不留痕試驗(yàn)儀校準(zhǔn)方法

/ 莆田市計(jì)量所

0 引言

膠鞋、運(yùn)動(dòng)鞋在穿用過程中，在壓力和摩擦力的作用下，膠鞋、運(yùn)動(dòng)鞋外底和地面產(chǎn)生滑移，導(dǎo)致帶顏色的膠鞋、運(yùn)動(dòng)鞋底物質(zhì)轉(zhuǎn)移在運(yùn)動(dòng)場(chǎng)上，并留下痕跡，影響了場(chǎng)館地板的清潔美觀和使用壽命，因此，不留痕測(cè)試對(duì)制鞋行業(yè)尤為重要。2018年新修訂的GB/T24152-2018《籃排球?qū)I(yè)運(yùn)動(dòng)鞋》明確要求，競(jìng)賽和訓(xùn)練用的籃球鞋、排球鞋均須通過外底不留痕性能等級(jí)測(cè)試要求。不留痕試驗(yàn)儀作為測(cè)試不留痕性能的主要儀器，其量值準(zhǔn)確與否，直接影響鞋類制品的產(chǎn)品質(zhì)量。

1 不留痕試驗(yàn)儀的組成及試驗(yàn)原理

不留痕試驗(yàn)儀（或不留痕試驗(yàn)機(jī)）是GB/T 24129-2009《膠鞋、運(yùn)動(dòng)鞋外底不留痕試驗(yàn)方法》中規(guī)定的作為測(cè)試膠鞋、運(yùn)動(dòng)鞋外底不留痕性能的試驗(yàn)儀器設(shè)備，通常由機(jī)體、試驗(yàn)臺(tái)（水平金屬平臺(tái)及固定夾具等）、試驗(yàn)柱、試驗(yàn)頭、砝碼、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)往復(fù)運(yùn)動(dòng)裝置和顯示系統(tǒng)等組成。圖1所示為不留痕試驗(yàn)儀的結(jié)構(gòu)。

不留痕試驗(yàn)儀的試驗(yàn)原理是：將裁取的外底試樣置于規(guī)定的PU標(biāo)準(zhǔn)板表面上，以規(guī)定的壓力、次數(shù)、行程和頻率進(jìn)行往復(fù)試驗(yàn)。在達(dá)到試驗(yàn)規(guī)定的次數(shù)后，在PU標(biāo)準(zhǔn)板上觀察是否留有試樣的痕跡，并用沾色用灰色樣卡進(jìn)行比對(duì)，評(píng)估其留痕程度。

圖1 不留痕試驗(yàn)儀結(jié)構(gòu)

2 不留痕試驗(yàn)儀的主要參數(shù)

1）試驗(yàn)槽幾何尺寸：根據(jù)GB/T24129-2009第4.1.2（b）條款規(guī)定：用于夾持試樣的試驗(yàn)頭，其試驗(yàn)槽的內(nèi)徑為（11.5±0.1）mm，槽深為（4.0±0.2）mm。顯然，試驗(yàn)槽尺寸與按GB/T24129-2009要求裁剪的試樣相匹配，其尺寸準(zhǔn)確與否直接影響試樣能否準(zhǔn)確固定在試驗(yàn)頭上。因此，試驗(yàn)槽尺寸是不留痕試驗(yàn)儀的一個(gè)重要參數(shù)。

2）試驗(yàn)總荷重：根據(jù)GB/T24129-2009第4.1.2規(guī)定：試驗(yàn)柱、試驗(yàn)頭、砝碼在試驗(yàn)時(shí)直接加載在試樣上的負(fù)荷總質(zhì)量（以下用“試驗(yàn)總荷重”來表述）為（900±10）g。該試驗(yàn)總荷重直接影響了樣品在PU標(biāo)準(zhǔn)板上的留痕程度，是不留痕試驗(yàn)儀的重要技術(shù)指標(biāo)。

3）試驗(yàn)臺(tái)往復(fù)運(yùn)動(dòng)行程、頻率：根據(jù)GB/T 24129-2009第4.1.3規(guī)定：試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)臺(tái)往復(fù)運(yùn)動(dòng)行程為（100.0±2.0）mm，頻率為（40±2）次 /min（往返記作一次），故試驗(yàn)臺(tái)往復(fù)運(yùn)動(dòng)行程、頻率是衡量不留痕試驗(yàn)儀是否滿足國(guó)標(biāo)要求的兩項(xiàng)重要參數(shù)。

