基于飾面磚拉拔儀檢測裝置的擴展改造研制

邱南聰

（廣東省珠海市質(zhì)量計量監(jiān)督檢測所， 廣東 珠海 519000）

0 引言

隨著現(xiàn)代化進程的加快， 越來越多類型的飾面磚被廣泛應(yīng)用于各類建筑、裝備的外飾面。 無論從美觀、外墻保護、耐污染、耐腐蝕等哪個方面來看，飾面磚都發(fā)揮著越來越不可或缺的重要作用。與此同時，因飾面磚粘接強度不達標導(dǎo)致的飾面磚空鼓、脫落，乃至引發(fā)較為嚴重質(zhì)量事故、工程事故的情況也時有發(fā)生。 因此，飾面磚粘接強度備受行業(yè)關(guān)注。 建筑工程外墻飾面磚的粘結(jié)質(zhì)量如何，是否會脫落，是建筑外墻檢驗的必檢項目，主要通過飾面磚拉拔儀進行檢驗， 所以飾面磚拉拔儀計量性能的準確性，是影響飾面磚粘結(jié)強度準確的關(guān)鍵因素。 但是目前，飾面磚拉拔儀只有行業(yè)標準，沒有計量檢定規(guī)程和校準規(guī)范。為確保儀器計量/校準的準確性，研制飾面磚拉拔儀檢測裝置， 設(shè)計編制科學(xué)的飾面磚拉拔儀計量/校準方法，具有重要意義。

1 飾面磚拉拔儀工作原理

按標準要求，使用膠粘劑粘結(jié)標準塊與飾面磚見圖1。

圖1 飾面磚拉拔儀標準塊粘結(jié)圖

安裝飾面磚拉拔儀見圖2： 飾面磚拉拔儀支架跨在標準塊兩邊，帶萬向節(jié)的連接桿，一端與標準塊連接，一端通過穿心千斤頂中心 （或直接與測力傳感器連接），并與飾面磚表面垂直；調(diào)整千斤頂活塞，使活塞升出2mm，并將數(shù)字顯示器調(diào)零，再擰緊拉力桿螺母；勻速搖轉(zhuǎn)飾面磚拉拔儀的搖轉(zhuǎn)手柄加壓 （或驅(qū)動飾面磚拉拔儀的自動加載機構(gòu)加載），直至飾面磚試樣斷開，飾面磚拉拔儀記錄并顯示該峰值，即為粘結(jié)力值。

圖2 飾面磚拉拔儀工作示意圖

2 總體設(shè)計

飾面磚拉拔儀的檢測校準， 主要是通過連接機構(gòu)將拉拔儀與檢測裝置進行串聯(lián)， 然后經(jīng)比較傳遞的方式來實現(xiàn)。 檢測裝置設(shè)計要素如下：

2.1 準確度等級

經(jīng)市場調(diào)研， 飾面磚拉拔儀的加載及測量單元主要有三種模式：①T 型絲桿手動加載+壓力傳感器；②T 型絲桿手動加載+稱重傳感器； ③T 型絲桿電機自動加載+稱重傳感器（現(xiàn)時最新結(jié)構(gòu)模式）；因此，受加載裝置的平穩(wěn)性及儀器試驗支架剛性的影響， 建筑工業(yè)行業(yè)標準JG/T 507-2016《數(shù)顯式粘結(jié)強度檢測儀》，對飾面磚拉拔儀拉拔儀的系統(tǒng)誤差定義為≤1.5%，即1.5 級及以上，結(jié)合以上情況， 按檢測標準器計量性能優(yōu)于被檢測儀器3 倍的原則， 為滿足市面常見的1.0 級、1.5 級飾面磚拉拔儀拉拔儀的計量檢測， 依據(jù)國家計量檢定系統(tǒng)表JJG 2045-1990《力值（≤1MN）計量器具檢定系統(tǒng)框圖》，定義飾面磚拉拔儀檢測裝置的準確度等級為0.3 級。

2.2 量程

依據(jù)建筑工業(yè)行業(yè)標準JG/T 507-2016《數(shù)顯式粘結(jié)強度檢測儀》，飾面磚拉拔儀的最大試驗力為10kN，但市面上也有不少50kN 以下的拉拔儀（錨固式拉拔儀最大量程為1MN，因測量范圍過于寬廣，本研究暫不予于考慮），因此， 飾面磚拉拔儀檢測裝置的傳感器實際選10kN 與50kN 兩個標準測力儀， 裝置的計量檢定下限從10%～100%，則可以滿足50kN 及10kN 拉拔儀的計量校準需求。

2.3 分辨力

分辨力也是計量器具的重要技術(shù)指標， 分辨力設(shè)置過大將對儀器的精度產(chǎn)生顯著影響， 設(shè)置過小又會提高不必要的成本。因此，儀器分辨力設(shè)計通常以對儀器精度不構(gòu)成明顯影響為原則。 飾面磚拉拔儀檢測裝置的顯示儀器配用標準負荷測量儀，依據(jù)JJG44-2007《標準測力儀檢定規(guī)程》所述，0.3 級標準測力儀量程為10kN、50kN，測量下限以測量范圍最大值的2%進行計算，其分辨力分別為0.29N、0.36N，結(jié)合實際情況，將兩個量程對應(yīng)的分辨力都設(shè)置為0.1N， 減小儀器實際分辨力帶入的標準不確定度分量，以致可忽略。

