CN103284406B - 勾心纵向刚度检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种勾心纵向刚度检测方法，包括以下步骤，在勾心样件的第一个测试位置进行多次加载试验，测量勾心样件第一测试位置的力臂及挠度并计算第一个测试位置的统计挠度；在勾心样件的不同位置进行多组测试，测量勾心样件的不同测试位置的力臂及挠度，并计算统计挠度；利用各测试位置处的统计挠度与力臂三次方的对应关系绘制拟合直线，求得拟合直线的方程和斜率；利用拟合直线斜率与勾心纵向刚度及仪器稳定性系数之间的关系方程，求得勾心的纵向刚度。本发明考虑了不同型号检测仪器在结构和夹持性能上的差异造成的仪器稳定性系数的差异，使测试结果更具重复性和复现性，避免了单点试验时与力臂有关的挠度误差参与计算造成的结果偏离。

Description

勾心纵向刚度检测方法

技术领域

本发明涉及一种刚度检测方法，尤其涉及一种用于鞋类勾心的纵向刚度的检测方法。

背景技术

目前，国外关于钢勾心纵向刚度的检测方法标准主要有：英国标准：BS5131：Section4.18：1985：British Standard Methods of test for footwear and footwearmaterials part4.Other components Section4.18Longitudinal stiffness of steel shanks；国际标准：ISO18896：2006：Footwear-Test methods for shanks-Longitudinalstiffness。

国内关于钢勾心纵向刚度的检测方法标准主要有：国家标准：《GB/T3903.34-2008鞋类勾心试验方法纵向刚度》行业标准：《QB/T1813-2000皮鞋勾心纵向刚度试验方法》。

其中，《GB/T3903.34-2008鞋类勾心试验方法纵向刚度》是等同采用国际标准ISO18896：2006；《QB/T1813-2000皮鞋勾心纵向刚度试验方法》也是等效采用英国标准BS5131/4.18：1995》。《GB/T3903.34-2008鞋类勾心试验方法纵向刚度》与《QB/T1813-2000皮鞋勾心纵向刚度试验方法》及上述两项国外标准在原理是完全一致的，只是在操作细节的规定详尽上稍有差异，只不过在部分量的量纲使用上略有不同。因此，这四份标准也必然存在同样的技术问题和缺陷。

现有检测方法标准的技术问题和缺陷主要表现为：在日常的检测和相关的研究中，按现行标准测试时，同一条钢勾心，若前后端夹具之间选用不同的距离，所测出的纵向刚度有明显的差异，且所测得的纵向刚度随着测试力臂的增大而增大；不同的型号或不同厂家生产的仪器，测得的结果也有较大的差异。这些现象与“勾心的抗弯刚度只与其材质和横截面有关”这一理论明显不一至。也给检测机构和企业的质量控制造成了很大的困惑和潜在的风险。

存在技术问题和缺陷的原因在于：根据挠度与纵向刚度的理论化关系式单纯的利用一个测试位置上测得的一组挠度(a₁、a₂、a₃、a₄)计算统计挠度(a)，由逆推公式得到的结果作为勾心的纵向刚度。但纵向刚度S的结果是否准确，取决于统计挠度a是否准确；统计挠度a是否准确，则取决于公式中a₁、a₂、a₃、a₄的测量结果是否准确；而a₁、a₂、a₃、a₄的测量结果是否准确，则受多方面的因素影响，既有仪器本身的原因，如百分表的灵敏度和精度，百分表的固定方式等，也有操作上的原因，如百分表探针安装的垂直度、勾心夹持的松紧度、加砝码时的平衡性和平稳性等，而这些因素中有一部分是无法避免的，或多或少的都会导致a₁、a₂、a₃、a₄测量结果的误差产生。虽然利用统计挠度公式可以将某些因素造成的不受负荷质量和力臂影响的误差部分地剔除，但是仍有一部分与负荷质量、力臂等因素有关的系统误差，难以通过统计挠度公式剔除，而被计入统计挠度a中，被带入刚度公式进行计算，从而使求得的刚度S结果与实际值产生偏离。

此外，由于不同结构的仪器对勾心和百分表的固定和夹持的能力不同，对a₁、a₂、a₃、a₄的测量结果也会造成不同的系统误差，这部分系统误差无法通过统计挠度公式的计算消除，最终被带入刚度公式计算后，也会造成仪器间测试结果的明显差异。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种勾心纵向刚度检测方法包括以下步骤：

