CN103063355B - 基于光弹性的弹流润滑线接触压力测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于光弹性的弹流润滑线接触压力测量方法及装置，测量方法采用采用透明光弹性材料来制作形成弹流润滑的摩擦试样，并用偏振光照射摩擦区域，在检偏振片后朝向光源用显微镜放大观察接触区，在偏振光照射的接触区摩擦副内部出现光弹性条纹，经过计算及标定，可实时显示、测量出接触区油膜压力大小，压力分辨率取决于所用显微镜的放大能力及摄像机的分辨率。测量装置沿光路方向依次包括准直光源、起偏镜、摩擦接触区域、检偏镜、体视显微镜和成像记录装置。本发明可以高分辨率、实时测量弹流线接触区的压力分布。

Description

基于光弹性的弹流润滑线接触压力测量方法及装置

技术领域

    本发明涉及弹流润滑接触区油膜压力测量技术领域，具体涉及基于光弹性的弹流润滑线接触压力测量方法及装置。

背景技术    

弹流润滑通常出现在齿轮接触副、滚动轴承和凸轮副等接触中。在此类接触中，相互摩擦的两表面的相对运动将润滑剂带入接触区，由于是点或者线接触，并且两表面的刚度均较高，接触区的实际接触面积通常较小，因此接触应力较大。弹流润滑线接触区摩擦副内部及摩擦副间油膜压力的准确测量是弹流润滑及摩擦领域的基础问题。

弹流润滑摩擦副间油膜压力的准确测量对研究油膜承载原理有着重要的意义。摩擦副表面下的内部应力状态直接决定了零部件的工作状态及寿命，而弹流润滑压力油膜的特征是接触区内部压力分布梯度极大、弹流润滑膜厚度为微纳米级别、接触区典型宽度为300                                               ，因此弹流油膜压力测量是弹流润滑实验中难度最大的。

弹流润滑理论分析及数学模型的建立已经达到比较完善的水平，弹流接触区的油膜压力也能通过数值方法进行求解。弹流润滑接触区油膜压力的测量方法主要有薄膜微压力传感器、拉曼显微镜和超声波法、薄膜法、油膜膜厚反算法等，这些方法均存在一定的局限性：薄膜微压力传感器法由于制作工艺的原因，传感器的尺寸始终无法做得比较小，因此空间分辨率有限，此外微传感器的另一个缺点是由于温度和压力传感器互相影响，这种方式的标定比较困难；拉曼显微镜法要通过扫描的方式来获取测量点的散射光谱受压力的影响，从而计算出压力的变化，所以拉曼显微镜法获得整个测量区间的压力图需要很长时间，并无法获得瞬时的压力曲线；超声波法测量压力分布的分辨率受制于超声传感器的尺寸和所用声波的频率，并不太适合弹流接触区的压力测量；薄膜法目前尚处在静止接触的测量阶段；油膜膜厚反算法实际是一种间接的压力测量方法而不是直接的压力测量法。综合来说，目前尚没有很好的测量手段。

发明内容

弹流润滑膜压力及摩擦配副的压力测量是一大难题，目前的弹流接触区油膜压力测量方法均存在着一定的局限性，无法满足高分辨率、实时测量、能测量微纳米区间压力的要求。本发明提出了有着高分辨率、能实时测量弹流接触区油膜瞬态压力分布和摩擦配副内部压力分布的基于光弹性的弹流润滑线接触压力测量方法及装置，具体技术方案如下。

基于光弹性的弹流润滑线接触压力测量方法，采用透明的光弹性材料来制作形成弹流润滑的摩擦试样，在摩擦试样的一侧用偏振光照射摩擦接触区域，在摩擦试样的另一侧检偏镜后朝向光源用显微镜放大观察摩擦接触区域，光弹性材料的特性使在偏振光照射的接触区摩擦副内部出现光弹性条纹，经过对条纹进行计算及标定，测量出接触区油膜压力的大小。

上述基于光弹性的弹流润滑线接触压力测量方法中，还通过光弹条纹实时显示摩擦接触区油膜压力的大小变化。

基于光弹性的弹流润滑线接触压力测量装置，沿光路方向依次包括准直光源、起偏镜、摩擦接触区域、检偏镜、体视显微镜和成像记录装置，成像记录装置还与用于根据光弹性条纹计算摩擦接触区压力的计算机连接，所述摩擦接触区域包括上试样和下试样，上试样为由透明光弹性材料制成，下试样为光弹性材料或金属材料制成，上试样的转动由第一电机驱动，下试样的转动由第二电机驱动，上试样1及第一电机通过支架安装在纵向滑台上，滑台安装在机架上且能沿机架上下微调移动；下试样的下部分位于装有润滑油或润滑脂的滚子盒中，下试样转动时将所述润滑油或润滑脂带入摩擦接触区，因此通过分别控制上试样和下试样的转速形成各种弹流润滑线接触状态。

