帶有自旋的彈流潤滑油膜形狀實驗模擬方法與測量裝置的製作方法

2023-07-02 09:03:01 2

專利名稱：帶有自旋的彈流潤滑油膜形狀實驗模擬方法與測量裝置的製作方法
技術領域：
本發明屬於點、線接觸彈流潤滑油膜形狀的實驗測量領域，尤其涉及帶有自旋分 量的彈流潤滑油膜厚度的測量。
背景技術：
彈性流體動力潤滑(彈流潤滑)是工程中許多點、線接觸零部件常見的潤滑形式， 如滾動軸承和齒輪等的潤滑。彈流潤滑油膜的形狀與厚度是評價潤滑有效性的重要指 標，在工程實踐和科學研究中有著重要的地位。在一般的彈流潤滑的工程分析與研究 中，兩接觸表面的運動通常假定為相對滾動和滑動。然而在一些情況下，接觸表面還 存在自旋。如角接觸球軸承的鋼球與套圈由於接觸角的存在，鋼球會發生自旋運動， 產生軸承磨損與失效。在機械無級變速中(CVT)，兩滾動體軸線相交不平行，也會產 生接觸表面自旋，降低CVT的傳動效率。帶有自旋的彈流潤滑的實驗研究大都集中於力矩的測量和油膜形狀及厚度的測 量。其關鍵問題在於自旋條件下彈流潤滑的實驗室再現一即實驗模擬方法。目前常用的涉及自旋彈流潤滑的實驗模擬裝置包括1、 球-槽接觸圖2為球-槽接觸的結構簡圖。實樣1上加工有橫截面為圓弧的槽，試樣2為高 精度鋼球。實驗時，試樣2與試樣1在載荷作用下在槽底部接觸，試樣1靜止，試樣 2轉動。該類裝置只有純自旋，沒有滾動或滑動分量，不能模擬工程實際中自旋與滾 /滑並存的這一普遍情況。2、 球面圓盤一柱面圓盤接觸圖3是此類測量裝置的結構簡圖。它是由一球面圓盤試樣1和一隻柱麵團盤試樣 2組成。兩盤都圍繞各自軸心轉動。實驗中可調整球面圓盤的軸線與柱面圓盤軸線的 交角a，以獲得不同的自旋分量。3、 球一盤接觸圖4為常用的另外一種實驗方法，從圖中可以看出，要獲得不同的自旋分量，需要調節鋼球與圓盤的接觸角e。通常圓盤為透明玻璃盤，可實現油膜形狀和厚度的測以上已有的模擬方法中，通過摩擦副兩表面旋轉軸夾角的調節來引入自旋量。該 夾角的精確調節需要較為複雜的裝置來實現。發明內容本發明的目的是針對已有技術的不足，提供一種帶有自旋的彈流潤滑油膜形狀的 實驗模擬方法，本方法簡單有效，模擬精確。本發明的另一個目的是提供一種帶有自旋的彈流潤滑油膜形狀的實驗模擬裝置， 該裝置結構簡單，模擬精確。以下詳細介紹本發明， 一種帶有自旋的彈流潤滑油膜形狀的實驗模擬方法，通過 調整接觸體和玻璃塊的接觸中心與玻璃塊旋轉中心的偏心距來獲得不同的自旋分量 和旋滾比。優化地，利用彈流接觸副接觸區出口處的彎曲明顯的氣穴軌跡進行曲線模擬，精 確確定玻璃塊的旋轉中心位置。本發明的另一個技術方案是一種帶有自旋的彈流潤滑油膜形狀的實驗模擬方法， 測試球與光學玻璃塊的鍍有析光膜的一面接觸，析光膜表面塗有潤滑油；測試球和玻 璃塊可分別旋轉，在接觸區形成彈流油膜；使用兩維平移組合，調節鋼球和玻璃塊接 觸區中心與玻璃塊旋轉中心的距離，便可得到不同自旋分量條件下的彈流潤滑。優化地，玻璃塊的旋轉中心通過潤滑氣穴區軌跡尋找。優化地，潤滑氣穴區軌跡利用彈流接觸副接觸區出口處的彎曲明顯的氣穴軌跡進 行曲線模擬，精確確定玻璃塊的旋轉中心位置。 優化地，測試球是鋼球或球形滾子或圓柱滾子。本發明的另一個技術方案是一種帶有自旋的彈流潤滑油膜形狀的實驗模擬裝置， 包括彈流接觸部分、加載部分和光學測量部分，其中彈流接觸部分包括測試球，該測 試球設置旋轉軸；測試球與光學玻璃塊的鍍有析光膜的一面接觸，析光膜表面塗有潤滑油；測試球的頂面與光學玻璃塊接觸，該測試球安裝在水平面的二維平移臺上，所 述光學玻璃連接水平面轉動裝置，該水平面轉動裝置在光學玻璃處設置檢測孔，數據 提取設備通過該檢測孔提取成像數據。本發明的優點是定為精確，可以模擬自旋的彈流潤滑油膜形狀，同時該裝置結構 簡單合理，成本低。


