一种滑块轴承润滑油膜与摩擦力实时测量装置

摘要

本发明属于低副面接触油膜润滑摩擦学特性测量领域，涉及一种滑块轴承润滑油膜与摩擦力实时测量装置，微调倾单元与摩擦力测量单元的法兰盘螺纹连接，加载单元分别与微调倾单元、摩擦力测量单元相连，平移单元分别与微调倾单元、摩擦力测量单元和加载单元相连，加载单元和平移单元分别与支撑控制单元的操作台连接；膜厚测量单元和驱动单元分别与支撑控制单元控制柜上的上面板连接；其结构简单，操作方便，测量数据准确，测量结果重复性强，便于对低副接触摩擦学特性进行定量分析研究。

说明书

技术领域:

本发明属于低副面接触油膜润滑摩擦学特性测量领域，涉及一种滑块-平面接触的下润滑油膜与摩擦力实时测量设备，特别是一种滑块轴承润滑油膜与摩擦力实时测量装置。

背景技术：

基于流体动压润滑机制的滑动轴承以其高承载、运动平稳、可靠、无噪声等优点，在工业中广泛使用。但也存在功率消耗大、传动效率低、润滑剂消耗量大等缺点。然而，现代设备在减少能耗、提高能效、减少排放、延长设备寿命等方面对流体润滑滑动轴承提出了新的技术要求，从提高机器性能的角度，首先是机器效率本身必须更高效，这就轴承摩擦在内的损失必须最小化；另一方面是减少停机时间并限制故障的数量和后果。在流体动力润滑轴承中，能源效率总是与轴承运行可靠性之间存在矛盾，这一点可以从Stribeck曲线看出来。为了使轴承更有效率，同时保证轴承的可靠运行，需要使用更精确的轴承模型来预测轴承的性能。因此，在以往的滑动轴承研究中，研究人员对滑动轴承多样化的摩擦学理论设计及预测，例如几何外形设计、表面修饰等等，以期达到优化轴承的目的。然而，由于滑动轴承运行可靠性在实际使用过程中受到多种因素影响，所以对滑动轴承进行实验研究变得非常重要。但是，低副接触滑动轴承实验测试与高副接触相比要困难的多，进而导致了低副接触滑动轴承的实验研究滞后于其理论研究，相应地理论研究很难得到实验验证。

在滑动轴承进行实验研究中，为了探索其润滑机理，往往将全轴承简化为如图1所示的滑块-平面接触形式，同时，采用这种接触形式探索润滑油膜厚度、摩擦力和承载之间的平衡关系，是优化轴承设计与可靠性的重点，但现有的设备局限于单一的润滑油膜厚度测量，而不能对摩擦力与膜厚同时测量。因此，迫切需要设计一种滑块轴承润滑油膜与摩擦力实时测量装置。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求设计提供一种滑块轴承润滑油膜与摩擦力实时测量装置，能够对润滑油膜厚度与摩擦力同时进行实时测量，为研究滑动轴承润滑机理与摩擦学设计提供测量数据，其中润滑油膜的测量采用光学技术。

为了实现上述发明目的，本发明所述滑块轴承润滑油膜与摩擦力实时测量装置的主体结构包括微调倾单元、摩擦力测量单元、加载单元、平移单元、润滑油膜测量单元、驱动单元和支撑控制单元，微调倾单元与摩擦力测量单元的法兰盘螺纹连接，微调倾单元内安装滑块，并对滑块与驱动单元的玻璃盘平面接触间隙进行微调节；摩擦力测量单元用于测量滑块-玻璃盘接触副内的摩擦力；加载单元分别与微调倾单元、摩擦力测量单元相连，用于实现滑块-玻璃盘摩擦副的加载；平移单元分别与微调倾单元、摩擦力测量单元和加载单元相连，用以实现滑块接触位置的整体平移，便于更换滑块；加载单元和平移单元分别与支撑控制单元的操作台连接；膜厚测量单元和驱动单元分别与支撑控制单元控制柜上的上面板连接；润滑油膜测量单元用于测量滑块与玻璃盘接触间隙润滑油膜厚度；驱动单元用于驱动玻璃盘旋转，并实现不同速度的调节；支撑控制单元用于控制整个测量装置的电源及启动、停止。

