CN207456651U - 一种不同滑滚比下润滑薄膜摩擦力与磨损过程测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于不同滑滚比下高副接触润滑薄膜摩擦力与磨损测量领域，特别涉及一种不同滑滚比下润滑薄膜摩擦力与磨损过程的测量装置，其主体结构包括支撑平台、圆盘驱动装置、球驱加载回转装置、回转装置、磨损测量装置、平移装置、测速装置和传感器固定装置，回转装置置于球驱加载装置的下侧，用以支撑和带动球驱加载装置转动，使球驱加载装置上的钢球转动到磨损测量装置的玻璃盘上，然后直接用以对磨损表面进行形貌测量，其整体设计构思巧妙，各装置之间布局合理，功能多样、切换灵活使用方便，能够对油膜摩擦力和磨损过程情况完成测量，实用性强，同时应用环境友好，市场前景广阔。

Description

一种不同滑滚比下润滑薄膜摩擦力与磨损过程测量装置

技术领域:

本实用新型属于不同滑滚比下高副接触润滑薄膜摩擦力与磨损测量领域，特别涉及一种不同滑滚比下润滑薄膜摩擦力与磨损过程的测量装置，能够对不同相对运动条件下高副接触零部件的摩擦磨损过程进行模拟测量。

背景技术:

探索相对运动的机械零部件间的摩擦磨损机制是摩擦学领域研究的重点。国内外学者围绕该问题开展了大量研究，以期在揭示摩擦磨损机制的基础上进行优化的摩擦学和润滑介质设计。然而，在零部件摩擦磨损过程中，接触副内的真实接触状态无法直接测量，这给揭示摩擦磨损机理带来了困难。另外，新型表面涂层和新型润滑材料的摩擦学性能也需要借助摩擦磨损数据进行定量表征。例如，不同运动状态和运动过程对处于混合润滑状态下表面粗糙度演化的影响，对处于边界润滑状态下表面吸附膜的影响，都需要定量测量。目前采用的摩擦磨损测量装置，一方面试样的表观形貌需要离线观察，无法对摩擦磨损过程中的表观形貌演化过程进行实时测量；另一方面无法同时实现不同滑滚比条件下摩擦力、膜厚和磨损的同时测量。已有的不同滑滚比条件下摩擦力和膜厚测量装置加载板运动不稳定对摩擦力测量产生扰动，同时张紧线在拉力作用下限制了润滑油膜的自由提升，使得膜厚数据测量不准确。

因此，为克服现有技术存在的缺陷，开发一种切实可行的实验装置对不同滑滚比条件下润滑薄膜摩擦力及磨损进行准确测量，因此设计了一种不同滑滚比条件下润滑油薄膜摩擦力和磨损测量模拟装置，能够实现润滑薄膜摩擦力和磨损过程的同时测量。

实用新型内容

为克服现有技术存在的缺陷，开发一种新的测量装置对不同滑滚比下润滑薄膜摩擦力和磨损过程进行准确测量，以用于揭示处于不同润滑状态下的摩擦学特性,在对不同滑滚比下润滑薄膜摩擦力和磨损过程研究中，为了简化分析将滚动体与轴承滚道的接触等效为滚动体与平面的接触，设计制备一种不同滑滚比下润滑薄膜摩擦力与磨损过程测量装置。

为解决上述技术问题，本实用新型涉及的不同滑滚比下润滑薄膜摩擦力与磨损过程测量装置的主体结构包括：支撑平台、圆盘驱动装置、球驱加载装置、回转装置、磨损测量装置、平移装置、测速装置和传感器固定装置，所述支撑平台的主体结构包括上平台、下平台、支撑柱、支撑脚和贯穿孔，所述上平台和下平台均为方形结构金属结构，并且上平台和下平台的长度与宽度相等，所述上平台和下平台之间通过四角处的圆柱形金属支撑柱连接，所述下平台的下侧面固定置有用以支撑底座的支撑脚，用以调平整个装置和防止下平台与地面接触，并且提高搬运的便捷性，所述上平台靠近左边沿中间处开有圆形贯穿孔，用以放置圆盘驱动装置。

本实用新型所述的圆盘驱动装置于支撑平台的上侧靠近左边沿处，其主体结构包括：圆钢盘、从动带轮、主轴、圆盘压盖、盘驱电机支座、盘驱电机、主动带轮、底座固定孔和法兰盘，圆柱形的圆钢盘置于主轴的上端，用以与钢球构成高应力点接触弹流接触副，所述圆钢盘的上下侧分别置有用以固定圆钢盘的金属材质的圆盘压盖，用以对圆钢盘进行固定，使圆钢盘只能够跟随主轴转动，所述主轴上靠下处置有法兰盘，所述法兰盘通过螺栓固定于贯穿孔上，用以将圆盘驱动装置固定在上平台上，所述法兰盘和钢盘下侧的圆盘压盖之间的主轴上套有用以保护主轴的圆柱形空心套筒，所述主轴的下端置有圆形从动带轮，所述从动带轮位于贯穿孔的下侧，所述下平台中间处长方形阵列式分布有用以固定盘驱电机支座的底座固定孔，所述盘驱电机支座包括两块左右对置分布的L形侧板和一块方形顶板，L形侧板下侧的横板固定在下平台的上的底座固定孔上，用以支撑和固定盘驱电机，所述盘驱电机支座能够根据与从动带轮的位置需要来水平调整位置，用以为圆钢盘提供动力的盘驱电机固定置于盘驱电机支座的两块L形侧板之间，并且盘驱电机的输出轴上端穿过盘驱电机支座的顶板，所述盘驱电机的输出轴上端固定有用以将动力传递至从动带轮的主动带轮，所述主动带轮与从动带轮直接连接有传动带。

