高压微间隙润滑试验机
技术领域
本发明涉及一种试验机,尤其是一种在高压、高剪切率工况条件下,实现实时测量微间隙中润滑膜厚度、摩擦力、温度的高压微间隙润滑试验机。
背景技术
在航天航空、超精密机械等领域中,许多关键部件的运动精度和制造精度需要达到亚微米甚至纳米量级,并伴随高负荷点、线接触;对应的摩擦副间隙将达到到1-100nm纳米量级,压力达到3GPa,剪切率达到108-1010/s。微间隙中的润滑材料行为及其失效规律已不符合宏观润滑理论;高剪切率会导致润滑材料分子链断裂;高压力会导致润滑膜破裂。这些行为都会引发摩擦副润滑失效,严重时将会导致整个系统瘫痪。因此,建立高压微间隙润滑试验系统,对高压、高剪切率、微间隙润滑条件下材料的行为规律、尺度效应、失效机制及控制方法进行探索,对保障系统的稳定性、可靠性和经济性是非常有意义的。
现在对材料的润滑行为进行研究的试验系统主要有:润滑特性监测系统,润滑剂性能监测系统,表面润滑系统。润滑特性监测系统方面:专利号为200410018436公开了一种轴向柱塞泵配流副润滑特性的测试装置,通过液压动力实施加载,用润滑膜测试平台来试验研究不同工况下配流副的润滑特性,实时监测、采集并对测试数据分析、处理,实现润滑试验系统中微米级润滑膜厚度的反馈控制。专利号为89217503公开了一种智能润滑监控装置,用于干油、稀油润滑系统的故障监视和控制、机器的程序控制。专利号为97219302公开了一种润滑油流监控器,适合矿山、冶金、发电等大型机器设备的润滑监控;专利号为200610019934公开了一种监测压缩机连杆瓦运行状况的方法,通过微机监测压缩机连杆瓦运行状况,通过数据处理决定是否需要维修。润滑剂性能监测系统方面:专利号为200620088031.8公开了一种采用工控机全自动控制的摩擦磨损润滑剂试验机,能实时地观测到润滑剂摩擦磨损性能试验结果,并可对多次试验数据进行比较研究;专利号为94224975.5公开了一种四球式润滑剂试验机,可以测定润滑剂的抗磨、减摩、抗擦伤性能和抗机械剪切安定性的试验机,与智能化仪表联用,能满足润滑剂多种性能的评定,专利号为CN03227041.0公开了一种液压千斤顶式润滑磨损试验机,采用液压施力,测量润滑磨损精确度高,工作稳定;表面润滑系统方面:专利号为96191699公开一种具有低润滑敏感度的旋转式压缩机,对润滑失效受到磨损的零件上施加金刚石式碳涂层缓解润滑性能;专利号为200520012678公开一种万向节润滑机构,用于万向节中,该机构具有较大的储油量注油方便,且能使万向节具有较高的可靠性等特点。
上述专利文献中公开的润滑试验机构,虽然都对润滑剂的摩擦磨损性能以及润滑特性进行实时监测并且及时反馈控制,或通过表面处理增强润滑性能,但是所研究的润滑行为都是一般常规条件下的润滑特性及摩擦磨损性能的监测和研究,而在一些苛刻条件下材料的润滑承载能力、流变特性等尚未进行研究。
发明内容
技术问题:本发明的目的是根据已有技术中存在的问题,提供一种高压微间隙润滑试验机,以模拟在苛刻条件下,材料在高压微间隙润滑条件下的承载能力和流变特性。
技术方案:本发明的高压微间隙润滑试验机,它由支撑台,固定在支撑台上的升降工作台,安装在升降工作台上的机械系统,与机械系统相连的加载系统和温控系统组成,机械系统内设有陶瓷球、膜厚测量系统和摩擦力测量系统。
