CN204142192U - 旋滑式光干涉弹流润滑薄膜测量仪 - Google Patents

Abstract

旋滑式光干涉弹流润滑薄膜测量仪，涉及弹性流体动力润滑油膜的实验测量设备领域，尤其涉及旋滑式光干涉弹流润滑薄膜测量仪。包括操作台单元（1）和面板驱动单元（4）；其操作台上台面底面设置同步带传动单元（2）和气动加压单元（3），上面固定安装主轴单元（8）；钢球固定调整单元（5）、加载单元（6）和显微干涉测量单元（7）则设置在面板驱动单元的操作面板上；其操作台上台面设置有防尘罩（10），上台面（11）和下底板（12）之间安装有外壳（9）。本实用新型所采用的无接触连续加载方式，能够实现精确、稳定的随动动态加载；采用同步带传动和玻璃盘调平技术，提升测量仪的传动精度和运动平稳性；面板驱动方式扩大了玻璃盘的实际使用直径，扩展了速度范围；防尘罩设计，有效减小外界干扰对实验结果的影响。

Description

旋滑式光干涉弹流润滑薄膜测量仪

技术领域

本实用新型涉及弹性流体动力润滑油膜的实验测量设备领域，尤其涉及旋滑式光干涉弹流润滑薄膜测量仪，用于对高副点接触弹流润滑油膜的厚度及形状进行测量。

背景技术

在现代工业中，高副接触的零件，如齿轮的齿面、滚动轴承的滚动体和滚道、凸轮和挺杆等等，在机械传动中应用极为广泛，其损坏原因大都是由于磨损超过限度而报废和更换。弹性流体动力润滑（简称弹流润滑）是高副接触机械零件的主要润滑形式，因此进行弹流研究，分析油膜形状特点，测定油膜厚度，对于减少磨损，提高机械零件的使用寿命，降低设备维修次数和费用具有重大的实践意义。

自1962年Kirk开发出第一台光学弹性流体动力润滑实验机后，研究人员不断改进、完善，设计制造出了各种不同的光干涉弹流实验设备，如用宝石盘或镀有析光膜的玻璃盘代替高折射率的透明盘，采用不同的球支撑方式和加载方式等，其目的都是为了提高实验精度，扩大测量范围，获得精准的实验结果。

由于弹流润滑接触区域小，油膜厚度和形状对外界条件的变化极为敏感，因此提高设备的传动精度和运动平稳性、保持载荷精确、稳定是获得可靠实验结果的重要保证。虽然目前常见的光干涉弹流润滑薄膜测量仪能够实现弹流油膜厚度和形状的测量，但在实际应用过程中也存在一些不足之处：加载方式为定点静态加载，精确度低，随动性差；电机直接带动玻璃盘旋转，运动平稳性差；玻璃盘无调平设计，轴向跳动无法调整；伺服电机转速低，传动不够平稳；钢球相对玻璃盘位置无法调整，致使玻璃盘使用寿命比较短；显微系统拍摄面积比较小；整体外观不够美观；对外界干扰因素无有效的屏蔽措施。因此，研究解决上述问题，对现有测量仪进行有效的优化改进是亟待解决的技术问题。

