CN111780972A - 一种表面速度异向下润滑油膜摩擦力与膜厚测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种表面速度异向下润滑油膜摩擦力与膜厚测量装置，包括实验台架，在实验台架上安装平移台，平移台在驱动装置的驱动下可直线移动；在实验台架上安装有一个主轴系统，主轴系统上安装玻璃盘，且玻璃盘可旋转；在平移台上设有一个弧形导轨，旋转底座安装在该弧形导轨上，可沿着弧形导轨移动，且在旋转底座上安装加载系统，所述的加载系统的钢球与玻璃盘相对运动，且旋转底座中的旋转轴承将相对运动产生的摩擦力转换成旋转底座上压力传感器可采集的压力。

Description

一种表面速度异向下润滑油膜摩擦力与膜厚测量装置

技术领域

本发明公开了一种表面速度异向下润滑油膜摩擦力与膜厚测量装置。

背景技术

目前弹流润滑试验台测量的是球盘接触点速度运动方向在同向或者反向下的油膜厚度和摩擦力。点、线接触作为绝大多数球轴承与部分锥齿轮的接触方式，其在实际工作状态下接触表面的运动方向较为复杂，如传动系统中的准双曲面齿轮和螺旋齿轮等，其啮合接触副两接触固体表面速度方向呈现一定夹角，将这种接触运动方向描述为表面速度异向。对于这种具有更为普遍意义的两固体接触表面速度异向工况而言，在部件之间的摩擦力，润滑油膜形状与厚度都会发生相应的变化。在现有的弹流润滑油膜测量的实验研究当中，还没有一个切实可行的膜厚和摩擦力实验测量方案。

发明内容

本发明为了实现表面速度异向下弹性流体接触副摩擦力大小的测量与油膜的成像，提出了一套保证原有的油膜成像系统成像质量的外加摩擦力测量装置，从而可以测量不同表面速度工况下的点接触润滑情况和摩擦状况，并且两接触固体速度间的夹角还可以不断变化。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

第一方面，本发明公开了一种表面速度异向下润滑油膜摩擦力与膜厚测量装置，包括实验台架，在实验台架顶部安装平移台，平移台在第一驱动装置的驱动下可直线移动；在实验台架上安装有一个主轴系统，所述主轴系统上安装玻璃盘，且主轴系统通过第二驱动装置驱动其旋转，进而实现玻璃盘的旋转；在平移台上设有一个弧形导轨，旋转底座安装在该弧形导轨上，可沿着弧形导轨移动，且在旋转底座上安装加载系统，所述加载系统的钢球与玻璃盘相对运动，且与加载底座相邻的旋转轴承将相对运动产生的摩擦力转换成旋转底座上压力传感器可采集的压力。

作为进一步技术方案，所述的旋转底座包括回转定位台、加载底座、回转轴、双向平移台；回转定位台通过滚轮安装在弧形导轨上，顶部通过回转轴与加载底座转动连接，在所述的回转定位台一侧安装双向移动平台，双向移动平台通过一个杆件与加载底座相连，在杆件两侧安装两个压力传感器。

更近一步的，所述双向平移台包括本体，在本体内安装两个滑块，其中一个滑块上安装第一压力传感器，另外一个滑块上安装第二压力传感器，每个滑块底部与手动调节螺纹杆螺纹配合，通过旋转两个螺纹杆，可以实现两个压力传感器的相向运动或者相反运动。

作为进一步的技术方案，所述加载系统，包括加载支架、加载杠杆、支点轴承、砝码固定杆、砝码托盘、砝码支撑座、加载调节杆、调节导向块、弹簧、伺服电机、刚性联轴器、钢球，加载支架安装在所述旋转底座上，两个支点轴承分别安装在加载支架中间的圆孔中，加载杠杆穿过支点轴承安装在加载支架中间，加载杠杆的一端连接伺服电机，所述的伺服电机通过刚性联轴器与钢球相连；加载杠杆的另一端安装加载砝码和加载调节杆。

更进一步的，所述的加载调节杆与加载杠杆后端螺纹连接，加载调节杆下端依次安装调节导向块与弹簧，弹簧下端通过连接件与加载支架相连。

更进一步的，在加载杠杆后端安装砝码支撑座，在所述砝码支撑座上安装砝码固定杆，砝码固定杆上安装砝码托盘。

更进一步的，刚性联轴器一端与钢球通过杆部螺纹连接，另一端通过螺纹与伺服电机输出杆连接，从而将电机与钢球联合，实现动力传递；伺服电机主体通过螺纹连接在加载杠杆前端。

作为进一步的技术方案，上述表面速度异向下润滑油膜摩擦力与膜厚测量装置还包括图像捕捉系统，其包括位移台、显微镜支架、镜筒架、手轮、焦距轮、CCD与显微镜；位移台安装在显微镜支架顶部，位移台上安装支杆，显微镜支架支杆架套装在支杆上并与镜筒架连接，手轮、焦距轮安装在显微镜支架支杆架上，以对显微镜进行调焦和镜头升降，调整油膜图像中干涉条纹的清晰度；锁紧螺丝通过螺纹旋入镜筒架前部，以固定显微镜主体，从而保证在观测中图像不发生移动；CCD与显微镜安装在镜筒架中，实现对图像观测和数据传输。

