便携式应力环校准装置

胡潇寅 康张宜 张皓羽 虞跃凌 / 上海市计量测试技术研究院

0 引言

硫化物环境下的应力腐蚀开裂试验是研究现有材料性能和开发新型材料的重要方法。根据GB/T 4157-2006 《金属在硫化氢环境中抗特殊形式环境开裂实验室试验》[1]以及美国防腐工程师协会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]，应力腐蚀开裂试验方法分为两类，其中，采用应力环加载的持久载荷试验方法（如图1所示），因设备体积小、成本低、操作简单、易于实现批量试验而被广泛采用。应力环由弹性材料制成，通过自身的压缩变形产生的反作用力，实现对应力环的加载，每个应力环的压缩变形量与施加的力有着一一对应的关系。在经过长期大负荷的反复使用后，应力环会出现由于材料疲劳导致的位移-载荷曲线偏移，最大偏移量可超过10%[3-4]，因而每年都需重新校准。

图1 采用应力环加载的应力腐蚀开裂试验

传统的应力环校准装置如图2所示。用螺母对应力环加载，通过力传感器得到力值载荷，用游标卡尺测量变形。这种校准方法工作效率低，且人工测量的变形数据误差较大，重复性也不够理想，无法满足客户的要求。国内有研究人员对应力环校准中涉及的加载、变形测量等问题进行了研究[5-7]，在原有基础上做了一定的改进，但装置结构较为复杂，使用不便，测量准确度和工作效率无法令人满意。为了实现应力环的现场快速、准确校准，研制了一种便携式应力环校准装置（以下简称校准装置）。校准装置由载荷加载装置和变形测量系统两部分组成，通过了第三方溯源，验证了测量准确度。

图2 传统应力环校准装置

1 载荷加载装置

载荷加载装置如图3所示，由伺服电动机驱动，经由行星减速机带动主动轮转动。主动轮通过皮带使从动轮转动，从动轮带动丝杆上下运动。丝杆下端安装力传感器，力传感器下安装压盘。被测应力环安放在上承压盘和下承压盘之间，试验过程中丝杆的上下移动实现对应力环的加载。力传感器、伺服电机与电器控制箱相连。

图3 载荷加载装置

载荷加载装置上下横梁的材料皆为航空硬铝2A12。2A12是一种高强度硬铝，可进行热处理强化，在淬火和冷作硬化后可切削性能较好，阳极氧化处理与涂漆方法处理后具有很好的抗腐蚀能力。载荷加载装置立柱、丝杆采用低合金结构钢，这种材料在经过热处理后具有较高的抗拉强度、屈强比、韧性和疲劳强度。载荷加载装置的其余部件均使用碳素结构钢制成。在保证强度、试验空间的前提下减轻了载荷加载装置的质量。载荷加载装置性能参数如表1所示。

表1 载荷加载装置性能参数

为了验证载荷加载装置的测量准确度，将其送至第三方有资质的检测机构，依据JJG 144-2007《标准测力仪》检定规程，采用一台0.01级，测量范围为0.5～50 kN的静重式力标准机进行校准，结果表明，载荷加载装置最大测量误差为-0.04%。

2 变形测量系统

应力环的最大变形小于3 mm，为了满足测量要求，基于数字图像处理技术设计了一套变形测量系统，主要由CCD相机和相应的标定板组成，其工作原理如图4所示。将应力环放置在载荷加载装置的上承压盘和下承压盘中间，标定板粘贴在上承压盘上。CCD相机固定在三脚架上并对准标定板。调整三脚架上的微调部件，使上承压盘上标定板的特征标记能够清晰显示在CCD相机显示画面的中间位置。校准时，标定板随着应力环受压变形产生位移，通过测量CCD相机中特征标记位置的变化，得到应力环的变形大小。

图4 变形测量原理

为了验证所搭建的变形测量系统（图5）的测量准确度，用变形测量系统和一台激光干涉仪（性能参数如表2所示）同时对一个应力环进行校准，并对比变形数据与激光干涉仪测量数据。由程序控制对应力环的加载，每次加载5 kN，总共加载6次，总变形量为2.53 mm。每次加载后的保载时间为20 s，待变形数据稳定后记录，并以激光干涉仪测量结果为标准值计算测量误差，测量结果如表3所示。

表2 激光干涉仪性能参数

表3 测量结果

图5 变形测量系统

由测量结果可以得出，所设计的变形测量系统的最大误差为-0.002 mm。

3 不确定度分析

3.1 力值测量结果的不确定度分析

力值测量不确定度评定的测量模型：

式中：y—— 加载装置的力值测量结果；

x—— 静重式力标准机施加的标准载荷；

Δx1—— 静重式力标准机引入的误差；

Δx2—— 测量的重复性误差；

Δx3—— 放置位置不均衡引入的误差

1）静重式力标准机的标准不确定度u1

力标准机的准确度等级为0.01级，使用B类方法进行评定，服从均匀分布。因此可得：

2）重复测量引入的标准不确定度u2

通过对10 kN、20 kN、30 kN各重复测量10次，得到标准偏差，如表4所示。

表4 重复性测量结果

因此，u2=s= 0.022%；

3）放置位置不均衡引入的标准不确定度u3

已知由位置放置不均衡引入的误差为±0.01%，半宽为0.01%。使用B类方法进行评定，服从均匀分布。因此可得：

4）合成标准不确定度评定

5）扩展标准不确定度评定

取包含因子k=2，校准装置力值示值误差的相对扩展不确定度Urel：

Urel=kuc= 2×0.015% = 0.03%

3.2 变形测量结果的不确定度分析

变形测量结果不确定度评定的测量模型：

式中：L—— 变形测量结果；

l—— 测量时施加的标准变形量；

Δl1—— 测量的重复性误差；

Δl2—— 相机分辨力引入的误差

1）重复测量引入的标准不确定度u1

通过对1 mm、2 mm、3 mm变形量各重复测量10次，得到标准偏差如表5所示。

表5 重复性测量结果

因此，u1=s= 0.000 7 mm；

2）相机分辨力引入的标准不确定度u2

相机分辨力引入的绝对误差为±0.000 5 mm，所引入的标准不确定度u2采用B类方法进行评定。

3）合成标准不确定度评定

4）扩展标准不确定度评定

取包含因子k= 2，校准装置变形示值的扩展不确定度Urel

4 结语

本文根据应力环的校准要求，研制了一台便携式应力环校准装置。其中，30 kN载荷力自动控制载荷加载装置，外形尺寸为300 mm×430 mm×800 mm，质量为48 kg，体积小、质量轻、可以随车携带，力值最大测量误差为-0.04%。另外，基于图像处理技术的变形测量系统，最大测量误差为-0.002 mm。