陶明東，周夢璐

(江蘇奧神新材料股份有限公司，江蘇 連云港 222000)

0 引言

纖維力學(xué)指標(biāo)的測量需要測量纖維細(xì)度、強(qiáng)力、斷裂伸長等指標(biāo)，在此基礎(chǔ)上計(jì)算出力學(xué)性能數(shù)據(jù)。上海新纖儀器有限公司提供的以XQ-1A型纖維強(qiáng)伸度儀、XD-1型振動式細(xì)度儀構(gòu)成的纖維力學(xué)指標(biāo)測試裝置是適應(yīng)國際纖維檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的新型儀器，采用計(jì)算機(jī)程序控制，具有操作簡便、精度高的特點(diǎn)，在纖維測試機(jī)構(gòu)、化纖制造企業(yè)廣泛應(yīng)用。

纖維力學(xué)指標(biāo)是纖維品質(zhì)判斷的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，對于化纖生產(chǎn)企業(yè)質(zhì)量控制尤其重要。因此，力學(xué)指標(biāo)測量系統(tǒng)的精度極為重要，需定期評估其精度與可靠性。測量是一種用來獲得測量結(jié)果的過程，主要由測量儀器、標(biāo)準(zhǔn)、人員、環(huán)境等組成[1]，這些要素都對測量系統(tǒng)本身的精度與可靠性具有重大影響，隨著時間推移，測量系統(tǒng)精度也會退化。測量系統(tǒng)分析是指運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法對測量系統(tǒng)進(jìn)行評估，在合適的特性位置測量正確的參數(shù)，了解影響測量結(jié)果的波動來源及其分布，并確認(rèn)測量系統(tǒng)是否符合工程需求[2]。

1 可靠性評估試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)儀器與人員準(zhǔn)備

試驗(yàn)儀器采用上海新纖XQ-1A型纖維強(qiáng)伸度儀、XD-1型振動式細(xì)度儀構(gòu)成的纖維力學(xué)指標(biāo)測試裝置，采用系統(tǒng)配套軟件進(jìn)行測試過程控制和測試數(shù)據(jù)記錄。

XQ-1A型纖維強(qiáng)伸度儀采用氣動自動夾持，計(jì)算機(jī)程序控制拉伸試樣直至斷裂，并測量斷裂時的力和伸長率。XD-1型振動式細(xì)度儀采用弦振動原理，測量在一定振弦長度和張力下的纖維固有振動頻率，由弦振動公式自動計(jì)算單根纖維線密度。

檢驗(yàn)人員4名，均具有豐富操作經(jīng)驗(yàn)。

系統(tǒng)已經(jīng)運(yùn)行接近一年，需進(jìn)行可靠性評估。

1.2 試驗(yàn)樣品準(zhǔn)備

(1)纖維細(xì)度測試樣品準(zhǔn)備。纖維細(xì)度測試過程對樣品本身無破壞，樣品可重復(fù)使用。取A規(guī)格纖維4根，作為4個測試部件(以下稱細(xì)度測試部件)，分別編號A1～A4。

(2)強(qiáng)力、斷裂伸長測試樣品準(zhǔn)備。取B規(guī)格纖維5根(連續(xù)長纖維)，每根長60 cm，作為5個測試部件，分別賦予部件編號B1～B5。每一部件按10 cm長截?cái)啵?根。按6西格瑪理論，該破壞性試驗(yàn)共有5個強(qiáng)度與伸長測試部件(B1～B5)，每一個部件有6個仿形，如對部件B1，仿形試驗(yàn)件編號為B1-1，B1-2，…，B1-6。將這6個仿形隨機(jī)分成2組，每組3根。

1.3 試驗(yàn)與分析方法

(1)纖維細(xì)度測試。4名檢驗(yàn)員用同一臺XD-1型振動式細(xì)度儀對4個細(xì)度測試部件分別進(jìn)行細(xì)度測量，每人每細(xì)度測試部件重復(fù)測試3次，4人共計(jì)48次。

