寶武集團如何透過 ElectroPuls™ 解決變頻疲勞測試
面對新能源汽車崛起帶來的新測試需求，寶武集團中央研究院需要一套可在變幅、變頻與變溫條件下進行疲勞測試的解決方案——而傳統伺服液壓與電磁共振設備無法勝任。Instron ElectroPuls E10000 將高頻能力與可程式化的變幅測試整合於一套體積精巧、低維護的系統中，讓寶武團隊得以以單一平台靈活測試從鋼材到輕量塑膠等多種材料。
關於
寶鋼與武鋼——中國鋼鐵產業的領導者——於 2016 年 9 月合併成立寶武鋼鐵集團，現為中國最大的鋼鐵集團。寶武正推動三大轉型策略：由鋼鐵向材料轉型、由製造向服務轉型，以及由中國領先邁向全球鋼鐵產業領先。
地點
中國
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為配合三大轉型策略，寶武中央研究院（技術中心）力學實驗室在工業材料領域——尤其是新能源材料——投入大量資源，透過鋼鐵原材料的力學性能評估與試驗方法開發，持續深化相關能力。
材料與應用的研發必須與實際需求同步。以車輛加速為例：驅動機構加速、達到穩定轉速，接著制動減速。這種循環行為使材料承受的載荷頻率在高、低與恆定之間切換。典型應用之一，是新能源汽車電機等電氣機械中使用的鋼材。傳統以恆定振幅與頻率進行的疲勞試驗，已無法應對這些新材料帶來的技術挑戰——環境、速度、振幅與頻率的變化，已成為新能源汽車材料研究的核心議題。
方博士表示：「材料在變頻與變幅條件下的長期力學性能研究，將是未來趨勢。然而在中國，我們仍沿用 GB/T 15248-2008《金屬材料 軸向恆定振幅低週疲勞試驗方法》，顯然無法滿足這些新材料的測試需求。國際上已經有 ISO 12110-1:2013《金屬材料—疲勞試驗—變幅疲勞試驗—第 1 部分：一般原則、試驗方法與報告要求》可用於此類材料測試，但相應的中國標準尚未發布。」
隨著新能源汽車崛起並獲得中國政府支持，許多知名車廠——包括 Tesla、Volkswagen 與 General Motors——已建立各自的材料疲勞測試標準。變幅、變頻與變溫等新概念，對全球材料供應商提出了新的要求。對包括寶武鋼鐵在內的材料供應商而言，如何快速找到合適的測試解決方案，已成為迫切的新挑戰。
「材料在變頻與變幅條件下的長期力學性能，將是未來趨勢。對傳統伺服液壓設備而言，頻率範圍太小、維護成本高，而且試驗運行時噪音很大。若要測試超薄鋼的疲勞性能，傳統電磁共振高頻疲勞試驗機也很難控制。這兩項挑戰都促使我們必須尋找新的解決方案。」
方健博士
寶武集團中央研究院機械測試總工程師
尋找全新測試解決方案
由於這是一項新興挑戰，突破傳統試驗方法、找到高效率的解決方案至關重要。身為首席技術人員，方博士在金屬材料測試方面具備豐富經驗；在他看來，疲勞試驗的方式雖多，但能同時在變幅、變頻與變溫條件下精準量測的設備卻寥寥可數。
電液伺服疲勞試驗機常用於在變幅、變頻與變溫條件下進行材料疲勞測試，但其頻率能力僅有數十赫茲——不足以滿足高頻測試需求，且效率不高。電磁共振高頻疲勞試驗機可進行高頻測試，但缺乏在變頻與變幅條件下測試的能力——在測試輕量材料時尤其棘手。
方博士解釋道：「一方面，傳統電液伺服疲勞試驗機效率不佳，因為液壓泵站維護成本高，且會產生大量噪音；另一方面，傳統電磁共振高頻疲勞試驗機在對某些超薄、消費級鋼材進行疲勞試驗時難以控制。這些挑戰推動我們尋找新的疲勞測試解決方案。」
動靜態電子式疲勞試驗機維護成本低，且可在變幅與變頻條件下進行測試，將電磁共振設備的高頻能力與低週疲勞試驗機可程式化的變幅、變頻能力結合，特別適用於超薄與輕量材料的力學測試。此外，其占地小、易於維護，且無需冷卻水或液壓油——僅需單相電源即可運行，耗電量低。方博士在一場產業展會上，立即被 Instron 設計精良、用途多元的動靜態電子式試驗機所吸引。
為未來而測試，而不僅是已知
方博士表示：「在傳統疲勞試驗中，我們往往會選擇盡可能高的頻率，希望在短時間內達到疲勞極限。但新材料的疲勞測試已經改變——我們現在更關注鋼材在變幅或變頻條件下，其疲勞性能會發生什麼變化。」
方博士表示：「這些試驗都可以用 Instron E10000 來完成，且結果獲得客戶高度肯定。除了金屬材料之外，我們也使用 E10000 測試食品級輕量材料與塑膠。總結而言，從低速靜態測試到高頻閉迴路動態測試，ElectroPuls 動靜態試驗機都能滿足我們所有的測試需求。」
方博士也強調，與 Instron 合作的一大優勢在於配件可在產品線間共用——荷重元、夾具與引伸計都可在同系列儀器間配置，協助客戶節省時間與成本。方博士表示：「例如，Instron AVE 引伸計可在我們實驗室內跨設備使用，從 1 噸靜態機到 25 噸動態機皆可適用。」
撰寫本文時，Instron E10000 在寶武安裝並投入使用尚未滿一年，但寶武技術團隊已累積了使用該系統進行變幅、變頻疲勞測試的豐富經驗。隨著新能源產業持續成長，預期 Instron 的 ElectroPuls 動靜態試驗機將拓展至更廣泛的應用領域。
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