摘 要:分別從術語定義、計量性能要求、主標準器具、校準項目、校準程序等方面對比了JJG 556—2011和 ASTM E467—2021中對于動態力計量溯源的技術差異。結果表明:JJG556—2011 中要求的動態力校準項目有6項,而 ASTM E467—2021中要求的項目僅有2項;ASTM E467— 2021的技術要求要高于JJG556—2011。
關鍵詞:疲勞試驗機;動態力校準;標準差異
中圖分類號:TG115.5 文獻標志碼:A 文章編號:1001-4012(2022)08-0005-04
疲勞試驗機動態力的準確性對疲勞試驗結果有 著非常重要的影響[1]。JJG556—2011 《軸向加力 疲勞試驗機》與 ASTM E467—2021《恒幅動態載荷 在軸向疲勞試驗系統中的檢定標準方法》是目前較 為常用的動態力校準方法。雖然兩個標準中都包含 了動態力的校準方法,但在實際使用過程中,實驗室 經常會對其校準程序與技術要求產生混淆,在一些 先進材料的研制、關鍵部件的設計與制造中,同一臺 疲勞試驗機在參考不同的計量性能要求、使用不同 的標準器具和校準方法下可能會出現不同的校準結 果,這些結果的差異性可能會影響相關人員對一些 關鍵技術指標的判斷,從而造成較大的經濟損失和 重要的時機延誤[2-3]。筆者對這兩個標準進行了系 統地分析對比,以便在日常的計量校準中更好地理 解兩個標準的技術差異。
1 術語定義
1.1 術語類型差異
JJG556—2011中的術語多為校準過程中的各類 參數的解釋,如:平均循環力、循環力幅等。而 ASTM E467—2021除了對分校準參數進行了解釋以外,還 對未包括在 ASTM E1823—2021 《疲勞斷裂試驗的 相關術語》中的,或被認定是不常用的術語均進行了 解釋與定義,如:校準系數、測力儀、力傳感器等。
1.2 術語描述差異
根據JJF1011—2006《力值與硬度計量術語及定義》中對于動態力的描述:動態力是指隨時間變化 的力,包括隨機力、沖擊力和循環力。因為疲勞試驗 機所 施 加 力 是 隨 時 間 呈 周 期 性 變 化 的,所 以 JJG 556—2011在校準對象的描述中使用了更加準確的 循環力代替了動態力[4]。ASTM E467—2021雖然 也指出其規程涵蓋了在軸向疲勞測試系統中,恒定 振幅測試時對循環力振幅控制或測量精度進行動態 驗證的程序,但在通篇規程中,仍然多次使用動態力 作為其校準對象的描述。
1.3 術語表示方法的差異
由于JJG556—2011的校準項目較多,因此通 篇使用了大量的符號來定義各類術語,如:Fmax(試 驗機的最大力)、Fi(慣性力)等。使用符號代替文 字可以顯著縮短標準內容的篇幅,但使用者需要花 費一定的時間去對照表格理解各類符號所代表的含 義。ASTM E467—2021正文中直接使用術語而非 符號,僅在附錄 A1中的計算公式中使用了符號來 代替部分參數。
對比兩個標準的術語差異不難發現,兩個標準 在校準術語的選擇中各有側重:JJG556—2011 中 術語多為動態力檢定要求相關參數,且使用了大量 的符號,這間接提高了標準的學習成本;而 ASTM E467—2021中對術 語 的 選 擇 面 更 廣、解 釋 更 為 詳 細,對于初次接觸標準的使用者更加友好。
2 計量性能要求
JJG556—2011 中 對 于 動 態 力 的 校 準 項 目 有 6條:① 循 環 力 范 圍 示 值 相 對 誤 差 要 求 為 ±2% (A),±3%(B);② 循環力范圍示值重復性要求為 2%(A),3%(B);③ 循環力峰值范圍示值相對誤差 要求為±2%(A),±3%(B);④ 循環力峰值范圍示 值重復性要求為2%(A),3%(B);⑤ 10 min循環 力范 圍 示 值 變 動 性 要 求 為 2% (A),3% (B);⑥ 10min循環力峰值示值變動性要求為2%(A),3% (B)。其中項目⑥為后續校準中的非必須項目,可 見首次校準與后續校準的檢定項目并不相同,且對 于不同種類疲勞試驗機的計量要求也不盡相同。其 中,A 適用于電液伺服疲勞試驗機,B適用于液壓脈 動疲勞試驗機、機械式疲勞試驗機、電磁共振型疲勞 試驗機及其他形式的試驗機。