本发明公开的表面速度异向下润滑油膜摩擦力与膜厚测量装置的具体的工作原理为：

图像捕捉系统通过对所述位移台的调节螺母进行微调使显微镜镜头在x方向与y方向进行位移，通过所述手轮、焦距轮微调镜筒架使镜头在z方向进行上下位移，从而对油膜图像寻找定位并调整焦距得到清晰的油膜干涉条纹图像，调整所述锁紧螺丝固定CCD与显微镜镜头位置以便观测图像。

加载底座受到来自钢球的力后通过旋转轴承将所受的摩擦力传递到杆件上，杆件挤压压力传感器，从而间接实现对球盘摩擦力的测量。实验时所述钢球在圆盘下方与玻璃盘加载接触，玻璃盘和钢球的异向旋转会使得两者之间产生相对位移，位移产生的摩擦力会使得加载底座有一个相对于旋转轴承的转动趋势，摩擦力会通过旋转轴承传递到电机座一侧连接在加载底座上的杆件上，杆件受力产生一定位移从而挤压传感器，因此在加载系统下方的所述两个对向安装的传感器中的会得到一个力，由测量力臂的换算即可得到钢球与玻璃盘处的摩擦力垂直于钢球杆轴向方向分量的大小，实现将钢球受到的摩擦力转换到压力传感器所受到的压力的变化，再辅助以其他公式修正，即可得到实际摩擦力。

弧形导轨呈半圆形铺设于平移台一侧，导轨圆心在平移台中轴线上，从而保证旋转部分变换角度时球的接触点不变，导轨通过上方的沉头螺钉紧固安装在平移台上，导轨与平移台上所刻角度标尺对应，从而能得到特定角度下的油膜干涉图像。回转定位台下部安装有四个圆台滚轮，滚轮凹槽恰好与导轨上边缘配合，可绕导轨滑动，四个滚轮均布在导轨左右组成和弧形导轨相契合的V型约束，可以保证支撑底座上表面与平移台时刻处于平行状态，从而承受各个方向的载荷和倾覆力矩，可以保证绕导轨滑动时的位移精度。实验时观察行程角度标尺达到预定的角度时旋转调节把手使紧固块垂直于弧形导轨向内部运动，从而增大紧固块与弧形导轨之间的正压力，导致紧固块与弧形导轨之间的理论最大摩擦力也增大，从而使回转定位台相对于圆形导轨实现静止，保证在球盘运动时角度不会发生偏转，从而固定实验中球盘的接触点不变。

弹簧上接调节导向块，导向块上接加载调节杆，其两侧加载支架上有竖直方向的沟槽，能够使加载调节杆在进行上下旋动时下方的弹簧受到的压力也是垂直方向的，从而实现对弹簧垂直方向的加载和卸载，保证在调节加载步骤时的平稳性。此外，弹簧的存在，能够对钢球的加载进行缓冲，防止对杠杆施加压力时导致钢球撞击玻璃盘，造成钢盘表面或者其下方镀膜的损坏，保证了加载的稳定性。

平移台驱动采用了丝杠滑块的螺旋传动方式，可将旋转运动转换成直线运动，且该装置具有反向传动自锁以及传动精度高的特性，方便进行调整和固定零部件的相对位置，可适用于移动平移台这种需要往返运动且锁定位置的情况。该机构的一端安装在所述上台面上，另一端固定在所述工作台上，安装上台面上的一端内部安装有一个双列推力球轴承可承受移动中的轴向力，直线导轨通过螺钉固定在实验台面上，每个导轨滑块与平移台下表面实现固定连接，手轮摇动即可实现平移台往返移动，从而利用不同的玻璃盘导轨以及调节球盘之间的回转半径。

本发明的有益效果如下：

本发明由实验台架、主轴驱动系统、平移台驱动、平移台、图像捕捉系统、主轴系统、旋转底座与加载系统共八部分组成，各部分配合精密，设计具有科学性，实用性。对比已有试验台装置，在速度异向油膜形状与厚度观测基础上，通过增加旋转轴承利用其对力的传递和转换功能，将球盘间不易直接观测的摩擦力转换为杆件和传感器之间方便测量的正压力，随后通过对球盘之间摩擦力的分析以及球速盘速之间的几何关系计算出实际合摩擦力的大小，实现了异向卷吸弹流润滑工况下的球盘点接触摩擦力测量。将表面速度异向下的油膜测量和摩擦力测量实现了一体化结合，更便于分析油膜的成膜情况和对工件表面的摩擦磨损情况。

