CN102997855A - 测量球面与球面接触下润滑液膜厚度的实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种测量球面与球面接触下润滑液膜厚度的实验装置，包括支撑系统、加载系统、承载系统及光学测量系统，该加载系统包括摆动机构、加载机构及加载球，该加载机构连接于该摆动机构和该加载球之间，该摆动机构用于使该加载机构产生以加载球球心为圆心且在同一平面上的摆动，该加载机构的摆动使所述加载球转动，并且该加载机构通过该加载球对该承载系统施加过加载球球心的恒定的载荷，该承载系统包括承载盘，该承载盘具有凹球面，该凹球面用于承载该加载球且该承载盘在加载球转动时固定设置。本发明属于测量技术领域，实验装置可用于轴承、关节等球面与球面接触下的纳米级润滑液膜厚测试。

Description

测量球面与球面接触下润滑液膜厚度的实验装置

技术领域

本发明涉及一种测量润滑液膜厚度的实验装置，尤其涉及一种测量球面与球面接触下润滑液膜厚度的实验装置。

背景技术

在机械工程中涉及到表面与表面接触的地方，除了常见的平面与平面、平面与球面接触的形式外，还有很多球面与球面接触的情况。另外，在人工髋关节系统中，也存在关节球头与人工髋臼这对典型的球面与球面接触的形式。两接触副中润滑液膜的厚度是影响其摩擦磨损性能的一个重要因素，直接影响着摩擦副材料的使用寿命，因此，对润滑液膜的厚度测量具有十分重要的意义。

以人工髋关节置换为例，目前世界范围内每年有大批患者接受该手术治疗（比例约为1/1000），且这一数字在呈逐年递增趋势。在我国，随着人们对生活质量需求的不断提升，越来越多的髋关节病患者选择人工髋关节置换。在人工髋关节置换系统中，关节球头与人工髋臼摩擦磨损所产生的磨损微粒造成的“骨溶解”病使得患者在15年左右需进行二次手术。为此，研究人员开发了各种实验设备，对关节球头与人工髋臼之间的摩擦磨损进行测试，但却未有用于获得此球面与球面接触副下润滑液膜的厚度的实验设备。目前，对润滑液膜厚度的测量多局限于平面与平面接触以及平面与球面接触的情况。例如，公告号为CN101709953B的中国发明专利公开了一种润滑剂膜厚测量仪，用于测量加载球与盘片之间的润滑液膜厚度。然而，这种测量平面与球面之间润滑液膜厚度的仪器无法对球面与球面接触的情况进行测量。

发明内容

有鉴于此，开发一种用于球面与球面接触下润滑液膜厚度测试的实验装置非常必要。

一种测量球面与球面接触下润滑液膜厚度的实验装置，包括支撑系统、加载系统、承载系统及光学测量系统，该支撑系统包括一工作台面，该加载系统及该承载系统固定于该工作台面，该加载系统包括摆动机构、加载机构及加载球，该加载机构连接于该摆动机构和该加载球之间，该摆动机构用于使该加载机构产生以加载球球心为圆心且在同一平面上的摆动，该加载机构的摆动使所述加载球转动，并且该加载机构通过该加载球对该承载系统施加过加载球球心的恒定的载荷，该承载系统包括承载盘，该承载盘具有凹球面，该凹球面用于承载该加载球且该承载盘在加载球转动时固定设置。

本发明的有益效果为：润滑液膜的厚度是影响摩擦副摩擦磨损性能的一个非常重要的因素，其直接影响着摩擦副材料的使用寿命，针对以往的润滑液膜厚度测量多局限于平面与平面接触以及平面与球面接触这一难题，本发明提供的实验装置通过加载系统实现了加载球在绕自身球心转动的过程中对固定的承载盘进行加载，满足球面与球面接触下润滑液膜厚度测试的需求，可对球面与球面接触下纳米级润滑液膜的厚度进行测量。