ASTME467—2021中僅對循環力范圍允許誤差 與動態力終值誤差提出要求,其中:① 動態力范圍允 許誤差要求為±1.0%×最大靜態力跨度;② 最大動態終值誤差(峰值或谷值)要求為±1.0%。
相比之下,JJG556—2011 中對于動態力的校 準 項 目 要 多 于 ASTM E467—2021,但 ASTM E467—2021中的技術要求要比JJG556—2011 中 的更加嚴格。考慮到動態力誤差還應與疲勞試驗檢 測標準中對設備的計量技術要求相匹配,其中:① GB/T3075—2008《金屬材料 疲勞試驗 軸向力控 制方法》要求動態力測量誤差不超過所需測力范圍 的±1%;② GB/T15248—2008 《金屬材料軸向等 幅低循環疲勞試驗方法》中要求試驗機相繼兩循環 的重復性應在所試應力或應變范圍的1%以內或平 均范圍的0.5%以內,整個試驗過程中應穩定在2% 以內;③ ASTME466—2021《金屬材料力控制恒定 振幅軸向疲勞試驗方法》與 ASTM E606/E606M— 2021《應變控制疲勞試驗標準試驗方法》中均提到 動態力要滿足 ASTM E467—2021中的計量要求。 由此可見,ASTM E467—2021的動態力計量性能 要求要比 JJG556—2011 更 符 合 日 常 疲 勞 試 驗 需 求。此外,JJG556—2011 中并沒有動態力谷值誤 差的要求,這是考慮到當試驗機動態力谷值越接近 零時,會接近力傳感器的測量范圍下限,導致谷值示 值誤差的近零測量點是不準確的,所以JJG556— 2011采用了動態力范圍誤差與峰值誤差,以避開該 類情況的發生。
3 計量器具的技術要求
JJG556—2011中對循環力校準中使用的力校 準裝置要求如下所述。
(1)力校準裝置應由標準測力儀或電阻應變計 式的校驗棒組成[5]。
(2)準確度等級應不低于0.3級(當使用電阻 應變計式的校驗棒時,應符合相應準確度等級的標 準測力儀的技術指標要求)。
(3) 工 作 范 圍 內 的 頻 率 響 應 變 化 不 超 過 ±0.1dB;或固有頻率不低于被檢試驗機最高工作 頻率15倍的力校準系統。
(4)采樣頻率不低于校準頻率的50倍。
(5)在給定靜態力的條件下,校準裝置峰值顯 示與靜態顯示的示值差在相同條件下應在裝置量程 的±0.02%以內。
ASTM E467—2021中對力校準裝置的要求如 下所述。
(1)建議使用電阻應變計式的校驗棒,若條件不允許,可使用其他替代的力校準裝置。
(2)力校準裝置的整體精度應占動態測量總誤 差的25%以下。此外,力校準裝置還需配有最新的 校準證書,并可追溯至美國國家標準與技術研究院 (NIST)或其他機構公認的國家標準。
(3)對于 力 校 準 裝 置 的 靜 態 校 準,不 需 要 按 ASTM E4—2021 《試驗機的力校準與驗證標準規 程》對力校準裝置進行靜態校準。只需要將力校準 裝置的指示力靜態校準到力傳感器指示力,該力水 平對應于所需的動態力峰谷值。
4 校準內容
4.1 校準點的選擇
JJG556—2011 中根據試驗機的類型,對于分 檔的試驗機,根據格檔量程對應的 Famax(試驗機的 最大循環力幅)與 Fmax(試驗機的最大力)的不同, 分成以下3種情況。
(1)Famax < Fmax(Famax ≈0.5Fmax)的拉伸(或 壓縮)試驗機。平均循環力比為0.2,0.8(循環力范 圍比為0.2,0.4);平均循環力比為0.4,0.6 (循環力 范圍比為 0.2,0.4,0.6,0.8);平均循環力比為 0.5 (循環力范圍比為0.2,0.4,0.6,0.8,1.0)。