附图说明

图1、图2为本发明的结构示意图；

图3为本发明实验台架的结构示意图；

图4为本发明主轴驱动系统的结构示意图

图5为本发明平移台驱动的结构示意图；

图6为本发明平移台的结构示意图；

图7为本发明图像捕捉系统的半剖示意图；

图8为本发明图像捕捉系统的正三轴侧示意图

图9为本发明主轴系统的结构示意图；

图10为本发明旋转底座结构的正视图；

图11为本发明旋转底座结构的正三轴侧示意图；

图12为本发明旋转底座结构的正视半剖视图；

图13为本发明加载系统结构的左视局部剖视图；

图14为本发明加载系统结构的正三轴侧示意图；

图15为球盘偏角为锐角工况下的具体运动模型和受力分析示意图；

图16为球盘偏角为钝角工况下的运动模型和受力分析示意图；

其中：实验台架Ⅰ，主轴驱动系统Ⅱ，平移台驱动Ⅲ，平移台Ⅳ，图像捕捉系统Ⅴ，主轴系统Ⅵ，旋转底座Ⅶ，加载系统Ⅷ；

支撑柱Ⅰ-1，下底板Ⅰ-2，支撑螺钉Ⅰ-3，上台面Ⅰ-4，直线导轨Ⅰ-5，电机支撑柱Ⅱ-1，电机隔震垫Ⅱ-2，精密减速器Ⅱ-3，螺纹联轴器Ⅱ-4，电机Ⅱ-5，驱动后座Ⅲ-1，平移驱动杆Ⅲ-2，后座端盖Ⅲ-3，手轮Ⅲ-4，挡圈Ⅲ-5，工作台Ⅳ-1，螺纹调距座Ⅳ-2，导轨滑块Ⅳ-3，弧形导轨Ⅳ-4，第一位移台Ⅴ-1，第二位移台Ⅴ-2，连接板Ⅴ-3，支杆Ⅴ-4，显微镜支架Ⅴ-5，显微镜支架支杆架Ⅴ-6，镜筒架Ⅴ-7，手轮Ⅴ-8，焦距轮Ⅴ-9，紧锁螺丝Ⅴ-10，CCD与显微镜Ⅴ-11，主轴Ⅵ-1，玻璃盘Ⅵ-2，钢垫Ⅵ-3，玻璃盘压套Ⅵ-4，轴内套Ⅵ-5，外套筒Ⅵ-6，上端盖Ⅵ-7，预紧螺母Ⅵ-8，下端盖Ⅵ-9，第二橡胶垫Ⅵ-10，第一轴承Ⅵ-11，第二轴承Ⅵ-12，第一橡胶垫Ⅵ-13，回转定位台Ⅶ-1，双向平移台Ⅶ-2，第一压力传感器Ⅶ-3，第二压力传感器Ⅶ-4，回转支柱Ⅶ-5，加载底座Ⅶ-6，轴承座Ⅶ-7，调节把手Ⅶ-8，紧固块Ⅶ-9，杆件Ⅶ-10，旋转轴承Ⅶ-11；

第一加载支架Ⅷ-1，第二加载支架Ⅷ-2，加载杠杆Ⅷ-3，支点轴承Ⅷ-4，砝码固定杆Ⅷ-5，砝码托盘Ⅷ-6，砝码支撑座Ⅷ-7，加载调节杆Ⅷ-8，调节导向块Ⅷ-9，弹簧Ⅷ-10，伺服电机Ⅷ-11，刚性联轴器Ⅷ-12，钢球Ⅷ-13。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非本发明另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

正如背景技术所介绍的，由于公知领域的润滑油膜测量装置存在大多只能实现球盘表面速度同向的油膜测量，且已有表面速度异向润滑油膜测量装置并没有结合摩擦力的测量等缺陷，本发明的目的在于，提供一种可以在表面速度异向工况下实现结合润滑油膜和摩擦力测量的装置，以便对实际的油膜厚度形态和部件摩擦磨损进行更深入的研究。

本发明提出的一种典型的实施方式，如图1、图2所示，应用于一种表面速度异向下润滑油膜摩擦力与膜厚测量装置主要包括八部分，分别是实验台架Ⅰ、主轴驱动系统Ⅱ、平移台驱动Ⅲ、平移台Ⅳ、图像捕捉系统Ⅴ、主轴系统Ⅵ、旋转底座Ⅶ和加载系统Ⅷ；

在实验台架I顶部设置一个平移台IV，平移台IV在平移台驱动Ⅲ的驱动下可直线移动；在实验台架I上安装有一个主轴系统Ⅵ，所述主轴系统Ⅵ上安装玻璃盘，且主轴系统Ⅵ通过主轴驱动系统Ⅱ驱动其旋转，进而实现玻璃盘的旋转；且在平移台IV上设有一个弧形导轨，旋转底座安装在该弧形导轨上，可沿着弧形导轨移动，且在旋转底座Ⅶ上安装加载系统Ⅷ，所述的加载系统Ⅷ的钢球与玻璃盘相对运动，且旋转底座中的旋转轴承将相对运动产生的摩擦力转换成旋转底座上的压力传感器可采集的压力。

