分享：轴向加力疲劳试验机动态力国标和 美标校准方法的技术比较
卢 奇,郑 程,李 凯
(上海材料研究所 上海市工程材料应用与评价重点实验室,上海 200437)
摘 要:分别从术语定义、计量性能要求、主标准器具、校准项目、校准程序等方面对比了JJG 556—2011和 ASTM E467—2021中对于动态力计量溯源的技术差异。结果表明:JJG556—2011 中要求的动态力校准项目有6项,而 ASTM E467—2021中要求的项目仅有2项;ASTM E467— 2021的技术要求要高于JJG556—2011。
关键词:疲劳试验机;动态力校准;标准差异
中图分类号:TG115.5 文献标志码:A 文章编号:1001-4012(2022)08-0005-04
疲劳试验机动态力的准确性对疲劳试验结果有 着非常重要的影响[1]。JJG556—2011 《轴向加力 疲劳试验机》与 ASTM E467—2021《恒幅动态载荷 在轴向疲劳试验系统中的检定标准方法》是目前较 为常用的动态力校准方法。虽然两个标准中都包含 了动态力的校准方法,但在实际使用过程中,实验室 经常会对其校准程序与技术要求产生混淆,在一些 先进材料的研制、关键部件的设计与制造中,同一台 疲劳试验机在参考不同的计量性能要求、使用不同 的标准器具和校准方法下可能会出现不同的校准结 果,这些结果的差异性可能会影响相关人员对一些 关键技术指标的判断,从而造成较大的经济损失和 重要的时机延误[2-3]。笔者对这两个标准进行了系 统地分析对比,以便在日常的计量校准中更好地理 解两个标准的技术差异。
1 术语定义
1.1 术语类型差异
JJG556—2011中的术语多为校准过程中的各类 参数的解释,如:平均循环力、循环力幅等。而 ASTM E467—2021除了对分校准参数进行了解释以外,还 对未包括在 ASTM E1823—2021 《疲劳断裂试验的 相关术语》中的,或被认定是不常用的术语均进行了 解释与定义,如:校准系数、测力仪、力传感器等。
1.2 术语描述差异
根据JJF1011—2006《力值与硬度计量术语及定义》中对于动态力的描述:动态力是指随时间变化 的力,包括随机力、冲击力和循环力。因为疲劳试验 机所 施 加 力 是 随 时 间 呈 周 期 性 变 化 的,所 以 JJG 556—2011在校准对象的描述中使用了更加准确的 循环力代替了动态力[4]。ASTM E467—2021虽然 也指出其规程涵盖了在轴向疲劳测试系统中,恒定 振幅测试时对循环力振幅控制或测量精度进行动态 验证的程序,但在通篇规程中,仍然多次使用动态力 作为其校准对象的描述。
1.3 术语表示方法的差异
由于JJG556—2011的校准项目较多,因此通 篇使用了大量的符号来定义各类术语,如:Fmax(试 验机的最大力)、Fi(惯性力)等。使用符号代替文 字可以显著缩短标准内容的篇幅,但使用者需要花 费一定的时间去对照表格理解各类符号所代表的含 义。ASTM E467—2021正文中直接使用术语而非 符号,仅在附录 代替部分参数。 A1中的计算公式中使用了符号来 对比两个标准的术语差异不难发现,两个标准 在校准术语的选择中各有侧重:JJG 术语多为动态力检定要求相关参数,且 55 使 6— 用 20 了 11 大 中 量 的符号,这间接提高了标准的学习成本;而 ASTM E467—2021中对术 语 的 选 择 面 更 广、解 释 更 为 详 细,对于初次接触标准的使用者更加友好。
2 计量性能要求