所述的支撑台由底座、支撑杆和支撑平台连接而成;所述的机械系统包括油箱系统和主轴系统,油箱系统由固定在升降工作台上的油箱和与其相配合的油箱盖两部分组成,油箱盖设在油箱上;主轴系统由伺服电机、联轴器、主轴、陶瓷轴套、挡板和壳体组成,伺服电机竖立在支撑平台上,联轴器将伺服电机输出轴与主轴相联接,陶瓷轴套套在主轴上,挡板通过螺钉固定在主轴端面上,壳体通过螺钉固定在支撑平台和油箱盖之间;所述的油箱盖与油箱之间注有平面密封胶;所述的壳体内设有固定主轴的轴承、套杯、端盖;所述的加载系统由电动位移台、加载板、压电式传感器、锥形头支座和支座轴固定壳体组成,锥形头支座的锥面上设有顶住陶瓷球的陶瓷轴承,加载板用螺钉固定在电动位移台上,支座轴固定壳体套在锥形头支座的输出轴上,并固定在支撑平台上;所述的膜厚测量系统由外壳、高精度电涡流位移传感器和镀在陶瓷轴套下半部分表面的感应介质铜组成,外壳包住高精度电涡流位移传感器,固定在锥形头支座上;所述的摩擦力测量系统是由伺服电机、扭矩传感器、软轴、粘结在陶瓷球上的陶瓷轴及固定陶瓷轴的精密双列自调心球轴承组成,伺服电机和扭矩传感器固定在支撑平台上,软轴与固定在陶瓷球上的陶瓷轴相联,以传递陶瓷球的扭矩;所述的温控系统由热电偶温度计、智能化温控仪、双向可控硅和加热片组成,热电偶温度计设在油箱盖上,智能化温控仪和双向可控硅设在支撑平台上,加热片设在油箱底部。
有益效果:本发明的高压微间隙润滑试验机,是一种在0-3GPa高压和108-109/s高剪切率工况条件下,实现实时测量1-100nm微间隙中润滑膜厚度、摩擦力、温度的试验机。通过控制陶瓷球与套在主轴上的陶瓷套间最大接触压力、界面间隙、剪切率,能够评价润滑材料在高压微间隙下的承载能力、流变特性等,为高压微间隙下润滑模型的建立提供实验数据,为优化苛刻环境下的润滑抗磨及材料选择提供解决方案。
附图说明
附图是本发明的高压微间隙润滑试验机结构图。
图中:伺服电机-1,扭矩传感器-2,支撑平台-3,软轴-4,油管-5,陶瓷球-6,锥形头支座-7,支座轴固定壳体-8,压电式传感器-9,加载板-10,电动位移台-11,支架-12,外壳-13,高精度电涡流位移传感器-14,底座-15,升降工作台-16,加热片-17,挡板-18,油箱-19,螺钉-20,陶瓷套-21,油箱盖-22,主轴-23,热电偶温度计-24,壳体-25,联轴器-26,智能化温控仪-27,伺服电机-28,双向可控硅-29。
具体实施方式
附图所示,高压微间隙润滑试验机,由支撑台、升降工作台16、机械系统、加载系统、膜厚测量系统、摩擦力测量系统和温控系统组成。支撑台由底座15、支撑平台3、支持平台12和其间的支撑杆连接而成;升降工作台16由连杆铰接架构成,铰接处设有控制升降的调节杆,升降工作台16设在底座15上;机械系统内设有材料为Si3N4的陶瓷球6,机械系统包括油箱系统和主轴系统,油箱系统由油箱19和油箱盖22两部分组成,油箱19固定在升降工作台16上,油箱盖22盖在油箱19上,其间注有平面密封胶,以保证油箱盖22与油箱19之间产生微小运动时的较好密封;主轴系统是由伺服电机28、联轴器26、主轴23和材料为SiC的陶瓷轴套21以及轴承、套杯、端盖和壳体25组成,伺服电机28竖立在支撑平台3上,联轴器26将伺服电机28输出轴与主轴23联接起来,主轴23呈T形,其头部伸入油箱19内,SiC陶瓷套21设在主轴23头部的外径上,主轴23的端面装有防止SiC陶瓷套21脱落的挡板18,挡板18由螺钉20固定。