空气静压轴承在橡胶国际硬度测量装置的应用研究

潘嘉声,陈明华,吴向垒

（广东省计量科学研究院，广东 广州 510403）

空气静压轴承在橡胶国际硬度测量装置的应用研究

潘嘉声,陈明华,吴向垒

（广东省计量科学研究院，广东 广州 510403）

为提高橡胶国际硬度测量装置试验力的准确度，提出将空气轴承应用于橡胶硬度测量装置的施力机构。通过分析橡胶国际硬度测量装置对试验力的要求与测量装置的结构，考虑空气静压轴承的刚度、精度与加工特殊性等因素，探讨空气静压轴承应用于橡胶国际硬度测量装置的可行性，并提出完整的空气静压轴承设计加工方案。实验结果表明：该方案试验力偏差是原有橡胶硬度基准的1/10，能有效提高计量准确度，提升我国橡胶硬度计量水平。

IRHD硬度；空气静压轴承；硬度测量装置

0 引 言

橡胶是一种高聚物，具有良好的伸缩性与复原性，属典型的弹性材料。橡胶硬度主要反映材料的弹性形变，是橡胶制品的重要指标，广泛应用于质量监控场合。橡胶硬度测量属于静态压入法，并且是在保持试验力情况下测量的，但在不同硬度范围、形状样品与应用场合下，需要使用不同的试验方法与评价指标。橡胶国际硬度是评价橡胶硬度的一种方法，建立在广东省计量科学研究院的橡胶国际硬度国家计量基准是该量值的溯源源头[1]。

试验力是影响橡胶国际硬度测量的主要因素，为减少摩擦力对试验结果的影响，需改进该装置的性能。根据我院硬度实验室以往仪器检定数据，德国Bareiss公司IRHD橡胶硬度采用多滚子轴承减少主轴和主实验力摩擦力。英国Wallace公司IRHD系列硬度计采用震动方式减少摩擦力到规程要求范围。为了保证更高的精度，减少不确定度，本文应用静压空气轴承对该装置的施力机构进行改进。

1 橡胶国际硬度测量要求

橡胶国际硬度测量方法执行的标准是GB/T

6031-1998《硫化橡胶或热塑性橡胶硬度的测定（硬度在10～100 IRHD之间）》（idt ISO48）、GB/T 531.2-2009《硫化橡胶或热塑性橡胶压入硬度试验方法 第2部分：便携式橡胶国际硬度计法》（idt ISO7619-2）。橡胶国际硬度试验的基本原理是将一定直径的钢球压头，在接触试验力F0和总试验力F（F=F1+F0，F1为压入试验力）的先后作用下，压入试样表面，测量接触试验力和总试验力作用下压入深度之差h1=h-h0，通过查表或在硬度计上直接读取响应的硬度值。橡胶国际硬度单位以IRHD表示[2]。图1为橡胶硬度测试压入示意图。

橡胶国际硬度IRHD是从橡胶材料杨氏模量E推理得到。根据完全弹性各向同性橡胶的性质推导可得，在压球直径2.5mm、初实验力0.3N、接触试验力5.7N条件下，橡胶国际硬度试验中压入深度差h1与杨氏模量E存在关系式（1）[3]。

使用Probit曲线（正态误差积分曲线）根据式（2）从杨氏弹性模量推导出橡胶国际硬度，式中σ=0.7、a=0.364。结合式（1）与式（2）从而得到图2的曲线，由压入深度查表获得相应的橡胶国际硬度值。

本文将静压空气轴承应用于橡胶硬度测试的试验力机构。静压气体轴承采用外部压缩空气供气，利用压缩空气流过节流器时产生的节流效应，使静压气体轴承具有承载力和刚度。静压气体轴承在工作过程中始终有压缩空气供给，轴承的工作面也始终被一层薄薄的空气分开，工作面之间无摩擦，无磨损。静压气体轴承的气膜内压力分布由气体润滑雷诺方程描述，给定适当的边界条件，可以采用数值计算的方法求得静压气体轴承的气膜内压力场分布，进而可以求得静压气体轴承的承载力和刚度[4]。

2 空气静压轴承设计制作

空气静压轴承属于非接触式轴承，其摩擦阻力和磨损率接近于零，运动平稳，运动精度高，不会产生爬行现象。空气静压轴承是微小力测试或扭矩分析测量仪器的关键部件，根据其工作原理，在分析受力情况的基础上，满足硬度测试流程要求，所研发的气体轴承，具有微小摩擦力、气浮主轴的质量在要求范围之内、足够的刚度和直线运动精度等特点，并与机构的其他零件精密配合[5-6]。

