自行車疲勞試驗(yàn)機(jī)關(guān)于動(dòng)態(tài)力值的在線校準(zhǔn)方法研究與誤差分析

范海艇 邱正 屠淳 盧小犇

（上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院 上海 201114）

自行車疲勞試驗(yàn)機(jī)關(guān)于動(dòng)態(tài)力值的在線校準(zhǔn)方法研究與誤差分析

范海艇 邱正 屠淳 盧小犇

（上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院 上海 201114）

Study of Online Calibration Method and Error Analysis for Bicycle Fatiguemachine’s Dynamic Force

此文對(duì)自行車疲勞試驗(yàn)機(jī)動(dòng)態(tài)力值特性的校準(zhǔn)提出了一種新的方法，除了對(duì)試驗(yàn)機(jī)的靜態(tài)力值特性進(jìn)行校準(zhǔn)，還對(duì)試驗(yàn)機(jī)動(dòng)態(tài)循環(huán)力峰值示值相對(duì)誤差以及示值變動(dòng)性進(jìn)行校準(zhǔn)，提高了疲勞試驗(yàn)機(jī)在實(shí)際應(yīng)用中的準(zhǔn)確度。

疲勞試驗(yàn)機(jī)；動(dòng)態(tài)力值；校準(zhǔn)

1 引言

疲勞是指材料在重復(fù)或交變應(yīng)力作用下，所受應(yīng)力遠(yuǎn)小于其抗拉強(qiáng)度時(shí)，經(jīng)多次循環(huán)后，在無顯著外觀變形情況下而發(fā)生的斷裂現(xiàn)象。這種斷裂一旦在自行車部件中發(fā)生，往往將導(dǎo)致災(zāi)難性的人身傷亡事故。統(tǒng)計(jì)分析顯示，汽車零部件的破壞中85%是由疲勞失效引起的，航空工程有60%～80%的斷裂是由結(jié)構(gòu)材料的疲勞破壞引起的，疲勞失效對(duì)于自行車安全性的影響也同樣如此。

自行車疲勞試驗(yàn)機(jī) （以下簡(jiǎn)稱疲勞試驗(yàn)機(jī)） 是用于測(cè)試自行車部件疲勞失效特性的試驗(yàn)機(jī)，因此對(duì)于試驗(yàn)機(jī)本身的準(zhǔn)確計(jì)量與校準(zhǔn)就顯得十分重要。目前，國內(nèi)對(duì)自行車疲勞試驗(yàn)機(jī)的計(jì)量與校準(zhǔn)，通常只針對(duì)靜態(tài)力值特性，而無法對(duì)其動(dòng)態(tài)力值進(jìn)行準(zhǔn)確校準(zhǔn)。這種“靜標(biāo)動(dòng)用”的狀況，降低了疲勞試驗(yàn)機(jī)動(dòng)態(tài)力值計(jì)量的準(zhǔn)確度。本文針對(duì)疲勞試驗(yàn)機(jī)的動(dòng)態(tài)力值特性指標(biāo)的校準(zhǔn)提出了一種新的方法。

2 測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)及依據(jù)

目前對(duì)于自行車零部件疲勞測(cè)試要求的標(biāo)準(zhǔn)有:ISO 4210:2015，GB3565-2005，JISD9301:2013等。以ISO 4210-6:2015,5.5條目中關(guān)于自行車前叉疲勞的測(cè)試要求為例，需要以全交變的周期性動(dòng)態(tài)負(fù)載力值 （如圖1） 在車輪平面內(nèi)并垂直于前叉立管的軸線施加在一負(fù)荷承載裝置上，該裝置能在前叉鉤爪的軸上旋轉(zhuǎn)。試驗(yàn)周期為100 000次，試驗(yàn)停止后檢查樣品是否有斷裂。標(biāo)準(zhǔn)對(duì)疲勞試驗(yàn)機(jī)的力值誤差控制在 （0～+5%） 范圍內(nèi)。在國標(biāo)和日本標(biāo)準(zhǔn)中也有類似要求。

