专利名称：一种油膜厚度测量装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种油膜厚度测量装置及方法，特别涉及稳态及非稳态条件下油膜厚度测量装置及方法，属于润滑油技术领域。
背景技术：
润滑油膜厚度的测量对于润滑状态的研究具有重大意义，膜厚测量的方法有多种，其中光干涉法是公认较为准确的方法之一，但目前的研究范围仍局限于稳态研究，对于非稳态载荷方面的润滑特性研究主要是采用数值模拟的方法，这种方法的缺点是只能以理论公式为依据，没有实际润滑实验做验证，模拟结论不具有完全的说服性，而且容易出现误差。
发明内容
为了便于研究非稳态载荷条件下的润滑油膜特性，本发明提供一种可测量非稳态载荷条件或稳态载荷条件下润滑油膜厚度的测量装置备和方法。一种油膜厚度测量装置，所述装置包括载荷加载机构、旋转动力机构和载荷测量机构，所述载荷加载机构包括电机及设于电机上的加载轮，加载轮下方设有加载板，所述加载板的一端固定于载荷加载机构中的下弹簧片上，另一端为自由端。本发明所述装置中的加载轮为可以提供非稳态加载力的任何形式的加载轮，其选择可根据需创造的非稳态条件确定，本发明优选加载轮为偏心轮、凸轮，从而实现渐变载荷或突变载荷等非稳态载荷形式。
本发明所述装置使用偏心轮作为加载轮时，偏心轮与加载板间的垂直距离介于偏心轮旋转点距圆周最近端及最远端的距离之间，使得偏心轮在旋转一周时一部分时间接触加载板，一部分时间脱离加载板，构成非稳态环境。本发明所述偏心轮与加载板接触面需非常光滑，偏心轮优选由直流电机带动，直流电机固定在于载荷加载机构的框架I上。直流电机带动偏心轮转动，偏心轮远离轴心端随转动逐渐与加载板接触并对其向下施加载荷，偏心轮最远端通过加载板后开始逐渐卸载，直至整个偏心轮与加载板脱离，完成一个非稳态载荷周期。本发明所述装置可以根据所需的非稳态环境选择偏心轮的大小、偏心轮的旋转点、电机转速等参数。非稳态载荷变化范围可以通过调整偏心轮轴心与加载杆的垂直高度来很方便地调节，变载荷时间跨度可以通过调节直流电机转速实现；非稳态载荷曲线可以通过改变偏心轮大小调节。本发明所述载荷加载机构优选下述机构:所述载荷加载机构包括框架1、加载把手、弹簧片模块、滚轮、钢球夹具体，所述弹簧片模块由上弹簧片和下弹簧片组成，上弹簧片和下弹簧片两个侧边通过具有一定厚度的固定块彼此固定连接使上弹簧片和下弹簧片间形成一定空间；上弹簧片与加载把手相连，下弹簧片与压力传感器I相连，所述压力传感器I用于实时测量施加在玻璃盘上的加载力；所述加载板的一端固定在下弹簧片上,另一端为自由端，加载板上方一定高度处垂直放置加载轮，加载轮连接电机，电机固定在框架I上；所述压力传感器I下方固定滚轮，滚轮下方设有钢球夹具体，所述钢球夹具体固定于垂直导轨上，且二者固定安装于框架I的后盖板上的水平导轨上；钢球夹具体4 一侧安装压力传感器II，所述压力传感器II用于测量钢球夹具体上的钢球与玻璃盘间滑动时产生的摩擦力；所述钢球夹具体下方设有旋转动力机构,所述旋转动力机构包括用于盛装待测油膜的玻璃盘和旋转台，所述玻璃盘固定于旋转台上；所述载荷加载机构框架I下方左右两端固定在水平直线导轨上，水平直线导轨固定在载荷测量机构的框架II上。本发明所述装置采用加载把手与弹簧片模块相结合的方式，弹簧片模块由上、下弹簧片组成，两弹簧片两端分别用两个长条模块固定连接，使两弹簧片间形成空间，上弹簧片与加载把手相连，下弹簧片与压力传感器I相连，使用时，加载把手向下旋转对弹簧片模块施加载荷，弹簧片模块将载荷传递至压力传感器I及钢球。本发明所述装置中钢球夹具体随载荷的变化上下滑动，随摩擦力的变化与滚轮相对水平移动。钢球夹具体连接可调拉伸弹簧，通过该可调拉伸弹簧钢球夹具体可将自身重力平衡，调节原则是使滚轮与钢球夹具体接触且此时的压力传感器I示数为零。本发明所述装置优选所述旋转台为可调转速电动旋转台。本发明所述压力传感器I和II优选与数据采集卡及Labview程序配合使用以实时监测载荷的变化。 