本实用新型所述的球驱加载装置位于圆盘驱动装置的后侧，用以驱动钢球，实现钢球在圆钢盘上的加载，所述钢球与圆钢盘构成摩擦副，并通过圆盘驱动装置和加载回转装置的配合用以来测量摩擦副在不同滑滚比下润滑薄膜的摩擦力；所述球驱加载装置的主体结构包括：钢球、球轴、轴承支座、伺服电机从动轮、伺服电机、伺服电机主动轮、电机支座、加载板、球轴系上外套、球轴系下外套、弹簧上支座、砝码；所述钢球右侧与用以固定钢球的球轴连接，并且钢球的位于圆钢盘的下表面，所述球轴的右端贯穿过两个圆形轴承支座与伺服电机从动轮传动连接，所述轴承支座之间的球轴置有方形结构的球轴系上外套和球轴系下外套，所述球轴系上外套位于球轴系下外套的上侧并与其通过螺栓固定连接，用以支撑和保护球轴；所述伺服电机从动轮通过传动带与其正上方的伺服电机主动轮连接，所述伺服电机主动轮位于L形电机支座的立板右侧并通过转轴与L形电机支座的立板左侧的伺服电机连接，所述伺服电机用以给钢球转动提供动力，所述长方形的加载板的左端通过六角螺钉固定连接于电机支座的竖板右侧外表面靠下边沿处，所述加载板的右端穿过传动带的空隙向右延伸，用以放置砝码来控制钢球的加载力；所述圆柱形弹簧上支座的上端与球轴系下外套的下侧表面固定连接，用以支撑整个球驱加载装置，通过增加砝码来使弹簧上支座发生形变，从而控制钢球作用于圆钢盘的力的大小，所述弹簧上支座的下端与回转装置的上端固定连接，用以通过回转装置带动球驱加载装置旋转。

本实用新型所述的回转装置置于球驱加载装置的下侧，用以支撑和带动球驱加载装置转动，使球驱加载装置上的钢球转动到磨损测量装置的玻璃盘上，然后用以对磨损表面进行形貌测量，所述回转装置的主体的结构包括加载轴、加载轴承、加载轴承支座、弹簧下支座、回转轴、弹簧支撑板、法兰盘、回转板和圆柱弹簧；回转轴的上端的左右两侧分别置有一个正置的轴承支座，轴承支座的中间处嵌入式置有加载轴承，两个加载轴承之间通过固定于回转轴上端的加载轴连接，使加载轴承支座能够绕加载轴转动，所述加载轴承支座的下端置有水平放置的弹簧支撑板，所述弹簧支撑板的左端与回转轴螺栓连接，所述弹簧支撑板右端上表面上置有柱形弹簧下支座，所述弹簧下支座的上端置有提供弹性支撑力的圆柱弹簧，所述圆柱弹簧的上端与弹簧上支座的下表面连接，用以通过弹力支撑球驱加载装置，在加载板加载砝码后，在砝码重力作用下圆柱弹簧发生形变，进而导致球驱加载装置发生倾斜，加载轴承支座也同步发生倾斜，进一步使钢球的加载力发生变化，来完成钢球的加载；所述圆形回转法兰盘套在回转轴上并且位于弹簧支撑板的下侧；所述回转法兰盘通过盘体四周的固定孔与平移板上的固定连接，用以固定整个回转装置，使其只能够绕回转轴转动，所述紧靠近法兰盘下端的回转轴上套有角接触球轴承 (图中未表示出)，所述角接触球轴承的外侧套有柱形套筒，所述回转轴的下端贯穿过上平台并位于上平台的下侧，并且回转轴的下端的前后侧面为平滑切面结构，所述回转轴下端的平滑切面结构上螺栓连接有水平放置的回转板，所述回转板上连接有传感器，所述圆钢盘与钢球之间相互作用的摩擦力带动使球驱加载装置产生绕弹簧上支座的转动，进一步带动回转轴转动，使回转轴再带动回转板转动，通过与回转板连接的传感器测出的力的数值即为圆钢盘与钢球之间的摩擦力的数值。

本实用新型所述的磨损测量装置包括图像采集装置和玻璃盘固定装置，用以通过光干涉法测量磨损，所述图像采集装置的主体结构包括：CCD图像传感器、显微镜、X-Y平移座、长杆、调焦支架、连接板和采集装置固定座；所述玻璃盘固定装置的主体结构包括玻璃盘压盖、玻璃盘、玻璃盘支撑和支撑法兰盘；所述采集装置固定座包括两块对置放置并通过螺栓固定于平移板的立板和一块固定于立板上侧的横板，所述所述横板的上侧固定置有方形结构的X-Y平移座，X-Y 平移座的上端置有方形金属结构的连接板，用以支撑置于其上侧面的圆柱形长杆，所述调焦支架的右端开有与圆柱形长杆匹配的贯穿孔，并通过该贯穿孔与长杆套入式连接，所述调焦支架的后端的左右两侧置有调微旋钮，用以精细调整显微镜，所述调焦支架的左端开有圆形贯穿孔，并通过该贯穿孔与显微镜套入式连接，所述显微镜位于玻璃盘的上方，用以观察玻璃盘与钢球间的干涉图像，所述显微镜的上端置有用以记录显微镜观察到的图像信息的CCD图像传感器，实现对观测图像的时时采集；在进行油膜厚度测量后，将球驱加载装置上的钢球转动到显微镜的下端，并且紧靠近玻璃盘，继续进行磨损试验的在线测量，每进行一个油膜厚度的实验都能够通过将回转轴旋转90度在同样加载量(不将砝码拿下)下，即时测量磨损。

