個體防護裝備鞋外底耐折性的測量不確定度評定解析

竺宏峰

(中鋼集團武漢安全環保研究院有限公司 武漢 430081)

0 引言

鞋外底耐折性是考量個體防護裝備鞋類外底耐刺穿性、抗曲折能力的重要指標[1]。根據《個體防護裝備 鞋的測試方法》(GB/T 20991—2007)[2]要求，將制備好的試樣正確夾持在耐折實驗機的測試圓軸上，用割口刀在鞋外底接近耐折線的中間處做一貫穿鞋底的單一割口，在恒定速率下，鞋底通過從最大彎折狀態至零彎折狀態進行多個周期的機械往返運動。耐折實驗后，用割口增長值來評定鞋外底的耐折性能，割口增長長度越大，表示鞋底材料耐折能力越差。鞋外底耐折性不符合標準要求的鞋底，一段時間的穿著使用在有一定磨損的情況下很容易折裂，造成鞋底穩定性和防滑性能大幅下降，影響人身安全。

為了提高外底耐折性測量結果的準確度和一致性，需要對鞋外底耐折性的測量不確定度評定方法進行研究。測量不確定度是建立在誤差理論基礎上的，它表示由于測量誤差的存在而對被測量值不能肯定的程度，是定量說明測量結果質量的一個參數。1個完整的測量結果，不僅僅要有其測量值的大小，還應給出測量的不確定度，用以表示被測量值在一定概率水平處的可接受范圍。測量不確定度的大小直接反映測量數據的可信度，測量不確定度越小，其測量值可信度越高。本文采用國際通用的測量不確定度的評定和表述方法，對鞋外底耐折性不確定度進行評定和表示。

本次測量為直接測量，耐折實驗機在規定的屈撓角度和屈撓頻率的條件下，對試樣進行耐折實驗，用測量顯微放大鏡測量割口增長長度。

1 鞋外底耐折性的測量方法

1.1 技術要求

按照《個體防護裝備 鞋的測試方法》(GB/T 20991—2007)[2]中規定的測量方法進行實驗，連續屈撓30 000次，割口增長不應大于4 mm。

1.2 預處理

取帶有內底、去除鞋幫的鞋底作為試樣，在(23±2)℃和相對濕度(50±5)%的標準環境中調節至少48 h。

1.3 實驗設備

(1)耐折實驗機，型號GW-005，測試速度150次/min，曲折角度90°±2°。

(2)測量顯微放大鏡，型號1983-10X，擴展不確定度U=0.01 mm，k=2。

1.4 實驗步驟

經預處理后的鞋底試樣，在耐折實驗機的傳動機械軸最大應力彎折中間位置夾持固定，如圖1所示。

將鞋底試樣耐折線與中軸平行，同時在中軸正上方平行于耐折線處標記割口點，用(2±0.1)mm刀刃的割口刀在標記點上做1個單一割口，如圖2所示。

1—割口刀; 2—試樣; 3—傳動機械圓軸;4—平行于最大應力線的單一割口

用測量顯微放大鏡測量鞋底表面割口的初始長度，開啟耐折實驗機，在(135～150)次/min的恒定速率下進行30 000個周期的往返運動。30 000個周期后，測量試樣表面割口的最終長度，割口增長長度為最終割口長度與初始割口長度之差[2]。

2 鞋外底耐折性的測量不確定度評定方法

2.1 數學模型

建造1個適宜的數學模型，是對測量不確定度評定合理性最為重要的1環。鞋底耐折性的測量結果不能直接從耐折實驗機上讀出，而是采用測量工具經測量后得出數值。在建造模型時將本次實驗測量的重復性測量當作相對影響，用系數frep表示，用測量的相對標準偏差來表示相對標準不確定度。因此，用數學表達式表示每組測量值的相互關系，評定不確定度完整的數學模型為

L=frep(L1,L2,……,Ln)

(1)

式中，L為割口增加長度的不確定度；frep為本模型系數。

2.2 分析不確定度的來源

如何準確辨析測量不確定度的來源是測量不確定度評定的重要環節。首先需識別出在鞋外底耐折實驗過程中所有會影響不確定度的因素，再剖析這些會影響測量結果的因素，最終總結得出造成影響結果的不確定度一般來源于：①操作者；②檢測設備；③被測對象；④測量方法；⑤測量環境。根據鞋外底耐折性的實驗特點，其測量不確定度主要來源于A類與B類2個部分。

