拉力試驗機(jī)的工作原理是什么？

拉力試驗機(jī)的工作原理是通過對試樣施加軸向拉伸載荷，同步監(jiān)測力值和變形量，從而分析材料在拉伸過程中的力學(xué)性能。其核心邏輯是基于胡克定律（彈性變形階段應(yīng)力與應(yīng)變成正比）和材料破壞理論，具體工作流程如下：

一、機(jī)械加載原理

動力源驅(qū)動

電子萬能試驗機(jī)：由伺服電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)提供動力，通過滾珠絲杠 / 梯形絲杠將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為橫梁的直線運動（向上移動施加拉力，向下移動可進(jìn)行壓縮或彎曲測試）。

液壓萬能試驗機(jī)：利用液壓泵產(chǎn)生高壓油，推動液壓缸活塞帶動橫梁移動，適合大載荷（如數(shù)百 kN 以上）場景。

氣動試驗機(jī)：通過壓縮空氣驅(qū)動氣缸，實現(xiàn)快速加載，常用于小載荷、高頻次測試（如薄膜拉伸）。

試樣裝夾與力傳遞

試樣兩端分別固定在上夾具（固定于機(jī)架頂部）和下夾具（連接活動橫梁）之間，確保試樣軸線與拉力方向嚴(yán)格同軸，避免偏心載荷導(dǎo)致測試誤差。夾具通過摩擦力（如楔形夾具）、機(jī)械咬合（如螺紋夾具）或氣動 / 液壓夾緊（如橡膠試樣夾具）固定試樣。

二、數(shù)據(jù)采集與測量原理

力值測量

負(fù)荷傳感器（測力元件）：通常為應(yīng)變式傳感器，內(nèi)部由彈性體和應(yīng)變片組成。當(dāng)試樣受力時，傳感器彈性體發(fā)生微小形變，應(yīng)變片電阻值隨之變化，通過惠斯通電橋轉(zhuǎn)換為電壓信號，經(jīng)放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）轉(zhuǎn)為數(shù)字信號，最終在軟件中顯示為力值（N/kN）。

精度：高精度傳感器誤差可控制在 ±0.05%FS（FS 為滿量程），普通傳感器約為 ±1%FS。

變形量測量

位移傳感器：

編碼器：安裝在絲杠端部，通過記錄電機(jī)旋轉(zhuǎn)圈數(shù)計算橫梁移動距離，分辨率可達(dá) 0.001mm。

光柵尺：通過光柵副的相對移動產(chǎn)生莫爾條紋，直接測量橫梁位移，精度更高（適合精密測試）。

引伸計（可選配件）：用于測量試樣標(biāo)距段內(nèi)的局部變形，分為：

接觸式引伸計：夾在試樣表面，通過機(jī)械臂或應(yīng)變片測量標(biāo)距內(nèi)的伸長（如金屬材料延伸率測試）。

非接觸式引伸計：通過光學(xué)圖像（如激光、視頻）追蹤試樣表面標(biāo)記點的位移，適合高溫、易磨損或復(fù)雜形狀試樣。

三、數(shù)據(jù)處理與力學(xué)性能分析

實時數(shù)據(jù)監(jiān)測

控制系統(tǒng)軟件實時繪制力 - 位移曲線或應(yīng)力 - 應(yīng)變曲線，直觀反映材料從彈性變形到塑性變形直至斷裂的全過程。

關(guān)鍵階段解析：

彈性階段：曲線呈線性，斜率為材料的彈性模量（E）。

屈服階段：力值波動或平臺出現(xiàn)，對應(yīng)屈服強(qiáng)度（σs）。

強(qiáng)化階段：材料抵抗變形能力增強(qiáng)，直至達(dá)到抗拉強(qiáng)度（σb）（力值峰值）。

頸縮與斷裂：試樣局部收縮，力值下降，最終斷裂，記錄 ** 斷裂伸長率（δ）** 和斷面收縮率（ψ）。

自動計算與輸出

軟件根據(jù)試樣原始尺寸（標(biāo)距長度 L?、截面積 S?）和測試數(shù)據(jù)，自動計算：

1. 應(yīng)力（σ）：σ = 力值（F）/ 原始截面積（S?）。

2. 應(yīng)變（ε）：ε = 伸長量（ΔL）/ 原始標(biāo)距（L?）。

3. 延伸率：δ =（斷裂后標(biāo)距長度 - L?）/ L? × 100%。

支持生成測試報告，包含曲線、原始數(shù)據(jù)、性能指標(biāo)等，符合國家標(biāo)準(zhǔn)（如 GB/T 228.1）或國際標(biāo)準(zhǔn)（如 ISO 6892）。

四、核心控制邏輯

閉環(huán)控制技術(shù)

電子萬能試驗機(jī)通常采用伺服閉環(huán)控制：

設(shè)定目標(biāo)速度（如 5mm/min）或目標(biāo)力值，控制器實時比較實際值與設(shè)定值，通過調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速或扭矩（PID 控制算法）確保加載精度。

例如：當(dāng)試樣接近斷裂時，軟件可自動切換控制模式（從 “速度控制" 轉(zhuǎn)為 “力控制"），避免加載過快導(dǎo)致數(shù)據(jù)失真。

安全與保護(hù)機(jī)制 

過載保護(hù)：當(dāng)力值超過設(shè)定上限（如量程的 110%）時，電機(jī)自動停機(jī)，防止傳感器或機(jī)架損壞。

軟限位與硬限位：橫梁移動范圍受軟件限位（電子限位）和機(jī)械擋板（硬限位）雙重保護(hù)，避免撞擊。

四、典型應(yīng)用場景示例 

金屬材料拉伸測試（以鋼材為例）

裝夾：使用楔形夾具固定圓棒試樣，標(biāo)距 L? = 5d（d 為直徑）。

加載：以 2mm/min 速度拉伸，記錄屈服點（力值波動時的最小值）和最大力值。

結(jié)果：計算屈服強(qiáng)度（σs = Fs/S?）、抗拉強(qiáng)度（σb = Fb/S?）和斷后延伸率（δ）。

塑料薄膜拉伸測試（如 PE 薄膜）

裝夾：氣動夾具輕壓固定薄膜，避免夾持處斷裂。

加載：高速拉伸（如 500mm/min），測量斷裂力和斷裂伸長率。

結(jié)果：評估薄膜的抗拉伸能力和韌性，指導(dǎo)包裝材料選型。

總結(jié)

拉力試驗機(jī)通過 “機(jī)械加載 - 數(shù)據(jù)采集 - 算法分析" 的閉環(huán)流程，將材料的宏觀力學(xué)行為轉(zhuǎn)化為可量化的物理指標(biāo)。其工作原理的核心是精準(zhǔn)控制載荷、實時捕捉變形、科學(xué)解析數(shù)據(jù)，廣泛應(yīng)用于質(zhì)量控制、材料研發(fā)和標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證等領(lǐng)域，為工程設(shè)計和科研提供關(guān)鍵依據(jù)。