軸向加力疲勞試驗(yàn)機(jī)動(dòng)態(tài)力國(guó)標(biāo)和美標(biāo)校準(zhǔn)方法的技術(shù)比較

盧 奇, 鄭 程, 李 凱

(上海材料研究所 上海市工程材料應(yīng)用與評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 上海 200437)

疲勞試驗(yàn)機(jī)動(dòng)態(tài)力的準(zhǔn)確性對(duì)疲勞試驗(yàn)結(jié)果有著非常重要的影響[1]。JJG 556—2011 《軸向加力疲勞試驗(yàn)機(jī)》與ASTM E467—2021 《恒幅動(dòng)態(tài)載荷在軸向疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)中的檢定標(biāo)準(zhǔn)方法》是目前較為常用的動(dòng)態(tài)力校準(zhǔn)方法。雖然兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中都包含了動(dòng)態(tài)力的校準(zhǔn)方法，但在實(shí)際使用過(guò)程中,實(shí)驗(yàn)室經(jīng)常會(huì)對(duì)其校準(zhǔn)程序與技術(shù)要求產(chǎn)生混淆，在一些先進(jìn)材料的研制、關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)與制造中，同一臺(tái)疲勞試驗(yàn)機(jī)在參考不同的計(jì)量性能要求、使用不同的標(biāo)準(zhǔn)器具和校準(zhǔn)方法下可能會(huì)出現(xiàn)不同的校準(zhǔn)結(jié)果，這些結(jié)果的差異性可能會(huì)影響相關(guān)人員對(duì)一些關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)的判斷，從而造成較大的經(jīng)濟(jì)損失和重要的時(shí)機(jī)延誤[2-3]。筆者對(duì)這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了系統(tǒng)地分析對(duì)比，以便在日常的計(jì)量校準(zhǔn)中更好地理解兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)差異。

1 術(shù)語(yǔ)定義

1.1 術(shù)語(yǔ)類(lèi)型差異

JJG 556—2011中的術(shù)語(yǔ)多為校準(zhǔn)過(guò)程中的各類(lèi)參數(shù)的解釋?zhuān)纾浩骄h(huán)力、循環(huán)力幅等。而ASTM E467—2021除了對(duì)分校準(zhǔn)參數(shù)進(jìn)行了解釋以外，還對(duì)未包括在ASTM E1823—2021 《疲勞斷裂試驗(yàn)的相關(guān)術(shù)語(yǔ)》中的，或被認(rèn)定是不常用的術(shù)語(yǔ)均進(jìn)行了解釋與定義,如：校準(zhǔn)系數(shù)、測(cè)力儀、力傳感器等。

1.2 術(shù)語(yǔ)描述差異

根據(jù)JJF 1011—2006 《力值與硬度計(jì)量術(shù)語(yǔ)及定義》中對(duì)于動(dòng)態(tài)力的描述：動(dòng)態(tài)力是指隨時(shí)間變化的力，包括隨機(jī)力、沖擊力和循環(huán)力。因?yàn)槠谠囼?yàn)機(jī)所施加力是隨時(shí)間呈周期性變化的，所以JJG 556—2011在校準(zhǔn)對(duì)象的描述中使用了更加準(zhǔn)確的循環(huán)力代替了動(dòng)態(tài)力[4]。ASTM E467—2021雖然也指出其規(guī)程涵蓋了在軸向疲勞測(cè)試系統(tǒng)中，恒定振幅測(cè)試時(shí)對(duì)循環(huán)力振幅控制或測(cè)量精度進(jìn)行動(dòng)態(tài)驗(yàn)證的程序，但在通篇規(guī)程中，仍然多次使用動(dòng)態(tài)力作為其校準(zhǔn)對(duì)象的描述。

1.3 術(shù)語(yǔ)表示方法的差異

由于JJG 556—2011的校準(zhǔn)項(xiàng)目較多，因此通篇使用了大量的符號(hào)來(lái)定義各類(lèi)術(shù)語(yǔ)，如：Fmax(試驗(yàn)機(jī)的最大力)、Fi(慣性力)等。使用符號(hào)代替文字可以顯著縮短標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容的篇幅，但使用者需要花費(fèi)一定的時(shí)間去對(duì)照表格理解各類(lèi)符號(hào)所代表的含義。ASTM E467—2021正文中直接使用術(shù)語(yǔ)而非符號(hào)，僅在附錄A1中的計(jì)算公式中使用了符號(hào)來(lái)代替部分參數(shù)。