本实用新型所述的平移装置位于上平台上靠右处，其主体结构包括：导轨、滑块、平移板、螺纹前座、螺纹后座、平移螺杆、通孔和贯穿孔，所述所述平移螺杆通过左右两端的螺纹前座和螺纹后座固定于上平台的下表面上，所述上平台与平移螺杆对应位置处开有贯穿结构的贯穿孔，平移螺杆固定置于贯穿孔的下侧，所述平移板与平移螺杆活动式连接，并只能够沿平移螺杆左右移动，所述平移板的下端置有用以带动平移板滑动的滑块，所述长条状导轨位于上平台的前后边沿处，所述滑块与导轨活动式连接，能够使滑块沿导轨左右移动，进一度带动平移板左右移动，进一步调节钢球与圆钢盘的相对位置，以实现了圆钢盘回转半径的调整。

本实用新型所述的测速装置位于圆盘驱动装置驱动装置的正下方，用以测定主轴的转速，其主体结构包括：编码器固定架、联轴器和旋转编码器，所述编码器固定架包括两块对置式放置的倒L形立板和一块连接L形立板下端的横板，所述立板通过螺栓连接固定于上平台的底部，所述联轴器的上端与主轴的尾端连接并且联轴器的底部置于编码器固定架的横板的上侧来形成支撑，所述联轴器的下端穿过编码器固定架的横板与横板下侧的旋转编码器连接，通过旋转编码器来测定主轴的转速。

本实用新型所述的传感器固定调节装置位于上台面下方，用以对不同转速的圆钢盘和钢球之间的摩擦力进行测量，其主体结构包括：传感器固定板(图中未示出)和传感器(图中未示出)；所述两个器固定板对称式分布于回转板的前后两侧，并且固定于上平台的底面上，用以支撑和固定传感器，所述每一传感器固定板上均固定置有传感器，并且传感器与回转板直接接触形成刚性连接，用以对圆钢盘和钢球之间的摩擦力进行准确测量，中心对称的双传感器的作用是：当圆钢盘相对速度是逆时针方向时，回转板与左边的传感器相配合进行摩擦力的测量；当圆钢盘相对速度是顺时针方向时，将回转板沿竖直方向旋转度，其与靠右的传感器进行配合。

本实用新型所述的固定盘驱电机和伺服电机，均分别与可编程控制器(PLC)和伺服放大器连接，构成伺服控制系统，所述伺服放大器对固定盘驱电机和伺服电机有速度控制、位置控制和转矩控制三种控制方式，能实现高精度的控制；所述PLC包括有RS-232C和RS-422 串行通讯模块，能够与安装伺服控制软件的个人计算机通讯，通过计算机即能够设置和修改电机的运行程序和参数，控制实验条件。

本实用新型所述的显微镜的镜头选用同轴微调连续变倍镜头并且使用同轴光照明，该镜头光路设计精密、分辨率高、畸变低、光学性能优异、能够手动连续变倍，用以满足观测需求；所述磨损测量装置的图像采集装置全窗口输出时帧率可调，能够随时触发采集，支持外同步模式，并且曝光时间可控，精度高、速度快、无采集损失，以满足观测需求。

本实用新型在进行高应力接触变滑滚比润滑油膜摩擦力和磨损测量时，具体操作步骤如下：

(1)钢球的加载：调整弹簧上支座与圆柱弹簧使钢球与圆钢盘接触载荷置零，再将砝码放置在加载板上到实验所需的载荷；

(2)设备的启动：分别启动固定盘驱电机和伺服电机来分别驱动圆钢盘和钢球回转；

(3)摩擦力的获取与测量存储：钢球的在接触副摩擦力作用下，将会产生回转趋势，该趋势带动球驱加载装置转动，球驱加载装置进一步将转动趋势通过回转轴传递至回转板上，而回转板被传感器约束，通过传感器测出圆钢盘和钢球的摩擦力，再由传感器上的数据采集卡USB捕获并传输到PC，再将模拟信号转换成数字信号.通过调用动态链接库，对数据采集的LabVIEW进行程序设计，来实现LabVIEW 与普通数据采集卡USB5935的结合，进而信号的采集、处理和数据存储，通过采集界面能够直接读出摩擦力，完成摩擦力的在线测量和存储；

(4)测量设备的标定：采用两个传感器对拉可以对本实用新型的系统误差进行标定，在该实用新型中，由于回转板的回转需要通过法兰盘下端的角接触球轴承的支撑来实现，若使钢球产生运动或运动趋势，必须克服法兰盘下端的角接触球轴承本身的滚动摩擦力，为了保证摩擦力测量的准确性，必须标定出该角接触球轴承中的摩擦力矩，本实用新型采用陈俊设计的传感器对拉实验，由拉传感器测量出的数值进行修正；

假设阻碍钢球(滚子)运动的摩擦力矩为M，将两个传感器表示为第一传感器和第二传感器，当第一传感器固定，第二传感器匀速运动时，第一传感器得到拉力值F1，第二传感器得到F2，有：

F₂X₂＝F₁X₁+M (1)

令上式中则有

F₂＝b+F₁k (2)

其中，X1、X2分别表示第一传感器和第二传感器到回转中心的距离，需要说明的是，虽然对拉实验球-盘并未接触，但是实验中的 F2可等效为摩擦力系统中球-盘接触后润滑油膜给钢球施加的实际摩擦力，刚性连接的情况下加载轴不会转动，所以要校核的是加载轴承的最大静摩擦力，本测量方法中将最大静摩擦力等效为滑动摩擦力。

综上所述，为了消除了轴承中摩擦力矩的影响，摩擦力测量系统读取传感器F1的数值，及润滑油膜施加给钢球的实际摩擦力F2即可获得拟合公式，通过拟合公式排除摩擦力矩的影响。

