CN111474074A - 一种变载荷接触润滑磨损一体实验机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种变载荷接触润滑磨损一体实验机，属于载荷接触润滑磨损技术领域。包括框架、加载装置、滚子驱动装置、套筒驱动装置和光学采集系统；滚子和套筒在变载荷条件下形成长/短有限长接触或曲面接触，通过电机驱动玻璃筒(或金属筒)和滚子，使两者在一定规律的载荷条件下相接触并做相对运动，使用光学显微镜和CCD相机采集接触区的油膜图像并传输至计算机，从而可以实时观测、储存滚子与玻璃筒所形成的弹性流体动力润滑油膜的厚度和形貌，或可以研究滚子与钢筒之间的磨损情况。本发明结构简单、实用性强、工作可靠，为研究变载荷条件下长/短有限长接触或曲面接触的润滑或磨损问题提供了可靠的实验装置。

Description

一种变载荷接触润滑磨损一体实验机

技术领域

本发明涉及一种变载荷接触润滑磨损一体实验机，属于载荷接触润滑磨损技术领域。

背景技术

工业链的套筒和销轴之间形成长度不同的有限长接触或在一定的压力下形成较小尺寸的曲面接触，进而形成弹性流体动力润滑或磨损。现有的光学弹性流体动力润滑磨损实验机中，一般是驱动玻璃圆盘或钢盘做圆周运动，因此只能进行点接触或较小尺寸的面接触实验；使用这种实验机进行有限长接触实验时，会导致滚子轴线方向上不同位置的线速度不同，不能准确有效地模拟有限长接触问题。此外，由于机械运动的冲击和振动，机械零件之间所形成的线接触会处于变载荷条件之下，而现有的有限长弹性流体动力润滑实验机尚不能对有限长接触施加变载荷。所以综上，目前尚没有用于研究变载荷条件下长/短有限长接触或面接触的润滑或磨损问题的实验机。因此本技术领域需要设计一种变载荷接触润滑磨损一体实验装置，以便能够更好地模拟实际链传动工况中套筒和销轴之间变载荷条件下的长/短有限长接触或曲面接触问题，从而能够更好地研究长/短有限长线接触或面接触在变载荷条件下的润滑和磨损特性，测量油膜的形状和厚度，以及试件的磨损情况。

发明内容

本发明的目的是为解决现有技术不能有效准确地模拟光学弹性流体动力润滑领域变载荷有限长接触的实际工况，不能准确地进行润滑和磨损实验的技术问题。

为达到解决上述问题的目的，本发明所采取的技术方案是提供一种变载荷接触润滑磨损一体实验机，包括框架、加载装置、滚子驱动装置、套筒驱动装置和光学采集系统；所述框架设有的上台面上设有滚子驱动装置和套筒驱动装置，所述滚子驱动装置驱动的滚子外圆周与所述套筒驱动装置驱动的套筒的筒内壁接触连接；滚子驱动装置驱动的滚子下方设有向滚子施加变化载荷的加载装置；所述滚子驱动装置驱动的滚子和所述套筒驱动装置驱动的套筒接触的位置上方设有用于采集油膜图像的光学采集系统。

优选地，所述滚子驱动装置包括电机支架一、电机一、联轴器一、滚子连杆和滚子；所述框架设有的上台面上设有电机支架一，电机支架一上设有电机一，电机一通过联轴器一连接滚子连杆的一端，滚子连杆的另一端设有滚子。

优选地，所述套筒驱动装置包括套筒、夹具二、轴承座二、深沟球轴承、联轴器二、电机支架二和电机二；所述框架设有的上台面上设有电机支架二，电机支架二上设有电机二，电机二通过联轴器二与夹具二一端设有的转动轴连接；所述夹具二与联轴器二之间设有轴承座二，轴承座二中设有深沟球轴承；所述夹具二设有的转动轴外周套设于所述深沟球轴承中；所述夹具二另一端设有套筒。

优选地，所述夹具二设为一端开口的圆筒形状，圆筒筒底沿圆筒中心轴远离圆筒开口端设有转动轴；所述圆筒筒底与一侧半圆形筒壁固定连接，所述固定连接的一侧半圆形筒壁与另一侧半圆形筒壁活动连接；两侧半圆形筒壁拼接形成的圆筒内壁中设有所述的套筒。

