宝武集团如何利用 ElectroPuls™ 解决变频疲劳测试难题
面对新能源汽车兴起带来的全新测试需求,宝武集团中央研究院需要一种能在变幅、变频 and 变温条件下进行疲劳测试的解决方案——而传统的电液伺服和电磁谐振试验机无法处理这些工况。Instron ElectroPuls E10000 是一款紧凑、低维护的系统,它将高频能力与可编程变幅测试相结合,为宝武团队提供了从钢铁到轻质塑料等各种材料的通用测试工具。
关于
宝钢和武钢作为中国钢铁行业的领导者,于 2016 年 9 月合并成立宝武钢铁集团,现已成为中国最大的钢铁集团。宝武正在推进三大转型战略:从钢铁到材料、从制造到服务、从中国领先到世界领先。
地点
中国
网站
为配合三大转型战略,宝武中央研究院(技术中心)力学实验室通过对钢铁原材料的力学性能评价和测试方法开发,在工业材料领域(特别是新能源材料)做出了显著努力。
材料及其应用的研发必须紧跟现实需求。以汽车加速为例:驱动机构加速,达到稳定运行速度,然后刹车减速。这种循环行为使材料暴露在从高到低再到恒定的加载频率中。一个典型的应用是新能源汽车电机中使用的钢材。使用恒幅恒频的传统疲劳测试已无法应对这些新型材料带来的技术挑战——环境、速度、振幅和频率的变化已成为新能源汽车材料研究的核心课题。
“材料在变频和变幅下的长期力学性能研究将是未来的趋势,”方博士表示,“然而,在中国,我们仍遵循测试标准 GB/T 15248-2008《金属材料轴向等幅低周疲劳试验方法》,这显然无法满足这些新材料的测试要求。目前已有国际标准——ISO 12110-1:2013《金属材料—疲劳试验—变幅疲劳试验—第 1 部分:一般原则、试验方法和报告要求》——用于此类材料的测试,但相应的中国标准尚未发布。”
随着新能源汽车的兴起和中国政府的支持,包括特斯拉、大众和通用汽车在内的许多知名汽车制造商已经建立了自己的材料疲劳测试标准。变幅、变频和变温测试等新概念对全球材料供应商提出了新要求。对于包括宝武钢铁在内的材料供应商来说,快速找到合适的测试解决方案已成为一项紧迫的新挑战。
“材料在变频和变幅下的长期力学性能将是未来的趋势。对于传统的电液伺服试验机,其频率范围太窄,维护成本高,且测试运行时噪音很大。如果我们想测试超薄钢材的疲劳,传统的电磁谐振高频疲劳试验机也难以控制。这两项挑战都促使我们寻找新的解决方案。”
方健博士
宝武集团中央研究院力学测试首席工程师
寻找新的测试解决方案
由于这是一项新兴挑战,突破传统测试方法以寻找高效解决方案至关重要。作为首席技术人员,方博士在金属材料测试方面拥有丰富的经验——在他看来,虽然运行疲劳测试的方法有很多,但很少有设备能同时在变幅、变频和变温条件下进行精确测量。
电液伺服疲劳试验机常用于变幅、变频和变温条件下的材料疲劳测试,但其频率能力仅限于几十赫兹——不足以满足高频测试需求,且效率低下。电磁谐振高频疲劳试验机可以处理高频测试,但缺乏在变频和变幅下测试的能力——这在测试轻质材料时尤为困难。
“一方面,传统的电液伺服疲劳试验机效率低下,因为液压泵站维护成本高且产生大量噪音,”方博士解释道,“另一方面,传统的电磁谐振高频疲劳试验机在对某些超薄消费级钢材进行疲劳测试时难以控制。这些挑战促使我们寻找疲劳测试的新解决方案。”
动静态电子疲劳试验机维护成本低,且可以在变幅和变频下进行测试,它结合了电磁谐振试验机的高频能力与低周疲劳试验机的可编程变幅和变频功能。这使其非常适合超薄和轻质材料的力学测试。它们还占用空间小,易于维护,不需要冷却水或液压油——仅需单相电源运行,功耗极低。方博士在一次行业展览会上立即被 Instron 设计精良、功能多样的动静态电子试验机所吸引。
为未来而测,不限于已知
“对于传统的疲劳测试,我们通常选择尽可能高的频率,希望在短时间内达到疲劳极限,”方博士说,“但新材料的疲劳测试已经发生了变化——我们现在很好奇钢材在变幅或变频条件下的疲劳性能会发生什么变化。”
“所有这些测试都可以使用 Instron E10000 运行,结果得到了客户的一致好评,”方博士说,“除了金属材料,我们还使用 E10000 测试食品级轻质材料和塑料。总之,从低速静态测试到高频闭环动态测试,ElectroPuls 动静态试验机可以满足我们所有的测试要求。”
方博士还强调,与 Instron 合作的一个显著优势是附件可以在产品线之间共享——载荷传感器、夹具和引伸计都可以在同系列仪器上配置,为客户节省了时间和成本。“例如,Instron AVE 引伸计可以在我们实验室中通用,从 1 吨的静态试验机到 25 吨的动态试验机都可以使用,”方博士说。
虽然在撰写本文时,Instron E10000 安装使用尚不足一年,但宝武的技术人员已经利用该系统在变幅和变频疲劳测试方面积累了丰富经验。随着新能源行业的持续增长,Instron 的 ElectroPuls 动静态试验机预计将获得更广泛的应用。
