CN116840451A - 一种多功能润滑脂加热装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于机械设备技术领域，涉及一种可控制环境温度的多功能润滑脂加热装置，将钢球、玻璃盘和润滑剂置于稳定的高温环境中，通过测试结果分析滚动轴承处在高温环境中的作用机理，使用时，与球盘试验机配合，为测试工况增加一个变量，将温度传感器作为反馈系统，对温控系统进行闭环控制，在加热盒的内部温度达到目标温度后停止加热，实验结果表明，钢球与平面玻璃盘之间的接触能够有效的模拟真实的滚动体和轴承内外圈的接触，通过双色光干涉技术将采集到图像传输到电脑上，通过测量加载板上的压力，计算相应的载荷，能够得到润滑剂的摩擦系数，以便对滚动轴承的润滑机理进行定量分析，对弹流润滑前沿研究具有重要意义。

Description

一种多功能润滑脂加热装置

技术领域：

本发明属于机械设备技术领域，涉及一种可控制环境温度的多功能润滑脂加热装置，为探究环境温度对油膜厚度的影响提供支持。

背景技术：

滚动轴承运转性能及装备可靠性与润滑状态密切相关，油膜厚度决定了润滑状态区间，明确影响油膜厚度的关键因素是弹流润滑的研究重点之一。油膜厚度主要受运转速度、载荷、润滑剂粘度、几何接触形式和接触副入口供油状态等因素影响，为对润滑剂流动分布及润滑状态进行表征，常采用光干涉可视化测量技术测量油膜厚度，分析润滑成膜机制。例如，中国专利201811035950.2公开的一种滑滚工况下滚子摩擦副的油膜厚度以及油膜拖动系数测试装置，包括双驱动的环状玻璃-滚子接触副、加载机构、供油系统、油膜厚度测量装置以及油膜拖动系数测量装置，环状玻璃和试验滚子分别由不同机构驱动，环状玻璃由电机经过联轴器Ⅰ、扭矩传感器、联轴器Ⅱ以及气浮轴承带动，而试验滚子由电机经过同步轮、支撑轮以及陪试滚子带动；加载装置是砝码将重量通过杠杆传递给滚轮，然后滚轮推动升降轴向上移动，将力传递给试验滚子；油膜厚度测量装置是由平凸透镜和特制同轴显微镜组成，平凸透镜固定在特制显微镜上，并且通过移动平台可实现上下移动；油膜拖动系数测量装置是环状玻璃与转轴一端相连，转轴由气浮轴承支撑，该转轴的另一端通过联轴器与扭矩传感器连接，环状玻璃与试验滚子之间的油膜拖动力通过气浮轴承传递给扭矩传感器，根据所加的力、接触副的偏心距以及测得扭矩便可计算油膜拖动系数。中国专利202010542411.9公开的一种推力球轴承光干涉线性油膜厚度检测方法，具体如下：步骤1、将水平设置的传动模块支撑滑轨固定在试验台底座上，传动模块支架与传动模块支撑滑轨构成滑动副；然后，将紧固螺栓一穿过传动模块支架开设的通孔和传动模块支撑滑轨开设的调节槽，并与螺母一连接；接着，将传动轴通过双列角接触球轴承支承在轴承外套内；将轴承垫圈与轴承外套通过螺钉固定，对双列角接触球轴承进行轴向限位；最后，将轴承外套与传动模块支架通过螺钉固定，使得传动轴水平设置；步骤2、在玻璃推力球轴承套圈的滚道表面镀铬膜和二氧化硅膜，且二氧化硅膜设置在内层；然后，将与推力球轴承保持架钢球组件匹配的玻璃推力球轴承套圈套置在螺纹轴上，轴套也套置在螺纹轴上，玻璃推力球轴承套圈的两侧分别通过螺纹轴的轴肩和轴套的轴肩轴向定位；接着，将六角螺母与螺纹轴通过螺纹连接，并压紧轴套；最后，将螺纹轴与传动轴通过联轴器连接；步骤3、将钢制推力球轴承套圈固定安装在加载机构上；然后，在推力球轴承保持架钢球组件的钢球和保持