CN204422131U - 织构化轴承间空化压力的测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种织构化轴承间空化压力的测量装置，包括机架，机架上的试验台上设置有圆盘回装单元，圆盘回装单元下方设置有与其相对应的显微观测单元，圆盘回装单元上部设置有与其相对应的织构空化压力测量单元，织构空化压力测量单元与安装于机架上的加载单元相连；所述织构空化压力测量单元包括磁力压杆、织构空化压力测量盘和压板，磁力压杆上端与压板固定连接，磁力压杆下端为圆球形，该圆球形端部通过与织构空化压力测量盘中心处的锥形槽配合形成自调心机构，使加载后织构空化压力测量盘与其下部的圆盘回装单元的玻璃盘自行形成平行状态，在空化现象发生时对其进行实时的观察记录和对其压力进行实时的测量记录。

Description

织构化轴承间空化压力的测量装置

技术领域

本实用新型涉及一种润滑油实验测量装置，具体是指一种在织构化轴承间保持平行或者临近平行的条件下，对轴承间润滑油膜形成的气穴压力的测量装置，属于低副接触流体润滑油膜的实验测量领域。

背景技术

研究结果表明，表面纹理(织构)能够有效改善润滑。这是因为众多的表面纹理充当了无数个动压轴承从而提高了承载力。然而，在每个表面纹理单元的楔形区域内，油膜压力有可能降低至大气压或者饱和蒸汽压，这样就很容易导致气穴(空化)的发生。空化是指液体内局部压力降低时，液体内部或液固交界面上蒸气或气体的空穴(空泡)的形成、发展和溃灭的过程。

Qiu等人利用LRI-1a型的摩擦磨损试验机在微观尺度下对具有多个表面圆形和椭圆形凹坑的面-面接触条件下的气穴进行了试验研究；结果发现空化压力与卷吸速度有关，且给出了通过试验中气穴的大小来判别气穴类型的方法。但他们对气穴的研究只能是进行定性的判断。现在虽然人们已经认识到空化在表面织构润滑中起至关重要的作用，但对表面织构中的空化现象及其规律的研究还很欠缺，在表面织构的润滑分析中，有的学者为了简化计算直接忽略负压的存在，有的学者只是根据经验给定一个假定的值或者数量级。因此，通过实验研究获得表面织构中空化现象的规律及空化压力的数值是非常有必要的，对进一步探求表面纹理润的作用机理和规律，进而为织构的优化设计提供必要的理论指导都具有重要的现实意义。

中国专利CN 101458068 A公开了一种微型滑块轴承润滑油膜测量仪，包括一机架，一微型滑块，一透明圆盘，一微型滑块固定调整单元，滑块用一组调节装置来调节和固定微型滑块倾角；一透明圆盘回转单元，一加载单端，一显微干涉测量单元。本发明调节上述倾角效率高，精度高，倾斜面两侧高度差调节精度为0.2微米。使用本实用新型在静态条件下可得到设定的微滑块工作平面与透明光学圆盘之间的倾角。倾角的调节包括大小和方向。

中国专利CN 203502328 U公开了一种《基于光学反馈的润滑油薄膜承载力测量装置》，包括机架，机架上设置平面圆盘回转单元和显微干涉测量单元，机架上还设置微滑块调整及油膜承载力测量单元，微滑块调整及油膜承载力测量单元设置在平面圆盘回转单元的上方，且与平面圆盘回转单元相配合，微滑块调整及油膜承载力测量单元的压板上安装传感器，传感器连接微滑块；利用多光束干涉法对膜厚进行精确测量，利用拉压传感器对油膜的承载力进行直接测量，有效解决涂层界面磨损与保持两接触面的平行问题，而且对承载区间油膜承载力的直接测量，更好地研究表面改性对摩擦性能的影响，具有更高的工程价值。

综上所述，中国专利CN 101458068 A公开的一种微型滑块轴承润滑油膜测量仪，对倾角的调节是通过8个中心对称的调节螺栓的压紧来对滑块进行不同方位的调节；但调节装置固定在压板上，圆盘开始转动后，压板会有上下浮动，造成倾角的变化。

