液压试验机负荷传感器和压强传感器的选择

  在讨论之前，请允许我们先假设读者具备一点力学基础，对下置式万能试验机有所印象(本文将以此为例)。并且，直接影响电测试验机最终性能的两个重要因素，由于无论对压强传感器测力还是力传感器测力都同样重要，因此我先假设这两个因素同样理想，所以，同时忽略，不在本文之中讨论。这两个因素是:①信号放大部分的性能②上下钳口中心线与活塞中心线重合，二根升降丝杆中心线与活塞中心线在同一个平面。

  众所周知，力传感器输出的电信号反映的是作用在传感器上的力值。以油缸下置式万能试验机为例，多数采用了精度优于0.3‰的轮辐式传感器，并将传感器安装在工作活塞和台板之间。这样，在活塞未升起感器主要受到由台板、立柱、上横梁构成的框架的自身重力，该力是恒定的。当活塞升起，试验机开始工作时，传感器受到框架自重G0(一般通过清零在显示读数前去除)、试样上受到的拉力F0、框与升降丝杆间的摩擦力fk三个力的作用。这里fk是一个非线性力，但由于相对于F而言很小，在量程不是很小的情况下可以在精度允许范围内忽略。所以，可以认为微机上显示的试样受力F0等于传感器所受力F，即F0=F。

  而压强传感器反映的是液压系统内部的压强，根据帕斯卡原理，该压强值乘以工作活塞面积，即为工作活塞受到的力F′，而活塞面积对每一台试验机而言，都是一个常数，即F′=P.K。这时，试样受到的力F0=F′-G0-fk-fH。其中fH是活塞与油缸壁间的摩擦力，该力的大小于油缸活塞的制造工艺、配合精度、密封方式相关。所以，相对于力传感器而言，使用压强传感器的测力系统要将压强转化为显示给用户的力值，除了要忽略框架与丝杆间摩擦力fk外，还需处理好油缸活塞间摩擦力fH。当fH不是足够小，或者fH变动比较大，那么总摩擦力f=fk+fH就不能轻易被忽略掉，尤其在量程低端更加可能使精度超差。现在，我们可以推出一个结论了，要想使压强传感器测力系统表现得和力传感器测力系统一样好，必须使fH足够小。

  fH能做得足够小吗?回答是肯定的。当近百年前德国人开始生产油缸上置式万能试验机并应用动摆测力机构时，这个问题就已经部分解决了。答案就是精确控制油缸、活塞的形状、尺寸、配合以及表面光洁度，不使用任何形式的密封圈，依靠控制油缸活塞间的间隙既达到密封目的，也达到润滑目的。也就是说，既要让油缸活塞间始终存在一层油膜，又不能让压力高达25MPa的油从这里泄漏出去。试想，当油缸和活塞表面本身已非常光洁(镜面)，而且还有清洁的油膜在润滑，其摩擦力无疑是足够小的。这样做还带来了额外的好处，那就是①永远无需更换密封圈②油缸活塞的使用寿命几乎无限长。例如，我们用做铸件内部质量控制的一台300kN试验机是上世纪70年代生产的，至今仍在正常运作。

  把fH做小容易吗?这个问题的答案将会因厂家而异。无疑需要一些专用设备，如珩磨机、研磨机，更重要的是需要熟练的检验人员。对于直径达数百毫米的油缸活塞来说，其测量误差不能超过0.01毫米，也就是人工测量要达到数万分之一的分辨率，这时不仅要求测量设备的精度要够，更重要的是操作者要性格稳、手势稳。而且，测量后的结果并不能保证每只油缸或活塞都能在同一批次里找到自己的另一半，于是就要将暂时不能配对的油缸或活塞库存起来。同时，由于油缸活塞在车、磨等加工工序会积累内部应力，导致微小的变形，所以这些半成品不能马上精加工成为成品，而是必须存放三个月或更长时间，待内部应力释放完毕、变形稳定后方可精加工和测量。由于这两个原因，需要在油缸活塞生产环节中保持相当数量的成品和半成品，导致一些资金积压和场地占用。上述这些必要的条件，有些不是可以一蹴而就的，因此对于试验机行业内自己具备金加工能力的老厂而言，做到不难;对于机械部分依靠外购的试验机厂家，或许就有些难度和成本压力了。