优选地，所述夹具二设有的圆形筒壁与所述的套筒之间设有橡胶垫。

优选地，所述加载装置包括夹具一、加载托板、加载套筒、顶针、联轴器三、减速器支架、减速器和电机三；所述框架设有的下台面上设有减速器支架；所述框架设有的上台面下方设有加载套筒；所述减速器支架上设有减速器，减速器一端与电机三连接，减速器另一端通过联轴器三与加载套筒一端设有的加载杆连接；加载套筒另一端设有的顶针穿过上台面与上台面上设有的加载托板下板面接触连接；所述加载托板的上板面上设有夹具一,夹具一支撑连接所述滚子驱动装置驱动的滚子。

优选地，所述加载托板的一端通过轴承座一连接于所述上台面上，所述顶针穿过上台面支撑连接加载托板下板面的中部，所述加载托板的另一端上板面上设有夹具一。

优选地，所述夹具一包括凹形结构的夹具外壳，凹形结构的底部设于加载托板上；夹具外壳的内部并排设有两组轴承，轴承通过贯穿于夹具外壳的轴承轴与夹具外壳连接，所述滚子驱动装置驱动的滚子设于所述并排的两组轴承的上方。

优选地，所述加载套筒设有的顶针一端穿过上台面，另一端通过加载套筒中设有的筒芯与所述的加载杆连接；所述筒芯一端连接顶针，筒芯另一端设为管状，管内设有加载杆的一端；筒芯的管外周和加载杆的外圆周上套设有弹簧；加载杆外圆周上还套设有用于使得弹簧处于压缩状态的加载盘，加载杆和加载套筒之间设有用于防止加载杆从加载套筒内滑落的限位结构。

优选地，所述的限位结构包括设在加载套筒筒底端的加载筒端盖，加载筒端盖上设有调心球轴承，加载杆的另一端穿过调心球轴承和加载筒端盖与所述的减速器连接；所述顶针和筒芯之间设有用于实时测量顶针受力大小的压力传感器；所述加载套筒侧壁上平行于加载套筒中轴线的轴向上设有用于调整加载盘位置的开口槽。

相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

(1)本发明装置可以装夹滚子，以及玻璃筒或金属筒，可以通过加载系统使滚子与玻璃筒或金属筒在一定载荷下形成长/短有限长接触或曲面接触,避免了滚子与旋转玻璃筒相对运动时，相对速度在滚子轴线方向上发生变化，增加了测试的实用性和可靠性；

(2)可以使玻璃筒或金属筒在与滚子相接触的状态下，按一定规律对滚子施加变载荷；

(3)可以使玻璃筒或金属筒在与滚子相接触的状态下，由电机间接驱动而做相对运动，与滚子形成变载荷长/短有限长接触或曲面接触条件下的弹性流体动力润滑；

(4)可以实时观测、储存滚子与玻璃筒或金属筒所形成弹性流体动力润滑油膜图像，测量油膜的形状和厚度。

附图说明

图1为本发明一种变载荷接触润滑磨损一体实验机的主体结构示意图；

图2为本发明一种变载荷接触润滑磨损一体实验机上台面上结构图；

图3为本发明一种变载荷接触润滑磨损一体实验机的主体结构俯视图；

图4为本发明一种变载荷接触润滑磨损一体实验机的夹具一的主视图和俯视图；

图5为本发明一种变载荷接触润滑磨损一体实验机夹具二的三维简图。

附图标记：1.上台面2.电机支架一3.轴承座一4.电机一5.联轴器一6.加载托板7.夹具一8.滚子连杆9.滚子10.玻璃筒11.橡胶垫12.夹具二13.轴承座二14.深沟球轴承15.联轴器二16.电机支架二17.电机二18.顶针19.压力传感器20.筒芯21.弹簧22.加载盘23.加载杆24.调心球轴承25.加载筒端盖26.联轴器三27.减速器支架28.减速器29.电机三30.下台面31.支柱32.加载套筒；

