一種雙球基面圓錐滾子長度檢測方法及儀器

時可可，何紅玉，張帥軍，張磊磊，賈玉鑫

(1.洛陽LYC軸承有限公司，河南 洛陽 471039;2.航空精密軸承國家重點實驗室，河南 洛陽 471039;3.洛陽軸承研究所有限公司，河南 洛陽 471039)

一般情況下，圓錐滾子[1-2]的大端面為球基面 (即球形面)，小端面為平面結(jié)構(gòu)；與之相比，雙球基面圓錐滾子的兩端面均為球形端面結(jié)構(gòu)。采用雙球基面圓錐滾子的滾動軸承應(yīng)用較少，該類軸承的內(nèi)圈不具有小擋邊結(jié)構(gòu)，而由獨立的擋圈代替。由于軸承存在特殊結(jié)構(gòu)形式，不僅對軸向游隙有所要求，還對所用雙球基面圓錐滾子的批長度變動量具有嚴(yán)格要求。

目前，通常采用對比標(biāo)準(zhǔn)塊的測量方法，利用通用型高度檢測儀測量普通型圓錐滾子的長度變動量，具有較高的檢測精度及較好的穩(wěn)定性和重復(fù)性，通用性比較好。由于雙球基面的特殊結(jié)構(gòu)，通用型高度檢測儀測量雙球基面圓錐滾子時，存在定位不穩(wěn)定、測頭不易接觸到球形端面的最高點以及不易保證測頭與被測圓錐滾子中心軸線同軸等缺點，檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性及穩(wěn)定性較差，無法滿足雙球基面圓錐滾子長度的檢測。因此，提出了一種同軸檢測方法，并設(shè)計了相應(yīng)的檢測儀器進(jìn)行實際測量和應(yīng)用。

1 檢測方法

阿貝原則是儀器設(shè)計和長度測量中應(yīng)遵循的基本原則，即遵循被測件測量中心線布置在基準(zhǔn)測量中心線或其延長線上的測量原則。針對雙球基面圓錐滾子長度的檢測，為滿足阿貝測量原則，提出一種同軸檢測方法，即在進(jìn)行雙球基面圓錐滾子長度檢測時，其中心軸線與測量儀表中心軸線保持同軸。

為實現(xiàn)上述同軸檢測方法，需利用具有一定升角的V形槽支承臺[3-5]對雙球基面圓錐滾子中心軸線進(jìn)行空間調(diào)整，使調(diào)整后的雙球基面圓錐滾子中心軸線與測量儀表中心軸線保持同軸。V形支承臺的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 V形支承臺結(jié)構(gòu)示意圖

圖中：α為雙球基面圓錐滾子半錐角；β為V形槽面的升角；θ為V形槽任意豎直截面的V字夾角；V形槽升角線的延長線與圓錐滾子素線的延長線相交于O點；任意垂直于雙球基面圓錐滾子中心軸線的截面N分別交中心軸線于點A，交圓錐滾子下端素線于點B，交V形槽升角線于點C；圓錐滾子的截面圓相切于V形槽點D；假設(shè)r為圓錐滾子的任意截面圓半徑，根據(jù)幾何關(guān)系可得

(1)

AB=AD=r，

(2)

由上述關(guān)系式推算得

(3)

通過α，β，θ之間的函數(shù)關(guān)系，可針對不同圓錐角規(guī)格的圓錐滾子配置相應(yīng)的V形支承臺，進(jìn)而實現(xiàn)不同規(guī)格圓錐滾子的長度檢測。

2 檢測儀器

基于上述檢測方法設(shè)計的雙球基面圓錐滾子長度檢測儀如圖2所示，該檢測儀由基礎(chǔ)部件、測量臺部件和測量儀表部件組成。底座和支承板為基礎(chǔ)部件，測量臺部件則由V形支承臺、支承測量臺、支承臺、連接螺釘和固定螺釘組成，測量儀表部件則由測量儀表、支臂、支座、套筒、微調(diào)螺母、鎖緊螺釘和固定螺釘組成。測量臺部件和測量儀表部件分別起定位支承和測量的作用，并通過固定螺釘連接于支承板上。

圖2 雙球基面圓錐滾子長度檢測儀

測量臺部件的結(jié)構(gòu)如圖3所示，其主要功能則利用V形支承臺的V形槽面支承雙球基面圓錐滾子的錐面，并利用支承測量臺平面支承雙球基面圓錐滾子的小端面。在各部件的綜合作用下，雙球基面圓錐滾子的中心軸線與測量儀表中心軸線能夠保持同軸，且支承測量臺平面與雙球基面圓錐滾子中心軸線相互垂直，實現(xiàn)了雙球基面圓錐滾子的徑向和軸向穩(wěn)定支承。