附图说明

图1为本发明实施例实验装置的正视示意图。

图2为本发明实施例实验装置的左视示意图。

图3为本发明实施例实验装置的加载系统的正视示意图。

图4为本发明实施例实验装置的加载系统的局部剖视示意图。

图5为本发明实施例实验装置的承载系统的局部剖视示意图。

图6为本发明实施例实验装置的整体结构示意图。

主要元件符号说明

实验装置	1
		支撑系统	10
加载系统	20
		承载系统	30
光学测量系统	40
		温控系统	50
自动控制系统	60
		工作台面	102
机架	104
		调整垫	106
摆动机构	200
		加载球	202
伺服电机	204
		转动块	206
连杆机构	208
		滑块	210
圆弧导轨	212
		转轴	214
第一轴	216
		第二轴	218
螺杆	220
		螺套	222
减速机	224
		导轨架	226
加载机构	228
		固定杆	230
弹簧	232
		调节螺杆	234
转接轴	236
		锁紧螺母	238，314
压力传感器	240
		连接轴	242
承载盘	302
		凹球面	306
水平旋转皿	308
		垂直旋转皿	310
调节杆	312
		锁紧螺钉	316
密封圈	318
		光学显微镜	402
光源	404
		显微镜移动平台	406
工控机	602
		控制箱	604
显示器	606

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

下面将结合附图及具体实施例对本发明提供的测量球面与球面接触下润滑液膜厚度的实验装置作进一步的详细说明。

请参阅图1及图2，本发明实施例提供一种测量球面与球面接触下润滑液膜厚度的实验装置1，包括支撑系统10、加载系统20、承载系统30及光学测量系统40。该实验装置1可以用于测量球面与球面接触下润滑液膜的厚度。

该支撑系统10包括一工作台面102，用于支撑和固定该加载系统20及该承载系统30。另外，该支撑系统10还可包括机架104及调整垫106。该机架104用于支撑该工作台面102，该调整垫106设置在该机架104底部的四个角，用于对该工作台面102的水平进行调整及减震，以增强稳定性。

请参阅图3及图4，该加载系统20包括摆动机构200、加载机构228及加载球202。该加载机构228连接于该摆动机构200和该加载球202之间。

该摆动机构200与该加载机构228连接，用于使该加载机构228产生以加载球202的球心为圆心且在同一平面上的摆动，该加载机构228带动该加载球202，使该加载球202以球心为圆心在同一平面上往复转动。该摆动机构200的摆动的频率与该加载球202的转动频率相同，该摆动机构200的摆角与该加载球202的转动角度相同。该摆动机构200通过该支撑系统10支撑，该摆动机构200包括伺服电机204、转动块206、连杆机构208、滑块210及圆弧导轨212。该伺服电机204用于驱动该转动块206进行转动，并通过该连杆机构208带动该滑块210沿该圆弧导轨212做往复滑动。该转动块206与该伺服电机204连接，通过伺服电机204的驱动绕转轴214进行转动，转轴214与圆弧导轨212所在的平面垂直，该转动块206具有一平行于该圆弧导轨212所在平面的外侧表面。该连杆机构208一端设置在该转动块206上，另一端设置在该滑块210上。具体为，该连杆机构208一端通过第一轴216连接在该转动块206的该外侧表面的第一位置，且该第一位置与该转动块206的转轴214间隔设置，另一端通过第二轴218连接在该滑块210的第二位置，如滑块210的中心。该滑块210与该圆弧导轨212为滑动连接，例如，该滑块210套设在该圆弧导轨212上，可沿该圆弧导轨212滑动。该连杆机构208为刚性杆，当该转动块206转动时，该连杆机构208使该转动块206的第一位置与该滑块210的第二位置之间的距离保持不变，由于该第一位置不在该转动块206的转轴214，因此可以使该滑块210在该连杆机构208的带动下沿该圆弧导轨212做往复滑动。在工作中，摆动机构200的摆动的频率优选为0至6Hz，摆角优选为±20°，相应地，加载球202的转动频率优选为0至6Hz，转动角度优选为±20°。在固定支撑方面，该伺服电机204可以直接固定在该工作台面102上。该圆弧导轨212可以通过一导轨架226固定在该工作台面102上。该圆弧导轨212的圆弧所在的平面优选为垂直于该工作台面102，更为优选地，该工作台面102水平设置，该圆弧导轨212的圆弧所在的平面沿竖直方向设置。

