不留痕试验仪校准方法

/ 莆田市计量所

0 引言

胶鞋、运动鞋在穿用过程中，在压力和摩擦力的作用下，胶鞋、运动鞋外底和地面产生滑移，导致带颜色的胶鞋、运动鞋底物质转移在运动场上，并留下痕迹，影响了场馆地板的清洁美观和使用寿命，因此，不留痕测试对制鞋行业尤为重要。2018年新修订的GB/T24152-2018《篮排球专业运动鞋》明确要求，竞赛和训练用的篮球鞋、排球鞋均须通过外底不留痕性能等级测试要求。不留痕试验仪作为测试不留痕性能的主要仪器，其量值准确与否，直接影响鞋类制品的产品质量。

1 不留痕试验仪的组成及试验原理

不留痕试验仪（或不留痕试验机）是GB/T 24129-2009《胶鞋、运动鞋外底不留痕试验方法》中规定的作为测试胶鞋、运动鞋外底不留痕性能的试验仪器设备，通常由机体、试验台（水平金属平台及固定夹具等）、试验柱、试验头、砝码、驱动机构往复运动装置和显示系统等组成。图1所示为不留痕试验仪的结构。

不留痕试验仪的试验原理是：将裁取的外底试样置于规定的PU标准板表面上，以规定的压力、次数、行程和频率进行往复试验。在达到试验规定的次数后，在PU标准板上观察是否留有试样的痕迹，并用沾色用灰色样卡进行比对，评估其留痕程度。

图1 不留痕试验仪结构

2 不留痕试验仪的主要参数

1）试验槽几何尺寸：根据GB/T24129-2009第4.1.2（b）条款规定：用于夹持试样的试验头，其试验槽的内径为（11.5±0.1）mm，槽深为（4.0±0.2）mm。显然，试验槽尺寸与按GB/T24129-2009要求裁剪的试样相匹配，其尺寸准确与否直接影响试样能否准确固定在试验头上。因此，试验槽尺寸是不留痕试验仪的一个重要参数。

2）试验总荷重：根据GB/T24129-2009第4.1.2规定：试验柱、试验头、砝码在试验时直接加载在试样上的负荷总质量（以下用“试验总荷重”来表述）为（900±10）g。该试验总荷重直接影响了样品在PU标准板上的留痕程度，是不留痕试验仪的重要技术指标。

3）试验台往复运动行程、频率：根据GB/T 24129-2009第4.1.3规定：试验时，试验台往复运动行程为（100.0±2.0）mm，频率为（40±2）次 /min（往返记作一次），故试验台往复运动行程、频率是衡量不留痕试验仪是否满足国标要求的两项重要参数。

3 标准器及辅助设备的选择

校准用标准器及辅助设备见表1。

表1 校准用标准器及辅助设备

4 校准方法

1）试验槽几何尺寸校准：抬起试验柱，用游标卡尺分别测量试验槽的内径、槽深。测量内径时，分别在互相垂直的两个方向上各测量一次，取其算术平均值作为测量结果。测量槽深时，重复测量三次，取其算术平均值作为测量结果。

2）试验总荷重校准：试验总荷重为在不拆卸试验仪各部件的情况下，试验柱、试验头、砝码在试验时直接加载在试样上的负荷总质量。故在此不能选用电子秤直接测量，而宜采用标准测力仪进行测量。由于标准测力仪测出值的计量单位为N，故将测得值再除以当地重力加速度值g后得到试验总荷重m。测量方法为：将砝码加载于试验柱上，把标准测力仪与配套显示仪表连接好，标准测力仪置于试验柱正下方，对试验柱、试验头、砝码加载后的试验总荷重所复现的力值进行测量，再除以当地重力加速度值g后得到试验总荷重m。重复测量三次，取试验总荷重m的算术平均值作为测量结果。

3）试验台往复运动行程校准：接通电源，通过设置速度参数，使试验台在低速状态下往复运动。选取试验台左侧面作为参考面，当试验台往复运动至两端极限位置时，分别标记试验台左侧面的位置，用游标卡尺测出两标记位置间的距离，重复测量三次取算术平均值作为试验台往复运动行程。