圖3 測量臺部件

雙球基面圓錐滾子長度檢測儀的設(shè)計完全符合阿貝原則，采用比對標(biāo)準(zhǔn)件的測量方法對雙球基面圓錐滾子的長度進(jìn)行測量，具體操作方法為：

1)安裝調(diào)整測量儀表，將標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行對表調(diào)零；

2)將被測圓錐滾子放置于支承測量臺上并貼緊V形支承臺的V形槽面；

3)讀取測量儀表在比對標(biāo)準(zhǔn)件后的變化量，即得出被測圓錐滾子實際長度尺寸與理論長度尺寸的偏差。

3 測量不確定度評定

為進(jìn)一步使雙球基面圓錐滾子長度檢測儀在生產(chǎn)現(xiàn)場得到推廣應(yīng)用，通過對該類型滾子測量時測量不確定度的評定[6-7]來分析該長度檢測儀的測量精度。

依據(jù)計量標(biāo)準(zhǔn)和實際測量情況分析可知，該儀器的測量不確定度主要來源于標(biāo)準(zhǔn)滾子的校準(zhǔn)、滾子長度差、滾子膨脹系數(shù)差以及滾子溫度差。建立被測滾子的測量模型，可得不確定度分量ui(l)和合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc(l)分別為

ui(l)=ciu(xi)，

(4)

(5)

式中：ci為各不確定度分量靈敏系數(shù)；u(xi)為不確定度分量對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)不確定度；u(ls)為校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)滾子引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度；u(d)為滾子長度差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度；u(δα)為膨脹系數(shù)差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度；u(δθ)為滾子溫度差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度。

利用標(biāo)準(zhǔn)滾子對被測滾子進(jìn)行相對獨立重復(fù)測量，10次測量所得長度差結(jié)果分別為-3，-3，-3，-2，-3，-3，-1，-3，-3和-4 μm；已知標(biāo)準(zhǔn)滾子長度的校準(zhǔn)值ls為30.273 mm，U為0.095 μm且包含因子k=3，標(biāo)準(zhǔn)滾子溫度與參考溫度20 ℃之差估計為-0.1 ℃，標(biāo)準(zhǔn)滾子的熱膨脹系數(shù)αs為11.5×10-6℃-1；通過(4)式逐一對各不確定度分量進(jìn)行評定計算，最終通過(5)式計算出合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc(l)，結(jié)果見表1。

表1 測量不確定度評定結(jié)果

由表1可見，不確定度的主要分量顯然是滾子長度差u(d)，通過所得合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度38.8 nm與最大測量誤差3 μm的對比分析，表明測量結(jié)果存在較高可信度，該儀器具有相對高的測量精度。

4 實際應(yīng)用

表2 雙球基面圓錐滾子的長度測量結(jié)果

圖4 長度檢測儀對雙球基面圓錐滾子的測量結(jié)果

由測量結(jié)果分析可知：對同一粒滾子測量時，長度檢測儀所得測值與立式光學(xué)計測量結(jié)果相近，二者測得結(jié)果的最大差值僅有3 μm，與千分尺測量相比具有較高的測量精度；從圖4中可以看出，同一粒滾子測量的最大散差僅為4 μm，說明長度檢測儀能夠滿足0.01 mm級尺寸精度要求的測量應(yīng)用。另外，經(jīng)實際驗證，長度檢測儀的測量效率既遠(yuǎn)高于立式光學(xué)計又高于千分尺。綜合儀器的測量精度和效率，該長度檢測儀完全能夠滿足產(chǎn)品生產(chǎn)現(xiàn)場的實際測量和應(yīng)用。

5 結(jié)束語

針對雙球基面圓錐滾子的特殊結(jié)構(gòu)提出了一種同軸檢測方法，并設(shè)計了一種雙球基面圓錐滾子長度檢測儀，該檢測儀器在整體結(jié)構(gòu)上利用V形支承臺對雙球基面圓錐滾子實現(xiàn)了空間穩(wěn)定支承、定位和同軸測量，解決了檢測雙球形端面圓錐滾子長度的技術(shù)難題。

另外，通過利用V形支承臺V形槽面的升角β與被測圓錐滾子半錐角α和V形槽端面夾角θ三者之間的三角函數(shù)關(guān)系，配置相應(yīng)的V形支承臺即可滿足不同圓錐角的圓錐滾子長度尺寸的檢測，并且該檢測儀也適用于普通型圓錐滾子的長度檢測。