实用新型内容

本实用新型的目的是针对现有技术存在的不足，提供一种旋滑式光干涉弹流润滑薄膜测量仪，为点接触弹流润滑油膜厚度及形状的精准测量提供有效工具。

为达成上述目的，本实用新型采取如下技术方案：一种旋滑式光干涉弹流润滑薄膜测量仪，包括一个由上台面、下底板和支撑柱构成的操作台单元，其中下底板底面四角设置四个支撑螺钉以调节台面的水平，其特征在于：1）有一个由伺服电机经小同步带轮、同步带、大同步带轮传动和张紧轮机构对同步带张紧构成的XL型同步带传动单元，驱动一个玻璃盘旋转，伺服电机通过电机座和电机机架座固定安装在上台面底面，小同步带轮安装在伺服电机轴上，大同步带轮通过键连接安装在主轴上，张紧轮机构通过一组螺钉孔安装在上台面底面；2）有一个通过安装板固定在上台面底面，由空气过滤器、油雾分离器、电气比例阀、加压气杆、直通接头、对丝构成的气动加压单元，空气过滤器、油雾分离器、电气比例阀之间用对丝联通，并固定在安装板上，加压气杆通过直通接头与电气比例阀联通并通过加载台为加载托板施加压力；3）有一个由操作面板、导轨和螺旋传动机构组成的面板驱动单元，其中导轨通过一组螺钉孔固定在上台面上，操作面板由螺旋传动结构驱动沿导轨往复直线运动；4）有一个由钢球夹持机构、轴承球托机构构成的钢球固定调整单元、其中钢球夹持机构安装在操作面板上并随操作面板一起运动，轴承球托机构固定在加载托板上；5）有一个由所述加载台、所述加载托板、测力传感器和保持架轴、支架构成的加载单元，测力传感器两端的螺杆分别连接加载台与加载托板的一端，加载托板的另一端通过保持架轴与支架铰接，支架通过一组螺钉孔固定在操作面板上；6）有一个设置在操作面板上并处在由一个钢球和所述玻璃盘组成的摩擦副正上方，由支座、平移台、连接板、支杆和显微镜构成的显微干涉测量单元，其中支座通过一组螺钉孔安装在操作面板上，位移台安装在支座上，连接板固定支杆后安装在位移台上，显微镜以及配套的CCD安装在支杆上，CCD对准摩擦副；7）有一个由所述同步大带轮、所述玻璃盘、玻璃盘压套、主轴、外套筒、轴内套、两对并列安装的角接触球轴承、上端盖、下端盖、预紧螺母、玻璃盘调平垫片组成的主轴单元，其中安装在主轴上的大同步带轮把伺服电机的旋转运动传递给与钢球组成摩擦副的玻璃盘，玻璃盘通过玻璃盘调平垫片和玻璃盘压套紧固在主轴上，并可通过调整玻璃盘调平垫片上六个紧定螺钉的紧固与放松来调节玻璃盘的端面跳动，两对并列安装的角接触球轴承安装在主轴和外套筒之间使玻璃盘可以随主轴一起旋转，外套筒通过一组螺钉孔固定在上台面上，通过安装在两对并列安装的角接触球轴承的内圈上的轴承内套和预紧螺母，及安装在角接触球轴承外圈的上端盖、下端盖来调整角接触球轴承的预紧力。8）所述上台面和下底板之间安装有外壳，其中后板和左、右板用螺钉固定安装在上台面和下底板上，前壳由两块可对开的安装有暗插销的面板组成，用铰链分别安装在左、右板上；9）有一个由有机玻璃制成的防尘罩，以不固定方式放置在上台面的安装槽中。

所述张紧轮机构包括带轮、带轮轴、深沟球轴承、轮座、调节座和调节螺杆。深沟球轴承安装在带轮和带轮轴之间，带轮通过一组螺钉孔固定在轮座上，轮座和调节座安装在上台面底面，通过调节座上的调节螺杆可调节轮座的位置，以实现对同步带的张紧。

所述螺旋传动结构包括固定在上台面上安装有双向推力球轴承的后座；用来连接后座和安装在操作面板上的前座的轴；用来固定调节双向推力球轴承的通过一组螺钉孔固定在后座上的端盖和安装在轴上的紧固螺母；可使操作面板沿导轨往复直线运动的安装在轴端的手轮。

所述钢球夹持机构包括固定安装在操作面板上的减速器支撑；通过一组螺钉孔固定在减速器支撑上的安装有电机的减速器；安装在减速器上用来安装小球长杆的联轴器；与所述玻璃盘组成摩擦副的Ø25.4mm钢球用螺钉固定在小球长杆端部的锥面内。

