力学计量-第四章

的“动力效应”两种方法测力。 (一) 利用力的动力效应测量力值 力的动力效应是使物体产生加速度。根据牛顿第二定律： F=ma （4-1） 式中：F——物体所受到的力； m——物体的质量； a——物体在力 F 作用下所产生的加速度，其方向与力的方向一致。 由式（4-1）可知，如果能够测定受力物体的质量及其所获得的加速度，即可测定其力 值。 在重力场中，地球的引力使物体产生重力加速度，这种力就称为“重力”，即： F=mg （4-2） 式中：F——物体所受的重力； m——物体的质量； g——物体在地球引力作用下产生的重力加速度。 因重力加速度只是随地球的纬度和海拔高度不同而变化， 因此， 在一定纬度和海拔 高度下其可作为一个常量。 所以一定地点的物体所受的重力与物体的质量成正比。 因此， 可用已知质量的物体在重力场中的重力来测力， 也可将重力放大后通过力的平衡比对来 测力。这就是利用力的动力效应测量力的基本原理。 力基准机和静重式、杠杆式、液压式力标准机，以及一些材料试验机，就是根据上 式原理来测力的。 例如静重式测力机（包括基准、标准）就是直接将已知质量的砝码所体现力值对被 检测仪进行示值定度或检定。其力值计算公式为
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（4-4）
式中 k 为放大比。 对杠杆式测力机等于长臂臂长与短臂臂长之比， 对液压式测力机 则等于工作活塞与测力活塞二者有效面积之比。 试验机的摆锤测力机构是使物体所受的未知力， 直接或缩小后跟已知摆陀的重力相 平衡来进行测力的。 利用物体的重力来测量力时， 特别要注意重力加速度会随着不同纬度和不同海拔高 度而不同。表 4-1 列出了我国主要城市重力加速度。
值的。 下面以基准测力机 1MN 为例，简单介绍其结构。 1MN 基准测力机主要由机架、负荷吊挂系统、砝码及砝码加卸系统组成，砝码加 卸系统中还包括液压传动系统和电器控制、显示系统。如图 4-3 所示。
图 4-3 基准测力机结构示意图 1-底座；2-大立柱；3-砝码；4-大转脚；5-大平台； 6-丝杆；7-可动横梁；8-小平台；9-油缸； 10-框架；11-吊挂系统；12-千斤顶；13-小转角 机架是由固定在基础上的底座 1，四根大立柱 2，大平台 5 和组成上部机架的两根 丝杆 6、小平台 8 等组成，在丝杆上装有可动横梁 7，可动横梁可在丝杆上由电动机带 动升降，其升降速度的可在 0.16~0.33mm/s 范围内无级调节。 测力机所产生的各级负荷吊挂系统 11 和十三个砝码 3 所组成。测力机第一级负荷 20kN 重的负荷吊挂系统在不使用时挂在小平台 8 上。吊挂系统的上部由上、中、下三 根横梁和两根拉杆所组成， 两根拉杆穿过可动横梁和大平台 5 下部与下横梁固定相连的 中心吊杆，中心吊杆从砝码的中心孔中穿过。 在四根大立柱上装有十三组大转脚 4，砝码在不使用时就放置在大转脚 4 上。十三 个砝码中有九个 100kN、一个 50kN、一个 20kN 和二个 10kN 的砝码。每个 100kN 砝 码又是由二个 20kN 和二个 30kN 共四个单片砝码组成， 50kN 砝码则是由一个 20kN 和一个 30kN 的单片砝码所组成。 这样每片砝码的质量 最大不超过 30kN 左右，以便用天平进行称量。 被检测力仪器是装在可动横梁上， 并与吊挂系统的横梁相连接， 可动横梁的上部空 间是做压力传递用， 下部空间是做拉力传递用， 连接被检测力仪器夹头间的最大距离为 100mm。 在小平台 8 装有砝码起重油缸 9， 砝码的升降是由起重油缸及支持在其上的提升框 架 10 来完成。提升框架上部是由上、下两根提升横梁和穿过大平台 5 的四根拉杆所组
成，下部是与下提升横梁相连接的两根提升杆，提升杆穿过每个砝码的缸口，并在杆上 装有与每个砝码相对应的十三对小转脚 13，为了使提升框架平稳地升降，在底座和大 平台上均装有滚动导向装置。 当对已放在可动横梁 7 的测力仪器加荷时， 首先上升可动横梁， 通过被检测力仪器 将吊挂系统升起使其脱离小平台至固定高度，此时已加上第一级 20kN 负荷，然后按所 需要的负荷按选码器上的相应按钮发出控制指令， 这时机器即按控制指令， 使与需加砝 码相对应的小转脚转 90° ，转动完毕后液压系统即自动供油，使起重油缸 9 的活塞连同 提升框架 10 升起至固定高度，从而通过已转 90° 的小转脚将砝码提起至同一高度脱离 大转脚 （对于不需要加荷的砝码， 由于与对应的小转脚没有转动而能够通过砝码的缺口， 不提升砝码） 。当砝码提升至固定高度后，与被提升砝码相对应的大转脚 4 由电一液控 制的小油缸推动转离支承位置， 然后提升框架下降将需要加的砝码挂到中心吊杆的凸台 上，亦即将砝码的荷重加到被检测力仪器上。提升框架至最低位置时，已转 90“的小转 脚转回原位，加荷动作完成。在从中心吊杆上卸除砖码时，除大转脚的动作同上述相反 外，其他均相同。 根据控制指令砝码自动组合成所需要的负荷， 砝码加卸过程中的各部动作程序也是 自动完成的。砝码升降速度可在 0.1~1.7mm/s 范围内任意调节，并有可自动或手动更换 的快、 慢两种速度， 慢速用于在吊杆上加、 卸祛快速用于空程升降， 操作方便稳妥可靠。 为了保持在交换砝码时已加负荷的稳定，本机装有负荷保持千斤顶 12，在交换砝 码时可用千斤顶来保持被检测力仪器上的负荷。 2.液压式力基准机 液压式力基准机也用力的动力效应原理， 通过将已知质量砝码的重力经液压放大来 复现基准力值的。 液压式力基准机原理，如图 4-4。砝码通过反向器 6 加在测力活塞 5（小活塞上） ， 它对测力油缸 5 内的液体产生压力。 这个压力通过油管 7 传到工作油缸内， 使工作活塞 （大活塞）受到一个向上的力 F，此力对位于活塞上的被检测力仪 3 加载。在液压系统 泄漏很小和完全消除机械摩擦的条件下，得图 4-5 所示连通器中液体的平衡方程式：