中国专利CN 203502328 U公开的一种基于光学反馈的润滑油薄膜承载力测量装置，通过升降位移台和锁紧机构固定压板解决了上述问题，但圆盘转动引起的倾角变化却未解决。空化产生的一个必要条件就是接触面平行或者几乎平行，在实际操作实验中，上述两种装置在调节非平行的倾角时效果很好，但进行平行调节时，却因为压板的浮动和圆盘转动不能保持平稳持续的平行，从而引起负倾角而造成划盘，且不平稳持续的平行会使空化时有时无，无法对空化压力进行采值评估。

实用新型内容

本实用新型的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种织构化轴承间空化压力的测量装置，利用该装置能够对空化现象进行直接观察，对接触区内空化压力进行直接测量，从而获得表面织构中空化现象的规律及空化压力的数值，进一步研究表面纹理润滑条件下气穴对润滑机理的影响。

为实现上述目的，本实用新型采用下述技术方案：

一种织构化轴承间空化压力的测量装置，包括机架，机架上的试验台上设置有圆盘回装单元，圆盘回装单元上部设置有与其相对应的织构空化压力测量单元，圆盘回装单元下方设置有与其相对应的显微观测单元，织构空化压力测量单元与安装于机架上的加载单元相连；

所述织构空化压力测量单元包括磁力压杆、织构空化压力测量盘和压板，磁力压杆上端与压板固定连接，磁力压杆下端为圆球形，该圆球形端部通过与织构空化压力测量盘中心处的锥形槽配合形成自调心机构，使加载后织构空化压力测量盘与其下部的圆盘回装单元的玻璃盘自行形成平行状态。

所述织构空化压力测量盘与圆盘回装单元的玻璃盘表面相对应接触的面为工作面，另一面为安装面。

所述织构空化压力测量盘的安装面上设置有一阻止织构空化压力测量盘随圆盘回装单元的玻璃盘转动的阻挡件。

所述阻挡件为一杆状的阻旋杆，阻旋杆固定设置于织构空化压力测量盘上，且阻旋杆的高度大于织构空化压力测量盘上表面与压板下表面之间的垂直距离。

所述织构空化压力测量盘的安装面上还沿空化压力测量盘的中心对称设置有若干微型压力传感器，微型压力传感器通过数据采集卡将数据传回工控机。

所述织构空化压力测量盘的工作面上设置有表面纹理。

所述表面纹理为均布的凹槽或凸起。

所述凹槽为矩形或波纹形或圆形。

所述凹槽深度为5μm。

所述凸起为矩形，高度为5μm。

所述圆盘回装单元的玻璃盘的下方设置有高速摄像机。

本实用新型中的机架、圆盘回装单元、显微观测单元和加载单元与中国专利CN101458068 A中的机架、透明圆盘回转单元、显微干涉测量单元和加载单元相同，在此不再赘述。

本实用新型利用自调心机构很好的解决了背景技术中提到的两种问题，使接触面始终保持平行，从而产生持续的空化，并利用微型压力传感器进行测量。

本实用新型的有益效果是：

1、本实用新型是在中国专利CN 101458068 A的基础上，进行构件改造设计从而实现在空化现象发生时对其进行实时的观察记录和对其压力进行实时的测量记录。

2、本装置利用自调心机构实现盘面的自动平行接触调节而非背景专利的调节机构手动实现盘面的接触调节。本实用新型的所采用的自调心机构(即磁力压杆下端的圆球形端部通过与空化压力测量盘中心处的锥形槽配合)，能实现盘面的自动平行接触调节，省去了研究空化现象时调平行的繁复过程。

附图说明

图1是本实用新型三维结构示意图；

图2是织构空化压力测量单元结构示意图；

图3(a)是织构空化压力测量盘的安装面；

图3(b)是织构空化压力测量盘的工作面；

图3(c)-图3(f)是工作面的四种试样类型织构区域内的不同织构放大图；

图4是本实用新型的工作原理图；

图5是本实用新型控制部分流程图；

其中1.织构空化压力测量单元；2.显微干涉观测单元；3.圆盘回转单元；4.加载单元；5.机架；6.磁力压杆；7.阻旋杆；8.织构空化压力测量盘；9.压板；10.非贯穿锥形槽，11.微型压力传感器；12.螺纹孔；13.工作面；14.玻璃盘；15.高速摄像机，16.伺服电机，17.油槽，18.润滑油，19.载荷。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

