便攜式應(yīng)力環(huán)校準(zhǔn)裝置

胡瀟寅 康張宜 張皓羽 虞躍凌 / 上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院

0 引言

硫化物環(huán)境下的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂試驗(yàn)是研究現(xiàn)有材料性能和開(kāi)發(fā)新型材料的重要方法。根據(jù)GB/T 4157-2006 《金屬在硫化氫環(huán)境中抗特殊形式環(huán)境開(kāi)裂實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)》[1]以及美國(guó)防腐工程師協(xié)會(huì)NACE（National Association of Corrosion Engineers）制定的TM0177-2005《Laboratory Testing of Metals for Resistance to Sulfide Stress Cracking and Stress Corrosion Cracking in H2S Environments》[2]，應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂試驗(yàn)方法分為兩類(lèi)，其中，采用應(yīng)力環(huán)加載的持久載荷試驗(yàn)方法（如圖1所示），因設(shè)備體積小、成本低、操作簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)批量試驗(yàn)而被廣泛采用。應(yīng)力環(huán)由彈性材料制成，通過(guò)自身的壓縮變形產(chǎn)生的反作用力，實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)力環(huán)的加載，每個(gè)應(yīng)力環(huán)的壓縮變形量與施加的力有著一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。在經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期大負(fù)荷的反復(fù)使用后，應(yīng)力環(huán)會(huì)出現(xiàn)由于材料疲勞導(dǎo)致的位移-載荷曲線偏移，最大偏移量可超過(guò)10%[3-4]，因而每年都需重新校準(zhǔn)。

圖1 采用應(yīng)力環(huán)加載的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂試驗(yàn)

傳統(tǒng)的應(yīng)力環(huán)校準(zhǔn)裝置如圖2所示。用螺母對(duì)應(yīng)力環(huán)加載，通過(guò)力傳感器得到力值載荷，用游標(biāo)卡尺測(cè)量變形。這種校準(zhǔn)方法工作效率低，且人工測(cè)量的變形數(shù)據(jù)誤差較大，重復(fù)性也不夠理想，無(wú)法滿足客戶的要求。國(guó)內(nèi)有研究人員對(duì)應(yīng)力環(huán)校準(zhǔn)中涉及的加載、變形測(cè)量等問(wèn)題進(jìn)行了研究[5-7]，在原有基礎(chǔ)上做了一定的改進(jìn)，但裝置結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，使用不便，測(cè)量準(zhǔn)確度和工作效率無(wú)法令人滿意。為了實(shí)現(xiàn)應(yīng)力環(huán)的現(xiàn)場(chǎng)快速、準(zhǔn)確校準(zhǔn)，研制了一種便攜式應(yīng)力環(huán)校準(zhǔn)裝置（以下簡(jiǎn)稱校準(zhǔn)裝置）。校準(zhǔn)裝置由載荷加載裝置和變形測(cè)量系統(tǒng)兩部分組成，通過(guò)了第三方溯源，驗(yàn)證了測(cè)量準(zhǔn)確度。

圖2 傳統(tǒng)應(yīng)力環(huán)校準(zhǔn)裝置

1 載荷加載裝置

載荷加載裝置如圖3所示，由伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，經(jīng)由行星減速機(jī)帶動(dòng)主動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)。主動(dòng)輪通過(guò)皮帶使從動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從動(dòng)輪帶動(dòng)絲桿上下運(yùn)動(dòng)。絲桿下端安裝力傳感器，力傳感器下安裝壓盤(pán)。被測(cè)應(yīng)力環(huán)安放在上承壓盤(pán)和下承壓盤(pán)之間，試驗(yàn)過(guò)程中絲桿的上下移動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)力環(huán)的加載。力傳感器、伺服電機(jī)與電器控制箱相連。

圖3 載荷加載裝置

載荷加載裝置上下橫梁的材料皆為航空硬鋁2A12。2A12是一種高強(qiáng)度硬鋁，可進(jìn)行熱處理強(qiáng)化，在淬火和冷作硬化后可切削性能較好，陽(yáng)極氧化處理與涂漆方法處理后具有很好的抗腐蝕能力。載荷加載裝置立柱、絲桿采用低合金結(jié)構(gòu)鋼，這種材料在經(jīng)過(guò)熱處理后具有較高的抗拉強(qiáng)度、屈強(qiáng)比、韌性和疲勞強(qiáng)度。載荷加載裝置的其余部件均使用碳素結(jié)構(gòu)鋼制成。在保證強(qiáng)度、試驗(yàn)空間的前提下減輕了載荷加載裝置的質(zhì)量。載荷加載裝置性能參數(shù)如表1所示。

表1 載荷加載裝置性能參數(shù)

為了驗(yàn)證載荷加載裝置的測(cè)量準(zhǔn)確度，將其送至第三方有資質(zhì)的檢測(cè)機(jī)構(gòu)，依據(jù)JJG 144-2007《標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀》檢定規(guī)程，采用一臺(tái)0.01級(jí)，測(cè)量范圍為0.5～50 kN的靜重式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)進(jìn)行校準(zhǔn)，結(jié)果表明，載荷加載裝置最大測(cè)量誤差為-0.04%。

2 變形測(cè)量系統(tǒng)

