滚珠轴承润滑脂低温转矩测定仪溯源方法研究及测量不确定度评定

0引言

在低温环境下使用润滑脂来减少机械设备的摩擦力,可以提高机械设备工作效率,延长设备使用寿命。润滑脂低温转矩是衡量润滑脂在低温环境下对滚珠轴承转动阻力的指标,在工程实践中,优化润滑脂低温转矩已成为提高机械设备性能和可靠性最为有效的方法之一。在实际应用中,低温环境下的设备往往会面临更严峻的工况,润滑脂的性能会直接影响设备的可靠性和使用寿命。低温转矩测试是评价润滑脂在低温条件下性能的重要方法,通过低温转矩测试,可以选择合适的润滑脂,并进行优化改进,以提高设备可靠性,延长设备寿命;也可以及早发现润滑脂在低温环境下的性能问题,评估其流动性和润滑性能,为制定设备的润滑方案提供参考依据。因此,润滑脂低温转矩测定的准确性显得尤为重要。国际上测定润滑脂低温转矩的主流方法为ASTM1478— 18standard Test Method for Low—Temperature TorqueofBallBearingGrease,对应国内石化行业标准SH/T0338—1992《滚珠轴承润滑脂低温转矩测定法》,该标准替代原石油行业标准SY 2730—1984一直应用至今。目前,国内的滚珠轴承润滑脂低温转矩测定仪均依据该标准进行生产。

1滚珠轴承润滑脂低温转矩测定仪结构

滚珠轴承润滑脂低温转矩测定仪(以下简称“转矩仪”)是一种测量润滑脂在低温环境下对滚珠轴承旋转的阻碍程度的仪器,广泛应用于石油化工、汽车、铁路、航空航天及科研等领域。转矩仪主要由低温箱、传动装置、转矩试验装置、测力计、数控面板、开关等组成,其结构示意图如图1所示[1]。转矩仪上的测力计有3种单位显示,分别为kgf、b、N。

2计量特性

滚珠轴承润滑脂低温转矩测定仪计量性能要求如表1所示。

3溯源条件和标准器的选择

1)溯源条件:环境温度为15~35℃;相对湿度≤85%;供电电源 (380±38)V, (50±1)Hz;气压80~106kpa。周围应无影响校准结果的振动、电磁场或其他干扰源。实际工作中,环境条件还应满足测量标准器正常使用的其他要求[2]。

2)加力条件:转矩仪上测力计的安装应保证其受力轴线与力标准器的加力轴线相重合,两端使用环、铰连接件,应灵活可靠[2]。

3)标准器要求:温度测量标准分辨力不低于0.01 ℃ ,不确定度应不大于被测设备温度偏差最大允许误差绝对值的1/3;测力所用的专用砝码准确度等级至少应优于被测测力计准确度等级的3倍。

4校准方法

4.1 温度校准

温度校准点一般选取转矩仪低温箱工作范围的下限点、中间点和上限点,也可根据用户工作中常用的温度点确定。将温度测量标准的测量端放入转矩仪的低温箱内,使其与仪器测温探头处于同一水平截面。当温度升至设定温度后,恒温15 min。在30 min内每隔3 min分别记录一次实际测量温度和仪器显示温度,连续记录10次。按公式(1)计算控温误差,按公式(2)(3)计算控温稳定度[3]。

式中:Δt为控温误差(℃);t'-为被检仪器温度读数算术平均值(℃);t为温度测量标准修正后读数算术平均值(℃)。

式中:ε+、ε-为控温稳定度(℃);tmax为温度测量标准修正后读数的最大值(℃);tmin为温度测量标准修正后读数的最小值(℃)。

4.2 力值校准

1)加载载荷应缓慢平稳,不得有冲击和超载。

2)对转矩仪上的测力计以给定方式预加至少3次最大载荷,每次加载的保持时间应为30 s~1 min。每次预加载被完全卸除之后,等待回零至少30s,检查指示装置的回零情况,根据需要可重新调整零点[4]。

