CN109974602B - 基于氙气诱导荧光技术测量轴承水膜厚度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于氙气诱导荧光技术测量轴承水膜厚度的方法，该方法先进行膜厚校准试验绘制以荧光强度为横坐标，以水膜厚度为纵坐标的标准曲线，得到荧光强度与水膜厚度的映射关系，再采用测试装置驱动玻璃轴旋转模拟水润滑推力轴承，使得橡胶块与玻璃轴之间产生的水膜并采集它的荧光强度，通过将该荧光强度值代入膜厚校准实验中所得的荧光强度与水膜厚度的映射关系，从而计算出该荧光强度值对应的水膜厚度。本发明根据荧光强度计算水膜厚度的方法简单高效，而且测试结果准确度高。

Description

基于氙气诱导荧光技术测量轴承水膜厚度的方法

技术领域

本发明涉及测量轴承水膜厚度的技术领域，具体涉及一种基于氙气诱导荧光技术测量轴承水膜厚度的方法。

背景技术

液压润滑滑动推力轴承在航空航天、船舶、民用汽轮机械等领域具有重要的应用价值。根据使用的润滑剂，HLSTBs可分为以下几种:包括油润滑、水润滑、气体润滑等等。在船用推进领域，尤其是对小说推进器等无轴的边缘驱动推进器(RDTs)完全淹没在水中，水润滑水动力推力轴承(WLHTBs)是最适合携带环保的轴向力，因为他们的优势，结构简单，不需要密封装置在变形[1]和良好的兼容性。由于水的粘度低于油的粘度，WLHTBs很难对润滑膜进行维护。因此，研究WLHTBs的润滑状况对于优化结构、提高承载能力、延长使用寿命具有重要意义。

在研究水润滑轴承水膜厚度的过程中，往往需要一个反射图层，这种涂层十分昂贵，尤其是在粗糙的表面上。荧光技术在内燃机活塞环/缸壁接口处、径向密封唇与转轴接触处的膜厚测量中已经有了几种应用，Sugimura等使用LIF测量硬球对圆盘接触的薄润滑膜。这些早期的研究受到图像设备差和光学干扰的限制，所有被照明的硬/金属触点都固有，实验薄膜厚度结果很少。Hidrovo等采用双染料技术来消除光学干扰效应，减少图像系统和照明光源产生的背景噪声，提出了高质量的图像，但是系统的下限和上限没有得到证明，也没有将该技术用于实际的摩擦学接触。

此外，对于聚合物垫面材料的水润滑水动力推力轴承(WLHTBs)，垫面相对“软”，与通常采用现有技术研究的表面相比具有较高的粗糙度。它们也很难打磨，提高了测量水膜厚度的难度。因此，研究一种简单高效的测量轴承水膜厚度的方法具有重大的意义。

发明内容

本发明的目的在于克服上述背景技术的不足，提供一种基于氙气诱导荧光技术测量轴承水膜厚度的方法，该方法根据荧光强度计算水膜厚度的方法简单高效，而且测试结果准确度高。

为实现上述目的，本发明所设计的一种基于氙气诱导荧光技术测量轴承水膜厚度的方法，包括如下步骤：

1)将玻璃块放置在垫片上，所述玻璃块的一侧边与垫片抵接，所述玻璃块的另一侧边通过设置在玻璃块与垫片之间的塞尺垫起悬置，所述玻璃块的底端面、垫片的顶端面、以及塞尺的侧面之间围合形成楔形空腔；

2)将荧光溶液注入楔形空腔中形成水膜，在玻璃块的上方设置氙灯和高速相机，打开氙灯由上至下照射玻璃块，同时启动高速相机采集荧光图像数据，并将荧光图像数据传递至电脑进行数据分析处理得到不同水膜厚度下的荧光强度，以荧光强度为横坐标，以水膜厚度为纵坐标绘制标准曲线，得到荧光强度与水膜厚度的映射关系；