在勾心样件的第一个测试位置进行多次加载试验，测量勾心样件第一测试位置的力臂及每次加载后勾心样件产生的挠度，并计算第一个测试位置的统计挠度；

在勾心样件的不同位置进行多组测试，测量勾心样件的不同测试位置的力臂及各自加载后勾心产生的挠度，并分别计算各个测试位置的统计挠度；

利用各测试位置处的统计挠度与力臂三次方的对应关系绘制拟合直线，求得拟合直线的方程和斜率；

利用拟合直线斜率与勾心纵向刚度及仪器稳定性系数之间的关系方程，求得勾心的纵向刚度。

进一步的，测定所述仪器稳定性系数包括以下步骤：

用标准钢材制成截面为规则矩形的长条形钢片作为标准勾心，其标准理论纵向刚度满足以下公式：

式中：S_标为标准勾心的标准理论纵向刚度值，kN·mm²；

E为标准勾心材料的弹性模量，GPa；

b为标准勾心横截面宽度，mm；

h为标准勾心横截面高度，mm。

将标准勾心先按与勾心样品相同的步骤进行测量并得到标准勾心的斜率K_标，测试仪器的稳定性系数C₀满足以下公式：

式中：C₀为测试仪器的稳定性系数，kg^-1·mm^-2；

K_标为标准勾心各测试位置点的统计挠度a_i与力臂三次方对应关系的拟合曲线的斜率，mm^-2；

W为试验用每块砝码的质量，0.2(kg)；

S_标为标准勾心的标准理论纵向刚度值，kN·mm²。

进一步的，所述测试步骤满足以下公式，

$a_i=\frac{1}{10}[3(a_{i4}-a_{i1})+a_{i3}-a_{i2}]$

式中：a_i为在第i测试位置时每200g砝码作用下试样所产生的统计挠度，mm；

a_i1，a_i2，a_i3，a_i4为在第i测试位置时每挂一次砝码勾心试样所产生的挠度测量值，mm。

进一步的，拟合直线的斜率满足以下公式：

$K=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(L_i^3-\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{L}_i^3)(a_i-\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i)}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(L_i^3-\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{L}_i^3)}^2}$

式中：K为所有测试位置的统计挠度a_i与力臂三次方对应关系的拟合直线的斜率，精确至小数点后10位，(mm)^-2；

n为测试位置的总数(≥2)，个；

i为测试位置的序号，1，2，......，n；

进一步的，勾心的纵向刚度计算公式为：

$S=\frac{F}{3(K\×{10}^3-W\×C_0)}$

式中：S为试样纵向刚度，kN·mm²；

W为试验用每块砝码的质量，0.2(kg)；

F为相邻两次加载的负荷增量，2(N)；

K为所有测试位置点的统计挠度a_i与力臂三次方对应关系的拟合曲线的斜率，精确至小数点后10位，(mm)^-2；

C₀为测试仪器的稳定性系数，kg^-1·mm^-2。

本发明的斜率测量法与现有标准的检测方法相比，具有突出的优点：考虑了不同型号检测仪器在结构和夹持性能上的差异造成的仪器稳定性系数的差异，使测试结果更具重复性和复现性；避免了单点试验时与力臂有关的挠度误差参与计算造成的结果偏离，利用多点试验和各物理量的关系方程，减小了测试结果与实际刚度的偏差，能更科学和准确的反映勾心的抗弯性能。仪器间测试结果的差异得到了明显的改善，极差系数平均缩减至约3.57％，而现有标准测试结果仪器间的极差系数平均约达8.84％。而且测试结果也更接近于勾心的理论刚度值，偏差减小至±(1.63～3.64)％，而现有标准测试结果与理论刚度的偏差达(-17.8～-10.1)％。测试结果不再受到仪器型号及测试点位置或力臂长短的影响。

附图说明

图1是本发明的勾心纵向刚度检测方法的流程图。

图2是本发明的勾心纵向刚度检测方法所使用的测试装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图说明及具体实施方式对本发明进一步说明。

请参阅图1及图2，本发明提供了一种勾心纵向刚度检测方法，使得检测结果能够尽可能真实的反映勾心的抗弯特性；使检测的结果尽可能不受测试位置和测试仪器的影响。如图1所示本发明的勾心纵向刚度检测方法包括以下步骤：