3)根据转矩仪显示单位选取相应的标准器。显示力值的直接选取专用力值砝码进行校准;显示千克力的优先选取质量砝码,没有质量砝码选取相同允差的专用力值砝码,将专用力值砝码的值换算成千克力再进行校准;显示英镑的选取专用力值砝码,将力值砝码的值换算成英镑再进行校准。

校准时至少校准五个点,通常选择测力计最大载荷的20%、40%、60%、80%、100%五个点进行校准。示值指示装置调至零点,沿测力计轴线逐点增加标准力值,至各校准点保持稳定后记录相应进程示值,至测量上限后逐点递减卸除标准力值,至各校准点保持稳定后记录相应回程示值。该校准过程连续进行3次,每次校准前均应将示值指示装置调至零点。第一次校准结束卸除标准力值后相隔30 s,记取测力仪的回零示值[2]。

4)力值校准的有关技术参数按下列各式计算[2]:

回零误差:

进程示值:

回程示值:

示值误差:

重复性:

滞后:

式中:x0、x0'为校准前及卸除标准力值后测力仪零点示值;Fr为测力仪下限值;xi、xi'为在标准力Fi作用下,测力仪第i校准点的进程示值和回程示值;Fi为校准第i点的标准力;xij、xij'为在标准力Fi作用下测力仪第i点、第j次测量的进程和回程示值;xoj、xoj'为在第j次测量时,进程与回程零负荷下的零点示值;ximax、ximin为在标准力Fi作用下3次重复性测量的最大与最小示值;n为进程测量次数。

5 力值测量结果扩展不确定度评定

5.1 数学模型

式中:ΔF为测力计示值误差(N);F-为3次测量力值显示平均值(N);F0为砝码标称值(N)。

5.2测量不确定度来源

标准不确定度主要来源如下:

1)测量重复性引入的标准不确定度u1;

2)标准器专用砝码引入的标准不确定度u2。

测量标准分辨力至少0.01 N,其引入的不确定度可忽略。

5.3影响量(输入量)的标准不确定度评定

5.3.1测量重复性引入的标准不确定度u1

以50 N校准点为例,对被校转矩仪50 N点在重复性条件下进行10次测量,得到10次数据,采用A类方法进行评定:

式中:ΔFi为第i次测量结果(℃);ΔF-为10次测量结果平均值(℃);n为测量次数。

实际校准中在重复条件下连续测量3次,以该3次测量值的算术平均值作为测量结果:

5.3.2专用砝码引入的标准不确定度u2

标准测力砝码检定证书给出的最大力值相对误差为±0.1%,估计为均匀分布,取包含因子k=√3。在测量点50 N处,标准不确定度为:

5.3.3标准不确定度分量汇总表

转矩仪力值测量结果不确定度分量如表2所示。

5.3.4合成标准不确定度

输入量u1、u2彼此之间相互独立,则合成标准不确定度为:

5.3.5扩展不确定度

取包含因子k=2,则扩展不确定度为:U=kuc=0.18 N

6结束语

本文研究内容可为各石油化工企业、第三方检测单位、科研单位及生产厂家的滚珠轴承润滑脂低温转矩测定仪提供量值溯源的技术依据,确保滚珠轴承润滑脂低温转矩测定仪量值准确与统一,有利于贸易公平、科学研究和石化仪器行业的健康、可持续发展,完善滚珠轴承润滑脂低温转矩测定仪量值传递体系。湖南省长沙市是石化仪器生产集中地,本文所研究的内容也为厂家的高质高效生产提供了可靠的技术保障,提升了石油产品分析仪器生产企业的产品质量,填补了此类仪器检测无据可依的空白,有利于助推地方经济的发展,因而具有很强的经济效益和社会效益。

[参考文献]

[1]滚珠轴承润滑脂低温转矩测定法:SH/T0338—1992[S].

[2]工作测力仪检定规程:JJG455—2000[S].

[3]工业分析仪检定规程:JJG 1140—2017[S].

[4]标准测力仪检定规程:JJG 144—2007[S].

《机电信息》2025年第22期第22篇