本发明所述微调倾单元包括滑块、下盖、第一锁紧螺钉、弹簧、微调螺钉、上盖、钢珠和档杆；滑块安装在下盖的槽内，安装在下盖上方的第一锁紧螺钉夹紧滑块；上盖上沿圆周方向均匀设有四根档杆，钢珠安装在上盖的中心处，四个微调螺钉均匀分布在上盖的周侧，钢珠、档杆和微调螺钉在同一轴线上，档杆下方设有弹簧，下盖和上盖在弹簧的拉力作用下压紧钢珠，旋转微调螺钉使下盖绕钢珠发生倾斜，从而调节滑块与玻璃盘之间的接触角度。

本发明所述摩擦力单元包括气浮导轨、气浮滑块、过渡板、第一螺钉、传感器螺钉、压力传感器、传感器帽、法兰盘和联结螺钉；法兰盘与微调倾单元螺纹相连，法兰盘通过联结螺钉与气浮滑块相连；气浮滑块的两侧均安装气浮导轨，每个气浮导轨均通过第一螺钉与过渡板相连，压力传感器通过传感器螺钉与过渡板相连，压力传感器的末端安装有传感器帽；在无外力约束的条件下，滑块与玻璃盘间产生的摩擦力推动微调倾单元和气浮滑块在气浮导轨上平移，这种平移运动被两个压力传感器限制后，仅产生平移滑动趋势，在该条件下滑块与玻璃盘产生的摩擦力传递到压力传感器上获得摩擦力数值。

本发明所述加载单元包括压套、支撑杆、加载弹簧、调节螺套、加载板、砝码、砝码杆和第二螺钉；摩擦力测量单元的顶部通过第二螺钉与加载板相连；加载板的左右两侧对称安装支撑杆，每根支撑杆的顶部均安装压套，底部套装调节螺套，通过旋转调节螺套实现加载单元、摩擦力测量单元与微调倾单元的整体升降；加载弹簧套装在支撑杆上，并设置在加载板与调节螺套之间，支撑杆顶部的调节压套使加载板下移并压缩加载弹簧，从而调节滑块与玻璃盘之间的预接触，起到加载置零的作用；加载板的中间安装有砝码杆，砝码安装在砝码杆上，通过施加不同质量的砝码调节加载量。

本发明所述平移单元包括扳手、平移板、平移块、平移导轨和第二锁紧螺钉；平移导轨与支撑控制单元的操作台螺纹连接，平移导轨的外侧面上安装平移块，平移板安装在平移导轨上方，平移块与平移板螺纹连接，加载单元与平移板螺纹连接并设置在平移板上方；平移板上左右两侧对称安装有扳手，拉动扳手使平移板在平移导轨上移动，从而带动加载单元、摩擦力测量单元和调倾单元一起平移，改变滑块与玻璃盘接触位置，同时便于更换滑块试样；平移板上两个扳手之间安装第二锁紧螺钉，平移板到达预定位置后用第二锁紧螺钉锁紧。

本发明所述膜厚测量单元包括显微镜、三维平移台、CCD图像传感器和显微镜夹具；显微镜夹具安装在操作台下方，显微镜通过显微镜夹具与三维平移台相连，显微镜上安装有CCD图像传感器；显微镜透过操作台上的孔观察滑块与玻璃盘接触副间的润滑状态，并经过放大后传递给CCD图像传感器，CCD图像传感器把捕获到的图像传到电脑上；显微镜的位置和焦距通过三维平移台调节。

本发明所述驱动单元包括电机、电机支撑体、电机同步带轮、同步带、主轴同步带轮、主轴轴系、玻璃盘、玻璃盘压套和调节螺钉；主轴轴系安装在操作台上，玻璃盘通过玻璃盘压套安装在主轴轴系的上端，并用六个调节螺钉压紧，主轴轴系通过同步带与电机相连，同步带安装在主轴同步带轮和电机同步带轮上，电机固定在电机支撑体上；驱动电机带动电机同步带轮回转，电机同步带轮的回转在同步带的传动下带动主轴同步带轮回转，从而带动主轴轴系与玻璃盘66回转，通过调节六个调节螺钉调节玻璃盘的端面跳动。

