基于飾面磚拉拔儀檢測裝置的擴展改造研制

邱南聰

（廣東省珠海市質量計量監(jiān)督檢測所， 廣東 珠海 519000）

0 引言

隨著現(xiàn)代化進程的加快， 越來越多類型的飾面磚被廣泛應用于各類建筑、裝備的外飾面。 無論從美觀、外墻保護、耐污染、耐腐蝕等哪個方面來看，飾面磚都發(fā)揮著越來越不可或缺的重要作用。與此同時，因飾面磚粘接強度不達標導致的飾面磚空鼓、脫落，乃至引發(fā)較為嚴重質量事故、工程事故的情況也時有發(fā)生。 因此，飾面磚粘接強度備受行業(yè)關注。 建筑工程外墻飾面磚的粘結質量如何，是否會脫落，是建筑外墻檢驗的必檢項目，主要通過飾面磚拉拔儀進行檢驗， 所以飾面磚拉拔儀計量性能的準確性，是影響飾面磚粘結強度準確的關鍵因素。 但是目前，飾面磚拉拔儀只有行業(yè)標準，沒有計量檢定規(guī)程和校準規(guī)范。為確保儀器計量/校準的準確性，研制飾面磚拉拔儀檢測裝置， 設計編制科學的飾面磚拉拔儀計量/校準方法，具有重要意義。

1 飾面磚拉拔儀工作原理

按標準要求，使用膠粘劑粘結標準塊與飾面磚見圖1。

圖1 飾面磚拉拔儀標準塊粘結圖

安裝飾面磚拉拔儀見圖2： 飾面磚拉拔儀支架跨在標準塊兩邊，帶萬向節(jié)的連接桿，一端與標準塊連接，一端通過穿心千斤頂中心 （或直接與測力傳感器連接），并與飾面磚表面垂直；調整千斤頂活塞，使活塞升出2mm，并將數(shù)字顯示器調零，再擰緊拉力桿螺母；勻速搖轉飾面磚拉拔儀的搖轉手柄加壓 （或驅動飾面磚拉拔儀的自動加載機構加載），直至飾面磚試樣斷開，飾面磚拉拔儀記錄并顯示該峰值，即為粘結力值。

圖2 飾面磚拉拔儀工作示意圖

2 總體設計

飾面磚拉拔儀的檢測校準， 主要是通過連接機構將拉拔儀與檢測裝置進行串聯(lián)， 然后經(jīng)比較傳遞的方式來實現(xiàn)。 檢測裝置設計要素如下：

2.1 準確度等級

經(jīng)市場調研， 飾面磚拉拔儀的加載及測量單元主要有三種模式：①T 型絲桿手動加載+壓力傳感器；②T 型絲桿手動加載+稱重傳感器； ③T 型絲桿電機自動加載+稱重傳感器（現(xiàn)時最新結構模式）；因此，受加載裝置的平穩(wěn)性及儀器試驗支架剛性的影響， 建筑工業(yè)行業(yè)標準JG/T 507-2016《數(shù)顯式粘結強度檢測儀》，對飾面磚拉拔儀拉拔儀的系統(tǒng)誤差定義為≤1.5%，即1.5 級及以上，結合以上情況， 按檢測標準器計量性能優(yōu)于被檢測儀器3 倍的原則， 為滿足市面常見的1.0 級、1.5 級飾面磚拉拔儀拉拔儀的計量檢測， 依據(jù)國家計量檢定系統(tǒng)表JJG 2045-1990《力值（≤1MN）計量器具檢定系統(tǒng)框圖》，定義飾面磚拉拔儀檢測裝置的準確度等級為0.3 級。

2.2 量程

依據(jù)建筑工業(yè)行業(yè)標準JG/T 507-2016《數(shù)顯式粘結強度檢測儀》，飾面磚拉拔儀的最大試驗力為10kN，但市面上也有不少50kN 以下的拉拔儀（錨固式拉拔儀最大量程為1MN，因測量范圍過于寬廣，本研究暫不予于考慮），因此， 飾面磚拉拔儀檢測裝置的傳感器實際選10kN 與50kN 兩個標準測力儀， 裝置的計量檢定下限從10%～100%，則可以滿足50kN 及10kN 拉拔儀的計量校準需求。

