CN105043801A - 一种基于光弹实验中的润滑接触研究的加载测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于光弹实验中的润滑接触研究的加载测量装置<b>，</b>包括工作平台，旋转螺杆部件，光弹材料接触副，转轴，同步带轮传动副，伺服电机，多通道数据采集卡，电源，数据处理及显示模块；本发明通过旋转螺杆部件使得光弹样品与旋转圆盘接触，旋转圆盘部分浸在润滑油中，伺服电机可调节设定不同的转速，通过同步带轮传动副带动转轴，实现光弹样品与旋转圆盘的润滑接触，载荷传感器和光电编码器，通过信号放大电路，连接到多通道数据采集卡，在数据处理及显示模块中显示保存实验过程中载荷量和转速，本发明具有结构简单、易于制造加工、加载量可调节，转动平稳，操作简单等优点。

Description

一种基于光弹实验中的润滑接触研究的加载测量装置

技术领域

本发明涉及润滑接触研究领域，尤其涉及一种基于润滑接触加载装置的光弹实验数据采集装置及方法，用于采用光弹实验进行模拟研究润滑接触实验。

背景技术

当前现代机器朝着高效，精密，节能，高可靠性等方向发展，对于机械传动过程中，零件的使用寿命，能量消耗，振动噪声的要求也越来越高。需要研究人员在机械传动中不断深入揭示和认识内在机理。机械装备中需要这大量的运动部件，才可以保证设备的完整运转，如齿轮，轴承，凸轮机构等，这些传动零件基本上处在润滑条件下运转。润滑对于传动零件中减少摩擦磨损和提高使用寿命有着重要的影响。研究零件接触间的油膜压力以及表面的应力分布，对于零件的设计其着重要的指导作用。自弹性流体润滑接触的提出以来，在润滑机理上，人们不断揭示新现象润滑机理。从流体动压润滑，弹性润滑，边界润滑，研究内容不断深入。在润滑状态的研究在理论和数值计算达到较完善的水平，但是在实验方法上，目前大多数实验关注的是的润滑油膜厚度的测量。如光干涉发，超声波法，拉普拉曼法。光干涉法运用在弹性流体动压润滑中测量油膜厚度比较成熟的技术。然而对于弹流润滑接触中。研究油膜的压力和接触副表面的应力分布相对比较少。

本课题组结合当前光弹实验技术的发展，提出了基于光弹技术研究润滑接触下的应力分布。光弹实验技术可提供全场应力分布的信息。根据光弹实验原理研究润滑接触状态，为研究润滑条件下应力分布提供了一种途径。

在光弹试验中，组成部分包括，光源，偏振镜，加载装置，分析镜，图像采集相机等其他辅助设备。加载装置需要根据实验条件要求自行设计。以往光弹实验采用静加载，加载装置简单。然而在研究光弹实验下的滚动润滑，涉及光弹样品与转动圆盘的纯滚动接触。所以就需要新的加载装置，进行加载实现流体动压润滑接触状态，以保证在实验过程中，能够平稳运行，尽量避免振动，错位等其他因素造成的实验影响。在实验研究中，测量数据时定量认识物理世界的基本手段。分析采集数据是实验中重要的一项内容，得到的实验结果能够更加准确的认识问题的本质，分析问题更具说服力。在纯滚动润滑接触中，载荷和转速是影响实验结果的重要因素。

发明内容

本发明针对上述技术问题，提供了一种基于光弹实验中的润滑接触研究的加载测量装置，该装置能够提供平稳的传动，减少振动等外因素对于实验过程的影响。同时该装置也可以提供不同的载荷和转速，实现在不同润滑状态的研究。

本发明的技术方案如下：

一种基于光弹实验中的润滑接触研究的加载测量装置，包括工作平台，所述工作平台上设置有伺服电机、支撑凸台，所述支撑凸台上设置有两个轴承座以及水平地由两个轴承座转动支撑的转轴，所述转轴的一端通过传动副连接伺服电机的输出轴，另一端连接光电编码器，光电式编码器的输入电压为5V，输出为脉冲信号，可以通过脉冲数，进行转速的计算；所述转轴上在两个轴承座之间的位置设置有与所述转轴同步转动的旋转圆盘；

所述工作平台上还设置有加载装置，所述加载装置包括竖直设置有两相互平行的光轴、螺杆、两根光轴的顶端连接设置有固定支架板，中部设置有与所述光轴上下滑动配合的移动横梁，所述固定支架板中部竖直设置有与螺杆相配合的螺孔，所述螺杆上端连接加载手轮，下端连接移动横梁，所述移动横梁的下端面由上至下依次连接载荷传感器、光弹材料夹具、光弹材料样品，所述光弹材料样品位于旋转圆盘正上方；

所述载荷传感器、光电编码器所采集的信号通过多通道数据采集卡传输至数据处理及显示模块进行处理及显示，即将电压信号和脉冲数计算为实际载荷量和转速，显示保存实验数据。

进一步地，所述传动副为同步带轮传动副，采用同步带轮传动副，可以避免传送过程中，出现打滑现象，是的速度传送更加平稳。而且传动中心距可以小范围内调节。可以选择不同的传送比，实现转速的变化。