本发明所述支撑控制单元包括操作台、控制柜、支撑杆和支脚；四根支撑杆安装在操作台的四个角下方，支撑杆的底部安装支脚，支撑杆通过调节支脚调整操作台的水平状态；控制柜安装四根支撑杆组成的内部空间内，用于测量装置电源的控制、电机的启动与停止及测量装置的意外急停。

本发明实现滑块轴承润滑油膜与摩擦力实时测量的具体步骤为：

(1)加载单元的平移：拉动扳手使加载单元在平移板带动下平移50mm，使滑块与玻璃盘偏离，便于滑块的安装；

(2)滑块-玻璃盘接触副的安装与调节：先将滑块安装到微调倾单元上，再将微调倾单元安装到摩擦力测量单元上；然后将玻璃盘安装到主轴轴系上，并用玻璃盘压套锁紧，调节六个调节螺钉使玻璃盘的端面跳动达到最小；

(3)滑块-玻璃盘接触副接触状态与位置调节：推动扳手使加载单元到达实验指定位置后用第二锁紧螺钉锁紧；旋转调节螺套使滑块下降并靠近玻璃盘表面；通过润滑油膜测量单元观察接滑块-玻璃盘触副的接触状态，并由压套对接触状态进行微调节，直至达到滑块-玻璃盘接触副的初始接触状态；

(4)滑块-玻璃盘接触副加载：调节压套实现加载置零，然后将砝码放在砝码杆上对接触副加载，更换砝码数量得到不同的加载载荷；

(5)驱动玻璃盘回转：驱动电机，带动主轴轴系回转，从而驱动玻璃盘回转；

(6)测量分析：利用CCD图像传感器捕获滑块-玻璃盘接触副的润滑过程，用现有的图像处理软件实时得出滑块和玻璃盘之间的润滑油膜厚度；利用压力传感器的读数获取摩擦力数值，完成滑块轴承润滑油膜与摩擦力实时测量。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：一是通过驱动玻璃盘回转与滑块间形成相对滑动，配合微调倾单元实现滑块与玻璃盘间接触角度的调整，经过微调螺钉和调节螺钉的反复调节，使滑块-玻璃盘接触副的达到接触均匀性和运行稳定性；二是通过加载单元实现接触副的加载、卸载；三是通过平移单元实现滑块运转轨道的调整和试样的更换；四是通过摩擦力测量单元和润滑油膜测量单元同时获取不同运行参数下的润滑油膜厚度和摩擦力；其结构简单，操作方便，测量数据准确，测量结果重复性强，便于对低副接触摩擦学特性进行定量分析研究。

附图说明：

图1为本发明现有技术中的滑块轴承模型，其中(a)为径向滑动轴承，(b)为推力滑动轴承，(c)为滑块轴承。

图2为本发明的主体结构原理示意图。

图3为本发明所述微调倾单元的结构原理示意图。

图4为本发明所述摩擦力测量单元的结构原理示意图。

图5为本发明所述加载单元的结构原理示意图。

图6为本发明所述平移单元的结构原理示意图。

图7为本发明所述膜厚测量单元的结构原理示意图。

图8为本发明所述驱动单元的结构原理示意图。

具体实施方式：

下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步说明。

实施例：

本实施例所述滑块轴承润滑油膜与摩擦力实时测量装置的主体结构包括微调倾单元1、摩擦力测量单元2、加载单元3、平移单元4、润滑油膜测量单元5、驱动单元6和支撑控制单元7，微调倾单元1与摩擦力测量单元2的法兰盘27螺纹连接，微调倾单元1用于安装滑块11，并对滑块11与驱动单元6的玻璃盘66平面接触间隙进行微调节；摩擦力测量单元2用于测量滑块-玻璃盘接触副内的摩擦力；加载单元3分别与微调倾单元1、摩擦力测量单元2相连，用于实现滑块-玻璃盘摩擦副的加载；平移单元4分别与微调倾单元1、摩擦力测量单元2和加载单元3相连，用以实现滑块11接触位置的整体平移，便于更换滑块试样；加载单元3和平移单元4分别与支撑控制单元7的操作台70连接；膜厚测量单元5和驱动单元6分别与支撑控制单元7控制柜71上的上面板711连接；润滑油膜测量单元5用于测量滑块11与玻璃盘66接触间隙润滑油膜厚度；驱动单元6用于驱动玻璃盘66旋转，并实现不同速度的调节；支撑控制单元7用于控制整个测量装置的电源及启动、停止。