對(duì)比兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的術(shù)語(yǔ)差異不難發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)在校準(zhǔn)術(shù)語(yǔ)的選擇中各有側(cè)重：JJG 556—2011中術(shù)語(yǔ)多為動(dòng)態(tài)力檢定要求相關(guān)參數(shù)，且使用了大量的符號(hào)，這間接提高了標(biāo)準(zhǔn)的學(xué)習(xí)成本；而ASTM E467—2021中對(duì)術(shù)語(yǔ)的選擇面更廣、解釋更為詳細(xì)，對(duì)于初次接觸標(biāo)準(zhǔn)的使用者更加友好。

2 計(jì)量性能要求

JJG 556—2011中對(duì)于動(dòng)態(tài)力的校準(zhǔn)項(xiàng)目有6條：① 循環(huán)力范圍示值相對(duì)誤差要求為±2%(A)，±3%(B);② 循環(huán)力范圍示值重復(fù)性要求為2%(A)，3%(B)；③ 循環(huán)力峰值范圍示值相對(duì)誤差要求為±2%(A)，±3%(B)；④ 循環(huán)力峰值范圍示值重復(fù)性要求為2%(A)，3%(B)；⑤ 10 min循環(huán)力范圍示值變動(dòng)性要求為2%(A)，3%(B)；⑥ 10 min循環(huán)力峰值示值變動(dòng)性要求為2%(A)，3%(B)。其中項(xiàng)目⑥為后續(xù)校準(zhǔn)中的非必須項(xiàng)目，可見(jiàn)首次校準(zhǔn)與后續(xù)校準(zhǔn)的檢定項(xiàng)目并不相同，且對(duì)于不同種類(lèi)疲勞試驗(yàn)機(jī)的計(jì)量要求也不盡相同。其中，A適用于電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)，B適用于液壓脈動(dòng)疲勞試驗(yàn)機(jī)、機(jī)械式疲勞試驗(yàn)機(jī)、電磁共振型疲勞試驗(yàn)機(jī)及其他形式的試驗(yàn)機(jī)。

ASTM E467—2021中僅對(duì)循環(huán)力范圍允許誤差與動(dòng)態(tài)力終值誤差提出要求，其中：① 動(dòng)態(tài)力范圍允許誤差要求為±1.0%×最大靜態(tài)力跨度；② 最大動(dòng)態(tài)終值誤差(峰值或谷值)要求為±1.0%。

相比之下，JJG 556—2011中對(duì)于動(dòng)態(tài)力的校準(zhǔn)項(xiàng)目要多于ASTM E467—2021，但ASTM E467—2021中的技術(shù)要求要比JJG 556—2011中的更加嚴(yán)格?？紤]到動(dòng)態(tài)力誤差還應(yīng)與疲勞試驗(yàn)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)設(shè)備的計(jì)量技術(shù)要求相匹配，其中：①GB/T 3075—2008 《金屬材料 疲勞試驗(yàn) 軸向力控制方法》要求動(dòng)態(tài)力測(cè)量誤差不超過(guò)所需測(cè)力范圍的±1%；② GB/T 15248—2008 《金屬材料軸向等幅低循環(huán)疲勞試驗(yàn)方法》中要求試驗(yàn)機(jī)相繼兩循環(huán)的重復(fù)性應(yīng)在所試應(yīng)力或應(yīng)變范圍的1%以?xún)?nèi)或平均范圍的0.5%以?xún)?nèi)，整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)穩(wěn)定在2%以?xún)?nèi)；③ ASTM E466—2021 《金屬材料力控制恒定振幅軸向疲勞試驗(yàn)方法》與ASTM E606/E606M—2021 《應(yīng)變控制疲勞試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》中均提到動(dòng)態(tài)力要滿(mǎn)足ASTM E467—2021中的計(jì)量要求。由此可見(jiàn)，ASTM E467—2021的動(dòng)態(tài)力計(jì)量性能要求要比JJG 556—2011更符合日常疲勞試驗(yàn)需求。此外，JJG 556—2011中并沒(méi)有動(dòng)態(tài)力谷值誤差的要求，這是考慮到當(dāng)試驗(yàn)機(jī)動(dòng)態(tài)力谷值越接近零時(shí)，會(huì)接近力傳感器的測(cè)量范圍下限，導(dǎo)致谷值示值誤差的近零測(cè)量點(diǎn)是不準(zhǔn)確的，所以JJG 556—2011采用了動(dòng)態(tài)力范圍誤差與峰值誤差，以避開(kāi)該類(lèi)情況的發(fā)生。