(2)纖維斷裂強(qiáng)力與斷裂伸長測試。從4名檢驗(yàn)員中隨機(jī)抽取2名檢驗(yàn)員，用同一臺XQ-1A型纖維強(qiáng)伸度儀對5個強(qiáng)度與伸長測試部件(每部件6個仿形)進(jìn)行測試，由于每次測試被測纖維都會被拉斷，對部件多次重復(fù)測量是不可能的，屬于破壞性測試，因此需要進(jìn)行破壞性試驗(yàn)的測量系統(tǒng)分析[2-3]，共計(jì)30次測試。

(3)采用重復(fù)性與再現(xiàn)性評估方法。采用Minitab軟件，基于六西格瑪測量系統(tǒng)R&R分析方法進(jìn)行纖維力學(xué)指標(biāo)測量系統(tǒng)的重復(fù)性與再現(xiàn)性評估[4]。

重復(fù)性誤差通常稱為設(shè)備波動(Equipment variation,EV)，如將過程總波動設(shè)為TV(Total Variation)，設(shè)備波動標(biāo)準(zhǔn)差與過程總波動標(biāo)準(zhǔn)差的比值可描述測量系統(tǒng)的重復(fù)性。

再現(xiàn)性也稱為人員波動(appraiser variation，AV)，通常用再現(xiàn)性標(biāo)準(zhǔn)差與過程總波動標(biāo)準(zhǔn)差的比值來描述測量系統(tǒng)的再現(xiàn)性。

(4)精確度分析方法。

判斷標(biāo)準(zhǔn)見表1[4]。

表1 判斷標(biāo)準(zhǔn)表

1.4 試驗(yàn)要求

(1)測試樣品隨機(jī)分配。

(2)測試順序隨機(jī)排列。

(3)樣品及儀器設(shè)備在測試環(huán)境條件下經(jīng)過充分平衡。

(4)測試前對設(shè)備進(jìn)行檢查，確保設(shè)備處于正常工作狀態(tài)。

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

2.1 纖維細(xì)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)及方差分析

纖維細(xì)度測試數(shù)據(jù)見表2。

表2 纖維細(xì)度測試數(shù)據(jù)

采用Minitab軟件中量具研究功能對表2中的數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，結(jié)果見表3。

表3 包含交互作用的雙因子方差分析表

刪除交互作用項(xiàng)選定的 Alpha=0.25。量具 R&R 分析表—方差分量貢獻(xiàn)率見表4。

表4 量具 R&R 分析表—方差分量貢獻(xiàn)率

設(shè)定過程公差為 0.3，經(jīng)Minitab計(jì)算，量具精度分析結(jié)果見表5。

表5 纖維細(xì)度儀精度分析結(jié)果

計(jì)算得到可區(qū)分的類別數(shù)ndc = 6。

從精度分析結(jié)果來看，重復(fù)性方差為0.000 366 7，檢驗(yàn)員方差為0，合計(jì)量具R&R(重復(fù)性與再現(xiàn)性)方差貢獻(xiàn)率僅為5.08%，%Gage R&R為22.53%<30%，重復(fù)性與再現(xiàn)性較好；可區(qū)分的類別數(shù)ndc=6>5，儀器具有較好分辨率；檢驗(yàn)員方差貢獻(xiàn)占比0%，可以認(rèn)為人員操作對該測量系統(tǒng)沒有影響。

在無標(biāo)樣情況下，采用定長稱重法進(jìn)行纖維纖度計(jì)算值為1.249 7dtex，纖維細(xì)度儀測量均值為1.25 dtex，標(biāo)準(zhǔn)差0.08，具有很好的符合性。這說明此方法可以在無標(biāo)樣情況下測量纖維細(xì)度。

2.2 纖維強(qiáng)力、斷裂伸長測試數(shù)據(jù)分析

纖維強(qiáng)力及斷裂伸長測試數(shù)據(jù)見表6。

表6 纖維強(qiáng)力及斷裂伸長測試數(shù)據(jù)

