它全無影響。因此，力傳感器在300kN以下試驗(yàn)機(jī)尤其是100kN級(jí)中得到了廣泛應(yīng)用。在這一級(jí)別中，使用力傳感器比使用壓強(qiáng)傳感器，可以得到擴(kuò)展一檔量程的效果。
總結(jié)以上討論，我以為可以得出以下結(jié)論:a、300kN以上中大噸位液壓試驗(yàn)機(jī)以采用壓強(qiáng)傳感器測力為宜，小噸位試驗(yàn)機(jī)以采用力傳感器為宜;b、某臺(tái)中大噸位的試驗(yàn)機(jī)采用壓強(qiáng)傳感器測力，如果能夠達(dá)到性能要求，則換用力傳感器表現(xiàn)可能更好，反之則不然。換言之，若兩臺(tái)分別采用壓強(qiáng)和力傳感器的同型號(hào)試驗(yàn)機(jī)，如果其極限精度一致，則可以推論采用壓強(qiáng)方式測力的這一臺(tái)其機(jī)械部性能往往優(yōu)于另一臺(tái)。C、在中大噸位試驗(yàn)機(jī)上固執(zhí)地采用力傳感器而不使用壓強(qiáng)傳感器，或許是因?yàn)橛斜疚挠懻撘酝獾脑颉?/span>
來源：天氏庫力 發(fā)布日期
2018-08-30 瀏覽：