所述轴承球托机构包括固定在所述加载托板上的球托底座；三个深沟球轴承通过三个球托轴安装在球托底座上，用以承托所述钢球，保证其做纯滚动运动。

所述气动加压单元通过测力传感器、多功能数据采集卡和计算机共同实现对加载力精确、稳定的动态控制。从测力传感器出来的信号送入多功能数据采集卡进行数据处理和计算，处理后的数据显示在计算机屏幕上，同时该数据与设定压力值进行比较，获取调控值，施加给电气比例阀，实现精确、稳定的随动动态控制。

所述显微干涉测量单元由激光光源、旋转的毛玻璃、显微镜、CCD、图像采集卡和计算机组成。干涉图像通过显微镜投射到CCD上，经CCD和图像采集卡的处理显示在计算机屏幕上。

本实用新型所提供的旋滑式光干涉弹流润滑薄膜测量仪，具有的加载单元为无接触连续加载，能够实现精确、稳定的随动动态加载，精确度高，随动性好；同时传动单元和主轴单元具有的同步带传动和玻璃盘调平技术，提升了本实用新型的传动精度和运动平稳性；面板驱动单元扩大了玻璃盘的实际使用直径，扩展了速度范围；设计防尘罩，有效减小外界干扰对实验结果的影响。综上所述，本实用新型具有提高测量精确度、随动性、传动精度以及运动平稳性和减少外界干扰的积极效果。

附图说明

图1是本实用新型的三维结构示意图。

图2是本实用新型中上台面及其上安装机构的三维结构示意图。

图3是本实用新型中钢球固定调整单元、面板驱动单元和同步带传动单元的剖视图。

图4是本实用新型中张紧轮机构剖视图。

图5是加载力控制系统控制原理图。

图6是显微干涉测量单元原理图。

具体实施方式

现结合附图和实施例对本实用新型做进一步说明。

参见图1、图2和图3，本旋滑式光干涉弹流润滑薄膜测量仪包括一个由上台面11、下底板12和连接上台面11、下底板12的支撑柱13构成的操作台单元1，其中下底板12底面四角设置四个支撑螺钉14以调节台面的水平。

由伺服电机21、小同步带轮22、同步带23、大同步带轮24和张紧轮机构27构成XL型同步带传动单元2，确保玻璃盘81以精确稳定的速度旋转。其中伺服电机21通过电机座25、电机机架座26固定安装在上台面11底面，小同步带轮22安装在伺服电机轴上，大同步带轮24通过键连接安装在主轴83上，张紧轮机构27通过一组螺钉孔安装在上台面11底面，以调节同步带23的张紧力。

通过安装板31固定在上台面11底面，由空气过滤器32、油雾分离器33、电气比例阀34、加压气杆35、直通接头36、对丝37构成气动加压单元3。空气过滤器32、油雾分离器33、电气比例阀34之间用对丝37联通，并固定在安装板31上，加压气杆35通过直通接头36与电气比例阀34联通并通过加载台62为加载托板61施加压力，实现精确、稳定的随动动态控制，其加载力控制系统控制原理如图5所示。

由操作面板41、导轨42和螺旋传动机构43组成面板驱动单元4。其中导轨42通过一组螺钉孔固定在上台面11上，操作面板41由螺旋传动结构43驱动沿导轨42往复直线运动，从而带动钢球511沿玻璃盘81径向直线移动，扩大了玻璃盘81的实际使用直径。

由钢球夹持机构51、轴承球托机构52构成钢球固定调整单元5。其中钢球夹持机构51安装在操作面板41上并随操作面板41一起运动，轴承球托机构52固定在加载托板61上。

由所述加载台62、所述加载托板61、测力传感器63和保持架轴64、支架65构成加载单元6。测力传感器63两端的螺杆分别连接加载台62与加载托板61的一端，加载托板61的另一端通过保持架轴64与支架65铰接，支架65通过一组螺钉孔固定在操作面板41上。

由支座71、平移台72、连接板73、支杆74和显微镜75构成的显微干涉测量单元7，设置在操作面板41上并处在由一个钢球511和所述玻璃盘81组成的摩擦副正上方。其中支座71通过一组螺钉孔安装在操作面板41上，平移台72安装在支座71上，连接板73固定支杆74后安装在平移台72上，显微镜75以及配套的CCD安装在支杆74上，CCD对准摩擦副。

