专利名称：带有自旋的弹流润滑油膜形状实验模拟方法与测量装置的制作方法
技术领域：
本发明属于点、线接触弹流润滑油膜形状的实验测量领域，尤其涉及带有自旋分 量的弹流润滑油膜厚度的测量。
背景技术：
弹性流体动力润滑(弹流润滑)是工程中许多点、线接触零部件常见的润滑形式， 如滚动轴承和齿轮等的润滑。弹流润滑油膜的形状与厚度是评价润滑有效性的重要指 标，在工程实践和科学研究中有着重要的地位。在一般的弹流润滑的工程分析与研究 中，两接触表面的运动通常假定为相对滚动和滑动。然而在一些情况下，接触表面还 存在自旋。如角接触球轴承的钢球与套圈由于接触角的存在，钢球会发生自旋运动， 产生轴承磨损与失效。在机械无级变速中(CVT)，两滚动体轴线相交不平行，也会产 生接触表面自旋，降低CVT的传动效率。带有自旋的弹流润滑的实验研究大都集中于力矩的测量和油膜形状及厚度的测 量。其关键问题在于自旋条件下弹流润滑的实验室再现一即实验模拟方法。目前常用的涉及自旋弹流润滑的实验模拟装置包括1、 球-槽接触图2为球-槽接触的结构简图。实样1上加工有横截面为圆弧的槽，试样2为高 精度钢球。实验时，试样2与试样1在载荷作用下在槽底部接触，试样1静止，试样 2转动。该类装置只有纯自旋，没有滚动或滑动分量，不能模拟工程实际中自旋与滚 /滑并存的这一普遍情况。2、 球面圆盘一柱面圆盘接触图3是此类测量装置的结构简图。它是由一球面圆盘试样1和一只柱面团盘试样 2组成。两盘都围绕各自轴心转动。实验中可调整球面圆盘的轴线与柱面圆盘轴线的 交角a，以获得不同的自旋分量。3、 球一盘接触图4为常用的另外一种实验方法，从图中可以看出，要获得不同的自旋分量，需要调节钢球与圆盘的接触角e。通常圆盘为透明玻璃盘，可实现油膜形状和厚度的测以上已有的模拟方法中，通过摩擦副两表面旋转轴夹角的调节来引入自旋量。该 夹角的精确调节需要较为复杂的装置来实现。发明内容本发明的目的是针对已有技术的不足，提供一种带有自旋的弹流润滑油膜形状的 实验模拟方法，本方法简单有效，模拟精确。本发明的另一个目的是提供一种带有自旋的弹流润滑油膜形状的实验模拟装置， 该装置结构简单，模拟精确。以下详细介绍本发明， 一种带有自旋的弹流润滑油膜形状的实验模拟方法，通过 调整接触体和玻璃块的接触中心与玻璃块旋转中心的偏心距来获得不同的自旋分量 和旋滚比。优化地，利用弹流接触副接触区出口处的弯曲明显的气穴轨迹进行曲线模拟，精 确确定玻璃块的旋转中心位置。本发明的另一个技术方案是一种带有自旋的弹流润滑油膜形状的实验模拟方法， 测试球与光学玻璃块的镀有析光膜的一面接触，析光膜表面涂有润滑油；测试球和玻 璃块可分别旋转，在接触区形成弹流油膜；使用两维平移组合，调节钢球和玻璃块接 触区中心与玻璃块旋转中心的距离，便可得到不同自旋分量条件下的弹流润滑。优化地，玻璃块的旋转中心通过润滑气穴区轨迹寻找。优化地，润滑气穴区轨迹利用弹流接触副接触区出口处的弯曲明显的气穴轨迹进 行曲线模拟，精确确定玻璃块的旋转中心位置。 优化地，测试球是钢球或球形滚子或圆柱滚子。本发明的另一个技术方案是一种带有自旋的弹流润滑油膜形状的实验模拟装置， 包括弹流接触部分、加载部分和光学测量部分，其中弹流接触部分包括测试球，该测 试球设置旋转轴；测试球与光学玻璃块的镀有析光膜的一面接触，析光膜表面涂有润滑油；测试球的顶面与光学玻璃块接触，该测试球安装在水平面的二维平移台上，所 述光学玻璃连接水平面转动装置，该水平面转动装置在光学玻璃处设置检测孔，数据 提取设备通过该检测孔提取成像数据。本发明的优点是定为精确，可以模拟自旋的弹流润滑油膜形状，同时该装置结构 简单合理，成本低。
