影响试验机同轴度原因分析

影响试验机同轴度原因分析

张兵 余泽利 张艺新 曹小刚 井光昭 刘帅杰

（西安汉唐分析检测有限公司，陕西省 西安市 ， 710000）

摘要：试验机的同轴度是指试验机的试样夹持装置在任意位置上和施加力的过程中，上下夹头中心线与试验机的加力轴线间同轴的程度，电子式万能试验机、高温持久蠕变试验机和疲劳试验机主要用于材料的力学性能试验，其对应的方法标准对试验机同轴度有具体明确的要求。由于设计、加工、安装、使用等多方面因素的影响，试验机不可避免地存在同轴度误差。本文主要讨论试验机同轴度产生的原因，提出相应改进意见，指出应注意事项。

关键词：试验机；同轴度产生原因；检验方法；建议

试验机的同轴度是指试验机的试样夹持装置在任意位置上和施加力的过程中，上下夹头中心线与试验机的加力轴线间同轴的程度。由于试验机的试样夹持装置的设计、加工及装配等多方面因素，使其不可避免的存在同轴度误差，受到同轴度误差的影响，在使用试验机检测材料力学性能过程中，会使材料承受拉力的同时产生了附加力，造成试样异常断裂，材料试验机同轴度的好坏对材料性能测试结果的影响较大，最终会影响到试验结果的准确性，影响材料性能评价。

电子式万能试验机、高温持久蠕变试验机和疲劳试验机主要用于材料的力学性能试验，其对应的方法标准对试验机同轴度有具体明确的要求。由于设计、加工、安装、使用等多方面因素的影响，试验机不可避免地存在同轴度误差。同轴度误差的存在使材料做力学性能试验时引入了附加弯矩，甚至扭转，从而影响到试验结果的准确性。高温持久蠕变试验机的上下螺纹加工精度，上下连杆的连接同轴度和上下球座的装配精度，电子式万能试验机和疲劳试验机的上、下液压夹头同轴度指标是影响材料力学性能试验和材料疲劳寿命的一项重要技术参数，因此需要对连杆同轴度，螺纹加工精度，上、下液压夹头不同轴等产生的原因进行分析，然后进行调整，达到符合规程要求的同轴度，保证实验结果可靠性。

影响试验机同轴度的因素总的来说由设计缺陷与累积误差组成。具体分为以下几种情况：

1、上下横梁、底座、工作台主要安装孔的位置度、垂直度误差；

2、丝杠、立柱的同轴度误差；

3、上下横梁楔形开口与钳口夹板的角度、平面度、对称度误差；

4、油缸与活塞的同轴度误差与垂直度误差；

5、组成试验所需各连接件加工精度，装配精度造成的误差。

同轴度误差太大，会对试验机造成什么影响呢？

1、同轴度对试验力的影响

通过验证，拉力试验机的上、下液压夹头的同轴度，对拉力试验机机的力值准确度有明显影响。

2　同轴度对试验结果的影响

通过试验验证，拉力试验机的上、下液压夹头同轴度，对材料的拉、压疲劳试验结果有较大影响，尤其对低应变的试验影响更甚。因为上、下夹头的不同轴，会引入附加弯曲应力并叠加到平均应力上，造成应力局部集中，降低材料疲劳寿命。