應(yīng)力環(huán)的最大變形小于3 mm，為了滿足測(cè)量要求，基于數(shù)字圖像處理技術(shù)設(shè)計(jì)了一套變形測(cè)量系統(tǒng)，主要由CCD相機(jī)和相應(yīng)的標(biāo)定板組成，其工作原理如圖4所示。將應(yīng)力環(huán)放置在載荷加載裝置的上承壓盤(pán)和下承壓盤(pán)中間，標(biāo)定板粘貼在上承壓盤(pán)上。CCD相機(jī)固定在三腳架上并對(duì)準(zhǔn)標(biāo)定板。調(diào)整三腳架上的微調(diào)部件，使上承壓盤(pán)上標(biāo)定板的特征標(biāo)記能夠清晰顯示在CCD相機(jī)顯示畫(huà)面的中間位置。校準(zhǔn)時(shí)，標(biāo)定板隨著應(yīng)力環(huán)受壓變形產(chǎn)生位移，通過(guò)測(cè)量CCD相機(jī)中特征標(biāo)記位置的變化，得到應(yīng)力環(huán)的變形大小。

圖4 變形測(cè)量原理

為了驗(yàn)證所搭建的變形測(cè)量系統(tǒng)（圖5）的測(cè)量準(zhǔn)確度，用變形測(cè)量系統(tǒng)和一臺(tái)激光干涉儀（性能參數(shù)如表2所示）同時(shí)對(duì)一個(gè)應(yīng)力環(huán)進(jìn)行校準(zhǔn)，并對(duì)比變形數(shù)據(jù)與激光干涉儀測(cè)量數(shù)據(jù)。由程序控制對(duì)應(yīng)力環(huán)的加載，每次加載5 kN，總共加載6次，總變形量為2.53 mm。每次加載后的保載時(shí)間為20 s，待變形數(shù)據(jù)穩(wěn)定后記錄，并以激光干涉儀測(cè)量結(jié)果為標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算測(cè)量誤差，測(cè)量結(jié)果如表3所示。

表2 激光干涉儀性能參數(shù)

表3 測(cè)量結(jié)果

圖5 變形測(cè)量系統(tǒng)

由測(cè)量結(jié)果可以得出，所設(shè)計(jì)的變形測(cè)量系統(tǒng)的最大誤差為-0.002 mm。

3 不確定度分析

3.1 力值測(cè)量結(jié)果的不確定度分析

力值測(cè)量不確定度評(píng)定的測(cè)量模型：

式中：y—— 加載裝置的力值測(cè)量結(jié)果；

x—— 靜重式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)施加的標(biāo)準(zhǔn)載荷；

Δx1—— 靜重式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)引入的誤差；

Δx2—— 測(cè)量的重復(fù)性誤差；

Δx3—— 放置位置不均衡引入的誤差

1）靜重式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u1

力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)的準(zhǔn)確度等級(jí)為0.01級(jí)，使用B類(lèi)方法進(jìn)行評(píng)定，服從均勻分布。因此可得：

2）重復(fù)測(cè)量引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u2

通過(guò)對(duì)10 kN、20 kN、30 kN各重復(fù)測(cè)量10次，得到標(biāo)準(zhǔn)偏差，如表4所示。

表4 重復(fù)性測(cè)量結(jié)果

因此，u2=s= 0.022%；

3）放置位置不均衡引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u3

已知由位置放置不均衡引入的誤差為±0.01%，半寬為0.01%。使用B類(lèi)方法進(jìn)行評(píng)定，服從均勻分布。因此可得：

4）合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度評(píng)定

5）擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)不確定度評(píng)定

取包含因子k=2，校準(zhǔn)裝置力值示值誤差的相對(duì)擴(kuò)展不確定度Urel：

Urel=kuc= 2×0.015% = 0.03%

3.2 變形測(cè)量結(jié)果的不確定度分析

變形測(cè)量結(jié)果不確定度評(píng)定的測(cè)量模型：

式中：L—— 變形測(cè)量結(jié)果；

l—— 測(cè)量時(shí)施加的標(biāo)準(zhǔn)變形量；

Δl1—— 測(cè)量的重復(fù)性誤差；

Δl2—— 相機(jī)分辨力引入的誤差

1）重復(fù)測(cè)量引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u1

通過(guò)對(duì)1 mm、2 mm、3 mm變形量各重復(fù)測(cè)量10次，得到標(biāo)準(zhǔn)偏差如表5所示。

表5 重復(fù)性測(cè)量結(jié)果

因此，u1=s= 0.000 7 mm；

2）相機(jī)分辨力引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u2

相機(jī)分辨力引入的絕對(duì)誤差為±0.000 5 mm，所引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u2采用B類(lèi)方法進(jìn)行評(píng)定。

3）合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度評(píng)定

4）擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)不確定度評(píng)定

取包含因子k= 2，校準(zhǔn)裝置變形示值的擴(kuò)展不確定度Urel

4 結(jié)語(yǔ)

本文根據(jù)應(yīng)力環(huán)的校準(zhǔn)要求，研制了一臺(tái)便攜式應(yīng)力環(huán)校準(zhǔn)裝置。其中，30 kN載荷力自動(dòng)控制載荷加載裝置，外形尺寸為300 mm×430 mm×800 mm，質(zhì)量為48 kg，體積小、質(zhì)量輕、可以隨車(chē)攜帶，力值最大測(cè)量誤差為-0.04%。另外，基于圖像處理技術(shù)的變形測(cè)量系統(tǒng)，最大測(cè)量誤差為-0.002 mm。