范海艇 邱正 屠淳 盧小犇

（上海市質量監(jiān)督檢驗技術研究院 上海 201114）

自行車疲勞試驗機關于動態(tài)力值的在線校準方法研究與誤差分析

范海艇 邱正 屠淳 盧小犇

（上海市質量監(jiān)督檢驗技術研究院 上海 201114）

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

此文對自行車疲勞試驗機動態(tài)力值特性的校準提出了一種新的方法，除了對試驗機的靜態(tài)力值特性進行校準，還對試驗機動態(tài)循環(huán)力峰值示值相對誤差以及示值變動性進行校準，提高了疲勞試驗機在實際應用中的準確度。

疲勞試驗機；動態(tài)力值；校準

1 引言

疲勞是指材料在重復或交變應力作用下，所受應力遠小于其抗拉強度時，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，往往將導致災難性的人身傷亡事故。統(tǒng)計分析顯示，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%的斷裂是由結構材料的疲勞破壞引起的，疲勞失效對于自行車安全性的影響也同樣如此。

自行車疲勞試驗機 （以下簡稱疲勞試驗機） 是用于測試自行車部件疲勞失效特性的試驗機，因此對于試驗機本身的準確計量與校準就顯得十分重要。目前，國內對自行車疲勞試驗機的計量與校準，通常只針對靜態(tài)力值特性，而無法對其動態(tài)力值進行準確校準。這種“靜標動用”的狀況，降低了疲勞試驗機動態(tài)力值計量的準確度。本文針對疲勞試驗機的動態(tài)力值特性指標的校準提出了一種新的方法。

2 測試標準及依據(jù)

目前對于自行車零部件疲勞測試要求的標準有:ISO 4210:2015，GB3565-2005，JISD9301:2013等。以ISO 4210-6:2015,5.5條目中關于自行車前叉疲勞的測試要求為例，需要以全交變的周期性動態(tài)負載力值 （如圖1） 在車輪平面內并垂直于前叉立管的軸線施加在一負荷承載裝置上，該裝置能在前叉鉤爪的軸上旋轉。試驗周期為100 000次，試驗停止后檢查樣品是否有斷裂。標準對疲勞試驗機的力值誤差控制在 （0～+5%） 范圍內。在國標和日本標準中也有類似要求。

圖1 自行車前叉疲勞試驗示意圖

3 疲勞試驗機的組成與分類

自行車疲勞試驗機通常包括施力系統(tǒng)、測力傳感器、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：機械式、氣動式、液壓式以及電子作動缸式，其中機械式由于精度差、力值調整繁瑣等缺點已基本淘汰。氣動式、液壓式以及電子作動缸式均可通過計算機、高速采集系統(tǒng)、力值傳感器以及位移傳感器實現(xiàn)全自動雙閉環(huán)控制。這3種形式的設備各有相應特點（如表1），在市場上均占有一定比例。

表1 疲勞試驗機特性比較

4 校準方法及校準裝置

為了減少測量誤差及不確定度，對疲勞試驗機力值參數(shù)的校準通常采取系統(tǒng)級校準 （即校準由力值傳感器、變送器、采集儀及計算機等構成的測量鏈），校準方式分為靜態(tài)校準和動態(tài)校準。以GB3565-2005，27.3.4條目中關于前叉疲勞試驗機的要求為例，要求被施加的試驗力應精確到其標稱值的 （0～+5.0%） 內，此要求針對的是疲勞試驗機的動態(tài)特性指標，對于靜態(tài)指標并沒有給出。參照 《JJG 556-2011軸向加力疲勞試驗機檢定規(guī)程》，我們將疲勞試驗機的靜態(tài)力示值相對誤差定為±1.0%。本研究采用0.1級標準測力儀為力標準器，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，頻率響應變化優(yōu)于0.1 dB。

4.1 力值靜態(tài)特性指標的校準

使用標準測力儀對疲勞試驗機的靜態(tài)力值特性指標進行檢測。將標準測力儀與疲勞試驗機的力值傳感器按工作狀態(tài)同軸串聯(lián)，沿受力軸線逐點遞增加載力值，分別記錄標準測力儀與疲勞試驗機上的示值。也可將試驗機的力值傳感器拆下，與標準測力儀同軸安裝在外部加載力源上逐點校準示值誤差，此方法可以降低疲勞試驗機力值因保載不穩(wěn)定導致的不確定度。測量點應覆蓋疲勞試驗機的使用范圍，通常在使用上限和下限范圍內均勻分布5~6個點。

示值相對誤差按照公式：δj=(Fjs-Fjb) / Fjb×100%。 其中：δj為靜態(tài)力值示值相對誤差，F(xiàn)js為疲勞試驗機示值，F(xiàn)jb為標準測力儀示值。

4.2 動態(tài)力值峰值特性指標的校準

疲勞試驗機的力值傳感器與被測樣品之間接入標準測力傳感器，模擬疲勞試驗機實際工作狀態(tài)加載全交變的周期性動態(tài)負載力，通常選取正弦力作為校準波形，加載頻率為10 Hz以內（ 參考ISO 4210-3:2015 4.5條目）。在疲勞試驗機示值相對穩(wěn)定后，讀取標準測力裝置10個連續(xù)循環(huán)周期的力值峰值與谷值，按照公式計算循環(huán)力峰值和循環(huán)力范圍的平均值。

4.3 動態(tài)力值穩(wěn)定性特性指標的校準

疲勞試驗機在選定的校準點連續(xù)運行10 min，每隔1 min記錄一次疲勞試驗機循環(huán)力峰值與谷值，計算試驗機循環(huán)力峰值的變動性δ10。

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

5 試驗及誤差分析

以自行車前叉疲勞試驗機為例，分別對市場上已有的氣動式、液壓式以及電子作動缸式這3種疲勞試驗機進行力值靜態(tài)及動態(tài)測試，動態(tài)校準頻率點為1 Hz、2 Hz、4 Hz、 6 Hz和8 Hz。試驗機的靜態(tài)力示值相對誤差，循環(huán)力峰值相對誤差以及循環(huán)力示值變動性如下圖。可以看出，3種疲勞試驗機之間靜態(tài)力值的相對誤差差別不大。氣缸式疲勞試驗機由于控制的滯后性較大，動態(tài)力值的相對誤差隨著工作頻率的提升而增大，力值的變動性也相應增大。

圖2 試驗機靜態(tài)力示值相對誤差比對圖

圖3 試驗機循環(huán)力峰值相對誤差比對圖

圖4 試驗機循環(huán)力示值變動性比對圖

6 結束語

本文對疲勞試驗機的動態(tài)力值特性的校準提出了一種新的方法，除了對試驗機的靜態(tài)力值特性進行校準，還對試驗機動態(tài)循環(huán)力的峰值示值相對誤差以及示值變動性特性進行校準，提高了疲勞試驗機在實際應用中的準確度。由于疲勞試驗機是復雜系統(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對測試數(shù)據(jù)造成影響，這需要我們做更進一步地研究和發(fā)現(xiàn)。

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