3)将橡胶块和玻璃轴安装在测试装置上，向橡胶块与玻璃轴之间的空隙内注入荧光溶液，调节测试装置对橡胶块施加垂直向下的压力，同时驱动玻璃轴旋转直至橡胶块与玻璃轴之间产生水膜；

4)在橡胶块和玻璃轴的正对面设置氙灯和高速相机，打开氙灯照射产生的水膜，同时启动高速相机采集荧光图像数据，并将荧光图像数据传递至电脑进行数据分析处理得到对应的荧光强度值，通过将该荧光强度值代入步骤2)所得的荧光强度与水膜厚度的映射关系，计算出该荧光强度值对应的水膜厚度。

进一步地，所述步骤1)中，垫片的厚度为20～40μm，所述楔形空腔的厚度从一侧为0μm朝向塞尺的另一侧逐渐增加至20～40μm。

进一步地，所述步骤2)中，所述玻璃块的上方两侧还设置有用于供操作人员手持对其施加压力的支撑杆。

进一步地，所述步骤2)和步骤3)中，采用的荧光溶液为质量浓度为100～250mg/L罗丹明G溶液。

进一步地，所述测试装置包括基座，所述基座上设置有安装支架，所述安装支架上设置有垂向滑动架，所述垂向滑动架的上方设置有用于对其加载垂向压力的加载装置，所述垂向滑动架的下方设置有与其固定连接的夹持装置，所述夹持装置内夹持设置有橡胶块，所述橡胶块的下方设置有玻璃轴，所述橡胶块与玻璃轴之间留有间隙，所述玻璃轴的后方设置有用于驱动其旋转的电动机，所述玻璃轴的下方设置有荧光液箱，所述荧光液箱内设置有潜水泵，所述潜水泵通过水管将荧光液箱中的荧光溶液导入橡胶块与玻璃轴之间的间隙内。

进一步地，所述安装支架包括两根立板和设置在两根立板上的L形板，所述L形板的中部设置有与其固定连接的垂向板，所述L形板的底端与两根立板的顶端固定连接，所述两根立板的底端与基座固定连接；

所述L形板上设置有用于供垂向滑动架滑动的导轨，所述垂向滑动架的背侧设置有与导轨滑动配合的滑块；

所述基座上还设置有用于支撑安装电动机的安装座，所述电动机的旋转轴与设置在玻璃轴背侧的旋转板固定连接。

进一步地，所述加载装置包括施力横杆、粗调螺柱、橡胶阻尼器、精调螺柱、螺柱加载件、以及定位螺柱；

所述施力横杆的一端与L形板的顶端铰接，所述施力横杆的另一端设置有导向孔；所述橡胶阻尼器的顶端通过螺栓与导向孔悬挂连接，所述粗调螺柱的杆部旋进施力横杆的端部穿入导向孔内与螺栓抵接；

所述橡胶阻尼器的底端与精调螺柱的顶端旋转连接，所述精调螺柱的底端杆部旋入螺柱加载件的顶端与其螺纹连接，所述定位螺柱的顶端杆部旋入螺柱加载件的底端与其螺纹连接，所述定位螺柱的底端通过固定板与基座固定连接。

进一步地，所述垂向板上设置有与其平行布置的垂向推杆，所述垂向推杆的上端与施力横杆的中部铰接，所述垂向推杆的下端与垂向滑动架固定连接，所述垂向滑动架的底端一侧设置有用于安装水管的安装板。

再进一步地，所述垂向滑动架与夹持装置之间设置有连接块，所述连接块的顶端与垂向滑动架的底端面固定连接，所述连接块的底端与夹持装置的顶端面固定连接。

更进一步地，所述夹持装置包括夹持架，所述夹持架的顶端与连接块的底端固定连接，所述夹持架的底端设置有用于嵌置橡胶块的夹持口，所述夹持口内设置有夹具块；

所述夹持架的一侧设置有锁紧螺杆，所述锁紧螺杆上套设有弹簧，所述锁紧螺杆的杆部贯穿夹持架的一侧侧壁伸入夹持口内与夹具块抵接。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