图l是本发明的结构示意图；图2是本发明以前的一种模拟装置的接触形式；图3是本发明以前的另一种模拟装置的接触形式；图4是本发明以前的另一种模拟装置的接触形式图5是本发明的方法原理图；图6是本发明的玻璃块旋转中心的空化轨迹确定方法示意图；图7是本发明实验装置立体图；图8是调倾装置的结构示意图；图9是不同转速下纯自旋干涉图样；图10是偏心距r对膜厚的影响；图ll是加载装置的结构示意图。 ，具体实施方式
实施例h本发明的基础是一种带有自旋的弹流润滑油膜形状的实验模拟方法，通过调整接 触体和玻璃块的接触中心与玻璃块旋转中心的偏心距来获得不同的自旋分量和旋滚 比。利用弹流接触副接触区出口处的弯曲明显的气穴轨迹进行曲线模拟，精确确定玻 璃块的旋转中心位置。具体的说是一种带有自旋的弹流润滑油膜形状的实验模拟方法，测试球与光学玻 璃块的镀有析光膜的一面接触，析光膜表面涂有润滑油；测试球和玻璃块可分别旋转，在接触区形成弹流油膜；使用两维平移组合，调节钢球和玻璃块接触区中心与玻璃块 旋转中心的距离，便可得到不同自旋分量条件下的弹流润滑。玻璃块的旋转中心通过 润滑气穴区轨迹寻找。润滑气穴区轨迹利用弹流接触副接触区出口处的弯曲明显的气 穴轨迹进行曲线模拟，精确确定玻璃块的旋转中心位置。请参阅说明书附图1和附图7，本带有自旋的弹流润滑油膜形状的实验模拟装置 的具体结构是，设置一框架IO，该框架的底座11上安装水平面的二维平移台20，该 二维平移台上安装测试球30装置，所述测试球设置水平的转轴31;测试球30的顶 部接触光学玻璃40的底面，该光学玻璃连接回转装置50，回转装置50通过同步带 轮60连接动力装置，所述二维平移台20设置一个微调装置21和粗条装置22;其中 微调装置21设置在一个用于调节测试球30和光学玻璃40的底面接触压力的加载装 置70上；回转装置是中空的结构，摄像装置80和显微镜90设置在回转装置的空间 内，并正好处于适合拍摄测试球30的位置.请参阅说明书附图11所述加载装置70设置一个加载托板71，加载托板71的一 端设置铰链，另一端安装加载器72上，该加载器72设置一个支架721，支架上设置 弹簧722，弹簧722连接加载托板71，弹簧的另一端通过拉力计安装在支架上，支架 的顶端设置用于调节弹簧拉伸收縮的调节手柄723。请参阅说明书附图7和附图11所述二维平移台20包括微调装置21和粗条装置22,微调装置设置在粗调装置上， 粗调装置22设置一个滑板221，滑板下面设置轨道222，设置调节手柄223;微调装 置21是一个二维调解台211双向均设置轨道，两个方向均设置调节手柄212。 请参阅说明书附图7发明实验装置的总体结构示意图。装置包括三两部分 部分I一弹流接触副部分，调倾装置的结构如图8，专门用于圆柱滚子线接触的 实验。该装置固连在加载拖板图7上，加载时圆柱滚子自动调整，保证了加载的均匀 性和圆柱滚子与玻璃盘的完全接触。手轮和滑板用于接触副位置的粗调。其余部分的 详细结构参见图1。部分II一加载部分，。转动加力螺杆可实现加载。数显拉力计与加载托板通过弹 簧连接实现柔性加载。部分ni—光学测量部分，显微镜为同轴照明连续变倍单筒视频显微镜。入射光经同轴照明器进入弹流接触区，干涉图样经显微镜放大后由摄像装置俘获并传给图像 卡，由图像处理软件处理，得到油膜厚度。本实验装置可视实验要求选择玻璃块的接触体为钢球、球形滚子或圆柱滚子。请参阅图5;带有自旋的弹流润滑油膜形状的新实验模拟方法。 所发明的新试验模拟方法和对应装置的原理如图5所示。玻璃块绕旋转中心" 以角速度①转动。