CN104181098A - 高低温滑滚摩擦学性能实验台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高低温滑滚摩擦学性能实验台，包括垂直电主轴、倾斜电主轴、上盖板、气浮轴承、测力结构、温控装置、速度传感器和压力传感器；上盖板水平设置，并通过气浮轴承支撑；上盖板与倾斜电主轴连接，倾斜电主轴轴端连接有球形或辊子形的第一测试件；垂直电主轴轴端连接有圆盘形的第二测试件；第一测试件与第二测试件的表面接触；测力结构测量倾斜电主轴传递给上盖板的水平方向力；速度传感器测量两电主轴的转速，压力传感器测量两试件间压力；温控装置控制第一测试件与第二测试件的环境温度。本发明旨在提供一种能够对处于不同温度下滑滚接触状态的机械传动零部件摩擦、磨损与润滑等摩擦学性能进行全面和深入研究的科学方法与技术手段。

Description

高低温滑滚摩擦学性能实验台

技术领域

本发明涉及一种实验台，具体的为测量不同温度条件下机械传动零部件滑滚接触中润滑油膜形状、厚度等特征，观察接触界面的微观形貌、磨痕轮廓，分析接触的表面磨损量，测量接触的摩擦力等的高低温滑滚摩擦学性能实验台。

背景技术

在机械传动设计研究中，摩擦磨损实验机被广泛应用于探究摩擦副的润滑与摩擦情况，但是，大多数摩擦磨损试验机中，试样之间的运动是简单滑动，以此来测量界面上的摩擦和磨损，评估材料的各种性能及可靠性。然而许多传递能量与运动的零部件，例如齿轮、凸轮挺杆、滚动轴承以及一些液压传动件，是在相对滚动与滑动组合状况下工作，两接触部件接触点的线速度不同，处于滑滚接触状态，其工况远较简单滑动更为复杂,因而材料的表面破损形式也不同。

特别是对于航空航天传动系统与各类机构，常常在高温、低温、真空、特殊气体、射线等极端条件下运行，所用的各种工程材料需要在这些特殊条件下进行实验评估。然而，目前国际上已有的这类实验台大多仅能在近于实验室环境的常温常压条件下工作，或者是在较狭窄的工况范围内针对某一种特定应用而设计。

为了能够模拟高速、低速、不同滑滚比、不同环境温度等各种复杂的工况条件下的滑滚接触行为，以先进的实验手段评估材料和各类零部件在相对滑动滚动条件下的弹流润滑、承载能力、界面摩擦、表面破坏形式、抗磨损抗疲劳抗胶合寿命与可靠性，本发明旨在提出一种高低温滑滚摩擦学性能实验台，采用先进的实验技术，力争在较宽广的工况条件下满足复杂机械传动系统一般的需求，同时保留进一步升级拓展功能的可能性。这一设备的研发将瞄准先进水平，填补传动零件检测领域的一项空白。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种能够对不同温度下滑滚接触状态部件的摩擦、磨损与润滑状况进行研究的高低温滑滚摩擦学性能实验台。

为解决上述问题采用的技术方案是：高低温滑滚摩擦学性能实验台主要包括垂直电主轴、倾斜电主轴、上盖板、气浮轴承、测力结构、温控装置、速度传感器和压力传感器等部件；上盖板水平设置，并通过气浮轴承支撑；上盖板下部与倾斜电主轴连接，倾斜电主轴轴端连接有球形或辊子形的第一测试件；垂直电主轴轴端连接有圆盘形的第二测试件；第一测试件与第二测试件的表面接触；测力结构测量倾斜电主轴传递给上盖板的水平方向力；速度传感器测量垂直电主轴和倾斜电主轴的转速，压力传感器测量第一测试件和第二测试件间的压力；温控装置包括温控箱和热风机，第一测试件和第二测试件位于温控箱内，热风机向温控箱吹热风。