其一，本发明的基于氙气诱导荧光技术测量轴承水膜厚度的方法中先进行膜厚校准试验绘制以荧光强度为横坐标，以水膜厚度为纵坐标的标准曲线，得到荧光强度与水膜厚度的映射关系，再采用测试装置驱动玻璃轴旋转模拟水润滑推力轴承，使得橡胶块与玻璃轴之间产生的水膜并采集它的荧光强度，通过将该荧光强度值代入膜厚校准实验中所得的荧光强度与水膜厚度的映射关系，从而计算出该荧光强度值对应的水膜厚度，本发明根据荧光强度计算水膜厚度的方法简单，而且测试结果准确度高。

其二，本发明的测试装置通过夹持装置夹持安装橡胶块，采用电动机驱动玻璃轴旋转，将荧光液箱中的荧光溶液导入橡胶块与玻璃轴之间的空隙内，同时通过加载装置对橡胶块施加垂向压力使得橡胶块与玻璃轴之间形一定厚度的水膜，采用氙气灯用来照亮水膜，水膜含有荧光溶液，从而引发荧光，同时采用高速相机采集荧光图像数据，从而实现轴承水膜厚度的测试。

附图说明

图1为一种基于氙气诱导荧光技术测量轴承水膜厚度的方法中玻璃块、垫片和塞尺在测试状态下的布置示意图；

图2为一种基于氙气诱导荧光技术测量轴承水膜厚度的方法中测试装置的结构示意图；

图3为图2中夹持装置的局部放大结构示意图；

图4为氙灯和高速相机在测试状态时的布置示意图；

图5为荧光强度与水膜厚度的映射关系图；

图中：玻璃块1、垫片2、塞尺3、楔形空腔4、氙灯5、高速相机6、电脑7、橡胶块8、玻璃轴9、旋转板9.1、测试装置10、基座11、安装支架12(立板12.1、L形板12.2、垂向板12.3、导轨12.4)、垂向滑动架13(滑块13.1)、加载装置14(横杆14.1、粗调螺柱14.2、橡胶阻尼器14.3、精调螺柱14.4、螺柱加载件14.5、定位螺柱14.6、导向孔14.7、固定板14.8、垂向推杆14.9)、夹持装置15(夹持架15.1、夹持口15.2、夹具块15.3、锁紧螺杆15.4、弹簧15.5)、荧光液箱16、电动机17、安装座17.1、安装板18、连接块19、潜水泵20、水管21、螺栓22、支撑杆23。

具体实施方式

下面结合实施案例详细说明本发明的实施情况，但它们并不构成对本发明的限定，仅作举例而已。同时通过说明本发明的优点将变得更加清楚和容易理解。

本发明的一种基于氙气诱导荧光技术测量轴承水膜厚度的方法，包括如下步骤：

1)如图1所示，将玻璃块1放置在垫片2上，玻璃块1的一侧边与垫片2抵接，玻璃块1的另一侧边通过设置在玻璃块1与垫片2之间的塞尺3垫起悬置，玻璃块1的底端面、垫片2的顶端面、以及塞尺3的侧面之间围合形成楔形空腔4，垫片2的厚度为20～40μm，楔形空腔4的厚度从一侧为0μm朝向塞尺3的另一侧逐渐增加至20～40μm；

