世界上第一台手摇式万能材料试验机的故事

时间: 2024-10-24 15:14:28 | 作者: 电子万能试验机

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内战结束后不久，美国的工业化开始突飞猛进，新的工厂如雨后春笋般出现，机械、建筑以及别的行业越来越需要更好的材料测试方法。工程师对于没有办法获得可靠的材料属性信息非常沮丧。“建筑的艺术......笼罩在神秘和阴暗之中，” Van Nostrand的工程杂志如是说。“关于材料的知识就目前来看......完全是经验性的......工程师在使用一种新材料，或一种新形式的旧材料之前，唯一安全的方法就是实验。”

材料使用前没有测试其强度的某种方法时，这些实验结果往往一定要通过爆炸或爆破建筑的方式获取。从1850年代开始，出现了很多材料测试装置，然而真正的通用测试设备的目的仍十分难懂，直到1880 年，在这一年，本从挪威移民到费城但却刚刚失业的工程师Tinius Olsen发明了众所周知的“小巨人”，并申请了专利。至此才终于有了一台可以一起进行拉伸、横向弯曲和压缩测试的设备。Olsen的设备成为了其后全世界生产的测试设备的始祖，而Olsen为了营销其发明而创建的公司也在试验机行业内一直生存至今。到今年为止，天氏欧森公司已连续经营了137 个年头。

Olsen于1845年出生于挪威孔斯贝格的一个木质枪托工匠之家，家里有八个兄弟姐妹。他于1866年以优异的成绩从霍顿技术学院毕业，成为了一家大型航海设备工厂机械部门的领班。然而Olsen并不是特别喜欢这份工作，在英国纽卡斯尔尝试找工作之后，他去了美国。1869 年8月，24岁的Olsen来到了费城，在威廉销售有限公司找到了一份设计师的工作。

Olsen 开始参加当地路德教教堂的周日圣经班，在那里他遇到了拥有一家小型量具工厂的 Riehlé兄弟。当时 Riehlé兄弟有一个客户急需他们设计一台可以测试锅炉钢板强度的设备。当时还没再次出现这样的设备，强度不够的钢板材料经常导致来往于密西西比河上的蒸汽船发生锅炉爆炸事故。Riehlé兄弟邀请Olsen为这种设备设计图纸，Olsen利用他的闲暇时间详细设计和绘制了第一台用于锅炉钢板拉伸测试的设备，加载能力达40,000lbf。Riehlé兄弟制造出的这种新设备获得了成功，不久后，就出现了增大这种设备型号的需求。Olsen获邀接管工厂，从1872年开始成为Riehlé兄弟工厂的主管。在那里的八年里，他帮助工厂成为了一家可以

同时生产弹簧和测试设备的企业。他在新兴的材料测试领域内开创了新的贡献包括用于桥梁建造、铁路机车和其他工业产品材料的立式和卧式测试设备。其中有几台设备还参与了1876年费城百年庆典博览会的展出。专利所有权仍掌握在他的雇主手中。

他的发明才能并未被忽视。1879年，费城久负盛名的科学研究和信息中心——弗兰克林科学和艺术委员会委派了一个下属委员会去了解Olsen的试验机。根据该委员会的报告，这些机器“便于操作、比例适当、设计美观，而且足够精确。”可能正是因为这些认可，使得Olsen要求Riehlés兄弟接受他成为合伙人。然而两兄弟却拒绝了他，并在1879年下半年，告知他年底他将被辞退。

Olsen对于新设备有许多构想：其中之一就是通用试验机。在他的妻子夏洛塔——最早获得医学学位的北欧籍美国女性之一——的支持下，他开始着手设计新机器的图纸。1880年2月6日，Olsen提交了一份专利申请：“针对试验机作出的一项全新且有利的改进”，并于1880年6月1日获得专利号228214。

在那时，多数材料测试需要不同的设备，每种设备用于某种单一功能。而Olsen命名为“小巨人”的设备，可以在安装在单个框架内的同一台设备上进行精确的拉伸、横向弯曲和压缩测试。此种设备结构紧凑、操作简易且价格低廉。 (右图中所展示的即为当时所生产的小巨人，目前存放于Tinius Olsen美国总部，机器尚能使用)

在专利申请书中，Olsen解释说，以前的试验机在对试样施加压强方面有困难，或者施加的大部分载荷都损耗在摩擦中了。他建议采用结构更紧凑的秤杆，减少摩擦损耗，让横梁上的砝码可以自动移动，并提供了一种“用于测量试样变形的敏感性测量装置，以及一种以图形记录和说明该变形的装置。”“小巨人”是一种立式机型；它从上方和下方对待测试样施加作用力。上、下加载横梁上带有夹具，里面夹着试样，在操作者转动一个连接齿轮系统的手柄时，试样即被压碎或拉断。

在拉伸测试中，试样被夹在上、下横梁之间。下横梁往下拉时，静止的上横梁通过立式框架将作用力传递到下面的称重台上。然后称重台通过杠杆将作用力传递到一个测量载荷的称重横梁上。对于压缩测试，试样则位于下横梁的下面，横梁往下将试样压在称重台上。在横向弯曲测试中是相同，试样被夹在横梁和称重台之间。此时，载荷被施加在较长试样的中心点上，比如一块铸铁或一根钢梁。

Olsen 的构想并不局限在他的载荷框架设计上。他的加载和称重系统也在之前装置的基础上有了改进。他的螺杆和齿轮系统能将控制作用力施加到试样上，而且他的称杆极大地减少了空间要求。而且还可以再添加一个额外的电机来在梁上自动移动砝码，或秤砣，不需操作员作进行任何干预。

除了精度更高之外，“小巨人”还可以用图形记录测量结果。橡胶缓冲垫和弹簧提供了损坏保护，消除了一个长久以来的棘手问题——试样断裂时经常会损坏试验机。在所有这些创新的推动下，Olsen的设备被视为所有试验机的基础。

在费城一家知名公司拒绝了他的新产品后，Olsen的妻子说服了他开设自己的公司。他们两人资金不多——只有几千美元——但是他还是设法成立了他的工厂Tinius Olsen & Co.，地址为费城第12街500号。不久之后，他就成功抢走了他老雇主Riehlé兄弟公司的生意。

虽然Olsen拒绝举债，但他的妻子决心要让这台设备获得展示的机会，于是她典当了她的钻戒（如今这枚钻戒已被赎回被保存于Tinius Olsen总部），筹了一笔现金，把小巨人带到了1881 年的辛辛那提和亚特兰大工业博览会上。该设备在两个博览会上都赢得了金奖。第二年，Olsen便接到了订购世界上第一台200,000 lbf试验机的订单，而且作为他多才多艺的证明，他还开发了一台用于测试羽毛拉伸强度的设备。

Olsen在后来的几十年中一直持续为试验机行业引入新的创新。1891年，弗兰克林学院就他的自动绘图试验机授予了他Elliot Cresson金质奖章。这种试验机可以生成永久且易于解读的应力——应变结果记录。1908 年，联邦政府订购了一台1000 万磅加载量的设备，这台设备直到本世纪中叶前一直是世界上最大的试验机。

多年以来，他还获得了其他的荣誉，包括来自挪威国王的奖章。Olsen于1929 年从公司退休，1933 年去世。他在1880年开创的此公司已经营了137年，目前仍由其后代运营——现在已经到第五代—— 仍然在为测试行业的各种难题提供创新的解决方案。