具体实施方式

为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下：

如图1-5所示，本发明提供一种变载荷接触润滑磨损一体实验机，包括框架、加载装置、滚子驱动装置、套筒驱动装置和光学采集系统；框架设有的上台面1上设有滚子驱动装置和套筒驱动装置，滚子驱动装置驱动的滚子9外圆周与套筒驱动装置驱动的套筒的筒内壁接触连接；滚子驱动装置驱动的滚子9下方设有向滚子施加变化载荷的加载装置；滚子驱动装置驱动的滚子和套筒驱动装置驱动的套筒接触的位置上方设有用于采集油膜图像的光学采集系统。滚子驱动装置包括电机支架一2、电机一4、联轴器一5、滚子连杆8和滚子9；框架设有的上台面1上设置有电机支架一2，电机支架一2上设置有电机一4，电机一4通过联轴器一5连接滚子连杆8的一端，滚子连杆8的另一端安装有滚子9。套筒驱动装置包括套筒、夹具二12、轴承座二13、深沟球轴承14、联轴器二15、电机支架二16和电机二17；框架设有的上台面1上设置有电机支架二16，电机支架二16上设有电机二17，电机二17通过联轴器二15与夹具二12一端设有的转动轴连接；夹具二12与联轴器二15之间设有轴承座二13，轴承座二13中设有深沟球轴承14；夹具二12设有的转动轴外周套设于深沟球轴承14中；夹具二12另一端安装有套筒。夹具二12设为一端开口的圆筒形状，圆筒筒底沿圆筒中心轴远离圆筒开口端设有转动轴；圆筒筒底与一侧半圆形筒壁固定连接，固定连接的一侧半圆形筒壁与另一侧半圆形筒壁活动连接；两侧半圆形筒壁拼接形成的圆筒内壁中安装套筒。夹具二12的圆形筒壁与套筒之间设有橡胶垫11。加载装置包括夹具一7、加载托板6、加载套筒32、顶针18、联轴器三26、减速器支架27、减速器28和电机三29；框架设有的下台面30上设置有减速器支架27；框架设有的上台面1下方设有加载套筒32；减速器支架27上设有减速器28，减速器28一端与电机三29连接，减速器28另一端通过联轴器三26与加载套筒32一端设有的加载杆23连接；加载套筒32另一端设有的顶针18穿过上台面1与上台面1上设有的加载托板6的下板面接触连接；加载托板6的上板面上设有夹具一7,夹具一7支撑连接滚子驱动装置驱动的滚子9。加载托板6的一端通过轴承座一3连接于上台面1上，顶针18穿过上台面1支撑连接加载托板6下板面的中部，加载托板6的另一端上板面上安装设有夹具一7。夹具一7包括凹形结构的夹具外壳，凹形结构的底部设于加载托板6上；夹具外壳的内部并排设有两组轴承，轴承通过贯穿于夹具外壳的轴承轴与夹具外壳连接，滚子驱动装置驱动的滚子9设于并排的两组轴承的上方。加载套筒32设有的顶针18一端穿过上台面1，另一端通过加载套筒32中设有的筒芯20与加载杆23连接；筒芯20一端连接顶针18，筒芯20另一端设为管状，管内设有加载杆23的一端；筒芯20的管外周和加载杆23的外圆周上套设有弹簧21；加载杆23外圆周上还套设有用于使得弹簧21处于压缩状态的加载盘22，加载杆23和加载套筒32之间设有用于防止加载杆从加载套筒内滑落的限位结构。限位结构包括设在加载套筒32筒底端的加载筒端盖25，加载筒端盖25上设有调心球轴承24，加载杆23的另一端穿过调心球轴承24和加载筒端盖25与减速器28连接；顶针18和筒芯20之间设有用于实时测量顶针受力大小的压力传感器19；加载套筒32侧壁上平行于加载套筒32中轴线的轴向上设有用于调整加载盘22位置的开口槽。套筒可以根据实验需要使用玻璃筒或金属筒。

实施例一

本发明的光学采集系统由光源、CCD相机和光学显微镜组成，CCD相机和光学显微镜与计算机连接。实验机主要由框架、加载装置、滚子驱动装置、玻璃筒或金属筒驱动装置、夹具一7和夹具二12构成。

框架的构成为：四根支柱31分别与上台面1和下台面30螺钉连接，构成实验机框架。

加载装置的构成为：使用强力胶水依次连接顶针18、压力传感器19和筒芯20，以便压力传感器19可以实时测量顶针18上受到的力；筒芯20一端加工有用于连接加载杆23一端的管，在管上套上弹簧21，然后将装有加载盘22的加载杆23装入筒芯20，其中加载盘22套于加载杆23外周，调整加载盘22在加载杆23上的位置直至弹簧21的两端与筒芯20底座和加载盘22相接触并处于受压状态；加载杆23下端装入调心球轴承24后，将装配好的从顶针18到调心球轴承24的部分整体装入加载套筒32中，然后在加载套筒32底部安装加载筒端盖25，加载套筒32与加载筒端盖25螺钉连接；加载套筒32与上台面1螺钉连接，以便固定加载装置并承重；加载套筒32右侧筒壁轴向开有一个条形的孔，在加载盘22确定好位置后，使用螺钉从外向内，从条形孔中穿入并拧入加载盘22上的螺纹孔，以便使加载盘22圆周固定；减速器支架27为C形板状结构，上表面开有一个大的圆形通孔和四个小的螺纹通孔，以便与减速器28螺钉连接；下表面有两个条形通孔，以便与下台面30螺钉连接；减速器28与电机三29螺钉连接，通过联轴器三26与加载杆23连接；加载托板6为凸形结构

