CN107271645A - 改变点接触接触副速度方向的油膜测量装置与实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于高副接触流体润滑油膜的实验测量技术领域，公开了一种改变点接触接触副速度方向的油膜测量装置与实验方法，包括机架、设置于机架上的平移台、钢球回转单元、显微干涉测量单元、主轴回转单元和加载单元。本技术方案实验装置结构简单合理，能在实际测量条件下准确地得到预先设定的速度方向的夹角，模拟速度不同向的弹流润滑油膜形状。

Description

改变点接触接触副速度方向的油膜测量装置与实验方法

技术领域

本发明属于高副接触流体润滑油膜的实验测量技术领域，具体涉及改变点接触接触副速度方向的油膜测量装置与实验方法。

背景技术

机械工业领域，对润滑的研究是极有价值，这对于提高接触副寿命，减小成本方面有着积极作用。现有的点接触油膜测量方法有光干涉法、电容法、激光法等，因此所采取的测量方法不同，实验装置也各不一样，例如电容法一般采取双盘实验装置，光干涉法经常用于经典球盘实验装置。双盘实验装置能实现多角度点接触油膜测量，但是其结构复杂，而且对钢盘的加工工艺要求严苛，相较于双盘实验装置，经典球盘实验装置在成本和加工上占有独特优势，但是球、盘接触点的速度方向只能在同一直线上，并不能实现多角度的油膜测量。

发明内容

本发明为克服现有技术的不足，采用下述技术方案予以实现：

改变点接触接触副速度方向的油膜测量装置，包括机架、设置于机架上的平移台、钢球回转单元、显微干涉测量单元、主轴回转单元和加载单元，机架用于支撑和固定各部件；主轴回转单元，用于固定和调节透明光学玻璃盘的跳动，同时使其转动，其中在玻璃盘上下表面均用弹性元件作为缓冲装置；钢球回转单元，用于固定和调节电机位置，其中钢球和电机通过弹性联轴器连接；显微干涉测量单元，设置于透明圆盘上方用于观察和采集接触区内油膜；加载单元，用于钢球对玻璃盘施加载荷。

钢球回转单元包括圆弧导轨、膜片联轴器、伺服电机、刹车柄、刹车座、球托主体、四维体和钢球。圆弧导轨通过4个定位螺钉固定在平移台上，刹车座可在圆弧导轨上进行滑动。电机座的底板通过4个定位螺钉固定在刹车座上，伺服电机也通过在电机座前面板上的4个螺纹孔定位。伺服电机的输出轴与球杆通过膜片联轴器连接，中心打孔的钢球通过螺钉固定在球杆上，钢球与四椎体保持四点接触。

平移台包括手轮、丝杠、加载支架螺纹孔和直线导轨。两条平行的直线导轨和螺纹驱动座通过定位螺钉固定在机架上，另一个螺纹驱动座固定在平移台上，丝杠螺纹杆则连接这两个螺纹驱动座，手轮通过定位销固定在丝杆螺纹杆上。

显微干涉测量单元包括调焦支架、广源入射口、显微镜、连接块、X向位移台和Y向位移台。该单元通过U型连接板连接平移台和显微干涉测量单元各组件，X、Y向平移台固定在U型连接板上，平移台上方固定连接块和连接柱，调焦支架通过紧定螺钉固定在连接柱上，显微镜也是通过紧定螺钉固定在调焦支架的镜孔处。

主轴回转单元包括玻璃盘、玻璃盘压套和减速器。减速机通过4个定位螺钉固定在连接环上，连接环与机架固定，减速机的输出轴与主轴通过膜片联轴器连接。玻璃盘放置在主轴的圆形托板之上，通过玻璃盘压套固定玻璃盘。