进一步地，该连杆机构208可以为长度可调节的刚性杆，从而可以对该滑块210在该圆弧导轨212上的滑动距离及加载机构228的摆角和加载球202的转动角度进行调节。例如，该连杆机构208可以是螺杆220及螺套222组成的机构，通过螺杆220的旋转调节该连杆机构208的整体长度，另外还可包括锁紧螺母238，用于在调整到合适长度后将该螺杆220及螺套222之间锁紧。

进一步地，该摆动机构200可进一步包括减速机224，该伺服电机204通过该减速机224与该转动块206连接，以降低转速，增大扭矩。

该加载机构228的长度方向沿该圆弧导轨212的圆弧的半径方向设置，该加载机构228的长度大致等于该圆弧导轨212所在圆弧的半径，用于在摆动过程中对该加载球202施加一沿该圆弧半径方向，过加载球202球心的恒定的载荷，并通过该加载球202将该恒定的载荷施加到该承载系统30的承载盘302。该加载机构228包括同轴设置的固定杆230、弹簧232、调节螺杆234、转接轴236、压力传感器240及连接轴242。该固定杆230的轴向沿该圆弧导轨212的圆弧的半径方向设置，该弹簧232套设于该固定杆230外，该调节螺杆234包括具有光孔的第一端及具有螺纹孔的第二端，该固定杆230一端与该滑块210固定连接，另一端插入该调节螺杆234的第一端。弹簧232一端与该滑块210相抵靠，另一端与该调节螺杆234的第一端相抵靠。该调节螺杆234的该第一端套设在该固定杆230外，且该第二端套设在该转接轴236外。该转接轴236具有外螺纹，一端与该调节螺杆234通过螺纹连接，另一端与该压力传感器240相抵靠。该压力传感器240设置在该转接轴236与该连接轴242之间。该连接轴242一端与该加载球202连接，另一端插入该压力传感器240及该转接轴236中，并通过台阶对该压力传感器240进行限位，从而使来自该连接轴242的力加载至该压力传感器240及该加载球202。

该加载机构228还可进一步包括锁紧螺母238，该锁紧螺母238套设于该转接轴236外并靠近该调节螺杆234的第二端，与该转接轴236通过螺纹连接。在该调节螺杆234旋转到合适程度时可通过该锁紧螺母238对该调节螺杆234及该转接轴236进行锁紧。

该加载球202的球心设置于该圆弧导轨212所在圆弧的圆心，该加载球202与该加载机构228相对固定连接，从而在该加载机构228的作用下受到沿该圆弧半径方向的载荷，并在该摆动机构200的带动下往复转动。具体为，该加载球202与该加载机构228的连接轴242固定连接。例如，该加载球202内可设置有内螺纹，该连接轴242可设置有配套的外螺纹，该加载球202与该连接轴242通过该内螺纹和外螺纹连接。

在使用时，通过旋拧该调节螺杆234，可调节该调节螺杆234与该转接轴236的整体长度，由于该加载机构228的一端连接该加载球202，且该加载球202被该承载系统30承载并限位，通过调节螺杆234的旋拧可以对该弹簧232进行压缩，从而通过弹簧232产生压缩力对该加载球202施加载荷，加载的载荷的大小通过压力传感器240显示在仪表上。该弹簧232可以为高精度弹簧232，使加载精度可以达到5‰，加载的载荷为0至1000N。

