CN207095507U - 微型滑块轴承润滑油膜测量倾角调节装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种微型滑块轴承润滑油膜测量倾角调节装置，包括双层的机架以及设置在机架上的显微干涉测量单元、玻璃盘回转调整单元、微型滑块固定调节单元与加载单元，所述机架用于支撑和固定各个部件。利用紧定螺钉对玻璃盘进行调平，将微型滑块与玻璃盘接触，同步带轮带动玻璃盘旋转，通过在显示器上显示的接触区光学图像中是否出现干涉条纹来判定两接触表面是否完全平行。根据预先标定的在特定倾角条件下各压电陶瓷致动器所需的工作电压来对压电陶瓷驱动电源进行快速设定，进而使玻璃盘在压电陶瓷致动器作用下发生偏转，因而快速得到所需要的接触倾角。倾角大小及方向的调节效率和精度均得到很大的提升。
Description
技术领域
本实用新型属于低副接触流体润滑油膜的实验测量技术领域，涉及一种微型滑块轴承润滑油膜测量倾角调节装置。
背景技术
在工业应用领域中，油膜润滑是一个极其重要的研究内容。这种润滑方式是借助于在两摩擦表面之间形成分隔油膜，以减少表面磨损。润滑油膜的实验研究主要针对于摩擦副之间的油膜厚度和形状。根据接触力学特征，油膜润滑中的两摩擦表面的接触状态可以分为高副接触(点接触，线接触)和低副接触(面接触)。在高副接触中，对油膜厚度及其形状的测量方法已经有很多，例如电容法，光干涉法等。在低副接触中，摩擦副一般有两种形式，一种是轴颈和轴套配合的径向滑动轴承，另外一种是两平面接触的滑块轴承。其中，径向滑动轴承的油膜厚度测量在面接触润滑油膜厚度测量系统中最为常见，例如光纤位移传感器法，超声共振法等，另外还有测量轴套或轴径位移的间接方法。此外，相当多的基于流体润滑油膜厚度的基础理论是以平面接触的滑块轴承为数学模型进行的。两平面间的倾角作为研究理论的基本参数之一，它所对应的基础实验研究要求在测试过程中倾角要作为一个不变量。
现有的平面滑块轴承油膜厚度测量系统在平面间的微小倾角调节存在一定的局限性：(1)采用的柔性多自由度连接机构为十字头，导致机构下端滑块自由度受到限制；(2)采用一组均布螺杆来手动调节调节盘，过程繁琐，可重复性差，且由于改变的是系统的弹性变形量，导致倾角易受弹性变形量跳动的影响；(3)玻璃盘上下表面均采用橡胶垫并不能很好地平衡轴承系统的跳动和摆动。
实用新型内容
为了达到上述目的，本实用新型提供一种微型滑块轴承润滑油膜测量倾角调节装置，可以很容易的测定微型滑块工作面与透明光学玻璃盘之间的倾角，且倾角大小及方向的调节效率和精度均得到很大的提升。
本实用新型所采用的技术方案是，微型滑块轴承润滑油膜测量倾角调节装置，包括双层的机架以及设置在机架上的显微干涉测量单元、玻璃盘回转调整单元、微型滑块固定调节单元与加载单元，所述机架用于支撑和固定各个部件；所述玻璃盘回转调整单元设置在机架上层表面，玻璃盘回转调整单元包括轴承，轴承的内外表面分别设置轴承内套、轴承外套，轴承外套外凸肩处均布6块压电陶瓷致动器用来对整个单元进行偏转调节，轴承内套内凸肩处放置碟簧，碟簧向上依次设置玻璃盘、和玻璃盘压盘，玻璃盘压盘位于玻璃盘上圆周面，玻璃盘上下边缘均布碟簧；紧定螺钉设置在玻璃盘压盘内用于对玻璃盘进行预固定和初步调平；同步带轮通过轴承与玻璃盘连接从而带动玻璃盘转动；所述显微干涉测量单元设置在机架底层且位于玻璃盘的下方；所述微型滑块固定调节单元设置在玻璃盘上面，所述微型滑块固定调节单元包括滑块座，滑块座底部固定微型滑块，微型滑块底部与两侧均设置保护垫片，微型滑块与保护垫片之间通过螺钉固定；滑块座的上部设置有柔性多自由度连接机构，柔性多自由度连接机构上部与压板下端连接；所述加载单元包括压板，压板的一端固定在压板支座的轴承座上轴承连接，压板的中部竖直设置有平衡机构，平衡机构下方设置有弹簧，弹簧位于压板支座与压板之间；所述压板支座连接到机架上层表面并处于中轴线上。
进一步的，所述轴承上端设置有轴承压盖。
进一步的，所述玻璃盘和玻璃盘压盘之间设置有垫片。
进一步的，所述压电陶瓷致动器上下表面设置有致动器垫片。
进一步的，通过轴承外套外凸肩处6个固定螺栓，将轴承外套连接到机架上层表面并处于中轴线上。