加载单元包括销轴、球托连接套、加载转动轴承和加载板。销轴与加载转动轴承配合，加载板通过螺钉固定在销轴的平面上。球托连接套通过下方的6个定位螺钉与球托主体固定。

球托与加载支座靠轴承配合，轴承内圈固定，外圈转动相应地球托也随之转动，当转到预定角度通过六个紧定螺钉压住加载支座从而固定球托。与经典球盘实验装置相比，球托能随驱动钢球的伺服电机主轴线的改变而转动，保证钢球与四锥体保持四点接触。

改变点接触接触副速度方向的实验方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)调节电机座

空载情况下，伺服电机依靠指针在圆弧导轨上旋转预定角度，拉下刹车柄固定电机位置；

(2)调节球托

球托旋转与伺服电机相同的角度使四维体与钢球形成四点接触，拧紧球托下的紧定螺钉压住加载支座，固定球托位置；

(3)设定角度

若需要大于90度的速度方向夹角，依靠PLC编程控制钢球或玻璃盘的正反转；

(4)加载装置，获得钢球对玻璃盘的压力值；

(5)根据实时显示的图像调节调焦架、X向位移台和Y向位移台以及光源获得最佳图像；

(6)利用PLC和伺服电机及控制程序实现预定工作条件；

(7)当计算机中实时显示的油膜达到稳定则采集图像，计算机后续处理得到油膜厚度和形状。

改变点接触接触副速度方向的实验方法，通过调整刹车座在圆弧导轨上的位置和旋转球托，可以改变玻璃盘与钢球接触点速度方向的夹角，从而得到不同的滑滚比；把球托旋转与驱动钢球的伺服电机相同的角度，保证球托的四锥体与钢球四点接触；平移台上铣出四分之一圆周的刻度值，精确定位钢球的位置。

本技术方案实验装置结构简单合理，以圆弧导轨装置改变两接触表面速度方向的夹角；对于钢球位置的变动，采用球托与加载支座轴承配合的方式，使之能随驱动钢球的伺服电机主轴线的改变而转动，确保钢球与四锥体四点接触。本技术方案能在实际测量条件下准确地得到预先设定的速度方向的夹角，模拟速度不同向的弹流润滑油膜形状。

附图说明

附图1：本发明的立体图；

附图2：本发明钢球回转单元结构图；

附图3：本发明平移台结构图；

附图4：本发明显微干涉测量单元结构图；

附图5：本发明主轴回转单元结构图；

附图6：本发明加载单元剖面图；

附图7：具体实施方式捕获图像显示图。

其中：1.钢球回转单元；101.螺钉；102.定位螺钉；103.伺服电机；104.螺钉；105.指针；106.电机座；107.刹车柄；108.刹车座；109.球托主体；110.四锥体；111.钢球；112.膜片联轴器；113.圆弧导轨；2.平移台单元；201.手轮；202.丝杠；203.加载支架螺纹孔；204.刻度值；205.螺钉；206.直线导轨；3.显微干涉测量单元；301.调焦支架；302.光源入射口；303.商用同轴光照明显微镜；304.连接块；305.X向位移台；306.Y向位移台；307.显微干涉测量单元支架；4.主轴回转单元；401.玻璃盘；402.玻璃盘压套；403.紧定螺钉；404.减速器；405.伺服电机；406.膜片联轴器；5.加载单元；501.销轴；502.球托连接套；503.螺钉；504.加载支座；505.紧定螺钉；506.加载板；507.弹簧；508.球托旋转轴承；509.加载转动轴承；6.机架。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步详细的说明。

本技术方案整体如图1所示，一种改变点接触接触副速度方向的油膜测量装置，包括机架6，用于支撑和固定各个部件；钢球回转单元1，用于改变钢球111与玻璃盘401接触点速度方向夹角；平移台2，用于改变接触点位置和支撑各部件；显微干涉测量单元3，用于观测和采集接触区内油膜图像，其中显微干涉测量单元支架307通过螺钉连接在平移台2上；主轴回转单元4，用于驱动玻璃盘，调节其跳动；加载单元5，用于钢球对玻璃盘加载。