平移台IV的移动通过螺纹传动驱动将螺杆的旋转运动变为平移台IV沿着导轨的直线运动，以实现钢球与玻璃盘的接触，且通过调整平移台IV沿直线导轨的运动距离，可以使球盘接触点前后运动，以充分利用玻璃盘不同导轨；玻璃盘和钢球的多角度运动通过固定在工作台上的弧形导轨进行约束，钢球可以在弧形导轨的行程内回转，再辅助以驱动电机的正反转动，使球盘的相对运动方向可以从0度到180度之间任一角度随意变化，从而进行表面速度异向工况下的润滑油膜和摩擦力测量；通过旋转底座中的旋转轴承将钢球与玻璃盘之间的摩擦力转化为杆件与传感器之间的正压力，从而实现压力传感器对摩擦力分量的测量，再辅助以几何关系推导出的公式对求得的摩擦力分量进行修正，以求得实际摩擦力；通过加载系统(杠杆机构)实现钢球对玻璃盘下表面的加载，从而进行不同载荷下的摩擦力油膜与摩擦力测量；钢球与玻璃盘接触点上方放置显微镜，显微镜固定在平移台一侧，显微镜镜头位置可以通过螺母进行上下左右方向的微调，以便定位油膜图像。通过CCD摄取图像形成油膜干涉图像；最后通过工控机根据它们干涉条纹的形状、位置和次序通过公式推算出各点的油膜中心和最小厚度值，实现对弹流润滑工况的测量。

每个部分的具体结构如下：

如图3所示，上述的实验台架I包括:支撑柱I-1、下底板I-2、支撑螺钉I-3、上台面I-4、直线导轨I-5。实验台架上台面1-4与下底板1-2均布有四个螺纹孔，并通过四根上下端带有螺纹的支撑柱I-1以螺纹形式连接，四颗支撑螺钉I-3均布安装在下底板I-2下方,通过调节四根支撑螺钉I-3，可以调整整个实验台架的高度；在上台面顶部设有两条相互平行的直线导轨I-5，所述每条直线导轨I-5上都均布有十个内六角螺钉，直线导轨I-5通过内六角螺钉与上台面I-4连接固定，为平移台Ⅳ的移动提供约束。

如图4所示，主轴驱动系统包括：电机支撑柱Ⅱ-1、电机隔震垫Ⅱ-2、精密减速器Ⅱ-3、螺纹联轴器Ⅱ-4、HG-MR43电机Ⅱ-5。电机输出轴端部安装有电机隔震垫Ⅱ-2以起到对电机运转时的减震缓冲作用，电机输出轴与精密减速器Ⅱ-3输入端相连，精密减速器Ⅱ-3输出端与螺纹联轴器Ⅱ-4相连接，精密减速器Ⅱ-3机体安装在电机支撑柱Ⅱ-1上，电机支撑柱Ⅱ-1通过内六角螺钉以螺纹连接安装在上台面I-4下方。

如图5所示，平移台驱动包括：驱动后座Ⅲ-1、平移驱动杆Ⅲ-2、后座端盖Ⅲ-3、手轮Ⅲ-4、挡圈Ⅲ-5。驱动后座Ⅲ-1通过螺钉与平移台台面相连，驱动后座Ⅲ-1内部安装有一对角接触球轴承，其中外轴承通过后座端盖Ⅲ-3与安装在后座端盖Ⅲ-3内部的挡圈Ⅲ-5压紧从而实现密封，平移驱动杆Ⅲ-2穿过轴承内圈、挡圈Ⅲ-5和后座端盖Ⅲ-3后与后端手轮Ⅲ-4相连，由后端手轮Ⅲ-4的顺逆时针转动控制平移台的前后位移运动。

如图6所示，平移台包括工作台Ⅳ-1、螺纹调距座Ⅳ-2、导轨滑块Ⅳ-3和弧形导轨Ⅳ-4。工作台Ⅳ-1下方均布两对导轨滑块Ⅳ-3，导轨滑块Ⅳ-3与所述直线导轨I-5相配合以实现平移台沿导轨的直线运动，弧形导轨Ⅳ-4安装在工作台Ⅳ-1上方以约束旋转底座转动从而实现定接触点的球盘变角度运动，螺纹调距座Ⅳ-2安装在工作台Ⅳ-1上方另一侧与所述平移驱动杆Ⅲ-2螺纹连接以配合工作台Ⅳ-1移动。

如图7、图8所示，图像捕捉系统包括：第一位移台Ⅴ-1、第二位移台Ⅴ-2、连接板Ⅴ-3、支杆Ⅴ-4、显微镜支架Ⅴ-5、显微镜支架支杆架Ⅴ-6、镜筒架Ⅴ-7、手轮Ⅴ-8、焦距轮Ⅴ-9、紧锁螺丝Ⅴ-10和CCD与显微镜Ⅴ-11。显微镜支架Ⅴ-5下端通过螺钉安装在所述工作台Ⅳ-1上，第一位移台Ⅴ-1、第二位移台Ⅴ-2与显微镜支架Ⅴ-5上端安装，第二位移台Ⅴ-2位于第一位移台Ⅴ-1上，可以通过螺母调节分别对两个位移台四周的位置进行微调，以移动显微镜镜头定位寻找油膜干涉图像；连接板Ⅴ-3下端与第二位移台Ⅴ-2上端以螺纹连接，连接板Ⅴ-3上端与支杆Ⅴ-4固连，显微镜支架支杆架Ⅴ-6套装在支杆Ⅴ-4上并与镜筒架Ⅴ-7连接，手轮Ⅴ-8、焦距轮Ⅴ-9都安装在显微镜支架支杆架Ⅴ-6上，以对显微镜进行调焦和镜头升降，调整油膜图像中干涉条纹的清晰度；锁紧螺丝Ⅴ-10通过螺纹旋入镜筒架Ⅴ-7前部，以固定显微镜主体，从而保证在观测中图像不发生移动；CCD与显微镜Ⅴ-11安装在镜筒架中，实现对图像观测和数据传输。