图 4-1 力值（≤1MN）计量器具检定系统框图
图 4-2 大力值计量器具检定系统框图
第二节力基准机和力标准机
一、力基准机 力值国家基准是一种用于产生基准力值的固定式仪器。我国不大于 IMN 的国家基 准由 6 台不同力值范围的静重式力基准机组成。其力值范围分别为：20kN~100kN； 100N~6kN；100N~5kN 和 10N~100N。大于 1MN 的国家基准由两台不同力值范围的液 压式力基准机组成，一台为 0.1~5MN，另一台为 0.5~20MN。 力基准机是用于复现和保存力值计量单位的， 它是具有现代科学技术所能达到的最 高准确度的测力计量机器，作为统一全国力值计量单位量值的最高依据。 力基准机根据其结构不同，主要有静重式力基准机和液压式力基准机两大类。 1.静重式力基准机 静重式力基准机是根据力的动力效应， 直接利用已知质量砝码的重力来复现基准力
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F = mg 1 − ������ ������
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（4-3）
式中：m 砝码质量，kg； g——当地重力加速度，m/s2 ρa——空气密度，kg/m3； ρw——砝码材料密度，kg/m3。 杠杆式力标准测力机， 实际上就是一台大型不等臂天平， 而液压式标准测力机则是 按帕斯卡原理工作的液压机， 它们也都是通过对已知砝码的重力放大后， 作用于被检测 力仪，通过比对的方法，从而对被检测力仪进行示值定度或检定。其力值计算公式为 F = kmg 1 − ������ ������
力学计量-第四章
第一节概述 一、力的概念和力值计量的内容ห้องสมุดไป่ตู้其意义
（一）力的概念 力是}物体与物体之回的相互作用，即一个物体对另一个物体的作用，或另一个物体对这个 物体的反作用。 由此， 两个物体之间才有力的存在。 这种作用可以改变物体的机械运动状态， 或改变物体所具有的动量，使物体产生加速度，这可由牛顿第二定律表征，这就是力的“动 力效应”。另外，力还可以使物体产生变形，在物体内部产生应力，典型的例子可由虎克定 律表征，这就是力的“静力效应”。一般情况下，两物体相互作用时，两种效应同时存在，只 是往往以一种效应为主而己。 力是矢量，要完全确定一个力就必须知道它的大小（ （力值） 、方向及作用点，这是力的三要 素。 （二）力的单位 在国际单位制（SI） ，力的计量单位为牛顿，简称牛，符号为 N。 牛顿的定义是：加在质量为 lkg 的物体上，使之产生 1m/s2 加速度的力为 1N。其量纲为 [F]=LMT-2。即： 1N=1kg×1m/s2 另外力单位的十进倍数单位和分数单位， 可用 SI 词头加 SI 单位构成。 例如， 千牛 （kN） ， 兆牛（MN） ，毫牛（mN>，微牛（μN）等。 （三）力值计量的内容及其意义 在机械工业和建筑工业等领域经常遇到计量力的各种实际问题， 在生产过程或检验过程 中，都需要对各种力进行分析和研究，通过对力的计量和研究以获得各相关的技术特征。因 此，在不同的情况下可根据其不同的工作条件使用不同类型的仪器，以进行力的计量。 各种机器、机械都是由很多零件或部件组合而成，在原动机带动下，通过力或力矩的传 递才能使其各部分产生相应的运动，以便实现机器或机械的功能。由此，就必须对零部件之 间的相互作用即力（或力矩）进行测定和分析，以便确定影响负荷的各种因素及可能产生的 后果，从而为机械或机械的设计和改进提供依据，提高机器或机械（仪器）的质量及其使用 寿命。 在材料生产工业中，为了获取材料的技术特征。比如屈服点，屈服强度，抗弯强度，抗 压强度等， 就必须使用不同的机器或仪器对材料施加相应的力， 通过这种力的作用使材料发 生相应的效应。 反之通过对这种效应即力的测定便可获知材料相应的技术特征， 以便评定材 料的性能和质量。 由此，在生产过程中通常遇到切削力、轧制力、冲压力、推力、牵引力等等各种力的测 量以及材料机械性能的试验， 以便保证生产过程的正常进行和产品的质量。 所以力值计量是 必不可少的。 其内容目前已发展到除了对一般力的测量之外还适应冲击、 疲劳以及各种动态 力的测量。 二、力的测量方法和分类 力的测量方法很多，根据前面力的概念，我们可以将其归纳为利用力的“静力效应”和力
图 4-4 液压式力基准机原理示意图 1-工作油缸；2-工作活塞；3-被检测力仪； 4-测力活塞；5-测力油缸；6-反向器； 7-油管；8-砝码