作者：瑞格尔总工程师刘国胜
概要：简述了塑料力学性能检测用材料试验机和功能附件的选型方法，以及瑞格尔品牌试验机的主要性能特点。
关键词：塑料试验机选型控制
随着社会的进步，科学技术的发展，各种新型材料层出不穷，尤其是高分子材料在近几年有了飞速的发展。塑料作为其分枝，各种性能有了显著的提高，在某些领域已经有了取代木材、金属材料的趋势。为了使塑料材料及其制品能够安全可靠的使用，对其进行性能检验是非常有必要的，其中力学性能检验是最重要的检验之一。
一、塑料的特点
1、种类多
塑料的化学成分复杂且种类多，生产过程、加工工艺各不相同，除了其理化生物指标不同外，力学性能差异也很大，如电木质坚硬，泡沫塑料柔软，玻璃钢强度很大，塑料薄膜强度很小，硬质塑料延展性很差，软质塑料延展性很好。
2、用途广
目前塑料是用途最广泛的材料之一，应用领域几乎伸展到各行各业，从日常生活用品到航空航天各类尖端技术领域都有它的用武之地。由于用途与工作环境的不同，塑料制品在使用中所需的力学性能也会有不同的要求。
二、塑料力学性能检测的特点
1、检验内容多
由于塑料的种类繁多，应用的场合千差万别，所关注的力学性能指标也不尽相同，常见的有拉伸、弯曲、压缩、剪切、剥离、冲击、爆破、撕裂、摩擦系数、维卡软化温度、熔体流动速率、扭转等性能指标的检验，其中每一种性能检验都包含了许多规定的检验项目。
2、涉及的相关标准多
与金属材料相比，塑料的力学性能检验的标准非常多，据粗略的统计，大约不下几十种。除了不同性能指标具有不同的检验标准外，对于不同类型的塑料，同一种力学性能的检验亦有不同的标准规定，如：拉伸试验就有GB1040塑料拉伸试验方法，GB13022塑料薄膜拉伸试验方法，GB8804.1、GB8804.2热塑性管材拉伸性能试验方法，GB/T6344软质泡沫聚合物材料拉伸强度和断裂伸长率的测定，GB1447玻璃纤维增强塑料拉伸性能试验方法等众多的标准。
3、所需的试验设备
综合目前试验机的功能，实现塑料常见力学性能的检验，约需如下种类的材料试验机：①万能材料试验机②摆锤冲击试验机③落锤冲击试验机④扭转试验机⑤维卡软化点温度试验机⑥熔体流动速率仪⑦管材耐压爆破⑧高低温环境试验等。
由于②-⑧类试验机的功能单一，目标明确，基本不可扩展使用，选型都很简单，而①类试验机功能强大，种类繁多，性能差异很大，扩展配置又很多，通过增配不同的附件，可满足绝大多数不同标准的试验要求，因此下面就这一类材料试验机的性能特点做一个粗略的分析，以方便选型。
4、对试验机的基本要求
对于最常用的万能材料试验机，塑料力学性能试验标准要求控制方式基本为速度控制，且针对不同性能的塑料，与不同的试验方法要求的试验速度差别很大。如GB1447《玻璃纤维增强塑料拉伸性能试验方法》规定的速度低至2mm/min，而GB13022《塑料薄膜拉伸试验方法》规定的试验速度高至500mm/min。就目前我们所接触到的实际情况比这还宽，最低达到了0.01mm/min，最高达到了1000mm/min。对于拉伸行程，由于塑料延展性的差异很大，如电木类延伸率只有百分之几，而对于一些软塑料可达百分之几千，为了兼容多种材料的需求，一般要求试验机的行程应在800mm以上。对于试验机的力值，除特殊情况（如玻璃钢）以外，一般不会超过10KN。
三、常见万能材料试验机的特点
常规电子万能材料试验机
该类试验机是当今万能材料试验机的主流产品，它以伺服电机作为动力源，丝杠、丝母作为执行元件，实现试验机移动横梁的速度控制，它操作简单，对试验员的要求不高，试验行程可按需要任意定制，虽然控制方式较为单一，只有速度一种控制方式，但其控制精度和控制范围很高很宽。以瑞格尔公司试验机为例，其速度调整范围可达0.001mm/min～1000mm/min，无级调速，控制精度可达0.5%，小吨位机型很容易实现。如做摩擦系数时，满值负载只有5N。它具有极大的配置灵活性，可按需要增配不同吨位的传感器、夹具、附件实现一机多用，完成拉、压、弯、剪、剥离、撕裂、摩擦系数、扭转等的功能。纵观塑料力学性能检验的相关标准，对试验机的控制方式的要求几乎都为速度控制，因此无论从控制方式还是速度范围、试验行程及试验机的吨位看，该类机型都是塑料力学性能检验的首选。