2.2.1 測量不確定度的A類評定

在規定測量條件下實驗得出的數據，用統計分析的方法進行測量不確定分量的評定即為A類評定。A類評定是在重復性實驗的基礎上進行的。依據預先設計的方案，分析各影響量的作用，在實驗時有意識地避免某一影響量控制其對結果的影響，如此在進行重復性實驗時便可控制影響的范圍。在A類評定時, 為防止重復評定，或遺漏某些影響量，應有條件、有目的地進行。因此，在A類評定時，多次測量實驗必須在以下5個相同條件下進行：①同一測量人員；②同一測量設備；③同一測試程序；④同一測量地點；⑤同一測量條件。理論上，實驗的標準差的可靠性會隨著實驗次數的增多而增加。但隨著測量次數的增多，測量時間也會相應增加，測量的重復性很難保持一致。因此，必須以測量精度要求為依據，分析測量水平和實際使用中會發生的情況，綜合考量選擇最合適的測量數量。如果有修正因子或修正值，則需要將算術平均值用作測量結果進行適當校正，然后才能用作最終測量結果。

2.2.2 測量不確定度的B類評定

B類評定一般是首先確定影響量引起觀測值變化的范圍，同時估計變化的可能分布狀態，然后計算不確定度分量。實際上，B類評定在實際上也與統計分析方法有關，是根據其他人的統計分析結果，或理論計算得出的。因此，B類標準不確定度的來源一般是權威機構出具的量值、校準證書、檢定的計量器具的準確度水平、標準物質的量值和重復性實驗中實驗人員估計的極限值等[3]。

2.3 鞋外底耐折性標準不確定度評定

本實驗中標準不確定度通過標準偏差表示測量結果。標準不確定度的評定方法有A、B 2類。經分析，本次鞋外底耐折性實驗過程中，A類評定不確定度的影響因素為重復測量所帶來的標準不確定度，外底耐折性測量值的B類不確定度的影響因素為鞋底耐折實驗機測試精度引起的不確定度(如曲折角度、曲折行程等)、測量顯微放大鏡引起的不確定度、環境溫濕度波動變化引起的不確定度。

2.3.1 標準不確定度UA(重復測量引入)

依據《計量標準考核規范》(JJF 1033—2016)中規定，在測量標準的重復性實驗中，測量次數不應少于10次。在本次測量中，采用同一設備，在重復性測量條件下測量了同一批次的鞋底樣品10次，測量數據和計算結果如表1所示。

表1 鞋外底割口增長結果

按貝塞爾公式計算單次測量的標準偏差為

(2)

(3)

式中，UA為因測量重復性引入的不確定度；S(L)為測量重復性的標準偏差。

2.3.2不確定度UB1(測量顯微放大鏡引入)

測量顯微放大鏡的示值誤差為系統效應，本次實驗使用的測量顯微放大鏡經儀器計量檢測部門校準，符合相關標準規定的實驗要求。依據儀器校準證書出具的長度的擴展不確定度為&=0.01 mm，包含因子k為2 ,以UB1作為測量顯微放大鏡引入的B類標準不確定度為

(4)

式中，UB1為因測量顯微放大鏡引入的不確定度；U為放大鏡測量長度的擴展不確定度；k為包含因子。

2.3.3不確定度UB2(耐折實驗機引入)

鞋底曲折實驗機經儀器計量檢測部門校準，符合相關標準規定的實驗要求，依據器校準證書出具的曲折角度的擴展不確定度&=1.0%，包含因子k為2 ,以UB2作為耐折實驗機引入的B類標準不確定度為

(5)

式中，UB2為因耐折試驗機引入的不確定度；U為耐折試驗機轉速的擴展不確定度；k為包含因子。

2.3.4不確定度UB3(環境溫度變化引入)

(6)

式中，UB3為因環境溫度變化引入的不確定度；aB3為區間半寬度；k為包含因子。

2.4 合成標準不確定度評定UC

在本次鞋外底割口長度的不確定度測試模型中，合計引入A類標準不確定度1項，B類標準不確定度3項。將各輸入量的標準不確定度合成獲得該測量模型的合成標準不確定度。

將上述不確定度的各分量列于表2。

表2 鞋外底割口長度的不確定度分量

合成標準不確定度按下式計算：

(7)

式中，UC為合成標準不確定度；UA為測量重復性引入的不確定度；UBi為本次測量不確定度計算中各B類不確定度。

2.5 擴展不確定度U

在檢測機構測量結果的不確定度評估中一般直接取置信水平95%，k=2。

由此，本次鞋外底耐折性測量結果合成標準不確定度的最佳估計值為0.015 mm,取包含因子k=2，其擴展不確定度為

U=k×UC=0.03 mm

式中，U為合成不確定度；k為包含因子；UC為合成標準不確定度。

3 結論

在鞋底耐折實驗中，應充分分析影響測量不確定度評定的各種有關因素，通過表格對比，正確使用測量不確定度。本次進行實驗的10個樣品，取其平均值報告結果，鞋底耐折性的不確定度為(0.496±0.03)mm，包含因子k=2。經過以上不確定度實驗的分析，得出本次外底耐折實驗的不確定度主要由以下4個方面引起：①樣品重復性測量；②測量儀器；③量具；④環境條件的誤差。根據分析可知樣品重復性測量的不確定性最大，因此為了提高鞋外底耐折性測試結果的準確性和可靠性，應著重注意控制重復性實驗影響因素，盡量減少其對測試結果的影響。