个体防护装备鞋外底耐折性的测量不确定度评定解析

竺宏峰

(中钢集团武汉安全环保研究院有限公司 武汉 430081)

0 引言

鞋外底耐折性是考量个体防护装备鞋类外底耐刺穿性、抗曲折能力的重要指标[1]。根据《个体防护装备 鞋的测试方法》(GB/T 20991—2007)[2]要求，将制备好的试样正确夹持在耐折实验机的测试圆轴上，用割口刀在鞋外底接近耐折线的中间处做一贯穿鞋底的单一割口，在恒定速率下，鞋底通过从最大弯折状态至零弯折状态进行多个周期的机械往返运动。耐折实验后，用割口增长值来评定鞋外底的耐折性能，割口增长长度越大，表示鞋底材料耐折能力越差。鞋外底耐折性不符合标准要求的鞋底，一段时间的穿着使用在有一定磨损的情况下很容易折裂，造成鞋底稳定性和防滑性能大幅下降，影响人身安全。

为了提高外底耐折性测量结果的准确度和一致性，需要对鞋外底耐折性的测量不确定度评定方法进行研究。测量不确定度是建立在误差理论基础上的，它表示由于测量误差的存在而对被测量值不能肯定的程度，是定量说明测量结果质量的一个参数。1个完整的测量结果，不仅仅要有其测量值的大小，还应给出测量的不确定度，用以表示被测量值在一定概率水平处的可接受范围。测量不确定度的大小直接反映测量数据的可信度，测量不确定度越小，其测量值可信度越高。本文采用国际通用的测量不确定度的评定和表述方法，对鞋外底耐折性不确定度进行评定和表示。

本次测量为直接测量，耐折实验机在规定的屈挠角度和屈挠频率的条件下，对试样进行耐折实验，用测量显微放大镜测量割口增长长度。

1 鞋外底耐折性的测量方法

1.1 技术要求

按照《个体防护装备 鞋的测试方法》(GB/T 20991—2007)[2]中规定的测量方法进行实验，连续屈挠30 000次，割口增长不应大于4 mm。

1.2 预处理

取带有内底、去除鞋帮的鞋底作为试样，在(23±2)℃和相对湿度(50±5)%的标准环境中调节至少48 h。

1.3 实验设备

(1)耐折实验机，型号GW-005，测试速度150次/min，曲折角度90°±2°。

(2)测量显微放大镜，型号1983-10X，扩展不确定度U=0.01 mm，k=2。

1.4 实验步骤

经预处理后的鞋底试样，在耐折实验机的传动机械轴最大应力弯折中间位置夹持固定，如图1所示。

将鞋底试样耐折线与中轴平行，同时在中轴正上方平行于耐折线处标记割口点，用(2±0.1)mm刀刃的割口刀在标记点上做1个单一割口，如图2所示。

1—割口刀; 2—试样; 3—传动机械圆轴;4—平行于最大应力线的单一割口

用测量显微放大镜测量鞋底表面割口的初始长度，开启耐折实验机，在(135～150)次/min的恒定速率下进行30 000个周期的往返运动。30 000个周期后，测量试样表面割口的最终长度，割口增长长度为最终割口长度与初始割口长度之差[2]。

2 鞋外底耐折性的测量不确定度评定方法

2.1 数学模型

建造1个适宜的数学模型，是对测量不确定度评定合理性最为重要的1环。鞋底耐折性的测量结果不能直接从耐折实验机上读出，而是采用测量工具经测量后得出数值。在建造模型时将本次实验测量的重复性测量当作相对影响，用系数frep表示，用测量的相对标准偏差来表示相对标准不确定度。因此，用数学表达式表示每组测量值的相互关系，评定不确定度完整的数学模型为

L=frep(L1,L2,……,Ln)

(1)

式中，L为割口增加长度的不确定度；frep为本模型系数。

2.2 分析不确定度的来源

如何准确辨析测量不确定度的来源是测量不确定度评定的重要环节。首先需识别出在鞋外底耐折实验过程中所有会影响不确定度的因素，再剖析这些会影响测量结果的因素，最终总结得出造成影响结果的不确定度一般来源于：①操作者；②检测设备；③被测对象；④测量方法；⑤测量环境。根据鞋外底耐折性的实验特点，其测量不确定度主要来源于A类与B类2个部分。

