米兰体育主页:北广精仪橡胶抗拉强度试验机

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  适用于金属、非金属材料的拉伸、弯曲、压缩等不一样单柱、门式所有系列的电子试验机设备。

  橡胶制品就在我们身边：轮胎与内胎、密封圈与垫片、胶管与输送带、减震块与缓冲件、电缆护套、鞋底与运动器材握把、医用胶塞与输液管……这一些产品有一个共同之处——在使用中会被拉扯、被压缩、被反复变形。要在这样的工况下保持功能，材料本身就得具备一定的承载与延展能力。

  抗拉强度就是描述这种能力的指标之一。它回答的是一个很朴素的问题：把一条规定形状的橡胶试样夹在上下两个夹具之间，按规定的速度拉伸，直到试样断裂，它单位原始横截面上能承受多大的力。这个数值通常用兆帕表示；把它与同一根试样断裂时的伸长率放在一起，就构成了橡胶拉伸性能的基本描述。

  橡胶抗拉强度试验机，就是为完成这项测定而配置的一类设备。它和测金属棒材、测塑料薄片的拉力机，在测量原理上是相通的，落点却不大一样：橡胶的破坏载荷不高，延伸量却很大，试样又软又弹，夹持稍不注意就打滑或在夹口处提前断裂。同一台设备，装上不同夹具、配上引伸计或大变形观测装置、调入不同的试验方案，还能承担弯曲、压缩、撕裂、剥离等相邻项目的测试。

  本文围绕一台以 ARM 与 CPLD 为平台、具备数字三闭环控制能力的橡胶抗拉强度试验机展开，先讲清橡胶拉伸测的到底是什么、怎么测，再把控制器与技术平台的各项指标原样列出，然后逐节说明软件操作、试样准备、校准与维护，便于设备采购、质量检验与试验室操作人员按需取用。

  在展开设备之前，先把几个常常被混用的量分开讲清。它们都来自同一条拉伸曲线，含义与用途却各有分工。

  拉伸强度（抗拉强度）。 试样断裂前承受的载荷极值除以试样原始横截面积。对橡胶而言，工作段截面的截取方式、试样是否带有微小缺陷、试验温度与拉伸速度都会影响结果，因此标准对同一条件下的试样数量有要求，用若干有效试样的统计量来表征，而不是拿单根试样的读数说话。

  断裂伸长率。 试样断裂时标距段的伸长量与原始标距之比，以百分数表示。它反映材料能拉到多长才断。天然橡胶、丁苯橡胶这类通用胶种，断裂伸长率常在一倍以上；补强填料用量较高的胶料，强度上去了，延伸率往往下来。一个强度值配一个伸长率看，才不至于把硬而脆与软而韧两类材料判成同类。

  定伸应力。 规定伸长率下对应的应力，常写作拉伸某一伸长率时的应力值。它是条件性指标，要求设备在规定的变形量处能够准确读取当时的载荷。定伸应力把材料在较小变形范围内的刚性表现单独拎出来，配方工程师常用它来观察填料用量与交联密度的变化。

  拉伸永久变形。 试样被拉伸到规定伸长率并保持一段时间，卸除载荷后恢复一段时间，剩余伸长量与原始标距之比。这项指标与恢复能力有关，需要设备具备定变形保持与卸载控制的功能。

  撕裂强度。 试样上的直角或裤形缺口受力扩展时所需的力。它与抗拉强度不是一回事：抗拉强度看的是整体截面承受能力，撕裂强度看的是缺口扩展的抗力。两者的试样形状、夹持方式与计算口径都不同，测试时不能互相替代。

  与相邻指标的关系。 邵氏硬度描述材料抵抗压针压入的能力，门尼黏度描述未硫化胶的加工流动特性，回弹性描述能量返还比例。这些指标与抗拉强度一起，构成橡胶材料与制品较为完整的物性画像：硬度偏低、伸长率较高的胶料，通常柔软而有延展；硬度偏高、定伸应力较大的胶料，通常刚硬而延伸有限。

  试样形状。 橡胶拉伸试样多为哑铃状，即两端较宽、中间工作段较窄，靠这种过渡形状把断裂位置尽量引导到工作段内。试样的厚度、工作段宽度、标距长度都有规定，裁切用工装或刀具的刃口状态会直接影响工作段边缘的平整程度，边缘的毛刺与缺口容易成为提前断裂的起点。

