1 引 言
电液伺服试验机是产品或材料在投入使用前,对其性能和质量按设计要求进行验证的机器,其主要用途是在各种条件下测定金属材料、非金属材料、机械零件、工程构件等的综合性能参数,这对有效使用材料、改进工艺、提高产品质量、降低成本、保证产品安全可靠性等都具有重要作用。所谓试验机的同轴度,主要是指试验机夹持装置(即夹头)在主机中心位置上施加力的过程中,主机上、下夹头中心线与试验机的加力轴线间同轴的程度。由于同轴度的存在,试样在受轴向拉力时,还要受到一个侧向力和一个附加力矩的影响,使得试样的受力状态发生改变,从而影响试验结果。因此,有必要更深入地了解试验机产生同轴度误差的环节,从而了解其对试验机的正常运转和试验结果的影响,使得在解决同轴度误差问题上能够有更多的理论上的支持。
2 引起试验机主机同轴度误差的因素
试验机主机由封闭式框架(上下横梁、导向立柱和工作台)、伺服加载液压缸、上下液压夹头、传感器、消除间隙环节等几部分组成。这几部分与试验机主机同轴度有着很大的关联。其中,上横梁的导向和移动环节、伺服加载液压缸的端面定位问题、液压夹头内夹块导向槽的受力及硬度问题等构成了引起试验机主机同轴度误差的主要因素。试验机主机各部件间的间隙也是影响主机同轴度误差的因素,其主要是机械装配误差以及受力后的应力变形引起的,随着装配、机械加工工艺等的提高和高强度材料的应用,这一问题可望得以逐渐被解决,从而减小对试验结果的影响。下面详细介绍引起试验机主机同轴度误差的几个重要因素。
(1)上横梁的导向和移动环节。目前,试验机上横梁大多采用标准工程液压缸沿立柱双缸驱动,而双缸的同步方式都采用简单的压力同步,当上横梁两端的导向与立柱之间的预紧力不同,或两个升降缸的摩擦力不同时,双缸驱动横梁移动,上横梁很容易会产生侧偏,使上下横梁不平行,影响同轴。而且,由于横梁导向与立柱的预紧力不同等原因,横梁并不是以一种恒定的姿态上下移动,而是以两侧的导向通过其长度和与立柱间的间隙来不断地找正,使横梁能够保持水平移动,这一方式导致很难确定横梁偏移的方向。虽然横梁的导向部分能校正一部分侧偏,由于导向部分相对立柱的间距小得多,侧向偏出零点几毫米还是很容易的。因此,上横梁的移动方式是影响同轴度的主要因素之一,且是一不确定因素。
(2)另一个主要因素是液压夹具。夹块与夹头体的对称性直接影响整机的同轴度,它对整机的同轴度误差有放大作用。影响对称性的原因有:加工工艺及加工精度、材料的强度及热处理技术等。由于夹块的特殊结构,要求每对夹块的对称精度非常高,同时对夹块的硬度要求也非常高,否则无法保证其对称度和重复性。
(3)伺服加载液压缸的加工精度及装配精度也是影响同轴度的主要因素。伺服缸与工作平台的安装都是采用前端盖直口定位,前端盖的加工垂直度及前后端盖的装配平行度是产生不同轴的主要原因之一。
总之,同轴度误差的存在,使得试验机在对试样做拉、压试验时,由于受力的偏移,使得试验机主机的工作部件(尤其是夹头内活塞、液压油缸活塞导套)的应力变形增大,从而影响试验机的自身工作寿命、破坏液压油缸,导致试验机不能正常工作。这就需要了解引起同轴度误差的原因,从而分析和解决这些问题,确保试验机的正常运行。
3 同轴度误差对试验机的影响
同轴度对试验机影响最大的是伺服加载油缸,国内伺服液压缸大多采用间隙密封,抗侧向载荷的能力比较差。油缸的活塞在长期的高速运动中,由于不同轴,活塞对油缸端盖及缸筒内壁会产生很大的摩擦,轻则造成油缸磨损漏油,重则将油缸研磨抱死。为此,需要利用一些科学手段研究分析同轴度误差,从而避免因这一误差影响所带来的危害。
在受力分析上,采用ANSYS11·0软件来对试验机主机及主要受力部件进行静态分析,以了解同轴度误差在试验机工作时对试验机受力及其试验结果的影响。