(5)磨损的测量分析：先关闭伺服电机，再将球驱加载装置旋转，直到钢球位于玻璃盘的下侧，并且钢球位于显微镜的正下方，再调整磨损测量装置至观测所需角度，启动伺服电机，通过磨损测量装置采集钢球和圆钢盘形成的光干涉图像，并将图像传输到计算机中，显微镜将接触区的光干涉图像放大，CCD图像传感器采集到放大后的图像然后传输给计算机的硬盘中存储以便后续处理分析。

本实用新型与现有技术相比，具有如下优点：

1、整个球驱加载装置结构简单、紧凑，克服了传统球驱加载装置因结构复杂导致的测量不稳定性缺陷，同时球驱加载装置绕加载轴旋转的灵敏性大大提高，使油膜的形成更加接近真实工况，减小了装置对油膜形成的影响，因球驱加载装置可在回转装置上自由回转，则简化的球驱加载装置结构可减小惯性力的影响而使回转更加灵敏，进而使摩擦力的测量也会更加准确；

2、通过非接触式双色光干涉法来测量磨损和表面吸附膜情况，通过显微镜和CCD图像传感器得到干涉条纹图像，亮暗条纹间各点的光强值可从光干涉图象上获得,通过计算就可得到磨痕各点深度,从而得到整个磨损图像，测试结果准确，同时本实用新型能够实现磨损过程的在线测量，实验进行到特定时间可以将回转轴旋转90度切换到滚动体-玻璃盘接触装置上进行等载荷磨损图像或吸附测试，光学测试结束后可切换回摩擦力测试装置上继续进行摩擦力和膜厚测试，如此重复操作可以对摩擦磨损过程进行测量，该测量方法定位准确，不改变接触副运动轨迹，测量效率高。

3、传感器与回转板通过刚性连接的方式进行配合，相比张紧线的柔性连接方式会更加稳定，克服了张紧线连接情况下钢盘与钢球因粗糙度等原因造成接触不稳定而导致球驱加载装置轻微反复晃动的缺陷，同时消除了张紧线拉力作用对润滑油膜自由提升的限制，提高了实验的准确性和稳定性；

4、整体设计构思巧妙，各装置之间布局合理，功能多样、切换灵活使用方便，能够对油膜摩擦力和磨损过程情况完成测量，实用性强，同时应用环境友好，市场前景广阔。

附图说明：

图1为本实用新型的主体结构原理示意图。

图2为本实用新型的主视图。

图3为本实用新型涉及的圆盘驱动装置的主体结构原理示意图。

图4为本实用新型涉及的球驱加载装置的主体结构原理示意图。

图5为本实用新型涉及的回转装置的主体结构原理示意图。

图6为本实用新型涉及的图像采集装置的主体结构原理示意图。

图7为本实用新型涉及的玻璃盘固定装置的主体结构原理示意图。

图8为本实用新型涉及的平移装置的主体结构原理示意图。

图9为本实用新型涉及的测速装置的主体结构原理示意图。

图10为本实用新型涉及的摩擦系数随滑滚比变化图。

图11和图12位本实用新型涉及的油膜摩擦力测量实验前后的钢球的光干涉图像。

具体实施方式：

实施例1：

本实施例所述的一种不同滑滚比下润滑薄膜摩擦力与磨损过程测量装置的主体结构包括：支撑平台1、圆盘驱动装置2、球驱加载装置3、回转装置4、磨损测量装置5、平移装置6、测速装置7和传感器固定装置8。

所述支撑平台1的主体结构包括上平台101、下平台102、支撑柱103、支撑脚104和贯穿孔105，所述上平台101和下平台102均为方形结构金属结构，并且上平台101和下平台102的长度与宽度相等，所述上平台101和下平台102之间通过四角处的圆柱形金属支撑柱103连接，所述下平台1的下侧面固定置有用以支撑底座的支撑脚 104，用以调平整个装置和防止下平台102与地面接触，并且提高搬运的便捷性，所述上平台101靠近左边沿中间处开有圆形贯穿孔105，用以放置圆盘驱动装置2。

本实施例所述的圆盘驱动装置2于支撑平台1的上侧靠近左边沿处，其主体结构包括：圆钢盘201、从动带轮202、主轴203、圆盘压盖204、盘驱电机支座205、盘驱电机206、主动带轮207、底座固定孔208和法兰盘209，圆柱形的圆钢盘201置于主轴203的上端，用以与钢球301构成高应力点接触弹流接触副，所述圆钢盘201的上下侧分别置有用以固定圆钢盘201的金属材质的圆盘压盖204，用以对圆钢盘201进行固定，使圆钢盘201只能够跟随主轴203转动，所述主轴203上靠下处置有法兰盘209，所述法兰盘209通过螺栓固定于贯穿孔105上，用以将圆盘驱动装置2固定在上平台101上，所述法兰盘209和钢盘2下侧的圆盘压盖204之间的主轴203上套有用以保护主轴203的圆柱形空心套筒，所述主轴203的下端置有圆形从动带轮202，所述从动带轮202位于贯穿孔105的下侧，所述下平台102 中间处长方形阵列式分布有用以固定盘驱电机支座205的底座固定孔208，所述盘驱电机支座205包括两块左右对置分布的L形侧板和一块方形顶板，L形侧板下侧的横板固定在下平台102的上的底座固定孔208上，用以支撑和固定盘驱电机206，所述盘驱电机支座205 能够根据与从动带轮202的位置需要来水平调整位置，用以为圆钢盘 201提供动力的盘驱电机206固定置于盘驱电机支座205的两块L形侧板之间，并且盘驱电机206的输出轴上端穿过盘驱电机支座205的顶板，所述盘驱电机206的输出轴上端固定有用以将动力传递至从动带轮202的主动带轮207，所述主动带轮207与从动带轮202直接连接有传动带。