进一步优化的，所述起偏镜与摩擦接触区域之间还设有1/4波片，摩擦接触区域与检偏镜4之间还设有另一1/4波片，准直光源产生的单色光穿过起偏镜、1/4波片、上试样1、所述另一1/4波片、检偏镜、体视显微镜到达成像记录装置，摩擦接触区域处于体视显微镜的视场中间，通过调节体视显微镜的目镜与摩擦接触区域的距离使成像清晰，成像记录装置拍摄到放大后的弹流接触区及其上的光弹性图像，光弹性图像的条纹级次反映了接触区油膜压力和摩擦表面下内部应力的变化，通过计算机进行弹流接触区的压力计算和显示。

进一步优化的，所述的基于光弹性的弹流润滑线接触压力测量装置还包括加载机构，加载机构包括加载杠杆，滚子盒安装在加载杠杆一端且随加载杠杆上下转动，加载杠杆另一端设有用于调节上试样和下试样接触压力的载荷。

进一步优化的，所述准直光源、起偏镜、1/4波片、光弹材料圆盘、另一1/4波片、检偏镜、体视显微镜和成像记录装置通过支架安装在X-Y平台上，X-Y平台能沿直角坐标轴X-Y方向进行位置的调节。

进一步优化的，所述上试样为由透明光弹性材料制成的薄圆盘，下试样为由光弹性材料或金属材料制成的阶梯转轴，下试样由滚动轴承支承在滚子盒中，下试样上的最大直径凸起轮廓浸泡在所述润滑油或润滑脂中。

进一步优化的，所述上试样1由第一电机通过同步带驱动转动，下试样由第二电机通过同步带驱动。

进一步优化的，上试样和下试样作类似轴线平行的两圆柱接触的相互对滚动。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：弹流润滑通常出现在齿轮接触副、滚动轴承和凸轮副等接触中，特征是接触区内部压力分布梯度极大、膜厚度为微纳米级别、接触区典型宽度为数百微米，弹流润滑压力目前尚无理想的测量手段。本发明基于光弹性原理，采用透明光弹性材料来制作形成弹流润滑的摩擦试样，并用偏振光照射摩擦区域，在检偏振片后朝向光源用显微镜放大观察接触区，在偏振光照射的接触区摩擦副内部出现光弹性条纹，经过计算及标定，可实时显示、测量出接触区油膜压力大小，压力分辨率取决于所用显微镜的放大能力及摄像机的分辨率，因此本发明可以高分辨率、实时测量弹流线接触区的压力分布。

附图说明    

    图1为实施方式中基于光弹性的弹流润滑线接触压力测量装置的结构示意图。

具体实施方式

    以下结合附图和实例对本法的实施作进一步说明，但本发明的具体实施和保护范围不限于此。

如图1，光弹性弹流润滑线接触压力测量装置由体视显微镜5、成像记录装置6（如摄像机）、起偏镜19、检偏镜4、1/4波片3、准直光源18、上试样1、下试样2、加载机构17、纵向滑台10、X-Y方向滑台8、台架9等组成。上试样1为由透明光弹性材料制成的薄圆盘，下试样2为由光弹性材料或金属材料制成的阶梯转轴。上试样1可以由第一电机11通过同步带驱动转动，上试样1及电机11通过支架安装在纵向滑台10上，上试样1及第一电机11可以沿机架9上下微调位置。下试样2由第二电机15通过同步带驱动。下试样2由2个滚动轴承支承在滚子盒16中，滚子盒16中盛放有润滑油或润滑脂，下试样2的最大直径凸起轮廓浸泡在润滑油或润滑脂中，下试样2转动将润滑油或润滑脂带入接触区，由于两试样是类似两圆柱轴线平行接触相互对滚，因此通过分别控制试样1和2的转速可形成各种弹流润滑线接触状态。滚子盒16安装在加载机构的加载杠杆一端，可以随加载杠杆上下转动，加载杠杆另一端的载荷13使下试样2向上和试样1接触并提供不同的接触压力。由准直光源18产生的单色光穿过起偏镜19、1/4波片3（可省略）、光弹材料圆盘（试样1）、1/4波片3（可省略）、检偏镜4、体视显微镜5到达成像记录装置6。准直光源18、起偏镜19、1/4波片3（可省略）、光弹材料圆盘、1/4波片3（可省略）、检偏镜4、体视显微镜5和成像记录装置6通过支架安装在X-Y平台8上，可以沿X-Y方向进行位置的调节，可以使接触区处于体视显微镜的视场中间，并可以精确调节体视显微镜的目镜与接触区的距离使成像清晰。

