拉力、压力和万能试验机的检定方法初探

刘慧军

（湖南省邵阳市计量测试检定所，湖南 邵阳 422000）

1 引言

万能试验机是发展材料科学，促进生产产品质量，提升材料品质的重要检测设备。到现在为止，万能试验机的分类方式可以按照如下要求：（1）按照万能试验机的运行方式分类；（2）按照测定力学的方式进行分类；（3）按照万能试验机结构特点来分类；（4）按照万能试验机测定的材料类型进行分类。目前阶段，万能试验机的品种多达上百种，单纯以某一种分类方式进行界定的话，无法做到对试验机类型的有效覆盖，也不能完全地对万能试验机的性能做出有效的分离。万能实验机到现在已经发展出丰富的型号，强大的功能类型也让实验机的分类也变得困难重重，试验机的负荷范围不断扩大，可以测定的材料也越来越丰富，它们之间界限也越来越模糊，万能试验机的分类也就变得复杂起来。

2 关于电子式和液压式万能试验机的分析讨论

2.1 从结构特点方面进行分析

电子式的万能试验机结构特点：动力源是由伺服电机提供的，执行部件主要是杠丝和丝母，通过它们之间的配合，实现万能试验机移动横梁的运动，并且可以通过外部控制，操控横梁的移动速度。现在这种试验机的传动控制，主要通过同步带和减速机来实现。在我国国内，同步带这种传动方式主要集中在长春地区，红山出产的万能试验机，多采用减速机来传动。这两种传动方式都可以满足使用者的要求，具体的优缺点还有待探讨。同时这种试验机的传感方面，主要是采用负荷传感器。

液压万能试验机的结构特点：从名字不难看出来，这种实验机的动力是由高压液压源提供的。控制系统中，主要采用手动阀、伺服阀或者是比例阀这几种方式来进行控制。市场上普通的液压万能试验机只能够支持手动加载，控制系统比较粗放，压力传感器也是浦东的液压压力传感器，究其原因还是价格问题。但是电液伺服类的万能材料试验机主要是采用伺服阀或者是比例阀这两种控制元件，在测力方面，有些技术含量高的厂家已近使用高精度的负荷传感器来实现力学测量。

2.2 从适用性能方面进行分析

电子式的万能试验机性能特点：电子式的万能试验机通常是不使用油源的，所以在设备维护和保养方面更加方便快捷，同时也更加清洁无污染。在测定范围方面，从0.001～1 000 mm/min范围内，可根据使用者的要求自由调整，速比达到100万倍，实验的行程同样可以调整，方便灵活，实用性强。在精度方面，测定的力学的精度可达0.2%左右，相对还是很高的。同时，这套试验机重量很轻，有足够的空间来满足使用者的使用要求，可以方便快捷的加载各类装置进行力学实验，对材料的大小种类适用性也很强，是真正的万能试验机。从控制方面，所谓的“三荷控制”即载荷控制、应变控制、位移控制，在国内出产的主流电子式万能试验机都可以做到。

3 万能试验机相关的分析与思考

3.1 同轴度检定方面的分析思考

同轴度是一个概念名词，指的是万能试验机夹持装置在实验过程中，上下夹头和力轴线的统一程度。在拉伸实验过程中，材料收到正应力，使材料不断被拉长，但是受到同轴度的影响，材料可能会受到弯曲应力，从而对实验的结果产生其他影响，造成测定数值不准。在假设中，如果夹持装置可以自动对中，或者是测定的材料具有良好的柔韧性，那么对实验结果可能影响不大，但是如果测定的材料具有极大的刚性或者抗曲桡性，亦或者是需要极限趋近于材料的柔韧极致的测量项目时，这种弯曲应力对实验结果的影响可能是十分巨大的。

在检测同轴度的时候，往往采用以下几种方式：（1）在校验棒上用百分表来进行检测；（2）在矫正校验棒的倾斜角度时，用象限水平仪进行矫正；（3）检测对中性：切开校验棒，用上下夹头夹住进行校验；（4）利用铅锤来进行校验；（5）用同轴度自动检测仪。这几种方法都是验证几何同轴度的，由于实验条件的不同，可能矫正的情况也不相同。方法（5）更适用于在检测时，夹具已经受力条件下进行校验，更贴近实验现实。同时这种方法，是明确记载在《电子式万能试验机》规程中的。在实验时力小于5 N的条件下，规程要求按照铅锤法进行校验。