3 標(biāo)準(zhǔn)器及輔助設(shè)備的選擇

校準(zhǔn)用標(biāo)準(zhǔn)器及輔助設(shè)備見表1。

表1 校準(zhǔn)用標(biāo)準(zhǔn)器及輔助設(shè)備

4 校準(zhǔn)方法

1）試驗(yàn)槽幾何尺寸校準(zhǔn)：抬起試驗(yàn)柱，用游標(biāo)卡尺分別測(cè)量試驗(yàn)槽的內(nèi)徑、槽深。測(cè)量?jī)?nèi)徑時(shí)，分別在互相垂直的兩個(gè)方向上各測(cè)量一次，取其算術(shù)平均值作為測(cè)量結(jié)果。測(cè)量槽深時(shí)，重復(fù)測(cè)量三次，取其算術(shù)平均值作為測(cè)量結(jié)果。

2）試驗(yàn)總荷重校準(zhǔn)：試驗(yàn)總荷重為在不拆卸試驗(yàn)儀各部件的情況下，試驗(yàn)柱、試驗(yàn)頭、砝碼在試驗(yàn)時(shí)直接加載在試樣上的負(fù)荷總質(zhì)量。故在此不能選用電子秤直接測(cè)量，而宜采用標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀進(jìn)行測(cè)量。由于標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀測(cè)出值的計(jì)量單位為N，故將測(cè)得值再除以當(dāng)?shù)刂亓铀俣戎礸后得到試驗(yàn)總荷重m。測(cè)量方法為：將砝碼加載于試驗(yàn)柱上，把標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀與配套顯示儀表連接好，標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀置于試驗(yàn)柱正下方，對(duì)試驗(yàn)柱、試驗(yàn)頭、砝碼加載后的試驗(yàn)總荷重所復(fù)現(xiàn)的力值進(jìn)行測(cè)量，再除以當(dāng)?shù)刂亓铀俣戎礸后得到試驗(yàn)總荷重m。重復(fù)測(cè)量三次，取試驗(yàn)總荷重m的算術(shù)平均值作為測(cè)量結(jié)果。

3）試驗(yàn)臺(tái)往復(fù)運(yùn)動(dòng)行程校準(zhǔn)：接通電源，通過設(shè)置速度參數(shù)，使試驗(yàn)臺(tái)在低速狀態(tài)下往復(fù)運(yùn)動(dòng)。選取試驗(yàn)臺(tái)左側(cè)面作為參考面，當(dāng)試驗(yàn)臺(tái)往復(fù)運(yùn)動(dòng)至兩端極限位置時(shí)，分別標(biāo)記試驗(yàn)臺(tái)左側(cè)面的位置，用游標(biāo)卡尺測(cè)出兩標(biāo)記位置間的距離，重復(fù)測(cè)量三次取算術(shù)平均值作為試驗(yàn)臺(tái)往復(fù)運(yùn)動(dòng)行程。

4）試驗(yàn)臺(tái)往復(fù)運(yùn)動(dòng)頻率校準(zhǔn)：為避免反光，在試驗(yàn)臺(tái)（或固定夾具）前側(cè)面貼一塊黑膠布，然后在黑膠布上貼一張反光紙（黑膠布、反光紙也可貼在試驗(yàn)臺(tái)固定夾具上，以適合轉(zhuǎn)速頻率儀測(cè)量位置為宜），設(shè)置不留痕試驗(yàn)儀的速度為40r/min。在試驗(yàn)儀開機(jī)后試驗(yàn)臺(tái)受試驗(yàn)總荷重的情況下，用轉(zhuǎn)速頻率儀測(cè)量試驗(yàn)臺(tái)往復(fù)運(yùn)動(dòng)頻率，重復(fù)測(cè)量三次。由于試驗(yàn)臺(tái)往返記作1次，故取其算術(shù)平均值的一半作為測(cè)量結(jié)果。

試驗(yàn)臺(tái)往復(fù)運(yùn)動(dòng)頻率、試驗(yàn)總荷重為不留痕試驗(yàn)儀的關(guān)鍵計(jì)量參數(shù)，在此僅對(duì)該兩項(xiàng)關(guān)鍵參數(shù)實(shí)測(cè)值進(jìn)行不確定度評(píng)定，以供各類計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)參考。對(duì)于幾何尺寸校準(zhǔn)和往復(fù)運(yùn)動(dòng)行程兩項(xiàng)參數(shù)，各類計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)在校準(zhǔn)時(shí)，也應(yīng)給出相應(yīng)的擴(kuò)展不確定度。

5 試驗(yàn)臺(tái)往復(fù)運(yùn)動(dòng)頻率實(shí)測(cè)值測(cè)量不確定度評(píng)定

在溫度為10～30℃，溫度波動(dòng)不大于2℃，相對(duì)濕度不大于80%的環(huán)境條件下，選擇測(cè)量范圍為10～100000r/min，最大允許誤差為 ±1×10-5r/min的轉(zhuǎn)速頻率儀作為測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)。在試驗(yàn)儀開機(jī)后試驗(yàn)臺(tái)受試驗(yàn)總荷重的情況下，對(duì)不留痕試驗(yàn)儀試驗(yàn)臺(tái)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)頻率采用直接比較法測(cè)量。由于GB/T 24129-2009規(guī)定，試驗(yàn)臺(tái)做直線往返運(yùn)動(dòng)時(shí)，往返1次記作1個(gè)周期運(yùn)動(dòng)，故實(shí)際測(cè)量時(shí)，應(yīng)取轉(zhuǎn)速頻率儀示值的1/2作為試驗(yàn)臺(tái)往復(fù)運(yùn)動(dòng)頻率的測(cè)量結(jié)果。