(2)Famax < Fmax(Famax ≈ 0.5Fmax)的拉壓試 驗機。平均循環力比為±0.5(循環力范圍比為0.2, 0.4,0.6,0.8,1.0);平均循環力比為±0.25(循環力 范圍比為0.2,0.4,0.6,0.8,1.0);平均循環力比為 0.0(循環力范圍比為0.2,0.4,0.6,0.8,1.0)。
(3)Famax = Fmax 的拉壓試驗機。平均循環力 比為±0.6(循環力范圍比為0.2,0.4);平均循環力 比為±0.4(循環力范圍比為0.2,0.4,0.6);平均循環 力比為±0.2(循環力范圍比為0.2,0.4,0.6,0.8);平 均循環力比為0.0(循環力范圍比為 0.2,0.4,0.6, 0.8,1.0)。
此外,對于不分檔試驗機,除了按照上述要求選 取的平均循環力比和循環力范圍比外,還需額外按 照以下列出的平均循環力比和循環力范圍比進行校 準,將校準合格的最小循環力范圍作為該試驗機循 環力范圍的測量下限,且測量下限不低于200倍試 驗機力指示裝置分辨力。主要分為以下兩種情況。
(1)Famax< Fmax(Famax ≈0.5Fmax)的拉伸(或 壓縮)試驗機;平均循環力比為0.02(循環力范圍比 為0.2,0.4);平均循環力比為0.05 (循環力范圍比 為0.05,0.1);平均循環力比為0.1(循環力范圍比為0.1,0.2)。
(2)Famax
試驗機若不能達到規定的循環力范圍時,可將 循環力范圍改為該平均循環力下的最大循環力范 圍。此外,對于后續校準和使用中校準的試驗機,可 以僅在一個平均循環力下進行循環力校準:拉伸(或 壓縮)試驗機取平均循環力比為0.5,拉壓試驗機取 平均循環力比為0。
ASTM E467—2021中對動態力具體的校準點 無明確要求,但標準中指出:推薦選取試驗機可設置 的最大與最小動態力點。除此之外,考慮到試驗機 在拉壓過程中振動差異的不確定性,若試驗機有在 此情況下運行的需求,ASTM E467—2021 建議通 過試驗機在運行的每個力值范圍內施加通過零點的 范圍循環力進行動態力校準。
4.2 校準波形及頻率的選擇
考慮到電磁共振式的疲勞試驗機只能產生正弦 波形,JJG556—2011中要求校準波形一般為正弦 波。對于電磁共振式的疲勞試驗機,以系統的共振 頻率為循環力的校準頻率;對于其他類型的各類試 驗機,若試驗機僅使用幾個特定的工作頻率,則循環 力僅在這幾個特定的工作頻率下校準;若試驗機在 變化的頻率范圍內使用,則選取包括該頻率范圍的 上下限在內的3個頻率作為循環力的校準頻率。
ASTM E467—2021 中 未 提 及 校 準 波 形 的 選 擇,對于試驗機頻率的選擇,ASTM E467—2021和 JJG556—2011 較為相似:如果疲勞試驗機僅在幾 個特定分散的頻率下使用,則僅在這些頻率下進行 校準。如果機器將在各種頻率下使用,必須使用完 整校準程序對最小和最大頻率進行校準,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 校準程序對比分析
JJG556—2011的循環力校準一般遵循以下步 驟:對于循環力校準裝置的測力元件,使用合適的工 裝與疲勞試驗機連接,并保證足夠的連接剛度;連接 后的力校準裝置測力元件軸線應與試驗機的加力軸 線相重合,以減小傾斜力和偏心力對校準過程的影 響;待試驗機與測力裝置按規定使用說明要求通電 預熱30min后方可進行校準,再確認好循環力級、 校準頻率與校準波形后,設置循環力校準裝置的采 樣頻率,使其采樣頻率至少為50倍的校準頻率。