3 計(jì)量器具的技術(shù)要求

JJG 556—2011中對(duì)循環(huán)力校準(zhǔn)中使用的力校準(zhǔn)裝置要求如下所述。

(1) 力校準(zhǔn)裝置應(yīng)由標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀或電阻應(yīng)變計(jì)式的校驗(yàn)棒組成[5]。

(2) 準(zhǔn)確度等級(jí)應(yīng)不低于0.3級(jí)(當(dāng)使用電阻應(yīng)變計(jì)式的校驗(yàn)棒時(shí)，應(yīng)符合相應(yīng)準(zhǔn)確度等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀的技術(shù)指標(biāo)要求)。

(3) 工作范圍內(nèi)的頻率響應(yīng)變化不超過(guò)±0.1 dB；或固有頻率不低于被檢試驗(yàn)機(jī)最高工作頻率15倍的力校準(zhǔn)系統(tǒng)。

(4) 采樣頻率不低于校準(zhǔn)頻率的50倍。

(5) 在給定靜態(tài)力的條件下，校準(zhǔn)裝置峰值顯示與靜態(tài)顯示的示值差在相同條件下應(yīng)在裝置量程的±0.02%以?xún)?nèi)。

ASTM E467—2021中對(duì)力校準(zhǔn)裝置的要求如下所述。

(1) 建議使用電阻應(yīng)變計(jì)式的校驗(yàn)棒，若條件不允許，可使用其他替代的力校準(zhǔn)裝置。

(2) 力校準(zhǔn)裝置的整體精度應(yīng)占動(dòng)態(tài)測(cè)量總誤差的25%以下。此外，力校準(zhǔn)裝置還需配有最新的校準(zhǔn)證書(shū)，并可追溯至美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)或其他機(jī)構(gòu)公認(rèn)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

(3) 對(duì)于力校準(zhǔn)裝置的靜態(tài)校準(zhǔn)，不需要按ASTM E4—2021 《試驗(yàn)機(jī)的力校準(zhǔn)與驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)規(guī)程》對(duì)力校準(zhǔn)裝置進(jìn)行靜態(tài)校準(zhǔn)。只需要將力校準(zhǔn)裝置的指示力靜態(tài)校準(zhǔn)到力傳感器指示力，該力水平對(duì)應(yīng)于所需的動(dòng)態(tài)力峰谷值。

4 校準(zhǔn)內(nèi)容

4.1 校準(zhǔn)點(diǎn)的選擇

JJG 556—2011中根據(jù)試驗(yàn)機(jī)的類(lèi)型，對(duì)于分檔的試驗(yàn)機(jī)，根據(jù)格檔量程對(duì)應(yīng)的Famax(試驗(yàn)機(jī)的最大循環(huán)力幅)與Fmax(試驗(yàn)機(jī)的最大力)的不同，分成以下3種情況。

(1)Famax

(2)Famax

(3)Famax=Fmax的拉壓試驗(yàn)機(jī)。平均循環(huán)力比為±0.6(循環(huán)力范圍比為0.2，0.4)；平均循環(huán)力比為±0.4(循環(huán)力范圍比為0.2，0.4，0.6)；平均循環(huán)力比為±0.2(循環(huán)力范圍比為0.2，0.4，0.6，0.8)；平均循環(huán)力比為0.0(循環(huán)力范圍比為0.2，0.4，0.6，0.8，1.0)。

此外，對(duì)于不分檔試驗(yàn)機(jī)，除了按照上述要求選取的平均循環(huán)力比和循環(huán)力范圍比外，還需額外按照以下列出的平均循環(huán)力比和循環(huán)力范圍比進(jìn)行校準(zhǔn)，將校準(zhǔn)合格的最小循環(huán)力范圍作為該試驗(yàn)機(jī)循環(huán)力范圍的測(cè)量下限，且測(cè)量下限不低于200倍試驗(yàn)機(jī)力指示裝置分辨力。主要分為以下兩種情況。

(1)Famax

(2)Famax

試驗(yàn)機(jī)若不能達(dá)到規(guī)定的循環(huán)力范圍時(shí)，可將循環(huán)力范圍改為該平均循環(huán)力下的最大循環(huán)力范圍。此外，對(duì)于后續(xù)校準(zhǔn)和使用中校準(zhǔn)的試驗(yàn)機(jī)，可以?xún)H在一個(gè)平均循環(huán)力下進(jìn)行循環(huán)力校準(zhǔn)：拉伸(或壓縮)試驗(yàn)機(jī)取平均循環(huán)力比為0.5，拉壓試驗(yàn)機(jī)取平均循環(huán)力比為0。