架之间的缝隙内填入润滑脂，将推力球轴承保持架钢球组件贴合于钢制推力球轴承套圈上；接着，拧松紧固螺栓二，调节加载机构的加载支架在传动模块支撑滑轨上的位置；最后，拧紧紧固螺栓二；步骤4、加载机构对钢制推力球轴承套圈施加载荷；然后，打开显微镜高速摄像头中的单色光源；步骤5、将显微镜高速摄像头对准玻璃推力球轴承套圈的滚道，单色光源经过玻璃推力球轴承套圈，达到玻璃推力球轴承套圈的滚道和钢球表面时被分别反射，两部分反射光由于光程差产生干涉条纹；调整显微镜聚焦后，传动机构驱动传动轴，传动轴带动螺纹轴、轴套和玻璃推力球轴承套圈旋转；步骤6、使用显微镜高速摄像头拍摄推力球轴承保持架钢球组件中的钢球与玻璃推力球轴承套圈滚道之间的油膜光干涉图像；采集到的油膜光干涉图像经图像采集卡传给计算机，计算机计算出油膜厚度，从而得到玻璃推力球轴承套圈的滚道和钢球接触区内经过钢球中心且沿玻璃推力球轴承套圈滚道切线方向的直线所在位置上膜厚分布，以及与该直线垂直的直线所在位置上膜厚分布；步骤7、使传动机构停转驱动传动轴，显微镜高速摄像头拍摄钢球与玻璃推力球轴承套圈滚道之间的油膜光干涉图像；采集到的油膜光干涉图像经图像采集卡传给计算机，进而测量出传动轴停转状态下第二相脂池朝向钢球滚动方向的边缘到玻璃推力球轴承套圈滚道和钢球接触区朝向钢球滚动方向的边缘之间的最小距离d2；步骤8、对比d1、d2，并观察步骤6和步骤7中得到的第二相脂池形状，分析第二相脂池中的润滑剂在毛细作用下的回流行为、回流量随时间变化情况、轴承工作时和停止工作后第二相脂池的回流状态；步骤9、重复执行三次以下步骤：依次执行步骤5、步骤6、步骤7和步骤8；每次重复时，在步骤5中，显微镜高速摄像头对准的玻璃推力球轴承套圈滚道位置不同；总共四次执行的步骤5中，显微镜高速摄像头对准的玻璃推力球轴承套圈滚道四个位置分别为水平面上的两个位置和竖直面上的两个位置；步骤10、加载机构对钢制推力球轴承套圈卸载；然后，拧松紧固螺栓二，调节加载机构的加载支架在传动模块支撑滑轨上的位置；接着，取下推力球轴承保持架钢球组件和钢制推力球轴承套圈，通过显微镜高速摄像头拍摄钢制推力球轴承套圈的滚道中脂须形貌；在钢制推力球轴承套圈的滚道上选择沿周向均布的四个点位，测量每个点位脂须数量以及各脂须与滚道之间的角度；最后，将所有脂须与滚道之间的角度求和后，除以四个点位处脂须数量总和，得到脂须角度均值；步骤11、使用石油醚对钢制推力球轴承套圈、推力球轴承保持架钢球组件和玻璃推力球轴承套圈进行清洗；步骤12、将钢制推力球轴承套圈固定安装在加载机构上，在推力球轴承保持架钢球组件的钢球和保持架之间的缝隙内填入润滑脂，将推力球轴承保持架钢球组件贴合于钢制推力球轴承套圈上；调节加载机构的加载支架在传动模块支撑滑轨上的位置；拧紧紧固螺栓二；然后，通过加载机构对钢制推力球轴承套圈施加所需检测的载荷；接着，重复步骤5，重复步骤5时若需要改变玻璃推力球轴承套圈转速，则通过传动机构进行调节；最后，重复步骤6、步骤7、步骤8、步骤9、步骤10和步骤11；步骤13、重复步骤12，直到所需检测的推力球轴承保持架钢球组件和玻璃推力球轴承套圈之间的加载力全部检测完毕。但是，目前常规的测试均是在室温下进行，缺乏针对环境温度对油膜厚度影响的评价和测量手段，并且润滑剂粘度会随着环境温度的增加而降低，润滑状态会由流体动压润滑向混合润滑及边界润滑区间转化，除此之外，温度的升高加还会引起润滑剂发生氧化，同样增加润滑失效的风险。