2.4 測量連接件

由圖2 飾面磚拉拔儀工作示意圖可知， 飾面磚拉拔儀工作時，使用帶萬向節(jié)的拉力桿通過穿心千斤頂（或測力傳感器）中心，并與飾面磚表面垂直；對飾面磚拉拔儀進行計量檢測時， 也應(yīng)參照飾面磚拉拔儀的實際工作模式，保留帶萬向節(jié)的拉力桿。

經(jīng)實際調(diào)研，市面上飾面磚拉拔儀的拉力桿，其聯(lián)接端大多為M12、M8 兩種外螺紋，因拉力桿已安裝萬向節(jié)，可自行調(diào)節(jié)垂直度， 則檢測裝置的測量連接件可簡單設(shè)計為帶內(nèi)螺紋的連接件，設(shè)計圖見圖3。

圖3 飾面磚拉拔儀檢測裝置測量連接桿

2.5 檢測裝置力源

飾面磚拉拔儀均自帶加載裝置， 但在實際檢測中發(fā)現(xiàn)， 使用液壓和渦輪蝸桿模式的加載裝置， 存在以下缺點：①最小加載速率過大，載荷變化過快，難以準確讀數(shù)及檢測點載荷難調(diào)節(jié)，檢測效率及準確性都較低；②加載裝置的平穩(wěn)性不足，其搖轉(zhuǎn)手柄在加壓過程中，手動無法恒速加載， 搖轉(zhuǎn)手柄停頓時， 力值測量容易產(chǎn)生滯后現(xiàn)象；扭矩大時，會因瞬時過沖的加載，飾面磚拉拔儀試驗支架易產(chǎn)生晃動現(xiàn)象， 以上現(xiàn)象都會導(dǎo)致檢測結(jié)果的重復(fù)性及復(fù)現(xiàn)性過大，無法準確判斷檢測結(jié)果；③加載裝置無載荷閉環(huán)加載措施， 無法對載荷進行測量反饋及調(diào)節(jié)保持，再加上的螺桿或密封部件，容易產(chǎn)生磨損，導(dǎo)致飾面磚拉拔儀的恒載能力降低。 鑒于飾面磚拉拔儀加載裝置的實際情況，飾面磚拉拔儀檢測裝置需設(shè)計平穩(wěn)力源，確保載荷檢測過程中，載荷速率平穩(wěn)，數(shù)值準確可讀，保證檢測結(jié)果的準確性及一致性。

飾面磚拉拔儀檢測裝置力源的設(shè)計指標： ①加載方式：恒位移速率方式；②最小位移移動速度：0.02mm/min；③最大載荷：50kN。 以上指標，使用現(xiàn)時較普遍成熟的力源組合方案：滾珠絲桿+減速機+伺服電機；經(jīng)計算選型可得，滾珠絲桿：外徑50mm，螺距10mm；減速機：減速比100：1；伺服電機：功率1kW。

2.6 結(jié)構(gòu)設(shè)計

從飾面磚拉拔儀檢測裝置所需實現(xiàn)的功能進行全面分析，裝置的構(gòu)成應(yīng)包含以下幾個部分：

檢測儀支架承載機構(gòu)：設(shè)計標準測力儀與飾面磚拉拔儀的安放位置及其連接承載模式；飾面磚拉拔儀其試驗支架跨距≥120mm，萬向節(jié)連接桿離承載面約30mm，在此空間內(nèi)，無法安裝標準測力儀，為保障計量檢測的施力方向為拉向，檢測儀支架承載機構(gòu)采用平行板結(jié)構(gòu)，下底板上安裝標準測力儀，上平行板放置檢測儀，通過上平行板的穿孔，使用測量連接件，連接標準測力儀及檢測儀萬向節(jié)。

測力與測量儀連接間隙調(diào)整機構(gòu)： 設(shè)計標準測力儀與飾面磚拉拔儀連接后， 其同軸度保障及上下間隙調(diào)整機構(gòu)； 因飾面磚拉拔儀試驗支架跨距及其連接桿高度不一， 計量檢測時須保證其與標準測力儀的受力方向在同一垂直軸線上， 需對飾面磚拉拔儀與標準測力儀的同軸度及上下連接位置進行調(diào)節(jié)， 測力與測量儀連接間隙調(diào)整機構(gòu)采用同軸度效驗棒及滾珠絲桿調(diào)節(jié)模式， 使用同軸度效驗棒調(diào)節(jié)標準測力儀的安裝位置， 使同軸度≤10%， 保證標準測力儀與飾面磚拉拔儀的載荷在同一垂直軸線；滾珠絲桿可升降上平行板，調(diào)節(jié)上、下平行板間距離，以調(diào)節(jié)標準測力儀與飾面磚拉拔儀的連接間隙。