进一步的，所述柔性多自由度连接机构为球轴承连接杆。
进一步的，所述显微干涉测量单元包括支架、精密平移台、同轴光照明显微镜、显微镜套筒与CCD，所述支架上固定精密平移台，精密平移台上通过显微镜套筒固定同轴光照明显微镜，CCD设置在同轴光照明显微镜的下方，并使得同轴光照明显微镜正对微型滑块与玻璃盘的接触区；所述精密平移台设置有三个且相互叠装。
本实用新型的有益效果是：
1.柔性多自由度连接机构为球轴承连接杆，与十字头相比，可以使下端滑块具有更多的自由度，使得滑块座调节更具有灵活性，容易得到初始倾角。
2.透明圆盘上下表面采用碟簧作为弹性元件，与橡胶垫相比，变形量范围更广，能够更好地平衡掉轴承系统在运转过程中的跳动和摆动，使得在动态条件下倾角更为稳定。
3.在本实用新型中采用预先固定滑块位置，然后通过压电陶瓷致动器对整个回转单元进行偏转调节进而实现倾角调节。且与以往固定透明圆盘位置，通过调节滑块位置来实现倾角调节的方式相比，新方法具有更高的精度，且更加简便。只要预先标定好特定倾角下各个压电陶瓷致动器所需的电压数值，可以直接通过施加特定电压值来实现倾角的快速设置，即可实现倾角的快速调节，同时倾斜面两侧高度差调节精度为0.1微米。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本实用新型实施例微型滑块轴承润滑油膜测量倾角调节装置的立体图。
图2是本实用新型实施例微型滑块与玻璃盘接触部分立体图。
图3是图2的主剖视图。
图4是本实用新型实施例微型滑块固定调节单元的立体图。
图5是本实用新型实施例玻璃盘回转调整单元的结构示意图。
图6是本实用新型实施例玻璃盘回转调整单元偏转调节示意图。
图7是本实用新型实施例微型滑块倾角调节示意图。
图8是本实用新型实施例调节得到的不同倾角的干涉图。
图9是本实用新型实施例显微干涉测量单元结构图。
图10是本实用新型实施例平衡机构处的结构示意图。
图中，1.微型滑块固定调节单元，101.滑块座，102.球轴承连接杆，103.微型滑块，104.保护垫片，105.螺钉，2.玻璃盘回转调整单元，201.玻璃盘，202.紧定螺钉，203.玻璃盘压盘，204.垫片，205.碟簧，206.轴承外套，207.轴承，208.同步带轮，209.轴承内套，210.轴承压盖，211.压电陶瓷致动器，212.致动器垫片，213.固定螺栓，3.显微干涉测量单元，301.支架，302.精密平移台，303.同轴光照明显微镜，304.显微镜套筒，305.CCD，4.加载单元，401.压板，402.压板支座，403.平衡机构，404.轴承座，405.弹簧，5.机架；211-1至211-6分别为第一压电陶瓷致动器至第六压电陶瓷致动器；211-1’至211-6’为第一压电陶瓷致动器至第六压电陶瓷致动器各自的输出位移增加时接触区干涉条纹的变化。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
微型滑块轴承润滑油膜测量倾角调节装置，结构如图1所示，包括双层的机架5以及设置在机架5上的显微干涉测量单元3、玻璃盘回转调整单元2、微型滑块固定调节单元1与加载单元4。机架5用于支撑和固定各个部件。
玻璃盘回转调整单元2设置在机架5上层表面，玻璃盘回转调整单元2用于固定和调节光学透明的玻璃盘201同时使其转动，如图2、3、5所示，在玻璃盘201上下表面均用弹性元件-碟簧205作为缓冲装置；同时利用压电陶瓷致动器211的逆压电效来对整个玻璃盘回转调整单元2进行极小的偏转调节。具体来说，玻璃盘回转调整单元2是由玻璃盘201、紧定螺钉202、玻璃盘压盘203、垫片204、碟簧205、轴承外套206、轴承207、同步带轮208、轴承内套209、轴承压盖210、压电陶瓷致动器211和致动器垫片212组成。其中，轴承207的内外表面分别设置轴承内套209、轴承外套206，轴承207上端设置有轴承压盖210；位于轴承外套206外凸肩处的6块压电陶瓷致动器211被用来对整个单元进行偏转调节，进而达到精确调节倾角的目的。轴承内套209内凸肩处放置碟簧205，随后向上依次设置玻璃盘201、垫片204和玻璃盘压盘203，玻璃盘压盘203位于玻璃盘201上圆周面；紧定螺钉202设置在玻璃盘压盘203内对玻璃盘201进行预固定和初步调平。同步带轮208通过轴承207带动玻璃盘201转动，玻璃盘201上下边缘通过均布碟簧205来抵消轴承系统在运转过程中的跳动和摆动。玻璃盘压盘203配合紧定螺钉202来对玻璃盘201进行调平。如图6所示，轴承外套206与机架5之间的压电陶瓷致动器211上下表面设置有致动器垫片212。压电陶瓷致动器211与压电陶瓷驱动电源连接。