为探究温度对润滑油脂成膜性能的影响，即高温对润滑剂微观结构、理化性能、流变性能的影响及作用机制，现有技术采用了多种手段及测量技术进行评价，例如：有的设备通过不同环境温度下粘度随剪切速率的变化反映润滑剂的流变特性；有的设备通过测量摩擦力曲线及磨斑形貌表征润滑剂的抗磨及承载能力。进行光弹流油膜厚度测量时，通过对润滑脂进行高温处理，分别考察不同温度及高温时间对油膜厚度的影响，其仅对润滑剂进行处理，无法模拟实际工况中高温环境对润滑剂流动及成膜特性的影响，且无法定量评估热效应及剪切特性对润滑剂降解的影响程度。因此，基于常规球盘试验机搭建一种环境温度调控的加热装置，实现温度调节功能，为考察热效应对润滑剂在运动过程中衰退机理提供测试设备，为摩擦学机理研究提供评价手段。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，研发设计一种多功能润滑脂加热装置，将钢球、玻璃盘和润滑剂置于封闭且可以进行稳定持续加热的空间内，用于模拟滚动轴承处于高温工况的工作环境，以探究不同温度对润滑脂性能的影响。

为了实现上述目的，本发明涉及的一种多功能润滑脂加热装置的主体结构如图1-5所示，包括加热盒及其顶部设置的观测单元，内部设置的球托及加载板单元和玻璃盘及驱动单元，其中，加热盒的主体结构包括支架上设置的用于安装刮脂块的刮脂块支架和用于安装盒状结构的支撑板，以及盒状结构内设置的加热丝和温度传感器，此外，盒状结构的顶部设置有玻璃板以及由上盖密封的通孔；观测单元的主体结构包括光纤发射器、镜筒、物镜和CCD相机；球托及加载板单元中的球托处设置有挡板，以保证密封效果。

本发明涉及的加热盒将钢球、玻璃盘和润滑剂置于封闭环境中，以提供稳定的目标温度环境；观测单元对球盘的高速运动过程进行拍摄，并保存接触区图像，作为实验原始数据备用；球托及加载板单元用于保持钢球运动状态，为接触副施加载荷；玻璃盘及驱动单元与钢球接触形成接触区，模拟轴承中内外圈与滚动体之间的接触形式。

本发明涉及的一种多功能润滑脂加热装置适用于单驱实验，玻璃盘作为主动件带动钢球运动，模拟工程中轴承内圈带动滚动体工况；将球托及加载板单元替换为钢球驱动单元，能够用于双驱实验，玻璃盘和钢球分别由单独电机驱动，全部作为主动件运动，模拟纯滚或特定滑滚比工况。

本发明涉及的一种多功能润滑脂加热装置使用时，与图6所示的球盘试验机配合，能够同时测量润滑剂在不同载荷、不同速度、不同温度下的油膜厚度、摩擦系数等数据，对润滑脂的服役性能进行综合评价，具体工艺步骤如下：

1)利用千分表将玻璃盘调平，以使玻璃盘在完成一周回转运动的过程中，跳动不超过1微米；

2)用石油醚浸泡后的无尘纸擦拭玻璃盘和钢球表面残留的润滑油，然后用无水乙醇擦拭玻璃盘和钢球，利用无水乙醇的挥发性带走表面残留的石油醚；

3)待无水乙醇挥发完毕后，施加载荷使钢球与玻璃盘接触，寻找接触区图像，测量球盘接触副的回转半径，采集干接触图像，作为后期油膜图像处理的基准；

4)打开加热盒，卸掉部分载荷，使钢球与玻璃盘处于似接触非接触状态，在接触副间均匀布上润滑脂；

5)施加载荷，关闭加热盒，通过外接的PLC控制钢球和玻璃盘以相应速度转动，将刮脂块调整到设定位置，以使碾压到两侧的润滑脂回收到接触副的回转轨道上；

6)打开温度控制器，设置目标温度，待加热盒的内部温度达到目标温度后开始采集接触区图像，记录润滑脂性能热衰减过程，其中，常温下卷吸速度为128mm/s工况时的光干涉图像如图7所示，经过软件处理后接触区中心膜厚大约700nm左右，100℃下卷吸速度为128mm/s工况时的光干涉图像如图8所示，经过软件处理后接触区中心膜厚大约120nm左右，说明温度对润滑剂性能影响很大；

