論定速摩擦試驗(yàn)機(jī)檢測(cè)結(jié)果不確定度的評(píng)定

王海

前言

在汽車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)中，制動(dòng)襯片磨損率是其重要的性能指標(biāo)，主要受溫度等因素影響，并決定著制動(dòng)器使用壽命。在利用定速摩擦試驗(yàn)機(jī)對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)的過(guò)程中，不確定性影響因素主要包括測(cè)量分散性、傳感器誤差等，需要在相關(guān)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)要求下，明確不確定性影響因素的產(chǎn)生原因和影響作用。

1　定速摩擦試驗(yàn)機(jī)測(cè)量試驗(yàn)

在實(shí)際測(cè)量活動(dòng)中，不確定性影響因素客觀存在，測(cè)量不確定度的意義是表征被測(cè)量值的分散性以及與測(cè)量結(jié)果相關(guān)聯(lián)的參數(shù)。在進(jìn)行不確定度評(píng)定之前，首先要明確其測(cè)量試驗(yàn)過(guò)程。根據(jù)《汽車(chē)用制動(dòng)器襯片》（GB5763-2008）的規(guī)定，其摩擦性能的關(guān)鍵參數(shù)主要是指摩擦系數(shù)與磨損率，需要使用定速摩擦試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行檢測(cè)試驗(yàn)[1]。

具體的檢測(cè)方法可采用《汽車(chē)用制動(dòng)器襯片》（GB5763-2008）標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的方法。測(cè)量試驗(yàn)使用的儀器設(shè)備具體為XD-MSM型定速摩擦試驗(yàn)機(jī)，其正壓強(qiáng)0.98MPa，圓盤(pán)旋轉(zhuǎn)軸中心距離試片中心的距離為0.150m，設(shè)定轉(zhuǎn)速490r/min，轉(zhuǎn)數(shù)5000r。被檢測(cè)對(duì)象是某廠生產(chǎn)的盤(pán)式汽車(chē)制動(dòng)器襯片，共包含4類(lèi)襯片，分別從每個(gè)襯片上取量塊樣片，制成標(biāo)稱尺寸25×25mm、厚度為5～7mm的標(biāo)準(zhǔn)樣片[2]。

2　檢測(cè)結(jié)果不確定度評(píng)定模型的構(gòu)建

要得出定速摩擦試驗(yàn)機(jī)檢測(cè)結(jié)果不確定度，首先要建立數(shù)學(xué)分析模型，列出判斷結(jié)果的不確定度公式。在對(duì)摩擦材料磨損率進(jìn)行測(cè)量時(shí)，要采用數(shù)顯卡尺對(duì)摩擦片尺寸進(jìn)行測(cè)量，采用千分尺對(duì)摩擦片厚度變化進(jìn)行測(cè)量，采用力傳感器對(duì)摩擦力進(jìn)行測(cè)量，并采用轉(zhuǎn)速傳感器對(duì)試驗(yàn)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)量。然后利用公式V=（1/2πR）×（A/n）×[（d1-d2）/fm]計(jì)算出摩擦片磨損率。考慮多次測(cè)量結(jié)果的分散度影響，采用△d=（d1-d2）替換到上述公式中，得到計(jì)算模型 V=λ×（1/2πR）×（A/n）×[△d/fm]。在該模型中，V是摩擦片磨損率，單位是cm3/（N·m），λ是多次測(cè)量分散度，取值為λ=1。R是圓盤(pán)旋轉(zhuǎn)軸中心與試片中心的距離，取值為R=0.150m，A是試片摩擦面總面積，取值為A=12.50cm2，n是圓盤(pán)總轉(zhuǎn)數(shù)?！鱠為試驗(yàn)前后的摩擦片厚度變化量，d1為試驗(yàn)前平均厚度，d2為試驗(yàn)后平均厚度，單位為cm。fm為總平均摩擦力，單位為N。將已知參數(shù)代入上述模型，即可得到測(cè)量結(jié)果數(shù)學(xué)模型 V=13.263×λ×（1/n）×（△d/fm）。模型中的各分量互不相關(guān)，可以根據(jù)不確定度傳播率，得到不確定度計(jì)算公式。其中c1～c4的值分別為1，-1，1，-1。其不確定度來(lái)源于：①多次測(cè)量結(jié)果的分散性；②轉(zhuǎn)速傳感器誤差；③試驗(yàn)前后摩擦厚度平均變化量；④總平均摩擦力測(cè)量誤差。

3　不確定度分量評(píng)估及合成

3.1　不確定度分量評(píng)估

在進(jìn)行定速摩擦試驗(yàn)機(jī)測(cè)量結(jié)果不確定度評(píng)定過(guò)程中，首先要對(duì)不確定度分量進(jìn)行評(píng)估。具體評(píng)定過(guò)程如下：

（1）測(cè)量分散性的不確定度，采用不確定度A類(lèi)評(píng)定方法，對(duì)200℃下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)分析。在試驗(yàn)中采用統(tǒng)一品牌、材料、規(guī)格和批次的盤(pán)式汽車(chē)制動(dòng)器襯片兩組，按《汽車(chē)用制動(dòng)器襯片》（GB5763-2008）標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行切割，得到8對(duì)標(biāo)準(zhǔn)試件，進(jìn)行8次測(cè)量試驗(yàn)，分別記錄試驗(yàn)試件的總轉(zhuǎn)數(shù)、總平均摩擦力和平均厚度差，并采用上述數(shù)學(xué)模型計(jì)算試片磨損率。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果，測(cè)量試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差為0.0149，標(biāo)準(zhǔn)不確定度為0.0086，自由度為7，計(jì)算得到相對(duì)不確定度為3.58%；