显微干涉测量单元3，如图9所示，设置在机架5底层且位于玻璃盘201的下方，用于测量和显示润滑油膜的厚度与形状。具体来说包括支架301、精密平移台302、同轴光照明显微镜303、显微镜套筒304与CCD305，
微型滑块固定调节单元1通过球轴承连接杆102连接到加载单元4中的压板401的正下方；加载单元4通过压板支座402连接到机架5上层表面并处于中轴线上；玻璃盘回转调整单元2通过轴承外套206外凸肩处6个固定螺栓213连接到机架5上层表面并处于中轴线上，通过调节平衡机构403中弹簧的压缩量，使得位于压板401下方的微型滑块固定调节单元1上的微型滑块103与玻璃盘回转调整单元2上的玻璃盘201处于轻微接触状态；显微干涉测量单元3，包括精密平移台302、同轴光照明显微镜303、显微镜套筒304、CCD305，显微干涉测量单元3通过支架301安装在机架5下层表面上，并使得同轴光照明显微镜303正对微型滑块103与玻璃盘201的接触区。具体的说，支架301上固定精密平移台302，精密平移台302上通过显微镜套筒304固定同轴光照明显微镜303，CCD305设置在同轴光照明显微镜303的下方。
显微干涉测量单元3的工作过程是，激光通过同轴光照明显微镜303上端与镜筒轴线垂直的入光口后经45°半反半透镜照射到垂直照射到接触区，其反射光线在经过同轴光照明显微镜303下端的45°反射镜再次反射到接触区，这两束光发生干涉，干涉光被CCD305所采集并转换为电信号，再经过图像采集卡进行数据转换就可以在显示器上看到干涉条纹了。
通过三个叠装的精密平移台302来调节同轴光照明显微镜303最佳的观察位置。入射光通过同轴光照明显微镜303物镜照射到接触区产生干涉条纹并被CCD305捕获，经相关处理即可在计算机中显示油膜厚度和形状。
微型滑块固定调节单元1，如图2-4所示，设置在玻璃盘201上面，包括用于固定和调节微型滑块103；微型滑块103通过滑块座101与柔性多自由度连接机构连接；用柔性多自由度连接机构初步调节和固定微型滑块103的倾角；柔性多自由度连接机构优选球轴承连接杆102；具体来说，微型滑块固定调节单元1包括滑块座101，滑块座101底部固定微型滑块103，微型滑块103底部与两侧均设置保护垫片104，微型滑块103与保护垫片104之间通过螺钉105固定；滑块座101的上部设置有球轴承连接杆102，球轴承连接杆102上部与压板401下端连接。
加载单元4，用于对微型滑块103与玻璃盘201接触后的润滑表面施加载荷。由压板401，压板支座402和平衡机构403组成。用于接触区载荷的施加，并通过平衡机构403内部弹簧的弹性力来抵消掉压板的自重，实现载荷的精确加载。加载单元4包括压板401，压板401的一端固定在压板支座402的轴承座404上轴承连接，压板401的中部竖直设置有平衡机构403，平衡机构403下方设置有弹簧405，弹簧405位于压板支座402与压板401之间，详见附图10。
微型滑块轴承润滑油膜测量倾角调节方法，具体按照以下步骤进行：
步骤1，微型滑块静态倾角的调节
微型滑块103在微小作用力下使其下表面与玻璃盘201上表面接触，球轴承连接杆102使微型滑块103和玻璃盘201自动实现平行面接触状态，通过球轴承连接杆102上的螺钉105来固定滑块座101所处位置，同时通过压电陶瓷致动器211的逆压电效应对玻璃盘回转调整单元2进行纳米级的偏转调节，可以在位于玻璃盘201下方的显微干涉测量单元3中观察到两平面所形成的干涉条纹，条纹数的多少反映了两平面间倾角的大小；
