一种双球基面圆锥滚子长度检测方法及仪器

时可可，何红玉，张帅军，张磊磊，贾玉鑫

(1.洛阳LYC轴承有限公司，河南 洛阳 471039;2.航空精密轴承国家重点实验室，河南 洛阳 471039;3.洛阳轴承研究所有限公司，河南 洛阳 471039)

一般情况下，圆锥滚子[1-2]的大端面为球基面 (即球形面)，小端面为平面结构；与之相比，双球基面圆锥滚子的两端面均为球形端面结构。采用双球基面圆锥滚子的滚动轴承应用较少，该类轴承的内圈不具有小挡边结构，而由独立的挡圈代替。由于轴承存在特殊结构形式，不仅对轴向游隙有所要求，还对所用双球基面圆锥滚子的批长度变动量具有严格要求。

目前，通常采用对比标准块的测量方法，利用通用型高度检测仪测量普通型圆锥滚子的长度变动量，具有较高的检测精度及较好的稳定性和重复性，通用性比较好。由于双球基面的特殊结构，通用型高度检测仪测量双球基面圆锥滚子时，存在定位不稳定、测头不易接触到球形端面的最高点以及不易保证测头与被测圆锥滚子中心轴线同轴等缺点，检测结果的准确性及稳定性较差，无法满足双球基面圆锥滚子长度的检测。因此，提出了一种同轴检测方法，并设计了相应的检测仪器进行实际测量和应用。

1 检测方法

阿贝原则是仪器设计和长度测量中应遵循的基本原则，即遵循被测件测量中心线布置在基准测量中心线或其延长线上的测量原则。针对双球基面圆锥滚子长度的检测，为满足阿贝测量原则，提出一种同轴检测方法，即在进行双球基面圆锥滚子长度检测时，其中心轴线与测量仪表中心轴线保持同轴。

为实现上述同轴检测方法，需利用具有一定升角的V形槽支承台[3-5]对双球基面圆锥滚子中心轴线进行空间调整，使调整后的双球基面圆锥滚子中心轴线与测量仪表中心轴线保持同轴。V形支承台的结构如图1所示。

图1 V形支承台结构示意图

图中：α为双球基面圆锥滚子半锥角；β为V形槽面的升角；θ为V形槽任意竖直截面的V字夹角；V形槽升角线的延长线与圆锥滚子素线的延长线相交于O点；任意垂直于双球基面圆锥滚子中心轴线的截面N分别交中心轴线于点A，交圆锥滚子下端素线于点B，交V形槽升角线于点C；圆锥滚子的截面圆相切于V形槽点D；假设r为圆锥滚子的任意截面圆半径，根据几何关系可得

(1)

AB=AD=r，

(2)

由上述关系式推算得

(3)

通过α，β，θ之间的函数关系，可针对不同圆锥角规格的圆锥滚子配置相应的V形支承台，进而实现不同规格圆锥滚子的长度检测。

2 检测仪器

基于上述检测方法设计的双球基面圆锥滚子长度检测仪如图2所示，该检测仪由基础部件、测量台部件和测量仪表部件组成。底座和支承板为基础部件，测量台部件则由V形支承台、支承测量台、支承台、连接螺钉和固定螺钉组成，测量仪表部件则由测量仪表、支臂、支座、套筒、微调螺母、锁紧螺钉和固定螺钉组成。测量台部件和测量仪表部件分别起定位支承和测量的作用，并通过固定螺钉连接于支承板上。

图2 双球基面圆锥滚子长度检测仪

测量台部件的结构如图3所示，其主要功能则利用V形支承台的V形槽面支承双球基面圆锥滚子的锥面，并利用支承测量台平面支承双球基面圆锥滚子的小端面。在各部件的综合作用下，双球基面圆锥滚子的中心轴线与测量仪表中心轴线能够保持同轴，且支承测量台平面与双球基面圆锥滚子中心轴线相互垂直，实现了双球基面圆锥滚子的径向和轴向稳定支承。

图3 测量台部件

双球基面圆锥滚子长度检测仪的设计完全符合阿贝原则，采用比对标准件的测量方法对双球基面圆锥滚子的长度进行测量，具体操作方法为：

1)安装调整测量仪表，将标准件进行对表调零；

2)将被测圆锥滚子放置于支承测量台上并贴紧V形支承台的V形槽面；

3)读取测量仪表在比对标准件后的变化量，即得出被测圆锥滚子实际长度尺寸与理论长度尺寸的偏差。

3 测量不确定度评定

为进一步使双球基面圆锥滚子长度检测仪在生产现场得到推广应用，通过对该类型滚子测量时测量不确定度的评定[6-7]来分析该长度检测仪的测量精度。

依据计量标准和实际测量情况分析可知，该仪器的测量不确定度主要来源于标准滚子的校准、滚子长度差、滚子膨胀系数差以及滚子温度差。建立被测滚子的测量模型，可得不确定度分量ui(l)和合成标准不确定度uc(l)分别为

ui(l)=ciu(xi)，

(4)

(5)

式中：ci为各不确定度分量灵敏系数；u(xi)为不确定度分量对应的标准不确定度；u(ls)为校准标准滚子引入的标准不确定度；u(d)为滚子长度差引入的标准不确定度；u(δα)为膨胀系数差引入的标准不确定度；u(δθ)为滚子温度差引入的标准不确定度。

利用标准滚子对被测滚子进行相对独立重复测量，10次测量所得长度差结果分别为-3，-3，-3，-2，-3，-3，-1，-3，-3和-4 μm；已知标准滚子长度的校准值ls为30.273 mm，U为0.095 μm且包含因子k=3，标准滚子温度与参考温度20 ℃之差估计为-0.1 ℃，标准滚子的热膨胀系数αs为11.5×10-6℃-1；通过(4)式逐一对各不确定度分量进行评定计算，最终通过(5)式计算出合成标准不确定度uc(l)，结果见表1。

表1 测量不确定度评定结果

由表1可见，不确定度的主要分量显然是滚子长度差u(d)，通过所得合成标准不确定度38.8 nm与最大测量误差3 μm的对比分析，表明测量结果存在较高可信度，该仪器具有相对高的测量精度。

4 实际应用

表2 双球基面圆锥滚子的长度测量结果

图4 长度检测仪对双球基面圆锥滚子的测量结果

由测量结果分析可知：对同一粒滚子测量时，长度检测仪所得测值与立式光学计测量结果相近，二者测得结果的最大差值仅有3 μm，与千分尺测量相比具有较高的测量精度；从图4中可以看出，同一粒滚子测量的最大散差仅为4 μm，说明长度检测仪能够满足0.01 mm级尺寸精度要求的测量应用。另外，经实际验证，长度检测仪的测量效率既远高于立式光学计又高于千分尺。综合仪器的测量精度和效率，该长度检测仪完全能够满足产品生产现场的实际测量和应用。

5 结束语

针对双球基面圆锥滚子的特殊结构提出了一种同轴检测方法，并设计了一种双球基面圆锥滚子长度检测仪，该检测仪器在整体结构上利用V形支承台对双球基面圆锥滚子实现了空间稳定支承、定位和同轴测量，解决了检测双球形端面圆锥滚子长度的技术难题。

另外，通过利用V形支承台V形槽面的升角β与被测圆锥滚子半锥角α和V形槽端面夹角θ三者之间的三角函数关系，配置相应的V形支承台即可满足不同圆锥角的圆锥滚子长度尺寸的检测，并且该检测仪也适用于普通型圆锥滚子的长度检测。