潘嘉聲,陳明華,吳向壘

（廣東省計量科學研究院，廣東 廣州 510403）

空氣靜壓軸承在橡膠國際硬度測量裝置的應用研究

潘嘉聲,陳明華,吳向壘

（廣東省計量科學研究院，廣東 廣州 510403）

為提高橡膠國際硬度測量裝置試驗力的準確度，提出將空氣軸承應用于橡膠硬度測量裝置的施力機構。通過分析橡膠國際硬度測量裝置對試驗力的要求與測量裝置的結構，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計加工方案。實驗結果表明：該方案試驗力偏差是原有橡膠硬度基準的1/10，能有效提高計量準確度，提升我國橡膠硬度計量水平。

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，廣泛應用于質量監(jiān)控場合。橡膠硬度測量屬于靜態(tài)壓入法，并且是在保持試驗力情況下測量的，但在不同硬度范圍、形狀樣品與應用場合下，需要使用不同的試驗方法與評價指標。橡膠國際硬度是評價橡膠硬度的一種方法，建立在廣東省計量科學研究院的橡膠國際硬度國家計量基準是該量值的溯源源頭[1]。

試驗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結果的影響，需改進該裝置的性能。根據我院硬度實驗室以往儀器檢定數(shù)據，德國Bareiss公司IRHD橡膠硬度采用多滾子軸承減少主軸和主實驗力摩擦力。英國Wallace公司IRHD系列硬度計采用震動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，本文應用靜壓空氣軸承對該裝置的施力機構進行改進。

1 橡膠國際硬度測量要求

橡膠國際硬度測量方法執(zhí)行的標準是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方法 第2部分：便攜式橡膠國際硬度計法》（idt ISO7619-2）。橡膠國際硬度試驗的基本原理是將一定直徑的鋼球壓頭，在接觸試驗力F0和總試驗力F（F=F1+F0，F(xiàn)1為壓入試驗力）的先后作用下，壓入試樣表面，測量接觸試驗力和總試驗力作用下壓入深度之差h1=h-h0，通過查表或在硬度計上直接讀取響應的硬度值。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。根據完全彈性各向同性橡膠的性質推導可得，在壓球直徑2.5mm、初實驗力0.3N、接觸試驗力5.7N條件下，橡膠國際硬度試驗中壓入深度差h1與楊氏模量E存在關系式（1）[3]。

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

本文將靜壓空氣軸承應用于橡膠硬度測試的試驗力機構。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)流器時產生的節(jié)流效應，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壓力分布由氣體潤滑雷諾方程描述，給定適當?shù)倪吔鐥l件，可以采用數(shù)值計算的方法求得靜壓氣體軸承的氣膜內壓力場分布，進而可以求得靜壓氣體軸承的承載力和剛度[4]。

2 空氣靜壓軸承設計制作

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，運動平穩(wěn)，運動精度高，不會產生爬行現(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鍵部件，根據其工作原理，在分析受力情況的基礎上，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、氣浮主軸的質量在要求范圍之內、足夠的剛度和直線運動精度等特點，并與機構的其他零件精密配合[5-6]。

圖3是根據橡膠硬度測量裝置的機械原理所研發(fā)的空氣靜壓軸承。壓縮空氣從空氣進口和圓周均布的節(jié)流器進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。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)尺寸與內半徑之比為1∶100，位置在1/4處[5]。

研究過程結合加工工藝、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、其他精密構建的力學影響等，其中根據剛度計算，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。同時軸套及軸圓度公差均小于2μm，才能做到高配合精度。同時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 空氣軸承試驗數(shù)據及分析

3.1 機械運動精度測試及校準

機械采用直線型步進電機控制，通過自動化程序，機械從極限位置連續(xù)反復運動，同時觀察光柵位移傳感器的反饋數(shù)據，30次后的誤差累計≤5μm，而單次的位移最大誤差為1μm。試驗表明：升降平臺的移動對橡膠硬度測量裝置測量結果沒有產生顯著影響，定位準確度達到預期設置的要求；IRHD測量原理表明，其硬度值是以主試驗力壓入橡膠前后的深度差值計算的，因此，機械整體的運動不會引起測量數(shù)據誤差和變動。

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，測量初試驗力和主試驗力，表1為硬度裝置的力值校準數(shù)據（實驗結果及質量換算值，裝配前已經通過高精度天平測量質量修正）。

4 硬度計總體試驗數(shù)據分析

從儀器調試完成到實際運行，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，采用多機間比對法進行驗證。

由1#基準、2#基準、WALLACE電子數(shù)顯硬度計、本文研發(fā)測量裝置4個機器分別在等同條件下，對同一套硬度塊測量的數(shù)據進行比對。在30～95 IRHD范圍內選擇7個硬度塊，每塊均勻分布測量9點，以平均值和均勻性為考核數(shù)據。因為4機中WALLACE為工作計，所以4機比對最大差值應≤1.0 IRHD，考慮硬度塊均勻性影響等因素，均為與國家基準比對結果，通過多點測量，表2為測量數(shù)據的比對結果。

5 結束語

本文針對影響橡膠國際硬度測量準確度的試驗力因素，從減少摩擦力出發(fā)，將空氣軸承應用于小力值、硬度計量中，有效提高試驗力準確度。設計并實現(xiàn)了空氣軸承的制作，空氣軸承機械運動的誤差累計≤5 μm，單次的位移最大誤差為1 μm，升降平臺的移動對橡膠硬度測量裝置測量結果不會產生顯著影響，定位準確度達到預期設置的要求。由于空氣軸承的摩擦力很小，該方案試驗力偏差是現(xiàn)有橡膠硬度基準的1/10，測量范圍有望進一步從30～95 IRHD擴展到10～100 IRHD，研究成果可有效提高我國目前橡膠硬度計量水平。

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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

廣東省科技計劃項目（2010B060300006）

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