液壓千斤頂壓力示值不確定度分析及精度改善

朱可加，張恕遠(yuǎn)

（西華大學(xué)，四川 成都 610039）

0 引 言

近年來，隨著我國公路和鐵路建設(shè)的迅猛發(fā)展，在結(jié)構(gòu)工程和基樁工程中（例如起重、彎曲、校直、擠壓、剪切、鉚焊、頂升、拉伸、拆裝、沖孔、建筑鋼筋擠壓、橋梁、工程機(jī)械等各種作業(yè)），油泵-千斤頂既是張拉施力設(shè)備，同時(shí)也是自身施力大小的測讀設(shè)備，因此其性能可靠度和指標(biāo)準(zhǔn)確度直接影響預(yù)應(yīng)力施工質(zhì)量，決定著有效預(yù)應(yīng)力的大小和均勻度：施力過大，會破壞試件甚至導(dǎo)致設(shè)備損壞；施力過小，會使工程質(zhì)量下降，達(dá)不到預(yù)期效果。所以，千斤頂?shù)男?zhǔn)至關(guān)重要，本文對千斤頂檢定中不確定度來源及大小進(jìn)行分析并提出改善方法。

1 液壓千斤頂不確定度來源分析

液壓千斤頂主要由千斤頂、油泵及相應(yīng)的油路和配套壓力表組成，其測量結(jié)果不確定度來源主要有以下4個(gè)方面：

（1）在規(guī)定的工程環(huán)境條件和標(biāo)準(zhǔn)工作位置狀態(tài)下，標(biāo)準(zhǔn)測力儀引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量U，由檢定證書和重復(fù)性考核結(jié)果可知，U=0.3%（取最大值）；

（2）在規(guī)定的工作環(huán)境條件和標(biāo)準(zhǔn)工作位置狀態(tài)下，液壓千斤頂重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量U重；

（3）示值估讀誤差引入的不確定度分量U估；

（4）數(shù)據(jù)修約引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量U修。

根據(jù)以上分析，建立模型：

式中：P——千斤頂?shù)膲毫κ局担?/p>

F——千斤頂所受壓力值；

S——千斤頂活塞面積；

P重——千斤頂重復(fù)性引入的誤差值；

P估——千斤頂估讀引入的誤差值；

P修——數(shù)據(jù)修約引入的誤差值。

計(jì)算各分量的傳播系數(shù)如下：

標(biāo)準(zhǔn)器引入的不確定度C1為

檢定重復(fù)性引入的不確定度傳播系數(shù)C2為

示值估讀誤差引入的不確定度C3為

數(shù)據(jù)修約引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度C4為

2 液壓千斤頂?shù)臉?biāo)準(zhǔn)不確定度的評定

以一臺中鐵X局2500kN千斤頂配1.6級60MP壓力表為例，來分析液壓千斤頂不確定度，取最大值2500kN點(diǎn)來計(jì)算。

2.1 標(biāo)準(zhǔn)器引入的不確定度u1

標(biāo)準(zhǔn)器引入的不確定度屬B類，選用0.3級標(biāo)準(zhǔn)測力儀，在規(guī)定的工作環(huán)境條件和標(biāo)準(zhǔn)工作位置狀態(tài)下，由計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)考核證書可知，U=0.3%（最大值），分布為正態(tài)分布，查JJF 1059-1999《測量不確定度評定與表示》“正態(tài)分布情況下置信概率p與包含因子kp關(guān)系表”，取k=2。根據(jù)原始記錄，千斤頂活塞面積S=0.045 92m2，C1=21.78，在液壓千斤頂壓力指示器示值54MPa處，力值為2466.2kN，則標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u1為

2.2 液壓千斤頂重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u2

液壓千斤頂重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量包括千斤頂指示器輕敲變動量和估讀誤差等引入的不確定度分量?？梢酝ㄟ^連續(xù)測量列，采用A類方法評定，選擇2400kN測量點(diǎn)進(jìn)行分析評定，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 改善前試驗(yàn)結(jié)果

由試驗(yàn)結(jié)果得：極差R=0.8（MPa），采用極差法計(jì)算，u2（P）=s（xi）=R。由n=6，查JJF 1059-1999《測量不確定度評定與表示》極差系數(shù)表，C=2.53，代入得