測力裝置機構(gòu)：設(shè)計裝置的整體結(jié)構(gòu)；框體參照電子式萬能試驗機模式，采用四立柱門式結(jié)構(gòu)，保證框體的剛性及垂直度；傳動機構(gòu)采用伺服電機驅(qū)動，雙減速機連軸帶動滾珠絲桿傳動，因標準測力儀安裝位置在底板，則傳動機構(gòu)采用頂部安裝模式，在實際使用中，裝置上平行板的移動速度較低，移動平滑，裝置無晃動，上置式的傳動機構(gòu)滿足需求；

裝置計量溯源輔助機構(gòu)： 為了快速驗證標準測力儀安裝效果，看其力值準確度是否超差，可采用另一相同/更高準確度等級的標準測力儀進行比對觀察； 裝置設(shè)計了反向測力架，壓向力的標準測力儀放置在上平行板，反向測力架下端與安裝好的標準測力儀連接， 加載測量標準測力儀力值準確度。 結(jié)構(gòu)設(shè)計見圖4。

圖4 飾面磚拉拔儀檢測裝置結(jié)構(gòu)簡圖

3 檢驗

按照JJF 1094-2002《測量儀器特性評定》，計量器具的關(guān)鍵技術(shù)指標有分辨力、示值誤差、重復(fù)性、穩(wěn)定性等。檢驗?zāi)康木褪且痦椇瞬檠b配完成的飾面磚拉拔儀檢測裝置以上關(guān)鍵技術(shù)指標能否滿足設(shè)計和使用需求。

3.1 量程

照設(shè)計要求，檢測裝置的量程（1～50）kN。 經(jīng)檢驗：檢測裝置力值測量單元由2 個標準測力儀組成， 量程分別為10kN 及50kN， 其有效測量范圍均為量程的 （10～100）%，技術(shù)指標見表1。

表1 檢測裝置參數(shù)設(shè)定

3.2 示值誤差

選取量程為50kN，準確度等級為0.03 級的疊加式力標準機作為計量標準，對該檢測裝置進行逐點校準，數(shù)據(jù)見表2。

表2 示值誤差測量結(jié)果

10kN 量程示值誤差測量測量同上，示值誤差均符合MPE：±0.3%要求。因此，檢測裝置示值誤差符合設(shè)計及使用要求。

3.3 分辨力

檢測裝置的指示裝置為數(shù)顯式標準負荷測量儀，分辨率為0.1N，經(jīng)檢測，檢測裝置在無載荷時，指示裝置的示值變化最大為0.2N，則分辨力為示值變化范圍的一半，即0.1N，小于標準限值0.29N。 因此，檢測裝置分辨力滿足設(shè)計及使用要求。

3.4 重復(fù)性檢驗

選取量程為50kN，0.03 級的疊加式力標準機作為計量標準，短時間內(nèi)、相同工作及環(huán)境條件下，用該計量標準對檢測裝置各測量點進行10 次重復(fù)性測量。按貝塞爾公式求出其標準偏差，測量結(jié)果及計算見表3。

表3 重復(fù)性測量結(jié)果

10kN 量程重復(fù)性測量同上。

由此可知，檢測裝置實際重復(fù)性滿足設(shè)計及使用要求。

3.5 裝置的長期穩(wěn)定性檢驗

要判斷是裝置的力值顯示是否穩(wěn)定可靠， 運行是否平穩(wěn)，是否有穩(wěn)定性差，數(shù)值跳動等不穩(wěn)定因素，可以讓裝置首次定度后，使用核查標準（0.1 級標準測力儀），每隔一個月，對裝置計量一次，記錄數(shù)據(jù)，持續(xù)4 組測量結(jié)果中的最大值與最小值之差作為該時間段的穩(wěn)定性，測量結(jié)果見表4。

表4 檢測裝置的穩(wěn)定性測量數(shù)據(jù)

10kN 量程長期穩(wěn)定性檢驗同上。

監(jiān)測裝置穩(wěn)定性基本在0.1%以內(nèi)， 符合0.3 級的設(shè)計及使用要求。

3.6 綜合計量性能指標驗證

綜合以上技術(shù)指標經(jīng)不確定度分析可知： 裝置最大的合成標準不確定為0.08%，小于裝置設(shè)計誤差±0.3%絕對值的三分之一。

綜上所述， 本研究所設(shè)計的檢測裝置計量技術(shù)指標滿足設(shè)計要求，符合使用要求。

3.7 實際應(yīng)用驗證

檢測裝置實物圖見圖5。用該檢測裝置對多臺飾面磚拉拔儀進行多次檢測驗證， 數(shù)據(jù)穩(wěn)定性和重復(fù)性均能達到飾面磚拉拔儀的溯源要求。

圖5 檢測裝置實物圖

4 結(jié)束語

經(jīng)過實際應(yīng)用及分析驗證， 所設(shè)計的飾面磚拉拔儀檢測裝置量程、準確度等級、重復(fù)性、穩(wěn)定性以及綜合計量性能指標均滿足飾面磚拉拔儀的量值溯源需求， 有效解決了飾面磚拉拔儀測不出、測不準的難題。