拉力试验机是一种常用的力学检测设备，是保证材料拉伸、压缩、弯曲、撕裂、剥离等试验顺利进行的基础检测设备。电子万能试验机主要包括计算机控制系统、动力传动系统、测力机构、传感器及工作台。下图拉力机包括底部的工作台和门字形的框架，安装在框架上的移动梁作为移动端，台面或顶端的固定梁作为固定端，固定端直接连夹具，移动端通过力学传感器连接夹具。试样的两端固定在两个夹具上，移动端以一定的速度运动，试样被拉伸或压缩，记录力学传感器上的力值和对应的移动端位移和时间，给出受力曲线。
拉力试验机的典型结构图
力学传感器属于拉力试验机上的精密部件，也是易损部件，当力学传感器上所受到的力达到或超过破坏极限，就会造成损坏。
为了避免力学传感器的破坏，现有的拉力试验机上也有多种保护措施。
比如降低传感器的量程:假设力学传感器出厂的量程标注为1000N，实际的破坏极限可能是1100N，多余的这100N作为保险系数。
再比如拉力试验机上设置报警或停机力值，当力学传感器所受力值达到设定值时设备会发出报警，并且停止运行，避免过载破坏。
最后，作为最基本的保护手段，拉力试验机上都设有急停按钮，检测时操作人员一直关注力值变化，当发现力值马上就要超过量程时，可以手动启动急停按钮，避免过载破坏。
不过，多数情况下，操作人员如果不提前判断的话，反应速度还不如拉力试验机自身的停机保护更快些。
实际操作中，即使在这多重保护措施之下，力学传感器受力超过破坏极限而损坏的情况仍然时有发生。
原因是：
(1)测试模量比较高的材料时容易超量程，无论是拉伸还是压缩，力值都会急剧上升，如果移动端的运行速度又较快，这种情况下监测力学传感器所受力值达到报警力值再采取措施往往为时已晚，因为力值上升太快，在保护机制执行的过程中，力值已经超过力学传感器的破坏极限；
(2)在压缩测试过程中，即使模量再低的材料，压缩到一定程度之后，力值也会急剧上升，很容易超过破坏极限造成力学传感器的损坏。
所以说，上述几种保护措施并非万无一失，拉力试验机上的力学传感器还需要更加有效的保护方案。
拉力机过载保护解决的方案：
(1)原理部分
上述几种保护措施，特别是闭环控制方式，从原理上说是有效的，问题在于这几种措施都有一定的局限。
在量程上设置裕量的方式，对于偶尔出现的某些稍微超过量程的情况，可以避免传感器的破坏，但是如果负荷继续增加，传感器还是会被压坏。
闭环控制的方式，可以通过设置恰当的报警或停机条件而发挥作用。
但是，从检测到报警信号到停机还有一定的响应时间，在快速压缩过程中，这个响应时间内系统过载足以把传感器压坏。
采用急停的方式，更是依赖于操作者的反应灵敏程度，不能作为常规的保护措施。
文中所采用的方案是在移动梁和固定梁之间增加预压紧或预拉伸的弹性装置，当负荷达到预压紧力或预拉伸力时，弹性装置继续发生变形，从而在试样的压缩或拉伸之外串联一个弹性装置的压缩或拉伸变化，受力相同时变形量增加，或者变形相同时受力更小。
此时再结合在量程上设置裕量的保护方式以及闭环控制的方式，可以保证在压力传感器达到破坏极限之前采取报警或停机措施。
(2)方案部分防止压缩过载的保护装置如图2所示，弹性保护装置包括内部的弹性元件和外壳，外壳有一个端盖可以向内运动，弹簧以一定的压缩量装配到外壳中。
几种拉力试验机过载保护装置
综合保护护装置保护装置装置确定压缩量的标准是:当传感器受到的压缩力大于传感器的量程时，端盖压缩弹簧继续向内运动，为闭环控制系统留出反应时间，避免传感器被压坏。
当传感器受到的压缩力小于传感器的量程时，端盖受到弹簧的挤压和外壳的限制而不能运动，从而不影响测量结果。
同理，可以设计出如图3所示的防止拉伸过载的保护装置，以及把压缩过载保护装置和拉伸过载保护装置结合起来形成的如图4所示的保护装置，可以同时实现压缩和拉伸的过载保护。
应用实例分析：
汽车内饰顶棚是一种复合材料，包括三明治骨架和复合在三明治骨架上的面料，采用模压工艺生产。
厚度是顶棚的一个重要指标，在与护板、扶手等部件配合的部位都需要满足厚度的要求，所以一般采用在模具上增加限位的方式来保证厚度。
为了在实验室模拟顶棚的压制过程，作者制作了一对小模具，采用拉力试验机来提供压力，这时候就遇到了前面所说的压力过载保护的问题。当小模具到达限位之后，不能像实际生产的压机一样达到压力及时停止，而是按照设定的速度继续下行，直至接收到停机信号。
采用图2所示的设计方案，按照传感器的量程2000N采用弹性系数200N/mm的弹簧制作了压缩保护装置，当压力达到2000N之后，移动梁继续以1mm/s的速度下行，1s之后才能达到2200N，如果传感器的破坏极限是2200N，则为系统提供了1秒的缓冲时间，确保闭环控制系统能够发挥保护作用。
如果没有弹性保护装置，压力会在瞬间突破2500N，把传感器压坏。
采用力学传感器上串联预压缩和/或预拉伸的弹性保护装置的方法，结合传感器预留的量程裕量和控制系统的闭环控制报警措施，可以避免拉力试验机在某些情况下响应时间过长而导致的过载保护措施失效的问题，避免传感器被压坏。
双柱拉力试验机
总的来说，上面这套过载保护的设计方案可行性是没有问题的，即在拉力试验机上，通过预压缩或预拉伸的弹性保护装置，结合传感器预留的量程余量和控制系统的闭环控制保护措施，可以在传感器负荷急剧上升时提供过载保护，为控制系统争取到宝贵的响应时间，避免拉力试验机过载时对力学传感器的损伤。最后也希望这种设计能尽快大量运用到拉力试验机的实际制造过程中。
来源：天氏库力 发布日期
2018-12-12 浏览：
