到底有沒有可以定量衡量試驗(yàn)機(jī)剛度的測量方法呢？答案無疑是肯定的。如今市場上確實(shí)存在一些試驗(yàn)機(jī)剛度測量方法，但行業(yè)內(nèi)尚無統(tǒng)一明確的使用規(guī)定。

到底有沒有可以定量衡量試驗(yàn)機(jī)剛度的測量方法呢？答案無疑是肯定的。如今市場上確實(shí)存在一些試驗(yàn)機(jī)剛度測量方法，但行業(yè)內(nèi)尚無統(tǒng)一明確的使用規(guī)定。

以巖石三軸試驗(yàn)機(jī)為例，市場上常見的剛度測量方法有經(jīng)緯儀測量法、千斤頂測量法、油閥控制測量法、活塞行程測量法等，下面簡要介紹這些方法的原理與適用場景。

用自準(zhǔn)直光管將被測對象的微小角位移轉(zhuǎn)換成光電探測器上像點(diǎn)的位移，從而換算出剛度。

經(jīng)緯儀法僅用于超大跨度、高柔度或特殊構(gòu)型機(jī)架的整體幾何剛度測量，適合靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)（<0.1Hz）加載，不適用于小尺寸高剛度機(jī)架或高頻動態(tài)剛度測試。

千斤頂測量法是一種靜態(tài)加載測試方法，通過將高精度千斤頂串聯(lián)于機(jī)架內(nèi)，同步讀取機(jī)架橫梁位移（引伸計/LVDT）與千斤頂輸出力，可直接繪制機(jī)架柔度曲線，進(jìn)而從試樣總變形中扣減機(jī)器變形，獲取材料真實(shí)模量，從而計算其剛度。

千斤頂測量法主要用作“原位加載基準(zhǔn)”，適用于對大噸位（≥1MN）試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行整體剛度測量，對靜載、慢速、單軸壓縮/拉伸工況最為可靠，但不適用于高頻疲勞或高剛度小行程試驗(yàn)機(jī)。

通過閉環(huán)控制油閥階躍/斜坡升壓，同步采集載荷傳感器與作動器內(nèi)置位移信號，利用系統(tǒng)辨識算法提取液壓-機(jī)械綜合剛度，無需額外傳感器，但要求油源壓力穩(wěn)定、伺服閥響應(yīng)線性且試樣未進(jìn)入屈服。

油閥控制測量法適用于電液伺服試驗(yàn)機(jī)在靜態(tài)或慢速（<0.5Hz）加載條件下，對整機(jī)剛度進(jìn)行在線辨識與補(bǔ)償?shù)膱鼍埃槐痉椒ú贿m用于高剛度小行程或高頻動態(tài)剛度標(biāo)定。

油缸活塞桿位移測量法是油閥控制法的提升版方法，是一種以液壓油缸為加載元件、以活塞桿位移為變形量的剛度測試技術(shù)。該方法利用油缸位移傳感器位移量作為試件和加載框架的總變形來計算設(shè)備剛度，其本質(zhì)是將“力-位移”關(guān)系轉(zhuǎn)化為“油壓-行程”關(guān)系，通過測量活塞桿的線性位移來計算結(jié)構(gòu)剛度。

活塞行程測量法適用于電液伺服或氣動試驗(yàn)機(jī)在靜態(tài)、準(zhǔn)靜態(tài)（≤1Hz）加載條件下，對作動器-機(jī)架串聯(lián)剛度進(jìn)行快速在線標(biāo)定的場景，不適用于高剛度小行程、高頻動態(tài)或高壓下油膜壓縮顯著的微力試驗(yàn)機(jī)。

除了適用場景的限制外，這些常見的方法也同時存在影響測量結(jié)果精度的弊端：

經(jīng)緯儀測量法需要用高精度經(jīng)緯儀測試，否則測試精度不高的問題；

千斤頂測量方法忽略了加載同軸度和人工操作誤差等導(dǎo)致測試精度低的問題；

油閥控制測量法忽略了液壓油的壓縮性、油路系統(tǒng)的受壓膨脹以及泄露隨壓力增大而 ? ?增大的事實(shí)，閥門控制由人工控制等導(dǎo)致測試不準(zhǔn)的問題；

活塞行程測量法忽略的油缸位移傳感器位移量是測量活塞桿的相對位置的傳感器，它不能精準(zhǔn)的反應(yīng)設(shè)備框架的變形，且未考慮液壓油柱的影響。