由所述大同步带轮24、所述玻璃盘81、玻璃盘压套82、主轴83、外套筒84、轴内套85、两对并列安装的角接触球轴承86、上端盖87、下端盖88、预紧螺母89、玻璃盘调平垫片810组成主轴单元8。其中安装在主轴83上的大同步带轮24通过小同步带轮22和同步带23把伺服电机21的旋转运动传递给与钢球511组成摩擦副的玻璃盘81，玻璃盘81通过玻璃盘调平垫片810和玻璃盘压套82紧固在主轴83上，并可通过调整玻璃盘调平垫片810上六个紧定螺钉的紧固与放松来调节玻璃盘81的端面跳动，两对并列安装的角接触球轴承86安装在主轴83和外套筒84之间使玻璃盘81可以随主轴83一起旋转，外套筒84通过一组螺钉孔固定在上台面11上，通过与两对并列安装的角接触球轴承86内圈接触的轴承内套85和预紧螺母89，及与角接触球轴承86外圈接触的上端盖87、下端盖88来调整角接触球轴承86的预紧力。

所述上台面11和下底板12之间安装有外壳9。其后板和左、右板用螺钉固定安装在上台面11和下底板12上，前壳由两块可对开的安装有暗插销的面板组成，用铰链分别安装在左、右板上。

由有机玻璃制成的防尘罩10，以不固定方式放置在上台面11的安装槽中，以屏蔽外界因素对实验结果的干扰。

如图4所示，上述旋滑式光干涉弹流润滑薄膜测量仪，其张紧轮机构27包括带轮273、带轮轴271、深沟球轴承272、轮座274、调节座275和调节螺杆276。深沟球轴承272安装在带轮273和带轮轴271之间，带轮273通过一组螺钉孔固定在轮座274上，轮座274和调节座275安装在上台面底面，通过调节座275上的调节螺杆276可调节轮座274的位置，以实现对同步带23的张紧。

如图3所示，上述旋滑式光干涉弹流润滑薄膜测量仪，其螺旋传动结构43包括固定在上台面11上安装有双向推力球轴承436的后座432；用来连接后座432和安装在操作面板41上的前座433的轴431；用来固定调节双向推力球轴承436的通过一组螺钉孔固定在后座432上的端盖434和安装在轴431上的紧固螺母435；可使操作面板41沿导轨42往复直线运动的安装在轴端的手轮437。

如图3所示，上述旋滑式光干涉弹流润滑薄膜测量仪，其钢球夹持机构51包括固定安装在操作面板41上的减速器支撑513；通过一组螺钉孔固定在减速器支撑513上的安装有电机516的减速器515；安装在减速器515上用来安装小球长杆512的联轴器514；与所述玻璃盘81组成摩擦副的Ø25.4mm钢球511用螺钉固定在小球长杆512端部的锥面内。

如图3所示，上述旋滑式光干涉弹流润滑薄膜测量仪，其轴承球托机构52包括固定在所述加载托板61上的球托底座521；三个深沟球轴承523通过三个球托轴522安装在球托底座521上，用以承托所述钢球511，保证其做纯滚动运动。

本实用新型的有益效果在于为高副点接触弹流润滑油膜的基础研究提供了有效工具，能够实现球盘接触弹流润滑油膜厚度及形状的精准测量。本测量仪为无接触连续加载，能够实现精确、稳定的随动动态加载，同时采用同步带传动和玻璃盘调平技术，提升测量仪的传动精度和运动平稳性；面板驱动方式扩大了玻璃盘的实际使用直径，扩展了速度范围；设计防尘罩，有效减小外界干扰对实验结果的影响。

如图5、图6所示，本旋滑式光干涉弹流润滑薄膜测量仪操作步骤如下：

⑴ 在计算机上安装选定的多功能数据采集卡和图像采集卡，把电气比例阀34和测力传感器63连接至数据采集卡，显微镜通过CCD连接至图像采集卡；在计算机上安装伺服电机驱动软件和加载力数据采集和处理及弹流油膜图像采集和处理软件；