三闭环电子万能材料试验机
该类试验机具有常规电子万能类试验机的速度范围宽，试验行程大，配置灵活的特点，又具有电液伺服类试验机力、位移、变形控制的优点。因而是性能较好的一种试验机，但由于做力控制与变形控制时机器稳定性与主机的刚性、试样的刚性有密切的关系。一般塑料用试验机吨位较小，因此主机刚性较低，且试样本身的刚性也不会太大，所以该类试验机很少有10KN以下的机型，而10KN以下机型却是塑料类最常用的。前面说了该类机型的稳定性与试样有关，若试样单一，试验方法也较为单一，还可选用，否则就需要随时调整试验机的控制参数（亦即常规的P、I、D参数），这对非自动控制专业的试验员来说，几乎是很难想象的事。因此从整体看，除对控制方式有特定的要求，还不易选择做塑料材料的试验。
简易电拉
由于塑料拉伸强度是塑料力学性能检验的一个非常重要的指标，在前些年，塑料种类还不是很多，应用也不是非常广的时期，塑料的力学性能检验项目还较为单一，相应的标准也不是很完善。这时期一种结构非常简单，用途非常单一，性能指标非常欠缺，但价格很低廉的单一用途以电机作为动力源的拉伸试验机俗称电拉被广为使用。顾名思义它只能用来做单一的拉伸试验，并且所能处理的数据非常有限，控制测量精度也相对较低，现在虽然在某些场合依然有所使用，但因其功能比较单一，已经逐渐为市场所淘汰。
电液伺服万能材料试验机
该类试验机是目前性能比较好的一种试验机，由于它采用电液伺服控制技术，可实现力、位移、变形闭环控制，具有良好的控制性能。目前在金属、建筑材料等需要恒应力、恒应变及需要进行蠕变试验场合使用较多，但由于受油源流量的限制，他的试验速度较低。为了增大系统刚度，确保闭环控制的稳定运行，该类试验机的行程较小，且操作复杂，扩展配置较为困难，10KN以下机型很少，因此不太适合塑料橡胶类材料的试验。
手动液压万能材料试验机
该类试验机是试验机家族的“始祖”，它有着悠久的历史，使用简单，价格低廉，吨位较大。顾名思义，手动液压表明了它为开环控制，性能不好，操作过程完全依赖于操作者的操作水平。另外，由于它的机械结构及液压加载原理决定了它的加载速度，试验行程较小。目前该类试验机的最小机型为50KN，因此它的小载荷测量精度很低，扩展配置能力很差，一般只在进行结构部件试验或简单的材料性能试验时使用，如连接部件的拔脱，钢筋的拉伸强度等场合。
四、瑞格尔公司电子万能材料试验机的特点
对于目前常见的八类塑料力学性能试验设备，瑞格尔公司都有生产，但目前使用最多，应用最广的是电子万能材料试验机。因此下面就针对最适应塑料的常规电子万能试验机的特点作一个简单的介绍：
1、主机方面
1）多种外形结构，可供不同需求的用户灵活选择；
2）性能优异的机械传递系统，采用同步圆弧齿型带减速机构，高精度的滚珠丝杠作为力的传递环节，实现了长寿命、低噪音、高效率的平稳运行；
3）驱动系统，采用日本松下交流伺服电机及其配套的伺服控制器作为动力源，具有无碳刷、寿命长、免维护防爆的特点；
4）极其灵活的外围配置，除主传感器以外，还可扩展数只不同量程的传感器，并有大变形、小变形、扭转、摩擦等附件及上百种不同类型的夹具可供选择，以满足不同类型的试验需求。
2、控制器方面
1）完善的操作控制系统，可实现自主操作控制完成试验，也可与计算机配套操作，增强其功能。自主操作时界面为汉字界面，简单易懂，并可显示各类参数及结果曲线，且能够打印汉字报告及曲线报告；
2）极宽的速度控制范围，由于采用锁相环数字脉冲控制技术，其速度可达0.001mm/min～2000mm/min（高速与主机吨位有关）；
3）目前国内单一配置测量范围最宽，其有效的使用范围可达0.2%～100%，最小分辨率35万分之一，真正实现一机多用；
4）模拟放大器采用多通道方案，为扩展配置提供了先决条件；
5）方便、实用功能强大的可移动操作盒，不但能实现多种速度的横梁移动控制，还可随时切换控制方式，使其在常动与点动方式间自由切换。当与计算机联机使用时，可直接启动计算机完成试验。