进一步的是：包括倾斜电主轴平移装置，倾斜电主轴平移装置包括轨道A和滑槽A，轨道A水平设置，滑槽A能够沿轨道A移动，滑槽A移动方向与通过倾斜电主轴轴线的垂直面平行，气浮轴承与滑槽A连接。

进一步的是：高低温滑滚摩擦学性能实验台包括垂直角度调节结构，垂直角度调节结构调节倾斜电主轴与第二测试件表面的夹角。

进一步的是：高低温滑滚摩擦学性能实验台包括垂直电主轴竖移装置，垂直电主轴竖移装置包括轨道B和滑槽B，轨道B垂直设置，滑槽B能够沿轨道B移动，垂直电主轴与滑槽B连接。

进一步的是：高低温滑滚摩擦学性能实验台包括垂直电主轴平移装置，垂直电主轴平移装置包括轨道C和滑槽C，轨道C水平设置，滑槽C能够沿轨道C移动，滑槽C移动方向垂直于滑槽A移动方向，轨道B与滑槽C连接。

进一步的是：高低温滑滚摩擦学性能实验台包括丝杠螺母机构，滑槽A和滑槽C均通过丝杠螺母机构驱动移动。

进一步的是：高低温滑滚摩擦学性能实验台包括电动缸，电动缸驱动垂直电主轴移动并调节第一测试件和第二测试件间的压力。

进一步的是：热风机吹出热风的最高温度为650℃。

本发明的有益效果是：本发明的高低温滑滚摩擦学性能实验台可以模拟高速、低速、不同滑滚比、不同温度等工况下接触表面的摩擦、磨损与润滑情况，开展不同温度下微观摩擦、磨损及弹性流体动力润滑的机理研究。

附图说明

图1是高低温滑滚摩擦学性能实验台侧视图；

图2是高低温滑滚摩擦学性能实验台去掉上盖板和温控装置的俯视图；

图3是高低温滑滚摩擦学性能实验台去掉温控装置安装显微镜的侧视图；

图4是高低温滑滚摩擦学性能实验台去掉温控装置安装显微镜的主视图；

图5是第一测试件与第二测试件相对位置示意图；

图中标记为：丝杠螺母机构1、气浮轴承2、测力结构3、上盖板4、垂直角度调节结构5、倾斜电主轴6、第一测试件7、温控箱8、第二测试件9、温控装置10、热风机11、垂直电主轴竖移装置12、垂直电主轴13、电动缸14、滑槽C15，轨道C16、倾斜电主轴平移装置17、滑槽A18、轨道A19、垂直电主轴平移装置20、轨道B21、滑槽B22、显微镜23。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

高低温滑滚摩擦学性能实验台包括垂直电主轴13、倾斜电主轴6、上盖板4、气浮轴承2、测力结构3、温控装置10、速度传感器和压力传感器；上盖板4水平设置，并通过气浮轴承2支撑；上盖板4下部与倾斜电主轴6连接，倾斜电主轴6轴端连接有球形或辊子形的第一测试件7；垂直电主轴13轴端连接有圆盘形的第二测试件9；第一测试件7与第二测试件9的表面接触；测力结构3测量倾斜电主轴6传递给上盖板4的水平方向力；速度传感器测量垂直电主轴13和倾斜电主轴6的转速，压力传感器测量第一测试件7和第二测试件9间的压力；温控装置10包括温控箱8和热风机11，第一测试件7和第二测试件9位于温控箱8内，热风机11向温控箱8吹热风。热风机11吹出热风的最高温度推荐为650℃，这样本发明能够对常温至650℃时的滑滚摩擦学性能进行研究。进行低温试验时，将高温箱取下，换上低温箱，低温箱与电主轴接触部分密封，低温箱采用液氮冷却，最低温度达到-80℃。

气浮轴承2为现有技术产品，其原理是轴承壳体内输入压缩气体，使气浮轴承2的轴处于悬浮状态，气浮轴承2的轴和壳体能够相对微量移动，移动方向可以是垂直于气浮轴承2轴线的任意方向。

