浅析万能材料试验机零位清零带来影响

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万能材料试验机作为工业领域经常使用的设备，在金属、非金属材料力学性能试验中经常被用来检测材料拉伸、弯曲、压缩、剪切、环刚度等参数，是现代电子技术与机械传动技术的结合。万能材料试验机根据工作介质可分为电子万能材料试验机和液压式万能材料试验机。电子式万能材料试验机传感器在移动的负荷承重台上，清零操作简单。而油泵下置式液压万能材料试验机（以下出现的万能试验机均为油泵下置式液压万能试验机），其压力传感器与油泵连接，无论是手动供油式还是电动伺服供油式，在使用前后都需要特别注意设备的清零问题。

1清零的作用与意义

清零对体现现代化检测设备的自动化程度具有重要意义。清零可使设备恢复运行前的初始状态，设备运行过程中都是依靠初始状态来确定其示值的。虽然有些检测初始位置可以不是零位位置，也就是不用清零，多用于手头记录。但在使用自动化设备时，特别是计量工作使用的仪器设备，清零是必要的一个环节，无论是百分表使用前对零，还是游标卡尺、万能试验机的清零，都是必不可少的步骤。例如百分表的清零需要在使用前旋转表盘，让指针与零点位置对齐，这表示使用状态为零点位置。自动化式万能材料试验机的清零操作更为简单，只需点击清零键，由电控系统处理，自动将初始状态设置为零点。

2万能材料试验机清零问题原因

虽然清零这个动作简单，但是万能材料试验机由于结构原因（如图1所示），在加压时油压推动负荷承重台向上运动，此时负荷承重台的自重就会产生一定的压力，加上油缸向上运动时产生的摩擦，实验人员如果没有掌握清零操作方法，会导致无法正确清零。一般情况下，实验人员打开电机后，在空载状态下直接清零，会导致设备在运行过程中忽略负荷承重台自重以及油缸运行摩擦力，给检测结果带来一定的误差。

3零位误差分析

3.1零位清零的区分

为了确定误差对检测结果带来的影响，本文对空载直接清零和空载运行清零两种方式进行分析。1）空载直接清零。打开试验机后，空载直接清零。空载运行清零。当试验机空载运行一定的距离，也就是让承重负荷承重台上升一段距离时（一般运行到力值稳定状态），再进行清零。目前普遍使用的万能试验机，主要分为手动供油式和微机伺服供油式两种：1）手动供油式万能试验机的空载直接清零和空载运行清零均为手动控制。微机伺服式万能试验机的空载直接清零和空载运行清零则由于生产厂家软件的设计有所不同。有些会在计量检定过程中，提示承重负荷承重台上升一段距离后清零，以免影响计量检定的数据存在误差，有些则不会。这就需要实验人员在使用的过程中判断设备清零是否正确，如果不正确，则根据控制系统进行清零。

3.2清零方式的误差分析

选择一台1000kN电液伺服万能材料试验机进行测量（本次试验数据均使用同一台试验机，其他试验机以此参考分析），步骤如下：空载直接清零，即直接打开电机，点击清零。空载运行清零，即打开电机，清零，然后关闭回油阀，打开送油阀，当负荷承重台运行一定的距离后，读取该值，记录并清零。电脑控制伺服万能材料试验机点击运行，待示值稳定后，记录该值并清零。具体数值见表1。从表1得出空载直接清零F1时，零位直接清零，该值即为0.00kN，然后关闭回油阀，打开送油阀，进行加压，万能材料试验机空载运行一段位移时，此时处于空载状态，此时的力值却为7.34kN。以上零位示值是空载在没有进行任何负载试验过程中出现了压力值，这是万能材料试验机的机械结构所决定的。由于万能试验机工作时需要供油系统将整个负荷承重台向上移动，从而达到加压的目的，该负荷承重台的重量以及油缸向上运动时相互运动带来的摩擦，导致空载运行时存在一个负载值，这个值在试验过程中会被计入试验数据，对实验结果产生影响。

4清零误差对试验结果的影响

由表1得知，不同清零操作方式会产生清零误差。在试验过程中，该误差对试验结果数据产生影响。以本台万能材料试验机为例，由于负荷承重台和缸体摩擦带来了7.34kN的力值误差，根据万能试验机检定规程可知，万能材料试验机用相对误差计算，1级万能材料试验机最大相对误差为±1%，根据公式（1）可以推算出相对引用值=示值误差/示值相对误差绝对值=7.34kN/1%=734kN：从公式（1）的计算值可以推算出该负荷承重台和缸体摩擦引入的力值相对本台万能材料试验机在734kN内的误差均超差。如果该误差没有正确清除，则会给试验结果带来结果偏差，由于该误差值属于相对误差，则在734kN以内误差大于1%。例如，在200kN、400kN、600kN、800kN、1000kN位置，带来的相对误差如表2所示，该负荷承重台引入的误差值对于小量程使用时，力值对结果影响更大，对试验数据影响更大。由以上实验分析数据可知，实验人员如果忽略万能试验机存在的清零误差，那么在检定合格的万能试验机上进行实验后，结果实验值大于材料的实际强度，则会对材料强度出现误判。有误实验值大于实际值，此类误判对于合格临界值的材料或小强度的合格材料影响是比较大的。由于实验得出的强度偏大，导致判断合格的产品实际上有可能是不合格产品。现在部分实验室和检验检测机构的实验操作人员往往忽视清零产生的误差，从而无法得到正确的结果，即使出现问题也找不到问题的根源，更不知道如何操作才能避免由于清零引起的误差。

5消除清零误差

从实验数据总结出，如果没有对万能材料试验机正确清零，由于负荷承重台和油缸运动摩擦引入的清零误差将对试验结果带来很大的影响。其实可以看出，清零误差是由于负荷承重台的自重和运动过程中的摩擦引入的，因此，我们必须在实验之前找到负荷承重台自重和运动过程中的摩擦值，从而消除掉清零引入的误差。清零的方法是在设备使用前先空载加压直至压力值稳定，然后清零。手动加压的万能材料试验机需要手动供油至稳定压力值清零，再进行强度检测实验。但现有的多数伺服液压万能材料试验机由于各个厂家软件设计不同，在清零方式上各有不同。有些会在运行过程中提升负荷承重台已上升稳定，提示清零，有些厂家的软件则需要实验人员自己空载运行至压力值稳定后清零，或点击停止时清零，完成消除清零误差。

6结论

零位清零作为实验数据记录的开始，对后续实验数据的真实性起着重要作用。一旦零位没有正确记录，后续实验数据的真实性就无法保障。目前现代化、智能化的检测系统广泛应用于仪器设备，模板式的操作模式会让很多实验人员过分依赖智能化的操作步骤，缺乏主动发现问题、分析问题的探索精神。万能试验机的零位清零问题便是其中之一，在实际检测中由于万能试验机由于清零的不正确，导致实验数据存在问题的案例屡见不鲜。综上实验数据可以看出，在使用实验设备进行数据测量时，需要实验人员对每一步骤进行分析探讨，发现可能引入误差的因素，从而鉴别该误差对于实验结果的影响。就如本文探讨的万能材料试验机零位清零，由于忽视零位清零的影响，从而影响实验结果的可靠性。所以，实验人员在实验过程中，需要认真分析从开始到结束的每一个步骤，消除类似零位清零这种引入的误差，以便得到更加真实可靠的实验数据。

作者:黄桂荣 刘飞 况严 黄元媛 单位:重庆市计量质量检测研究院