拉力試驗機是一種常用的力學檢測設備，是保證材料拉伸、壓縮、彎曲、撕裂、剝離等試驗順利進行的基礎檢測設備。電子萬能試驗機主要包括計算機控制系統、動力傳動系統、測力機構、傳感器及工作臺。下圖拉力機包括底部的工作臺和門字形的框架，安裝在框架上的移動梁作為移動端，臺面或頂端的固定梁作為固定端，固定端直接連夾具，移動端通過力學傳感器連接夾具。試樣的兩端固定在兩個夾具上，移動端以一定的速度運動，試樣被拉伸或壓縮，記錄力學傳感器上的力值和對應的移動端位移和時間，給出受力曲線。
拉力試驗機的典型結構圖
力學傳感器屬于拉力試驗機上的精密部件，也是易損部件，當力學傳感器上所受到的力達到或超過破壞極限，就會造成損壞。
為了避免力學傳感器的破壞，現有的拉力試驗機上也有多種保護措施。
比如降低傳感器的量程:假設力學傳感器出廠的量程標注為1000N，實際的破壞極限可能是1100N，多余的這100N作為保險系數。
再比如拉力試驗機上設置報警或停機力值，當力學傳感器所受力值達到設定值時設備會發出報警，并且停止運行，避免過載破壞。
最后，作為最基本的保護手段，拉力試驗機上都設有急停按鈕，檢測時操作人員一直關注力值變化，當發現力值馬上就要超過量程時，可以手動啟動急停按鈕，避免過載破壞。
不過，多數情況下，操作人員如果不提前判斷的話，反應速度還不如拉力試驗機自身的停機保護更快些。
實際操作中，即使在這多重保護措施之下，力學傳感器受力超過破壞極限而損壞的情況仍然時有發生。
原因是：
(1)測試模量比較高的材料時容易超量程，無論是拉伸還是壓縮，力值都會急劇上升，如果移動端的運行速度又較快，這種情況下監測力學傳感器所受力值達到報警力值再采取措施往往為時已晚，因為力值上升太快，在保護機制執行的過程中，力值已經超過力學傳感器的破壞極限；
(2)在壓縮測試過程中，即使模量再低的材料，壓縮到一定程度之后，力值也會急劇上升，很容易超過破壞極限造成力學傳感器的損壞。
所以說，上述幾種保護措施并非萬無一失，拉力試驗機上的力學傳感器還需要更加有效的保護方案。
拉力機過載保護解決的方案：
(1)原理部分
上述幾種保護措施，特別是閉環控制方式，從原理上說是有效的，問題在于這幾種措施都有一定的局限。
在量程上設置裕量的方式，對于偶爾出現的某些稍微超過量程的情況，可以避免傳感器的破壞，但是如果負荷繼續增加，傳感器還是會被壓壞。
閉環控制的方式，可以通過設置恰當的報警或停機條件而發揮作用。
但是，從檢測到報警信號到停機還有一定的響應時間，在快速壓縮過程中，這個響應時間內系統過載足以把傳感器壓壞。
采用急停的方式，更是依賴于操作者的反應靈敏程度，不能作為常規的保護措施。
文中所采用的方案是在移動梁和固定梁之間增加預壓緊或預拉伸的彈性裝置，當負荷達到預壓緊力或預拉伸力時，彈性裝置繼續發生變形，從而在試樣的壓縮或拉伸之外串聯一個彈性裝置的壓縮或拉伸變化，受力相同時變形量增加，或者變形相同時受力更小。
此時再結合在量程上設置裕量的保護方式以及閉環控制的方式，可以保證在壓力傳感器達到破壞極限之前采取報警或停機措施。
(2)方案部分防止壓縮過載的保護裝置如圖2所示，彈性保護裝置包括內部的彈性元件和外殼，外殼有一個端蓋可以向內運動，彈簧以一定的壓縮量裝配到外殼中。
幾種拉力試驗機過載保護裝置
綜合保護護裝置保護裝置裝置確定壓縮量的標準是:當傳感器受到的壓縮力大于傳感器的量程時，端蓋壓縮彈簧繼續向內運動，為閉環控制系統留出反應時間，避免傳感器被壓壞。
當傳感器受到的壓縮力小于傳感器的量程時，端蓋受到彈簧的擠壓和外殼的限制而不能運動，從而不影響測量結果。
同理，可以設計出如圖3所示的防止拉伸過載的保護裝置，以及把壓縮過載保護裝置和拉伸過載保護裝置結合起來形成的如圖4所示的保護裝置，可以同時實現壓縮和拉伸的過載保護。
應用實例分析：
汽車內飾頂棚是一種復合材料，包括三明治骨架和復合在三明治骨架上的面料，采用模壓工藝生產。
厚度是頂棚的一個重要指標，在與護板、扶手等部件配合的部位都需要滿足厚度的要求，所以一般采用在模具上增加限位的方式來保證厚度。
為了在實驗室模擬頂棚的壓制過程，作者制作了一對小模具，采用拉力試驗機來提供壓力，這時候就遇到了前面所說的壓力過載保護的問題。當小模具到達限位之后，不能像實際生產的壓機一樣達到壓力及時停止，而是按照設定的速度繼續下行，直至接收到停機信號。
采用圖2所示的設計方案，按照傳感器的量程2000N采用彈性系數200N/mm的彈簧制作了壓縮保護裝置，當壓力達到2000N之后，移動梁繼續以1mm/s的速度下行，1s之后才能達到2200N，如果傳感器的破壞極限是2200N，則為系統提供了1秒的緩沖時間，確保閉環控制系統能夠發揮保護作用。
如果沒有彈性保護裝置，壓力會在瞬間突破2500N，把傳感器壓壞。
采用力學傳感器上串聯預壓縮和/或預拉伸的彈性保護裝置的方法，結合傳感器預留的量程裕量和控制系統的閉環控制報警措施，可以避免拉力試驗機在某些情況下響應時間過長而導致的過載保護措施失效的問題，避免傳感器被壓壞。
雙柱拉力試驗機
總的來說，上面這套過載保護的設計方案可行性是沒有問題的，即在拉力試驗機上，通過預壓縮或預拉伸的彈性保護裝置，結合傳感器預留的量程余量和控制系統的閉環控制保護措施，可以在傳感器負荷急劇上升時提供過載保護，為控制系統爭取到寶貴的響應時間，避免拉力試驗機過載時對力學傳感器的損傷。最后也希望這種設計能盡快大量運用到拉力試驗機的實際制造過程中。
來源：天氏庫力 發布日期
2018-12-12 瀏覽：
