潘嘉聲,陳明華,吳向壘

（廣東省計(jì)量科學(xué)研究院，廣東 廣州 510403）

空氣靜壓軸承在橡膠國際硬度測量裝置的應(yīng)用研究

潘嘉聲,陳明華,吳向壘

（廣東省計(jì)量科學(xué)研究院，廣東 廣州 510403）

為提高橡膠國際硬度測量裝置試驗(yàn)力的準(zhǔn)確度，提出將空氣軸承應(yīng)用于橡膠硬度測量裝置的施力機(jī)構(gòu)。通過分析橡膠國際硬度測量裝置對試驗(yàn)力的要求與測量裝置的結(jié)構(gòu)，考慮空氣靜壓軸承的剛度、精度與加工特殊性等因素，探討空氣靜壓軸承應(yīng)用于橡膠國際硬度測量裝置的可行性，并提出完整的空氣靜壓軸承設(shè)計(jì)加工方案。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該方案試驗(yàn)力偏差是原有橡膠硬度基準(zhǔn)的1/10，能有效提高計(jì)量準(zhǔn)確度，提升我國橡膠硬度計(jì)量水平。

IRHD硬度；空氣靜壓軸承；硬度測量裝置

0 引 言

橡膠是一種高聚物，具有良好的伸縮性與復(fù)原性，屬典型的彈性材料。橡膠硬度主要反映材料的彈性形變，是橡膠制品的重要指標(biāo)，廣泛應(yīng)用于質(zhì)量監(jiān)控場合。橡膠硬度測量屬于靜態(tài)壓入法，并且是在保持試驗(yàn)力情況下測量的，但在不同硬度范圍、形狀樣品與應(yīng)用場合下，需要使用不同的試驗(yàn)方法與評價(jià)指標(biāo)。橡膠國際硬度是評價(jià)橡膠硬度的一種方法，建立在廣東省計(jì)量科學(xué)研究院的橡膠國際硬度國家計(jì)量基準(zhǔn)是該量值的溯源源頭[1]。

試驗(yàn)力是影響橡膠國際硬度測量的主要因素，為減少摩擦力對試驗(yàn)結(jié)果的影響，需改進(jìn)該裝置的性能。根據(jù)我院硬度實(shí)驗(yàn)室以往儀器檢定數(shù)據(jù)，德國Bareiss公司IRHD橡膠硬度采用多滾子軸承減少主軸和主實(shí)驗(yàn)力摩擦力。英國Wallace公司IRHD系列硬度計(jì)采用震動(dòng)方式減少摩擦力到規(guī)程要求范圍。為了保證更高的精度，減少不確定度，本文應(yīng)用靜壓空氣軸承對該裝置的施力機(jī)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。

1 橡膠國際硬度測量要求

橡膠國際硬度測量方法執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)是GB/T

6031-1998《硫化橡膠或熱塑性橡膠硬度的測定（硬度在10～100 IRHD之間）》（idt ISO48）、GB/T 531.2-2009《硫化橡膠或熱塑性橡膠壓入硬度試驗(yàn)方法 第2部分：便攜式橡膠國際硬度計(jì)法》（idt ISO7619-2）。橡膠國際硬度試驗(yàn)的基本原理是將一定直徑的鋼球壓頭，在接觸試驗(yàn)力F0和總試驗(yàn)力F（F=F1+F0，F(xiàn)1為壓入試驗(yàn)力）的先后作用下，壓入試樣表面，測量接觸試驗(yàn)力和總試驗(yàn)力作用下壓入深度之差h1=h-h0，通過查表或在硬度計(jì)上直接讀取響應(yīng)的硬度值。橡膠國際硬度單位以IRHD表示[2]。圖1為橡膠硬度測試壓入示意圖。

橡膠國際硬度IRHD是從橡膠材料楊氏模量E推理得到。根據(jù)完全彈性各向同性橡膠的性質(zhì)推導(dǎo)可得，在壓球直徑2.5mm、初實(shí)驗(yàn)力0.3N、接觸試驗(yàn)力5.7N條件下，橡膠國際硬度試驗(yàn)中壓入深度差h1與楊氏模量E存在關(guān)系式（1）[3]。

使用Probit曲線（正態(tài)誤差積分曲線）根據(jù)式（2）從楊氏彈性模量推導(dǎo)出橡膠國際硬度，式中σ=0.7、a=0.364。結(jié)合式（1）與式（2）從而得到圖2的曲線，由壓入深度查表獲得相應(yīng)的橡膠國際硬度值。