5.1 測(cè)量模型

式中：n——試驗(yàn)臺(tái)往復(fù)運(yùn)動(dòng)頻率實(shí)測(cè)值，r/min；

5.2 靈敏系數(shù)

5.3 標(biāo)準(zhǔn)不確定度評(píng)定

1）測(cè)量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u1()

在重復(fù)性條件下，對(duì)不留痕試驗(yàn)儀在設(shè)定點(diǎn)40r/min處進(jìn)行三次獨(dú)立重復(fù)測(cè)量，結(jié)果見表2。

表2 在設(shè)定點(diǎn)40r/min處三次獨(dú)立重復(fù)測(cè)量結(jié)果

實(shí)際校準(zhǔn)以三次示值的算術(shù)平均值作為測(cè)量結(jié)果，則：

由于轉(zhuǎn)速頻率儀的分辨力引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度遠(yuǎn)小于重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度，故在此僅取重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度。

不留痕試驗(yàn)儀設(shè)定頻率為40r/min時(shí)，對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速頻率儀的測(cè)量值為80r/min。轉(zhuǎn)速頻率儀在測(cè)量值80r/min 處的最大允許誤差為：±1×10-5×80r/min=±0.0008r/min，按均勻分布考慮，則

5.4 標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量

標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量見表3。

表3 標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量

5.5 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc

5.6 擴(kuò)展不確定度

U=kuc，取k=2，得：校準(zhǔn)點(diǎn)為 40r/min 時(shí)，U=0.2r/min，k=2。

6 試驗(yàn)總荷重實(shí)測(cè)值測(cè)量不確定度評(píng)定

在溫度為10～35℃，溫度波動(dòng)不大于2℃，相對(duì)濕度不大于80%的環(huán)境條件下。選擇測(cè)量范圍為5～50N，準(zhǔn)確度等級(jí)為0.3級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀作為測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)不留痕試驗(yàn)儀試驗(yàn)總荷重采用直接比較法測(cè)量。測(cè)量方法為：將砝碼加載于試驗(yàn)柱上，用0.3級(jí)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀測(cè)量試驗(yàn)柱、試驗(yàn)頭、砝碼加載后的試驗(yàn)總荷重所復(fù)現(xiàn)的力值，然后除以當(dāng)?shù)刂亓铀俣戎?，得到試?yàn)總荷重的實(shí)測(cè)值。重復(fù)測(cè)量三次，取其算術(shù)平均值作為測(cè)量結(jié)果。

6.1 測(cè)量模型

式中：m——試驗(yàn)總荷重實(shí)測(cè)值，kg；

g——當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣戎?，m/s2；經(jīng)查，莆田市的重力加速度值為 9.78910m/s2。

6.2 靈敏系數(shù)

6.3 標(biāo)準(zhǔn)不確定度評(píng)定

將砝碼加載于試驗(yàn)柱上，在重復(fù)性條件下，對(duì)不留痕試驗(yàn)儀總荷重進(jìn)行三次獨(dú)立重復(fù)測(cè)量，結(jié)果見表4。

表4 對(duì)不留痕試驗(yàn)儀總荷重進(jìn)行三次獨(dú)立重復(fù)測(cè)量結(jié)果

實(shí)際校準(zhǔn)是以三次示值的算術(shù)平均值作為測(cè)量結(jié)果，則：

由于標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀的分辨力引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度遠(yuǎn)小于重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度，故在此僅取重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度。

本次校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)器采用0.3級(jí)、測(cè)量范圍為5～50N的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀，其在8.81N處(即在標(biāo)稱試驗(yàn)總荷重900g處所復(fù)現(xiàn)的力值)的最大允許誤差為：±0.3%×8.81N=±0.026N，按均勻分布考慮，則

6.4 標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量

標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量見表5。

表5 標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量

6.5 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc

6.6 擴(kuò)展不確定度

U=kuc，取k=2，得：校準(zhǔn)點(diǎn)為900g 時(shí)，U=0.031N，k=2。

7 結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)不留痕試驗(yàn)儀校準(zhǔn)方法的研究，為各級(jí)計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)開展不留痕試驗(yàn)儀校準(zhǔn)提供技術(shù)依據(jù)，保證不留痕試驗(yàn)儀的量值經(jīng)過科學(xué)合理的溯源傳遞，提高鞋類產(chǎn)品檢測(cè)質(zhì)量，對(duì)促進(jìn)鞋類產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要意義。