进一步地，所述载荷传感器所采集的信号经电压放大电路放大处理后连接数多通道据采集卡，在加载过程中，所选的载荷传感器输入电压为≤15V，而输出电压为≤20mv，为了精确采集电压信号，满足多通道数据采集卡的要求，因此设置电压放大器，电压信号放大在0-5V之间，实现高精度的电压信号与物理载荷量的线性关系。

进一步地，所述多通道据采集卡、载荷传感器、光电编码器由电源提供电能。

进一步地，所述螺杆的牙型为三角形螺纹，本发明中，三角形螺纹具有自锁特定，可以在避免在运动中，发生微滑动，使得加载失效。

进一步地，所述伺服电机为无级伺服电机，由于步进电机在低转速下，会出现振动，伺服电机可在较高转速下运行，运动平滑；考虑到本实验对于速度的要求，本发明采用调节转速的无级伺服电机进行驱动，无机伺服电机可以进行不同速度下纯滚动润滑的研究，拓展研究范围。

本发明与现有技术相比具有如下的优点:

（1）本发明考虑在光弹实验过程中，加载方式对于实验过程的影响。设计满足实验要求。能够方便的安装加载，同时也可以更换零件，实现不同的滚动接触方式，扩展实验研究范围。

（2）结构简单：本发明采用旋转螺杆通过中间衡量进行施加载荷。采用同步轮传动带动转动轴实现光弹材料和圆盘的润滑滚动接触。该传动系结构十分简单，制造更简单，安装更方便，成本更低廉。

（3）传动比可调节：选择不同传动比的同步轮，直接实现传动比的变化，而且通过伺服电机可方便的调节转轴速度，研究不同速度下的润滑性能研究。

（4）数据采集：光弹实验中，实验条件的影响是十分明显的，通过自主开发数据采集系统，可以实时显示实验过程中载荷的变化，转轴的转速的变化。对实验测量分析提供可靠精切的实验数据

（5）传动连续稳定，振动和噪声小。

附图说明

图1为本发明实施例的光弹实验光路示意图。

图2为本发明实施例的整体结构示意图。

图3为本发明实施例的数据处理及显示模块的界面示意图。

图中所示为：1-偏振镜；2-1/4玻片；3-滚动润滑接触模型；4-1/4玻片；5-分析镜；6-图像采集相机；7-加载手轮；8-固定支架板；9-螺杆；10-光轴；11-移动横梁；12-载荷传感器；13-光弹材料夹具；14-光弹材料样品；15-同步带轮副；16-伺服电机；17-工作平台；18-旋转圆盘；19-轴承座；20-光电编码器；21-多通道数据采集卡；22-电源；23-数据处理及显示模块；24-支撑凸台。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施作进一步详细说明，对本领域技术人员来说，本发明已经作了充分的说明，且本发明的保护范围不限于如下具体实施方式。

如图2所示，一种基于光弹实验中的润滑接触研究的加载测量装置，包括工作平台17，所述工作平台17上设置有伺服电机16、支撑凸台24，所述支撑凸台24上设置有两个轴承座19以及水平地由两个轴承座19转动支撑的转轴，所述转轴的一端通过传动副连接伺服电机16的输出轴，另一端连接光电编码器20，所述光电编码器采用日本内密公司生产的OVW2-20-2MD，三相输出，光电式编码器20的输入电压为5V，输出为脉冲信号，可以通过脉冲数，进行转速的计算；所述转轴上在两个轴承座19之间的位置设置有与所述转轴同步转动的旋转圆盘18；

所述工作平台17上还设置有加载装置，所述加载装置包括竖直设置有两相互平行的光轴10、螺杆9、两根光轴10的顶端连接设置有固定支架板8，中部设置有与所述光轴10上下滑动配合的移动横梁11，所述固定支架板8中部竖直设置有与螺杆9相配合的螺孔，所述螺杆9上端连接加载手轮7，下端连接移动横梁11，所述移动横梁11的下端面由上至下依次连接载荷传感器12、光弹材料夹具13、光弹材料样品14，所述光弹材料样品14位于旋转圆盘18正上方；

所述载荷传感器12、光电编码器20所采集的信号通过多通道数据采集卡21传输至数据处理及显示模块23进行处理及显示，即将电压信号和脉冲数计算为实际载荷量和转速，显示保存实验数据。

所述传动副为同步带轮传动副，采用同步带轮传动副，可以避免传送过程中，出现打滑现象，是的速度传送更加平稳。而且传动中心距可以小范围内调节。可以选择不同的传送比，实现转速的变化。

所述载荷传感器12所采集的信号经电压放大电路放大处理后连接数多通道据采集卡21，在加载过程中，所选的载荷传感器输入电压为≤15V，而输出电压为≤20mv，为了精确采集电压信号，满足多通道数据采集卡的要求，因此设置电压放大器，电压信号放大在0-5V之间，实现高精度的电压信号与物理载荷量的线性关系。

