采用圆度仪测量球形运动副承载面磨损量方法

　　称重法是通过测量磨损前后的重量差值来确定磨损量的[1-7]。由于称重法基于磨损前后两个相对较大值之间的一个极小差值,其结果会受到诸多因素的影响,如环境变化、磨损试验条件、试样清洗和操作过程等。因此,对于称重法在试验过程中应采取严格的措施保证试验条件的一致性,以消除所有可能的误差。尽管采取了严格的措施,称重法所测得的结果仍不稳定,甚至测得磨损后增重的结果,即负磨损。称重法对于重量大于200g的较重试样,要求达到0.01mg的测量精度是极为困难的,甚至难以实现。同时称重法无法消除由于污染、夹持处磨损和试样意外损伤等因素引起的重量变化,而这些重量的变化属于不正常磨损量。

　　有效的方法应该是直接测量磨损面的变化。DERBYSHIRE提出了三维几何测量法[8]。三维几何测量法采用三维坐标仪测量典型的球形运动副(人工髋关节)模拟磨损实验中的磨损量。其他一些研究人员也采用了三维几何测量法[9-11],并利用计算机构建磨损表面的三维图形来获取磨损面积和磨损深度。但是由于三维坐标仪本身精度较低,因此三维几何测量法仅适用于大磨损量试验的测量。笔者试验研究的目的是寻求一种简单、直接和准确的圆球表面磨损量的测量方法,提出了采用传统的圆度仪测量球形运动副磨损部位的磨损深度和磨损角度,同时建立数学模型计算球形运动副的凹凸球形零件的磨损量。

　　1 测量原理

　　球形运动副可以简单地描述为凹、凸球体零件球形表面的相互接触。凹球体零件半径略大于凸球体零件半径,半径的差值即为球形运动副的间隙。随着凹凸两个球体零件间的相互磨损,两个零件磨损部位的半径将逐渐磨合成一个共同的磨损半径Rw。Rw的值介于凹凸球体零件的球形半径之间,如图1所示。

　　图1中,Cc为凹球体零件球冠的高;Ch为凸球体零件球冠的高;Cwc为凹球体零件磨损后球冠的高;Cwh为凸球体零件磨损后球冠的高;Dc为凹球体零件的磨损深度;Dh为凸球体零件的磨损深度;Pc为凹球体零件的磨损深度;Ph为凸球体零件的磨损深度;Rc为凹球体零件的半径;Rh为凸球体零件的半径;Rw为磨损半径;θc为凹球体零件的磨损角;θh为凸球体零件的磨损角。

　　图1中,Cc为凹球体零件球冠的高;Ch为凸球体零件球冠的高;Cwc为凹球体零件磨损后球冠的高;Cwh为凸球体零件磨损后球冠的高;Dc为凹球体零件的磨损深度;Dh为凸球体零件的磨损深度;Pc为凹球体零件的磨损深度;Ph为凸球体零件的磨损深度;Rc为凹球体零件的半径;Rh为凸球体零件的半径;Rw为磨损半径;θc为凹球体零件的磨损角;θh为凸球体零件的磨损角。