步骤2，微型滑块动态倾角稳定性的调节
当同步带轮208带动玻璃盘201以预定角速度转动时，观察接触区条纹的变动，若发生变化则说明轴承207在转动过程中产生跳动和摆动，此时应旋转玻璃盘压盘203上的紧定螺钉202来施加预紧力，提升轴承207的旋转精度，使接触区条纹数在玻璃盘201转动过程中保持稳定，进而达到倾角的精确调节；
3)实验过程中倾角的设定
在实验过程中，有时需要变动倾角来改变实验参数，以此来满足研究需求，可以通过驱动电源来重新设定压电陶瓷致动器211的工作电压，使得压电陶瓷致动器211的位移量发生改变，因而倾角得以重新设定。
实施过程如下：
以紧定螺钉202来对玻璃盘201进行预固定和初步调平。
调节压板支座402，得到预先设定的微型滑块103相对于玻璃盘201的回转半径r，并将压板401旋转到正常工作位置，通过平衡机构403来平衡掉压板的自重，使得微型滑块103与玻璃盘201的接触去内载荷接近于0。随后将砝码直接放置在位于接触区正上方的压板401上，实现载荷的定量加载。
接下来调节压电陶瓷致动器211的控制电压。根据预先标定的在特定倾角下特定位置处压电陶瓷致动器211所需的工作电压值，来快速设置压电陶瓷驱动电源(如图5)，从而得到预定的倾角。
当同步带轮208带动玻璃盘201以预定角速度转动时，观察接触区条纹的变动，若发生变化则说明轴承在转动过程中产生跳动和摆动，此时应旋转玻璃盘压盘203上的紧定螺钉202来施加预紧力，提升轴承的旋转精度，使接触区条纹数在圆盘转动过程中保持稳定，进而达到倾角的精确调节。
在预定速度运行一段时间后，停止玻璃盘201转动，记录光强变化，通过计算机处理后即可得到最小油膜厚度。
具体玻璃盘回转调整单元2偏转调节的过程，如图6所示：
固定螺栓213简化为刚性螺栓和一弹性体，并假设该弹性体的弹性系数为k1，压电陶瓷致动器211由于本身为位移发生器，故也可认为其为刚体，再设致动器垫片212的弹性系数为k2，两对称布置的压电陶瓷致动器①和②之间的距离为B，机架5为刚体。当给压电陶瓷致动器①和②施加不同工作电压U1和U2时，压电陶瓷致动器①和②将产生不同的位移量y1和y2(令y1<y2)，位移差为y＝y2-y1。由于两级弹性体k1、k2串联，当k2远小于k1时，便可以将位移差y缩小为y′后传递到玻璃盘回转调整单元2，进而实现纳米级的偏转调节，倾角的正弦值即为y′/B。相关推导如下：
当致动器未通电时，由受力平衡可得：
k1x1＝k2x2 (1)
其中，x1和x2为初始平衡状态时固定螺栓213和致动器垫片212各自的形变量；
当压电陶瓷致动器①和②施加不同工作电压U1和U2时，压电陶瓷致动器①和②将产生不同的位移量y1和y2(令y1<y2)，令位移差为y＝y2-y1，根据受力平衡可得：
k1(x1+y')＝k2(x2+y-y') (2)
经整理，得：
其中，y′是玻璃盘回转调整单元2的偏转量。
例如螺栓采用碳钢，致动器垫片212采用尼龙，这两者的弹性模量比值将近200，因而y′和y相差两个数量级。在本设计中，所采用的致动器的标称位移仅为2.4±10％微米，因而能实现纳米级的调节。
图7、8联合给出了滑块与玻璃盘之间倾角调节的示意图，如图7所示：当同步带轮驱动玻璃盘顺时针转动时，编号为211-1至211-6的压电陶瓷致动器在压电陶瓷驱动电源的控制下输出位移产生变化，使得微型滑块103与玻璃盘201之间的倾角发生变化，接触区的光干涉条纹也随之发生变化。图8所示的是当211-1至211-6的压电陶瓷致动器各自的输出位移增加时接触区干涉条纹的变化，例如：当2号致动器输出位移增加时条纹变疏，当5号致动器输出位移增加时条纹变密，当1、3、4、6号致动器输出位移增加时条纹会发生一定角度的偏转。
本实用新型首先利用紧定螺钉202对玻璃盘201进行调平，然后将微型滑块103与玻璃盘201接触，并在接触区添加一些润滑剂。随后同步带轮208带动玻璃盘201旋转，通过在显示器上显示的接触区光学图像中是否出现干涉条纹来判定两接触表面是否完全平行。当两表面完全平行后，根据预先标定的在特定倾角条件下各压电陶瓷致动器211所需的工作电压来对压电陶瓷驱动电源进行快速设定，进而使玻璃盘201在压电陶瓷致动器211作用下发生偏转，因而快速得到所需要的接触倾角。其后，选取干涉条纹中靠近出口处的一点，记录其在停机过程中的光强值并保存下来，经过现有的算法的处理即可得到最小油膜厚度。
