无釉砖耐磨性能测定仪的试验原理及测量结果的分析研究

薛金，郭贵勇

（福建省计量科学研究院，福建 福州 350003）

0 引言

陶瓷砖是由粘土、长石和石英为主要原料制造的用于覆盖墙面和地面的板状或块状建筑陶瓷制品，根据国家标准GB/T 4100-2015《陶瓷砖》，陶瓷砖按照成型方法可分为挤压成型陶瓷砖和干压成型陶瓷砖，目前市场上常用干压陶瓷砖成型方法。陶瓷砖按表面性能分为无釉陶瓷砖和有釉陶瓷砖，耐磨性是陶瓷砖的一项重要性能指标。如果耐磨性不好，陶瓷砖在使用中表面容易出现划痕、磨损，直接影响到陶瓷砖的装饰效果和消费者的切身利益。本文以无釉砖耐磨性能测定仪为例，阐述了用其测定耐磨性的试验原理，并根据其主要计量参数的校准结果，分析了其量值传递过程中的不确定度评定方法。

1 无釉砖耐磨性试验方法原理

1.1 试验原理

无釉砖的耐磨性试验方法的标准为GB/T 3810.6-2016《陶瓷砖试验方法 第6部分无釉砖耐磨深度的测定》，其原理是在规定条件和有磨料情况下，通过摩擦钢轮在无釉陶瓷砖的正面旋转一定的转数后，在砖表面产生磨坑，测量磨坑弦长并计算出磨损的体积来表示无釉砖的耐磨性。

1.2 试验仪器

无釉砖耐磨性能测定仪主要包括一个摩擦钢轮，一个带有磨料给料装置的贮料斗，一个试样夹具和一个平衡锤。摩擦钢轮是用符合ISO630-1钢材制造的，直径为200mm±0.2mm，边缘厚度为10mm±0.1mm，转速为75r/min。当摩擦钢轮损耗至最初直径的0.5%时，必须更换摩擦钢轮。耐磨性具体试验方法是将干净、干燥的试样固定在无釉砖耐磨性能测定仪的试样夹具上，使试样垂直于夹具底座与摩擦钢轮正切，钢轮以75r/min的速度转动，将磨料按100g/100r±10g/100r的给入速度均匀加入，当钢轮转到150转时，加入磨料质量需为150g±15g，然后测量试样表面的磨坑弦长并计算出磨损体积以表征其耐磨性。

2 无釉砖耐磨性能测定仪的不确定度评定

由于目前并未有无釉转耐磨性能测定仪的国家或部门的检定/校准规程，计量机构只能依据JJF 1071-2010《国家计量校准规范编写规则》及其相关国家、行业标准来制定非标设备校准方法，来对其主要计量参数包括摩擦钢轮的直径、厚度、转速和平衡锤重量进行校准，下面用电子数显卡尺（量程：300mm，MPE：0.04mm）、高精度标准智能测速频率计（不确定度为Urel=0.003%,k=3）、电子天平（量程：5000g，中准确度级）对摩擦钢轮直径和厚度、摩擦钢轮转速及平衡锤质量分别测量三次，将所测得的具体数据为例，分别评定其不确定度。

2.1 摩擦钢轮直径的测量结果不确定度评定

2.1.1 测量模型及不确定度来源分析

（1）测量模型：

式中：D-摩擦钢轮的直径尺寸，mm；d-摩擦钢轮的直径测量值，mm。

（2）不确定度来源。摩擦钢轮直径的测量结果不确定度来源包括：摩擦钢轮直径测量重复性引入的标准不确定度u1(d)，用A类评定方法；电子数显卡尺的准确度引入的标准不确定度u2(d)，用B类评定方法。

2.1.2 标准不确定度评定

（1）摩擦钢轮直径测量重复性引入的标准不确定度u1(d)。根据测量过程，在重复性条件下测量三次摩擦钢轮直径值，由于测量次数较少，采用极差法公式s(d)=（dmax-dmin)/1.69计算单次测量结果的实验标准偏差，其标准不确定度，如表1所示：

表1 不确定度的A类评定Table 1 Type A evaluation of uncertainty

（2）电子数显卡尺的准确度引入的标准不确定度u2(d)。电子数显卡尺的最大允许误差为±0.04mm，估计为均匀分布，其引入的标准不确定度为：

2.1.3 合成标准不确定度及扩展不确定度

（1）标准不确定度汇总表，见表2：

表2 不确定度分量一览表Table 2 List of uncertainty components

（2）合成标准不确定度。标准不确定度汇总表根据不确定度传播规律，合成标准不确定度计算公式为uc(d)2=u1(d)2+u2(d)2，摩擦钢轮直径测量结果的合成标准不确定度为

2.1.4 扩展不确定度

取包含因子k=2，扩展不确定度U=k⋅uc(d)=0.046mm，取0.05mm。

对摩擦钢轮厚度的测量结果不确定度评定可参照上述方法，摩擦钢轮厚度测量结果的扩展不确定度为U=0.05mm，k=2。

2.2 摩擦钢轮转速的测量结果不确定度评定

2.2.1 测量模型及不确定度来源分析

（1）测量模型：

式中：N-摩擦钢轮的转速值，r/min；n-摩擦钢轮的转速测量值，r/min。

（2）不确定度来源。摩擦钢轮转速的测量结果不确定度来源包括：摩擦钢轮转速测量重复性引入的标准不确定度u1(n)，用A类评定方法；高精度标准智能测速频率计的准确度引入的标准不确定度u2(n)，用B类评定方法。

2.2.2 标准不确定度评定

（1）摩擦钢轮转速测量重复性引入的标准不确定度u1(n)。根据测量过程，在重复性条件下测量三次摩擦钢轮转速值，由于测量次数较少，采用极差法公式s(n)=（nmax-nmin)/1.69计算单次测量结果的实验标准偏差，其标准不确定度，如表3所示：