如图9所示，主轴系统包括主轴Ⅵ-1、玻璃盘Ⅵ-2、钢垫Ⅵ-3、玻璃盘压套Ⅵ-4、轴内套Ⅵ-5、外套筒Ⅵ-6、上端盖Ⅵ-7、预紧螺母Ⅵ-8、下端盖Ⅵ-9、第二橡胶垫Ⅵ-10、第一轴承Ⅵ-11、第二轴承Ⅵ-12和第一橡胶垫Ⅵ-13；

以玻璃盘Ⅵ-2为界，将主轴Ⅵ-1分为上下部，位于主轴Ⅵ-1下部的上端盖Ⅵ-7、第一轴承Ⅵ-11、轴内套Ⅵ-5、第二轴承Ⅵ-12与预紧螺母Ⅵ-8依次紧压安装，位于主轴Ⅵ-1上部的第一橡胶垫Ⅵ-13、玻璃盘Ⅵ-2、第二橡胶垫Ⅵ-10、钢垫Ⅵ-3与玻璃盘压套Ⅵ-4依次紧压安装，外套筒Ⅵ-6套装在主轴Ⅵ-1下部外侧，外套筒Ⅵ-6下端与所述上台面通过六个内六角螺钉以螺纹连接，外套筒Ⅵ-6上端与上端盖Ⅵ-7通过六个内六角螺钉以螺纹连接，主轴Ⅵ-1下端与所述螺纹联轴器Ⅱ-4连接，在主轴驱动系统的驱动下主轴Ⅵ-1旋转，进而带动玻璃盘Ⅵ-2旋转。

如图10、图11、图12所示，旋转底座包括回转定位台Ⅶ-1、双向平移台Ⅶ-2、第一压力传感器Ⅶ-3、第二压力传感器Ⅶ-4、回转支柱Ⅶ-5、加载底座Ⅶ-6、轴承座Ⅶ-7、调节把手Ⅶ-8、紧固块Ⅶ-9、杆件Ⅶ-10、旋转轴承Ⅶ-11；

回转定位台Ⅶ-1由紧固块Ⅶ-9和调节把手Ⅶ-8组成，回转定位台Ⅶ-1通过滚轮和紧固块安装在所述弧形导轨Ⅳ-4上；第一压力传感器Ⅶ-3与第二压力传感器Ⅶ-4按照相对方向分别安装在双向平移台Ⅶ-2的两侧，双向平移台Ⅶ-2通过内六角圆头螺钉安装在回转定位台Ⅶ-1一侧；双向平移台Ⅶ-2中心位置通过杆件Ⅶ-10与加载底座Ⅶ-6底部相连；

回转支柱Ⅶ-5呈三层阶梯状，加载底座Ⅶ-6下方的圆孔与回转支柱Ⅶ-5顶部对应，回转支柱Ⅶ-5插入旋转轴承Ⅶ-11中，旋转轴承Ⅶ-11安装在轴承座Ⅶ-7中，且轴承座Ⅶ-7与加载底座Ⅶ-6以螺钉相连接，加载底座Ⅶ-6、轴承座Ⅶ-7、回转支柱Ⅶ-5三者自上而下依次安装在回转定位台Ⅶ-1上；

上述的双向平移台Ⅶ-2内安装两个滑块，其中一个滑块上安装第一压力传感器Ⅶ-3，另外一个滑块上安装第二压力传感器Ⅶ-4，每个滑块底部与手动调节螺纹杆螺纹配合，通过旋转两个螺纹杆，可以实现两个压力传感器的相向运动或者相反运动。

如图13、图14所示，加载系统包括第一加载支架Ⅷ-1、第二加载支架Ⅷ-2、加载杠杆Ⅷ-3、支点轴承Ⅷ-4、砝码固定杆Ⅷ-5、砝码托盘Ⅷ-6、砝码支撑座Ⅷ-7、加载调节杆Ⅷ-8、调节导向块Ⅷ-9、弹簧Ⅷ-10、伺服电机Ⅷ-11、刚性联轴器Ⅷ-12和钢球Ⅷ-13；

