軸承接觸角測量儀示值誤差校準結果的不確定度評定

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鍵參數，是衡量軸承性能的重要指標。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、旋轉精度及使用壽命，所以接觸角測量的準確性直接影響軸承的使用性能。

目前，國內一般使用軸承接觸角測量儀檢測軸承的接觸角，但由于沒有校準規范，測量儀沒有完善、統一的校準方法，導致無法確保接觸角的測量能溯源至國家基準。因此，針對用于內圈固定、外圈旋轉類型的接觸角測量儀，提出了一種測量原理和校準方法。

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，外圈旋轉內圈保持靜止，此時被測軸承可作為一個行星輪系統看待。

圖1 軸承放置示意圖

圖2 測量原理

2 示值誤差的校準方法

2.1 校準環境及標準

環境條件：溫度(20±2)℃，相對濕度≤65%。

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

圖3 圓錐體標準件

2.2 校準過程

對接觸角測量儀示值誤差進行校準時，需將圓錐體標準件同與之配套的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，并且用螺釘將標準件大端面壓緊，如圖5所示。

圖4 標準件與軸承零件的組合

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

Di=De-2Dw-2(Re-Dw)(1-cosα0)，

式中：Re為外圈溝道半徑；α0為標準件的接觸角標稱值。將上述數值預置于儀器中，精確到0.001 mm。

圖5 軸承固定在軸承座內

最后，根據儀器說明書設定軸承外圈轉速為60 r/min、采樣時間為15 s，根據被測軸承的型號設定加載力為19.8 N并開始測量，儀器讀數與標準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和標準件的角度標稱值有以下關系

e=Lm-Ls，

式中：e為儀器示值誤差；Lm為儀器角度值讀數；Ls為標準件的角度標稱值。

靈敏系數為

3 標準不確定度分量的評定

影響標準件接觸角測量值的不確定度來源主要有：重復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；標準件引入的不確定度分量u(Ls)。

3.1 重復性測量帶來的不確定度分量u(Lm)1

對角度標稱值為15°04′的標準件重復測試10次，以A類不確定度評定，測量結果見表1。

表1 標準件的重復測試結果

標準不確定度為

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

對內圈為標準件的軸承重復安裝5次，每次安裝測量10次取平均值，以A類不確定度評定，測量結果見表2。

表2 標準件重復安裝后的測試結果

標準不確定度為

u(Lm)1=s(Lm)=0.07°。

3.3 標準件引入的不確定度分量u(Ls)

以B類不確定度評定，對于標準件測量有:U95=11.2″,k=2，則

4 合成標準不確定度評定及擴展不確定度評定

4.1 合成標準不確定度評定

u(Ls)=0.002°。

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

4.2 擴展不確定度的評定

取置信概率為95%，查表得k=2,則

U95=uc(e)×2=0.28°。

5 結束語

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