本实施例所述微调倾单元1包括滑块11、下盖12、第一锁紧螺钉13、弹簧14、微调螺钉15、上盖16、钢珠17和档杆18；滑块11安装在下盖12的槽121内，安装在下盖上方的第一锁紧螺钉13夹紧滑块11；上盖6上沿圆周方向均匀设有四根档杆18，钢珠17安装在上盖16的中心处，四个微调螺钉15均匀分布在上盖16的周侧，钢珠17、档杆18和微调螺钉15在同一轴线上，档杆18下方设有弹簧14，下盖12和上盖16在弹簧14的拉力作用下压紧钢珠17，旋转微调螺钉15使下盖12绕钢珠17发生倾斜，从而调节滑块11与玻璃盘66之间的接触角度。

本实施例所述摩擦力单元2包括气浮导轨20、气浮滑块21、过渡板22、第一螺钉23、传感器螺钉24、压力传感器25、传感器帽26、法兰盘27和联结螺钉28；法兰盘27与微调倾单元1螺纹相连，法兰盘27通过联结螺钉28与气浮滑块21相连；气浮滑块21的两侧均安装气浮导轨20，每个气浮导轨20均通过第一螺钉23与过渡板22相连，压力传感器25通过传感器螺钉24与过渡板22相连，压力传感器25的末端安装有传感器帽26；在无外力约束的条件下，滑块11与玻璃盘66间产生的摩擦力推动微调倾单元1和气浮滑块21在气浮导轨20上平移，这种平移运动被两个压力传感器25限制后，仅产生平移滑动趋势，在该条件下滑块11与玻璃盘66产生的摩擦力传递到压力传感器25上获得摩擦力数值。

本实施例所述加载单元3包括压套30、支撑杆31、加载弹簧32、调节螺套33、加载板34、砝码35、砝码杆36和第二螺钉37；摩擦力测量单元2的顶部通过第二螺钉37与加载板34相连；加载板34的左右两侧对称安装支撑杆31，每根支撑杆31的顶部均安装压套30，底部套装调节螺套33，通过旋转调节螺套33实现加载单元3、摩擦力测量单元2与微调倾单元1的整体升降；加载弹簧套装在支撑杆31上，并设置在加载板34与调节螺套33之间，支撑杆31顶部的调节压套30使加载板34下移并压缩加载弹簧32，从而调节滑块11与玻璃盘66之间的预接触，起到加载置零的作用；加载板34的中间安装有砝码杆36，砝码35安装在砝码杆36上，通过施加不同质量的砝码35调节加载量。

本实施例所述平移单元4包括扳手40、平移板41、平移块42、平移导轨43和第二锁紧螺钉44；平移导轨43与支撑控制单元7的操作台70螺纹连接，平移导轨43的外侧面上安装平移块42，平移板41安装在平移导轨43上方，平移块42与平移板41螺纹连接，加载单元3与平移板41螺纹连接并设置在平移板41上方；平移板41上左右两侧对称安装有扳手40，拉动扳手40使平移板41在平移导轨43上移动，从而带动加载单元3、摩擦力测量单元2和调倾单元1一起平移，改变滑块11与玻璃盘66接触位置，同时便于更换滑块试样；平移板41上两个扳手40之间安装第二锁紧螺钉44，平移板41到达预定位置后用第二锁紧螺钉44锁紧。

本实施例所述膜厚测量单元5包括显微镜50、三维平移台51、CCD图像传感器52和显微镜夹具53；显微镜夹具53安装在操作台70下方，显微镜50通过显微镜夹具53与三维平移台51相连，显微镜50上安装有CCD图像传感器52；显微镜50透过操作台70上的孔701观察滑块11与玻璃盘66接触副间的润滑状态，并经过放大后传递给CCD图像传感器52，CCD图像传感器52把捕获到的图像传到电脑上；显微镜50的位置和焦距通过三维平移台51调节。