  夹持。 橡胶试样软而弹，用夹持金属试棒的那种平口夹钳很容易出问题：夹持力偏小，试样在拉伸中打滑，位移读数虚增；夹持力偏大，试样端部被压薄或夹伤，破坏位置挪到夹口附近，数据报废。因此橡胶试样常改用气动夹钳或带衬垫、带面纹的夹口，把夹持压力控制在合适区间，并在夹持面与试样之间加衬垫材料，减少应力集中。

  延伸量大。 橡胶试样拉断时的位移可能是几十毫米到上百毫米。位移测量如果只靠移动横梁的位置折算，会把机架与夹具的柔度一并算进去，得到的伸长率偏大。对伸长率要求较严的测定，需要在工作段上直接布置引伸计或大变形观测装置，把标距段的真实伸长量测出来。

  温度与速度敏感。 橡胶是高分子材料，对试验温度与拉伸速度都比较敏感。同一胶料，速度快一些强度读数可能偏高、延伸量偏小；温度高一些则整体变软。试验条件需要在报告中写明。

  理解了这些特点，再看设备指标就会明白：为什么通道与接口数量需要我们来关注，为何需要有引伸计和大变形接口，为什么夹持与对中不能将就。

  橡胶拉伸测定的方法标准，与金属材料拉伸的标准属于两套体系，试样形式、速度规定与结果计算都有差别。

  橡胶与热塑性橡胶拉伸类。 硫化橡胶或热塑性橡胶的拉伸应力应变性能测定，常用 GB/T 528 一类方法，它对哑铃状与环状试样、试验速度、拉伸强度与断裂伸长率的计算都作了规定；对应的国际标准为 ISO 37。撕裂强度的测定可参照 GB/T 529 一类方法。

  塑料与通用类。 若被测对象是热塑性弹性体或以塑料为基体的软质材料，GB/T 1040 与 ISO 527 系列中的相关部分也可选用；美标体系中有 ASTM D412 一类用于橡胶拉伸的方法。

  金属材料类。 该设备内置的试验方法以金属材料为主，包含 GB/T 228.1-2010 与 GB 7314-2005 两项，前者针对金属材料室温拉伸试验，后者针对金属材料室温压缩试验。软件的标准库支持添加自定义试验标准与试验参数，也支持 GB、GB/T、BS、ASTM、ISO 等多种标准，因此橡胶拉伸也可按对应方法在软件中自行建立标准与结果参数。

  要点提示。 标准规定的试样尺寸、试验速度与夹持形式，是试验结果的一部分。同一批胶料采用不一样速度、不同试样厚度，得到的强度与伸长率会有差别；不同条件下的数据不宜直接横向比较。报告须写明所依据的标准、速度与试样形式，才具备可比性与复现性。

  这套设备的测量链路可以概括为：装夹试样之后，驱动系统带动移动横梁按设定速度运行，对试样施加轴向载荷；力量传感器把载荷转换成电信号，位移与变形装置把伸长量转换成电信号；控制器同步采集这几路信号并上传上位机；软件按下标定的系数与标准给定的公式，把原始采样数据换算成拉伸强度、断裂伸长率、定伸应力等结果，并绘出曲线。

  曲线形态能提供什么。 初始段近似直线，斜率与材料在小变形范围内的刚性有关；进入屈服或明显转折区，斜率变化；随后是持续伸长段；断裂点对应载荷或伸长的突变。对橡胶而言，曲线转折不如金属那样干脆，加载过程中也许会出现局部颈缩、取向强化等现象，曲线形态更依赖试验条件，这也是标准强调同一条件的原因。

  数据来源的选择。 软件在设定试验方案时，会要求选择变形计算的数据源：有变形观测装置时用变形通道，没有时用位移。这个选择直接影响结果参数的 X 轴坐标来源，选错会让伸长率与模量类的计算整体偏移。资料中对此有明确提示——在没有变形设备的试验下，应设定为位移。