3.2 鉴别力阀检定的分析和思考

在各类万能试验机检定规程中，可以看到，鉴别力阀的检定是必须要进行的。究其原因，主要是现阶段许多万能试验机的技术标准不一样，设计理念也不同。很多试验机在进入测试模式时，才允许检定力值。未进入检测模式时，试验中没有力学施加，显示的数值不会发生变化，这种现象并不能真实反映试验机测试系统的精度水平。只有对相对力值、零点漂移和鉴别力阀均有正确反应的万能试验机，实验结果才是真实可靠的。

3.3 对检定规程的分析

自从JJG 157-1995《非金属拉力、压力和万能试验机检定规程》被2008版代替，再到JJG 139-2014《拉力、压力和万能试验机检定规程》实施至今，笔者经历了小负荷试验机检定方法和技术要求的三次变化过程，充分认识到了新规程适应时代的进步，检定方法的操作性更强。在此笔者将JJG157《非金属拉力、压力和万能试验机检定规程》1995版和2008版进行比较，可以更加具体的了解到非金属及小负荷材料试验机的检定方法和技术要求在这段时期内的变化和提高，主要有以下特点：

（1）规程适用范围变大，相较于旧的规程只适用于新制的，使用中和修理后的试验机检定，新规程可用于非金属材料的拉力、压力和万能试验机检定。同时在力的尺度上，可以达到10 N以上，检测材料范围也从非金属扩大到小负荷和微小负荷的试验机，以及一些高分子材料试验机。

（2）试验机分级及术语变化：首先是在新规程中试验机分为三级，也就是0.5、1、2三级，修改了旧规程中0、1、2、3四级制。术语方面，新规程中α指的是相对分辨力，区别于就规程中的相对分辨率。

（3）试验机安装规范变化：新规程中要求试验机安装过程中在水平度上不超过0.2 mm/m，区别于旧规程中只要求安装在固定的底座上。

（4）万能试验机安全装置要求：新规程要求试验力达到测定上线103%～105%范围时或者是活动部件到达极限时，保护装置立即开启；在旧规程中是试验力达到测定上线102%～110%范围时开启。新规程中试验机灵敏度将更加精确，对机器操作人员和试验机的寿命都有了有效保护，安全程度也大大提高。

（5）万能试验机加力系统要求：在旧规程中，试验机保持显示数值的变动范围根据实验机类型不同而不同。液压压力试验机保持加力的变化范围为显示数值上限的0.5%，而液压式为显示上限的0.2%。在新规程中统一为显示数值的0.5%。新规程相对于旧规程，要求更加精准。

（6）万能试验机噪声要求：在试验力不大于5N范围内，对于实验机的噪声要求，旧规程要求限定在60分贝以内，大于5 N小于1 MN时，要求限制在75分贝以内，大于1 MN时，限制在80分贝以内。而新规程则是统一要求，只要试验力大于5 N，最大噪声不得超过75分贝。新规程相对于旧规程，要求更加严格。

（7）万能试验机零点漂移要求：新规程对于万能试验机测量装置在15分钟内的零点漂移数值做出规范，0.5级时，下限为±0.5%，1级和2级测量下限都是±1%。区别于旧规程中：0级上限±0.1%，1级测量上限是±0.2%，2级测量上限是±0.5%。新规程相对于旧规程更加精细严格。

（8）万能试验机测量装置功能变化：相对于旧规程，新规程增加要求万能试验机必须显示力学方向的显示，在显示时，必须通过正负号显示试验力的方向。同时增加了显示范围，必须要显示从零到最大值的103%以上范围和试验力峰值保持的功能。

（9）万能试验机形变测量变化：新规程对试验机变形测量装置的功能做了增加，要求最大形变量的示数要能够保存和显示形变方向；接触式的大变形量的引伸计附加力不超过0.2 N，实验时测量的示值下限允许误差的一半。