本实施例所述的球驱加载装置3位于圆盘驱动装置2的后侧，用以驱动钢球301，实现钢球301在圆钢盘201上的加载，所述钢球301 与圆钢盘201构成摩擦副，并通过圆盘驱动装置2和加载回转装置3 的配合用以来测量摩擦副在不同滑滚比下润滑薄膜的摩擦力；所述球驱加载装置3的主体结构包括：钢球301、球轴302、轴承支座303、伺服电机从动轮304、伺服电机305、伺服电机主动轮306、电机支座307、加载板308、球轴系上外套309、球轴系下外套310、弹簧上支座311、砝码312；所述钢球301右侧与用以固定钢球301的球轴 302连接，并且钢球301的位于圆钢盘201的下表面，所述球轴302 的右端贯穿过两个圆形轴承支座303与伺服电机从动轮304传动连接，所述轴承支座303之间的球轴302置有方形结构的球轴系上外套 309和球轴系下外套310，所述球轴系上外套309位于球轴系下外套 310的上侧并与其通过螺栓固定连接，用以支撑和保护球轴302；所述伺服电机从动轮304通过传动带与其正上方的伺服电机主动轮306 连接，所述伺服电机主动轮306位于L形电机支座307的立板右侧并通过转轴与L形电机支座307的立板左侧的伺服电机305连接，所述伺服电机305用以给钢球301转动提供动力，所述长方形的加载板 308的左端通过六角螺钉固定连接于电机支座307的竖板右侧外表面靠下边沿处，所述加载板308的右端穿过传动带的空隙向右延伸，用以放置砝码312来控制钢球301的加载力；所述圆柱形弹簧上支座 311的上端与球轴系下外套310的下侧表面固定连接，用以支撑整个球驱加载装置3，通过增加砝码312来使弹簧上支座311发生形变，从而控制钢球301作用于圆钢盘201的力的大小，所述弹簧上支座311的下端与回转装置4的上端固定连接，用以通过回转装置4带动球驱加载装置3旋转。

本实施例所述的回转装置4置于球驱加载装置3的下侧，用以支撑和带动球驱加载装置3转动，使球驱加载装置3上的钢球301转动到磨损测量装置5的玻璃盘509上，然后用以对磨损表面进行形貌测量，所述回转装置4的主体的结构包括加载轴401、加载轴承402、加载轴承支座403、弹簧下支座404、回转轴405、弹簧支撑板406、法兰盘407、回转板408和圆柱弹簧409；回转轴405的上端的左右两侧分别置有一个正置的轴承支座403，轴承支座403的中间处嵌入式置有加载轴承402，两个加载轴承402之间通过固定于回转轴405 上端的加载轴401连接，使加载轴承支座403能够绕加载轴401转动，所述加载轴承支座403的下端置有水平放置的弹簧支撑板406，所述弹簧支撑板406的左端与回转轴405螺栓连接，所述弹簧支撑板406 右端上表面上置有柱形弹簧下支座404，所述弹簧下支座404的上端置有提供弹性支撑力的圆柱弹簧409，所述圆柱弹簧409的上端与弹簧上支座311的下表面连接，用以通过弹力支撑球驱加载装置3，在加载板308加载砝码312后，在砝码312重力作用下圆柱弹簧409发生形变，进而导致球驱加载装置3发生倾斜，加载轴承支座403也同步发生倾斜，进一步使钢球301的加载力发生变化，来完成钢球301 的加载；所述圆形回转法兰盘407套在回转轴405上并且位于弹簧支撑板406的下侧；所述回转法兰盘407通过盘体四周的固定孔与平移板603上的固定连接，用以固定整个回转装置4，使其只能够绕回转轴405转动，所述紧靠近法兰盘407下端的回转轴405上套有角接触球轴承(图中未表示出)，所述角接触球轴承的外侧套有柱形套筒，所述回转轴405的下端贯穿过上平台101并位于上平台101的下侧，并且回转轴405的下端的前后侧面为平滑切面结构，所述回转轴405 下端的平滑切面结构上螺栓连接有水平放置的回转板408，所述回转板408上连接有传感器802，所述圆钢盘201与钢球301之间相互作用的摩擦力带动使球驱加载装置3产生绕弹簧上支座311的转动，进一步带动回转轴405转动，使回转轴405再带动回转板408转动，通过与回转板408连接的传感器802测出的力的数值即为圆钢盘201与钢球301之间的摩擦力的数值。

本实施例所述的磨损测量装置5包括图像采集装置和玻璃盘固定装置，用以通过光干涉法测量磨损，所述图像采集装置的主体结构包括：CCD图像传感器501、显微镜502、X-Y平移座503、长杆504、调焦支架505、连接板506和采集装置固定座507；所述玻璃盘固定装置的主体结构包括玻璃盘压盖508、玻璃盘509、玻璃盘支撑510 和支撑法兰盘511；所述采集装置固定座507包括两块对置放置并通过螺栓固定于平移板603的立板和一块固定于立板上侧的横板，所述所述横板的上侧固定置有方形结构的X-Y平移座503，X-Y平移座503 的上端置有方形金属结构的连接板506，用以支撑置于其上侧面的圆柱形长杆504，所述调焦支架505的右端开有与圆柱形长杆504匹配的贯穿孔，并通过该贯穿孔与长杆504套入式连接，所述调焦支架 505的后端的左右两侧置有调微旋钮，用以精细调整显微镜502，所述调焦支架505的左端开有圆形贯穿孔，并通过该贯穿孔与显微镜 502套入式连接，所述显微镜502位于玻璃盘509的上方，用以观察玻璃盘509与钢球301间的干涉图像，所述显微镜502的上端置有用以记录显微镜502观察到的图像信息的CCD图像传感器501，实现对观测图像的时时采集；在进行油膜厚度测量后，将球驱加载装置3上的钢球301转动到显微镜502的下端，并且紧靠近玻璃盘509，继续进行磨损试验的在线测量，每进行一个油膜厚度的实验都能够通过将回转轴405旋转90度在同样加载量(不将砝码312拿下)下，即时测量磨损。

