液压千斤顶压力示值不确定度分析及精度改善

朱可加，张恕远

（西华大学，四川 成都 610039）

0 引 言

近年来，随着我国公路和铁路建设的迅猛发展，在结构工程和基桩工程中（例如起重、弯曲、校直、挤压、剪切、铆焊、顶升、拉伸、拆装、冲孔、建筑钢筋挤压、桥梁、工程机械等各种作业），油泵-千斤顶既是张拉施力设备，同时也是自身施力大小的测读设备，因此其性能可靠度和指标准确度直接影响预应力施工质量，决定着有效预应力的大小和均匀度：施力过大，会破坏试件甚至导致设备损坏；施力过小，会使工程质量下降，达不到预期效果。所以，千斤顶的校准至关重要，本文对千斤顶检定中不确定度来源及大小进行分析并提出改善方法。

1 液压千斤顶不确定度来源分析

液压千斤顶主要由千斤顶、油泵及相应的油路和配套压力表组成，其测量结果不确定度来源主要有以下4个方面：

（1）在规定的工程环境条件和标准工作位置状态下，标准测力仪引入的标准不确定度分量U，由检定证书和重复性考核结果可知，U=0.3%（取最大值）；

（2）在规定的工作环境条件和标准工作位置状态下，液压千斤顶重复性引入的标准不确定度分量U重；

（3）示值估读误差引入的不确定度分量U估；

（4）数据修约引起的标准不确定度分量U修。

根据以上分析，建立模型：

式中：P——千斤顶的压力示值；

F——千斤顶所受压力值；

S——千斤顶活塞面积；

P重——千斤顶重复性引入的误差值；

P估——千斤顶估读引入的误差值；

P修——数据修约引入的误差值。

计算各分量的传播系数如下：

标准器引入的不确定度C1为

检定重复性引入的不确定度传播系数C2为

示值估读误差引入的不确定度C3为

数据修约引起的标准不确定度C4为

2 液压千斤顶的标准不确定度的评定

以一台中铁X局2500kN千斤顶配1.6级60MP压力表为例，来分析液压千斤顶不确定度，取最大值2500kN点来计算。

2.1 标准器引入的不确定度u1

标准器引入的不确定度属B类，选用0.3级标准测力仪，在规定的工作环境条件和标准工作位置状态下，由计量标准考核证书可知，U=0.3%（最大值），分布为正态分布，查JJF 1059-1999《测量不确定度评定与表示》“正态分布情况下置信概率p与包含因子kp关系表”，取k=2。根据原始记录，千斤顶活塞面积S=0.045 92m2，C1=21.78，在液压千斤顶压力指示器示值54MPa处，力值为2466.2kN，则标准不确定度分量u1为

2.2 液压千斤顶重复性引入的标准不确定度分量u2

液压千斤顶重复性引入的标准不确定度分量包括千斤顶指示器轻敲变动量和估读误差等引入的不确定度分量。可以通过连续测量列，采用A类方法评定，选择2400kN测量点进行分析评定，试验结果如表1所示。

表1 改善前试验结果

由试验结果得：极差R=0.8（MPa），采用极差法计算，u2（P）=s（xi）=R。由n=6，查JJF 1059-1999《测量不确定度评定与表示》极差系数表，C=2.53，代入得

2.3 液压千斤顶指示器(压力表)准确度所引入的标准不确定度分量u3

液压千斤顶所配用的压力表量程为60MPa，准确度为1.6级，属均匀分布，查JJF 1059-1999《测量不确定度评定与表示》中常用分布于k、u（x）i的关系表，k=，则：

2.4 数字估读误差引入的不确定度分量u4

数字估读误差引起的标准不确定度属于均匀分布，1.6级压力表最小分度为1MPa，取极限半宽0.5MPa计算，则：

2.5 不确定度合成

千斤顶各不确定度类别及大小汇总见表2。

表2 千斤顶各不确定度类别及大小

合成标准不确定度为

其相对标准不确定度为

相对扩展不确定度Urel取包含因子k=2，则：

根据JJG 621-2005《液压千斤顶检定规程》第4.4项，结构工程中千斤顶的重复性、内插误差、相对分辨力应在2%以内，该千斤顶不确定度已超出允许范围，力值存在较大误差，不宜使用。

3 千斤顶不确定度的改善

3.1 改善方法

根据以上分析计算可以看出，千斤顶不确定度较大的因素主要有重复性、压力表准确度、估读误差。由此可知，可由以下3个方面提高千斤顶的不确定度：

（1）使用重复性良好的千斤顶，例如活塞能自由活动，空载运行时无明显断续式位移现象，在保压时无因内部密封不严而产生的泄漏情况。

（2）在选择压力表时准确度等级尽量选择0.4级以上的抗震压力表，表盘刻度及其标记清晰，指针无松动和弯曲，加力时指针走动均匀，无停滞和跳动现象。

（3）操作人员应有一定操作经验，操作液压泵供油均匀、加力平缓，在读数时视线应与压力表盘垂直。

3.2 改善后千斤顶不确定度分析

还是以上述中铁X局2500 kN千斤顶为例，本次配0.4级60MP抗震压力表检定，同样取最大值2 500kN点来计算，重复性如表3所示。

表3 改善后实验数据

由重复性引入的不确定度为

由压力表引入的不确定度为

由读数误差引入的不确定度为

改善后千斤顶各不确定度类别及大小汇总见表4。

表4 改善后千斤顶各不确定度类别及大小

合成标准不确定度为

其相对标准不确定度

相对扩展不确定度Urel取包含因子k=2，则：

4 结束语

施工中，若采用传统的控制方法，操作过程受人为因素干扰较大，油压表由于没有硬性规定，且多采用1.0级甚至1.5级低精度油压表，读数准确度不高，指标数据检测手段和控制调节手段都较为落后，无法满足施工中高精度要求。传统预应力和索力张拉施工工艺缺乏高效可靠的现代化工程测控手段和验收评估标准等软件体系作为辅助支撑，停留在较为粗放和落后的技术状态。如果相关参数、数据的检测和控制，能通过先进传感器技术、数显技术、计算机技术、无线通信技术、网络信息技术等智能化手段来实现，最大限度地排除人为因素和环境条件的干扰和影响，将有利于施工质量的提高。通过以上分析可以看出，千斤顶校准中存在的不确定因素很多，本文只是提出了部分改善建议，为实验室校准人员和工地施工的现场操作人员对改善仪器性能提供参考，希望大家能发现更多问题，保障工程中预应力施工的安全及质量。

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