圖l是本發明的結構示意圖；圖2是本發明以前的一種模擬裝置的接觸形式；圖3是本發明以前的另一種模擬裝置的接觸形式；圖4是本發明以前的另一種模擬裝置的接觸形式圖5是本發明的方法原理圖；圖6是本發明的玻璃塊旋轉中心的空化軌跡確定方法示意圖；圖7是本發明實驗裝置立體圖；圖8是調傾裝置的結構示意圖；圖9是不同轉速下純自旋幹涉圖樣；圖10是偏心距r對膜厚的影響；圖ll是加載裝置的結構示意圖。 ，具體實施方式
實施例h本發明的基礎是一種帶有自旋的彈流潤滑油膜形狀的實驗模擬方法，通過調整接 觸體和玻璃塊的接觸中心與玻璃塊旋轉中心的偏心距來獲得不同的自旋分量和旋滾 比。利用彈流接觸副接觸區出口處的彎曲明顯的氣穴軌跡進行曲線模擬，精確確定玻 璃塊的旋轉中心位置。具體的說是一種帶有自旋的彈流潤滑油膜形狀的實驗模擬方法，測試球與光學玻 璃塊的鍍有析光膜的一面接觸，析光膜表面塗有潤滑油；測試球和玻璃塊可分別旋轉，在接觸區形成彈流油膜；使用兩維平移組合，調節鋼球和玻璃塊接觸區中心與玻璃塊 旋轉中心的距離，便可得到不同自旋分量條件下的彈流潤滑。玻璃塊的旋轉中心通過 潤滑氣穴區軌跡尋找。潤滑氣穴區軌跡利用彈流接觸副接觸區出口處的彎曲明顯的氣 穴軌跡進行曲線模擬，精確確定玻璃塊的旋轉中心位置。請參閱說明書附圖1和附圖7，本帶有自旋的彈流潤滑油膜形狀的實驗模擬裝置 的具體結構是，設置一框架IO，該框架的底座11上安裝水平面的二維平移臺20，該 二維平移臺上安裝測試球30裝置，所述測試球設置水平的轉軸31;測試球30的頂 部接觸光學玻璃40的底面，該光學玻璃連接迴轉裝置50，迴轉裝置50通過同步帶 輪60連接動力裝置，所述二維平移臺20設置一個微調裝置21和粗條裝置22;其中 微調裝置21設置在一個用於調節測試球30和光學玻璃40的底面接觸壓力的加載裝 置70上；迴轉裝置是中空的結構，攝像裝置80和顯微鏡90設置在迴轉裝置的空間 內，並正好處於適合拍攝測試球30的位置.請參閱說明書附圖11所述加載裝置70設置一個加載託板71，加載託板71的一 端設置鉸鏈，另一端安裝加載器72上，該加載器72設置一個支架721，支架上設置 彈簧722，彈簧722連接加載託板71，彈簧的另一端通過拉力計安裝在支架上，支架 的頂端設置用於調節彈簧拉伸收縮的調節手柄723。請參閱說明書附圖7和附圖11所述二維平移臺20包括微調裝置21和粗條裝置22,微調裝置設置在粗調裝置上， 粗調裝置22設置一個滑板221，滑板下面設置軌道222，設置調節手柄223;微調裝 置21是一個二維調解臺211雙向均設置軌道，兩個方向均設置調節手柄212。 請參閱說明書附圖7發明實驗裝置的總體結構示意圖。裝置包括三兩部分 部分I一彈流接觸副部分，調傾裝置的結構如圖8，專門用於圓柱滾子線接觸的 實驗。該裝置固連在加載拖板圖7上，加載時圓柱滾子自動調整，保證了加載的均勻 性和圓柱滾子與玻璃盤的完全接觸。手輪和滑板用於接觸副位置的粗調。其餘部分的 詳細結構參見圖1。部分II一加載部分，。轉動加力螺杆可實現加載。數顯拉力計與加載託板通過彈 簧連接實現柔性加載。部分ni—光學測量部分，顯微鏡為同軸照明連續變倍單筒視頻顯微鏡。入射光經同軸照明器進入彈流接觸區，幹涉圖樣經顯微鏡放大後由攝像裝置俘獲並傳給圖像 卡，由圖像處理軟體處理，得到油膜厚度。