进行摩擦力测试时，两电主轴旋转，使第一测试件7与第二测试件9相对滚动；因第一测试件7与第二测试件9速度不同速度方向和/或大小不同，二者又相对滑动。第一测试件7与第二测试件9的摩擦力方向为水平方向，摩擦力传递给倾斜电主轴6，然后传递给上盖板4使上盖板4对测力结构3施加压力，测力结构3测得该力。因上盖板4通过气浮轴承2支撑，气浮轴承2不会对上盖板4施加任何水平方向的力，因此不会影响摩擦力测量精度。因气浮轴承2的轴和壳体能够相对移动方向可以是垂直于气浮轴承2轴线的任意方向，因此无论第一测试件11与第二测试件12的摩擦力方向为什么方向，气浮轴承2都不会上盖板1施加任何水平方向的力，不会影响摩擦力测量精度。

通过温控装置10改变第一测试件7与第二测试件9的环境温度，可以对不同温度下的摩擦磨损情况进行研究。

测力结构3应设置两件，测量两个相互垂直方向的力，两力的合力方向即是第一测试件7与第二测试件9的摩擦力方向。测摩擦力时一般第一测试件7位于第二测试件9上方。

实验后的试件可以通过配套的原子力显微镜设备观察滑滚接触产生的微观界面形貌、磨痕轮廓等特征，分析接触的表面磨损量，进而试件滑滚摩擦学性能进行研究。

为了能够对两测试件间的润滑油膜进行研究，第二测试件9上方设置有显微镜23，为了观测得到润滑油膜特征，第二测试件9由透明材料制成。温控装置10会阻挡光线，因此对两测试件间的润滑油膜进行研究时，需要拆卸掉温控装置10。对润滑油膜进行研究时，第一测试件7应位于第二测试件9下方，同时，第二测试件9由透明材料制成，这样能够避免第二测试件9阻挡显微镜光线。在两试件间加上润滑油，通过显微镜23采集两试件间油膜状况并通过电脑分析，即可对两试件间的润滑情况进行分析。第二测试件9可以是蓝宝石盘或玻璃盘。

为了能够调节第一测试件7和第二测试件9位置，高低温滑滚摩擦学性能实验台包括倾斜电主轴平移装置17，倾斜电主轴平移装置17包括轨道A19和滑槽A18，轨道A19水平设置，滑槽A18能够沿轨道A19移动，滑槽A18移动方向与通过倾斜电主轴6轴线的垂直面平行，气浮轴承2与滑槽A18连接。倾斜电主轴平移装置17通过调节倾斜电主轴6位置调节第一测试件7与第二测试件9中心的距离。滑槽A18可以通过丝杠螺母机构1驱动移动。

如前所述，测摩擦力时，一般第一测试件7位于第二测试件9上方；对润滑油膜进行研究时，第一测试件7应位于第二测试件9下方。为了方便切换这两种状态，高低温滑滚摩擦学性能实验台包括垂直角度调节结构5，垂直角度调节结构5调节倾斜电主轴13与第二测试件9表面的夹角。倾斜电主轴6角度范围最好是由向上倾斜45度到向下倾斜45度。通常倾斜电主轴6向下倾斜45度时进行摩擦力测量；倾斜电主轴6向上倾斜45度时进行润滑油膜研究。垂直角度调节结构5可以是可倾角的回转工作台。倾斜电主轴6垂直方向的角度改变后引起第一测试件7高度改变。为了在第一测试件6高度改变时也能保证第二测试件9与第一测试件7接触，并且为了便于改变第二测试件9与第一测试件7间的压力，低温滑滚实验台包括垂直电主轴竖移装置12，垂直电主轴竖移装置12包括轨道B21和滑槽B22，轨道B21垂直设置，滑槽B21能够沿轨道B22移动，垂直电主轴13与滑槽B22连接。通过移动滑槽B22即可改变第二测试件9位置，便于保证第二测试件9与第一测试件7接触以及改变第二测试件9与第一测试件7间的压力。可以通过电动缸14驱动垂直电主轴13移动并调节第一测试件7和第二测试件9间的压力。