（2）傳感器誤差的不確定度，采用不確定度B類(lèi)評(píng)定方法，首先測(cè)量轉(zhuǎn)數(shù)精度產(chǎn)生的不確定度，根據(jù)設(shè)備技術(shù)規(guī)格書(shū)的要求，試驗(yàn)機(jī)的磨盤(pán)總轉(zhuǎn)數(shù)測(cè)量誤差為±1r，基于均勻分布的考慮，k取值為，得到標(biāo)準(zhǔn)不確定度為0.577。每次試驗(yàn)的設(shè)定轉(zhuǎn)速為5000r，則相對(duì)不確定度為0.012%，自由度為+∞。然后測(cè)量顯示分辨力導(dǎo)致的不確定度，試驗(yàn)機(jī)顯示最小分辨力為1r，基于均勻分布的考慮，k取值為，則標(biāo)準(zhǔn)不確定度為0.289，每次試驗(yàn)轉(zhuǎn)數(shù)為5000r，可以得到相對(duì)不確定度為0.0058%，自由度為+∞。最后測(cè)量轉(zhuǎn)數(shù)測(cè)量合成的不確定度，由于傳感器的多次重復(fù)測(cè)量不確定度包含在了λ中，不再重復(fù)考慮，轉(zhuǎn)數(shù)測(cè)量合成的不確定度為0.013%，自由度為+∞。

（3）試驗(yàn)前后摩擦片厚度的平均變化量測(cè)量不確定度，采用B類(lèi)評(píng)定方法，其中△d=d2-d1包含d2和d1的不確定度，d1不確定度來(lái)源于千分尺精度、千分尺分辨力和千分尺合成不確定度。根據(jù)千分尺的技術(shù)規(guī)格書(shū)，精度取±0.01mm，k值取，精度的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為0.0577，試片平均厚度6mm，相對(duì)不確定度為0.00096%，自由度為+∞。千分尺最小分辨力為0.001mm，k值取，標(biāo)準(zhǔn)不確定度為0.00029，相對(duì)不確定度為0.0048%，自由度為+∞。千分尺合成不確定度為0.096%，自由度為+∞。d2的不確定度與d1相等，也為0.096%，然后根據(jù)互不相關(guān)合成規(guī)則，可得到△d的不確定度為0.14%，自由度為+∞。

（4）總平均摩擦力測(cè)量誤差的不確定度采用B類(lèi)方法進(jìn)行評(píng)定，總平均摩擦力誤差主要是因傳感器精度引起的，測(cè)量誤差為±10N，基于均勻分布的考慮，k取值為，標(biāo)準(zhǔn)不確定度為5.77N，8次試驗(yàn)中的總平均摩擦力為339.63N，可以計(jì)算出相對(duì)不確定度為1.69%，自由度為+∞。考慮到摩擦力顯示分辨力是1N，精度允許誤差為1/10，可以忽略因分辨力產(chǎn)生的不確定度，多次測(cè)量重復(fù)性的不確定度已經(jīng)包含在λ中，也不需要重復(fù)計(jì)算。

3.2　不確定度分量合成

得到各不確定度分量的評(píng)定結(jié)果后，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量的互不相關(guān)性，可以得出合成不確定度為3.96%，有效自由度為10。按照置信概率p取0.95進(jìn)行計(jì)算，查閱t分布表，可以得到k=2.23，由此可以確定定速摩擦試驗(yàn)機(jī)測(cè)量結(jié)果擴(kuò)展不確定度為8.83%。

3.3　測(cè)量不確定度報(bào)告

測(cè)量不確定度報(bào)告的分析和計(jì)算主要根據(jù)《測(cè)量不確定度評(píng)定與表示》（JJF1059.1-2012）標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行，得到試驗(yàn)機(jī)速度示值的誤差測(cè)量結(jié)果擴(kuò)展不確定度為8.83%，有效自由度為10。從上述不確定度評(píng)定過(guò)程來(lái)看，由于同批次取樣試件數(shù)量較少，僅做8組重復(fù)實(shí)驗(yàn)，所以數(shù)據(jù)穩(wěn)定性相對(duì)較差。但磨損率檢測(cè)試驗(yàn)完全根據(jù)規(guī)定的壓力、轉(zhuǎn)數(shù)和摩擦軌跡要求進(jìn)行，基本能夠反映出各不確定分量對(duì)測(cè)量整體的影響度。測(cè)量前后的摩擦片體積變化量根據(jù)試片面積和厚度變化量乘積確定。試驗(yàn)中采用的摩擦試片采取磨削方法制成，加工誤差和模具測(cè)量誤差均較小。

4　結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，通過(guò)對(duì)定速摩擦試驗(yàn)機(jī)測(cè)量結(jié)果不確定度進(jìn)行評(píng)定分析，采用數(shù)學(xué)模型分析方法，在明確不確定度分量的基礎(chǔ)上，對(duì)其具體影響進(jìn)行研究，可以得出各不確定分量與測(cè)量結(jié)果不確定性的關(guān)聯(lián)性。以此為依據(jù)，對(duì)試驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行控制，可以提高定速摩擦試驗(yàn)機(jī)測(cè)量檢測(cè)結(jié)果的可靠性。

[1]姜禮義，黃長(zhǎng)城，姜志堅(jiān)，吳沨.定速式摩擦試驗(yàn)機(jī)自動(dòng)化檢測(cè)技術(shù)的研究[J].科技與企業(yè)，2016（09）：189+191.

[2]孫慶華，李曉盼，張雪竹.定速式摩擦試驗(yàn)機(jī)磨損率測(cè)量不確定度評(píng)定分析[J].北京汽車(chē)，2015（06）：7～10.