请参阅图5，该承载系统30包括承载盘302及固定件。该承载盘302用于承载该加载球202，在该加载球202转动时固定设置，形成加载球202运动且承载盘302静止的接触副，承载盘302的材料为透光材料，如玻璃或石英等。该承载盘302具有一覆盖有半透半反膜的凹球面306，用于承载该加载球202。该半透半反膜可以是铬膜。工作时，该加载球202顶入该承载盘302，抵靠于该凹球面306。该凹球面306的半径大于或等于该加载球202的半径，优选为大于该加载球202的半径。在工作时，该凹球面306上的半透半反膜与该加载球202之间加有润滑液。该固定件用于将该承载盘302固定于该支撑系统10的工作台面102。例如，该固定件可以是螺钉、螺栓或卡扣等常用的固定元件，只要完成该承载盘302的固定即可。该工作台面102可具有通孔，该承载盘302的底部相对于该通孔设置，从而可以通过该通孔与光学显微镜402的物镜直接相对设置。

在优选的实施例中，为了充分的利用该凹球面306上的半透半反膜，该承载系统30还可进一步包括承载盘定位机构，用于使该承载盘302绕水平轴（即平行工作台面102的轴向）旋转和/或绕垂直轴（即垂直于工作台面102的轴向）旋转。该承载盘定位机构可选择性的包括水平旋转皿308及垂直旋转皿310中的至少一个。该承载盘定位机构可设置于该工作台面102。

该水平旋转皿308设置于该承载盘302外围，用于带动该承载盘302绕该垂直轴旋转，该垂直轴垂直于该工作台面102且过该承载盘302的凹球面306的球心。该水平旋转皿308可以为环形结构，轴线为该垂直轴，且过该承载盘302的凹球面306的球心。该水平旋转皿308可以绕该垂直轴旋转。当该承载盘定位机构仅包括水平旋转皿308时，该水平旋转皿308直接套设于该承载盘302外，与该承载盘302固定连接，当该水平旋转皿308绕该垂直轴旋转时，该承载盘302被带动一起旋转，从而实现该承载盘302的凹球面306绕过球心的垂直轴旋转。旋转角度可以为±180°。该水平旋转皿308可通过该固定件固定于该工作台面102。

该垂直旋转皿310设置于该承载盘302外围，用于带动该承载盘302绕该水平轴旋转，该水平轴平行于该工作台面102且过该凹球面306的球心。该垂直旋转皿310可以为环形结构，可以绕过该凹球面306的球心且平行于工作台面102的水平轴旋转。当该承载盘定位机构仅包括垂直旋转皿310时，该垂直旋转皿310可直接与该承载盘302固定连接，如直接套设于该承载盘302外并与该承载盘302固定连接。当该垂直旋转皿310绕该水平轴转动时，该承载盘302被带动一起转动，从而实现该承载盘302的凹球面306绕过球心的水平轴旋转。旋转角度可以为±20°。该垂直旋转皿310可通过该固定件固定于该工作台面102。可以理解，该水平旋转皿308与该垂直旋转皿310均不阻挡该承载盘302的底部与该光学显微镜402的物镜直接相对设置。

更为优选地，该承载盘定位机构既包括水平旋转皿308又包括垂直旋转皿310，此时该水平旋转皿308及该垂直旋转皿310均为环形结构，且同轴设置，该水平旋转皿308套设于该垂直旋转皿310外，该垂直旋转皿310套设于该承载盘302外并与该承载盘302固定连接。该垂直旋转皿310的外侧面与该水平旋转皿308的内侧面均为球面，且相互配合，使该垂直旋转皿310与该水平旋转皿308之间以球铰形式结合，即形成球铰结构，该垂直旋转皿310的外侧面与该水平旋转皿308的内侧面的球心均为该凹球面306的球心，从而可以使该垂直旋转皿310在该水平旋转皿308中旋转，且使该垂直旋转皿310绕该水平轴旋转。