  自动分析与人工修正。 试验结束时软件自动计算弹性模量、屈服强度、塑性延伸应力等指标（试验方法不同，分析的数据也会不同）；在自动分析的基础上，还可对结果点作人工修正，把自动判断有偏差的位置调整过来。

  该机型属于电子式试验机，机架、传动、测量、控制与软件层层咬合，可以按五个部分来看。

  其一，机架与承载结构。 立柱式机架承担试验中的轴向载荷，移动横梁沿立柱运行。机架的刚度决定了曲线初始段的“干净”程度——刚度不足会引入额外柔度，让测得的模量偏低。对橡胶试样来说，载荷不大，但对位移与变形的精细捕捉要求比较高，机架刚度与对中同样不能放松。

  其二，传动与驱动。电机经减速机、丝杆把旋转转换为移动横梁的直线运动。速度的平稳性对橡胶测试特别的重要：速度波动会直接落在曲线的斜率上。移动速度可在运行中动态修改，便于装卸试样，也便于在试验中调整。

  其三，测量与传感。 力、变形、位移三路测量各有对应的传感通道。模拟通道接力量传感器与变形传感器，光电编码器接口接大变形与位移装置。资料显示，一台主机配置 3 个模拟传感器通道（力、变形、扩展）与 3 个光电编码器接口（大变形两个、位移一个），可按试验项目组合使用。

  其四，控制器。 控制器是这台设备的运算与控制中枢，负责高速采集、闭环运算、实时保护与上位机通讯。资料中给出的平台与指标详见下一节。

  其五，上位机软件。 软件承担方案编辑、曲线显示、结果计算、报告输出与数据管理。资料所述软件为 DEPEX3.0，界面可自适应不一样分辨率显示屏幕。

  动作与安全的配套。 软件与手控盒都能控制横梁上移、下移、停止、力回零、位置回零、全清零与变形切换；控制器在闭环试验过程中具备实时保护与自愈功能，用于避免运行失控造成事故。

  以下各项为该机型的主要技术指标，数值、单位与书写形式按资料原样列出，未作改动。

  资料所列的功能特点，可以归为运行方式、数据与显示、结果与分析、报告与数据管理几条线。

  联机与脱机。 联机状态下软件与主机通讯，实时采集与控制；部分功能在脱机情况下也可使用，便于操作人员在未接主机时熟悉界面与编辑方案。

  用户管理。 支持用户权限管理与多用户管理，不一样的角色可按权限使用校准、检定与结果修改等功能。

  硬件参数管理。 可编辑主机参数与传感器硬件参数，并可管理多个传感器信息，方便一台软件对应多支力量传感器时切换调用。

  执行标准管理。 可添加自定义试验标准与试验参数，并支持标准的导入与导出；软件支持 GB、GB/T、BS、ASTM、ISO 等多种标准体系。

  试验方案。 编辑好的试验方案可导入到其他试验机上使用；通过编辑运行方案，可实现力控、位移控、变形控等多种控制方式的组合运行。

  曲线显示。 单图显示可在力—时间、变形—时间、位移—时间、应力—时间、应变—时间、力—变形、力—位移、应力—应变等曲线中任选一组；多图显示可同时呈现三组曲线，便于对比分析。曲线坐标可预设或在线设置，可平移、缩放，可遍历与回放，无滞后或不连贯现象。

  结果与分析。 可测量的结果项包括弹性模量（E）、上屈服强度、下屈服强度、抗拉强度（Rm）、规定塑性延伸强度、规定总延伸强度、规定残余延伸强度、规定非比例延伸力、规定非比例延伸强度、峰值力（Fm）、总延伸、断裂总延伸率、能量吸收、剥离力、剥离强度等数十种参数。可以在曲线上的显示、修改与保存结果点。

  试验报告。 支持 Word 与 Excel 格式报告输出，具备定制、预览、输出与导出等功能。

  与手控盒的关系。 手控盒的功能与软件运动控件功能一致，两种方式都能控制横梁动作。

  加密与单位、修约。 可通过加密工具设置控制器的有效期；可按需要增加各种单位；可依据标准要求对结果项进行各种修约。

  指标列出来容易，读懂它们对使用者更有意义。下面把几条关键指标的含义拆开说。

  120Hz 的采集频率。 采集频率指每秒记录数据点的次数。数值越高，曲线上的细节保留得越充分——橡胶在屈服附近、在断裂瞬间的数据变化较快，采样跟不上就会把突变的细节抹平。120Hz 意味着每秒记录 120 组数据，对常规橡胶拉伸与压缩试验的曲线形态有较好的还原能力。