2.3 分辨力

分辨力也是計量器具的重要技術指標， 分辨力設置過大將對儀器的精度產(chǎn)生顯著影響， 設置過小又會提高不必要的成本。因此，儀器分辨力設計通常以對儀器精度不構成明顯影響為原則。 飾面磚拉拔儀檢測裝置的顯示儀器配用標準負荷測量儀，依據(jù)JJG44-2007《標準測力儀檢定規(guī)程》所述，0.3 級標準測力儀量程為10kN、50kN，測量下限以測量范圍最大值的2%進行計算，其分辨力分別為0.29N、0.36N，結合實際情況，將兩個量程對應的分辨力都設置為0.1N， 減小儀器實際分辨力帶入的標準不確定度分量，以致可忽略。

2.4 測量連接件

由圖2 飾面磚拉拔儀工作示意圖可知， 飾面磚拉拔儀工作時，使用帶萬向節(jié)的拉力桿通過穿心千斤頂（或測力傳感器）中心，并與飾面磚表面垂直；對飾面磚拉拔儀進行計量檢測時， 也應參照飾面磚拉拔儀的實際工作模式，保留帶萬向節(jié)的拉力桿。

經(jīng)實際調研，市面上飾面磚拉拔儀的拉力桿，其聯(lián)接端大多為M12、M8 兩種外螺紋，因拉力桿已安裝萬向節(jié)，可自行調節(jié)垂直度， 則檢測裝置的測量連接件可簡單設計為帶內螺紋的連接件，設計圖見圖3。

圖3 飾面磚拉拔儀檢測裝置測量連接桿

2.5 檢測裝置力源

飾面磚拉拔儀均自帶加載裝置， 但在實際檢測中發(fā)現(xiàn)， 使用液壓和渦輪蝸桿模式的加載裝置， 存在以下缺點：①最小加載速率過大，載荷變化過快，難以準確讀數(shù)及檢測點載荷難調節(jié)，檢測效率及準確性都較低；②加載裝置的平穩(wěn)性不足，其搖轉手柄在加壓過程中，手動無法恒速加載， 搖轉手柄停頓時， 力值測量容易產(chǎn)生滯后現(xiàn)象；扭矩大時，會因瞬時過沖的加載，飾面磚拉拔儀試驗支架易產(chǎn)生晃動現(xiàn)象， 以上現(xiàn)象都會導致檢測結果的重復性及復現(xiàn)性過大，無法準確判斷檢測結果；③加載裝置無載荷閉環(huán)加載措施， 無法對載荷進行測量反饋及調節(jié)保持，再加上的螺桿或密封部件，容易產(chǎn)生磨損，導致飾面磚拉拔儀的恒載能力降低。 鑒于飾面磚拉拔儀加載裝置的實際情況，飾面磚拉拔儀檢測裝置需設計平穩(wěn)力源，確保載荷檢測過程中，載荷速率平穩(wěn)，數(shù)值準確可讀，保證檢測結果的準確性及一致性。

飾面磚拉拔儀檢測裝置力源的設計指標： ①加載方式：恒位移速率方式；②最小位移移動速度：0.02mm/min；③最大載荷：50kN。 以上指標，使用現(xiàn)時較普遍成熟的力源組合方案：滾珠絲桿+減速機+伺服電機；經(jīng)計算選型可得，滾珠絲桿：外徑50mm，螺距10mm；減速機：減速比100：1；伺服電機：功率1kW。

2.6 結構設計

從飾面磚拉拔儀檢測裝置所需實現(xiàn)的功能進行全面分析，裝置的構成應包含以下幾個部分：

檢測儀支架承載機構：設計標準測力儀與飾面磚拉拔儀的安放位置及其連接承載模式；飾面磚拉拔儀其試驗支架跨距≥120mm，萬向節(jié)連接桿離承載面約30mm，在此空間內，無法安裝標準測力儀，為保障計量檢測的施力方向為拉向，檢測儀支架承載機構采用平行板結構，下底板上安裝標準測力儀，上平行板放置檢測儀，通過上平行板的穿孔，使用測量連接件，連接標準測力儀及檢測儀萬向節(jié)。

測力與測量儀連接間隙調整機構： 設計標準測力儀與飾面磚拉拔儀連接后， 其同軸度保障及上下間隙調整機構； 因飾面磚拉拔儀試驗支架跨距及其連接桿高度不一， 計量檢測時須保證其與標準測力儀的受力方向在同一垂直軸線上， 需對飾面磚拉拔儀與標準測力儀的同軸度及上下連接位置進行調節(jié)， 測力與測量儀連接間隙調整機構采用同軸度效驗棒及滾珠絲桿調節(jié)模式， 使用同軸度效驗棒調節(jié)標準測力儀的安裝位置， 使同軸度≤10%， 保證標準測力儀與飾面磚拉拔儀的載荷在同一垂直軸線；滾珠絲桿可升降上平行板，調節(jié)上、下平行板間距離，以調節(jié)標準測力儀與飾面磚拉拔儀的連接間隙。