另外，为使该垂直旋转皿310可以方便地旋转和定位，且使外侧的水平旋转皿308带动内侧的垂直旋转皿310旋转，该承载盘定位机构可进一步包括调节杆312。该水平旋转皿308具有沿该水平轴的通孔，该调节杆312插入该通孔，并与该垂直旋转皿310固定连接。使用时，通过旋转该调节杆312可以带动该垂直旋转皿310绕该水平轴转动，调整到合适角度后可通过锁紧螺母314将该调节杆312与该水平旋转皿308相互锁紧。当该水平旋转皿308转动时，该调节杆312带动内侧的该垂直旋转皿310及承载盘302一同转动。该工作台面102可具有圆形通孔，且圆形通孔的轴线与该垂直轴重合，该水平旋转皿308底端插入该圆形通孔内，并通过台阶限位，从而实现该水平旋转皿308的定位。使用时，转动该水平旋转皿308到合适角度后可通过锁紧螺钉316将该水平旋转皿308固定在该工作台面102。

在该凹球面306均匀的形成半透半反膜非常困难，而加载球202和承载盘302之间的滑动会对凹球面306的半透半反膜产生损伤，进而影响润滑液膜厚的测试，并且在观测时显微镜只需观测加载球202在承载盘302上的加载位置处的区域即可测得润滑液膜的厚度，因此通过该承载盘定位机构使承载盘302在水平和/或垂直方向的位置进行调整，改变加载球202在承载盘302半透半反膜上的加载位置，使承载盘302的半透半反膜得到最大限度的利用。

进一步地，该承载盘302与该垂直旋转皿310之间还可设有密封圈318，以防止润滑液渗漏。

该光学测量系统40用于对该加载球202在该承载盘302的凹球面306上的加载位置处的加载球202与承载盘302之间的润滑液膜的厚度进行测量。该光学测量系统40包括光学显微镜402、光源404及显微镜移动平台406。该光源404设置在该光学显微镜402附近。该光学显微镜402用于检测一对相干光束。该光学显微镜402的物镜与该承载盘302的底部相对设置，当该加载机构228竖直设置时，该光学显微镜402倒立的设置于该工作台面102下。该显微镜移动平台406用于固定该光学显微镜402并对该光学显微镜402的观测点进行微调，工作时，该显微镜402的观测点被调至该加载球202在该承载盘302的凹球面306内的加载位置。

该光学测量系统40利用相对光强干涉技术测量原理，实现球面与球面接触情况下纳米级润滑液膜的膜厚测试，具体原理为：从该光源404发出的入射光经光学显微镜的滤光片后变为单色光，到达承载盘302表面上所镀的半透半反膜后分成两束，一束从半透半反膜表面直接反射，另一束透过半透半反膜和润滑液膜，经加载球202表面反射后再通过润滑液膜和半透半反膜，与前一束形成一对相干光束。相干光束通过该光学显微镜402的物镜由CCD接收，经光电转换后在计算机显示器上得到干涉图像，润滑液膜的膜厚由软件计算后生成分布曲线，并在计算机终端上显示出来。

请参阅图6，为在不同温度下测定该润滑液膜的厚度，该实验装置1可进一步包括温控系统50，包括热水循环管及热电偶，该热电偶设置在该承载盘302表面，该热水循环器经过该承载盘302，从而对该承载盘302内的润滑液膜温度进行调节。工作中，润滑液膜温度在优选在20℃至37℃，最高可达到100℃。

该实验装置1可进一步包括自动控制系统60，实现对摆动机构200的运动，如摆动频率，摆动角度及摆动时间的自动控制，包括工控机602、控制箱604及显示器606。控制箱604安装有主令开关、启动、停止按钮、工作指示灯以及压力显示屏，工控机602可根据试验需要扩展板卡和软件编制，可完成对转动频率的控制以及润滑液膜厚度测量数据分析等实验。

本实验装置可用于轴承、关节等球面与球面接触下的纳米级润滑液膜厚测量，研究在各种条件下润滑膜的形成与失效规律，对进一步完善薄膜润滑理论，促进摩擦学与物理、化学、材料学等其他学科的交叉有十分重要的意义。同时，本实验装置有望对髋关节中球头-髋臼界面的摩擦润滑性能进行测试，对进一步减少该界面磨损微粒的产生，提高关节假体的寿命以及对关节假体进行优化设计有重要的应用价值。

另外，本领域技术人员还可在本发明精神内做其他变化，当然，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。