JJG556—2011 中 对 于 动 态 力 的 校 准 项 目 有 6条:① 循 环 力 范 围 示 值 相 对 误 差 要 求 为 ±2% (A),±3%(B);② 循环力范围示值重复性要求为 2%(A),3%(B);③ 循环力峰值范围示值相对误差 要求为±2%(A),±3%(B);④ 循环力峰值范围示 值重复性要求为2%(A),3%(B);⑤ 10 min循环 力范 围 示 值 变 动 性 要 求 为 2% (A),3% (B);⑥ 10min循环力峰值示值变动性要求为2%(A),3% (B)。其中项目⑥为后续校准中的非必须项目,可 见首次校准与后续校准的检定项目并不相同,且对 于不同种类疲劳试验机的计量要求也不尽相同。其 中,A 适用于电液伺服疲劳试验机,B适用于液压脉 动疲劳试验机、机械式疲劳试验机、电磁共振型疲劳 试验机及其他形式的试验机。 ASTME467—2021中仅对循环力范围允许误差 与动态力终值误差提出要求,其中:① 动态力范围允 许误差要求为±1.0%×最大静态力跨度;② 最大动 态终值误差(峰值或谷值)要求为±1.0%。 相比之下,JJG556—2011 中对于动态力的校 准 项 目 要 多 于 ASTM E467—2021,但 ASTM E467—2021中的技术要求要比JJG556—2011 中 的更加严格。考虑到动态力误差还应与疲劳试验检 测标准中对设备的计量技术要求相匹配,其中:① GB/T3075—2008《金属材料 疲劳试验 轴向力控 制方法》要求动态力测量误差不超过所需测力范围 的±1%;② GB/T15248—2008 《金属材料轴向等 幅低循环疲劳试验方法》中要求试验机相继两循环 的重复性应在所试应力或应变范围的1%以内或平 均范围的0.5%以内,整个试验过程中应稳定在2% 以内;③ ASTME466—2021《金属材料力控制恒定 振幅轴向疲劳试验方法》与 ASTM E606/E606M— 2021《应变控制疲劳试验标准试验方法》中均提到 动态力要满足 ASTM E467—2021中的计量要求。 由此可见,ASTM E467—2021的动态力计量性能 要求要比 JJG556—2011 更 符 合 日 常 疲 劳 试 验 需 求。此外,JJG556—2011 中并没有动态力谷值误 差的要求,这是考虑到当试验机动态力谷值越接近 零时,会接近力传感器的测量范围下限,导致谷值示 值误差的近零测量点是不准确的,所以JJG556— 2011采用了动态力范围误差与峰值误差,以避开该 类情况的发生。
3 计量器具的技术要求
JJG556—2011中对循环力校准中使用的力校 准装置要求如下所述。 (1)力校准装置应由标准测力仪或电阻应变计 式的校验棒组成[5]。 (2)准确度等级应不低于0.3级(当使用电阻 应变计式的校验棒时,应符合相应准确度等级的标 准测力仪的技术指标要求)。 (3) 工 作 范 围 内 的 频 率 响 应 变 化 不 超 过 ±0.1dB;或固有频率不低于被检试验机最高工作 频率15倍的力校准系统。 (4)采样频率不低于校准频率的50倍。 (5)在给定静态力的条件下,校准装置峰值显 示与静态显示的示值差在相同条件下应在装置量程 的±0.02%以内。 ASTM E467—2021中对力校准装置的要求如 下所述。 (1)建议使用电阻应变计式的校验棒,若条件 不允许,可使用其他替代的力校准装置。 (2)力校准装置的整体精度应占动态测量总误 差的25%以下。此外,力校准装置还需配有最新的 校准证书,并可追溯至美国国家标准与技术研究院 (NIST)或其他机构公认的国家标准。 (3)对于 力 校 准 装 置 的 静 态 校 准,不 需 要 按 ASTM E4—2021 《试验机的力校准与验证标准规 程》对力校准装置进行静态校准。只需要将力校准 装置的指示力静态校准到力传感器指示力,该力水 平对应于所需的动态力峰谷值。
4 校准内容
4.1 校准点的选择