图3是根据橡胶硬度测量装置的机械原理所研发的空气静压轴承。压缩空气从空气进口和圆周均布的节流器进入轴套和气浮轴间的间隙，形成一层具有一定刚度的均匀气膜，气浮主轴依靠这层气膜，悬浮在轴承内。由于空气的粘度非常小，因此气浮轴与轴套间的摩擦力也非常小，基本接近于零。气浮轴与轴套间的摩擦力就是空气的粘滞阻力。

结合二维雷诺方程和加工工艺情况，节流孔的孔径φ0.1～φ0.6mm，对孔径的公差、粗糙度等均有明确要求，采用节流孔径φ0.18mm，气浮轴平均间隙8μm，环形环尺寸与内半径之比为1∶100，位置在1/4处[5]。

研究过程结合加工工艺、主轴的物理参数、可加工性能等限制因素，只有通过特殊工艺才能满足测量装置的要求。其特殊要求是刚度、位移精度、主轴重量、光栅安装位置、其他精密构建的力学影响等，其中根据刚度计算，主轴作用长度＞36mm，主轴长径比＜3，而重量的限制条件要求主轴采用铝或者钛合金。同时轴套及轴圆度公差均小于2μm，才能做到高配合精度。同时要求材料具有低温度参数，轴承具有低硬度，采用特殊合金铜材料，主轴具有高硬度和光洁度，保证材料有很好的力学性能、加工研磨性能和尺寸的稳定性能[7-9]。

3 空气轴承试验数据及分析

3.1 机械运动精度测试及校准

机械采用直线型步进电机控制，通过自动化程序，机械从极限位置连续反复运动，同时观察光栅位移传感器的反馈数据，30次后的误差累计≤5μm，而单次的位移最大误差为1μm。试验表明：升降平台的移动对橡胶硬度测量装置测量结果没有产生显著影响，定位准确度达到预期设置的要求；IRHD测量原理表明，其硬度值是以主试验力压入橡胶前后的深度差值计算的，因此，机械整体的运动不会引起测量数据误差和变动。

3.2 空气轴承的微小摩擦力检测

在对空气轴承加载恒定压力的前提下，测量初试验力和主试验力，表1为硬度装置的力值校准数据（实验结果及质量换算值，装配前已经通过高精度天平测量质量修正）。

4 硬度计总体试验数据分析

从仪器调试完成到实际运行，在稳定的温度条件下，周期性地采用相同的块，确保不确定度在最小范围。为此需充分利用现有资源，采用多机间比对法进行验证。

由1#基准、2#基准、WALLACE电子数显硬度计、本文研发测量装置4个机器分别在等同条件下，对同一套硬度块测量的数据进行比对。在30～95 IRHD范围内选择7个硬度块，每块均匀分布测量9点，以平均值和均匀性为考核数据。因为4机中WALLACE为工作计，所以4机比对最大差值应≤1.0 IRHD，考虑硬度块均匀性影响等因素，均为与国家基准比对结果，通过多点测量，表2为测量数据的比对结果。

5 结束语

本文针对影响橡胶国际硬度测量准确度的试验力因素，从减少摩擦力出发，将空气轴承应用于小力值、硬度计量中，有效提高试验力准确度。设计并实现了空气轴承的制作，空气轴承机械运动的误差累计≤5 μm，单次的位移最大误差为1 μm，升降平台的移动对橡胶硬度测量装置测量结果不会产生显著影响，定位准确度达到预期设置的要求。由于空气轴承的摩擦力很小，该方案试验力偏差是现有橡胶硬度基准的1/10，测量范围有望进一步从30～95 IRHD扩展到10～100 IRHD，研究成果可有效提高我国目前橡胶硬度计量水平。

[1]陈明华.橡胶硬度本质的探讨[J].中国计量，2012（7）：74-75.

[2]林鲁山.国际橡胶硬度的计算及误差问题[J].试验机与材料试验，1981（5）：31-37.

[3]陈明华，吴向垒.橡胶硬度测试方法发展动态与分析[J].上海计量测试，2012（4）：2-5.

[4]Powell J W.空气静压轴承设计[M].丁维刚，译.北京：国防工业出版社，1978：12-15.

[5]张俊红.高速气浮静压轴承的结构设计[J].组合机床与自动化加工技术，2004（12）：23-25.

[6]Bouyer J，Fillon 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]郑书飞.精密空气电主轴气体轴承动态特性参数分析[D].南京：东南大学，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.小型气体静压主轴系统及其性能研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，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

广东省科技计划项目（2010B060300006）

潘嘉声（1958-），男，辽宁台安县人，高级工程师，主要从事精密仪器检测及误差理论研究。