  通频带不低于 20Hz。 通频带描述测量通道能够有效响应的信号频率范围。载荷与变形信号里既有缓慢变化的趋势，也有较快的波动成分，通道带宽足够，才不会把快速变化的信号当作噪声滤掉。

  6 通道同步数据采集。 力、变形、位移等几路信号需要在同一时间基准上对应起来，否则换算出的模量类指标会失真。同步采集的意义就在于几路信号采集时间一致，通道之间不存在很明显的时差。

  采样分辨力大于 300,000 码。 分辨力反映把满量程分成多少份。分辨力越细，小载荷与小变形段的读数台阶越小，曲线在小信号区越接近真实形态。对橡胶这类载荷不大、又要看初始段的材料，分辨力是一项值得留意的指标。

  数字三闭环控制。 闭环指以测量结果反过来修正执行动作。力闭环把实测力值与设定值比较并修正；位移闭环、变形闭环同理。三闭环同时工作，意味着试验可以按力、位移、变形中的任一种或组合方式运行，一些需要按变形速率进行的试验就能实现。

  自适应 PID。 PID 是修正算法，比例、积分、微分三项共同作用；自适应指参数可随工况调整。资料说明该算法配合三闭环实现了较高的控制精度，并在闭环试验过程中具备实时保护与自愈功能，用于避免运行失控。

  USB2.0 通讯。 控制器与上位机采用 USB2.0 连接，兼顾传输速度与连接便利，台式电脑与便携式电脑都可使用；资料说明其通讯适用于强干扰环境下长时间不间断试验。

  步骤一：基本信息参数。 输入方案名称；在标准代码中关联方案所依附的标准；在方向设定中确定试验方向，该方向按硬件参数中的空间信息控制横梁运行方向；在试验材料形状中设定材料形状并由软件计算试样截面积（异型材系统不自动计算截面积）；在变形计算选择中设定变形数据源。试验控制项包括定时间、定负荷、定变形、定位移几种终止方式，预加载、位移清零、变形清零，以及试验结束自动返回。是否启用自动判断断裂与变形切换也在此设定；资料提示，若试样无明显屈服或不确定上屈服是否处于屈服段的峰值位置，宜选用变形量设置方式，并按需求赋予变形切换策略。

  步骤二：速度设置。 设定试验采用的控制方式与细节，以位移方式设置试验速度。

  步骤三：坐标设置。 设置各显示画面的曲线坐标与单位，主画面即单图曲线坐标，同时也是报告曲线图的坐标。

  步骤四：用户参数与结果参数。 用户参数指试验前需人工输入的试样信息，例如试样直径、标距、引伸计标距、宽度与厚度；结果参数指试验结束后软件依据采样原始数据按公式算出的值，例如弹性模量、峰值力、抗拉强度、屈服力。结果参数可设置结果判定：勾选后软件对计算值作自动判断，结果值小于下限或大于上限时显示为不合格。

  标准与参数的扩展。 标准库支持添加、修改、删除、查询标准，并支持标准的导入与导出；定义参数时可添加参数、为参数添加公式，参数分为基本信息参数、扩展参数、常量与中间变量几种类型，公式可使用加、减、乘、除、开方、自然对数、正弦、余弦等运算符号，以适应不一样标准的计算要求。

  试样准备。 按所选标准裁取哑铃状或其它规定形状的试样，工作段边缘应平整、无缺口与毛刺；试样数量按规定要求并在必要多备若干，以便取得足够的有效数据。厚度与宽度在工作段内测量若干点取代表值，作为截面计算依据。环境状态需先行稳定，在规定的温度与湿度条件下放置一段时间后测试，并在报告中写明。

  装夹。 使用手控盒或软件调整横梁位置，安装合适的夹具，设定限位开关，把横梁移到便于装样的位置。装样时注意对中，使试样轴线与加载轴线一致，避免偏心引入附加弯矩。夹持压力以不打滑、不夹伤为度。需要时可在夹口加衬垫，减少应力集中。