本實驗裝置可視實驗要求選擇玻璃塊的接觸體為鋼球、球形滾子或圓柱滾子。請參閱圖5;帶有自旋的彈流潤滑油膜形狀的新實驗模擬方法。 所發明的新試驗模擬方法和對應裝置的原理如圖5所示。玻璃塊繞旋轉中心" 以角速度①轉動。以鋼球-玻璃塊接觸為例，接觸區為一圓形，點O為其中心。根據實驗要求，鋼球或靜止或轉動。對於過O點的任一條直線(如圖5中0A)上的任一， ^=|<^4|。在A點將該速度分解為平行於y軸的ul 和垂直於OA的u2，則ul和u2滿足卜2 = r2. o (1)可以看到沿y軸的速度分量ul是恆定的，不依賴於A點的位置。而垂直於徑向 線的速度分量u2與A點到接觸中心的距離成正比。可以看到，玻璃塊的運動等效為 沿y軸方向的平動ul和繞接觸中心0的轉動u2。平動ul引起通常的潤滑油的巻吸， 轉動u2即為自旋。實驗中，設鋼球半徑為Rb在接觸區表面的速度為ub,沿y軸的巻吸速度 _ ^ + wA"廣 2 r ;純滑時，"6=0， W "。證明直線OW方程^二xtana;直線04方程formula see original document page 8formula see original document page 9可以得到formula see original document page 9速度u為formula see original document page 9ul與u在AO上的投影相等，formula see original document page 9u2與u在x軸上的投影相等，formula see original document page 9完畢請參閱說明書附圖6玻璃塊旋轉中心的空化軌跡確定方法 實驗中的關鍵問題之一是玻璃塊安裝後的旋轉中心位置的精確確定。首先適當 調節顯微鏡的放大倍數，找到靜止時的幹涉圖像。施加一定載荷，轉動玻璃塊，可以 觀察到彈流接觸副接觸區出口處的氣穴軌跡。利用兩維平移臺移動球形滾子(或鋼球) 的位置，可十分容易得到彎曲明顯的氣穴軌跡。應用圖形處理軟體，可精確確定玻璃塊的旋轉中心位置。4發明的實施過程按實驗目的選擇接觸體，按發明內容l (帶有自旋的彈流潤滑油膜形狀的新實 驗模擬方法)中的公式(2)確定實驗參數。按實驗要求鎖緊或放鬆接觸體迴轉軸，實現滑動或滾動。按選定速度參數通過同步帶驅動迴轉裝置，通過加力螺杆和數顯拉力計施加預 定載荷。按發明內容2 (玻璃塊旋轉中心的空化軌跡確定方法)確定玻璃塊迴轉中心。 應用兩維平移臺調節接觸體位置，實現預定的r。 實驗開始，速度穩定後採集圖像並進行處理。依以上步驟可很好地實現本發明。 5實驗測量實例結合

本發明的測量結果1)純自旋測量結果，即r = 0。採用橢圓接觸，測得的純自旋情況下的 幹涉圖樣如附圖9，隨著轉速的增加，氣穴逐漸從潤滑油入口區向出口區擴展，最終 連接在一起。氣穴的出現證明了油膜厚度的形成，氣穴的擴展導致了供油不足現象的 產生。2)旋滑測量結果。採用鋼球與玻璃塊接觸的方式測得了不同偏心距r的油 膜幹涉圖樣，可以看出，隨著偏心距的增加，受自旋的影響變弱，油膜不對稱性減小。 請參閱附圖10。
權利要求
1、一種帶有自旋的彈流潤滑油膜形狀的實驗模擬方法，其特徵是；通過調整接觸體和玻璃塊的接觸中心與玻璃塊旋轉中心的偏心距來獲得不同的自旋分量和旋滾比。
2、 根據權利要求l所述的帶有自旋的彈流潤滑油膜形狀的實驗模擬方法，其 特徵是；利用彈流接觸副接觸區出口處的彎曲明顯的氣穴軌跡進行曲線模擬，精 確確定玻璃塊的旋轉中心位置。
