专利名称：滚动轴承润滑工况实验模拟装置及测量方法
技术领域：
本发明属于高应力接触流体润滑油膜测量领域，尤其涉及滚动轴承真实运动状态条件下的润滑油膜测量实验装置及测量方法。
背景技术：
在实际工程中，滚动轴承的应用及其广泛。上世纪30年代，Reynolds润滑理论及 Hertz接触理论的结合使滚动轴承润滑机理的研究迅速展开。在润滑理论的基础研究领域， 研究人员倾向于用最简洁的数学模型反应较复杂的润滑问题和揭示润滑机理。现有的高应力润滑油膜的测量装置几乎都基于图1所示的数学等效模型，由此滚珠与轴承内外圈之间的接触方式被等效为滚珠和平面的接触，该等效模型极大的推动了高应力接触润滑在理论和实验方面的发展。目前，常用的球-盘式润滑装置，可实现纯滑、纯滚及不同滑滚比运动工况下的润滑油膜的测量。然而，滚动轴承在实际工作状态下，由于滚珠的公转和自转使运动状态变得较为复杂，尤其是角接触轴承在高速运转时，滚珠除了滚动和滑动还包含一定程度的自旋运动。而现有的测量装置只能模拟滚珠运动的特定工况，通过不同方法附加的自旋分量也远超出了实际工况，而且随着运动速度和承载位置的变化，各运动分量也在不停发生变化。 虽然现有的理论也对滚珠的运动状态进行了分析，如图2所示，但缺少相应的实验数据。因此，有必要开发一种实验装置及测量方法直接观察滚动轴承的真实运动状态及相应的润滑油膜测量，无论对于基础理论研究还是工程实际都将具有重要的启示意义。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种滚动轴承润滑工况实验模拟装置及测量方法，能够直接观察滚动轴承的运动状态，同时测量分析滚动轴承内润滑油膜的润滑状态，为理论研究与工程技术改进提供实验数据。为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是，滚动轴承润滑工况实验模拟装置，它包括工作台，工作台上设置驱动单元，驱动单元带动弹流接触副单元，弹流接触副单元连接加载单元，同时弹流接触副单元与光学测量单元相配合。上述的滚动轴承润滑工况实验模拟装置，其弹流接触副单元包括固定在工作台上的底盘，底盘上设置带有弧面凹槽的透明体，所述弧面凹槽的圆弧面与滚动轴承外圈的内圆弧面相匹配。通过透明体能够清楚、直观的观测、捕捉到滚动轴承内部的运行情况。上述的滚动轴承润滑工况实验模拟装置，其驱动单元包括设置在工作台台面上的托板，托板的前端设置控制平面移动的手轮，托板的后端固定带有减速器的电机，电机连接回转轴，回转轴驱动滚动轴承转动。托板与手轮相配合，实现装置的水平移动，调节位置，提高观测精度；电机提供动力驱动滚动轴承转动。上述的滚动轴承润滑工况实验模拟装置，其回转轴一端通过联轴器连接电机，另一端装配在轴座的顶针上，轴座固定在工作台台面上。实验过程中根据不同的实验要求，不同类型的滚动轴承或摩擦副需要经常更换，轴座上设置顶针与回转轴相配合，方便拆装更换。上述的滚动轴承润滑工况实验模拟装置，其加载单元包括设置在弹簧架上的加载杠杆，加载杠杆连接滚动轴承。上述的滚动轴承润滑工况实验模拟装置，其加载杠杆固定在滚动轴承的端盖上， 加载杠杆上设置调节凹槽，加载杠杆上方连接加载弹簧，加载杠杆下方固定配重块。加载杠杆在配重块与弹簧的拉力作用下对弹流接触副单元施加载荷，确保测量精度；调节凹槽用来调节加载杠杆与滚动轴承的固定位置，增强适用性。上述的滚动轴承润滑工况实验模拟装置，其光学测量单元包括固定在工作台上的 X-Y平移座，X-Y平移座上设置焦距微调手轮，焦距微调手轮连接带有显微镜的CXD图像传感器，显微镜镜头对准透明体凹槽位置。一种用于上述实验模拟装置的测量方法，包括以下步骤
(1)预备确定滚动轴承类型和与之相匹配的透明体；滚动轴承外圈切除一小部分，切除部分由与滚动轴承外圈曲率完全匹配的带有弧面凹槽的透明体代替；将透明体镶嵌在底盘内，安装回转轴，先让回转轴预运行，待回转轴调节好回转中心后，在托板和手轮的驱动下顶紧回转轴；
(2)滚动轴承的定位与调节固定滚动轴承内圈，并调节滚动轴承在回转轴上的位置， 使之与透明体弧面凹槽完全匹配；通过端盖固定滚动轴承外圈，并将端盖固定在加载杠杆上；
(3)驱动调节加载杠杆对滚动轴承施加载荷，电机驱动滚动轴承内圈连同滚珠运动；