7)关闭外接PLC和电源，停止钢球和玻璃盘的回转运动，卸掉载荷，待加热盒1冷却后拆除，擦除接触副上的润滑脂。

本发明与现有技术相比，将钢球、玻璃盘和润滑剂置于稳定的高温环境中，通过测试结果分析滚动轴承处在高温环境中的作用机理，使用时，与球盘试验机配合，为测试工况增加一个变量，将温度传感器作为反馈系统，对温控系统进行闭环控制，在加热盒的内部温度达到目标温度后停止加热，实验结果表明，钢球与平面玻璃盘之间的接触能够有效的模拟真实的滚动体和轴承内外圈的接触，通过双色光干涉技术将采集到图像传输到电脑上，通过测量加载板上的压力，计算相应的载荷，能够得到润滑剂的摩擦系数，以便对滚动轴承的润滑机理进行定量分析，对弹流润滑前沿研究具有重要意义。

附图说明：

图1为本发明实施例1的主体结构原理图。

图2为本发明实施例1涉及的加热盒的安装示意图。

图3为本发明实施例2的主体结构原理图。

图4为本发明实施例2涉及的加热盒的安装示意图。

图5为本发明的实物示意图。

图6为本发明涉及的球盘试验机的主体结构原理示意图。

图7为本发明涉及的常温下的光干涉图像。

图8为本发明涉及的100℃下的光干涉图像。

具体实施方式：

下面通过实施例并结合附图对本发明作进一步说明。

实施例1：

本实施例涉及的一种多功能润滑脂加热装置为基于油膜实验系统的单驱润滑脂加热装置，如图1所示，其主体结构包括加热盒1、观测单元2、球托及加载板单元3和玻璃盘及驱动单元4；加热盒1的顶部设置有观测单元2，内部设置有球托及加载板单元3和玻璃盘及驱动单元4。

本实施例涉及的加热盒1，如图2所示，主体结构包括支架101、刮脂块102、刮脂块支架103、支撑板104、上板105、下板106、左板107、右板108、前板109、后板110、玻璃板111、通孔112、上盖113、加热丝114和温度传感器115；L形板状结构的支架101的横板上设置有用于安装刮脂块102的刮脂块支架103，竖板上设置有支撑板104，支撑板104上设置有由上板105、下板106、左板107、右板108、前板109和后板110围合成的矩形盒状结构，其中，上板105的边沿处镶嵌有玻璃板111，中心处开设有通孔112，通孔112由上盖113密封，下板106上设置有加热丝114和温度传感器115。

本实施例涉及的支架101的底面设置有长孔，以使其安装在工作台面上，与支撑板104组合支撑整个盒状结构；刮脂块102能够将钢球碾压到两侧的润滑脂回收到球盘接触副的回转轨道上，为测试提供充分供脂工况；刮脂块支架103也可以直接设置在工作台面上，能够在设定范围内进行升降；上板105的表面上设置有供显微镜观察的长孔，底面边缘处设置有台阶，以使上板105直接嵌入左板107、右板108、前板109和后板110中，形成封闭环境；下板106的底面设置有四个螺纹孔，以便与支撑板104连接，底面设置有八个沉孔，以便与左板107、右板108、前板109和后板110连接；左板107的底面上设置有两个螺纹孔，以便与下板106连接，表面上设置有四个沉孔，以便与前板109和后板110连接；右板108的下部开设有方孔，以便球托及加载板单元3的安装，底部设置有两个半圆孔，以便加热丝114的安装并对其进行限位，表面设置有四个沉孔，以便与前板109和后板110连接；前板109的正面开设有便于刮脂块102安装的开口，底面上设置有两个螺纹孔，以便与下板106连接，两个侧面分别设置有两个螺纹孔，以便与左板107和右板108连接；后板110的底面上设置有两个螺纹孔，以便与下板106连接，两侧面分别设置有两个螺纹孔，以便与左板107和右板108连接；玻璃板111作为可视窗口，便于实时观察刮脂情况和接触区润滑状态；通孔112为玻璃盘及驱动单元4的调节窗口；上盖113用于密封通孔112，以形成封闭环境；加热丝114为热源，在盒状结构的内部环境温度达到目标温度后停止加热；温度传感器115为非接触式温度传感器，测量盒状结构内的温度，并与目标温度进行比较，将实时温度反馈至外接的温度控制器，以便对盒状结构的温度进行闭环控制。