如图1、图2、图4、图5所示，机架5对实验台起到支撑作用，可在其上安装固定其他机构；圆盘回装单元3实现玻璃盘14的旋转，形成织构空化压力测量单元1的织构空化压力测量盘8与玻璃盘14间的相对滑动，为实验台提供所需的相对滑动速度；加载单元4通过上弹簧向上拉紧来平衡压板9与织构空化压力测量盘8的自重，通过下弹簧控制所加载荷19的大小，并通过拉力计实时显示压力大小；显微干涉观测单元2利用小功率激光器为显微镜提供光源，并利用位移台控制显微镜移动来放大接触区的不同区域，最终通过高速摄像机15将图像回工控机，完成对空化现象图像的采集。

通过安装在织构空化压力测量盘8的微型压力传感器11测量空化压力。有必要进行进一步详述：它主要由磁力压杆6、阻旋杆7、织构空化压力测量盘8、压板9组成，如图2所示：通过磁力压杆6上端的螺纹与压板9纹螺纹孔配合形成连接固定；磁力压杆6下端为圆球形，通过与织构空化压力测量盘8中心处的锥形槽配合形成自调心机构，使加载后织构空化压力测量盘8与玻璃盘14自行形成平行状态，从而省去了原有机构中能过调节螺栓来调平行的繁复过程(有关平行的调节详见CN 203502328 U)，且利用磁力平衡了织构空化压力测量盘8的自重；阻旋杆7安装在织构空化压力测量盘8上，且阻旋杆7的高度大于织构空化压力测量盘8上表面与压板9下表面之间的垂直距离，阻止因玻璃盘13旋转时摩擦力引起的所述测量盘8的旋转。

其空化压力的测量原理如下：将织构空化压力测量盘8的锥形槽与磁力压杆6下端球面贴合后，打开磁力压杆6的磁力开关，使织构空化压力测量盘8被吸附在压杆6上；加载，压力通过安装在压板9中心的磁力压杆6作用在织构空化压力测量盘8的中心锥形槽面上，迫使织构空化压力测量盘8面与玻璃盘13面贴合而平行；驱动玻璃盘14旋转，阻旋杆6会压靠在压板9的边缘，从而阻止空化压力测量盘8转动；转动平稳后，气穴产生，微型压力传感器11对气穴压力进行测量并通过数据采集卡将数据传回工控机的进行处理，完成对空化压力的测量。

由于本实用新型的重点是表面纹理润滑中的气穴效应研究，因此本实用新型中的织构空化压力测量盘8非光滑压力盘，利用激光加工或化学刻蚀等其他工艺获得不同的表面纹理，如图3所示。它分为安装面和工作面13，安装面如图3(a)所示，中心处有一个非贯穿锥形槽10，边缘处有四个轴对称的微型压力传感器11安装螺纹孔，用于安装微型压力传感器11，通过螺纹螺距的精确控制使其感压膜片所在面与所述测量盘8工作面齐平，最小的螺纹孔12为非贯穿孔用于安装阻旋杆7。

工作面13如图3(b)所示，在工作面13上可进行不同类型的织构设计加工，从而研究不同类型的织构对空化程度的影响。图3(c)-图3(f)是四种试样类型(试样1-试样4)的织构区域内的不同织构放大图；其中试样1黑色矩形区域为凹槽，深度为5μm，试样2白色矩形区域为凸起，高度5μm，试样3黑色肩章形区域为凹槽，深度为5μm，试样4黑色圆形区域为凹槽，深度为5μm。

图4是织构化轴承间的空化压力测量装置原理图，其中试样轴承的下试样是一个透明的光滑单面镀铬膜的圆形玻璃盘14，通过轴承套上的螺纹和带螺纹钢环与圆盘回转单元3的轴承固定在一起，上试样为织构空化压力测量盘8，之前已进行了详细阐述。高速摄像机15固定在玻璃盘14下面，透过玻璃盘14拍摄两盘间空化区的形态及其变化。织构空化压力测量盘8和玻璃盘14均设置于油槽17的润滑油18中。

其工作原理如下：关闭磁力压杆6的磁力开关，将所述测量盘的锥形槽面与磁力压杆6下端球面贴合，打开磁力开关，调节加载单元4上弹簧，使所述测量盘8与玻璃盘14面刚好接触；调节加载单元4下弹簧向所述测量盘8施加向下的力，利用拉力计标记载荷；施压后，读取微型压力传感器11传回计算机的数据直到数据稳定不变后记录；驱动伺服电机16带动玻璃盘14转动，利用显微干涉观测单元2观察空化现象，当出现大片气穴(空化)并覆盖传感器工作面时，记录微型压力传感器11所测的压力变化曲线。