⑵ 调节张紧轮机构27的位置，使同步带23松紧适合；用手托住加载托板61带有加载台62的一端，使钢球511与轴承球托机构52充分接触，调整加压气杆35与加载台62的相对位置，使其同轴度不大于Φ0.05 mm，端面与加载台62下平面的距离为0.2～0.25mm；使用气泡水平仪调节下底板12底面四角上的支撑螺钉14使上台面11水平；清洁玻璃盘81和钢球511并安装入位后，紧固或放松玻璃盘调平垫片810上的六个紧定螺钉，使玻璃盘81下表面的端面跳动误差在0.002mm以内；旋转手轮437，使操作面板41沿导轨42直线运动以带动钢球511至玻璃盘81的合适位置；

⑶ 根据实验需要在玻璃盘81表面添加相应的适量润滑物；

⑷ 输入电气比例阀34初始值，打开气源和加载力数据采集和处理软件，通过加载台62对加载托板61加压，使钢球511与轴承球托机构52充分接触；

⑸ 打开图像采集和处理软件，调节显微系统使钢球511与玻璃盘81接触面清晰显示在屏幕上；微调电气比例阀34的输入值，使计算机屏幕上的条纹处于若隐若现的状态；

⑹ 根据实验所需压力值，对电气比例阀34进行设定；

⑺ 盖上防尘罩10，启动伺服电机驱动软件并设置相应的电机速度，开始实验；

⑻ 记录并保存干涉条纹图像；

⑼ 由实验记录的干涉条纹的形状、位置和次序计算出各点的油膜厚度值。

以上所述，仅是对本实用新型的较佳实施例而已，并非是对本实用新型做其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是，凡是未脱离本实用新型方案内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本实用新型的保护范围。

Claims (7)

1. 一种旋滑式光干涉弹流润滑薄膜测量仪，包括一个由上台面（11）、下底板（12）和连接上台面（11）、下底板（12）的支撑柱（13）构成的操作台单元（1），其中下底板（12）底面设置支撑螺钉（14）以调节台面的水平，其特征在于：

1）有一个由伺服电机（21）、小同步带轮（22）、同步带（23）、大同步带轮（24）和张紧轮机构（27）构成的XL型同步带传动单元（2），驱动玻璃盘（81）旋转；其中伺服电机（21）通过电机座（25）、电机机架座（26）固定安装在上台面底面，小同步带轮（22）安装在伺服电机轴上，大同步带轮（24）安装在主轴(83)上，张紧轮机构（27）安装在上台面底面以调节同步带（23）的张紧力；

2）有一个通过安装板(31)固定在上台面底面，由空气过滤器(32)、油雾分离器(33)、电气比例阀(34)、加压气杆(35)、直通接头(36)、对丝(37)构成的气动加压单元（3）；其中，空气过滤器(32)、油雾分离器(33)、电气比例阀(34)之间用对丝(37)联通，并固定在安装板(31)上，加压气杆(35)通过直通接头(36)与电气比例阀(34)联通并通过加载台（62）为加载托板（61）施加压力；

3）有一个由操作面板（41）、导轨（42）和螺旋传动机构（43）组成的面板驱动单元（4），其中导轨（42）通过一组螺钉孔固定在上台面上，操作面板（41）由螺旋传动结构驱动沿导轨（42）往复直线运动，以带动钢球（511）沿玻璃盘（81）径向直线移动；

4）有一个由钢球夹持机构（51）、轴承球托机构（52）构成的钢球固定调整单元（5）；其中钢球夹持机构（51）安装在操作面板（41）上并随操作面板（41）一起运动，轴承球托机构（52）固定在加载托板（61）上；

5）有一个由上述加载台（62）、加载托板（61）、测力传感器（63）和保持架轴（64）、支架（65）构成的加载单元（6）；测力传感器两端的螺杆分别连接加载台（62）与加载托板（61）的一端，加载托板（61）的另一端通过保持架轴与支架铰接，支架固定在操作面板（41）上；