一臺試驗(yàn)機(jī)由多個零部件組成，試驗(yàn)機(jī)剛度的測量則需要充分考慮各零部件的復(fù)雜結(jié)構(gòu)和加工精度、緊固件、夾緊機(jī)構(gòu)可靠性等綜合因素，因此掌握一種較為準(zhǔn)確的試驗(yàn)機(jī)剛度測量方法對保證試驗(yàn)機(jī)測試精度極為重要。

中機(jī)試驗(yàn)裝備股份有限公司基于多年試驗(yàn)機(jī)研發(fā)制造經(jīng)驗(yàn)的積累，提出了“四點(diǎn)式直接測變形法”。該方法主要適用于圍壓三軸試驗(yàn)機(jī)與真三軸試驗(yàn)機(jī)的整體剛度測量。

該方法基本原理為：通過直接測量巖石三軸試驗(yàn)機(jī)對試樣施加最大載荷時機(jī)架的變形數(shù)據(jù)，再將實(shí)際測量得到的變形數(shù)據(jù)與力值代入公式即可得到實(shí)際剛度值。

四點(diǎn)式直接測變型法通常通過以下幾個步驟來完成三軸試驗(yàn)機(jī)剛度測量：

①首先預(yù)熱試驗(yàn)機(jī)和控制采集系統(tǒng)；

②安裝金屬試樣工裝后進(jìn)行3次加滿載和卸載工作；

③準(zhǔn)備4個百分表（或4個測變形傳感器）按下圖所示選取“十”字分布的四個測試點(diǎn)，且測試點(diǎn)應(yīng)盡可能靠近加載中心；

圖2：剛度測量示意圖

④在最大載荷工況下利用百分表測量機(jī)架的變形量，每個點(diǎn)至少重復(fù)3次測量，最后取平均值（如條件不允許4個測量點(diǎn)同時測量可分4次測試，但一個試驗(yàn)機(jī)至少測試4個點(diǎn)）；

⑤利用上文中的剛度計算公式計算剛度值，合格標(biāo)準(zhǔn)為每個點(diǎn)的剛度值均符合剛度要求。

我們采用“四點(diǎn)式直接測變型法”對中機(jī)試驗(yàn)裝有常見機(jī)架的三個典型三軸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行剛度檢測，其技術(shù)參數(shù)、測試過程、測量結(jié)果如下所示，驗(yàn)證了該方法應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中的可行性。

四點(diǎn)式直接測變形法，是基于活塞行程測量法的原理創(chuàng)新性地利用三軸設(shè)備自身加載油缸實(shí)現(xiàn)位移控制，并通過在機(jī)架關(guān)鍵部位直接布置四個測點(diǎn)，構(gòu)建出高精度變形測量系統(tǒng)。

該方法核心優(yōu)勢在于通過四點(diǎn)測量能夠主動捕捉并抵消因結(jié)構(gòu)非對稱、加工裝配偏差以及系統(tǒng)內(nèi)部分力等因素引入的耦合變形誤差，從而剝離出純粹、真實(shí)的機(jī)架變形量，確保了測量數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性與可靠性。目前，該方法已經(jīng)得到中機(jī)試驗(yàn)大量項(xiàng)目測試驗(yàn)證，具有操作簡便、檢驗(yàn)準(zhǔn)確、成本低廉的特點(diǎn)，適用于三軸試驗(yàn)機(jī)出廠剛度檢驗(yàn)。

與其他試驗(yàn)機(jī)剛度測試方法類似，四點(diǎn)式直接測變形法同樣具有其局限性，例如隨著試驗(yàn)設(shè)備的結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，不便于將測變形傳感器布置到加載中心處，只能尋找接近中心處的四個點(diǎn)，因此測量的變形是趨近于最大變形的值，因此剛度也是趨近于設(shè)備的實(shí)際剛度；另外測量點(diǎn)和各點(diǎn)夾角是人工測繪選取，所有會存在測量半徑不一致等因素，因此測量的剛度與實(shí)際剛度之間存在一定的誤差。

隨著市場應(yīng)用案例逐漸增多，四點(diǎn)式直接測變形法也將不斷迭代優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)更高精度測量巖石三軸試驗(yàn)機(jī)剛度。

從巖石三軸試驗(yàn)機(jī)的案例中可以看出，量化測量試驗(yàn)機(jī)剛度的方法多種多樣，但能夠充分考慮各零部件的復(fù)雜結(jié)構(gòu)和加工精度、緊固件、夾緊機(jī)構(gòu)可靠性等綜合因素，實(shí)現(xiàn)高精度測量試驗(yàn)機(jī)剛度的方法依然較少。