表3 不确定度的A类评定Table 3 Type A evaluation of uncertainty

（2）高精度标准智能测速频率计的准确度引入的标准不确定度u2(n)。高精度标准智能测速频率计的扩展不确定度为Urel=0.003%,k=3，其引入的标准不确定度为：

2.2.3 合成标准不确定度及扩展不确定度

（1）标准不确定度汇总表，见表4：

表4 不确定度分量一览表Table 4 List of uncertainty components

（2）合成标准不确定度。标准不确定度汇总表根据不确定度传播规律，合成标准不确定度计算公式为uc(n)2=u1(n)2+u2(n)2，摩擦钢轮转速测量结果的合成标准不确定度为：

2.2.4 扩展不确定度

取包含因子k=2，扩展不确定度U=k⋅uc(n)=0.06r/min，取0.1r/min。

2.3 平衡锤质量的测量结果不确定度评定

按照GB/T3810.6-2016《陶瓷砖试验方法 第6部分 无釉砖耐磨深度的测定》的试验步骤，做无釉陶瓷砖耐磨试验时，必须进行压力调校，用石英玻璃或浮法玻璃或其他适用的材料，经过F80（ISO 8486-1）刚玉磨料150转后，产生弦长为24mm±0.5mm的磨坑时，才能对试样进行试验。当其他试验条件不变，单独改变平衡锤的配重质量，即可改变试样产生的磨坑弦长，从而影响无釉陶瓷砖耐磨性的试验结果。所以需要对无釉砖耐磨性能测定仪所配的平衡锤质量进行校准，使其所配的平衡锤质量能满足无釉陶瓷砖耐磨性试验的基本要求。

2.3.1 测量模型及不确定度来源分析

（1）测量模型：

式中：M-平衡锤的质量值，g；m-平衡锤的质量测量值，g。

（2）不确定度来源。平衡锤质量的测量结果不确定度来源包括：平衡锤质量测量重复性引入的标准不确定度u1(m)，用A类评定方法；电子天平的准确度引入的标准不确定度u2(m)，用B类评定方法。

2.3.2 标准不确定度评定

（1）平衡锤质量测量重复性引入的标准不确定度u1(m)。根据测量过程，在重复性条件下测量三次平衡锤质量值，由于测量次数较少，采用极差法公式s(m)=（mmax- mmin)/1.69计算单次测量结果的实验标准偏差，其标准不确定度，如表5所示：

表5 不确定度的A类评定Table 5 Type A evaluation of uncertainty

（2）电子天平的准确度引入的标准不确定度u2(m)。电子天平在2.5kg左右称量的最大允许误差为±0.4g，估计为均匀分布，其引入的标准不确定度为：

2.3.3 合成标准不确定度及扩展不确定度

（1）标准不确定度汇总表，见表6：

表6 不确定度分量一览表Table 6 List of uncertainty components

（2）合成标准不确定度。标准不确定度汇总表根据不确定度传播规律，合成标准不确定度计算公式为uc(m)2=u1(m)2+u2(m)2，平衡锤质量测量结果的合成标准不确定度为：

2.3.4 扩展不确定度

取包含因子k=2，扩展不确定度U=k⋅uc(m)=0.46g，取0.5g。

2.4 无釉砖耐磨性能测定仪各参数测量结果的不确定度如表7所示

表7 各参数测量结果的不确定度Table 7 Measurement uncertainty evaluation of various parameters

3 探讨无机地面材料耐磨性能试验设备的测量结果不确定度评定

有些无釉砖耐磨性能测定仪还具有检测无机地面材料耐磨性能的条件，它通过更换摩擦钢轮以及相应的平衡锤配重即可达到试验的要求。混凝土、陶瓷、天然石材等无机地面材料的耐磨性能是依据GB/T 12988-2009《无机地面材料耐磨性能试验方法》来进行试验的，该试验所要求配套的耐磨试验机主要参数是摩擦钢轮的材质为45号钢，调质处理，摩擦钢轮直径为200mm±0.2mm，厚度为70mm±0.1mm，摩擦钢轮的转速为75r/min±5%，配重为14.00kg±0.01kg，当摩擦钢轮直径磨损至199.0mm时应更换。

校准该类耐磨试验机与无釉砖耐磨性能测定仪时所采用的计量标准器具除了电子天平不同外，其余标准器具均相同，由于配重要求较高，所以采用量程为15kg，d=0.1g高准确度等级的电子天平进行校准，该电子天平在14kg左右称量的最大允许误差为1.0g，其引入的标准不确定度为u2(m)=α/k=0.58g（估计为均匀分部，k=（）,配重测量重复性较好，其引入的重复性不确定度可忽略不计，那么耐磨试验机配重的测量结果扩展不确定度U=k⋅uc(m)=1.16g，取1.2g，其他参数测量结果的不确定度评定均可采用以上评定方法。

4 结论

本文通过介绍无釉陶瓷砖耐磨性能试验的方法原理，表明该试验所要求配套的耐磨试验机的钢轮直径大小、磨料下料速度、摩擦钢轮转数及平衡锤配重大小均会影响到无釉陶瓷砖耐磨性结果的准确性，因此有必要对耐磨试验机的各主要参数进行校准，通过举例无釉砖耐磨性能测定仪所测得的校准数据，建立测量模型，分析不确定度来源，并给出各个参数的测量结果不确定度。本文还提出了与之相类似的无机地面材料耐磨性能试验所配套的设备测量结果不确定度的评定方法，指出了二者的不同之处，并举例对其不同参数范围的测量结果进行不确定度评定。