1000kN液壓式萬能試驗機示值測量結果不確定度與校準方法的研究

劉洪亮

摘 要：通常在對金屬或是非金屬等材料、制品進行拉伸、彎曲等處理時會選擇使用液壓式萬能試驗機。其本身具有較高的精準性且操作便捷，但因試驗機復雜性和專業性也相對較高，因此檢定人員一旦出現操作不當或是缺乏對試驗機內部結構的了解，則極有可能導致試驗機示值測量結果出現誤差。因而本文將選擇以1000kN液壓式萬能試驗機為例，重點對其示值測量結果的不確定度和校準方法進行簡要分析研究。

關鍵詞：1000kN液壓式萬能試驗機；示值測量；不確定度；校準方法

引言：一般液壓式萬能試驗機的主要組成包括加力和測量系統以及安全保護裝置等等，其通過液壓方式施加力值用于對被測材料或制品的力學性能參數進行精準測定。為保障研究的精準性，在評定1000kN液壓式萬能試驗機示值測量結果不確定度的過程中，本文將嚴格參照國家制定的JJG139-1999《拉力、壓力和萬能試驗機檢定規程》。在試驗機當中將對應著測量點的負荷施加在標準力值上，從而準確獲得對應標準力值的試驗機負荷示值。最后采用算術平均法求取最終測量點相對示值誤差，并針對試驗機示值測量結果誤差提出相應的校準方法。

一、1000kN液壓式萬能試驗機示值測量結果不確定度

（一）環境條件與被測對象

通常評定1000kN液壓式萬能試驗機示值測量誤差不確定度，需要將溫度控制在10到35℃之間，保障溫度波動度始終控制在每小時2℃以內，相對濕度不超過80%。作為被測對象的1000kN液壓式萬能試驗機，其試驗力測量范圍在2%到100%FS之間，允許的示值誤差最大值為±1%。采用0.3級標準測力儀作為計量標準器，其相對擴展不確定度和穩定度分別為0.15%與±0.3%。

（二）數學模型與的建立

如果以試驗機度盤刻度示值為準，則在讀取測力儀數值時，需要使用如下公式計算示值結果不確定度：

在這一公式當中液壓試驗機與測力計的示值誤差和定度示值分別用 δ以及F1表示，F2表示的就是此時測力儀顯示的具體讀數。k與△t1則分別表示標準測力儀的溫度修正系數以及試驗機在定度和校準狀態下的溫度差。

如果以標準測力儀示值為準，則在讀取試驗機數值時，需要使用如下公式計算示值結果不確定度：

在上述公式當中，標準試驗機同測力計的示值誤差和定度示值分別用δ以及F11表示，F12表示的就是此時試驗機顯示的具體讀數。k1與△t11分別表示標準測力儀的溫度修正系數及其在定度狀態下和試驗機校準狀態下的溫度差。

（三）試驗機重復引入輸入量F的標準不確定度估算

在對試驗機重復性引入輸入量F的標準不確定度進行估算時，選擇對被檢測對象即1000kN液壓式萬能試驗機使用A類方法，其測量點為20%的滿量程，連續十次進行測量后，得到10次檢定值（kN）分別為200.2、200.8、200.8、200.6、200.2、200.4、200、200.4以及200.1和200.8，在采用算術平均法后計算示值均值，可知其平均值為200.15kN。則單次測量標準差為：

通過代入數值至相關計算公式可知其不確定分量值為0.1kN，自由度為10-1=9。

（四）標準測力儀引起輸入量F的標準不確定度估算

在估算標準測力儀引起輸入量F的標準不確定度時，通過參考相應的檢定證書即可得知其包含因子k的值為1.98，相對擴展不確定度U95與年穩定度的值分別為0.15%和±0.3%[1]。在假設其分布均勻的情況下，令包含因子取值為 ，此時當測量點為200kN時，標準測力儀引起輸入量F的標準不確定度值應當為 ，此時其自由度應當為50。

（五）合成標準不確定度與擴展不確定度的估算

根據前文獲得的相關計算值，可知合成標準不確定度應當為試驗機重復引入輸入量F的標準不確定度的平方與標準測力儀引起輸入量F的標準不確定度的平方之和，再進行平方根計算后的值即為0.27kN。在包含因子k取值為2時，擴展不確定度為 。