圖1 自行車前叉疲勞試驗(yàn)示意圖

3 疲勞試驗(yàn)機(jī)的組成與分類

自行車疲勞試驗(yàn)機(jī)通常包括施力系統(tǒng)、測(cè)力傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及各種安裝用工裝配件。按照工作原理通常分為：機(jī)械式、氣動(dòng)式、液壓式以及電子作動(dòng)缸式，其中機(jī)械式由于精度差、力值調(diào)整繁瑣等缺點(diǎn)已基本淘汰。氣動(dòng)式、液壓式以及電子作動(dòng)缸式均可通過計(jì)算機(jī)、高速采集系統(tǒng)、力值傳感器以及位移傳感器實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)雙閉環(huán)控制。這3種形式的設(shè)備各有相應(yīng)特點(diǎn)（如表1），在市場(chǎng)上均占有一定比例。

表1 疲勞試驗(yàn)機(jī)特性比較

4 校準(zhǔn)方法及校準(zhǔn)裝置

為了減少測(cè)量誤差及不確定度，對(duì)疲勞試驗(yàn)機(jī)力值參數(shù)的校準(zhǔn)通常采取系統(tǒng)級(jí)校準(zhǔn) （即校準(zhǔn)由力值傳感器、變送器、采集儀及計(jì)算機(jī)等構(gòu)成的測(cè)量鏈），校準(zhǔn)方式分為靜態(tài)校準(zhǔn)和動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)。以GB3565-2005，27.3.4條目中關(guān)于前叉疲勞試驗(yàn)機(jī)的要求為例，要求被施加的試驗(yàn)力應(yīng)精確到其標(biāo)稱值的 （0～+5.0%） 內(nèi)，此要求針對(duì)的是疲勞試驗(yàn)機(jī)的動(dòng)態(tài)特性指標(biāo)，對(duì)于靜態(tài)指標(biāo)并沒有給出。參照 《JJG 556-2011軸向加力疲勞試驗(yàn)機(jī)檢定規(guī)程》，我們將疲勞試驗(yàn)機(jī)的靜態(tài)力示值相對(duì)誤差定為±1.0%。本研究采用0.1級(jí)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀為力標(biāo)準(zhǔn)器，以NI公司的PXI1042作為數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)，采樣率為1 kHz，頻率響應(yīng)變化優(yōu)于0.1 dB。

4.1 力值靜態(tài)特性指標(biāo)的校準(zhǔn)

使用標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀對(duì)疲勞試驗(yàn)機(jī)的靜態(tài)力值特性指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)。將標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀與疲勞試驗(yàn)機(jī)的力值傳感器按工作狀態(tài)同軸串聯(lián)，沿受力軸線逐點(diǎn)遞增加載力值，分別記錄標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀與疲勞試驗(yàn)機(jī)上的示值。也可將試驗(yàn)機(jī)的力值傳感器拆下，與標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀同軸安裝在外部加載力源上逐點(diǎn)校準(zhǔn)示值誤差，此方法可以降低疲勞試驗(yàn)機(jī)力值因保載不穩(wěn)定導(dǎo)致的不確定度。測(cè)量點(diǎn)應(yīng)覆蓋疲勞試驗(yàn)機(jī)的使用范圍，通常在使用上限和下限范圍內(nèi)均勻分布5~6個(gè)點(diǎn)。

示值相對(duì)誤差按照公式：δj=(Fjs-Fjb) / Fjb×100%。 其中：δj為靜態(tài)力值示值相對(duì)誤差，F(xiàn)js為疲勞試驗(yàn)機(jī)示值，F(xiàn)jb為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀示值。

4.2 動(dòng)態(tài)力值峰值特性指標(biāo)的校準(zhǔn)

疲勞試驗(yàn)機(jī)的力值傳感器與被測(cè)樣品之間接入標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力傳感器，模擬疲勞試驗(yàn)機(jī)實(shí)際工作狀態(tài)加載全交變的周期性動(dòng)態(tài)負(fù)載力，通常選取正弦力作為校準(zhǔn)波形，加載頻率為10 Hz以內(nèi)（ 參考ISO 4210-3:2015 4.5條目）。在疲勞試驗(yàn)機(jī)示值相對(duì)穩(wěn)定后，讀取標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力裝置10個(gè)連續(xù)循環(huán)周期的力值峰值與谷值，按照公式計(jì)算循環(huán)力峰值和循環(huán)力范圍的平均值。

4.3 動(dòng)態(tài)力值穩(wěn)定性特性指標(biāo)的校準(zhǔn)

