疲劳试验机动态力校准装置的研究与建立

　　一、概述

　　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。 断裂常常突然发生，往往导致灾难性的设备事故和人身伤亡事故。 多年的统计分析显示，汽车零部件的破坏中85%是由疲劳引起的， 航空工程中有60%~80%的断裂是由结构材料的疲劳破坏引起的。 由于目前尚不能通过理论方法预测材料在变载荷作用下的强度性能， 而疲劳试验能测出试件在不同的交变应力作用下的疲劳寿命， 因此疲劳试验对于结构设计具有十分重要的意义。 疲劳试验机是测量试件疲劳极限和疲劳寿命等性能指标的材料试验机， 广泛应用于航空航天、汽车、船舶、冶金、建筑等行业，与产品质量、工程质量和人身安全密切相关。因此，疲劳试验机的准确计量具有非常重要的意义。

　　动态力值误差是疲劳试验机的一个主要性能指标。目前，国内计量部门在疲劳试验机动态力校准方面的研究工作开展得还不够全面和深入， 缺少动态力标准装置及其评价手段。 虽然疲劳试验机的国际标准、国家标准和检定规程已经颁布多年，但是目前在国内对疲劳试验机检定或校准普遍存在“静标动用”的情况，即只对疲劳机静态力值进行校准，而在对试样的疲劳特性测量中使用动态力值。由于没有对动态力值进行准确的校准，或者动态力计量方法、标准装置缺乏准确一致的评价手段， 造成了疲劳试验机动态力值计量准确度不高、可靠性较差的现状。 因此，研究并建立疲劳试验机动态力校准装置，为国内疲劳试验机动态力校准提供高准确度的计量标准和科学合理的方法，将促进我国动态力计量水平的提高，确保相关产品质量，为相关行业关系到人身安全的产品及工程质量提供强有力的保障。

　　二、疲劳试验机动态力校准装置的组成

　　在动态力测量及应用领域，通常采用压电式、电阻应变式两种动态特性好的力传感器作为传递标准。 通常， 疲劳试验机的动态力值测量范围为1kN~1MN，工作频率范围在500Hz以内。因此，应选用额定力值较大、刚度较高、 中低频特性较好的力传感器作为标准力传感器。根据这一原则，通常选用动态特性较好的电阻应变式力传感器。

　　中国计量科学研究院采用实心柱式力传感器和轮辐式力传感器作为标准力传感器。 其中， 自行研制的C3S2U-FZ型实心方柱式力传感器如图1(a)所示。 从结构特点来分析，柱式力传感器的结构简单、紧凑，可承受较大负荷。 此外，柱式弹性体结构与疲劳试样类似，可以保证动态力校准和实际使用时传感器的模型和受力状态基本一致。为了提高测量的准确度，在测量电路中采用了零点漂移、温度、非线性等补偿技术。轮辐式力传感器选用德国HBM公司U10M型轮辐式力传感器，如图1(b)所示。弹性元件由轮箍、轮毂、轮辐组成，具有多梁(辐条)和对称结构的特点。 轮辐条成对且对称地连接轮箍和轮毂，当外力作用在轮毂的上端面或者下端面时，矩形轮辐条就产生平行四边形变形，形成与外力成正比的切应变。 轮辐式力传感器的准确度比实心柱式传感器高，其主要特点是：(1)具有良好的线性，因为弹性元件受力后，受剪切截面的尺寸变化影响很小，可以避免由于尺寸变化产生的误差。(2)由于剪切弹性元件具有对称性，且传感器外形低，因此可以承受很大的偏心载荷和侧向载荷。 (3)刚度大、频率响应高。