3、应用软件
1）简单明了的操作界面，无论操作员计算机水平如何，都可很方便的使用；
2）试验结果的自主选取与自主添加功能；
3）用户自定义功能，可满足不同情况下的试验要求，如定义弹性区间，定义压缩比，定义试验结束条件，定义修约规则，定义定伸长应力，定义定应力伸长等等；
4）手动计算结束参数，对于一些自动计算较为困难的参数，如不明显直线段试样的弹性模量的计算，可采取人工处理的方式；
5）原始参数的开放性，这对于新材料的研究与教学是非常有用的；
6）试验报告具有用户自编辑功能；
7）曲线的任意缩放、读点功能；
8）最值得一提的是配合操作盒可实现一键式试验功能，极大的降低了试验人员的劳动强度，提高了工作效率。
4、性能参数的求取
由于采用微型计算机技术，及液晶显示技术使得瑞格尔电子万能材料试验机无论单独使用还是与计算机配套使用，都具有强大性能参数处理能力。当与计算机配套使用时，可实现几乎所有标准要求的参数处理能力。对于特定的用户，通过编制专用试验软件，还可实现常规静力学性能以外的力学性能要求，如往复性能试验、高速拉伸、高速压缩、高低温松弛、高低温蠕变等的试验要求。即使不配计算机，单独使用自身的控制器亦具有强大的数据处理能力，如求取最大力、强度极限、屈服力、屈服强度、非比例变形应力、断裂力、断裂强度、断裂变形、1～5点的定载荷变形、1～5点的定变形载荷、平均力值（用来求取剥离、撕裂、动摩擦系数）等参数，还可通过自身液晶显示器显示试验曲线，进行性能的趋势分析等，在国内试验机产品中是不可多见的。
五、试验机的配置
前面说了塑料的种类千差万别，性能差异很大，因此很难有一个标准配置，但就一个特定的试验机用户而言他所接触到的材料类型总是有限的，还是有一些基本规律可寻。
1、主机吨位选择
1）如果试验材料全部为薄膜，则可选5KN以下机型；
2）如果试验材料为板材、棒材，一般可选20KN以下机型；
3）如果试验材料为玻璃钢等高强度材料，一般可选50KN或100KN机型；
4）如果以上各种材料都有，建议选用50KN或100KN机型，并增配一到两只小吨位传感器即可满足试验要求。
2、夹具
夹具是电子万能材料试验机的一个非常重要的部分，各种不同类型的试验都是通过它来实现的，它的性能的好坏直接决定了试验的结果的优劣。一般每个试验机厂家都备有大量的各种专用夹具可供选用，常见的用于塑料力学性能试验的有：⑴穿孔法塑料剪切夹具⑵表面结合强度测量夹具⑶弯曲夹具⑷塑料编织物拉伸夹具⑸薄膜类拉伸夹具⑹顶破夹具⑺绳类拉伸夹具⑻线材类拉伸夹具⑼压缩类夹具⑽板材、棒材类拉伸夹具⑾气动类拉伸夹具等多种不同用途的夹具，而每一种用途的夹具都具有多种型号和种类，它们结构原理差异很大，各自具有不同的特点。如果自己不能确定可将各种试样提交厂家，由其试验决定或专门设计。
3、变形测量
变形测量是塑料力学性能检测的一个非常重要的项目，它与许多非常重要的指标有关，如弹性模量、弹性区间、延伸率、定伸长应力、定应力伸长、弯曲挠度、压缩比等等。目前电子万能材料试验机有三种手段测量变形：位移、引伸计、大变形，它们各有特点，使用范围和使用目的都各不相同，简单的来说：
1）位移：主要用来测试压缩、弯曲类试验及薄膜类的变形。
2）引伸计：主要用来测试材料的拉伸弹性模量，及延伸率很小的硬质塑料的延伸率等。
3）大变形：主要用来测试软质塑料的延伸率、定伸应力、定应力伸长等。
4、摩擦装置
主要用来测试塑料的摩擦系数，一般塑料薄膜使用较多。
5、扭转装置
主要用来测量硬质塑料的扭转力学性能，一般扭矩不大于100NM，若扭矩大于100NM，应使用专用扭转试验机。
6、高强度塑料泊松比的测定
由于泊松比测量最少需同时处理三个参数：力、横向变形、纵向变形（位移等参数可能与控制有关，但与求泊松比无关）。因此，在定购这类试验机时要注意：横向变形与纵向变形引伸计结构不同；大部分试验机厂家无法同时处理这三种参数。
五、参考资料
1、塑料标准大全中国标准出版社
2、纤维增强塑料标准汇编中国标准出版社
3、建筑用塑料制品标准汇编中国标准出版社