CN114046737A - 一种带有弧形沟道的玻璃盘 - Google Patents
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Abstract
本发明属于机械设备制造技术领域，具体涉及一种带有弧形沟道的玻璃盘，在现有球‑盘点接触实验设备的基础上，设计了一种带有弧面沟道的玻璃盘，为了能够将球‑盘点接触与弧面沟道结构相匹配，选择已知的滚动轴承外圈尺寸，在玻璃盘的表面加工出弧形沟道，模拟真实钢球与内外圈之间的几何特征，实现轴承钢球与轨道之间的几何尺寸效应，通过对接触副周围润滑剂的流动分布和接触区内润滑油膜的可视化测量，探究运动过程中接触区附近油池分布形态和流动情况，有利于对滚动轴承润滑情况的机理分析；其结构简单，通过钢球‑玻璃盘接触实现滚动轴承润滑接触的模拟，以观察因接触几何特征差异引起的润滑剂流动分布、润滑剂剪切和润滑状态的不同。
Description
技术领域：
本发明属于机械设备制造技术领域，具体涉及一种带有弧形沟道的玻璃盘，能够为滚动轴承润滑机理的分析提供基础。
背景技术：
滚动轴承是回转机械设备中的关键零部件，因其具有摩擦磨损低、回转精度高的优势，得到了广泛的应用。滚动轴承润滑性能的好坏决定了设备的整体运行可靠性，在滚动轴承运行过程中，钢球与内外圈之间的润滑油膜，将接触副的两个表面分离，以避免接触副的粗糙峰互相接触而产生磨损。润滑油膜厚度与接触副表面的粗糙峰共同决定了滚动轴承的润滑状态。润滑油膜厚度除了与速度、粘度、载荷有关，还与接触副入口的供油状态相关，当滚动轴承在高速或低温等工况下运行时，入口处供油不足，润滑油膜厚度下降，导致润滑状态恶化，影响滚动轴承的服役性能。基于此，对滚动轴承内润滑剂流动分布和润滑状态进行测量和分析，可为轴承设计、供油设计和润滑剂设计提供参考依据。
如图1所示，采用钢球-平面圆盘接触等效方式可以对滚动轴承的润滑机理进行研究，通过光干涉技术可实现润滑油膜厚度的可视化测量，但是，得出的研究结论往往难以用于真实的滚动轴承，甚至与真实滚动轴承的测量结果相悖。主要是因为钢球-平面圆盘接触与真实滚动轴承的钢球-内外圈接触几何特征之间存在差异，导致了接触区附近润滑油的分布形式不同，在基础研究中难以引入轴承钢球-内外圈接触几何特征。
因此，为了复现滚动轴承钢球-内外圈接触的几何特征，研发设计一种带有弧形沟道的玻璃盘，通过钢球-弧面玻璃盘接触实现滚动轴承润滑接触的模拟，以观察因接触几何特征差异引起的润滑剂流动分布、润滑剂剪切和润滑状态的不同。
发明内容：
本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，研发设计一种带有弧形沟道的玻璃盘，以复现滚动轴承的钢球-内外圈接触的实际形式和油池形状的分布情形。
为了实现上述目的，本发明涉及的一种带有弧形沟道的玻璃盘的主体结构包括玻璃盘本体及其上设置的弧形沟道，如图2和3所示，弧形沟道的圆心与玻璃盘本体的圆心相同，弧形沟道的中心的半径与玻璃盘本体的半径的为0.397:1；弧形沟道的圆弧半径与弧形沟道的中心半径的比为0.23:1，弧形沟道的最大深度与弧形沟道的圆弧半径的比为0.181:1。
本发明涉及的一种带有弧形沟道的玻璃盘使用时，与光干涉试验台配合，能够模拟滚动轴承的钢球与轨道之间实际的几何尺寸效应，探究运动过程中接触区附近油池分布形态和流动情况，通过试验观察，玻璃盘本体能够复现滚动轴承的钢球-内外圈的实际接触形式和油池形状分布；弧形沟道不但能够判断润滑状态，还能够明晰接触区外的油池形貌特征，有利于对滚动轴承润滑情况的机理分析。
本发明与现有技术相比，在现有球-盘点接触实验设备的基础上，设计了一种带有弧面沟道的玻璃盘，为了能够将球-盘点接触与弧面沟道结构相匹配，选择已知的滚动轴承外圈尺寸，在玻璃盘的表面加工出弧形沟道，模拟真实钢球与内外圈之间的几何特征，实现轴承钢球与轨道之间的几何尺寸效应，通过对接触副周围润滑剂的流动分布和接触区内润滑油膜的可视化测量，探究运动过程中接触区附近油池分布形态和流动情况，有利于对滚动轴承润滑情况的机理分析；其结构简单，原理科学可靠，通过钢球-玻璃盘接触实现滚动轴承润滑接触的模拟，以观察因接触几何特征差异引起的润滑剂流动分布、润滑剂剪切和润滑状态的不同，相较于普通球-平面点接触更适合模拟滚动轴承实际运动过程中的润滑情况。