钢球回转单元如附图2所示，圆弧导轨101靠螺钉102安装在平移台2上。伺服电机104通过定位螺钉103固定在电机座上，电机座106通过螺钉104固定在刹车座108上，刹车座可在圆弧导轨上滑动。钢球111则通过球杆与膜片联轴器112与电机轴连接，球托109的四锥体110与钢球必须始终保持四点接触，这样就能保证钢球只受到竖直方向的力。当驱动钢球的伺服电机旋转一定角度，球托也必须旋转相同的角度。球托旋转装置请参阅附图6，在球托主体下面有球托连接套502通过螺钉与其配合，球托旋转轴承508与加载支座504过盈配合，外圈与球托连接套间隙配合，这样就可以使球托旋转，当达到预定角度，拧紧在球托连接套上的六个紧定螺钉505以便固定球托。

平移台结构，如图所示3，通过调节手轮201，在丝杠202传动下平移台会在直线导轨206滑动，从而改变玻璃盘401与钢球的接触位置，实现了易耗材料的使用频次。16个螺钉205用于把平移台固定在直线导轨的四个滑块上；螺纹孔203用于固定加载支架；刻度值204用于精确地定位钢球旋转单元的位置。

显微干涉测量单元结构，如图4所示，商用同轴光照明显微镜303固定在调焦架301上，通过调节其旋钮可获得清晰的干涉图像。连接块304用于连接调焦架与X向位移台305和Y向位移台306，两个叠装的精密位移台可调节显微镜最佳的观测位置。光源从入射口302通过商用同轴光照明显微镜进入接触区产生干涉条纹被商用CCD捕获，捕获图像如图7所示，从左到右钢球与玻璃盘接触表面速度方向夹角依次为0°、30°、60°、120°、135°，然后经相关处理即可在计算机中显示油膜和形状。从干涉图中可以看出随着夹角的增加，膜厚呈现减小的趋势，并且沿着卷吸方向两侧的油膜形状不对称性增加。

主轴回转单元结构，如图5所示，为保证玻璃盘转动时的水平，应当在实验之前调节玻璃盘的跳动，在玻璃盘上方有玻璃盘压套402和紧定螺钉403，调节紧定螺钉使玻璃盘的跳动保持在一微米之内。玻璃盘的驱动由膜片联轴器406，减速器405，伺服电机404组成，在1：40减速比的减速器驱动下能获得较大的扭矩。

加载单元结构，如图6所示，加载板506通过螺钉固定在销轴501上，销轴和轴承509配合，当拉紧弹簧507，加载板会随之转动，这样球托109上的钢球111会顶住玻璃盘401实现加载。加载采用杠杆原理，支点就是轴承509的中心，动力即弹簧的拉力，阻力即钢球对玻璃盘的压力。

具体实施过程如下：

清洗钢球111，四锥体110，玻璃盘401,并将钢球111通过球杆，膜片联轴器112固定在伺服电机103上，球托连接套502与加载支座504的球托旋转轴承508配合，这样球托主体109就和加载单元5固定。玻璃盘则在玻璃盘压套402下固定，并在其转动过程中调节紧定螺钉403把圆跳动控制在一微米之内。

松开刹车柄107，转动刹车座108到指针105预定的刻度值204，然后锁死刹车柄，固定伺服电机103和钢球111的位置。四锥体110要和钢球保持四点接触，应通过球托旋转轴承508也要旋转相同的角度，当达到预定角度，拧紧在球托连接套502圆周上的六个紧定螺钉505，压住加载支座504，从而固定球托109。摇手轮201，通过丝杠202传动，平移台2在直线导轨206上滑动，确定钢球与玻璃盘的接触轨道。