4）试验台往复运动频率校准：为避免反光，在试验台（或固定夹具）前侧面贴一块黑胶布，然后在黑胶布上贴一张反光纸（黑胶布、反光纸也可贴在试验台固定夹具上，以适合转速频率仪测量位置为宜），设置不留痕试验仪的速度为40r/min。在试验仪开机后试验台受试验总荷重的情况下，用转速频率仪测量试验台往复运动频率，重复测量三次。由于试验台往返记作1次，故取其算术平均值的一半作为测量结果。

试验台往复运动频率、试验总荷重为不留痕试验仪的关键计量参数，在此仅对该两项关键参数实测值进行不确定度评定，以供各类计量技术机构参考。对于几何尺寸校准和往复运动行程两项参数，各类计量技术机构在校准时，也应给出相应的扩展不确定度。

5 试验台往复运动频率实测值测量不确定度评定

在温度为10～30℃，温度波动不大于2℃，相对湿度不大于80%的环境条件下，选择测量范围为10～100000r/min，最大允许误差为 ±1×10-5r/min的转速频率仪作为测量标准。在试验仪开机后试验台受试验总荷重的情况下，对不留痕试验仪试验台的往复运动频率采用直接比较法测量。由于GB/T 24129-2009规定，试验台做直线往返运动时，往返1次记作1个周期运动，故实际测量时，应取转速频率仪示值的1/2作为试验台往复运动频率的测量结果。

5.1 测量模型

式中：n——试验台往复运动频率实测值，r/min；

5.2 灵敏系数

5.3 标准不确定度评定

1）测量重复性引入的标准不确定度u1()

在重复性条件下，对不留痕试验仪在设定点40r/min处进行三次独立重复测量，结果见表2。

表2 在设定点40r/min处三次独立重复测量结果

实际校准以三次示值的算术平均值作为测量结果，则：

由于转速频率仪的分辨力引入的标准不确定度远小于重复性引入的标准不确定度，故在此仅取重复性引入的标准不确定度。

不留痕试验仪设定频率为40r/min时，对应转速频率仪的测量值为80r/min。转速频率仪在测量值80r/min 处的最大允许误差为：±1×10-5×80r/min=±0.0008r/min，按均匀分布考虑，则

5.4 标准不确定度分量

标准不确定度分量见表3。

表3 标准不确定度分量

5.5 合成标准不确定度

合成标准不确定度uc

5.6 扩展不确定度

U=kuc，取k=2，得：校准点为 40r/min 时，U=0.2r/min，k=2。

6 试验总荷重实测值测量不确定度评定

在温度为10～35℃，温度波动不大于2℃，相对湿度不大于80%的环境条件下。选择测量范围为5～50N，准确度等级为0.3级的标准测力仪作为测量标准，对不留痕试验仪试验总荷重采用直接比较法测量。测量方法为：将砝码加载于试验柱上，用0.3级标准测力仪测量试验柱、试验头、砝码加载后的试验总荷重所复现的力值，然后除以当地重力加速度值，得到试验总荷重的实测值。重复测量三次，取其算术平均值作为测量结果。

6.1 测量模型

式中：m——试验总荷重实测值，kg；

g——当地的重力加速度值，m/s2；经查，莆田市的重力加速度值为 9.78910m/s2。

6.2 灵敏系数

6.3 标准不确定度评定

将砝码加载于试验柱上，在重复性条件下，对不留痕试验仪总荷重进行三次独立重复测量，结果见表4。

表4 对不留痕试验仪总荷重进行三次独立重复测量结果

实际校准是以三次示值的算术平均值作为测量结果，则：

由于标准测力仪的分辨力引入的标准不确定度远小于重复性引入的标准不确定度，故在此仅取重复性引入的标准不确定度。

本次校准的标准器采用0.3级、测量范围为5～50N的标准测力仪，其在8.81N处(即在标称试验总荷重900g处所复现的力值)的最大允许误差为：±0.3%×8.81N=±0.026N，按均匀分布考虑，则

6.4 标准不确定度分量

标准不确定度分量见表5。

表5 标准不确定度分量

6.5 合成标准不确定度

合成标准不确定度uc

6.6 扩展不确定度

U=kuc，取k=2，得：校准点为900g 时，U=0.031N，k=2。

7 结语

通过对不留痕试验仪校准方法的研究，为各级计量技术机构开展不留痕试验仪校准提供技术依据，保证不留痕试验仪的量值经过科学合理的溯源传递，提高鞋类产品检测质量，对促进鞋类产业发展具有重要意义。