滚子驱动装置的构成为：电机支架一2为L形板状结构，其下侧板设有两个条形通孔，从而可以与上台面1螺钉连接，侧板设有一个圆形通孔和四个小的螺纹通孔，从而可以与电机一4螺钉连接；电机一4与滚子连杆8通过联轴器一5连接；滚子9的中心加工有通孔，将滚子连杆8穿入通孔后，用双螺母固定。实验时，电机一4通过联轴器一5和滚子连杆8驱动滚子9转动。

玻璃筒驱动装置的构成为：电机支架二16为L形板状结构，其下侧设有两个条形通孔，从而可以与上台面1螺钉连接，侧面板设有一个圆形通孔和四个小的螺纹通孔，从而可以与电机二17螺钉连接；电机二17与夹具二12通过联轴器二15连接；夹具二12由两个装有深沟球轴承14的轴承座13支撑，轴承座13与上台面1螺钉连接；实验时，电机二17通过联轴器和夹具二12驱动玻璃筒10转动。

如图4所示为夹具一7的主视图和俯视图：用于装夹滚子9的夹具一7主要由夹具外壳、4个圆柱滚子轴承和2根轴承轴组成，其中夹具外壳为凹形结构，两侧上方各有一个条形压条，条形压条与夹具外壳主体螺钉连接；每根轴承轴上装有两个圆柱滚子轴承，再将装有圆柱滚子轴承的轴承轴安装在夹具外壳上；夹具一7与加载托板6螺钉连接；实验时，将滚子9放置于在夹具一7中间的滚子轴承上，以便滚子9在与玻璃筒10作相对运动时能够自由转动。

如图5所示的夹具二12分为两部分，一部分是半环形的板状结构，另一部分是铲状结构，两个部分通过两侧的凸台螺栓连接；使用强力胶水在夹具二12两部分的半环状结构中粘上橡胶垫11；将玻璃筒10装入夹具二12的环状结构中，再使用螺栓将两部分紧固，即可对玻璃筒10夹持并传动。

本实验机的工作原理为：使用PLC和伺服电机继电器驱动电机三29转动，继而通过减速器28和联轴器三26驱动加载杆23转动，由于加载盘22圆周周向固定，因此只能沿着加载杆23上下移动，通过弹簧21加载或卸载，从而实现了滚子9与玻璃筒10相接触并可以施加一定规律的变载荷；使用PLC和伺服电机驱动电机一4，继而通过联轴器一5和滚子连杆8驱动滚子9转动；使用PLC和伺服电机驱动电机二17，继而通过联轴器二15和夹具二12驱动玻璃筒10转动；滚子9与玻璃筒10在夹具一7、夹具二12、驱动装置和加载装置的作用下，相接触并在一定规律的压力下做相对运动；由光源、CCD相机和光学显微镜组成的光学采集系统位于滚子9与玻璃筒10的正上方，用于采集接触区的油膜图像；CCD相机与计算机连接，传输所采集到的图像。

本试验机进行试验时：先使用PLC和伺服驱动器驱动电机三29缓慢转动，加载至滚子9与玻璃筒10刚好相接触，将压力传感器19调零，然后继续加载至预定载荷；使用PLC和伺服继电器驱动电机一4和电机二17，从而驱动滚子9和玻璃筒10做相对运动；位于滚子9和玻璃筒10接触区上方的显微镜和CCD相机实时采集接触的油膜图像并传送到计算机；如需进行变载荷条件下的实验，只需使电机三29按一定规律运动，从而通过上述加载装置对滚子9和玻璃筒10形成的接触区施加变载荷；使用由光源、CCD相机和光学显微镜组成的光学采集系统获取接触区的油膜图像；使用计算机和油膜分析软件测量分析油膜厚度与形状。

