鋼結構用高強度大六角螺栓楔負載試驗抗拉強度的不確定度評定

劉 楊， 賈仕君， 巴發海

(上海材料研究所 檢測中心 國家金屬材料質量監督檢驗中心， 上海 200437)

鋼結構用高強度大六角螺栓連接副屬于摩擦型高強度螺栓連接件，在鐵路、公路、橋梁、鍋爐、風電、民用建筑及起重機械等行業中被廣泛應用。其產品必須滿足GB/T 1231—2006《鋼結構用高強度大六角頭螺栓、大六角螺母、墊圈與技術條件》的技術要求,筆者按照JJF 1059.1—2012《測量不確定度評定與表示》及CNAS-GL009—2018《材料理化檢驗測量不確定度評估指南及實例》提出的評定步驟，對螺栓楔負載試驗抗拉強度的測量結果進行了不確定度評定[1]。

1 試驗方法

試驗使用M20 mm的10.9級高強度大六角螺栓，公差等級為g6。根據GB/T 3098.1—2010《緊固件機械性能 螺栓、螺釘和螺柱》及GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》的技術要求，采用WES2000型液壓萬能試驗機對螺栓進行拉伸試驗，檢定證書為1級，楔塊角度為10°，GB/T 228.1—2010對溫度的要求為10～35 ℃，試驗室溫度為(24±2) ℃，相對濕度小于80%。試驗首先在規定環境和加載速度下對試樣施加偏心拉力，測試最大力值，并通過計算得到抗拉強度Rm；依據JJF 1059.1—2012和CNAS-GL009—2018對楔負載試驗抗拉強度的測量結果進行不確定度評定。

2 建立數學模型

根據GB/T 3098.1—2010建立的數學模型如下

(1)

3 不確定度來源

對螺栓的拉伸試驗進行分析，可以發現測量結果不確定度的主要來源包括螺栓中徑和小徑允許偏差所引起的不確定度分量u(d3)和u(d2)；試驗力值測量所引起的不確定度分量u(Fm)；拉伸速度帶來的不確定度分量u(Rm，v)，因為液壓萬能試驗機的速度是手動控制的，不穩定；數值修約帶來的不確定度分量u(Rm，rou)[2]。而試驗中加入楔塊主要目的是檢測螺栓頭部與無螺紋桿部或螺紋部分連接處的牢固性，對抗拉強度影響較小，可以忽略。

4 不確定度分量的評定

4.1 螺栓中徑和小徑允許偏差所引起的不確定度分量u(d3)和u(d2)

(2)

式中：a為區間半寬度；k為置信因子。

此螺栓滿足GB/T 1231—2006的技術要求，由此評定的標準不確定度分量比較可靠，所以一般認為其自由度為無窮大。

4.2 試驗力值測量所引起的不確定度分量u(Fm)

4.2.1 測量重復性及螺栓材料不均勻性所引起的不確定度u(Fm,1)

測量重復性及螺栓材料不均勻性所引起的不確定度可以用統計方法對多根試樣的試驗力值讀數結果進行A類標準不確定度評定。對同一批螺栓隨機抽取8件進行拉伸試驗，結果如表1所示。

表1 最大力試驗結果Tab.1 Maximum force test results kN

表1中的標準偏差S由貝塞爾公式得出，即

(3)

4.2.2 試驗機示值誤差所引起的標準不確定度分量u(Fm,2)

其自由度為

(4)

由韋爾奇-薩特斯韋特(Welch-Satterthwaite)公式可以得到自由度νFm=25。

4.3 拉伸速度帶來的不確定度分量u(Rm，v)

4.4 數值修約帶來的不確定度分量u(Rm，rou)

4.5 合成標準不確定度的計算

因螺栓外螺紋中經和小徑允許偏差、試驗力、拉伸速度及數值修約所引入的不確定度之間彼此獨立且不相關。因此，按照下式計算合成標準不確定度

(5)

由數學模型對各輸入量求偏導數，可得相應的不確定度傳播靈敏系數

(6)

(7)

(8)

將各不確定度分量和不確定度傳播靈敏系數代入公式(5)，可得合成標準不確定度uc(Rm)=9.70 N·mm-2。

4.6 擴展不確定度的評定

擴展不確定度的計算式為

U=kuc(Rm)

(9)

式中：k為包含因子。

一般取k=2，置信概率約為95%，擴展不確定度為U(Rm)=2uc(Rm)=2×9.70=19.40 N·mm-2。

4.7 不確定度報告

抗拉強度Rm為1 114 MPa，擴展不確定度Urel為2%(k=2)，此結果可作為試驗室對外開展此項檢測工作的測量不確定度的評定依據[3]。

5 試驗結果

由上述不確定度分析，可以得到標準不確定度評定情況如表2所示。

6 結論

鋼結構用高強度大六角螺栓楔負載試驗中抗拉強度的不確定度來源主要有最大力值、螺紋尺寸公差、拉伸速度和數值修約。如果螺栓表面有鍍鋅層，建議評定時增加因鍍層而減小螺栓尺寸所引起的不確定度分量。標準測力儀校準源、讀數分辨力等所引起的不確定度分量較小，如果有需要也可以進行評定。

根據對不確定度各分量的評定可以看出，抗拉強度的不確定度主要是最大試驗力值測量和拉伸速度帶來的不確定度。因此在日常工作中應嚴格按照規定定期檢查設備，拉伸速度應嚴格控制在標準規定的范圍內。

表2 標準不確定度分量評定情況Tab.2 Evaluation of standard uncertainty components

對10.9級螺栓抗拉強度的測量不確定度評定結果為：Rm=1 114 MPa，Urel=2%(k=2)。