在勾心样件的第一个测试位置进行多次加载试验，测量勾心样件第一测试位置的力臂及每次加载后勾心样件产生的挠度并计算第一个测试位置的统计挠度；

采用相同方式，在勾心样件的不同位置进行N(N≥2)次测试，测量勾心样件的不同测试位置的力臂及各自加载后勾心产生的挠度，并分别计算各个测试位置的统计挠度；

利用各测试位置处的统计挠度与力臂三次方的对应关系，绘制拟合直线，求得拟合直线的方程和斜率；

利用拟合直线斜率与勾心纵向刚度及仪器稳定性系数之间的关系方程，求得勾心的纵向刚度。

测定仪器稳定性系数包括以下步骤：计算标准勾心理论纵向刚度；再按前述技术方案进行试验，然后利用仪器稳定性系数与勾心纵向刚度及拟合直线斜率之间的关系方程进行计算所确定。其中，标准勾心是由标准钢材制成的矩形截面的长条形钢片，其理论纵向刚度等于钢材弹性模量与截面惯性矩的乘积。

如图2所示为本实施例中用于测试勾心刚度的测试装置。测试装置包括前夹具11和12、前端夹具紧固螺栓13，后夹具2和3、加载平台5、底座支架6、倾角紧固螺栓7，百分表9、加载支耳10、挂盘15、砝码14、后夹具紧固手轮1。前夹具包括前端上夹具11、前端下夹具12，宽度均为(12.0±0.05)mm。后夹具包括后端上夹具2、后端下夹具3。前端上夹具11、前端下夹具12，通过一对前端夹具紧固螺栓13的作用，用于夹持勾心4的前端。前端下夹具12的两端略长于前端上夹具11，并在两端长出部分的上表面沿宽度中轴线处对称的带有表面光滑的V型槽，用于悬挂和支撑加载支耳10。加载支耳10为箱状且其下方设有挂钩，其内侧有两根同轴且相向固定的圆柱短轴，短轴可悬挂于前端下夹具12上表面的V型槽中，挂盘15及放置于挂盘15的砝码14通过加载支耳10的挂钩向下拉动加载支耳10。百分表9设有测量杆，百分表9位置可通过相应固定机构进行调整和固定，使其测量杆的末端抵持于加载支耳10上表面的中心处以测量夹持于前夹具11和12内的勾心前端的挠度变化。后端上夹具2、后端下夹具3安装于加载平台5，并可通过后夹具紧固手轮1将勾心的后端夹紧。加载平台5安装于底座支架6，且加载平台5与水平面之间的夹角8可自由调整。可以理解的是，本发明的勾心纵向刚度检测方法可采用现有检测方法标准中其他用于检测勾心纵向刚度的装置。

在第一测试位置进行测试时：将勾心4的有筋面朝上，勾心4后端部插入后端上夹具2和后端下夹具3之间的间隙中，勾心被夹住约32mm。勾心垂直于后端上夹具2的后端夹板的后边缘，将后夹具紧固手轮1拧紧。选择要进行测试的位置点后，使前端上夹具11和前端下夹具12在一对紧固螺栓13的作用下将勾心4夹紧。调节加载平台与水平面的夹角8，使前后夹持点在同一水平面后旋紧倾角紧固螺栓7，使加载平台5保持固定的倾斜角度固定于底座支架6上。

挂上加载支耳10，再挂上带4个200g砝码14的挂盘15。将百分表9位置固定，使百分表探头与加载支耳21上表面的中心位置垂直接触，取下4个砝码14并将百分表9的活动刻度盘调零，此时应保证百分表指针不超出量程。在加载支耳10的挂盘15上加一块200g砝码14，稳定时立即读表值a₁₁；再增加一块200g的砝码14，稳定时立即读表值a₁₂；重复这一操作，可得表值a₁₃、a₁₄。取下加载支耳10、挂盘15及砝码14，测量后夹具2和3的前边缘与前夹具11和12的后边缘之间的距离，在勾心上下表面各取一个读数L₁₁、L₁₂，并计算平均值，该值加上6mm即是勾心在该测试位置点的弯曲力臂长度L₁。

即： $L_1=\frac{L_{11}+L_{12}}{2}+6,\left(\mathrm{mm}\right).$

在第N(N≥2)测试位置进行测试时：先松开前端夹具紧固螺栓13，将前端上夹具11和前端下夹具12移至其他任意一处可测试位置后，旋紧前端夹具紧固螺栓13。重新调节加载平台与水平面的夹角8，使前后夹持点在同一水平面，然后旋紧倾角紧固螺栓7，使前后夹持点在同一水平面。重复与第一测试位置相同的其余测试步骤。