2)在玻璃块1的上方两侧操作人员手持对其施加压力的支撑杆23，将荧光溶液注入楔形空腔4中形成水膜进行膜厚校准试验，采用的荧光溶液为质量浓度为100～250mg/L罗丹明6G溶液，在玻璃块1的上方设置氙灯5(型号：cell-s500l，中国制造；采用500w短弧氙气灯泡作为灯体，它的输出功率密度可以达到2000W/m²，输出平行光的发散角小于5°，光斑直径可以调整在3～100毫米的范围，以及光源的稳定±0.5％)和高速相机6(日本制造PHOTROM的FASTCAM Mini AX200，最大帧速率为每秒212500帧)，氙灯5和高速相机6上均安装有滤光片，传输被荧光物质(510～520nm波长)强吸收的光，阻挡波长为540～560nm的光，打开氙灯5由上至下照射玻璃块1，同时启动高速相机6采集荧光图像数据，并将荧光图像数据传递至电脑7利用MATLAB软件进行数据分析处理，将荧光图像的强度图转换为双精度灰度图，得到不同水膜厚度下的荧光强度，如图5所示以荧光强度为横坐标，以水膜厚度为纵坐标绘制标准曲线，得到荧光强度与水膜厚度的映射关系；

3)将橡胶块8和玻璃轴9安装在测试装置10上，向橡胶块8与玻璃轴9之间的空隙内注入荧光溶液，采用的荧光溶液为质量浓度为100～250mg/L罗丹明6G溶液，调节测试装置10对橡胶块8施加垂直向下的压力，同时驱动玻璃轴9旋转直至橡胶块8与玻璃轴9之间产生水膜；

4)如图4所示，在橡胶块8和玻璃轴9的正对面设置氙灯5和高速相机6，打开氙灯5照射产生的水膜，同时启动高速相机6采集荧光图像数据记录水膜的形成过程，并将荧光图像数据传递至电脑7利用MATLAB软件进行数据分析处理，得到对应的荧光强度值，通过将该荧光强度值代入步骤2)所得的荧光强度与水膜厚度的映射关系，计算出该荧光强度值对应的水膜厚度。

如图2所示，测试装置10包括基座11，基座11上设置有安装支架12，安装支架12上设置有垂向滑动架13，垂向滑动架13的上方设置有用于对其加载垂向压力的加载装置14，垂向滑动架13的下方设置有与其固定连接的夹持装置15，夹持装置15内夹持设置有橡胶块8，橡胶块8的下方设置有玻璃轴9，橡胶块8与玻璃轴9之间留有间隙，玻璃轴9的后方设置有用于驱动其旋转的电动机17，玻璃轴9的下方设置有荧光液箱16，荧光液箱16内设置有潜水泵20，潜水泵20通过水管21将荧光液箱16中的荧光溶液导入橡胶块8与玻璃轴9之间的间隙内。

上述技术方案中，安装支架12包括两根立板12.1和设置在两根立板12.1上的L形板12.2，L形板12.2的中部设置有与其固定连接的垂向板12.3，L形板12.2的底端与两根立板12.1的顶端固定连接，两根立板12.1的底端与基座11固定连接；L形板12.2上设置有用于供垂向滑动架13滑动的导轨12.4，垂向滑动架13的背侧设置有与导轨12.4滑动配合的滑块13.1；基座11上还设置有用于支撑安装电动机17的安装座17.1，电动机17的旋转轴与设置在玻璃轴9背侧的旋转板9.1固定连接。

上述技术方案中，加载装置14包括施力横杆14.1、粗调螺柱14.2、橡胶阻尼器14.3、精调螺柱14.4、螺柱加载件14.5、以及定位螺柱14.6；施力横杆14.1的一端与L形板12.2的顶端铰接，施力横杆14.1的另一端设置有导向孔14.7；橡胶阻尼器14.3的顶端通过螺栓22与导向孔14.7悬挂连接，粗调螺柱14.2的杆部旋进施力横杆14.1的端部穿入导向孔14.7内与螺栓22抵接；橡胶阻尼器14.3的底端与精调螺柱14.4的顶端旋转连接，精调螺柱14.4的底端杆部旋入螺柱加载件14.5的顶端与其螺纹连接，定位螺柱14.6的顶端杆部旋入螺柱加载件14.5的底端与其螺纹连接，定位螺柱14.6的底端通过固定板14.8与基座11固定连接。