流程如图5所示，分三个流程，其中第一和第三个流程详细介绍可参见专利200810249672.0微型滑块轴承润滑油膜测量仪。第二个流程为本实用新型主要设计部分，它由USB-5395数据采集卡、信号调理电路和四个微型压力传感器组成。使用压力传感器对空化压力进行测量，将力信号转变为电压信号，再将电压信号输入到信号调理电路处理，处理后的电压信号再由USB-5935数据采集卡转变为数字信号输入到数据处理系统中，经数据处理后在工控机上显示出来。

一种利用织构化轴承间空化压力的测量装置的测量方法，包括如下步骤：

第一步，调换织构压力测量盘8：关闭磁力压杆6的磁力开关，将测量盘锥形槽面与压杆下端球面贴合，打开磁力开关，调节加载单元上弹簧，观察气穴现象采集窗口，当干涉条纹若有似无时，认定测量盘与玻璃盘14面刚好接触，此时上弹簧弹力刚好平衡了测量盘与压板9自重；

第二步，施加压力：拉力计置零后，调节加载单元4下弹簧向测量盘施加向下的力，此时图像采集窗口干涉条纹消失，出现全亮或者全暗现象，利用拉力计标记载荷；

第三步，读取初始压力：施压后，读取微型压力传感器11传回计算机的数据直到数据稳定不变后记录；

第四步，测得空化压力变化曲线：驱动伺服电机16带动玻璃盘14转动，利用显微干涉观测单元2观察空化现象，当出现大片气穴即空化并覆盖传感器工作面时，记录微型压力传感器11所测的压力变化曲线。

上述虽然结合附图对本实用新型的具体实施方式进行了描述，但并非对本实用新型保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本实用新型技术方案基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本实用新型的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种织构化轴承间空化压力的测量装置，包括机架，机架上的试验台上设置有圆盘回装单元，圆盘回装单元下方设置有与其相对应的显微观测单元，其特征是，圆盘回装单元上部设置有与其相对应的织构空化压力测量单元，织构空化压力测量单元与安装于机架上的加载单元相连；

所述织构空化压力测量单元包括磁力压杆、织构空化压力测量盘和压板，磁力压杆上端与压板固定连接，磁力压杆下端为圆球形，该圆球形端部通过与织构空化压力测量盘中心处的锥形槽配合形成自调心机构，使加载后织构空化压力测量盘与其下部的圆盘回装单元的玻璃盘自行形成平行状态。

2.如权利要求1所述的织构化轴承间空化压力的测量装置，其特征是，所述织构空化压力测量盘与圆盘回装单元的玻璃盘表面相对应接触的面为工作面，另一面为安装面。

3.如权利要求2所述的织构化轴承间空化压力的测量装置，其特征是，所述织构空化压力测量盘的安装面上设置有一阻止织构空化压力测量盘随圆盘回装单元的玻璃盘转动的阻挡件。

4.如权利要求3所述的织构化轴承间空化压力的测量装置，其特征是，所述阻挡件为一杆状的阻旋杆，阻旋杆固定设置于织构空化压力测量盘上，且阻旋杆的高度大于织构空化压力测量盘上表面与压板下表面之间的垂直距离。

5.如权利要求2所述的织构化轴承间空化压力的测量装置，其特征是，所述织构空化压力测量盘的安装面上还沿织构空化压力测量盘的中心对称设置有若干微型压力传感器，微型压力传感器通过数据采集卡将数据传回工控机。

6.如权利要求2所述的织构化轴承间空化压力的测量装置，其特征是，所述织构空化压力测量盘的工作面上设置有表面纹理。

7.如权利要求6所述的织构化轴承间空化压力的测量装置，其特征是，所述表面纹理为均布的凹槽或凸起。

8.如权利要求7所述的织构化轴承间空化压力的测量装置，其特征是，所述凹槽为矩形或波纹形或圆形，所述凹槽深度为5μm。

9.如权利要求7所述的织构化轴承间空化压力的测量装置，其特征是，所述凸起为矩形，高度为5μm。

10.如权利要求1所述的织构化轴承间空化压力的测量装置，其特征是，所述圆盘回装单元的玻璃盘的下方设置有高速摄像机。