3、 一種帶有自旋的彈流潤滑油膜形狀的實驗模擬方法，其特徵是；測試球與 光學玻璃塊的鍍有析光膜的一面接觸，析光膜表面塗有潤滑油；測試球和玻璃塊 可分別旋轉，在接觸區形成彈流油膜；使用兩維平移組合，調節鋼球和玻璃塊接 觸區中心與玻璃塊旋轉中心的距離，便可得到不同自旋分量條件下的彈流潤滑。
4、 根據權利要求3所述的帶有自旋的彈流潤滑油膜形狀的實驗模擬方法，其 特徵是；玻璃塊的旋轉中心通過潤滑氣穴區軌跡尋找。
5、 根據權利要求4所述的帶有自旋的彈流潤滑油膜形狀的實驗模擬方法，其 特徵是；潤滑氣穴區軌跡利用彈流接觸副接觸區出口處的彎曲明顯的氣穴軌跡進 行曲線模擬，精確確定玻璃塊的旋轉中心位置。
6、 根據權利要求3或4所述的帶有自旋的彈流潤滑油膜形狀的實驗模擬方法， 其特徵是；測試球是鋼球或球形滾子或圓柱滾子。
7、 一種帶有自旋的彈流潤滑油膜形狀的實驗模擬裝置，包括彈流接觸部分、 加載部分和光學測量部分，其特徵是；其中彈流接觸部分包括測試球，該測試球 設置旋轉軸；測試球與光學玻璃塊的鍍有析光膜的一面接觸，析光膜表面塗有潤 滑油；測試球的頂面與光學玻璃塊接觸，該測試球安裝在水平面的二維平移臺上， 所述光學玻璃連接水平面轉動裝置，該水平面轉動裝置在光學玻璃處設置檢測孔， 光學測量部分通過該檢測孔提取成像數據。
8、 根據權利要求7所述的帶有自旋的彈流潤滑油膜形狀的實驗模擬裝置，其特徵是；該模擬裝置的具體結構是，設置一框架(10)，該框架的底座(11)上安 裝水平面的二維平移臺(20)，該二維平移臺上安裝測試球(30)裝置，所述測試 球設置水平的轉軸(31);測試球(30)的頂部接觸光學玻璃(40)的底面，該光 學玻璃連接迴轉裝置(50)，迴轉裝置(50)通過同步帶輪(60)連接動力裝置， 所述二維平移臺(20)設置一個微調裝置(21)和粗條裝置(22);其中微調裝置 (21)設置在一個用於調節測試球(30)和光學玻璃(40)的底面接觸壓力的加 載裝置(70)上；迴轉裝置是中空的結構，攝像裝置(80)和顯微鏡(90)設置 在迴轉裝置的空間內，並正好處於適合拍攝測試球(30)的位置.
9、 根據權利要求8所述的帶有自旋的彈流潤滑油膜形狀的實驗模擬裝置，其 特徵是；所述加載裝置(70)設置一個加載託板(71)，加載託板(71)的一端設 置鉸鏈，另一端安裝加載器(72)上，該加載器(72)設置一個支架(721)，支 架上設置彈簧(722)，彈簧(722)連接加載託板(71)，彈簧的另一端通過拉力 計安裝在支架上，支架的頂端設置用於調節彈簧拉伸收縮的調節手柄(723)。
10、 根據權利要求8所述的帶有自旋的彈流潤滑油膜形狀的實驗模擬裝置，其 特徵是；所述二維平移臺(20)包括微調裝置(21)和粗條裝置(22)，微調裝置 設置在粗調裝置上，粗調裝置(22)設置一個滑板(221)，滑板下面設置軌道(222)， 設置調節手柄(223);微調裝置(21)是一個二維調解臺(211)雙向均設置軌道， 兩個方向均設置調節手柄(212)。
全文摘要
本發明公開了一種帶有自旋的彈流潤滑油膜形狀的實驗模擬方法，其特徵是；通過調整接觸體和玻璃塊的接觸中心與玻璃塊旋轉中心的偏心距來獲得不同的自旋分量和旋滾比。本發明的優點是定為精確，可以模擬自旋的彈流潤滑油膜形狀，同時該裝置結構簡單合理，成本低。
文檔編號G01N33/30GK101270974SQ200710164869
公開日2008年9月24日 申請日期2007年11月30日 優先權日2007年11月30日
發明者楊沛然, 慄心明, 峰 郭 申請人:青島理工大學