  变形测量装置的使用。 用引伸计或大变形装置时，先在软件中清零，再装夹到试样工作段并复位；数据源选为变形通道。试验进行到设定的变形切换点，卸下引伸计，并把变形数据源切换过来，使试验在尽量大的变形范围内都有可靠的伸长量数据。资料提醒，若试验未选择变形传感器，则不应设置变形切换。

  位移清零的意义。 装样完成后把横梁当前位置设置为位移零点，再进行力传感器清零，使后续记录的位移是相对装样位置的净位移。需要自动返回的试验，位移清零是必要步骤。

  其一，开机与联机。 打开试验软件，在设备选择区选择本次试验使用的传感器设备，对应信息与硬件参数中一致；点击确定后软件尝试与下位机通讯，通讯成功即进入待机状态。

  其二，方案准备。 选择现有的合适试验方案；没有现成方案时先添加试验方案，设定试验速度、方向、试样形状与默认参数等。

  其三，文件与用户参数。 输入试验数据的保存文件名；未输入时软件使用默认文件名。在用户参数界面输入试样尺寸等信息。

  其四，横梁定位与对中。 根据试样尺寸用手控盒调整横梁位置，安装好夹具，设定限位开关，再把横梁调整到合适位置。

  其五，清零。 在软件中对位移清零，把横梁当前位置设为零点；需要自动返回时此步不可省。随后对力传感器清零。

  其六，装夹试样。 按第十一节的要求装夹试样；需要用引伸计或大变形装置时一并装夹并复位。

  其七，参数复核与启动。 确认试验参数正确后，按手控盒或软件上的运行按钮开始试验。

  其八，变形切换。 用引伸计做试验时，达到切换点后卸下引伸计并切换数据源。

  其十，继续或收尾。 需要继续试验时重复装夹至卸载的步骤；随后生成试验报告，脱机退出软件，关闭电脑，再关闭试验机主机电源。

  校准的作用是修正当前传感器的校准系数。软件进入联机状态后，校准、检定与权限设置不再允许改动，字体显示为灰色，因此校准应在联机之前完成。

  力传感器校准。 先选择校准方向并设定切换速度；点击重新校准，读数与保存系数按钮转为可用；在标准值列输入拟标定的标准值点，标定起点默认为 0、不可改变；校准前点击清零，首段数据自动填充，校准从第二段开始；按校准方向点击设定上或设定下，电机按选定速度运行，过程中可逐步调整速度；当标准设备到达设定值时点击读数据，数据记入对应段号；一次校准完毕后点击保存系数更新系数，再重新联机使新系数生效。

  位移传感器校准。 点击重新校准；在标准值列输入标定值点并在位移速度中设置工作速度；校准前清零；点击设定上或设定下，电机按位移速度运行；到达标准值时读数据；完毕后保存系数，再重新联机生效。