測力裝置機構：設計裝置的整體結構；框體參照電子式萬能試驗機模式，采用四立柱門式結構，保證框體的剛性及垂直度；傳動機構采用伺服電機驅動，雙減速機連軸帶動滾珠絲桿傳動，因標準測力儀安裝位置在底板，則傳動機構采用頂部安裝模式，在實際使用中，裝置上平行板的移動速度較低，移動平滑，裝置無晃動，上置式的傳動機構滿足需求；

裝置計量溯源輔助機構： 為了快速驗證標準測力儀安裝效果，看其力值準確度是否超差，可采用另一相同/更高準確度等級的標準測力儀進行比對觀察； 裝置設計了反向測力架，壓向力的標準測力儀放置在上平行板，反向測力架下端與安裝好的標準測力儀連接， 加載測量標準測力儀力值準確度。 結構設計見圖4。

圖4 飾面磚拉拔儀檢測裝置結構簡圖

3 檢驗

按照JJF 1094-2002《測量儀器特性評定》，計量器具的關鍵技術指標有分辨力、示值誤差、重復性、穩(wěn)定性等。檢驗目的就是要逐項核查裝配完成的飾面磚拉拔儀檢測裝置以上關鍵技術指標能否滿足設計和使用需求。

3.1 量程

照設計要求，檢測裝置的量程（1～50）kN。 經(jīng)檢驗：檢測裝置力值測量單元由2 個標準測力儀組成， 量程分別為10kN 及50kN， 其有效測量范圍均為量程的 （10～100）%，技術指標見表1。

表1 檢測裝置參數(shù)設定

3.2 示值誤差

選取量程為50kN，準確度等級為0.03 級的疊加式力標準機作為計量標準，對該檢測裝置進行逐點校準，數(shù)據(jù)見表2。

表2 示值誤差測量結果

10kN 量程示值誤差測量測量同上，示值誤差均符合MPE：±0.3%要求。因此，檢測裝置示值誤差符合設計及使用要求。

3.3 分辨力

檢測裝置的指示裝置為數(shù)顯式標準負荷測量儀，分辨率為0.1N，經(jīng)檢測，檢測裝置在無載荷時，指示裝置的示值變化最大為0.2N，則分辨力為示值變化范圍的一半，即0.1N，小于標準限值0.29N。 因此，檢測裝置分辨力滿足設計及使用要求。

3.4 重復性檢驗

選取量程為50kN，0.03 級的疊加式力標準機作為計量標準，短時間內、相同工作及環(huán)境條件下，用該計量標準對檢測裝置各測量點進行10 次重復性測量。按貝塞爾公式求出其標準偏差，測量結果及計算見表3。

表3 重復性測量結果

10kN 量程重復性測量同上。

由此可知，檢測裝置實際重復性滿足設計及使用要求。

3.5 裝置的長期穩(wěn)定性檢驗

要判斷是裝置的力值顯示是否穩(wěn)定可靠， 運行是否平穩(wěn)，是否有穩(wěn)定性差，數(shù)值跳動等不穩(wěn)定因素，可以讓裝置首次定度后，使用核查標準（0.1 級標準測力儀），每隔一個月，對裝置計量一次，記錄數(shù)據(jù)，持續(xù)4 組測量結果中的最大值與最小值之差作為該時間段的穩(wěn)定性，測量結果見表4。

表4 檢測裝置的穩(wěn)定性測量數(shù)據(jù)

10kN 量程長期穩(wěn)定性檢驗同上。

監(jiān)測裝置穩(wěn)定性基本在0.1%以內， 符合0.3 級的設計及使用要求。

3.6 綜合計量性能指標驗證

綜合以上技術指標經(jīng)不確定度分析可知： 裝置最大的合成標準不確定為0.08%，小于裝置設計誤差±0.3%絕對值的三分之一。

綜上所述， 本研究所設計的檢測裝置計量技術指標滿足設計要求，符合使用要求。

3.7 實際應用驗證

檢測裝置實物圖見圖5。用該檢測裝置對多臺飾面磚拉拔儀進行多次檢測驗證， 數(shù)據(jù)穩(wěn)定性和重復性均能達到飾面磚拉拔儀的溯源要求。

圖5 檢測裝置實物圖

4 結束語

經(jīng)過實際應用及分析驗證， 所設計的飾面磚拉拔儀檢測裝置量程、準確度等級、重復性、穩(wěn)定性以及綜合計量性能指標均滿足飾面磚拉拔儀的量值溯源需求， 有效解決了飾面磚拉拔儀測不出、測不準的難題。