疲勞試驗(yàn)機(jī)在選定的校準(zhǔn)點(diǎn)連續(xù)運(yùn)行10 min，每隔1 min記錄一次疲勞試驗(yàn)機(jī)循環(huán)力峰值與谷值，計(jì)算試驗(yàn)機(jī)循環(huán)力峰值的變動(dòng)性δ10。

δ10=10(Ffs10max-Ffs10min) / Σ10j=1(Ffs10j-Fgs10j)×100%，其中，F(xiàn)fs10max為疲勞試驗(yàn)機(jī)10 min內(nèi)峰值示值的最大值，F(xiàn)fs10min為疲勞試驗(yàn)機(jī)10 min內(nèi)峰值示值的最小值。Ffs10j為第j min疲勞試驗(yàn)機(jī)顯示的循環(huán)力峰值，F(xiàn)gs10j為第j min疲勞試驗(yàn)機(jī)顯示的循環(huán)力谷值，δ10同樣應(yīng)小于5.0%。

5 試驗(yàn)及誤差分析

以自行車前叉疲勞試驗(yàn)機(jī)為例，分別對(duì)市場(chǎng)上已有的氣動(dòng)式、液壓式以及電子作動(dòng)缸式這3種疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行力值靜態(tài)及動(dòng)態(tài)測(cè)試，動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)頻率點(diǎn)為1 Hz、2 Hz、4 Hz、 6 Hz和8 Hz。試驗(yàn)機(jī)的靜態(tài)力示值相對(duì)誤差，循環(huán)力峰值相對(duì)誤差以及循環(huán)力示值變動(dòng)性如下圖。可以看出，3種疲勞試驗(yàn)機(jī)之間靜態(tài)力值的相對(duì)誤差差別不大。氣缸式疲勞試驗(yàn)機(jī)由于控制的滯后性較大，動(dòng)態(tài)力值的相對(duì)誤差隨著工作頻率的提升而增大，力值的變動(dòng)性也相應(yīng)增大。

圖2 試驗(yàn)機(jī)靜態(tài)力示值相對(duì)誤差比對(duì)圖

圖3 試驗(yàn)機(jī)循環(huán)力峰值相對(duì)誤差比對(duì)圖

圖4 試驗(yàn)機(jī)循環(huán)力示值變動(dòng)性比對(duì)圖

6 結(jié)束語

本文對(duì)疲勞試驗(yàn)機(jī)的動(dòng)態(tài)力值特性的校準(zhǔn)提出了一種新的方法，除了對(duì)試驗(yàn)機(jī)的靜態(tài)力值特性進(jìn)行校準(zhǔn)，還對(duì)試驗(yàn)機(jī)動(dòng)態(tài)循環(huán)力的峰值示值相對(duì)誤差以及示值變動(dòng)性特性進(jìn)行校準(zhǔn)，提高了疲勞試驗(yàn)機(jī)在實(shí)際應(yīng)用中的準(zhǔn)確度。由于疲勞試驗(yàn)機(jī)是復(fù)雜系統(tǒng)，自行車部件安裝的剛度、傳感器與零部件之間的慣性力等都會(huì)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)造成影響，這需要我們做更進(jìn)一步地研究和發(fā)現(xiàn)。

[1]孫建輝,高志松,單曉杭,謝明峰,汪慶武.基于氣動(dòng)控制的自行車把疲勞試驗(yàn)機(jī)[J].輕工機(jī)械,2009,27(4):95-98.

[2]張寅豹,林玉池,張旭,陳春.自行車伺服液壓高頻疲勞檢測(cè)系統(tǒng)[J].計(jì)量技術(shù):2011,1:14-16.

[3]顧明凱,彭文杰,陳建橋.負(fù)載頻率對(duì)自行車鞍管疲勞性能的影響[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù),2010,29(12),1706-1709.

[6] 國家認(rèn)證認(rèn)可監(jiān)督管理委員會(huì).進(jìn)出口自行車及其零件檢驗(yàn)規(guī)程第1部分：通用要求(SN/T0248.1 -2007) [S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

[7] 國家認(rèn)證認(rèn)可監(jiān)督管理委員會(huì). 進(jìn)出口童車檢驗(yàn)規(guī)程(SN/T0729-2014)[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2014.