按公式(1)计算各试验点的统计挠度：

$a_i=\frac{1}{10}[3(a_{i4}-a_{i1})+a_{i3}-a_{i2}]...............................................................\left(1\right)$

式中：a_i为在第i测试位置时每200g砝码作用下试样所产生的统计挠度，mm；

a_i1，a_i2，a_i3，a_i4为在第i测试位置时每挂一次砝码勾心试样所产生的挠度测量值，mm。

把所有测试位置上的统计挠度a_i与力臂三次方的对应关系，通过电子表格EXCEL软件以统计挠度值为纵坐标，力臂三次方为横坐标进行绘图，并将所得的坐标点进行直线拟合，求得拟合直线的方程和斜率K。拟合直线的斜率也可以由公式(2)计算得到：

$K=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(L_i^3-\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{L}_i^3)(a_i-\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i)}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(L_i^3-\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{L}_i^3)}^2}...................................................\left(2\right)$

式中：K为所有测试位置的统计挠度a_i与力臂三次方对应关系的拟合直线的斜率，精确至小数点后10位，(mm)^-2；

n为测试位置的总数(≥2)，个；

i为测试位置的序号，1，2，......，n；

按公式(3)计算勾心的纵向刚度：

$S=\frac{F}{3(K\×{10}^3-W\×C_0)}...............................................................\left(3\right)$

式中：S为试样纵向刚度，kN·mm²；

W为试验用每块砝码的质量，0.2(kg)；

F为相邻两次加载的负荷增量(砝码重量)，2(N)；

K为所有测试位置点的统计挠度a_i与力臂三次方对应关系的拟合曲线的斜率，精确至小数点后10位，(mm)^-2；

C₀为测试仪器的稳定性系数，kg^-1·mm^-2。

其中，测试仪器的稳定性系数C₀通过以下步骤确定：

用标准钢材制成截面为规则矩形的长条形钢片作为标准勾心，其标准理论纵向刚度按公式(4)计算：

式中：S_标为标准勾心的标准理论纵向刚度值，kN·mm²；

E为标准勾心材料的弹性模量，标准勾心材料的弹性模量可由《材料手册》或《石油化工设备设计便查手册》上查得，GPa；

b为标准勾心横截面宽度，mm；

h为标准勾心横截面高度，mm。

将标准勾心先按与上述勾心样品相同的步骤进行测量、制图和绘制拟合直线及方程，得到标准勾心的斜率K_标，再由公式(5)式计算出测试仪器的稳定性系数C₀：

式中：C₀为测试仪器的稳定性系数，kg^-1·mm^-2；

K_标为标准勾心各测试位置点的统计挠度a_i与力臂三次方对应关系的拟合曲线的斜率，精确至小数点后10位，(mm)^-2；

W为试验用每块砝码的质量，0.2(kg)；

S_标为标准勾心的标准理论纵向刚度值，kN·mm²。

本发明的勾心纵向刚度检测方法利用挠度和统计挠度与纵向刚度、力臂、负荷质量之间实际关系的数学模型，结合经实验验证的统计挠度与力臂三次方的线性关系，建立拟合直线斜率与纵向刚度、负荷质量及仪器稳定性系数之间的关系方程。通过在勾心两个或以上测试位置分别进行加载试验，测量每个测试位置上的力臂和每次加载后勾心产生的挠度，计算统计挠度；利用各测试位置处统计挠度与力臂三次方的对应关系，绘制拟合直线，求得拟合直线斜率；利用拟合直线斜率与勾心纵向刚度及仪器稳定性系数之间的关系方程，求得勾心的纵向刚度。仪器稳定性系数由标准勾心按前述技术方案进行试验，并通过标准勾心的纵向刚度理论公式进行计算确定；标准勾心是由标准钢材制成的矩形截面的长条形钢片，其理论纵向刚度等于钢材弹性模量与截面惯性矩的乘积。

本发明的斜率测量法与现有标准的检测方法相比，具有突出的优点：考虑了不同型号检测仪器在结构和夹持性能上的差异造成的仪器稳定性系数的差异，使测试结果更具重复性和复现性；避免了单点试验时与力避有关的挠度误差参与计算造成的结果偏离，利用多点试验和各物理量的关系方程，减小了测试结果与实际刚度的偏差，能更科学和准确的反映勾心的抗弯性能。仪器间测试结果的差异得到了明显的改善，极差系数平均缩减至约3.57％，而现有标准测试结果仪器间的极差系数平均约达8.84％。而且测试结果也更接近于勾心的理论刚度值，偏差减小至±(1.63～3.64)％，而现有标准测试结果与理论刚度的偏差达(-17.8～-10.1)％。测试结果不再受到仪器型号及测试点位置或力臂长短的影响。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种勾心纵向刚度检测方法，其特征在于：包括以下步骤，

