CN101738166A - 一种高压润滑油界面滑移长度测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于界面滑移实验测量技术领域，涉及一种高压润滑油界面滑移长度测量方法，先选择和确定润滑油、封油的初始深度和施加的载荷；再基于光干涉技术对高压润滑油界面滑移长度测量并由数显拉力器给钢球施加预定载荷；按不同初始封油深度要求，由初始深度设定电机参数进行冲击；然后按防润滑油泄露要求由数显拉力器给钢球二次加载，控制封闭润滑油泄露；再基于冲击技术弹流接触区界面滑移长度测量要求，使玻璃块或钢球滑动，记录封闭润滑油在接触区运动过程；最后用图像处理软件分析封油核心运动速度并计算滑移速度和滑移长度，其使用的装置原理可靠，结构简单，操作方便，测量与计算精确度高，方法灵便，实用性强。
Description
技术领域：
本发明属于界面滑移实验测量技术领域，涉及一种高压润滑油界面滑移长度测量方法。
背景技术：
长期以来，人们对流体动力学、润滑力学的研究和分析基于同一个重要假设：流体在固体表面移动时，流体与固体的交界面上没有相对运动，即无滑移边界条件。尽管无滑移边界条件被广泛地用于各种工程实践和实验研究中，但是在过去的一个多世纪里，其正确性和有效性不断地遭到质疑。近年来随着对微流体领域研究的不断深入，研究人员通过实验及分子动力学模拟证实了某些条件下流体在固体表面发生了滑移，例如流体在疏水性毛细管中的流动等试验研究。随着微机电和纳米测试技术的进步，对固液界面滑移问题的纳米尺度测试成为可能，目前常用的测量方法主要包括：1)、直接观测法。这种测量方法主要用粒子图像测速技术(PIV)和光脱色荧光恢复技术(FRAP)，这两种测试技术的共同特点是将分子大小的粒子或荧光物质加入到流体中，追踪流体的运动过程。该方法为界面滑移的存在提供了可信的证据，但是由于用统计的方法获得示踪粒子的滑移速度，测量精度较低；2)、间接测量法。这种测量方法主要借助原子力显微(AFM)和表面力仪(SFA)。这两种仪器测试原理相同，都是对液体中两个表面互相接近时所产生的挤压力进行测量，根据力的大小在滑移模型中求出滑移长度。该方法的测量精度较高，但是滑移长度和滑移速度的推算需要精确的滑移模型。现有的这些测量方法局限于常压下滑移长度的测量，测试仪器较昂贵，对仪器的调试和测试技术的要求也较高，而且文献中已有的测试结果也因仪器的不同而不同；因此寻求一种简单的测试方法来测量高压下润滑油的滑移长度，使其接近工程实际，对工程应用具有重要的指导意义。
发明内容：
本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求设计提供一种简单的高压润滑油滑移长度的实验与测量方法，对测量的初始条件实现精确控制。
为了实现上述目的，本发明测量使用的系统装置包括钢球、玻璃块、钢球夹具、加载托板、压板销、电机、数显拉力器、弹簧、铬膜、封闭润滑油、单色光和显微镜，按测量原理组装成一体化装置，按照以下步骤进行测量：先根据实验目标选择和确定润滑油、封油的初始深度和需要施加的载荷；再基于光干涉可视技术的高压润滑油界面滑移长度的测量，通过数显拉力器给钢球施加预定载荷；按不同初始封油深度的精确控制要求，根据封油的初始深度设定电机的相关参数进行冲击；然后按防止润滑油泄露的控制要求，通过数显拉力器给钢球进行二次加载，以有效控制封闭润滑油的泄露；再按基于冲击技术的弹流接触区界面滑移长度测量要求，转动使玻璃块或钢球滑动，记录封闭润滑油在接触区的整个运动过程；最后利用图像处理软件分析参考点封油核心的运动速度，利用滑移长度模型计算滑移速度和滑移长度。
