軸承接觸角測量儀示值誤差校準(zhǔn)結(jié)果的不確定度評定

曹崇崇，顧家銘，徐浩

(上海天安軸承有限公司，上海 201108)

接觸角是角接觸球軸承的關(guān)鍵參數(shù)，是衡量軸承性能的重要指標(biāo)。對于精密主軸用角接觸球軸承，特別是配對用軸承，其接觸角的大小及一致性將直接影響整個軸系的剛度、旋轉(zhuǎn)精度及使用壽命，所以接觸角測量的準(zhǔn)確性直接影響軸承的使用性能。

目前，國內(nèi)一般使用軸承接觸角測量儀檢測軸承的接觸角，但由于沒有校準(zhǔn)規(guī)范，測量儀沒有完善、統(tǒng)一的校準(zhǔn)方法，導(dǎo)致無法確保接觸角的測量能溯源至國家基準(zhǔn)。因此，針對用于內(nèi)圈固定、外圈旋轉(zhuǎn)類型的接觸角測量儀，提出了一種測量原理和校準(zhǔn)方法。

1 接觸角測量原理

接觸角的測量采用間接測量方式，被測軸承的放置如圖1所示，外圈旋轉(zhuǎn)內(nèi)圈保持靜止，此時被測軸承可作為一個行星輪系統(tǒng)看待。

圖1 軸承放置示意圖

圖2 測量原理

2 示值誤差的校準(zhǔn)方法

2.1 校準(zhǔn)環(huán)境及標(biāo)準(zhǔn)

環(huán)境條件：溫度(20±2)℃，相對濕度≤65%。

校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)：半角為15°，大端直徑為15.2 mm的圓錐體標(biāo)準(zhǔn)件如圖3所示，查該圓錐體標(biāo)準(zhǔn)件的檢定證書可知，其半角角度測量不確定度U95=11.2″，k=2。

圖3 圓錐體標(biāo)準(zhǔn)件

2.2 校準(zhǔn)過程

對接觸角測量儀示值誤差進(jìn)行校準(zhǔn)時，需將圓錐體標(biāo)準(zhǔn)件同與之配套的B7000C/P4軸承的外圈、鋼球和保持架組合在一起，如圖4所示。將圖4所示的組件置于CA-1型軸承接觸角測量儀的軸承座上，并且用螺釘將標(biāo)準(zhǔn)件大端面壓緊，如圖5所示。

圖4 標(biāo)準(zhǔn)件與軸承零件的組合

儀器的預(yù)置值使用實測值，即在萬能測長儀上測量外圈溝底直徑De，在立式光學(xué)計上測量1組鋼球的直徑Dw，鋼球預(yù)置值取該組鋼球的平均值，內(nèi)圈溝底直徑為

Di=De-2Dw-2(Re-Dw)(1-cosα0)，

式中：Re為外圈溝道半徑；α0為標(biāo)準(zhǔn)件的接觸角標(biāo)稱值。將上述數(shù)值預(yù)置于儀器中，精確到0.001 mm。

圖5 軸承固定在軸承座內(nèi)

最后，根據(jù)儀器說明書設(shè)定軸承外圈轉(zhuǎn)速為60 r/min、采樣時間為15 s，根據(jù)被測軸承的型號設(shè)定加載力為19.8 N并開始測量，儀器讀數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)件的角度差值即為儀器示值誤差。

2.3 示值誤差

儀器的示值誤差與儀器角度值讀數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)件的角度標(biāo)稱值有以下關(guān)系

e=Lm-Ls，

式中：e為儀器示值誤差；Lm為儀器角度值讀數(shù)；Ls為標(biāo)準(zhǔn)件的角度標(biāo)稱值。

靈敏系數(shù)為

3 標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量的評定

影響標(biāo)準(zhǔn)件接觸角測量值的不確定度來源主要有：重復(fù)性測量帶來的不確定度分量u(Lm)1；安裝誤差帶來的不確定度分量u(Lm)2；標(biāo)準(zhǔn)件引入的不確定度分量u(Ls)。

3.1 重復(fù)性測量帶來的不確定度分量u(Lm)1

對角度標(biāo)稱值為15°04′的標(biāo)準(zhǔn)件重復(fù)測試10次，以A類不確定度評定，測量結(jié)果見表1。

表1 標(biāo)準(zhǔn)件的重復(fù)測試結(jié)果

標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

u(Lm)1=s(Lm)=0.12°。

3.2 安裝誤差帶來的不確定度分量u(Lm)2

對內(nèi)圈為標(biāo)準(zhǔn)件的軸承重復(fù)安裝5次，每次安裝測量10次取平均值，以A類不確定度評定，測量結(jié)果見表2。

表2 標(biāo)準(zhǔn)件重復(fù)安裝后的測試結(jié)果

標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

u(Lm)1=s(Lm)=0.07°。

3.3 標(biāo)準(zhǔn)件引入的不確定度分量u(Ls)

以B類不確定度評定，對于標(biāo)準(zhǔn)件測量有:U95=11.2″,k=2，則

4 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度評定及擴(kuò)展不確定度評定

4.1 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度評定

u(Ls)=0.002°。

由于測量誤差與標(biāo)準(zhǔn)件自身的誤差相互獨立，故u(Lm)與u(Ls)不相關(guān)，因此

4.2 擴(kuò)展不確定度的評定

取置信概率為95%，查表得k=2,則

U95=uc(e)×2=0.28°。

5 結(jié)束語

通過對軸承接觸角測量儀示值誤差的校準(zhǔn)結(jié)果不確定度分析可知：影響軸承接觸角測量儀示值結(jié)果的主要因素為測量的重復(fù)性和安裝誤差。因此，在校準(zhǔn)軸承接觸角測量儀示值誤差時，應(yīng)小心仔細(xì)地安裝被測軸承，使之與軸承座貼合，以減小安裝誤差對校準(zhǔn)結(jié)果的影響；另外，測量時可取多次測量的平均值，以減小重復(fù)性測量對校準(zhǔn)結(jié)果的影響。