分析的主要参数有:弹性模量为2e11Pa,泊松比为0·3,材料密度7800kg/m3,网格密度35mm,液压缸提供最大压强21MPa、最大动力为100kN,夹头最大夹持力为120kN(上述力均为根据已知液压缸结构计算所得)。分析如图1-图4所示。
图1中,试验机主机的应力主要集中在试样中部(其应力为5·0446e7Pa),这是试验人员所期望能够实现的理想结果。但在现实中,由于同轴度误差的存在,试样常常在其与夹块接触的根部就断裂了,这与期望的理想结果有很大的差距。
图2为由于夹块的不对称(右侧夹块上沿前倾0·01mm)所造成的试样偏移,试样偏移量为0·6666654,可以看出,夹块的对称性对试样同轴度误差产生了放大作用。当试样越长、夹块越小时,夹块对称性对同轴度误差的放大作用就越大。
图3为活塞平面的受力分析,图中活塞平面一侧应力偏大,最大应力集中在平面边缘(8·0516e7Pa),另一侧平面在距中心5mm左右处有一深槽。这一现象主要是由于夹块的不对称导致夹块在夹持试样时产生偏移,使得夹块与活塞的接触由面面接触变为线面接触。当夹块作用与活塞面的力集中在一条线上时,由于活塞表面的硬度(HB230~270)低于夹块的硬度(HRC58~60),使活塞表面产生损坏变形。
图4中,夹块的最大应力集中在其与试样接触面的两边较窄的一侧(应力为2·408e8Pa),当夹块在对试样做夹持时,由于同轴度误差的存在,使得试样偏离轴线,夹头对试样施加夹持力的同时,试样也反作用于夹头内的夹块及活塞平面,使活塞与油缸的活塞杆导套产生摩擦,从而破坏油缸。
从上述分析可以看出,由于同轴度误差的存在,试验机在工作时,活塞、夹块等施力部件,由于受力以及相互作用部件的材料刚性不同而产生应力变形,影响试验机的测量结果。同时,这些应力变形也直接导致试验机油缸的损坏,使试验机不能正常运行。为此,避免产生同轴度误差或者在一定程度上减小同轴度误差对试验机的影响,成为对试验机研究的一个重点
4 同轴度引起的试验误差
在对试样做疲劳试验时,要取得试样准确可靠的试验数据,不仅要求试验机的测力误差小,而且还要求试验机的同轴度能得到保证。
4·1 几何同轴度
在试样不受力的情况下,使用量具用几何的方法测量出上、下夹头之间的几何中心线与加载轴线的偏离程度,是为几何同轴度。下式中,α角表示几何同轴度。当α角越大时,测得的试样抗拉强度越差。
其中:σb(α=0)为真实抗拉强度;σb(α≠0)为试验抗拉强度。
4·2 受力同轴度
试样在受力状态下,用引伸仪测出的同轴度称为受力同轴度。受力同轴度主要反映了试样断面上的应力不均匀程度。受力同轴度越大,试样断面上的应力越不均匀,测得的试样的性能越低于其真实值。同轴度按下式计算:
式中:△Lmax为在同一测量点、同一次测量中,检验试样较大一侧的变形值;△-L为在同一测量点、同一次测量中,检验试样两侧变形的算术平均值。
5 总 结
通过以上对电液伺服试验机同轴度的分析,不仅了解了同轴度计算公式,而且得出试验机同轴度对试样的拉压强度及主机的正常工作影响很大。由于同轴度误差的存在,在实践中经常看到试样的断裂点发生在试样根部的下边缘,甚至有液压油缸漏油的情况发生。因此,在做试样的拉压试验时,要对试验机的同轴度进行测量,使其保持在规定允许的范围内,以保证试验机同轴度对试验结果的影响最小。
参考文献
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[2] GB1958-80形状和位置公差检测评定[S].
[3] 张传飞.浅析试验机同轴度对材料拉伸强度的影响[J].建筑研究与应用,2003(6).
本文作者：姜魏梁,李跃光