以钢球-玻璃块接触为例，接触区为一圆形，点O为其中心。根据实验要求，钢球或静止或转动。对于过O点的任一条直线(如图5中0A)上的任一 点(如A点)，其速度"="r"， ^=|<^4|。在A点将该速度分解为平行于y轴的ul 和垂直于OA的u2，则ul和u2满足卜2 = r2. o (1)可以看到沿y轴的速度分量ul是恒定的，不依赖于A点的位置。而垂直于径向 线的速度分量u2与A点到接触中心的距离成正比。可以看到，玻璃块的运动等效为 沿y轴方向的平动ul和绕接触中心0的转动u2。平动ul引起通常的润滑油的巻吸， 转动u2即为自旋。实验中，设钢球半径为Rb在接触区表面的速度为ub,沿y轴的巻吸速度 _ ^ + wA"广 2 ,旋滚比可计算如下本装置可实现纯滑和纯滚两种状态。纯滚动时，"1="、 " r ;纯滑时，"6=0， W "。证明直线OW方程^二xtana;直线04方程<formula>formula see original document page 8</formula><formula>formula see original document page 9</formula>可以得到<formula>formula see original document page 9</formula>速度u为<formula>formula see original document page 9</formula>ul与u在AO上的投影相等，<formula>formula see original document page 9</formula>u2与u在x轴上的投影相等，<formula>formula see original document page 9</formula>完毕请参阅说明书附图6玻璃块旋转中心的空化轨迹确定方法 实验中的关键问题之一是玻璃块安装后的旋转中心位置的精确确定。首先适当 调节显微镜的放大倍数，找到静止时的干涉图像。施加一定载荷，转动玻璃块，可以 观察到弹流接触副接触区出口处的气穴轨迹。利用两维平移台移动球形滚子(或钢球) 的位置，可十分容易得到弯曲明显的气穴轨迹。应用图形处理软件，可精确确定玻璃块的旋转中心位置。4发明的实施过程按实验目的选择接触体，按发明内容l (带有自旋的弹流润滑油膜形状的新实 验模拟方法)中的公式(2)确定实验参数。按实验要求锁紧或放松接触体回转轴，实现滑动或滚动。按选定速度参数通过同步带驱动回转装置，通过加力螺杆和数显拉力计施加预 定载荷。按发明内容2 (玻璃块旋转中心的空化轨迹确定方法)确定玻璃块回转中心。 应用两维平移台调节接触体位置，实现预定的r。 实验开始，速度稳定后采集图像并进行处理。依以上步骤可很好地实现本发明。 5实验测量实例结合
本发明的测量结果1)纯自旋测量结果，即r = 0。采用椭圆接触，测得的纯自旋情况下的 干涉图样如附图9，随着转速的增加，气穴逐渐从润滑油入口区向出口区扩展，最终 连接在一起。气穴的出现证明了油膜厚度的形成，气穴的扩展导致了供油不足现象的 产生。2)旋滑测量结果。采用钢球与玻璃块接触的方式测得了不同偏心距r的油 膜干涉图样，可以看出，随着偏心距的增加，受自旋的影响变弱，油膜不对称性减小。 请参阅附图10。
权利要求
1、一种带有自旋的弹流润滑油膜形状的实验模拟方法，其特征是；通过调整接触体和玻璃块的接触中心与玻璃块旋转中心的偏心距来获得不同的自旋分量和旋滚比。
2、 根据权利要求l所述的带有自旋的弹流润滑油膜形状的实验模拟方法，其 特征是；利用弹流接触副接触区出口处的弯曲明显的气穴轨迹进行曲线模拟，精 确确定玻璃块的旋转中心位置。