第一加载支架Ⅷ-1与第二加载支架Ⅷ-2通过螺钉相对安装在所述加载底座Ⅶ-6上，两个支点轴承Ⅷ-4分别安装在两支架中间的圆孔中，加载杠杆Ⅷ-3穿过支点轴承Ⅷ-4安装在第一加载支架Ⅷ-1与第二加载支架Ⅷ-2中间，并通过螺钉紧固，从而可以使加载杠杆Ⅷ-3可以绕中心转动，作为支点带动钢球对玻璃盘进行加载；钢球Ⅷ-13由一个球杆和钢球本体组成，钢球中间有一通孔，球杆穿过后方通孔并通过螺钉紧固与钢球成为一体；刚性联轴器Ⅷ-12一端与钢球Ⅷ-13通过杆部螺纹连接，另一端通过螺纹与伺服电机Ⅷ-11输出杆连接，从而将电机与钢球联合，实现动力传递；伺服电机Ⅷ-11主体通过螺纹连接在加载杠杆Ⅷ-3前端(此处前端对应附图13中的右端)，砝码固定杆Ⅷ-5、砝码托盘Ⅷ-6、砝码支撑座Ⅷ-7自上而下安装在加载杠杆Ⅷ-3后端(此处后端对应附图13中的左端)，加载调节杆Ⅷ-8与加载杠杆Ⅷ-3后端(此处后端对应附图13中的左端)以螺纹连接，加载调节杆Ⅷ-8下端依次安装调节导向块Ⅷ-9与弹簧Ⅷ-10，调节导向块Ⅷ-9两侧的支架内部有与其匹配的沟槽，弹簧Ⅷ-10下端的圆环穿过固定在第一加载支架Ⅷ-1、第二加载支架Ⅷ-2尾部中间的螺栓，从而与支架相连。

上述表面速度异向下润滑油膜摩擦力与膜厚测量装置对应的测试方法如下：

当使用该试验台进行油膜测量和摩擦力测量时，首先使用平移台驱动转动手轮，使平移台Ⅳ向远离玻璃盘的方向移动，并通过计算机给玻璃盘一个较慢的初速，使其缓慢转动，使用专用擦拭棉对玻璃盘进行清洁。随后在玻璃盘中选择一个清晰未有划痕的导轨，在该导轨进行布油后使玻璃盘停转，完成玻璃盘准备工作。

完成玻璃盘准备工作后下一步进行钢球加载的准备工作，加载装置的具体工作过程为：在对钢球进行加载前，钢球不能处于玻璃盘的下方，应与其保持一定距离，以防止在加载准备过程中钢球受力不稳发生突然的晃动而破坏玻璃盘。

开始加载后，调节加载调节杆使弹簧在调节导向块引导下缓缓受力，随后使加载杠杆在第一加载支架与第二加载支架的支撑下缓缓抬起，等到钢球距离玻璃盘尚有5至10毫米距离时反向转动平移台驱动的手轮，使钢球向玻璃盘所在的方向移动并且保证球盘的接触点位于玻璃盘的布油导轨上，完成球盘接触点的定位工作。随后再次转动加载调节杆从而实现钢球与玻璃盘自然接触，此时加载准备工作已经完成，但并不进行加载。

完成加载准备工作后，使用旋转底座对钢球的运动角度进行调整，旋转底座的工作过程为：在对钢球角度进行改变时，首先松开回转定位台的紧固把手使其内部紧固块松开，此时回转定位台不再紧固，可绕弧形导轨移动，随后转动旋转底座加载系统使行程角度标尺达到预定的角度，反向旋转调节把手使紧固块垂直于弧形导轨向内部运动，使回转定位台固定，从而保证卷吸速度的方向也固定，完成钢球的运动角度调整工作。

完成钢球角度调整工作后，可对钢球进行加载，只需在砝码固定杆上加装有固定重量砝码，所加砝码即可通过等臂加载杠杆进行力方向的变化从而对钢球进行加载，加载力的大小即为砝码所等量换算的重力，至此完成加载工作。

完成加载工作后，即可进行油膜的观测。本发明油膜测量的具体实施过程为：首先通过微调图像捕捉系统中的第一位移台与第二位移台使得加载后的球盘点接触图像移动从而位于显微镜视野中心，随后调节手轮和焦距轮从而完成对焦，得到一个具有清晰干涉条纹的油膜干涉图。完成对焦后，通过计算机软件控制两个电机分别给钢球和玻璃盘相对应的速度，使其转动。在球盘开始转动之后，再次调节第一位移台与第二位移台以补偿由于球盘转动可能会给油膜干涉图像带来的偏移，油膜干涉图像通过CCD和摄像软件即可被捕捉并传输到计算机中形成图片保存。

在提供油膜干涉图像的观测和捕捉功能外，本发明还提供表面速度异向工况下的点接触油膜摩擦力测量的功能，其具体实施过程为:首先需要规定一个正方向，本实施例中假设从与钢球连接的伺服电机处观察钢球的顺时针方向旋转为正向旋转，则从此处观察钢球的逆时针方向旋转为反向旋转。由于本实施例的实验工况是速度异向条件下的，这意味着实验中卷吸速度方向会改变，则摩擦力方向也会改变，因此此时的摩擦力测量应根据角度分两种情况，具体如下：

首先是行程角度标尺在0度90度之间时的钢球与玻璃盘在油膜上产生的摩擦力测量步骤。实验者需先移动回转定位台，使其行程角度标尺位于刻度为0度处，随后调节双向平移台，使靠近钢球一边的压力传感器远离螺柱，远离钢球一边的压力传感器贴近螺柱，此时开启伺服电机使其正向转动，则轴承座以上部分受到绕加载底座逆时针方向的摩擦力，远离钢球一边的压力传感器会受到一个压力，这个压力便是本实施例需要测得的摩擦力分量，从而完成速度夹角为锐角情况下的摩擦力垂直于钢球杆方向的摩擦力分量测量。