本实施例所述驱动单元6包括电机60、电机支撑体61、电机同步带轮62、同步带63、主轴同步带轮64、主轴轴系65、玻璃盘66、玻璃盘压套67和调节螺钉68；主轴轴系65安装在操作台70上，玻璃盘66通过玻璃盘压套67安装在主轴轴系65的上端，并用六个调节螺钉68压紧，主轴轴系65通过同步带63与电机60相连，同步带63安装在主轴同步带轮64和电机同步带轮62上，电机60固定在电机支撑体61上；驱动电机60带动电机同步带轮62回转，电机同步带轮62的回转在同步带63的传动下带动主轴同步带轮64回转，从而带动主轴轴系65与玻璃盘66回转，通过调节六个调节螺钉68调节玻璃盘66的端面跳动。

本实施例所述支撑控制单元7包括操作台70、控制柜71、支撑杆72和支脚73；四根支撑杆72安装在操作台70的四个角下方，支撑杆72的底部安装支脚73，支撑杆72通过调节支脚73调整操作台70的水平状态；控制柜71安装四根支撑杆72组成的内部空间内，用于测量装置电源的控制、电机的启动与停止及测量装置的意外急停。

本实施例实现滑块轴承润滑油膜与摩擦力实时测量的具体步骤为：

(1)加载单元的平移：拉动扳手40使平移板41在平移导轨43上平移，进而带动加载单元3平移，使滑块11与玻璃盘66偏离一段距离，便于滑块11的安装与拆卸；

(2)滑块-玻璃盘接触副的安装与调节：将滑块11放到微调倾单元1的下盖12的槽121内，用第一锁紧螺钉13锁紧；将微调倾单元1通过螺纹联连接到法兰盘27上，使微调倾单元1与摩擦力测量单元2相连接；然后将玻璃盘66安装到主轴轴系65上，并用玻璃盘压套67锁紧，采用千分表测量玻璃盘66的端面跳动，反复调节六个调节螺钉68使玻璃盘的端面跳动达到最小；

(3)滑块-玻璃盘接触副接触状态与位置调节：推动扳手40使平移板41在平移导轨43上平移，进而带动加载单元3平移，到达实验指定位置后用第二锁紧螺钉44锁紧；旋转调节螺套33使滑块11下降并靠近玻璃盘66表面；通过润滑油膜测量单元5观察滑块-玻璃盘接触副的接触状态，并由压套30对接触状态进行微调节，直至达到滑块-玻璃盘接触副的初始接触状态；

(4)滑块-玻璃盘接触副加载：结合润滑油膜测量单元5，观察滑块11与玻璃盘66之间形成的接触图像，调节压套30使接触图像处于似接触非接触状态，实现加载置零，然后将砝码35套在砝码杆36上，在砝码35压力作用下加载板34下移并带动摩擦力测量单元2和微调倾单元1下移，实现滑块-玻璃盘接触副加载，更换砝码数量能够得到不同的加载载荷；

(5)驱动玻璃盘回转：按转速为0-1000转/分启动电机60，带动电机同步带轮62回转，电机同步带轮62的回转在同步带63的传动下带动主轴同步带轮64回转，从而带动主轴轴系65与玻璃盘66回转；

(6)润滑油膜与磨损状态的观察与测量：滑块11与玻璃盘66间的润滑状态通过操作台70上的孔701利用显微镜50观察；为清晰观察到滑块11与玻璃盘66间润滑状态，需要将显微镜50调整到接触图像最清晰的位置，通过三维平移台51调节显微镜50的位置和焦距，显微镜50调节到最佳位置后，将观察到的图像放大后传递给CCD图像传感器52，CCD图像传感器50将捕获的图像实时储存在外接的电脑上，然后用现有的图像处理软件分析和处理润滑油膜厚度；

(7)摩擦力的测量：调节传感器螺钉24直至压力传感器25上的传感器帽26与气浮滑块21接触，根据压力传感器25的读数判断传感器帽26与气浮滑块21的接触状态，达到实验接触要求后气浮滑块21的移动被限制住，将压力传感器25读数置零，在气浮导轨20和气浮滑块21间充入气压形成气体膜，进行摩擦力测量；采用的气浮导轨20与气浮滑块21配合，通过气体膜将气浮导轨20与气浮滑块21隔离，消除了系统摩擦力，能准确获取测量试样接触副间的摩擦力。