本发明涉及的基于光干涉可视技术的高压润滑油界面滑移长度测量是在冲击之前给钢球施加预载荷，载荷值从数显拉力器上读出，此时弹簧处于拉紧状态，伺服电机缓慢正转，与电机轴相连的压板销对加载托板施加压力，使钢球和玻璃块脱离并保持一定初始间隙，此时电机迅速反转，固定在加载托板上的钢球在弹簧拉力作用下冲击玻璃块，由于润滑油的粘性，部分润滑油来不及排出而被封闭在钢球和玻璃块之间形成凹陷状油膜；封闭的凹陷状润滑油处于高压状态，其中凹陷核心的压力最高；为了防止润滑油泄漏，给钢球进行二次加载；然后使钢球保持静止玻璃块滑动或玻璃块保持静止钢球滑动；记录封油凹陷在接触区的运动过程，利用图像处理软件得到玻璃块和钢球上参考点及封油核心的运动速度；设玻璃块或钢球上参考点的速度为uref，封油核心的运动速度为uc；卷吸速度为ue＝uref/2，根据经典润滑理论，采用无滑移边界条件，封油核心的运动速度应与卷吸速度相等，即uc＝ue；由于封闭润滑油在玻璃块表面发生了滑移uc≠ue，当玻璃块滑动时，uc＜ue；当钢球滑动时，uc＞ue；在玻璃块滑动和钢球滑动的条件下，滑移速度us＝2uc-uref，滑移长度
本发明涉及的对不同初始封油深度的精确控制是在比较不同润滑油间滑移长度的变化时获得相同的初始条件，即相同的封油深度，封油深度通过封闭润滑油的条纹数目计算得到；将伺服电机设定为位移模式，用PLC控制电机的正反转速度；根据电机的正转位移控制钢球和玻璃块之间的初始间隙；通过电机的反转速度控制钢球冲击玻璃块的速度，合理调配两个冲击因素，实现对封油深度的精确控制。
本发明涉及的防止润滑油泄漏的控制是当使用粘度较低或粘压系数较小的润滑油时润滑油会泄漏，即冲击完成后，润滑油会迅速泄漏出接触区影响实验的结果；为了防止润滑油泄漏，在冲击完成后，迅速给钢球二次加载，有效抑制润滑油泄漏；另外二次加载后，润滑油在接触区的运动时间变长，为实验提供更多的有效测量数据。
本发明与现有技术相比，其使用的系统装置组成原理可靠，结构简单，操作方便，测量精确度高，其方法简便灵活，实验和实用性强，数量参数计算方便。
附图说明：
图1为本发明实现时的测试系统装置组装结构原理示意图。
图2为本发明玻璃块滑动和球滑动滑段长度的计算图示。
具体实施方式：
下面通过实施例并结合附图做进一步说明。
实施例：
本实施例的系统装置结构原理示意如图1所示，测量时使用的系统装置的组成包括钢球1、玻璃块2、钢球夹具、加载托板4、压板销5、电机6、数显拉力器7、弹簧8、铬膜9、封闭润滑油10、单色光11和显微镜12等器件，按测量原理组装成一体化装置系统进行测量，先根据实验目标选择和确定润滑油、封油的初始深度和需要施加的载荷；再基于光干涉可视技术的高压润滑油界面滑移长度的测量，通过数显拉力器7给钢球1施加预定载荷；按不同初始封油深度的精确控制要求，根据封油的初始深度设定电机6的相关参数进行冲击；然后按防止润滑油泄露的控制要求，通过数显拉力器7给钢球1进行二次加载，以有效控制封闭润滑油的泄露；再按基于冲击技术的弹流接触区界面滑移长度测量要求，转动使玻璃块2或钢球1滑动，记录封闭润滑油10在接触区的整个运动过程；最后利用图像处理软件分析参考点封油核心的运动速度，利用滑移长度模型计算滑移速度和滑移长度。
本实施例测量时，冲击之前给钢球1施加预载荷，载荷值可以从数显拉力器7上读出，此时弹簧8处于拉紧状态，伺服电机6缓慢正转，与电机6轴相连的压板销5对加载托板4施加压力，使钢球1和玻璃块2脱离并保持一定初始间隙，此时电机6迅速反转，固定在加载托板4上的钢球1在弹簧8拉力作用下冲击玻璃块2，由于润滑油的粘性，部分润滑油来不及排出而被封闭在钢球1和玻璃块2之间形成凹陷状油膜(图1(I))；封闭的凹陷状润滑油处于高压状态，其中凹陷核心的压力最高；为了防止润滑油泄漏，给钢球1进行二次加载，然后使玻璃块2滑动，钢球1保持静止或钢球1滑动玻璃块2保持静止；记录封油凹陷在接触区的运动过程，利用图像处理软件得到玻璃块2和钢球1上参考点及封油核心的运动速度，设玻璃块2或钢球1上参考点的速度为uref,封油核心的运动速度为uc；设卷吸速度为ue＝uref/2，若根据经典的润滑理论，采用无滑移边界条件，封油核心的运动的速度应与卷吸速度相等，即uc＝ue；本实施例由于封闭润滑油在玻璃块2表面发生了滑移uc≠ue，当玻璃块2滑动时，uc＜ue；而当钢球1滑动时，uc＞ue；在玻璃块2滑动和钢球1滑动的条件下，滑移速度us都可表示为：us＝2uc-uref，则滑移长度为：