(4)测量分析利用CCD图像传感器捕获滚珠的运动过程，用图像处理软件分析得出滚珠不同运动位置的润滑油膜厚度。本发明的滚动轴承润滑工况实验模拟装置，如图4所示，滚动轴承外圈经机械加工切除一小部分，切除部分由与外圈曲率完全匹配的带有弧面凹槽的透明体代替，透明体镶嵌在底盘内。滚动轴承外圈固定，滚动轴承内圈与回转轴配合并随回转轴转动，滚动轴承内圈的转动驱动滚珠在滚动轴承内外圈之间运动。当滚珠经过透明体弧面凹槽时，其运动状态经显微镜放大后被CCD图像传感器采集卡捕获并存入电脑硬盘。滚珠与透明体接触时，通过外部入射单色光，得到油膜干涉图；利用该油膜干涉图，计算油膜厚度、构建油膜形状，对滚动轴承的润滑状态进行动力学分析与乏油工况下润滑状态及磨损形式分析。本发明具有如下主要功能和有益效果
利用透明体代替滚动轴承外圈，通过直接观察滚珠进入及移出的整个过程，实现滚珠运动状态及润滑工况的真实模拟，捕获滚珠在不同位置随速度及载荷变化的油膜干涉图， 如图8所示，并根据干涉图计算油膜厚度，分析润滑状态，进行数据分析。实验过程直观清晰、操作便捷，测量数据准确，便于深入分析研究。
图1是滚珠与滚动轴承内外圈接触方式及等效模型示意图； 图2是滚珠运动分析原理示意图3是本发明的滚动轴承润滑工况实验模拟装置结构示意图；图4是本发明实验模拟原理示意图5是图3中弹流接触副单元结构示意图6是图3中滚动轴承与加载杠杆连接结构示意图7是图3中回转轴与轴座连接结构示意图8是本发明实施例中滚动轴承的滚珠运动油膜干涉图。上述附图中，1-工作台，2-驱动单元，21-托板，22-手轮，23-电机，回转轴， 25-联轴器，26-轴座，261-顶针，27-减速器，3-弹流接触副单元，31-底盘，32-弧面凹槽， 33-透明体，34-滚动轴承，35-端盖，351-光孔，352-螺纹孔，353-预紧螺钉，4-加载单元， 41-弹簧架，42-加载杠杆，421-调节凹槽，43-加载弹簧，44-配重块，5-光学测量单元， 51-X-Y平移座，52-焦距微调手轮，53-显微镜，M-CCD图像传感器。
具体实施例方式如图3所示，本实施例的滚动轴承润滑工况实验模拟装置，包括工作台1，工作台1 上设置驱动单元2，驱动单元2带动弹流接触副单元3，弹流接触副单元3连接加载单元4， 同时弹流接触副单元3与光学测量单元5相配合。驱动单元2包括设置在工作台1台面上的托板21，托板21的前端设置控制平面移动的手轮22，托板21的后端固定带有减速器27的电机23，回转轴M —端通过联轴器25 连接电机23，另一端装配在轴座沈的顶针261上，轴座沈固定在工作台1台面上；回转轴 M驱动滚动轴承34转动。弹流接触副单元3包括固定在工作台1上的底盘31，底盘31上设置带有弧面凹槽 32的透明体33。加载单元4包括设置在弹簧架41上的加载杠杆42，加载杠杆42连接滚动轴承34， 加载杠杆42上方连接加载弹簧43，加载杠杆42下方固定配重块44。光学测量单元5包括固定在工作台1上的X-Y平移座51，Χ_Υ平移座51上设置焦距微调手轮52，焦距微调手轮52连接带有显微镜53的CXD图像传感器Μ，显微镜53镜头对准透明体33弧面凹槽的位置。
如图5所示，弹流接触副单元3包括固定在工作台1上的底盘31，底盘31上设置带有弧面凹槽32的透明体33，弧面凹槽32的圆弧面与滚动轴承34外圈的内圆弧面相匹配。
如图6所示，加载杠杆42固定在滚动轴承34的端盖35上，加载杠杆42上设置调节凹槽421。其中，左侧端盖和右侧端盖上分别带有光孔351和螺纹孔352，两个端盖夹持滚动轴承34外圈后通过预紧螺钉353连接，其中端盖上的断面与滚动轴承外圈配合，通过预紧螺钉353给滚动轴承34施加不同的预紧力，加载过程中施加的加载力均勻的分布在滚动轴承；34的外圈上面。端盖35固定滚动轴承34外圈后，连接到加载杠杆42上。如图3与图7所示，回转轴M —端通过联轴器25连接电机23，另一端装配在轴座 26的顶针261上，轴座沈固定在工作台1台面上。本实施例的实验模拟装置测量方法，包括以下步骤