JJG556—2011 中根据试验机的类型,对于分 档的试验机,根据格档量程对应的 Famax(试验机的 最大循环力幅)与 Fmax(试验机的最大力)的不同, 分成以下3种情况。 (1)Famax < Fmax(Famax ≈0.5Fmax)的拉伸(或 压缩)试验机。平均循环力比为0.2,0.8(循环力范 围比为0.2,0.4);平均循环力比为0.4,0.6 (循环力 范围比为 0.2,0.4,0.6,0.8);平均循环力比为 0.5 (循环力范围比为0.2,0.4,0.6,0.8,1.0)。 (2)Famax < Fmax(Famax ≈ 0.5Fmax)的拉压试 验机。平均循环力比为±0.5(循环力范围比为0.2, 0.4,0.6,0.8,1.0);平均循环力比为±0.25(循环力 范围比为0.2,0.4,0.6,0.8,1.0);平均循环力比为 0.0(循环力范围比为0.2,0.4,0.6,0.8,1.0)。 (3)Famax = Fmax 的拉压试验机。平均循环力 比为±0.6(循环力范围比为0.2,0.4);平均循环力 比为±0.4(循环力范围比为0.2,0.4,0.6);平均循环 力比为±0.2(循环力范围比为0.2,0.4,0.6,0.8);平 均循环力比为0.0(循环力范围比为 0.2,0.4,0.6, 0.8,1.0)。 此外,对于不分档试验机,除了按照上述要求选 取的平均循环力比和循环力范围比外,还需额外按 照以下列出的平均循环力比和循环力范围比进行校 准,将校准合格的最小循环力范围作为该试验机循 环力范围的测量下限,且测量下限不低于200倍试 验机力指示装置分辨力。主要分为以下两种情况。 (1)Famax< Fmax(Famax ≈0.5Fmax)的拉伸(或 压缩)试验机;平均循环力比为0.02(循环力范围比 为0.2,0.4);平均循环力比为0.05 (循环力范围比 为0.05,0.1);平均循环力比为0.1(循环力范围比为 0.1,0.2)。 (2)Famax <Fmax (Famax ≈0.5Fmax)或 Famax < Fmax 的拉压试验机。平均循环力比为0.0(循环力 范围比为0.02,0.05,0.10)。 试验机若不能达到规定的循环力范围时,可将 循环力范围改为该平均循环力下的最大循环力范 围。此外,对于后续校准和使用中校准的试验机,可 以仅在一个平均循环力下进行循环力校准:拉伸(或 压缩)试验机取平均循环力比为0.5,拉压试验机取 平均循环力比为0。 ASTM E467—2021中对动态力具体的校准点 无明确要求,但标准中指出:推荐选取试验机可设置 的最大与最小动态力点。除此之外,考虑到试验机 在拉压过程中振动差异的不确定性,若试验机有在 此情况下运行的需求,ASTM E467—2021 建议通 过试验机在运行的每个力值范围内施加通过零点的 范围循环力进行动态力校准。
4.2 校准波形及频率的选择
考虑到电磁共振式的疲劳试验机只能产生正弦 波形,JJG556—2011中要求校准波形一般为正弦 波。对于电磁共振式的疲劳试验机,以系统的共振 频率为循环力的校准频率;对于其他类型的各类试 验机,若试验机仅使用几个特定的工作频率,则循环 力仅在这几个特定的工作频率下校准;若试验机在 变化的频率范围内使用,则选取包括该频率范围的 上下限在内的3个频率作为循环力的校准频率。 ASTM E467—2021 中 未 提 及 校 准 波 形 的 选 择,对于试验机频率的选择,ASTM E467—2021和 JJG556—2011 较为相似:如果疲劳试验机仅在几 个特定分散的频率下使用,则仅在这些频率下进行 校准。如果机器将在各种频率下使用,必须使用完 整校准程序对最小和最大频率进行校准,这些频率 之间的任何工作频率都可以使用惯性力修正。
4.3 校准程序对比分析