6）有一个设置在操作面板（41）上并处在由一个钢球（511）和所述玻璃盘（81）组成的摩擦副正上方，由支座（71）、平移台（72）、连接板（73）、支杆（74）和显微镜（75）构成的显微干涉测量单元（7）；其中支座安装在操作面板（41）上，平移台安装在支座上，连接板固定支杆后安装在平移台上，显微镜以及配套的CCD安装在支杆上，CCD对准摩擦副；

7）有一个由上述大同步带轮（24）、玻璃盘（81）、玻璃盘压套（82）、主轴(83)、外套筒（84）、轴承内套（85）、两对并列安装的角接触球轴承（86）、上端盖（87）、下端盖（88）、预紧螺母（89）、玻璃盘调平垫片（810）组成的主轴单元（8）；其中安装在主轴(83)上的大同步带轮（24）通过小同步带轮（22）和同步带（23）把伺服电机（21）的旋转运动传递给与钢球（511）组成摩擦副的玻璃盘（81），玻璃盘（81）通过玻璃盘调平垫片和玻璃盘压套紧固在主轴上，两对并列安装的角接触球轴承安装在主轴和外套筒之间以实现玻璃盘（81）随主轴(83)一起旋转；外套筒固定在上台面(11)上，轴承内套和预紧螺母与两对并列安装的角接触球轴承内圈接触，上端盖（87）、下端盖（88）与角接触球轴承外圈接触；

8）所述上台面(11)和下底板（12）之间安装有外壳（9）；其中后板和左、右板固定安装在上台面(11)和下底板（12）上，前壳由两块可对开的安装有暗插销的面板组成，用铰链分别安装在左、右板上；

9）有一个防尘罩（10），以不固定方式放置在上台面(11)的安装槽中。

2.根据权利要求1所述的旋滑式光干涉弹流润滑薄膜测量仪，其特征在于：所述张紧轮机构（27）包括带轮（273）、带轮轴（271）、深沟球轴承（272）、轮座（274）、调节座（275）和调节螺杆（276）；深沟球轴承安装在带轮和带轮轴之间，带轮通过一组螺钉孔固定在轮座上，轮座和调节座安装在上台面底面。

3.根据权利要求1所述的旋滑式光干涉弹流润滑薄膜测量仪，其特征在于：所述螺旋传动结构（43）包括固定在上台面(11)上安装有双向推力球轴承（436）的后座（432）；连接后座432和安装在操作面板（41）上的前座（433）的轴431；固定调节双向推力球轴承的端盖（434）和安装在轴（431）上的紧固螺母（435）；以及操控操作面板（41）沿导轨（42）往复直线运动的安装在轴端的手轮（437）。

4.根据权利要求1所述的旋滑式光干涉弹流润滑薄膜测量仪，其特征在于：所述钢球夹持机构（51）包括固定安装在操作面板（41）上的减速器支撑（513）；固定在减速器支撑上的安装有电机（516）的减速器（515）；安装在减速器（515）上用来安装小球长杆（512）的联轴器（514）；与所述玻璃盘（81）组成摩擦副的钢球（511）固定在小球长杆（512）端部的锥面内。

5.根据权利要求1所述的旋滑式光干涉弹流润滑薄膜测量仪，其特征在于：所述轴承球托机构（52）包括固定在所述加载托板（61）上的球托底座（521）；三个深沟球轴承（523）通过三个球托轴（522）安装在球托底座（521）上，用以承托所述钢球（511）。

6.根据权利要求1所述的旋滑式光干涉弹流润滑薄膜测量仪，其特征在于：所述气动加压单元通过测力传感器（63）、多功能数据采集卡和计算机共同实现对加载力精确、稳定的动态控制。

7.根据权利要求1所述的旋滑式光干涉弹流润滑薄膜测量仪，其特征在于：所述显微干涉测量单元（7）由激光光源、旋转的毛玻璃、显微镜（75）、CCD、图像采集卡和计算机组成。