3、 一种带有自旋的弹流润滑油膜形状的实验模拟方法，其特征是；测试球与 光学玻璃块的镀有析光膜的一面接触，析光膜表面涂有润滑油；测试球和玻璃块 可分别旋转，在接触区形成弹流油膜；使用两维平移组合，调节钢球和玻璃块接 触区中心与玻璃块旋转中心的距离，便可得到不同自旋分量条件下的弹流润滑。
4、 根据权利要求3所述的带有自旋的弹流润滑油膜形状的实验模拟方法，其 特征是；玻璃块的旋转中心通过润滑气穴区轨迹寻找。
5、 根据权利要求4所述的带有自旋的弹流润滑油膜形状的实验模拟方法，其 特征是；润滑气穴区轨迹利用弹流接触副接触区出口处的弯曲明显的气穴轨迹进 行曲线模拟，精确确定玻璃块的旋转中心位置。
6、 根据权利要求3或4所述的带有自旋的弹流润滑油膜形状的实验模拟方法， 其特征是；测试球是钢球或球形滚子或圆柱滚子。
7、 一种带有自旋的弹流润滑油膜形状的实验模拟装置，包括弹流接触部分、 加载部分和光学测量部分，其特征是；其中弹流接触部分包括测试球，该测试球 设置旋转轴；测试球与光学玻璃块的镀有析光膜的一面接触，析光膜表面涂有润 滑油；测试球的顶面与光学玻璃块接触，该测试球安装在水平面的二维平移台上， 所述光学玻璃连接水平面转动装置，该水平面转动装置在光学玻璃处设置检测孔， 光学测量部分通过该检测孔提取成像数据。
8、 根据权利要求7所述的带有自旋的弹流润滑油膜形状的实验模拟装置，其特征是；该模拟装置的具体结构是，设置一框架(10)，该框架的底座(11)上安 装水平面的二维平移台(20)，该二维平移台上安装测试球(30)装置，所述测试 球设置水平的转轴(31);测试球(30)的顶部接触光学玻璃(40)的底面，该光 学玻璃连接回转装置(50)，回转装置(50)通过同步带轮(60)连接动力装置， 所述二维平移台(20)设置一个微调装置(21)和粗条装置(22);其中微调装置 (21)设置在一个用于调节测试球(30)和光学玻璃(40)的底面接触压力的加 载装置(70)上；回转装置是中空的结构，摄像装置(80)和显微镜(90)设置 在回转装置的空间内，并正好处于适合拍摄测试球(30)的位置.
9、 根据权利要求8所述的带有自旋的弹流润滑油膜形状的实验模拟装置，其 特征是；所述加载装置(70)设置一个加载托板(71)，加载托板(71)的一端设 置铰链，另一端安装加载器(72)上，该加载器(72)设置一个支架(721)，支 架上设置弹簧(722)，弹簧(722)连接加载托板(71)，弹簧的另一端通过拉力 计安装在支架上，支架的顶端设置用于调节弹簧拉伸收缩的调节手柄(723)。
10、 根据权利要求8所述的带有自旋的弹流润滑油膜形状的实验模拟装置，其 特征是；所述二维平移台(20)包括微调装置(21)和粗条装置(22)，微调装置 设置在粗调装置上，粗调装置(22)设置一个滑板(221)，滑板下面设置轨道(222)， 设置调节手柄(223);微调装置(21)是一个二维调解台(211)双向均设置轨道， 两个方向均设置调节手柄(212)。
全文摘要
本发明公开了一种带有自旋的弹流润滑油膜形状的实验模拟方法，其特征是；通过调整接触体和玻璃块的接触中心与玻璃块旋转中心的偏心距来获得不同的自旋分量和旋滚比。本发明的优点是定为精确，可以模拟自旋的弹流润滑油膜形状，同时该装置结构简单合理，成本低。
文档编号G01N33/30GK101270974SQ200710164869
公开日2008年9月24日 申请日期2007年11月30日 优先权日2007年11月30日
发明者杨沛然, 栗心明, 峰 郭 申请人:青岛理工大学