实施例2：

本实施例涉及的一种多功能润滑脂加热装置为基于油膜实验系统的双驱润滑脂加热装置，如图3-4所示，其主体结构同实施例1，不同之处在于，将球托及加载板单元3替换为钢球驱动单元5，通过光轴与外接驱动电机连接，将钢球的从动旋转变为主动旋转；将右板108替换为双驱右板116，双驱右板116的表面设置有便于钢球驱动单元5安装的圆孔和便于与前板109和后板110连接的四个沉孔，底部设置有以便加热丝114安装和定位的两个半圆孔；在下板106的开口端增设双驱密封板117，为盒状结构提供封闭环境，提高升温速度，并保证温度均匀分布。

Claims (8)

1.一种多功能润滑脂加热装置，主体结构包括加热盒及其顶部设置的观测单元，内部设置的球托及加载板单元和玻璃盘及驱动单元，其特征在于，加热盒的主体结构包括支架上设置的用于安装刮脂块的刮脂块支架和用于安装盒状结构的支撑板，以及盒状结构内设置的加热丝和温度传感器，此外，盒状结构的顶部设置有玻璃板以及由上盖密封的通孔。

2.根据权利要求1所述的多功能润滑脂加热装置，其特征在于，加热盒将钢球、玻璃盘和润滑剂置于封闭环境中。

3.根据权利要求1所述的多功能润滑脂加热装置，其特征在于，观测单元的主体结构包括光纤发射器、镜筒、物镜和CCD相机，对球盘的高速运动过程进行拍摄并保存接触区图像。

4.根据权利要求1所述的多功能润滑脂加热装置，其特征在于，球托及加载板单元中的球托处设置有挡板，用于保持钢球运动状态，为接触副施加载荷。

5.根据权利要求1所述的多功能润滑脂加热装置，其特征在于，玻璃盘及驱动单元与钢球接触形成接触区，模拟轴承中内外圈与滚动体之间的接触形式。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的多功能润滑脂加热装置，其特征在于，适用于单驱实验，玻璃盘作为主动件带动钢球运动，模拟工程中轴承内圈带动滚动体工况。

7.根据权利要求6所述的多功能润滑脂加热装置，其特征在于，将球托及加载板单元替换为钢球驱动单元，适用于双驱实验，玻璃盘和钢球分别由单独电机驱动，全部作为主动件运动，模拟纯滚或特定滑滚比工况。

8.根据权利要求6所述的多功能润滑脂加热装置，其特征在于，使用时，与球盘试验机配合，同时测量润滑剂在不同载荷、不同速度、不同温度下的油膜厚度、摩擦系数等数据，对润滑脂的服役性能进行综合评价，具体工艺步骤如下：

1)将玻璃盘调平，以使玻璃盘在完成一周回转运动的过程中，跳动不超过1微米；

2)擦拭玻璃盘和钢球表面残留的润滑油，用无水乙醇擦拭玻璃盘和钢球；

3)施加载荷使钢球与玻璃盘接触，寻找接触区图像，测量球盘接触副的回转半径，采集干接触图像；

4)打开加热盒，卸掉部分载荷，使钢球与玻璃盘处于似接触非接触状态，在接触副间均匀布上润滑脂；

5)施加载荷，关闭加热盒，通过外接的PLC控制钢球和玻璃盘以相应速度转动，将刮脂块调整到设定位置，使碾压到两侧的润滑脂回收到接触副的回转轨道上；

6)打开温度控制器，设置目标温度，待加热盒的内部温度达到目标温度后开始采集接触区图像，记录润滑脂性能热衰减过程；

7)关闭外接PLC和电源，停止钢球和玻璃盘的回转运动，卸掉载荷，待加热盒冷却后拆除，擦除接触副上的润滑脂。