2.3 液壓千斤頂指示器(壓力表)準(zhǔn)確度所引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u3

液壓千斤頂所配用的壓力表量程為60MPa，準(zhǔn)確度為1.6級，屬均勻分布，查JJF 1059-1999《測量不確定度評定與表示》中常用分布于k、u（x）i的關(guān)系表，k=，則：

2.4 數(shù)字估讀誤差引入的不確定度分量u4

數(shù)字估讀誤差引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度屬于均勻分布，1.6級壓力表最小分度為1MPa，取極限半寬0.5MPa計(jì)算，則：

2.5 不確定度合成

千斤頂各不確定度類別及大小匯總見表2。

表2 千斤頂各不確定度類別及大小

合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

其相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

相對擴(kuò)展不確定度Urel取包含因子k=2，則：

根據(jù)JJG 621-2005《液壓千斤頂檢定規(guī)程》第4.4項(xiàng)，結(jié)構(gòu)工程中千斤頂?shù)闹貜?fù)性、內(nèi)插誤差、相對分辨力應(yīng)在2%以內(nèi)，該千斤頂不確定度已超出允許范圍，力值存在較大誤差，不宜使用。

3 千斤頂不確定度的改善

3.1 改善方法

根據(jù)以上分析計(jì)算可以看出，千斤頂不確定度較大的因素主要有重復(fù)性、壓力表準(zhǔn)確度、估讀誤差。由此可知，可由以下3個(gè)方面提高千斤頂?shù)牟淮_定度：

（1）使用重復(fù)性良好的千斤頂，例如活塞能自由活動，空載運(yùn)行時(shí)無明顯斷續(xù)式位移現(xiàn)象，在保壓時(shí)無因內(nèi)部密封不嚴(yán)而產(chǎn)生的泄漏情況。

（2）在選擇壓力表時(shí)準(zhǔn)確度等級盡量選擇0.4級以上的抗震壓力表，表盤刻度及其標(biāo)記清晰，指針無松動和彎曲，加力時(shí)指針走動均勻，無停滯和跳動現(xiàn)象。

（3）操作人員應(yīng)有一定操作經(jīng)驗(yàn)，操作液壓泵供油均勻、加力平緩，在讀數(shù)時(shí)視線應(yīng)與壓力表盤垂直。

3.2 改善后千斤頂不確定度分析

還是以上述中鐵X局2500 kN千斤頂為例，本次配0.4級60MP抗震壓力表檢定，同樣取最大值2 500kN點(diǎn)來計(jì)算，重復(fù)性如表3所示。

表3 改善后實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

由重復(fù)性引入的不確定度為

由壓力表引入的不確定度為

由讀數(shù)誤差引入的不確定度為

改善后千斤頂各不確定度類別及大小匯總見表4。

表4 改善后千斤頂各不確定度類別及大小

合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

其相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度

相對擴(kuò)展不確定度Urel取包含因子k=2，則：

4 結(jié)束語

施工中，若采用傳統(tǒng)的控制方法，操作過程受人為因素干擾較大，油壓表由于沒有硬性規(guī)定，且多采用1.0級甚至1.5級低精度油壓表，讀數(shù)準(zhǔn)確度不高，指標(biāo)數(shù)據(jù)檢測手段和控制調(diào)節(jié)手段都較為落后，無法滿足施工中高精度要求。傳統(tǒng)預(yù)應(yīng)力和索力張拉施工工藝缺乏高效可靠的現(xiàn)代化工程測控手段和驗(yàn)收評估標(biāo)準(zhǔn)等軟件體系作為輔助支撐，停留在較為粗放和落后的技術(shù)狀態(tài)。如果相關(guān)參數(shù)、數(shù)據(jù)的檢測和控制，能通過先進(jìn)傳感器技術(shù)、數(shù)顯技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、無線通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)等智能化手段來實(shí)現(xiàn)，最大限度地排除人為因素和環(huán)境條件的干擾和影響，將有利于施工質(zhì)量的提高。通過以上分析可以看出，千斤頂校準(zhǔn)中存在的不確定因素很多，本文只是提出了部分改善建議，為實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)人員和工地施工的現(xiàn)場操作人員對改善儀器性能提供參考，希望大家能發(fā)現(xiàn)更多問題，保障工程中預(yù)應(yīng)力施工的安全及質(zhì)量。

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