上述技术方案中，垂向板12.3上设置有与其平行布置的垂向推杆14.9，垂向推杆14.9的上端与施力横杆14.1的中部铰接，垂向推杆14.9的下端与垂向滑动架13固定连接，垂向滑动架13的底端一侧设置有用于安装水管21的安装板18。垂向滑动架13与夹持装置15之间设置有连接块19，连接块19的顶端与垂向滑动架13的底端面固定连接，连接块19的底端与夹持装置15的顶端面固定连接。

如图3所示，夹持装置15包括夹持架15.1，夹持架15.1的顶端与连接块19的底端固定连接，夹持架15.1的底端设置有用于嵌置橡胶块8的夹持口15.2，夹持口15.2内设置有夹具块15.3；夹持架15.1的一侧设置有锁紧螺杆15.4，锁紧螺杆15.4上套设有弹簧15.5，锁紧螺杆15.4的杆部贯穿夹持架15.1的一侧侧壁伸入夹持口15.2内与夹具块15.3抵接。

以上，仅为本发明的具体实施方式，应当指出，任何熟悉本领域的技术人员在本发明所揭示的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内，其余未详细说明的为现有技术。

Claims (7)

1.一种基于氙气诱导荧光技术测量轴承水膜厚度的方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)将玻璃块(1)放置在垫片(2)上，所述玻璃块(1)的一侧边与垫片(2)抵接，所述玻璃块(1)的另一侧边通过设置在玻璃块(1)与垫片(2)之间的塞尺(3)垫起悬置，所述玻璃块(1)的底端面、垫片(2)的顶端面、以及塞尺(3)的侧面之间围合形成楔形空腔(4)；

2)将荧光溶液注入楔形空腔(4)中形成水膜，在玻璃块(1)的上方设置氙灯(5)和高速相机(6)，打开氙灯(5)由上至下照射玻璃块(1)，同时启动高速相机(6)采集荧光图像数据，并将荧光图像数据传递至电脑(7)进行数据分析处理得到不同水膜厚度下的荧光强度，以荧光强度为横坐标，以水膜厚度为纵坐标绘制标准曲线，得到荧光强度与水膜厚度的映射关系；

3)将橡胶块(8)和玻璃轴(9)安装在测试装置(10)上，向橡胶块(8)与玻璃轴(9)之间的空隙内注入荧光溶液，调节测试装置(10)对橡胶块(8)施加垂直向下的压力，同时驱动玻璃轴(9)旋转直至橡胶块(8)与玻璃轴(9)之间产生水膜；

4)在橡胶块(8)和玻璃轴(9)的正对面设置氙灯(5)和高速相机(6)，打开氙灯(5)照射产生的水膜，同时启动高速相机(6)采集荧光图像数据，并将荧光图像数据传递至电脑(7)进行数据分析处理得到对应的荧光强度值，通过将该荧光强度值代入步骤2)所得的荧光强度与水膜厚度的映射关系，计算出该荧光强度值对应的水膜厚度；

所述步骤1)中，垫片(2)的厚度为20～40μm，所述楔形空腔(4)的厚度从一侧为0μm朝向塞尺(3)的另一侧逐渐增加至20～40μm；

所述测试装置(10)包括基座(11)，所述基座(11)上设置有安装支架(12)，所述安装支架(12)上设置有垂向滑动架(13)，所述垂向滑动架(13)的上方设置有用于对其加载垂向压力的加载装置(14)，所述垂向滑动架(13)的下方设置有与其固定连接的夹持装置(15)，所述夹持装置(15)内夹持设置有橡胶块(8)，所述橡胶块(8)的下方设置有玻璃轴(9)，所述橡胶块(8)与玻璃轴(9)之间留有间隙，所述玻璃轴(9)的后方设置有用于驱动其旋转的电动机(17)，所述玻璃轴(9)的下方设置有荧光液箱(16)，所述荧光液箱(16)内设置有潜水泵(20)，所述潜水泵(20)通过水管(21)将荧光液箱(16)中的荧光溶液导入橡胶块(8)与玻璃轴(9)之间的间隙内；