本方法采用透明的光弹性材料来制作形成弹流润滑的摩擦试样，并用偏振光照射摩擦区域，在检偏振片后朝向光源用显微镜放大观察接触区，光弹性材料的特性使在偏振光照射的接触区摩擦副内部出现光弹性条纹，经过对条纹进行计算及标定，可以测量出接触区油膜压力的大小，光弹性材料可以通过光弹条纹实时显示压力的大小变化，弹流接触区的压力分辨率取决于所用显微镜的放大能力及摄像机的分辨率，因此可以高分辨率、实时测量弹流接触区的压力分布。

安装在体视显微镜5上的成像记录装置6可拍摄到放大后的弹流接触区及其上的光弹性图像，光弹图像的条纹级次反映了接触区油膜压力和摩擦表面下内部应力的变化，通过计算机7可进行弹流接触区的压力计算和图示。计算方法可以采用现有技术中的相移法、彩色域相移法和逐步载荷法等。详细也可以参考文献:[1]雷振坤，亢一澜，云大真.实时确定光弹性参数的积分相移法[J].光学技术,2004,30(2):280-284；[2]韩永胜，张东升，崔洋，梁秋生.光弹性应力自动分析[J].上海大学学报（自然科学版），2009,15（2）：147-152。

操作实例：首先用光弹材料制作盘型上试样及光轴型下试样，并安装上下试样。下试样用滚动轴承支承并浸泡在润滑油或润滑脂中，下试样用电机驱动。调整体视显微镜5、成像记录装置6、起偏镜19、检偏镜4、1/4波片3、准直光源18等镜片中心点重合并且镜面平行，开启准直光源电源。调整加载机构17的载荷13使上下试样接触。调整X-Y平台8、纵向滑台10使试样接触区位于光路中间，并调整显微镜的焦距，使接触区的图像清晰显示。利用计算机采集并分离光弹图纹，计算弹流接触区压力。

Claims (7)

1.基于光弹性的弹流润滑线接触压力测量装置，其特征在于沿光路方向依次包括准直光源、起偏镜、摩擦接触区域、检偏镜、体视显微镜和成像记录装置，成像记录装置还与用于根据光弹性条纹计算摩擦接触区压力的计算机连接，所述摩擦接触区域包括上试样和下试样，上试样为由透明光弹性材料制成，下试样为光弹性材料或金属材料制成，上试样的转动由第一电机驱动，下试样的转动由第二电机驱动，上试样及第一电机通过支架安装在纵向滑台上，滑台安装在机架上且能沿机架上下微调移动；下试样的下部分位于装有润滑油或润滑脂的滚子盒中，下试样转动时将所述润滑油或润滑脂带入摩擦接触区，因此通过分别控制上试样和下试样的转速形成各种弹流润滑线接触状态。

2.根据权利要求1所述的基于光弹性的弹流润滑线接触压力测量装置，其特征在于起偏镜与摩擦接触区域之间还设有1/4波片，摩擦接触区域与检偏镜之间还设有另一1/4波片，准直光源产生的单色光穿过起偏镜、1/4波片、上试样、所述另一1/4波片、检偏镜、体视显微镜到达成像记录装置，摩擦接触区域处于体视显微镜的视场中间，通过调节体视显微镜的目镜与摩擦接触区域的距离使成像清晰，成像记录装置拍摄到放大后的弹流接触区及其上的光弹性图像，光弹性图像的条纹级次反映了接触区油膜压力和摩擦表面下内部应力的变化，通过计算机进行弹流接触区的压力计算和显示。

3.根据权利要求1所述的基于光弹性的弹流润滑线接触压力测量装置，其特征在于还包括加载机构，加载机构包括加载杠杆，滚子盒安装在加载杠杆一端且随加载杠杆上下转动，加载杠杆另一端设有用于调节上试样和下试样接触压力的载荷。

4.根据权利要求1所述的基于光弹性的弹流润滑线接触压力测量装置，其特征在于所述准直光源、起偏镜、1/4波片、上试样、另一1/4波片、检偏镜、体视显微镜和成像记录装置通过支架安装在X-Y平台上，X-Y平台能沿直角坐标轴X-Y方向进行位置的调节。

5.根据权利要求1～4任一项所述的基于光弹性的弹流润滑线接触压力测量装置，其特征在于所述上试样为由透明光弹性材料制成的薄圆盘，下试样为由光弹性材料或金属材料制成的阶梯转轴，下试样由滚动轴承支承在滚子盒中，下试样上的最大直径凸起轮廓浸泡在所述润滑油或润滑脂中。

6.根据权利要求5所述的基于光弹性的弹流润滑线接触压力测量装置，其特征在于上试样由第一电机通过同步带驱动转动，下试样由第二电机通过同步带驱动。

7.根据权利要求6所述的基于光弹性的弹流润滑线接触压力测量装置，其特征在于上试样和下试样作类似轴线平行的两圆柱接触的相互对滚动。