  大变形校准。 若对应的大变形设备带有双滑轮标识，需对双滑轮设备另作校准；步骤与位移校准相近，在标准值列输入标定点、设定速度、清零、读数据、保存系数并重新联机。

  校准的设备条件。 力与位移的标定常常要标准测力仪、标准量具或量块等外部标准器配合，日常工作中应按计量管理要求安排周期检定或校准，并保留记录。

  同一批胶料在不同试验室得到的数据存在一定的差异，原因往往不只一种。以下几项值得逐条对照。

  其一是试样状态。 工作段边缘的平整程度、厚度与宽度的代表性、裁切方向与取样位置，都会影响结果。带缺口或毛刺的试样容易提前断裂。

  其二是夹持与对中。 打滑使位移读数虚增，夹伤使破坏位置挪到夹口附近；偏心加载引入附加弯矩，使试样一侧先破坏。

  其三是变形观测方式。 用位移折算伸长量会把机架与夹具的柔度计入，得到的伸长率偏大；用引伸计或大变形装置直接测量标距段则更接近材料本身的伸长表现。

  其四是拉伸速度。 速度较快时，橡胶的黏弹响应使强度读数偏高、延伸量偏小；速度较慢时反之。标准规定速度是结果的一部分。

  其五是环境和温度与湿度。 橡胶对温度敏感，环境和温度偏高整体变软；湿度过高时部分胶料吸水影响性能。试样状态调节与试验环境应在同一条件下。

  其六是预加载与清零。 预加载的力值设置是否合适、清零是否在装样之后进行，直接关系到位移与变形的起点是否统一。

  其七是数据源与方案设置。 变形计算数据源、终止条件、变形切换点设置不当，会使结果整体偏移。

  其八是试样数量与统计口径。 橡胶数据离散是常态，试样数量不足或把无效试样计入统计，都会使结论失真。

  其一是夹具与夹口。 按时进行检查夹口面纹磨损情况与夹持压力是不是正常，清理夹口内的胶屑与残胶，避免打滑与夹伤。

  其二是传感器与线缆。 力量传感器与变形传感器避免过载与撞击；通讯线缆与传感器线缆避免过度弯折与拉扯，接头保持清洁。

  其三是传动部位。 丝杆与导轨按说明保持清洁与润滑，避免粉尘与胶屑进入；运行中若出现异常声响或抖动，应停机检查。

  其四是横梁与限位。 检查限位开关动作可不可靠，横梁运行是否顺畅，避免超程。

  其五是软件与数据。 定期备份试验数据与标准库、方案文件；软件所在电脑保持稳定供电，避免非正常关机导致数据损坏。

  其六是环境与防尘。 设备置于温度稳定、粉尘较少的环境，避免强振动与强电磁干扰的场合；长期不用时按说明断电并作防尘处理。

  其七是计量与校准记录。 按周期安排力值、位移与大变形的校准或检定，保留记录，用于数据的可追溯。

  橡胶制品厂的质量检验。 原材料进厂与成品出厂时测定拉伸强度与断裂伸长率，判断胶料批次是否稳定、配方是否按预期执行。

  胶料配方研发。 通过定伸应力、拉伸强度与伸长率的组合观察补强填料用量、硫化体系与增塑剂变化带来的影响。

  轮胎与橡胶件企业。 对胎面胶、内衬层、密封胶料等作拉伸性能评价，配合撕裂、压缩永久变形等项目综合判断。

  密封件与胶管企业。 对密封圈、垫片、胶管胶层作拉伸与延伸评价，判断在大变形工况下的可用性。

  高校与科研院所。 用于高分子材料力学性能的基础研究、新配方验证与方法比对。

  热塑性弹性体与软质塑料。 在更换夹具与方法后，对热塑性弹性体、软质塑料薄片作拉伸测试。

  相邻项目的扩展测试。 更换加载附件后承担三点弯曲、压缩、撕裂与剥离等项目，提高一台设备的使用效率。

  其一是控制与采集的数字化。 处理器平台从单片机走向 ARM 与 CPLD 组合，采集频率与分辨力逐步的提升，使曲线细节的记录能力增强。

  其二是闭环方式的多样化。 从单一速度控制走向力、位移、变形多闭环组合运行，一些需要按力速率或变形速率进行的试验得以实现。

  其三是软件与数据管理的一体化。 标准库、试验方案、结果参数与报告输出集成在同一软件中，数据可查询、可追溯、可继续未完成的批量试验，检测流程的规范性提高。

  其四是多测量装置的协同。 引伸计、大变形装置与位移通道并存，按试验阶段切换数据源，兼顾小变形的精度与大变形的量程。

  其五是自动化与产线衔接。 自动判断断裂、自动返回、自动保存与报告输出等功能，使设备更容易接入批量检测与流水作业。

  橡胶抗拉强度试验机要做的事并不复杂：把试样夹好，按规定的速度拉断，把过程中的力与伸长量如实记下来，再按标准算出结果。难处都在细节里——试样的裁切与状态、夹持的松紧与对中、伸长量从哪里来、速度与环境是否稳定、数据源与方案是否设对。把这些环节都照顾到，设备给出的数据才站得住。

  本文围绕一台以 ARM 与 CPLD 为平台、采集频率 120Hz、具备数字三闭环控制的试验机，说明了橡胶拉伸的指标含义、试样特点、标准依据、整机架构、主要技术指标、软件功能、方案编辑、校准与维护等内容，参数部分按资料原样列出，未作改动。