本文將靜壓空氣軸承應(yīng)用于橡膠硬度測試的試驗(yàn)力機(jī)構(gòu)。靜壓氣體軸承采用外部壓縮空氣供氣，利用壓縮空氣流過節(jié)流器時(shí)產(chǎn)生的節(jié)流效應(yīng)，使靜壓氣體軸承具有承載力和剛度。靜壓氣體軸承在工作過程中始終有壓縮空氣供給，軸承的工作面也始終被一層薄薄的空氣分開，工作面之間無摩擦，無磨損。靜壓氣體軸承的氣膜內(nèi)壓力分布由氣體潤滑雷諾方程描述，給定適當(dāng)?shù)倪吔鐥l件，可以采用數(shù)值計(jì)算的方法求得靜壓氣體軸承的氣膜內(nèi)壓力場分布，進(jìn)而可以求得靜壓氣體軸承的承載力和剛度[4]。

2 空氣靜壓軸承設(shè)計(jì)制作

空氣靜壓軸承屬于非接觸式軸承，其摩擦阻力和磨損率接近于零，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，運(yùn)動(dòng)精度高，不會(huì)產(chǎn)生爬行現(xiàn)象?？諝忪o壓軸承是微小力測試或扭矩分析測量儀器的關(guān)鍵部件，根據(jù)其工作原理，在分析受力情況的基礎(chǔ)上，滿足硬度測試流程要求，所研發(fā)的氣體軸承，具有微小摩擦力、氣浮主軸的質(zhì)量在要求范圍之內(nèi)、足夠的剛度和直線運(yùn)動(dòng)精度等特點(diǎn)，并與機(jī)構(gòu)的其他零件精密配合[5-6]。

圖3是根據(jù)橡膠硬度測量裝置的機(jī)械原理所研發(fā)的空氣靜壓軸承。壓縮空氣從空氣進(jìn)口和圓周均布的節(jié)流器進(jìn)入軸套和氣浮軸間的間隙，形成一層具有一定剛度的均勻氣膜，氣浮主軸依靠這層氣膜，懸浮在軸承內(nèi)。由于空氣的粘度非常小，因此氣浮軸與軸套間的摩擦力也非常小，基本接近于零。氣浮軸與軸套間的摩擦力就是空氣的粘滯阻力。

結(jié)合二維雷諾方程和加工工藝情況，節(jié)流孔的孔徑φ0.1～φ0.6mm，對孔徑的公差、粗糙度等均有明確要求，采用節(jié)流孔徑φ0.18mm，氣浮軸平均間隙8μm，環(huán)形環(huán)尺寸與內(nèi)半徑之比為1∶100，位置在1/4處[5]。

研究過程結(jié)合加工工藝、主軸的物理參數(shù)、可加工性能等限制因素，只有通過特殊工藝才能滿足測量裝置的要求。其特殊要求是剛度、位移精度、主軸重量、光柵安裝位置、其他精密構(gòu)建的力學(xué)影響等，其中根據(jù)剛度計(jì)算，主軸作用長度＞36mm，主軸長徑比＜3，而重量的限制條件要求主軸采用鋁或者鈦合金。同時(shí)軸套及軸圓度公差均小于2μm，才能做到高配合精度。同時(shí)要求材料具有低溫度參數(shù)，軸承具有低硬度，采用特殊合金銅材料，主軸具有高硬度和光潔度，保證材料有很好的力學(xué)性能、加工研磨性能和尺寸的穩(wěn)定性能[7-9]。

3 空氣軸承試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

3.1 機(jī)械運(yùn)動(dòng)精度測試及校準(zhǔn)

機(jī)械采用直線型步進(jìn)電機(jī)控制，通過自動(dòng)化程序，機(jī)械從極限位置連續(xù)反復(fù)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)觀察光柵位移傳感器的反饋數(shù)據(jù)，30次后的誤差累計(jì)≤5μm，而單次的位移最大誤差為1μm。試驗(yàn)表明：升降平臺(tái)的移動(dòng)對橡膠硬度測量裝置測量結(jié)果沒有產(chǎn)生顯著影響，定位準(zhǔn)確度達(dá)到預(yù)期設(shè)置的要求；IRHD測量原理表明，其硬度值是以主試驗(yàn)力壓入橡膠前后的深度差值計(jì)算的，因此，機(jī)械整體的運(yùn)動(dòng)不會(huì)引起測量數(shù)據(jù)誤差和變動(dòng)。

3.2 空氣軸承的微小摩擦力檢測

在對空氣軸承加載恒定壓力的前提下，測量初試驗(yàn)力和主試驗(yàn)力，表1為硬度裝置的力值校準(zhǔn)數(shù)據(jù)（實(shí)驗(yàn)結(jié)果及質(zhì)量換算值，裝配前已經(jīng)通過高精度天平測量質(zhì)量修正）。