在勾心样件的第一个测试位置进行多次加载试验，测量勾心样件第一测试位置的力臂及每次加载后勾心样件产生的挠度，并计算第一个测试位置的统计挠度；

在勾心样件的不同位置进行多组测试，测量勾心样件的不同测试位置的力臂及各自加载后勾心产生的挠度，并分别计算各个测试位置的统计挠度；所述力臂满足下列公式：

式中：L_i为勾心在第i测试位置时的弯曲力臂长度；L_i1为后夹具前边缘与前夹具后边缘之间的距离在勾心上表面的读数、L_i2为后夹具前边缘与前夹具后边缘之间的距离在勾心下表面的读数；

所述统计绕度满足下列公式：

式中：a_i为在第i测试位置时每200g砝码作用下试样所产生的统计挠度，单位是mm；a_i1，a_i2，a_i3，a_i4为在第i测试位置时每挂一次砝码勾心试样所产生的挠度测量值，单位是mm；

利用各测试位置处的统计挠度与力臂三次方的对应关系绘制拟合直线，求得拟合直线的方程和斜率；所述拟合直线的斜率满足下述公式：

式中：K为所有测试位置的统计挠度a_i与力臂三次方对应关系的拟合直线的斜率，精确至小数点后10位，单位为mm^-2；n为测试位置的总数，且n≥2，单位为个；i为测试位置的序号，1，2，……，n；

利用拟合直线斜率与勾心纵向刚度及仪器稳定性系数之间的关系方程，求得勾心的纵向刚度；所述勾心的纵向刚度满足下列公式：

式中：S为试样纵向刚度，单位是kN·mm²；W为试验用每块砝码的质量，0.2kg；F 为相邻两次加载的负荷增量，即2N；K为所有测试位置点的统计挠度a_i与力臂三次方对应关系的拟合曲线的斜率，精确至小数点后10位，mm^-2；C₀为测试仪器的稳定性系数，kg^-1·mm^-2。

2.根据权利要求1所述勾心纵向刚度检测方法，其特征在于：测定所述仪器稳定性系数包括以下步骤：

用标准钢材制成截面为规则矩形的长条形钢片作为标准勾心，其标准理论纵向刚度满足以下公式：

式中：S_标为标准勾心的标准理论纵向刚度值，kN·mm²；E为标准勾心材料的弹性模量，GPa；b为标准勾心横截面宽度，mm；h为标准勾心横截面高度，mm；

将标准勾心先按与上述勾心样品相同的步骤进行测量并得到标准勾心的斜率K_标，测试仪器的稳定性系数C₀满足以下公式：

式中：C₀为测试仪器的稳定性系数，kg^-1·mm^-2；K_标为标准勾心各测试位置点的统计挠度a_i与力臂三次方对应关系的拟合曲线的斜率，mm^-2；W为试验用每块砝码的质量，0.2kg；S_标为标准勾心的标准理论纵向刚度值，kN·mm²。

3.根据权利要求1所述勾心纵向刚度检测方法，其特征在于：所述统计挠度满足以下公式：

式中：a_i为在第i测试位置时每200g砝码作用下试样所产生的统计挠度，mm；a_i1，a_i2，a_i3，a_i4为在第i测试位置时每挂一次砝码勾心试样所产生的挠度测量值，mm。

4.根据权利要求1或2或3所述勾心纵向刚度检测方法，其特征在于：拟合直线的斜率满足以下公式：

式中：K为所有测试位置的统计挠度a_i与力臂三次方对应关系的拟合直线的斜率，精确至小数点后10位，mm^-2；n为测试位置的总数，且n≥2，单位为个；i为测试位置的序号，1，2，……，n。

5.根据权利要求4所述勾心纵向刚度检测方法，其特征在于：勾心的纵向刚度计算公式为：

式中：S为试样纵向刚度，kN·mm²；W为试验用每块砝码的质量，0.2kg；F为相邻两次加载的负荷增量，2N；K为所有测试位置点的统计挠度a_i与力臂三次方对应关系的拟合曲线的斜率，精确至小数点后10位，mm^-2；C₀为测试仪器的稳定性系数，kg^-1·mm^-2。