其次是行程角度标尺在90度180度之间时的钢球与玻璃盘在油膜上产生的摩擦力步骤。实验者首先调节双向平移台的调节旋钮，使得远离钢球一边的压力传感器远离螺柱，靠近钢球一边的压力传感器贴近螺柱，此时开启伺服电机使其逆向旋转，其他实验工作与进行0度至90度之间的钢球与玻璃盘产生的摩擦力测量的步骤相似，最后从另一侧的压力传感器上读出摩擦力分量的示数从而完成速度夹角为钝角情况下的摩擦力垂直于钢球杆方向的摩擦力分量测量，而后进行修正得到总摩擦力。至此，便可得出完整的0度至180度的摩擦力与钢球和玻璃盘不同运行方向角度的关系和测量步骤。

在变角度点接触油膜测量过程中，油膜被钢球和玻璃盘夹在中间，形成一个类似三明治的模型。本实施例所需要测的摩擦力是油膜所受的摩擦力，其总的摩擦力应该由两部分组成，一部分是由盘和油膜摩擦产生，另一部分则是由钢球和油膜摩擦产生，这两部分摩擦力的方向应分别与球速和盘速相反。由于在实验过程中的球速和盘速的方向并不能时刻保持一致，即表面速度异向。这也导致实际总的摩擦力的方向并不是与球速在一条直线上，而是存在夹角的。因此，本实施例在力传感器上测得的压力，实际上并不是真正的油膜受到的摩擦力，而是其摩擦力在垂直于钢球杆方向轴向的一个分量，要想得到其实际的合摩擦力，需要根据本实施例测到的分量对其进行修正。查阅资料文献可得，摩擦力方向与物体运动方向无关，摩擦力方向只与相对运动方向或相对运动趋势方向相反。本实施例要测的摩擦力实际上是球上的油和盘上的不同层的油在不同运动方向所产生的剪切力，所以要求摩擦力，就要求球上的油和盘上的油的相对运动方向，实际上也就是求钢球和玻璃盘两者的相对速度方向。因此对摩擦力进行修正实际上就是通过球速和盘速的几何关系，求出相对运动速度方向，实际上该方向就是摩擦力的方向，再根据矢量运算和几何关系，以本实施例所测得的摩擦力分量为已知量求出实际的油膜所受摩擦力。以上是对摩擦力测量进行修正的理论解释。

首先需要说明，以下将点接触变角度的摩擦力测量模型画成简图，分别对各类角度下的摩擦力模型受力进行分析，以求解摩擦力的表达式。其中u_b为球速，u_d为盘速，α为球盘所偏转的角度，F₁为传感器所测得的力。f_d为油膜和玻璃盘之间的摩擦力，f_b则为油膜和钢球之间的摩擦力。根据球速盘速偏转角度的不同，摩擦力的方向也在不断变化，因此对摩擦力的修正共分为四种情况。

第一种情况是速度夹角为0度时，也就是球速和盘速同向的情况下。通常这种工况下的运动模型和受力分析如下。

从图中容易看出，实际的摩擦力确实是与钢球杆的方向垂直的，并且其方向只有一个，即总是与球速和盘速的方向相反，因此本实施例从传感器中得到的压力示数实际上就是油膜所受总摩擦力的大小。

第二种情况是球速盘速偏角为锐角时，这种情况下球速盘速方向不在一条直线上，需要求其两者之间的相对速度，根据几何关系进行求解。

需要说明的是，该种角度下摩擦力具体修正思路如下。首先，因为球速和盘速大小方向已知为u_b和u_d。实际上，其中的u_b和u_d分别为球相对于地面的速度和盘相对于地面的速度。根据相对运动公式。u_b对d＝u_b对地+u_地对b，所以对u_b取反后，得u_b对d＝u_b对地-u_d对地。所以u_bd＝u_b-u_d，即为球盘的相对速度。随后，根据矢量减法，以已知的球速和盘速做差求相对速度方向即实际总的摩擦力方向。此时总摩擦力方向已知，且本实施例将摩擦力分解为两个力，即垂直于钢球杆方向的力和沿着钢球杆方向的力，其中的垂直于钢球杆方向的力为压力传感器测得的力，另一个力的方向已知，则可通过做矢量三角形画出实际摩擦力的大小和方向。再根据已知的角度关系通过辅助线将未知角度转换为已知的速度之间的几何关系，即可求得其摩擦力修正公式。

球盘偏角为锐角工况下的具体运动模型和受力分析示意图如图15所示，具体分析如下：

其摩擦力测量公式和推导过程如下：

x₁＝u_b·sinα；

x₂＝u_d·tanβ；

y₁＝u_b·cosα；

根据速度的几何关系和所作辅助线，可以求得球速盘速夹角为锐角条件下，油膜所受实际的摩擦力的方向如图15所示，大小则如上述公式所示，其中各个变量已知可测，因此f_合可求。