逐頻率、逐力級地對循環力校準裝置施加循環 力,并在指示裝置的顯示示值趨于穩定后,讀取連續 10個周期的循環力峰谷值,按相應公式計算后應滿 足章節2中2%(A),3%(B)的要求。此外,試驗機 還需要在選定條件下運行10min,每隔1min記錄 下試驗機力指示裝置所顯示的循環力峰谷值,同時 記錄10min內循環力峰值示值出現的最大值與最 小值。按照公式計算出10min內循環力范圍的示 值變動性和峰值的示值變動性。在進行慣性力修正 后,計算結果應滿足計量特性要求。
ASTM E467—2021 中 的 校 準 步 驟 與 JJG 556—2011相似,不同點在于:在連接好動態力測力 儀后,首先需要做的是測力儀裝置的靜態校準,步驟 如下所述。
(1)將動態力測量裝置緩慢加載至試驗機峰值 力+5%所需驗證的動態力范圍,重復3次,隨后將 力卸載至零點,并將動態力測試裝置和試驗機的力 傳感器的力值清零。
(2)使用 ASTM E4—2011所定義的 Set-theForce的設定力方法,將動態力校準裝置加載到最 大終值,利用測力儀的顯示力值對動態力校準裝置 的顯示力值進行標定校準。對測力裝置進行靜態校 準時,與動態力校準裝置最大相關力的示值誤差重 復性不應超過試驗機所施加最大力的±0.25%。
ASTM E467—2021的動 態 力 校 準 步 驟:將 試 驗機按平時使用的方式設置好后,按照所需頻率對 試驗機施加動態力,直到達到設定好的校準點;待整 個系統穩定后,記錄至少50組動態力峰谷值;按照 公式計算動態力范圍允許誤差與動態力終值誤差, 計算結果應滿足章節2中的要求。
對比 兩 個 標 準 的 校 準 程 序 可 發 現:① JJG 556—2011的動態力校準采樣點選擇了10個,這是 考慮到國內普遍使用的動態力校準系統的數據采樣 系統在采樣頻率為50倍校準頻率時,每一屏剛好可 以顯示10個完整的正弦波;② ASTM E467—2021 建議獲取3組峰值或谷值的校準數據,且每組至少包括50個周期的數據,以確保獲得準確的峰谷值 讀數。
5 結論及建議
綜 上 所 述,JJG 556—2011 與 ASTM E467— 2021的校準步驟雖較為相似,但在術語定義、計量 性能要求、主標準器具、校準項目上均存在一定的差 異,JJG556—2011的要求較為寬松,且校準參數要 求較多,而 ASTM E467—2021的要求更加嚴格,且 更加符合目前主流的中國標準與美國標準疲勞試驗 方法中對試驗機的動態力精度要求。
此外,在 日 常 的 疲 勞 試 驗 機 計 量 校 準 中,JJG 556—2011在動態力校準點的選擇上較為復雜,且 不同種類試驗機的校準點選擇也不盡相同,這使得 設備的使用者與計量人員在日常計量維護中需要用 一定的時間去選擇與計算校準點。建議在日后的修 訂中,可以參考 ASTM E467—2021對校準點進行 進一步的整合與精簡。同時,JJG556—2011 也可 以參考 ASTM E467—2021,選取更多的采樣點(如 50組),并進行多次校準(如3次)以獲得更多的校 準數據,這樣不但可以獲得更加穩定且準確的校準 數據,同時也可以用獲得的校準數據計算并代替原 規程中 考 察 試 驗 機 波 動 度 和 控 制 準 確 度 的 方 法 (10min示值變動性)。
參考文獻:
[1] 劉玫玲,駱昕,陳洪芳,等.疲勞試驗機動態校準裝置 的研制 與 實 驗 研 究 [J].機 電 工 程,2018,35(12): 1338-1341.
[2] 商佳尚,王宇.動 態 力 校 準 中 需 要 規 范 的 若 干 問 題 [J].計測技術,2014,34(2):1-5,10.
[3] 尹肖,王宇,楊軍.動 態 力 校 準 技 術 評 述[J].計 測 技 術,2015,35(2):6-10,18.
[4] 田峰,秦海峰.JJG556—2011《軸向加力疲勞試驗機》 檢定規程解讀[J].中國計量,2013(2):129-132.
[5] 黃洪.介紹一種檢測高頻萬能疲勞試驗機動態力值的 方法[J].理化檢驗(物理分冊),1981,17(6):28-29.