（10）万能试验机检定条件要求：新规程要求增加检定条件，电子式的试验机在检定前要求预热，按照使用说明书上的操作规范，预先预热到规定的时间范围，要是没有规定的要求最多预热30分钟。在检定时，要排除周围可能存在的震动、电磁干扰等影响因素，以防影响实验结果。

（11）万能试验机的同轴度检定要求：新规程在同轴度检定方面，在旧规程基础上增加了一种检验方法，新规程规定，在不具备检测仪检验同轴度的情况下，允许通过检验几何同轴度来代替。

（12）新规程在噪声检查方面增加了2个检测点（旧规程为4个，新规程为6个）。

（13）万能试验机零点漂移检验的要求：新规程在检测零点漂移过程中，增加了大变形引伸计附着力的测定检验，规定了检验方法：当拉力试验机活动夹具移动到到固定夹头上方时，要求使用播针式的测力仪测定试验力；当移动到固定夹具下方时，使用专用砝码来测定试验力。

（14）万能实验机在试验力示数上的要求：新规程要求在选择标准器的时候，不大于100 N的试验力推荐使用标准砝码，100 N到5 kN的试验力推荐使用标准侧力仪。新规程还规定了无分档试验机测定点，要求按照最大实验的100%、80%、60%、40%、20%、10%、5%、2%、1%、0.5%、0.2%、0.1%……一直测量到实验示数的下限为止。相对于旧规程，测量点更加密集，数值更加具体，可靠性强。

（15）万能实验机夹具误差的要求：在旧的规程中，夹具间距50 mm以内时可直接使用游标卡尺进行检定；间距大于等于50 mm时，增加钢尺测量。而在新规程中，在100 mm以下使用游标卡尺，不小于100 mm时，增加钢尺测量检定

3.4 关于在试验机检定中遇到的问题讨论

在试验机的检定问题上，通过查询各种资料发现，很多试验机检定规程中，并未提到试验机的使用年限要求，在一些记载中认为，试验机只要检定结果合格，就可以使用。但是同时也有记载表明，使用年限达到一定时间之后，其原件有磨损或者疲劳而出现问题，比如油管爆裂、关键部位断裂等问题，由此发生的安全隐患值得重视。除此之外，笔者发现很多试验机的电源开关都是通过闸刀开关或者是自动空气开关直接与电网连接，一旦发生漏电或者是短路现象，极易造成安全隐患，因此笔者建议试验机应该先通过漏电保护器，再与电网连接，减少安全隐患。

4 结语

结合上文分析，可以看到万能试验机开始的检定依据主要还是JJG157《非金属拉力、压力和万能试验机检定规程》、JJG139《拉力、压力和万能试验机检定规程》、JJG1063《电液伺服万能试验机检定规程》以及JJG475《电子式万能试验机检定规程》。在应用范围上，《非金属拉力、压力和万能试验机检定规程》主要适用于小负荷材料试验机，常见皮革、纸张、橡胶、塑料、纤维等非金属材料试验机；JJG139《拉力、压力和万能试验机检定规程》主要用于最大试验力为2.5 kN～10 MN的机械、液压摆锤式万能试验机；JJG1063《电液伺服万能试验机检定规程》主要用于液压方式加载具有闭环控制功能并采用计算机系统测量力学性能参数的试验机；JJG475《电子式万能试验机检定规程》主要用于具备闭环控制功能的电子拉力（压力）试验机的检定。除了两个主要检定项目示值误差和示值重复性相同，四本检定规程在其他检定项目中还是有所差异。

随着时代发展，万能试验机的技术性能得到了很大的提高，机械正弦摆试验机已经逐渐淘汰，旧式带描绘筒记录装置已经跟不上时代，有的试验机移动横梁的位移用于表示试样的变型等等一系列变化下，JJG139-2014《拉力、压力和万能试验机检定规程》将JJG139-1999和JJG157-2008两个规程进行了合并及修订，新的规程检定方法操作性更强，适用面更广，综上所述，笔者认为《电子式万能试验机检定规程》和《拉力、压力和万能材料试验机检定规程》是试验机领域内使用最广泛的规程，以上讨论只是个人的一些粗浅理解，如有错误，欢迎批评指正，互相交流，共同提高。