(1)预备确定滚动轴承；34的类型和与之相匹配的透明体33 ；滚动轴承34外圈切除一小部分，切除部分由与滚动轴承34外圈曲率完全匹配的带有弧面凹槽的透明体33代替； 将透明体33镶嵌在底盘31内，安装回转轴对，先让回转轴M预运行，待回转轴M调节好回转中心后，在托板21和手轮22的驱动下顶紧回转轴M。(2)滚动轴承内圈的定位与调节固定滚动轴承34的内圈，并调节滚动轴承34在回转轴M上的位置，使之与透明体弧面凹槽32完全匹配。通过端盖35固定滚动轴承34 外圈并施加预紧力，并将端盖35固定在加载杠杆42上。(3)驱动调节加载杠杆42对滚动轴承34施加载荷，电机23驱动滚动轴承34内圈连同滚珠运动。(4)测量分析利用CXD图像传感器M捕获滚珠的运动过程，得到油膜干涉图，用图像处理软件分析得出滚珠不同运动位置的润滑油膜厚度。以上所述，仅是对本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明做其他形式的限制， 任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是，凡是未脱离本发明方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明的保护范围。
权利要求
1.滚动轴承润滑工况实验模拟装置，其特征在于它包括工作台，工作台上设置驱动单元，驱动单元带动弹流接触副单元，弹流接触副单元连接加载单元，同时弹流接触副单元与光学测量单元相配合。
2.根据权利要求1所述的滚动轴承润滑工况实验模拟装置，其特征在于所述弹流接触副单元包括固定在工作台上的底盘，底盘上设置带有弧面凹槽的透明体，所述弧面凹槽的圆弧面与滚动轴承外圈的内圆弧面相匹配。
3.根据权利要求1所述的滚动轴承润滑工况实验模拟装置，其特征在于所述驱动单元包括设置在工作台台面上的托板，托板的前端设置控制平面移动的手轮，托板的后端固定带有减速器的电机，电机连接回转轴，回转轴驱动滚动轴承转动。
4.根据权利要求3所述的滚动轴承润滑工况实验模拟装置，其特征在于所述回转轴一端通过联轴器连接电机，另一端装配在轴座的顶针上，轴座固定在工作台台面上。
5.根据权利要求1所述的滚动轴承润滑工况实验模拟装置，其特征在于所述加载单元包括设置在弹簧架上的加载杠杆，加载杠杆连接滚动轴承。
6.根据权利要求5所述的滚动轴承润滑工况实验模拟装置，其特征在于所述加载杠杆固定在滚动轴承的端盖上，加载杠杆上设置调节凹槽，加载杠杆上方连接加载弹簧，加载杠杆下方固定配重块。
7.根据权利要求1所述的滚动轴承润滑工况实验模拟装置，其特征在于所述光学测量单元包括固定在工作台上的X-Y平移座，X-Y平移座上设置焦距微调手轮，焦距微调手轮连接带有显微镜的CXD图像传感器，显微镜镜头对准透明体凹槽位置。
8.一种用于上述实验模拟装置的测量方法，包括以下步骤(1)预备确定滚动轴承类型和与之相匹配的透明体；滚动轴承外圈切除一小部分，切除部分由与滚动轴承外圈曲率完全匹配的带有弧面凹槽的透明体代替；将透明体镶嵌在底盘内，安装回转轴，先让回转轴预运行，待回转轴调节好回转中心后，在托板和手轮的驱动下顶紧回转轴；(2)滚动轴承的定位与调节固定滚动轴承内圈，并调节滚动轴承在回转轴上的位置， 使之与透明体弧面凹槽完全匹配；通过端盖固定滚动轴承外圈，并将端盖固定在加载杠杆上；(3)驱动调节加载杠杆对滚动轴承施加载荷，电机驱动滚动轴承内圈连同滚珠运动；(4)测量分析利用CCD图像传感器捕获滚珠的运动过程，用图像处理软件分析得出滚珠不同运动位置的润滑油膜厚度。
全文摘要
本发明提供一种滚动轴承润滑工况实验模拟装置及测量方法，滚动轴承润滑工况实验模拟装置，它包括工作台，工作台上设置驱动单元，驱动单元带动弹流接触副单元，弹流接触副单元连接加载单元，同时弹流接触副单元与光学测量单元相配合；滚动轴承润滑工况实验模拟装置的测量方法包括预备、滚动轴承的定位与调节、驱动及测量分析四个步骤，能够直接观察滚动轴承的运动状态，同时测量分析滚动轴承内润滑油膜的润滑状态，为理论研究与工程技术改进提供实验数据。
文档编号G01B11/06GK102353334SQ201110158228
公开日2012年2月15日 申请日期2011年6月14日 优先权日2011年6月14日
发明者栗心明, 郭峰, 黄柏林 申请人:青岛理工大学