(1)纖維強(qiáng)力測試數(shù)據(jù)分析。采用Minitab軟件中量具研究功能對表6中的斷裂強(qiáng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，結(jié)果見表7、表8。

設(shè)定過程公差=2，經(jīng)Minitab計(jì)算，量具精度分析結(jié)果見表9。

表7 包含交互作用的雙因子方差分析表

表8 量具R&R分析表—方差分量貢獻(xiàn)率

表9 纖維強(qiáng)伸度儀精度分析結(jié)果

計(jì)算得到可區(qū)分的類別數(shù)ndc=4。

從精度分析結(jié)果來看，重復(fù)性方差為0.005 503 3，再現(xiàn)性方差為0，可以認(rèn)為人員操作對該測量系統(tǒng)沒有影響；合計(jì)量具R&R(重復(fù)性與再現(xiàn)性)方差貢獻(xiàn)率為10.89%，%Gage R&R為33.00%，略大于30%，%P/T為22.26%<30%，強(qiáng)力檢測精度處于勉強(qiáng)可用狀態(tài)；可區(qū)分的類別數(shù)ndc=4>3，儀器分辨率勉強(qiáng)可用。

(2)纖維斷裂伸長數(shù)據(jù)分析。采用Minitab軟件中量具研究功能對表2中的斷裂伸長數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，結(jié)果見表10、表11。

表10 包含交互作用的雙因子方差分析表

表11 量具 R&R 分析表—方差分量貢獻(xiàn)率

設(shè)定過程公差=2，經(jīng)Minitab計(jì)算，量具精度分析結(jié)果見表12。

表12 纖維強(qiáng)伸度儀精度分析結(jié)果

計(jì)算得到可區(qū)分的類別數(shù)ndc = 2。

從精度分析結(jié)果來看，重復(fù)性方差為0.003 189，再現(xiàn)性方差為0，可以認(rèn)為人員操作對該測量系統(tǒng)沒有影響；合計(jì)量具R&R(重復(fù)性與再現(xiàn)性)方差貢獻(xiàn)率為18.52%，%Gage R&R為43.00%>30%，%P/T為53.57%>30%，斷裂伸長檢測精度已經(jīng)無法滿足要求；可區(qū)分的類別數(shù)ndc=2<3，儀器分辨率不達(dá)標(biāo)。

3 總結(jié)

(1)采用方差分析方法可以在標(biāo)樣缺失情況下進(jìn)行纖維力學(xué)檢測儀器精度和可靠性分析，通過Minitab軟件可以極其方便進(jìn)行測量系統(tǒng)重復(fù)性與再現(xiàn)性評估。

(2)通過取樣方法設(shè)計(jì)，可以對破壞性測試測量系統(tǒng)進(jìn)行分析。

(3)操作人員的操作差異在本測量系統(tǒng)中幾乎可以忽略，該測量系統(tǒng)屬于數(shù)字化系統(tǒng)，精度基本由儀器本身決定。

(4)經(jīng)過1年的運(yùn)行，纖維細(xì)度儀仍然具有較高的測量精度；強(qiáng)伸儀的強(qiáng)力測試精度勉強(qiáng)可用，已經(jīng)較難滿足高質(zhì)量生產(chǎn)過程的質(zhì)量控制需求，需要進(jìn)一步校準(zhǔn)；強(qiáng)伸儀斷裂伸長的測量精度較差，難以滿足高品質(zhì)生產(chǎn)系統(tǒng)的要求。

(5)鑒于XD-1型振動式細(xì)度儀和XQ-1A型纖維強(qiáng)伸度儀經(jīng)過1年運(yùn)行后測量精度差異較大，建議生產(chǎn)廠家做進(jìn)一步研究，并對用戶使用與校準(zhǔn)提供更多支持。

(6)補(bǔ)充說明：在本分析完成后，經(jīng)與儀器生產(chǎn)廠家溝通，進(jìn)行儀器調(diào)整，儀器測量精度%Gage R&R均達(dá)到30%以下，分辨率達(dá)到7以上，可滿足較高品質(zhì)生產(chǎn)控制要求。