接下来对装置加载，弹簧507上挂有测力计可以读出拉力值，然后根据杠杆原理，算出所需拉力值，拉紧弹簧达到预定拉力值，相应的钢球对玻璃盘的压力值也可以得出。

完成上述步骤后，打开光源系统，光源经过光源入射口302通过商用同轴显微镜303进入接触区，图像则被商用CCD捕获在计算机中显示，然后根据图像的清晰度和位置分别调节调焦架304和X向位移台、Y向位移台，得到最佳图像。

接下来利用PLC控制伺服电机103和404，首先需要计算出要使钢球和玻璃盘接触点的线速度达到预定速度的脉冲数，然后通过控制程序键入脉冲数，选择两个伺服电机的正反转实现预定工作条件。

在预定速度运行一段时间后，观察计算机中显示的油膜形状，当膜厚相对稳定则采集该图像，通过计算机后续处理即可得到油膜和形状。

实施例仅说明本发明的技术方案，而非对其进行任何限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的普通技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所要求保护的技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.改变点接触接触副速度方向的油膜测量装置，其特征在于：包括机架、设置于机架上的平移台、钢球回转单元、显微干涉测量单元、主轴回转单元和加载单元，机架用于支撑和固定各部件；玻璃盘回转调整单元，用于固定和调节透明光学玻璃盘的跳动，同时使其转动，其中在玻璃盘上下表面均用弹性元件作为缓冲装置；钢球回转单元，用于固定和调节电机位置，其中钢球和电机通过弹性联轴器连接；显微干涉测量单元，设置于透明圆盘上方用于观察和采集接触区内油膜；加载单元，用于钢球对玻璃盘施加载荷。

2.根据权利要求1所述的改变点接触接触副速度方向的油膜测量装置，其特征在于：钢球回转单元包括圆弧导轨、膜片联轴器、伺服电机、刹车柄、刹车座、球托主体、四维体和钢球，圆弧导轨固定在平移台上，电机座固定在刹车座上，刹车座可在圆弧导轨上滑动。

3.根据权利要求1所述的改变点接触接触副速度方向的油膜测量装置，其特征在于：平移台包括加载支架螺纹孔和直线导轨，直线导轨和螺纹驱动座固定在机架上。

4.根据权利要求1所述的改变点接触接触副速度方向的油膜测量装置，其特征在于：显微干涉测量单元包括调焦支架、广源入射口、显微镜、连接块、X向位移台和Y向位移台，X、Y向平移台固定在U型连接板上，平移台上方固定连接块和连接柱，调焦支架固定在连接柱上，显微镜固定在调焦支架的镜孔处。

5.根据权利要求1所述的改变点接触接触副速度方向的油膜测量装置，其特征在于：主轴回转单元包括玻璃盘、玻璃盘压套和减速器，减速机固定在连接环上，连接环与机架固定，减速机的输出轴与主轴通过膜片联轴器连接，玻璃盘压套固定玻璃盘。

6.根据权利要求1所述的改变点接触接触副速度方向的油膜测量装置，其特征在于：加载单元包括销轴、球托连接套、加载转动轴承和加载板，销轴与加载转动轴承配合，加载板固定在销轴的平面上，球托连接套与球托主体固定。

7.改变点接触接触副速度方向的实验方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)调节电机座

空载情况下，伺服电机依靠指针在圆弧导轨上旋转预定角度，拉下刹车柄固定电机位置；

(2)调节球托

球托旋转与伺服电机相同的角度使四维体与钢球形成四点接触，拧紧球托下的紧定螺钉压住加载支座，固定球托位置；

(3)设定角度

若需要大于90度的速度方向夹角，依靠PLC编程控制钢球或玻璃盘的正反转；

(4)加载装置，获得钢球对玻璃盘的压力值；

(5)根据实时显示的图像调节调焦架、X向位移台和Y向位移台以及光源获得最佳图像；

(6)利用PLC和伺服电机及控制程序实现预定工作条件；

(7)当计算机中实时显示的油膜达到稳定则采集图像，计算机后续处理得到油膜厚度和形状。