2.2.1 测量不确定度的A类评定

在规定测量条件下实验得出的数据，用统计分析的方法进行测量不确定分量的评定即为A类评定。A类评定是在重复性实验的基础上进行的。依据预先设计的方案，分析各影响量的作用，在实验时有意识地避免某一影响量控制其对结果的影响，如此在进行重复性实验时便可控制影响的范围。在A类评定时, 为防止重复评定，或遗漏某些影响量，应有条件、有目的地进行。因此，在A类评定时，多次测量实验必须在以下5个相同条件下进行：①同一测量人员；②同一测量设备；③同一测试程序；④同一测量地点；⑤同一测量条件。理论上，实验的标准差的可靠性会随着实验次数的增多而增加。但随着测量次数的增多，测量时间也会相应增加，测量的重复性很难保持一致。因此，必须以测量精度要求为依据，分析测量水平和实际使用中会发生的情况，综合考量选择最合适的测量数量。如果有修正因子或修正值，则需要将算术平均值用作测量结果进行适当校正，然后才能用作最终测量结果。

2.2.2 测量不确定度的B类评定

B类评定一般是首先确定影响量引起观测值变化的范围，同时估计变化的可能分布状态，然后计算不确定度分量。实际上，B类评定在实际上也与统计分析方法有关，是根据其他人的统计分析结果，或理论计算得出的。因此，B类标准不确定度的来源一般是权威机构出具的量值、校准证书、检定的计量器具的准确度水平、标准物质的量值和重复性实验中实验人员估计的极限值等[3]。

2.3 鞋外底耐折性标准不确定度评定

本实验中标准不确定度通过标准偏差表示测量结果。标准不确定度的评定方法有A、B 2类。经分析，本次鞋外底耐折性实验过程中，A类评定不确定度的影响因素为重复测量所带来的标准不确定度，外底耐折性测量值的B类不确定度的影响因素为鞋底耐折实验机测试精度引起的不确定度(如曲折角度、曲折行程等)、测量显微放大镜引起的不确定度、环境温湿度波动变化引起的不确定度。

2.3.1 标准不确定度UA(重复测量引入)

依据《计量标准考核规范》(JJF 1033—2016)中规定，在测量标准的重复性实验中，测量次数不应少于10次。在本次测量中，采用同一设备，在重复性测量条件下测量了同一批次的鞋底样品10次，测量数据和计算结果如表1所示。

表1 鞋外底割口增长结果

按贝塞尔公式计算单次测量的标准偏差为

(2)

(3)

式中，UA为因测量重复性引入的不确定度；S(L)为测量重复性的标准偏差。

2.3.2不确定度UB1(测量显微放大镜引入)

测量显微放大镜的示值误差为系统效应，本次实验使用的测量显微放大镜经仪器计量检测部门校准，符合相关标准规定的实验要求。依据仪器校准证书出具的长度的扩展不确定度为&=0.01 mm，包含因子k为2 ,以UB1作为测量显微放大镜引入的B类标准不确定度为

(4)

式中，UB1为因测量显微放大镜引入的不确定度；U为放大镜测量长度的扩展不确定度；k为包含因子。

2.3.3不确定度UB2(耐折实验机引入)

鞋底曲折实验机经仪器计量检测部门校准，符合相关标准规定的实验要求，依据器校准证书出具的曲折角度的扩展不确定度&=1.0%，包含因子k为2 ,以UB2作为耐折实验机引入的B类标准不确定度为

(5)

式中，UB2为因耐折试验机引入的不确定度；U为耐折试验机转速的扩展不确定度；k为包含因子。

2.3.4不确定度UB3(环境温度变化引入)

(6)

式中，UB3为因环境温度变化引入的不确定度；aB3为区间半宽度；k为包含因子。

2.4 合成标准不确定度评定UC

在本次鞋外底割口长度的不确定度测试模型中，合计引入A类标准不确定度1项，B类标准不确定度3项。将各输入量的标准不确定度合成获得该测量模型的合成标准不确定度。

将上述不确定度的各分量列于表2。

表2 鞋外底割口长度的不确定度分量

合成标准不确定度按下式计算：

(7)

式中，UC为合成标准不确定度；UA为测量重复性引入的不确定度；UBi为本次测量不确定度计算中各B类不确定度。

2.5 扩展不确定度U

在检测机构测量结果的不确定度评估中一般直接取置信水平95%，k=2。

由此，本次鞋外底耐折性测量结果合成标准不确定度的最佳估计值为0.015 mm,取包含因子k=2，其扩展不确定度为

U=k×UC=0.03 mm

式中，U为合成不确定度；k为包含因子；UC为合成标准不确定度。

3 结论

在鞋底耐折实验中，应充分分析影响测量不确定度评定的各种有关因素，通过表格对比，正确使用测量不确定度。本次进行实验的10个样品，取其平均值报告结果，鞋底耐折性的不确定度为(0.496±0.03)mm，包含因子k=2。经过以上不确定度实验的分析，得出本次外底耐折实验的不确定度主要由以下4个方面引起：①样品重复性测量；②测量仪器；③量具；④环境条件的误差。根据分析可知样品重复性测量的不确定性最大，因此为了提高鞋外底耐折性测试结果的准确性和可靠性，应着重注意控制重复性实验影响因素，尽量减少其对测试结果的影响。