本实施例所述的平移装置6位于上平台101上靠右处，其主体结构包括：导轨601、滑块602、平移板603、螺纹前座604、螺纹后座 605、平移螺杆606、通孔607和贯穿孔608，所述所述平移螺杆606 通过左右两端的螺纹前座604和螺纹后座605固定于上平台101的下表面上，所述上平台101与平移螺杆606对应位置处开有贯穿结构的贯穿孔608，平移螺杆606固定置于贯穿孔608的下侧，所述平移板 608与平移螺杆606活动式连接，并只能够沿平移螺杆606左右移动，所述平移板603的下端置有用以带动平移板603滑动的滑块602，所述长条状导轨601位于上平台101的前后边沿处，所述滑块602与导轨601活动式连接，能够使滑块602沿导轨601左右移动，进一度带动平移板603左右移动，进一步调节钢球301与圆钢盘201的相对位置，以实现了圆钢盘201回转半径的调整。

本实施例所述的测速装置7位于圆盘驱动装置2驱动装置的正下方，用以测定主轴203的转速，其主体结构包括：编码器固定架701、联轴器702和旋转编码器703，所述编码器固定架701包括两块对置式放置的倒L形立板和一块连接L形立板下端的横板，所述立板通过螺栓连接固定于上平台101的底部，所述联轴器702的上端与主轴 203的尾端连接并且联轴器702的底部置于编码器固定架701的横板的上侧来形成支撑，所述联轴器702的下端穿过编码器固定架701的横板与横板下侧的旋转编码器703连接，通过旋转编码器703来测定主轴203的转速。

本实施例所述的传感器固定调节装置8位于上台面下方，用以对不同转速的圆钢盘201和钢球301之间的摩擦力进行测量，其主体结构包括：传感器固定板801(图中未示出)和传感器802(图中未示出)；所述两个器固定板801对称式分布于回转板408的前后两侧，并且固定于上平台101的底面上，用以支撑和固定传感器802，所述每一传感器固定板801上均固定置有传感器802，并且传感器802与回转板408直接接触形成刚性连接，用以对圆钢盘201和钢球301之间的摩擦力进行准确测量，中心对称的双传感器802的作用是：当圆钢盘201相对速度是逆时针方向时，回转板与左边的传感器802相配合进行摩擦力的测量；当圆钢盘201相对速度是顺时针方向时，将回转板408沿竖直方向旋转180度，其与靠右的传感器802进行配合。

本实施例所述的固定盘驱电机206和伺服电机305，均分别与可编程控制器(PLC)和伺服放大器连接，构成伺服控制系统，所述伺服放大器对固定盘驱电机206和伺服电机305有速度控制、位置控制和转矩控制三种控制方式，能实现高精度的控制；所述PLC包括有RS-232C和RS-422串行通讯模块，能够与安装伺服控制软件的个人计算机通讯，通过计算机即能够设置和修改电机的运行程序和参数，控制实验条件。

本实施例所述的显微镜502的镜头选用同轴微调连续变倍镜头并且使用同轴光照明，该镜头光路设计精密、分辨率高、畸变低、光学性能优异、能够手动连续变倍，用以满足观测需求；所述磨损测量装置5的图像采集装置全窗口输出时帧率可调，能够随时触发采集，支持外同步模式，并且曝光时间可控，精度高、速度快、无采集损失，以满足观测需求。

实施例2：

本实施例在进行高应力接触变滑滚比润滑油膜摩擦力和磨损测量时，具体操作步骤如下：

(1)钢球的加载：调整弹簧上支座311与圆柱弹簧409使钢球 301与圆钢盘201接触载荷置零，再将砝码312放置在加载板308上到实验所需的载荷；

(2)设备的启动：分别启动固定盘驱电机206和伺服电机305 来分别驱动圆钢盘201和钢球301回转；

(4)摩擦力的获取与测量存储：钢球301的在接触副摩擦力作用下，将会产生回转趋势，该趋势带动球驱加载装置3转动，球驱加载装置3进一步将转动趋势通过回转轴405传递至回转板408上，而回转板408被传感器802约束，通过传感器802测出圆钢盘201和钢球301的摩擦力，再由传感器802上的数据采集卡USB5935捕获并传输到PC，再将模拟信号转换成数字信号.通过调用动态链接库，对数据采集的LabVIEW进行程序设计，来实现LabVIEW与普通数据采集卡 USB5935的结合，进而信号的采集、处理和数据存储，通过采集界面能够直接读出摩擦力，完成摩擦力的在线测量和存储；

(4)测量设备的标定：采用两个传感器802对拉可以对本实施例的系统误差进行标定，在该实施例中，由于回转板408的回转需要通过法兰盘407下端的角接触球轴承的支撑来实现，若使钢球301产生运动或运动趋势，必须克服法兰盘407下端的角接触球轴承本身的滚动摩擦力，为了保证摩擦力测量的准确性，必须标定出该角接触球轴承中的摩擦力矩，本实施例采用陈俊设计的传感器对拉实验，由拉传感器802测量出的数值进行修正；