在使用本发明进行磨损试验时，只需将上述试验过程中的玻璃筒10替换为相同规格的金属筒，其原理和试验方法大致相同。在磨损试验完成后，使用表面形貌仪等测量滚子9和金属筒的磨损状况即可。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明任何形式上和实质上的限制，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的前提下，还将可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。凡熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，当可利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实质技术对上述实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变，均仍属于本发明的技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种变载荷接触润滑磨损一体实验机，其特征在于：包括框架、加载装置、滚子驱动装置、套筒驱动装置和光学采集系统；所述框架设有的上台面上设有滚子驱动装置和套筒驱动装置，所述滚子驱动装置驱动的滚子外圆周与所述套筒驱动装置驱动的套筒的筒内壁接触连接；滚子驱动装置驱动的滚子下方设有向滚子施加变化载荷的加载装置；所述滚子驱动装置驱动的滚子和所述套筒驱动装置驱动的套筒接触的位置上方设有用于采集油膜图像的光学采集系统。

2.如权利要求1所述的一种变载荷接触润滑磨损一体实验机，其特征在于：所述滚子驱动装置包括电机支架一、电机一、联轴器一、滚子连杆和滚子；所述框架设有的上台面上设有电机支架一，电机支架一上设有电机一，电机一通过联轴器一连接滚子连杆的一端，滚子连杆的另一端设有滚子。

3.如权利要求2所述的一种变载荷接触润滑磨损一体实验机，其特征在于：所述套筒驱动装置包括套筒、夹具二、轴承座二、深沟球轴承、联轴器二、电机支架二和电机二；所述框架设有的上台面上设有电机支架二，电机支架二上设有电机二，电机二通过联轴器二与夹具二一端设有的转动轴连接；所述夹具二与联轴器二之间设有轴承座二，轴承座二中设有深沟球轴承；所述夹具二设有的转动轴外周套设于所述深沟球轴承中；所述夹具二另一端设有套筒。

4.如权利要求3所述的一种变载荷接触润滑磨损一体实验机，其特征在于：所述夹具二设为一端开口的圆筒形状，圆筒筒底沿圆筒中心轴远离圆筒开口端设有转动轴；所述圆筒筒底与一侧半圆形筒壁固定连接，所述固定连接的一侧半圆形筒壁与另一侧半圆形筒壁活动连接；两侧半圆形筒壁拼接形成的圆筒内壁中设有所述的套筒。

5.如权利要求4所述的一种变载荷接触润滑磨损一体实验机，其特征在于：所述夹具二设有的圆形筒壁与所述的套筒之间设有橡胶垫。

6.如权利要求5所述的一种变载荷接触润滑磨损一体实验机，其特征在于：所述加载装置包括夹具一、加载托板、加载套筒、顶针、联轴器三、减速器支架、减速器和电机三；所述框架设有的下台面上设有减速器支架；所述框架设有的上台面下方设有加载套筒；所述减速器支架上设有减速器，减速器一端与电机三连接，减速器另一端通过联轴器三与加载套筒一端设有的加载杆连接；加载套筒另一端设有的顶针穿过上台面与上台面上设有的加载托板下板面接触连接；所述加载托板的上板面上设有夹具一,夹具一支撑连接所述滚子驱动装置驱动的滚子。

7.如权利要求6所述的一种变载荷接触润滑磨损一体实验机，其特征在于：所述加载托板的一端通过轴承座一连接于所述上台面上，所述顶针穿过上台面支撑连接加载托板下板面的中部，所述加载托板的另一端上板面上设有夹具一。

8.如权利要求7所述的一种变载荷接触润滑磨损一体实验机，其特征在于：所述夹具一包括凹形结构的夹具外壳，凹形结构的底部设于加载托板上；夹具外壳的内部并排设有两组轴承，轴承通过贯穿于夹具外壳的轴承轴与夹具外壳连接，所述滚子驱动装置驱动的滚子设于所述并排的两组轴承的上方。

9.如权利要求8所述的一种变载荷接触润滑磨损一体实验机，其特征在于：所述加载套筒设有的顶针一端穿过上台面，另一端通过加载套筒中设有的筒芯与所述的加载杆连接；所述筒芯一端连接顶针，筒芯另一端设为管状，管内设有加载杆的一端；筒芯的管外周和加载杆的外圆周上套设有弹簧；加载杆外圆周上还套设有用于使得弹簧处于压缩状态的加载盘，加载杆和加载套筒之间设有用于防止加载杆从加载套筒内滑落的限位结构。

10.如权利要求9所述的一种变载荷接触润滑磨损一体实验机，其特征在于：所述的限位结构包括设在加载套筒筒底端的加载筒端盖，加载筒端盖上设有调心球轴承，加载杆的另一端穿过调心球轴承和加载筒端盖与所述的减速器连接；所述顶针和筒芯之间设有用于实时测量顶针受力大小的压力传感器；所述加载套筒侧壁上平行于加载套筒中轴线的轴向上设有用于调整加载盘位置的开口槽。

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