Claims (10)

1.一种测量球面与球面接触下润滑液膜厚度的实验装置，包括支撑系统、加载系统、承载系统及光学测量系统，该支撑系统包括一工作台面，该加载系统及该承载系统固定于该工作台面，其特征在于，该加载系统包括摆动机构、加载机构及加载球，该加载机构连接于该摆动机构和该加载球之间，该摆动机构用于使该加载机构产生以加载球球心为圆心且在同一平面上的摆动，该加载机构的摆动使所述加载球转动，并且该加载机构通过该加载球对该承载系统施加过加载球球心的恒定的载荷，该承载系统包括承载盘及固定件，该承载盘具有凹球面，该凹球面用于承载该加载球且该承载盘在加载球转动时固定设置。

2.如权利要求1所述的测量球面与球面接触下润滑液膜厚度的实验装置，其特征在于，该摆动机构包括伺服电机、转动块、连杆机构、滑块及圆弧导轨，该滑块与该圆弧导轨为滑动连接，该连杆机构一端设置在该转动块上，另一端设置在该滑块上，该伺服电机用于驱动该转动块进行转动，并通过该连杆机构带动该滑块沿该圆弧导轨做往复滑动。

3.如权利要求2所述的测量球面与球面接触下润滑液膜厚度的实验装置，其特征在于，该圆弧导轨的圆弧所在的平面垂直于该工作台面。

4.如权利要求2所述的测量球面与球面接触下润滑液膜厚度的实验装置，其特征在于，该连杆机构为长度可调节的刚性杆。

5.如权利要求2所述的测量球面与球面接触下润滑液膜厚度的实验装置，其特征在于，该加载球的球心设置于该圆弧导轨所在圆弧的圆心。

6.如权利要求1所述的测量球面与球面接触下润滑液膜厚度的实验装置，其特征在于，该加载机构包括同轴设置的固定杆、弹簧、调节螺杆、转接轴、压力传感器及连接轴，该弹簧套设于该固定杆外，该调节螺杆包括具有光孔的第一端及具有螺纹孔的第二端，该第一端套设在该固定杆外并与该弹簧的一端相抵靠，该第二端套设在该转接轴外并与该转接轴通过螺纹连接，该压力传感器设置在该转接轴与该连接轴之间，该连接轴与该加载球连接。

7.如权利要求6所述的测量球面与球面接触下润滑液膜厚度的实验装置，其特征在于，该加载机构进一步包括锁紧螺母，该锁紧螺母套设于该转接轴外并靠近该调节螺杆的第二端，用于对该调节螺杆及该转接轴进行锁紧。

8.如权利要求1所述的测量球面与球面接触下润滑液膜厚度的实验装置，其特征在于，该承载系统进一步包括承载盘定位机构，该承载盘定位机构设置于该工作台面，包括水平旋转皿、垂直旋转皿及调节杆，该水平旋转皿及该垂直旋转皿均为环形结构，且同轴设置，该水平旋转皿套设于该垂直旋转皿外，该垂直旋转皿套设于该承载盘外并与该承载盘固定连接，该垂直旋转皿的外侧面与该水平旋转皿的内侧面为相互配合的球面，使该垂直旋转皿与该水平旋转皿之间以球铰形式结合，该垂直旋转皿的外侧面与该水平旋转皿的内侧面的球心为该凹球面的球心，该水平旋转皿具有沿该水平轴的通孔，该调节杆插入该通孔，并与该垂直旋转皿固定连接。

9.如权利要求1所述的测量球面与球面接触下润滑液膜厚度的实验装置，其特征在于，该光学测量系统包括光学显微镜、光源及显微镜移动平台，该光源设置在该光学显微镜附近，该光学显微镜的物镜与该承载盘的底部相对设置，该显微镜移动平台用于固定该光学显微镜并对该光学显微镜的观测点进行微调。

10.如权利要求1所述的测量球面与球面接触下润滑液膜厚度的实验装置，其特征在于，进一步包括温控系统及自动控制系统。

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