所述多通道据采集卡21、载荷传感器12、光电编码器20由电源22提供电能。

所述螺杆9的牙型为三角形螺纹，本发明中，三角形螺纹具有自锁特定，可以在避免在运动中，发生微滑动，使得加载失效。

所述伺服电机16为无级伺服电机，由于步进电机在低转速下，会出现振动，伺服电机可在较高转速下运行，运动平滑；考虑到本实验对于速度的要求，本发明采用调节转速的无级伺服电机进行驱动，如日本东方电机型号为4RK25GN-C，功率为25W，可提供平稳转速，减少工作振动。。

图1为本发明涉及的光弹实验中光路原理图，其中包括：光源，偏振镜1，分析镜5,1/4玻片2与4，图像采集相机6，在实验过程中，需要调整不同的偏振角度，满足实验要求。其中滚动润滑接触模型3为本发明重点涉及到的内容。当在研究实验过程中，施加载荷的影响着滚动润滑状态。

多通道数据采集卡可以提供载荷传感器12电压输入和光电编码器20脉冲输入接口。所使用的载荷传感器12和光电编码器20输入均为电压型号，所以需要校准标定。数据处理及显示模块23重新编写相应的线性关系，通过界面显示最终的物理量：载荷和转速(见图3所示)。

本发明专利所述的基于光弹实验中的润滑接触研究的加载测量装置的操作步骤如下：

A将该加载测量装置放置到光弹实验台上，设置正确的光弹实验光路；

B通过旋转加载手轮7转动螺杆9，调节移动横梁11的位置，使光弹材料样品14与旋转圆盘18接触；通过载荷传感器12读取施加载荷量，同时拧紧固定螺母，使得光弹材料样品14的位置固定；

C打开数据处理及显示模块23的系统界面，初始化设置；

D控制伺服电机16的速度，通过同步带轮副带动转轴；使得光弹材料样品14与旋转圆盘18作纯滚动润滑接触；

E通过一段时间后，光弹材料样品14与旋转圆盘18实现稳定的润滑状态，使用多通道据采集卡21采集实验的载荷和转速至数据处理及显示模块23进行处理和显示；

F结束实验，停止伺服电机16，旋转加载手轮7卸载。

本发明极大地简化了微机械传动装置的结构,实现空间交错轴传动，缩小几何尺寸,减小质量,提高操作的灵活性,且制作简单，造价低廉,便于在微机电领域的应用。

应当理解的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不足以限制本发明的技术方案，对本领域普通技术人员来说，在本发明的精神和原则之内，可以根据上述说明加以增减、替换、变换或改进，而所有这些增减、替换、变换或改进后的技术方案，都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于光弹实验中的润滑接触研究的加载测量装置，包括工作平台(17)，其特征在于：所述工作平台(17)上设置有伺服电机(16)、支撑凸台(24)，所述支撑凸台(24)上设置有两个轴承座(19)以及水平地由两个轴承座(19)转动支撑的转轴，所述转轴的一端通过传动副连接伺服电机(16)的输出轴，另一端连接光电编码器(20)，所述转轴上在两个轴承座(19)之间的位置设置有与所述转轴同步转动的旋转圆盘(18)；

所述工作平台(17)上还设置有加载装置，所述加载装置包括竖直设置有两相互平行的光轴(10)、螺杆(9)、两根光轴(10)的顶端连接设置有固定支架板(8)，中部设置有与所述光轴(10)上下滑动配合的移动横梁(11)，所述固定支架板(8)中部竖直设置有与螺杆(9)相配合的螺孔，所述螺杆(9)上端连接加载手轮(7)，下端连接移动横梁(11)，所述移动横梁(11)的下端面由上至下依次连接载荷传感器(12)、光弹材料夹具(13)、光弹材料样品(14)，所述光弹材料样品(14)位于旋转圆盘(18)正上方；

所述载荷传感器(12)、光电编码器(20)所采集的信号通过多通道数据采集卡(21)传输至数据处理及显示模块(23)进行处理及显示。

2.根据权利要求1所述的基于光弹实验中的润滑接触研究的加载测量装置，其特征在于：所述传动副为同步带轮传动副。

3.根据权利要求1所述的基于光弹实验中的润滑接触研究的加载测量装置，其特征在于：所述载荷传感器(12)所采集的信号经放大电路放大处理后连接数多通道据采集卡(21)。

4.根据权利要求1所述的基于光弹实验中的润滑接触研究的加载测量装置，其特征在于：所述多通道据采集卡(21)、载荷传感器(12)、光电编码器(20)由电源(22)提供电能。

5.根据权利要求1所述的基于光弹实验中的润滑接触研究的加载测量装置，其特征在于：所述螺杆(9)的牙型为三角形螺纹。

6.根据权利要求1所述的基于光弹实验中的润滑接触研究的加载测量装置，其特征在于：所述伺服电机(16)为无级伺服电机。