SiC陶瓷套21的下半部分表面镀有一层铜,壳体25通过螺钉固定在支撑平台3和油箱盖22上表面之间;加载系统是由电动位移台11、加载板10、压电式传感器9、锥形头支座7和支座轴固定壳体8组成,螺钉将加载板10固定在电动位移台11上,Si3N4陶瓷球6由安装在锥形头支座7锥形柱上斜对的两陶瓷轴承支撑,两陶瓷轴承支撑力的汇集点与Si3N4陶瓷球6的中心点重合。支座轴固定壳体8套在锥形头支座7的输出轴上,并固定在支撑平台12上;膜厚测量系统是由外壳13、高精度电涡流位移传感器14和镀在SiC陶瓷套21下表面的感应介质铜组成,外壳13包住高精度电涡流位移传感器14,并固定在锥形头支座7上,主要为了防止油箱中润滑油液的旋转运动对高精度电涡流位移传感器14产生挠动而影响测量的精度;摩擦力测量系统是由伺服电机1、扭矩传感器2、软轴4、粘结在Si3N4陶瓷球6上的陶瓷轴及固定陶瓷轴的优质精密双列自调心球轴承组成,伺服电机1和扭矩传感器2固定在支撑平台3上,软轴4与粘结在Si3N4陶瓷球6上的陶瓷轴相联,以传递Si3N4陶瓷球6的扭矩,双列自调心轴承用以固定陶瓷轴,并且在因陶瓷球6和陶瓷套21间润滑膜的产生而引起的陶瓷球6径向运动时,允许粘结在陶瓷球6上的陶瓷轴有微小偏移,并能自动调心;温控系统则是由热电偶温度计24、智能化温控仪27、双向可控硅29和加热片17组成,热电偶温度计24粘结在油箱盖22上,智能化温控仪27和双向可控硅29安装在支撑平台3上,加热片17放在油箱19底部。
在实验中,油箱19中的润滑油液通过注或抽油管5经由可正反转泵注入或抽出,升降工作台16通过调节高度实现油箱19的上升下降,达到注入部分润滑油液和清洗油箱的目的。主轴系统的伺服电机28通过联轴器26将动力直接传递给主轴23,SiC陶瓷套21随主轴23作高速旋转,当加载系统的电动位移台11作进给运动时,依次通过加载板10、压电式传感器9、锥形头支座7输出轴,进而对Si3N4陶瓷球6施预加力,预加力的施加大小通过压电式传感器9测出;此时,Si3N4陶瓷球6和SiC陶瓷盘21浸没在油箱19润滑油液中,Si3N4陶瓷球6在预加力作用下与SiC陶瓷套21接触,SiC陶瓷套21的高速旋转使润滑油液在Si3N4陶瓷球6-SiC陶瓷套21间形成可承受高压和高剪切率的微间隙润滑膜,并使Si3N4陶瓷球6产生相对位移,其相对位移大小通过可在润滑油液中工作的高精度电涡流位移传感器14测定,它对SiC陶瓷套21下表面的铜介质产生电涡流效应而完成膜厚的测量;此外,润滑膜的出现使Si3N4陶瓷球6和SiC陶瓷套21间产生滚动摩擦力,滚动摩擦力是间接通过测量Si3N4陶瓷球6扭矩实现的,Si3N4陶瓷球6与SiC陶瓷套21作相向旋转运动,Si3N4陶瓷球6旋转产生的扭矩通过软轴4传递到扭矩传感器2上,得到Si3N4陶瓷球6的扭矩值,进而理论求出Si3N4陶瓷球6与SiC陶瓷套21间的滚动摩擦力;温控系统则是能够对温度进行实时控制,通过热电偶温度计24感应温度变化输出信号电压传输到智能化温控仪27,对偏离的电压信号通过PID调节,温度低于或高于设定值,双向可控硅29零触发导通,驱动控制元件加热片17进行反馈补偿,使实验在设定的温度下进行。