JJG556—2011的循环力校准一般遵循以下步 骤:对于循环力校准装置的测力元件,使用合适的工 装与疲劳试验机连接,并保证足够的连接刚度;连接 后的力校准装置测力元件轴线应与试验机的加力轴 线相重合,以减小倾斜力和偏心力对校准过程的影 响;待试验机与测力装置按规定使用说明要求通电 预热30min后方可进行校准,再确认好循环力级、 校准频率与校准波形后,设置循环力校准装置的采 样频率,使其采样频率至少为50倍的校准频率。
逐频率、逐力级地对循环力校准装置施加循环 力,并在指示装置的显示示值趋于稳定后,读取连续 10个周期的循环力峰谷值,按相应公式计算后应满 足章节2中2%(A),3%(B)的要求。此外,试验机 还需要在选定条件下运行10min,每隔1min记录 下试验机力指示装置所显示的循环力峰谷值,同时 记录10min内循环力峰值示值出现的最大值与最 小值。按照公式计算出10min内循环力范围的示 值变动性和峰值的示值变动性。在进行惯性力修正 后,计算结果应满足计量特性要求。 ASTM E467—2021 中 的 校 准 步 骤 与 JJG 556—2011相似,不同点在于:在连接好动态力测力 仪后,首先需要做的是测力仪装置的静态校准,步骤 如下所述。 (1)将动态力测量装置缓慢加载至试验机峰值 力+5%所需验证的动态力范围,重复3次,随后将 力卸载至零点,并将动态力测试装置和试验机的力 传感器的力值清零。 (2)使用 ASTM E4—2011所定义的 Set-theForce的设定力方法,将动态力校准装置加载到最 大终值,利用测力仪的显示力值对动态力校准装置 的显示力值进行标定校准。对测力装置进行静态校 准时,与动态力校准装置最大相关力的示值误差重 复性不应超过试验机所施加最大力的±0.25%。 ASTM E467—2021的动 态 力 校 准 步 骤:将 试 验机按平时使用的方式设置好后,按照所需频率对 试验机施加动态力,直到达到设定好的校准点;待整 个系统稳定后,记录至少50组动态力峰谷值;按照 公式计算动态力范围允许误差与动态力终值误差, 计算结果应满足章节2中的要求。 对比 两 个 标 准 的 校 准 程 序 可 发 现:① JJG 556—2011的动态力校准采样点选择了10个,这是 考虑到国内普遍使用的动态力校准系统的数据采样 系统在采样频率为50倍校准频率时,每一屏刚好可 以显示10个完整的正弦波;② ASTM E467—2021 建议获取3组峰值或谷值的校准数据,且每组至少 包括 读数 5 。 0个周期的数据,以确保获得准确的峰谷值
5 结论及建议
综 上 所 述,JJG 556—2011 与 ASTM E467— 2021的校准步骤虽较为相似,但在术语定义、计量 性能要求、主标准器具、校准项目上均存在一定的差 异,JJG556—2011的要求较为宽松,且校准参数要 求较多,而 ASTM E467—2021的要求更加严格,且 更加符合目前主流的中国标准与美国标准疲劳试验 方法中对试验机的动态力精度要求。 此外,在 日 常 的 疲 劳 试 验 机 计 量 校 准 中,JJG 556—2011在动态力校准点的选择上较为复杂,且 不同种类试验机的校准点选择也不尽相同,这使得 设备的使用者与计量人员在日常计量维护中需要用 一定的时间去选择与计算校准点。建议在日后的修 订中,可以参考 ASTM E467—2021对校准点进行 进一步的整合与精简。同时,JJG556—2011 也可 以参考 ASTM E467—2021,选取更多的采样点(如 50组),并进行多次校准(如3次)以获得更多的校 准数据,这样不但可以获得更加稳定且准确的校准 数据,同时也可以用获得的校准数据计算并代替原 规程中 考 察 试 验 机 波 动 度 和 控 制 准 确 度 的 方 法 (10min示值变动性)。
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< 文章来源>材料与测试网 >