如图2所示，假设阻碍钢球(滚子)运动的摩擦力矩为M，当传感器1固定，传感器2匀速运动时，传感器1得到拉力值F1，传感器2 得到F2，有：

F₂X₂＝F₁X₁+M (1)

令上式中则有

F₂＝b+F₁k (2)

其中，X1、X2分别表示传感器1和传感器2到回转中心的距离，需要说明的是，虽然对拉实验球-盘并未接触，但是实验中的F2可等效为摩擦力系统中球-盘接触后润滑油膜给钢球施加的实际摩擦力，刚性连接的情况下加载轴401不会转动，所以要校核的是加载轴承402的最大静摩擦力，本测量方法中将最大静摩擦力等效为滑动摩擦力。

综上所述，为了消除了轴承中摩擦力矩的影响，摩擦力测量系统读取传感器F1的数值，及润滑油膜施加给钢球的实际摩擦力F2即可获得拟合公式，通过拟合公式排除摩擦力矩的影响。

(6)磨损的测量分析：先关闭伺服电机305，再将球驱加载装置3旋转，直到钢球301位于玻璃盘509的下侧，并且钢球301位于显微镜502的正下方，再调整磨损测量装置5至观测所需角度，启动伺服电机305，通过磨损测量装置5采集钢球301和圆钢盘201形成的光干涉图像，并将图像传输到计算机中，显微镜502将接触区的光干涉图像放大，CCD图像传感器501采集到放大后的图像然后传输给计算机的硬盘中存储以便后续处理分析。

实施例3：

本实施例利用实施例1所述的不同滑滚比下润滑薄膜摩擦力与磨损过程测量装置，在0-2范围内的滑滚比下对摩擦系数进行测量，测试条件如下，使用PAO6润滑油在32N载荷，128mm/s卷吸速度工况下进行测量，测试结果如图10所示，随着滑滚比增大摩擦系数明显增大，当滑滚比达到0.2时，利用磨损测量装置5对钢球进行形貌观测，测试结果如图11和图12所示，图11和图12分别是油膜摩擦力测量实验前后的光干涉图像，在磨损前能够明显看出钢球的表面形貌和波纹度，磨损后能够看出整个钢球与钢盘接触部分被磨平，上述变化说明了滚子与钢盘接触运动后出现了磨损现象。

Claims (9)

1.一种不同滑滚比下润滑薄膜摩擦力与磨损过程测量装置，其特征在于其主体结构包括：支撑平台、圆盘驱动装置、球驱加载装置、回转装置、磨损测量装置、平移装置、测速装置和传感器固定装置，圆盘驱动装置上设置有能够转动的圆钢盘，圆盘驱动装置于支撑平台的上侧靠近左边沿处，球驱加载装置位于圆盘驱动装置的后侧，球驱加载装置上设置有与圆钢盘构成摩擦副的钢球；用以支撑和带动球驱加载装置转动的回转装置置于球驱加载装置的下侧，用以通过光干涉法测量摩擦副磨损的磨损测量装置包括图像采集装置和玻璃盘固定装置；用以测定圆钢盘转速的测速装置位于圆盘驱动装置的正下方；支撑平台的主体结构包括上平台、下平台、支撑柱、支撑脚和贯穿孔，上平台和下平台均为方形结构金属结构，并且上平台和下平台的长度与宽度相等，上平台和下平台之间通过四角处的圆柱形金属支撑柱连接，下平台的下侧面固定置有用以支撑底座的支撑脚，用以调平整个装置和防止下平台与地面接触，并且提高搬运的便捷性，上平台靠近左边沿中间处开有圆形贯穿孔，用以放置圆盘驱动装置，平移装置上平台上靠右处，能够左右移动，用以调整球驱加载装置上的钢球与圆盘驱动装置的圆钢盘的相对位置的平移装置上固定有球驱加载装置、回转装置和磨损测量装置，用以对不同转速的圆钢盘和钢球之间的摩擦力进行测量和记录的传感器固定调节装置位于上台面下方。

2.根据权利要求1所述的一种不同滑滚比下润滑薄膜摩擦力与磨损过程测量装置，其特征在于圆盘驱动装置的主体结构包括：圆钢盘、从动带轮、主轴、圆盘压盖、盘驱电机支座、盘驱电机、主动带轮、底座固定孔和法兰盘，圆柱形钢盘置于主轴的上端，并与钢球构成高应力点接触弹流接触副，圆钢盘的上下侧分别置有用以固定圆钢盘的金属材质的圆盘压盖，主轴上靠下处置有法兰盘，法兰盘通过螺栓固定于贯穿孔上，法兰盘和钢盘下侧的圆盘压盖之间的主轴上套有用以保护主轴的圆柱形空心套筒，主轴的下端置有圆形从动带轮，从动带轮位于贯穿孔的下侧，下平台中间处长方形阵列式分布有用以固定盘驱电机支座的底座固定孔，盘驱电机支座包括两块左右对置分布的L形侧板和一块方形顶板，L形侧板下侧的横板固定在下平台的上的底座固定孔上，用以为圆钢盘提供动力的盘驱电机固定置于盘驱电机支座的两块L形侧板之间，并且盘驱电机的输出轴上端穿过盘驱电机支座的顶板，盘驱电机的输出轴上端固定有用以将动力传递至从动带轮的主动带轮，主动带轮与从动带轮直接连接有传动带。