ASTM E467—2021中對(duì)動(dòng)態(tài)力具體的校準(zhǔn)點(diǎn)無(wú)明確要求，但標(biāo)準(zhǔn)中指出：推薦選取試驗(yàn)機(jī)可設(shè)置的最大與最小動(dòng)態(tài)力點(diǎn)。除此之外，考慮到試驗(yàn)機(jī)在拉壓過(guò)程中振動(dòng)差異的不確定性，若試驗(yàn)機(jī)有在此情況下運(yùn)行的需求，ASTM E467—2021建議通過(guò)試驗(yàn)機(jī)在運(yùn)行的每個(gè)力值范圍內(nèi)施加通過(guò)零點(diǎn)的范圍循環(huán)力進(jìn)行動(dòng)態(tài)力校準(zhǔn)。

4.2 校準(zhǔn)波形及頻率的選擇

考慮到電磁共振式的疲勞試驗(yàn)機(jī)只能產(chǎn)生正弦波形，JJG 556—2011中要求校準(zhǔn)波形一般為正弦波。對(duì)于電磁共振式的疲勞試驗(yàn)機(jī)，以系統(tǒng)的共振頻率為循環(huán)力的校準(zhǔn)頻率；對(duì)于其他類(lèi)型的各類(lèi)試驗(yàn)機(jī)，若試驗(yàn)機(jī)僅使用幾個(gè)特定的工作頻率，則循環(huán)力僅在這幾個(gè)特定的工作頻率下校準(zhǔn)；若試驗(yàn)機(jī)在變化的頻率范圍內(nèi)使用，則選取包括該頻率范圍的上下限在內(nèi)的3個(gè)頻率作為循環(huán)力的校準(zhǔn)頻率。

ASTM E467—2021中未提及校準(zhǔn)波形的選擇，對(duì)于試驗(yàn)機(jī)頻率的選擇，ASTM E467—2021和JJG 556—2011 較為相似：如果疲勞試驗(yàn)機(jī)僅在幾個(gè)特定分散的頻率下使用，則僅在這些頻率下進(jìn)行校準(zhǔn)。如果機(jī)器將在各種頻率下使用，必須使用完整校準(zhǔn)程序?qū)ψ钚『妥畲箢l率進(jìn)行校準(zhǔn)，這些頻率之間的任何工作頻率都可以使用慣性力修正。

4.3 校準(zhǔn)程序?qū)Ρ确治?/h3>

JJG 556—2011的循環(huán)力校準(zhǔn)一般遵循以下步驟：對(duì)于循環(huán)力校準(zhǔn)裝置的測(cè)力元件，使用合適的工裝與疲勞試驗(yàn)機(jī)連接，并保證足夠的連接剛度；連接后的力校準(zhǔn)裝置測(cè)力元件軸線應(yīng)與試驗(yàn)機(jī)的加力軸線相重合，以減小傾斜力和偏心力對(duì)校準(zhǔn)過(guò)程的影響；待試驗(yàn)機(jī)與測(cè)力裝置按規(guī)定使用說(shuō)明要求通電預(yù)熱30 min后方可進(jìn)行校準(zhǔn)，再確認(rèn)好循環(huán)力級(jí)、校準(zhǔn)頻率與校準(zhǔn)波形后，設(shè)置循環(huán)力校準(zhǔn)裝置的采樣頻率，使其采樣頻率至少為50倍的校準(zhǔn)頻率。

逐頻率、逐力級(jí)地對(duì)循環(huán)力校準(zhǔn)裝置施加循環(huán)力，并在指示裝置的顯示示值趨于穩(wěn)定后，讀取連續(xù)10個(gè)周期的循環(huán)力峰谷值，按相應(yīng)公式計(jì)算后應(yīng)滿(mǎn)足章節(jié)2中2%(A)，3%(B)的要求。此外，試驗(yàn)機(jī)還需要在選定條件下運(yùn)行10 min，每隔1 min記錄下試驗(yàn)機(jī)力指示裝置所顯示的循環(huán)力峰谷值，同時(shí)記錄10 min內(nèi)循環(huán)力峰值示值出現(xiàn)的最大值與最小值。按照公式計(jì)算出10 min內(nèi)循環(huán)力范圍的示值變動(dòng)性和峰值的示值變動(dòng)性。在進(jìn)行慣性力修正后，計(jì)算結(jié)果應(yīng)滿(mǎn)足計(jì)量特性要求。

