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自行车疲劳试验机关于动态力值的在线校准方法研究与误差分析

发布时间:2023年07月01日

1 引言

疲劳是指材料在重复或交变应力作用下, 所受应力远小于其抗拉强度时, 经多次循环后, 在无显著外观变形情况下而发生的断裂现象。这种断裂一旦在自行车部件中发生, 往往将导致灾难性的人身伤亡事故。统计分析显示, 汽车零部件的破坏中85%是由疲劳失效引起的, 航空工程有60%~80%的断裂是由结构材料的疲劳破坏引起的, 疲劳失效对于自行车安全性的影响也同样如此。

自行车疲劳试验机 (以下简称疲劳试验机) 是用于测试自行车部件疲劳失效特性的试验机, 因此对于试验机本身的准确计量与校准就显得十分重要。目前, 国内对自行车疲劳试验机的计量与校准, 通常只针对静态力值特性, 而无法对其动态力值进行准确校准。这种“静标动用”的状况, 降低了疲劳试验机动态力值计量的准确度。本文针对疲劳试验机的动态力值特性指标的校准提出了一种新的方法。

2 测试标准及依据

目前对于自行车零部件疲劳测试要求的标准有:ISO 4210:2015, GB3565-2005, JISD9301:2013等。以ISO 4210-6:2015, 5.5条目中关于自行车前叉疲劳的测试要求为例, 需要以全交变的周期性动态负载力值 (如图1) 在车轮平面内并垂直于前叉立管的轴线施加在一负荷承载装置上, 该装置能在前叉钩爪的轴上旋转。试验周期为100 000次, 试验停止后检查样品是否有断裂。标准对疲劳试验机的力值误差控制在 (0~+5%) 范围内。在国标和日本标准中也有类似要求。

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图1 自行车前叉疲劳试验示意图   


3 疲劳试验机的组成与分类

自行车疲劳试验机通常包括施力系统、测力传感器、数据采集系统、控制系统以及各种安装用工装配件。按照工作原理通常分为:机械式、气动式、液压式以及电子作动缸式, 其中机械式由于精度差、力值调整繁琐等缺点已基本淘汰。气动式、液压式以及电子作动缸式均可通过计算机、高速采集系统、力值传感器以及位移传感器实现全自动双闭环控制。这3种形式的设备各有相应特点 (如表1) , 在市场上均占有一定比例。

  

表1 疲劳试验机特性比较 



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4 校准方法及校准装置

为了减少测量误差及不确定度, 对疲劳试验机力值参数的校准通常采取系统级校准 (即校准由力值传感器、变送器、采集仪及计算机等构成的测量链) , 校准方式分为静态校准和动态校准。以GB3565-2005, 27.3.4条目中关于前叉疲劳试验机的要求为例, 要求被施加的试验力应精确到其标称值的 (0~+5.0%) 内, 此要求针对的是疲劳试验机的动态特性指标, 对于静态指标并没有给出。参照《JJG 556-2011轴向加力疲劳试验机检定规程》, 我们将疲劳试验机的静态力示值相对误差定为±1.0%。本研究采用0.1级标准测力仪为力标准器, 以NI公司的PXI1042作为数据采集控制系统, 采样率为1 k Hz, 频率响应变化优于0.1 d B。

4.1 力值静态特性指标的校准

使用标准测力仪对疲劳试验机的静态力值特性指标进行检测。将标准测力仪与疲劳试验机的力值传感器按工作状态同轴串联, 沿受力轴线逐点递增加载力值, 分别记录标准测力仪与疲劳试验机上的示值。也可将试验机的力值传感器拆下, 与标准测力仪同轴安装在外部加载力源上逐点校准示值误差, 此方法可以降低疲劳试验机力值因保载不稳定导致的不确定度。测量点应覆盖疲劳试验机的使用范围, 通常在使用上限和下限范围内均匀分布5~6个点。

示值相对误差按照公式:δj= (Fjs-Fjb) /Fjb×100%。其中:δj为静态力值示值相对误差, Fjs为疲劳试验机示值, Fjb为标准测力仪示值。

4.2 动态力值峰值特性指标的校准

疲劳试验机的力值传感器与被测样品之间接入标准测力传感器, 模拟疲劳试验机实际工作状态加载全交变的周期性动态负载力, 通常选取正弦力作为校准波形, 加载频率为10 Hz以内 (参考ISO 4210-3:2015 4.5条目) 。在疲劳试验机示值相对稳定后, 读取标准测力装置10个连续循环周期的力值峰值与谷值, 按照公式计算循环力峰值和循环力范围的平均值。

其中为标准测力装置显示的循环力峰值平均值, Ffbj为标准测力装置显示的第j个循环力峰值。

其中为标准测力装置显示的循环力范围平均值, Fgbj为标准测力装置显示的第j个循环力谷值。

循环力峰值相对误差计算公式为:其中δf为循环力峰值相对误差, Ffs为疲劳试验机峰值示值, δf应优于±5.0%。

4.3 动态力值稳定性特性指标的校准

疲劳试验机在选定的校准点连续运行10 min, 每隔1 min记录一次疲劳试验机循环力峰值与谷值, 计算试验机循环力峰值的变动性δ10

δ10=10 (Ffs10max-Ffs10min) /Σ10j=1 (Ffs10j-Fgs10j) ×100%, 其中, Ffs10max为疲劳试验机10 min内峰值示值的最大值, Ffs10min为疲劳试验机10 min内峰值示值的最小值。Ffs10j为第j min疲劳试验机显示的循环力峰值, Fgs10j为第j min疲劳试验机显示的循环力谷值, δ10同样应小于5.0%。

5 试验及误差分析

以自行车前叉疲劳试验机为例, 分别对市场上已有的气动式、液压式以及电子作动缸式这3种疲劳试验机进行力值静态及动态测试, 动态校准频率点为1 Hz、2 Hz、4 Hz、6 Hz和8 Hz。试验机的静态力示值相对误差, 循环力峰值相对误差以及循环力示值变动性如下图。可以看出, 3种疲劳试验机之间静态力值的相对误差差别不大。气缸式疲劳试验机由于控制的滞后性较大, 动态力值的相对误差随着工作频率的提升而增大, 力值的变动性也相应增大。

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图2 试验机静态力示值相对误差比对图   


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图3 试验机循环力峰值相对误差比对图   


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图4 试验机循环力示值变动性比对图   


6 结束语

本文对疲劳试验机的动态力值特性的校准提出了一种新的方法, 除了对试验机的静态力值特性进行校准, 还对试验机动态循环力的峰值示值相对误差以及示值变动性特性进行校准, 提高了疲劳试验机在实际应用中的准确度。由于疲劳试验机是复杂系统, 自行车部件安装的刚度、传感器与零部件之间的惯性力等都会对测试数据造成影响, 这需要我们做更进一步地研究和发现。