进一步的：高低温滑滚摩擦学性能实验台包括垂直电主轴平移装置20，垂直电主轴平移装置20包括轨道C16和滑槽C15，轨道C16水平设置，滑槽C15能够沿轨道C16移动，滑槽C15移动方向垂直于滑槽A18移动方向，轨道B21与滑槽C15连接。垂直电主轴平移装置20带动轨道B21平移，即带动整个垂直电主轴竖移装置12平移，从而带动垂直电主轴13平移。如图4所示，垂直电主轴13平移后，第一测试件7线速度方向与第二测试件9线速度方向不同，具有夹角θ。这样高低温滑滚摩擦学性能实验台能够完成卷吸速度与接触椭圆轴成一定夹角的弹流实验。滑槽C15可以通过丝杠螺母机构1驱动移动。

Claims (8)

1.高低温滑滚摩擦学性能实验台，其特征在于：主要包括垂直电主轴(13)、倾斜电主轴(6)、上盖板(4)、垂直角度调节结构(5)、竖移装置(12)、平移装置(20)、气浮轴承(2)、测力结构(3)、温控装置(10)、速度传感器和压力传感器等部件；上盖板(4)水平设置，并通过气浮轴承(2)支撑；上盖板(4)下部与倾斜电主轴(6)连接，倾斜电主轴(6)轴端连接有球形或辊子形状的第一测试件(7)；垂直电主轴(13)轴端连接有圆盘形的第二测试件(9)；第一测试件(7)与第二测试件(9)的表面接触；测力结构(3)测量倾斜电主轴(6)传递给上盖板(4)的水平方向力；速度传感器测量垂直电主轴(13)和倾斜电主轴(6)的转速，压力传感器测量第一测试件(7)和第二测试件(9)间的压力；温控装置包括温控箱(8)和热风机(11)，第一测试件(7)和第二测试件(9)位于温控箱(8)内，热风机(11)向温控箱(8)吹热风。

2.根据权利要求1所述的高低温滑滚摩擦学性能实验台，其特征在于：包括倾斜电主轴平移装置(17)，倾斜电主轴平移装置(17)包括轨道A(19)和滑槽A(18)，轨道A(19)水平设置，滑槽A(18)能够沿轨道A(19)移动，滑槽A(18)移动方向与通过倾斜电主轴(6)轴线的垂直面平行，气浮轴承(2)与滑槽A(18)连接。

3.根据权利要求2所述的高低温滑滚摩擦学性能实验台，其特征在于：包括垂直角度调节结构(5)，垂直角度调节结构(5)调节倾斜电主轴(13)与第二测试件(9)表面的夹角。

4.根据权利要求3所述的高低温滑滚摩擦学性能实验台，其特征在于：包括垂直电主轴竖移装置(12)，垂直电主轴竖移装置(12)包括轨道B(21)和滑槽B(22)，轨道B(21)垂直设置，滑槽B(21)能够沿轨道B(22)移动，垂直电主轴(13)与滑槽B(22)连接。

5.根据权利要求4所述的高低温滑滚摩擦学性能实验台，其特征在于：包括垂直电主轴平移装置(20)，垂直电主轴平移装置(20)包括轨道C(16)和滑槽C(15)，轨道C(16)水平设置，滑槽C(15)能够沿轨道C(16)移动，滑槽C(15)移动方向垂直于滑槽A(18)移动方向，轨道B(22)与滑槽C(15)连接。

6.根据权利要求5所述的高低温滑滚摩擦学性能实验台，其特征在于：包括丝杠螺母机构(1)，滑槽A(18)和滑槽C(15)均通过丝杠螺母机构(1)驱动移动。

7.根据权利要求6所述的高低温滑滚摩擦学性能实验台，其特征在于：包括电动缸(14)，电动缸(14)驱动垂直电主轴(13)移动并调节第一测试件(7)和第二测试件(9)间的压力。

8.根据权利要求7所述的高低温滑滚摩擦学性能实验台，其特征在于：热风机(11)吹出热风的最高温度为650℃。