4 硬度計(jì)總體試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

從儀器調(diào)試完成到實(shí)際運(yùn)行，在穩(wěn)定的溫度條件下，周期性地采用相同的塊，確保不確定度在最小范圍。為此需充分利用現(xiàn)有資源，采用多機(jī)間比對法進(jìn)行驗(yàn)證。

由1#基準(zhǔn)、2#基準(zhǔn)、WALLACE電子數(shù)顯硬度計(jì)、本文研發(fā)測量裝置4個(gè)機(jī)器分別在等同條件下，對同一套硬度塊測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對。在30～95 IRHD范圍內(nèi)選擇7個(gè)硬度塊，每塊均勻分布測量9點(diǎn)，以平均值和均勻性為考核數(shù)據(jù)。因?yàn)?機(jī)中WALLACE為工作計(jì)，所以4機(jī)比對最大差值應(yīng)≤1.0 IRHD，考慮硬度塊均勻性影響等因素，均為與國家基準(zhǔn)比對結(jié)果，通過多點(diǎn)測量，表2為測量數(shù)據(jù)的比對結(jié)果。

5 結(jié)束語

本文針對影響橡膠國際硬度測量準(zhǔn)確度的試驗(yàn)力因素，從減少摩擦力出發(fā)，將空氣軸承應(yīng)用于小力值、硬度計(jì)量中，有效提高試驗(yàn)力準(zhǔn)確度。設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了空氣軸承的制作，空氣軸承機(jī)械運(yùn)動(dòng)的誤差累計(jì)≤5 μm，單次的位移最大誤差為1 μm，升降平臺(tái)的移動(dòng)對橡膠硬度測量裝置測量結(jié)果不會(huì)產(chǎn)生顯著影響，定位準(zhǔn)確度達(dá)到預(yù)期設(shè)置的要求。由于空氣軸承的摩擦力很小，該方案試驗(yàn)力偏差是現(xiàn)有橡膠硬度基準(zhǔn)的1/10，測量范圍有望進(jìn)一步從30～95 IRHD擴(kuò)展到10～100 IRHD，研究成果可有效提高我國目前橡膠硬度計(jì)量水平。

[1]陳明華.橡膠硬度本質(zhì)的探討[J].中國計(jì)量，2012（7）：74-75.

[2]林魯山.國際橡膠硬度的計(jì)算及誤差問題[J].試驗(yàn)機(jī)與材料試驗(yàn)，1981（5）：31-37.

[3]陳明華，吳向壘.橡膠硬度測試方法發(fā)展動(dòng)態(tài)與分析[J].上海計(jì)量測試，2012（4）：2-5.

[4]Powell J W.空氣靜壓軸承設(shè)計(jì)[M].丁維剛，譯.北京：國防工業(yè)出版社，1978：12-15.

[5]張俊紅.高速氣浮靜壓軸承的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2004（12）：23-25.

[6]Bouyer J，F(xiàn)illon M，Pierre-danos I.Influence of wear on the behavior of a two-lobe hydrodynamic journal bearing subjected to numerous start-ups and stops[J]. ASME Journal of Tribology,2007（129）：205-208.

[7]鄭書飛.精密空氣電主軸氣體軸承動(dòng)態(tài)特性參數(shù)分析[D].南京：東南大學(xué)，2010.

[8]Yu H C，Ma W Q，Wang Z W.Experimental and cfd study on one new type of aerostatic bearing[C]∥7th JFPS Internati+oral Symposium on Fluid Power.Toyama，2008：827-830.

[9]蔡久田.小型氣體靜壓主軸系統(tǒng)及其性能研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2004.

Application study of aerostatic bearing in IRHD measuring device

PAN Jia-sheng，CHEN Ming-hua，WU Xiang-lei
（Guangdong Institute of Metrology，Guangzhou 510403，China）

In order to improve the accuracy of force testing for international rubber hardness degrees（IRHD）measuring device，a solution using aerostatic bearing to improve force mechanism was proposed for the first time in domestic.The paper explores the feasibility of aerostatic bearing used in IRHD measuring device through analyzing the demand of fore mechanism for IRHD measuring device，and the structure，rigidity，accuracy and processing characteristic of the aerostatic bearing. A complete design and machining solution are proposed.Experiment and comparison results indicate that the deviation of testing force is 1/10 of the old one of IRHD measuring device.It can effectively improve the accuracy of IRHD measurement and measure level of rubber hardness in China.

IRHD；aerostatic bearing；hardness measuring device

TH133.35；TQ330.7；TH140.2；TM930.12

：A

：1674-5124（2014）04-0020-03

10.11857/j.issn.1674-5124.2014.04.005

2014-03-21；

：2014-04-28

廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目（2010B060300006）

潘嘉聲（1958-），男，遼寧臺(tái)安縣人，高級工程師，主要從事精密儀器檢測及誤差理論研究。