本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并非用于限定本实用新型的保护范围。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本实用新型的保护范围内。
Claims (7)
1.微型滑块轴承润滑油膜测量倾角调节装置，其特征在于，包括双层的机架(5)以及设置在机架(5)上的显微干涉测量单元(3)、玻璃盘回转调整单元(2)、微型滑块固定调节单元(1)与加载单元(4)，所述机架(5)用于支撑和固定各个部件；
所述玻璃盘回转调整单元(2)设置在机架(5)上层表面，玻璃盘回转调整单元(2)包括轴承(207)，轴承(207)的内外表面分别设置轴承内套(209)、轴承外套(206)，轴承外套(206)外凸肩处均布6块压电陶瓷致动器(211)用来对整个单元进行偏转调节，轴承内套(209)内凸肩处放置碟簧(205)，碟簧(205)向上依次设置玻璃盘(201)、和玻璃盘压盘(203)，玻璃盘压盘(203)位于玻璃盘(201)上圆周面，玻璃盘(201)上下边缘均布碟簧(205)；紧定螺钉(202)设置在玻璃盘压盘(203)内用于对玻璃盘(201)进行预固定和初步调平；同步带轮(208)通过轴承(207)与玻璃盘(201)连接从而带动玻璃盘(201)转动；
所述显微干涉测量单元(3)设置在机架(5)底层且位于玻璃盘(201)的下方；
所述微型滑块固定调节单元(1)设置在玻璃盘(201)上面，所述微型滑块固定调节单元(1)包括滑块座(101)，滑块座(101)底部固定微型滑块(103)，微型滑块(103)底部与两侧均设置保护垫片(104)，微型滑块(103)与保护垫片(104)之间通过螺钉(105)固定；滑块座(101)的上部设置有柔性多自由度连接机构，柔性多自由度连接机构上部与压板(401)下端连接；
所述加载单元(4)包括压板(401)，压板(401)的一端固定在压板支座(402)的轴承座(404)上轴承连接，压板(401)的中部竖直设置有平衡机构(403)，平衡机构(403)下方设置有弹簧(405)，弹簧(405)位于压板支座(402)与压板(401)之间；所述压板支座(402)连接到机架(5)上层表面并处于中轴线上。
2.根据权利要求1所述的微型滑块轴承润滑油膜测量倾角调节装置，其特征在于，所述轴承(207)上端设置有轴承压盖(210)。
3.根据权利要求1所述的微型滑块轴承润滑油膜测量倾角调节装置，其特征在于，所述玻璃盘(201)和玻璃盘压盘(203)之间设置有垫片(204)。
4.根据权利要求1所述的微型滑块轴承润滑油膜测量倾角调节装置，其特征在于，所述压电陶瓷致动器(211)上下表面设置有致动器垫片(212)。
5.根据权利要求1所述的微型滑块轴承润滑油膜测量倾角调节装置，其特征在于，通过轴承外套(206)外凸肩处6个固定螺栓(213)，将轴承外套(206)连接到机架(5)上层表面并处于中轴线上。
6.根据权利要求1所述的微型滑块轴承润滑油膜测量倾角调节装置，其特征在于，所述柔性多自由度连接机构为球轴承连接杆(102)。
7.根据权利要求1所述的微型滑块轴承润滑油膜测量倾角调节装置，其特征在于，所述显微干涉测量单元(3)包括支架(301)、精密平移台(302)、同轴光照明显微镜(303)、显微镜套筒(304)与CCD(305)，所述支架(301)上固定精密平移台(302)，精密平移台(302)上通过显微镜套筒(304)固定同轴光照明显微镜(303)，CCD(305)设置在同轴光照明显微镜(303)的下方，并使得同轴光照明显微镜(303)正对微型滑块(103)与玻璃盘(201)的接触区；所述精密平移台(302)设置有三个且相互叠装。
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