3.根据权利要求1所述的一种不同滑滚比下润滑薄膜摩擦力与磨损过程测量装置，其特征在于球驱加载装置的主体结构包括：钢球、球轴、轴承支座、伺服电机从动轮、伺服电机、伺服电机主动轮、电机支座、加载板、球轴系上外套、球轴系下外套、弹簧上支座、砝码；钢球右侧与用以固定钢球的球轴连接，并且钢球的位于圆钢盘的下表面，球轴的右端贯穿过两个圆形轴承支座与伺服电机从动轮传动连接，轴承支座之间的球轴置有方形结构的球轴系上外套和球轴系下外套，球轴系上外套位于球轴系下外套的上侧并与其通过螺栓固定连接；伺服电机从动轮通过传动带与其正上方的伺服电机主动轮连接，伺服电机主动轮位于L形电机支座的立板右侧并通过转轴与L形电机支座的立板左侧的伺服电机连接，长方形的加载板的左端通过六角螺钉固定连接于电机支座的竖板右侧外表面靠下边沿处，加载板的右端穿过传动带的空隙向右延伸；圆柱形弹簧上支座的上端与球轴系下外套的下侧表面固定连接，弹簧上支座的下端与回转装置的上端固定连接。

4.根据权利要求1所述的一种不同滑滚比下润滑薄膜摩擦力与磨损过程测量装置，其特征在于回转装置的主体的结构包括：加载轴、加载轴承、加载轴承支座、弹簧下支座、回转轴、弹簧支撑板、法兰盘、回转板和圆柱弹簧；回转轴的上端的左右两侧分别置有一个正置的轴承支座，轴承支座的中间处嵌入式置有加载轴承，两个加载轴承之间通过固定于回转轴上端的加载轴连接，加载轴承支座的下端置有水平放置的弹簧支撑板，弹簧支撑板的左端与回转轴螺栓连接，弹簧支撑板右端上表面上置有柱形弹簧下支座，弹簧下支座的上端置有提供弹性支撑力的圆柱弹簧，圆柱弹簧的上端与弹簧上支座的下表面连接；圆形回转法兰盘套在回转轴上并且位于弹簧支撑板的下侧；回转法兰盘通过盘体四周的固定孔与平移板上的固定连接，紧靠近法兰盘下端的回转轴上套有角接触球轴承，角接触球轴承的外侧套有柱形套筒，回转轴的下端贯穿过上平台并位于上平台的下侧，并且回转轴的下端的前后侧面为平滑切面结构，回转轴下端的平滑切面结构上螺栓连接有水平放置的回转板，回转板上连接有传感器。

5.根据权利要求1所述的一种不同滑滚比下润滑薄膜摩擦力与磨损过程测量装置，其特征在于磨损测量装置包括图像采集装置和玻璃盘固定装置，图像采集装置的主体结构包括：CCD图像传感器、显微镜、X-Y平移座、长杆、调焦支架、连接板和采集装置固定座；玻璃盘固定装置的主体结构包括玻璃盘压盖、玻璃盘、玻璃盘支撑和支撑法兰盘；采集装置固定座包括两块对置放置并通过螺栓固定于平移板的立板和一块固定于立板上侧的横板，横板的上侧固定置有方形结构的X-Y平移座，X-Y平移座的上端置有方形金属结构的连接板，调焦支架的右端开有与圆柱形长杆匹配的贯穿孔，并通过该贯穿孔与长杆套入式连接，调焦支架的后端的左右两侧置有调微旋钮，调焦支架的左端开有圆形贯穿孔，并通过该贯穿孔与显微镜套入式连接，显微镜位于玻璃盘的上方，显微镜的上端置有用以记录显微镜观察到的图像信息的CCD图像传感器。

6.根据权利要求1所述的一种不同滑滚比下润滑薄膜摩擦力与磨损过程测量装置，其特征在于平移装置位于上平台上靠右处，其主体结构包括：导轨、滑块、平移板、螺纹前座、螺纹后座、平移螺杆、通孔和贯穿孔，平移螺杆通过左右两端的螺纹前座和螺纹后座固定于上平台的下表面上，上平台与平移螺杆对应位置处开有贯穿结构的贯穿孔，平移螺杆固定置于贯穿孔的下侧，平移板与平移螺杆活动式连接，并只能够沿平移螺杆左右移动，平移板的下端置有用以带动平移板滑动的滑块，长条状导轨位于上平台的前后边沿处，滑块与导轨活动式连接。

7.根据权利要求1所述的一种不同滑滚比下润滑薄膜摩擦力与磨损过程测量装置，其特征在于测速装置位于圆盘驱动装置的正下方，其主体结构包括：编码器固定架、联轴器和旋转编码器，编码器固定架包括两块对置式放置的倒L形立板和一块连接L形立板下端的横板，立板通过螺栓连接固定于上平台的底部，联轴器的上端与主轴的尾端连接并且联轴器的底部置于编码器固定架的横板的上侧来形成支撑，联轴器的下端穿过编码器固定架的横板与横板下侧的旋转编码器连接。

8.根据权利要求1所述的一种不同滑滚比下润滑薄膜摩擦力与磨损过程测量装置，其特征在于传感器固定调节装置位于上台面下方，其主体结构包括：传感器固定板和传感器；两个器固定板对称式分布于回转板的前后两侧，并且固定于上平台的底面上，每一传感器固定板上均固定置有传感器，并且传感器与回转板直接接触形成刚性连接。

9.根据权利要求1所述的一种不同滑滚比下润滑薄膜摩擦力与磨损过程测量装置，其特征在于固定盘驱电机和伺服电机，均分别与可编程控制器和伺服放大器连接，构成伺服控制系统，伺服放大器对固定盘驱电机和伺服电机有速度控制、位置控制和转矩控制三种控制方式，能实现高精度的控制；可编程控制器包括有RS-232C和RS-422串行通讯模块；显微镜的镜头选用同轴微调连续变倍镜头并且使用同轴光照明。