所述安装支架(12)包括两根立板(12.1)和设置在两根立板(12.1)上的L形板(12.2)，所述L形板(12.2)的中部设置有与其固定连接的垂向板(12.3)，所述L形板(12.2)的底端与两根立板(12.1)的顶端固定连接，所述两根立板(12.1)的底端与基座(11)固定连接；

所述L形板(12.2)上设置有用于供垂向滑动架(13)滑动的导轨(12.4)，所述垂向滑动架(13)的背侧设置有与导轨(12.4)滑动配合的滑块(13.1)；

所述基座(11)上还设置有用于支撑安装电动机(17)的安装座(17.1)，所述电动机(17)的旋转轴与设置在玻璃轴(9)背侧的旋转板(9.1)固定连接。

2.根据权利要求1所述的基于氙气诱导荧光技术测量轴承水膜厚度的方法，其特征在于：所述步骤2)中，所述玻璃块(1)的上方两侧还设置有用于供操作人员手持对其施加压力的支撑杆(23)。

3.根据权利要求1所述的基于氙气诱导荧光技术测量轴承水膜厚度的方法，其特征在于：所述步骤2)和步骤3)中，采用的荧光溶液为质量浓度为100～250mg/L罗丹明6G溶液。

4.根据权利要求1所述的基于氙气诱导荧光技术测量轴承水膜厚度的方法，其特征在于：所述加载装置(14)包括施力横杆(14.1)、粗调螺柱(14.2)、橡胶阻尼器(14.3)、精调螺柱(14.4)、螺柱加载件(14.5)、以及定位螺柱(14.6)；

所述施力横杆(14.1)的一端与L形板(12.2)的顶端铰接，所述施力横杆(14.1)的另一端设置有导向孔(14.7)；所述橡胶阻尼器(14.3)的顶端通过螺栓(22)与导向孔(14.7)悬挂连接，所述粗调螺柱(14.2)的杆部旋进施力横杆(14.1)的端部穿入导向孔(14.7)内与螺栓(22)抵接；

所述橡胶阻尼器(14.3)的底端与精调螺柱(14.4)的顶端旋转连接，所述精调螺柱(14.4)的底端杆部旋入螺柱加载件(14.5)的顶端与其螺纹连接，所述定位螺柱(14.6)的顶端杆部旋入螺柱加载件(14.5)的底端与其螺纹连接，所述定位螺柱(14.6)的底端通过固定板(14.8)与基座(11)固定连接。

5.根据权利要求4所述的基于氙气诱导荧光技术测量轴承水膜厚度的方法，其特征在于：所述垂向板(12.3)上设置有与其平行布置的垂向推杆(14.9)，所述垂向推杆(14.9)的上端与施力横杆(14.1)的中部铰接，所述垂向推杆(14.9)的下端与垂向滑动架(13)固定连接，所述垂向滑动架(13)的底端一侧设置有用于安装水管(21)的安装板(18)。

6.根据权利要求5所述的基于氙气诱导荧光技术测量轴承水膜厚度的方法，其特征在于：所述垂向滑动架(13)与夹持装置(15)之间设置有连接块(19)，所述连接块(19)的顶端与垂向滑动架(13)的底端面固定连接，所述连接块(19)的底端与夹持装置(15)的顶端面固定连接。

7.根据权利要求6所述的基于氙气诱导荧光技术测量轴承水膜厚度的方法，其特征在于：所述夹持装置(15)包括夹持架(15.1)，所述夹持架(15.1)的顶端与连接块(19)的底端固定连接，所述夹持架(15.1)的底端设置有用于嵌置橡胶块(8)的夹持口(15.2)，所述夹持口(15.2)内设置有夹具块(15.3)；

所述夹持架(15.1)的一侧设置有锁紧螺杆(15.4)，所述锁紧螺杆(15.4)上套设有弹簧(15.5)，所述锁紧螺杆(15.4)的杆部贯穿夹持架(15.1)的一侧侧壁伸入夹持口(15.2)内与夹具块(15.3)抵接。

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