ASTM E467—2021中的校準(zhǔn)步驟與JJG 556—2011相似，不同點(diǎn)在于：在連接好動(dòng)態(tài)力測(cè)力儀后，首先需要做的是測(cè)力儀裝置的靜態(tài)校準(zhǔn)，步驟如下所述。

(1) 將動(dòng)態(tài)力測(cè)量裝置緩慢加載至試驗(yàn)機(jī)峰值力+5%所需驗(yàn)證的動(dòng)態(tài)力范圍，重復(fù)3次，隨后將力卸載至零點(diǎn)，并將動(dòng)態(tài)力測(cè)試裝置和試驗(yàn)機(jī)的力傳感器的力值清零。

(2) 使用ASTM E4—2011所定義的Set-the-Force的設(shè)定力方法，將動(dòng)態(tài)力校準(zhǔn)裝置加載到最大終值，利用測(cè)力儀的顯示力值對(duì)動(dòng)態(tài)力校準(zhǔn)裝置的顯示力值進(jìn)行標(biāo)定校準(zhǔn)。對(duì)測(cè)力裝置進(jìn)行靜態(tài)校準(zhǔn)時(shí)，與動(dòng)態(tài)力校準(zhǔn)裝置最大相關(guān)力的示值誤差重復(fù)性不應(yīng)超過(guò)試驗(yàn)機(jī)所施加最大力的±0.25%。

ASTM E467—2021的動(dòng)態(tài)力校準(zhǔn)步驟：將試驗(yàn)機(jī)按平時(shí)使用的方式設(shè)置好后，按照所需頻率對(duì)試驗(yàn)機(jī)施加動(dòng)態(tài)力，直到達(dá)到設(shè)定好的校準(zhǔn)點(diǎn)；待整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定后，記錄至少50組動(dòng)態(tài)力峰谷值；按照公式計(jì)算動(dòng)態(tài)力范圍允許誤差與動(dòng)態(tài)力終值誤差，計(jì)算結(jié)果應(yīng)滿(mǎn)足章節(jié)2中的要求。

對(duì)比兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的校準(zhǔn)程序可發(fā)現(xiàn)：① JJG 556—2011的動(dòng)態(tài)力校準(zhǔn)采樣點(diǎn)選擇了10個(gè)，這是考慮到國(guó)內(nèi)普遍使用的動(dòng)態(tài)力校準(zhǔn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)在采樣頻率為50倍校準(zhǔn)頻率時(shí)，每一屏剛好可以顯示10個(gè)完整的正弦波；② ASTM E467—2021建議獲取3組峰值或谷值的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，且每組至少包括50個(gè)周期的數(shù)據(jù)，以確保獲得準(zhǔn)確的峰谷值讀數(shù)。

5 結(jié)論及建議

綜上所述，JJG 556—2011與ASTM E467—2021的校準(zhǔn)步驟雖較為相似，但在術(shù)語(yǔ)定義、計(jì)量性能要求、主標(biāo)準(zhǔn)器具、校準(zhǔn)項(xiàng)目上均存在一定的差異，JJG 556—2011的要求較為寬松，且校準(zhǔn)參數(shù)要求較多，而ASTM E467—2021的要求更加嚴(yán)格，且更加符合目前主流的中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)與美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)疲勞試驗(yàn)方法中對(duì)試驗(yàn)機(jī)的動(dòng)態(tài)力精度要求。

此外，在日常的疲勞試驗(yàn)機(jī)計(jì)量校準(zhǔn)中，JJG 556—2011在動(dòng)態(tài)力校準(zhǔn)點(diǎn)的選擇上較為復(fù)雜，且不同種類(lèi)試驗(yàn)機(jī)的校準(zhǔn)點(diǎn)選擇也不盡相同，這使得設(shè)備的使用者與計(jì)量人員在日常計(jì)量維護(hù)中需要用一定的時(shí)間去選擇與計(jì)算校準(zhǔn)點(diǎn)。建議在日后的修訂中，可以參考ASTM E467—2021對(duì)校準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行進(jìn)一步的整合與精簡(jiǎn)。同時(shí)，JJG 556—2011也可以參考ASTM E467—2021，選取更多的采樣點(diǎn)(如50組)，并進(jìn)行多次校準(zhǔn)(如3次)以獲得更多的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，這樣不但可以獲得更加穩(wěn)定且準(zhǔn)確的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，同時(shí)也可以用獲得的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)計(jì)算并代替原規(guī)程中考察試驗(yàn)機(jī)波動(dòng)度和控制準(zhǔn)確度的方法(10 min示值變動(dòng)性)。