二、1000kN液壓式萬能試驗機校準方法分析

（一）校準度盤示值誤差正反方向

1.校準正誤差

當度盤示值為正誤差的情況下，在對1000kN液壓式萬能試驗機進行校準的過程中，首先需要在油缸外圓位置處平穩放置框式水平儀，要求其刻度值保持為0.02 ，在沿著機座的橫向位置與縱向位置進行找平之后令鉛錘度始終控制在0.1 以內。隨后需要適當調整上工作臺導向滑輪位置，避免其同導軌出現摩擦。緊固短臂刀刃后進行拉力試驗，確保測力計始終緊靠試驗機。此時隨著短臂半徑長度的不斷增大，拉桿刀座將沿該方向發生傾斜，以此有效校準度盤示值正誤差。

2.校準負誤差

如果實際示值誤差明顯大于試驗結果，則表面此時存在示值負誤差。因而在校準試驗機時，工作人員首先需要科學評定試驗機的整體外觀，一旦發現機構部分或是測力油缸存在諸多污垢，則需要立即對其進行清洗，在擦拭干凈后重新進行正確安裝。對出現損傷的刀墊與刀刃進行及時更換[2]。如果此時誤差仍然存在，則校準人員可以手動將度盤指針推轉至1/4位置處，而后上頂測力活塞，當拉板穩定性良好的情況下，將活塞松開使其逐漸緩慢下移，此時通過適當調整位于底座下方的墊鐵保障活塞針尖位置與測力活塞座的窩完全對應即可。

（二）校準度盤示值誤差遞增偏差

1.校準前準備工作

如果液壓式萬能試驗機示值誤差存在遞增偏差的情況，則在對其進行調整時，校準人員首先需要做好一系列校準前的準備工作。包括對標準測力儀進行安裝和調試，對原始記錄進行分類整理。在現場溫度和標準測力儀定度溫度存在差異的情況下，需要重新結合實際情況修正標準測力儀定度溫度值。隨后校準人員需要主動與試驗機使用人員進行交流，掌握其實際運行情況，并全面檢查試驗機的整體外觀，包括各路油管的連接狀態、緩沖裝置正常與否、工作臺導輪是否緊靠立柱、位于緊固主動針位置處螺釘的緊固程度等等。

2.控制校準關鍵點

在實際對1000kN液壓式萬能試驗機進行調試校準時，需要對下列關鍵點進行嚴格把控：（1）測力儀本身具有較高的精準度，且使用環境溫度為室溫，周圍環境潔凈干燥，無任何腐蝕性氣體或是振動情況，測力儀標準器各項性能參數均與其證書完全對應。（2）在使用測力儀之前需要嚴格按照相關標準要求對其進行規范安裝和相應調試，隨后在被檢儀器工作臺中心位置處小心放置測力儀，此時施加力應當沿測力儀軸線作用[3]。（3）在正式進行測量前至少需要進行三次滿負荷預壓，要求回零差始終不超過0.2個分度。（4）在讀數過程中需要使用木棒橡皮頭端對表盤中心位置進行輕敲，將百分表當中的摩擦阻力影響全部消除，一旦指針不再擺動，則需要即可進行精準讀數。（5）如果測力儀同被檢儀器溫度存在差異，則需要靜置一段時間，使得二者溫度值完全相同或是直接通過依照相關檢定規程要求修正溫度。

結束語：本文選擇以1000kN液壓式萬能試驗機為例，通過對其進行示值測量結果不確定分析，在運用相關計算公式下可知本文選擇的試驗機不確定度為0.17，kN，在包含因子取值為2時試驗機擴展不確定度值為0.54。此外，針對試驗機存在的度盤示值誤差正反方向以及遞增誤差情況，本文也提出了相應的校準方式。但在實際校準時，工作人員也需要主動與試驗機使用者進行溝通，結合試驗機的具體使用狀態再選擇與之相對應的方式進行校準，從而有效保障試驗機校準效果。

參考文獻：

[1]JJG139-2014，拉力、壓力和萬能試驗機檢定規程[S]. 北京：中國計量出版社，2014.

[2]崔立斌. WE型液壓式萬能試驗機準確度調整方法[J]. 中國計量， 2016（4）：101-102.

[3]黃志勇. 淺談液壓式萬能試驗機示值誤差遞增偏差的校準方法[J]. 計量與測試技術，2017， 44（5）：67-68.