试验机上、下夹头的几何同轴度一般有这样3种类型：

(1) 上、下夹头只有夹持中心位移，使材料在拉伸或拉压试验时增加了弯曲应力，见图2(a)。

(2) 如果上、下夹头只有同向夹持倾斜，则试样处于纯弯曲，见图2(b)。

(3) 如果上、下夹头既有中心位移，又重叠夹持倾斜。这种情况会呈现三种夹持方式：

1) 即一端夹持倾斜，另一端纯中心位移，见图3(a)。

2) 或一端夹持倾斜，而另一端中心位移及夹持倾斜，见图 3(b)。

3)也可能两端夹持倾斜和中心有位移，见图3(c)。

上、下夹头同轴度太差，会使材料拉伸试验异常断裂，断口失去本身的形态，造成异型断裂的情况，还会使疲劳试验过程中试样疲劳断裂不在中间，发生断口偏移现象。

为了得到材料拉伸、压缩和疲劳试验准确的结果，除了要求有较好的力值准确度外，还要求试验机上、下夹头有符合方法标准要求的同轴度。

3　几何同轴度产生的原因与检查

3.1　几何同轴度的产生原因

影响试验机上、下夹头同轴度的因素很多，下面对试验机同轴度产生的原因、检测方法和调整技巧谈谈看法。

（1）试验机活动横梁升降的平稳性

试验机横梁升降平稳性主要取决试验机立柱的加工精度和装配后的平行度，还取决于横梁和立柱间的夹紧方式及横梁和立柱间的间隙大小，这些都是加工和装配的结果，也是不可调整的。

（2）横梁升降时安装力传感器的下平面平行性试验机横梁下底面 ( 传感器基面 ) 在横梁升 ( 或降 ) 后的水平重复性也是先天决定的，它随着横梁升 ( 或降 ) 后横梁夹紧，横梁下底面水平发生变化，产生后果是使上夹头的夹持产生倾斜。

（3）单个夹头夹持的倾斜与否、夹头夹持的重复性、夹头块的互换性也影响试验机的同轴度。

（4）斜面垫 ( 防松垫 ) 上下平面的平行性等都能影响试验机上下夹头同轴度。

3.2　同轴度的几种检验方法

试验机出厂检测夹头同轴度方法主要有以下4 种：

（1）利用两根圆试样分别夹在上、下夹头上，见图 4(a)。把 V 型铁靠在下面的试样上转一周，利用百分表测量上面试样 A、B 两端位移及计算得到试样倾斜量、倾斜方向。

（2）利用一根标准长圆棒和带平台的中心检验棒分别夹在上、下夹头上，见图4(b)，转动转盘一周，分别测得标准长圆棒 A、B 两端位移及计算出试样倾斜量、倾斜方向。

（3）以底座为基础，分别测量上、下检具的平移和倾斜，见图 4(c)。

第一、二种方法共同点都是利用下夹头夹持一根检具作为基础来测量上夹头夹持的检具，得到夹头的平移和倾斜，这样测量用的基础本身受到下夹头的夹持后是否倾斜的影响。对寻找平移和倾斜的原因不方便。第三种方法下转动轴也受到下夹头夹持后倾斜与否的影响，并且也影响到上夹头检具的测量结果，对排除和分析带来麻烦，观察也不直观。并且第二、三种需要旋转转盘，则转盘与转轴间存在间隙也将影响测量结果。

5　结语

在某些理想得同轴度情况下，上下夹具得中心线，负荷装置得其他不捡得中心线及试样中心线应相互对准，且式样应相对于它自己的中心线对称。由于上下夹具的中心线不同轴，试样中心线与上下夹具中心线不一致，试验试样自身加工不对称造成了非理想状况。以上三种不同轴的原因组合在一起，存在于拉向负荷的实验中。

为了获取更好的同轴度，本文提出了以下几种建议：

1、注意使所有有关部件的中心线准确的同轴，应该努力提高试验机加工精度；

2、连接杆和试验试样的加工允许误差，尽可能保证最小的加工误差，保证同轴度的精度；

3、夹持方式连接试样的机构，要经常性的维护保养夹块部位，避免夹块出现变形，偏磨现象，如出现变形，偏磨现象应及时更换一副新夹块，保证同轴度的准确；

4、采用螺纹连接试样的方式，应保证上下螺纹连杆的同轴度和螺纹精度，避免出现打滑，螺纹崩裂、 暴力拆卸等现象。

参考文献：

[1]全国力值硬度计量技术委员会.电子万能试验机：JJG139-2014[S].中国质检出版社，2014.

[2]全国力值硬度计量技术委员会.轴向加力疲劳试验机：JJG556-2011[S]. 中国质检出版社，2012.

[3]袁强.试样同轴度校准技术的应用[J].计测技术，2018，38（SI）：125-129

[4]倪守忠，蒋晓波.万能试验机同轴度检测方法探讨[J].中国计量，2010（4）：86-87

[5]凌明，魏亚功.疲劳试验机同轴度产生的原因及调整方法[期刊论文]，上海计量测试2012（4）

作者简介：张兵，男，工程师，二级注册计量师。