第三种情况是球速盘速偏角为钝角时，该工况下，其油膜摩擦力与球速也不在一条直线上，需要求其两者之间的相对速度，根据几何关系进行求解，其具体思路过程与夹角为锐角时类似。

球盘偏角为钝角工况下的运动模型和受力分析示意图如图16所示，具体如下过程如下：

θ＝π-α；

y₁＝u_b·sinθ

＝u_b·sin(π-α)＝u_b·sinα；

x₁＝u_b·cosθ

＝u_b·cos(π-α)＝-u_b·cosα；

根据速度的几何关系和辅助线，可以求得球速盘速夹角为钝角条件下，油膜所受实际的摩擦力的方向如图16所示，大小则如上述公式所示，其中各个变量已知可测，因此f_合可求。

第四种情况是球速盘速偏角为钝角时，该种工况下，球速和盘速的方向相反，因此其相对运动速度也为两者相减的矢量差。球速和盘速做差后，其方向依旧与球杆垂直，故实际摩擦力的方向依旧在垂直于钢球杆的方向，不过此处的具体方向要根据球速和盘速的大小来判断会产生前后两种不同的情况，这也对应本实施例实验台中所设置的两个力传感器，可以测量前后两个不同方向的力，此时传感器上受到的压力就是实际油膜所受总的摩擦力。

Claims (10)

1.一种表面速度异向下润滑油膜摩擦力与膜厚测量装置，其特征在于，包括平移台和主轴，平移台在第一驱动装置的驱动下可直线移动；主轴穿过平移台，所述主轴上部固定玻璃盘，且主轴下部通过第二驱动装置驱动其旋转；在平移台上设有一个弧形导轨，旋转底座安装在该弧形导轨上，且可沿着弧形导轨移动，在旋转底座上安装加载系统，加载系统的钢球与玻璃盘可相对运动，且旋转底座中的旋转轴承将相对运动产生的摩擦力转换成旋转底座上压力传感器可采集的压力。

2.如权利要求1所述的表面速度异向下润滑油膜摩擦力与膜厚测量装置，其特征在于，所述的旋转底座包括回转定位台、加载底座、回转轴、双向平移台；回转定位台通过滚轮安装在弧形导轨上，顶部通过回转轴、旋转轴承与加载底座转动连接，在所述的回转定位台一侧安装双向移动平台，双向移动平台通过一个杆件与加载底座相连，在杆件两侧安装两个压力传感器。

3.如权利要求2所述的表面速度异向下润滑油膜摩擦力与膜厚测量装置，其特征在于，所述双向平移台包括本体，在本体内安装两个滑块，其中一个滑块上安装第一压力传感器，另外一个滑块上安装第二压力传感器，每个滑块底部与手动调节螺纹杆螺纹配合。

4.如权利要求2所述的表面速度异向下润滑油膜摩擦力与膜厚测量装置，其特征在于，所述回转定位台底部安装有四个圆台滚轮，滚轮凹槽正好与弧形导轨上边缘配合，可绕导轨滑动，四个滚轮均布在导轨左右组成和环形导轨相契合的V型约束。

5.如权利要求1所述的表面速度异向下润滑油膜摩擦力与膜厚测量装置，其特征在于，所述加载系统包括加载支架、加载杠杆、支点轴承、加载调节杆、钢球，加载支架安装在所述旋转底座上，两个支点轴承分别安装在加载支架中间的圆孔中，加载杠杆穿过支点轴承安装在加载支架中间，加载杠杆的一端连接伺服电机，伺服电机通过刚性联轴器与钢球相连；加载杠杆的另一端安装加载砝码和加载调节杆。

6.如权利要求5所述的表面速度异向下润滑油膜摩擦力与膜厚测量装置，其特征在于，所述的加载调节杆与加载杠杆后端螺纹连接，加载调节杆下端依次安装调节导向块与弹簧，弹簧下端通过连接件与加载支架相连。

7.如权利要求5所述的表面速度异向下润滑油膜摩擦力与膜厚测量装置，其特征在于，在加载杠杆后端安装砝码支撑座，在所述砝码支撑座上安装砝码固定杆，砝码固定杆上安装砝码托盘。

8.如权利要求5所述的表面速度异向下润滑油膜摩擦力与膜厚测量装置，其特征在于，刚性联轴器一端与钢球通过杆部螺纹连接，另一端通过螺纹与伺服电机输出杆连接，伺服电机主体通过螺纹连接在加载杠杆前端。

9.如权利要求1所述的表面速度异向下润滑油膜摩擦力与膜厚测量装置，其特征在于，还包括图像捕捉系统，其包括位移台、显微镜支架、镜筒架、手轮、焦距轮、CCD与显微镜；位移台安装在显微镜支架顶部，位移台上安装支杆，显微镜支架支杆架套装在支杆上并与镜筒架连接，手轮、焦距轮安装在显微镜支架支杆架上，CCD与显微镜安装在镜筒架中，实现对图像观测和数据传输。

10.如权利要求1所述的表面速度异向下润滑油膜摩擦力与膜厚测量装置，其特征在于，所述的第一驱动装置为丝杠螺母副驱动装置，所述的第二驱动装置为电机驱动装置。

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