其中的h为附图2中所示，为钢球1与玻璃块2之间的垂直距离。
本实施例在不同初始封油深度的精确控制是在比较不同润滑油间滑移长度的变化时，要获得相同的初始条件，即相同的封油深度，而封油深度可以通过封闭润滑油的条纹数目计算得到；如图1所示，将伺服电机6设定为位移模式，用PLC控制电机的正反转的速度；可以根据电机6的正转的位移控制钢球1和玻璃块2之间的初始间隙；通过电机6的反转速度来控制钢球1冲击玻璃块2的速度，合理调配这两个冲击因素，可实现对封油深度的精确控制。
本实施例对防止润滑油泄漏的控制是当使用粘度较低或粘压系数较小润滑油时，遇到的一个重要问题是润滑油的泄漏，即冲击完成后，润滑油会迅速泄漏出接触区，这势必影响实验的结果；为了防止润滑油泄漏，在冲击完成后，迅速给钢球二次加载，实验证明这种方法可以有效地抑制润滑油的泄漏；另外二次加载之后，润滑油在接触区的运动时间变长，可以为实验提供更多的有效测量数据。
Claims (4)
1.一种高压润滑油界面滑移长度测量方法，测量使用的装置包括钢球、玻璃块、钢球夹具、加载托板、压板销、电机、数显拉力器、弹簧、铬膜、封闭润滑油、单色光和显微镜，按测量原理组装成一体化装置，其特征在于先根据实验目标选择和确定润滑油、封油的初始深度和需要施加的载荷；再基于光干涉可视技术的高压润滑油界面滑移长度的测量，通过数显拉力器给钢球施加预定载荷；按不同初始封油深度的精确控制要求，根据封油的初始深度设定电机的相关参数进行冲击；然后按防止润滑油泄露的控制要求，通过数显拉力器给钢球进行二次加载，控制封闭润滑油的泄露；再按基于冲击技术的弹流接触区界面滑移长度测量要求，转动使玻璃块或钢球滑动，记录封闭润滑油在接触区的整个运动过程；最后利用图像处理软件分析参考点封油核心的运动速度，利用滑移长度模型计算滑移速度和滑移长度。
2.根据权利要求1所述的高压润滑油界面滑移长度测量方法，其特征在于涉及的基于光干涉可视技术的高压润滑油界面滑移长度测量是在冲击之前给钢球施加预载荷，载荷值从数显拉力器上读出，此时弹簧处于拉紧状态，电机缓慢正转，与电机轴相连的压板销对加载托板施加压力，使钢球和玻璃块脱离并保持一定初始间隙，此时电机迅速反转，固定在加载托板上的钢球在弹簧拉力作用下冲击玻璃块，部分粘性润滑油来不及排出被封闭在钢球和玻璃块之间形成凹陷状油膜；封闭的凹陷状润滑油处于高压状态，其中凹陷核心的压力最高；为防止润滑油泄漏，给钢球进行二次加载；然后使钢球保持静止玻璃块滑动或玻璃块保持静止钢球滑动；记录封油凹陷在接触区的运动过程，利用图像处理软件得到玻璃块和钢球上参考点及封油核心的运动速度；设玻璃块或钢球上参考点的速度为uref，封油核心的运动速度为uc；卷吸速度为ue＝uref/2，根据经典润滑理论，采用无滑移边界条件，封油核心的运动速度与卷吸速度相等，即uc＝ue；封闭润滑油在玻璃块表面发生滑移uc≠ue，当玻璃块滑动时，uc＜ue；当钢球滑动时，uc＞ue；在玻璃块滑动和钢球滑动的条件下，滑移速度us＝2uc-uref，滑移长度
3.根据权利要求1所述的高压润滑油界面滑移长度测量方法，其特征在于涉及的对不同初始封油深度的精确控制是在比较不同润滑油间滑移长度的变化时获得相同的初始条件，即相同的封油深度，封油深度通过封闭润滑油的条纹数目计算得到；将电机设定为位移模式，用PLC控制电机的正反转速度；根据电机的正转位移控制钢球和玻璃块之间的初始间隙；通过电机的反转速度控制钢球冲击玻璃块的速度，调配两个冲击因素，实现对封油深度的精确控制。
4.根据权利要求1所述的高压润滑油界面滑移长度测量方法，其特征在于涉及的防止润滑油泄漏的控制是当使用粘度较低或粘压系数较小的润滑油时润滑油会泄漏，即冲击完成后，润滑油会迅速泄漏出接触区影响实验结果；为防止润滑油泄漏，在冲击完成后，迅速给钢球二次加载抑制润滑油泄漏；二次加载后，润滑油在接触区的运动时间变长，提供测量数据。
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