附图说明：
图1为本发明背景技术涉及的采用钢球-平面圆盘接触等效方式的测量装置的主体结构示意图。
图2为本发明的主体结构原理示意图。
图3为本发明的主体结构的剖视图。
图4为本发明涉及的平面圆盘与带弧形沟道的玻璃盘的接触形式几何特征对比示意图，其中，上图为平面玻璃盘的几何特征示意图，下图为带弧形沟道的玻璃盘的几何特征示意图。
图5为本发明与钢球接触形成椭圆接触形式的原理示意图。
图6为本发明在充分供脂，不同卷吸速度条件下的油膜光干涉图。
图7为本发明在限量供脂(2g)、速度和转动圈数条件下的油膜演化干涉图。
图8为本发明运动一圈后的弧形沟道的润滑脂形貌图。
具体实施方式：
下面结合附图并结合具体实施方法对本发明做进一步的说明。
实施例1：
本实施例涉及的一种带有弧形沟道的玻璃盘的主体结构包括玻璃盘本体1及其上设置的弧形沟道2；玻璃盘本体1的直径为170mm，厚度为22.8mm，设置弧形沟道2的表面上镀厚度为300nm的，反射率为20％(550)的铬膜，铬膜上加镀厚度为200nm的二氧化硅膜；弧形沟道2以玻璃盘本体1的圆心为圆心，以67.5mm为中心半径，确定位置，弧形沟道2的圆弧半径为15.5mm，圆弧最大深度为2.8mm，与钢球的尺寸匹配。
本实施例涉及的一种带有弧形沟道的玻璃盘与光干涉试验台配合使用，能够定量分析接触区的润滑状态，其与平面圆盘的接触形式几何特征如图4所示，由于接触形式的改变，原本的点接触转变为椭圆接触，如图5所示的与钢球接触形成椭圆接触形式的原理示意图，定量分析了带弧形沟道玻璃盘产生的椭圆接触。另外，为了探究弧面沟道2对润滑状态的影响，进行以下试验：
一、在充分供脂条件下，探究油膜厚度与油膜形状随速度的变化规律
将弧形沟道2涂满润滑脂，并使用供脂机构对轨道实时供脂，施加50N的载荷，通过设定不同的卷吸速度，实现带有弧形沟道玻璃盘与钢球的转动，通过相机采集运动5min之后的光干涉图像，在如图6所示的不同卷吸速度条件下，油膜厚度与油膜形状的变化过程图中能够看出，油膜厚度逐渐增加，由混合润滑逐渐向弹流润滑转变，但是油膜的形状未有明显变化。
二、在限量供脂条件下，探究脂膜随转动圈数的演化过程
滚动轴承长期服役在乏油、乏脂的润滑状态下，接触区两侧自发的接触式回填与非接触式回填尤为重要，当玻璃盘本体1设置弧形沟道2后，接触区两侧的剪切和润滑剂的流动分布明显不同，将2g润滑脂均匀的布满弧形沟道2，施加50N的载荷，采集不同运转时间下的油膜干涉图，得到如图7所示的结果，从图中能够看出运转时间越长，油膜越厚，说明润滑脂能够被充分剪切，弧形沟道2内润滑剂的回流效果也较佳；而在平面圆盘的试验结果中，转动圈数为500时，便会出现严重的乏脂现象，且油膜厚度较低。
对运动之后弧形沟道2形貌进行观测，能够明晰运动过程中的应力分布和润滑剪切的程度，进而分析两侧润滑剂向弧形沟道2内的回流状态，根据接触区两侧脂须的形状、分布角度和粗细均可判断回流效率和润滑脂的剪切程度。从图8所示的转动一圈后的润滑脂形貌图中可以发现，在弧形沟道2内存在较厚的沉积膜，受剪切析出的基础油分布在弧形沟道2两侧，有利于润滑剂向弧形沟道2内的回填，提高油膜厚度，改善润滑条件。
Claims (6)
1.一种带有弧形沟道的玻璃盘，其特征在于，主体结构包括玻璃盘本体1及其上设置的弧形沟道。
2.根据权利要求1所述的一种带有弧形沟道的玻璃盘，其特征在于，弧形沟道的圆心与玻璃盘本体的圆心相同。
3.根据权利要求1所述的一种带有弧形沟道的玻璃盘，其特征在于，弧形沟道的中心的半径与玻璃盘本体的半径的为0.397:1。
4.根据权利要求1所述的一种带有弧形沟道的玻璃盘，其特征在于，弧形沟道的圆弧半径与弧形沟道的中心半径的比为0.23:1。
5.根据权利要求1所述的一种带有弧形沟道的玻璃盘，其特征在于，弧形沟道的最大深度与弧形沟道的圆弧半径的比为0.181:1。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的一种带有弧形沟道的玻璃盘，其特征在于，使用时，与光干涉试验台配合，模拟滚动轴承的钢球与轨道之间实际的几何尺寸效应，为研究运动过程中接触区附近油池分布形态和流动情况提供基础，判断润滑状态，观察接触区外的油池形貌特征。
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