本发明所述载荷测量机构优选下述机构:所述载荷测量机构包括框架I1、显微镜、CXD传感器和三维工作台，旋转台正下方放置显微镜，显微镜固定在三维工作台上，显微镜下部连接CXD传感器，所述CXD传感器用于将干涉图像数字化处理显示于计算机上。油膜厚度为干涉图像中心区域各个点的膜厚的平均值。进行干涉图像处理时，首先将提取的干涉图像的光强值进行加强处理，后基于相对光强原理，得到干涉图像中心区域任一直线各个点的膜厚度值。在使用上述装置时，可调节旋转台使其旋转速度呈周期性增减变化，且结合调节载荷加载机构以提供周期性增减变化的加载力，即可实现在非稳态变速度和非稳态变载荷的双重条件下对润滑膜厚度的测量。本发明的有益效果是:本发明能够简单方便地实现非稳态载荷，可以将压力传感器与数据采集卡及Labview程序配合使用，这样可以实时监测载荷的变化，本发明中涉及的非稳态载荷曲线形式为类正弦曲线，便于分析测试结果；非稳态载荷变化范围可以通过调整偏心轮轴心与加载杆的垂直高度来很方便地调节，变载荷时间跨度可以通过调节直流电机转速实现；非稳态载荷曲线可以通过改变偏心轮大小调节，还可以根据测试工况需要将偏心轮更换为凸轮或其他形式，从而实现渐变载荷或突变载荷等非稳态载荷形式。
图1为一种油膜厚度测量装置的正视图(未包含非稳态载荷部分)。图2为一种载荷加载机构的侧视图(包含非稳态载荷部分)。图3是图2中载荷加载机构部分详图；图4为实施例1测量膜厚值与Hamrock-Dowson理论公式计算值对比图，图中，EX一表示实验测量膜厚值；HD—表示Hamrock-Dowson理论公式计算值。附图标记如下:1、加载把手，2、弹簧片模块，201、上弹簧片，202、下弹簧片，3、滚轮，4、钢球夹具体，5、玻璃盘，6、水平直线导轨，7、旋转台，8、C⑶传感器，9、三维工作台，10、显微镜，11、钢球，12、压力传感器11、13、压力传感器I，14、后盖板，15、偏心轮，16、电机，17、加载板，18、电机支架，19、轴，20、螺钉，21、垂直导轨，22、水平导轨。
具体实施例方式
下述非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。实施例1图1显示一种油膜厚度测量装置的正视图(未包含非稳态载荷部分)，分为上下两部分，上部分为载荷加载机构，下部分为载荷测量机构。该实施例选用偏心轮15作为加载轮。载荷加载机构的框架I下方左右两端固定在水平直线导轨6上，水平直线导轨6固定在载荷测量机构的框架II上。以此通过滑动水平直线导轨6滑块调节载荷加载机构的位置，从而改变钢球11·与玻璃盘5之间的接触半径。加载把手I通过螺纹固定连接框架I的后盖板14，并固定于框架I上部，加载把手I下端与弹簧片模块2连接，使该模块随加载把手I上下移动。弹簧片模块2由上、下弹簧片组成，两弹簧片两端分别用两个长条模块固定连接，使两弹簧片间形成一定空间，上弹簧片201与加载把手I相连，下弹簧片202与压力传感器113相连，使用时，加载把手I向下旋转对弹簧片模块施加载荷，弹簧片模块将载荷传递至压力传感器113及钢球11。压力传感器113用于实时测量施加在玻璃盘上的加载力。所述压力传感器113下方固定滚轮3，滚轮3下方设有钢球夹具体4，所述钢球夹具体4固定于垂直导轨21上，且二者固定安装于框架I后盖板上的水平导轨22上，钢球夹具体4 一侧安装压力传感器1112，所述压力传感器1112用于测量钢球夹具体4上的钢球11与玻璃盘5间滑动时产生的摩擦力。压力传感器II12 —端与钢球夹具体4连接，另一端固定在框架I上。钢球夹具体4随载荷的变化上下滑动，随摩擦力的变化与滚轮3相对水平移动以测量摩擦力。钢球夹具体4通过可调拉伸弹簧将自身重力平衡，调节原则是使滚轮3与钢球夹具体4接触且此时的压力传感器112示数为零。旋转加载把手I下移使得钢球11与玻璃盘5接触后，继续下移使得弹簧片模块造成弹性变形，并将该载荷传递至钢球11与玻璃盘5接触区域。玻璃盘5上方空间与玻璃盘夹具体之间形成油槽，电动旋转台7带动固定其上的玻璃盘5旋转，使钢球11与玻璃盘形5成点接触滑动润滑。旋转台7正下方放置单筒显微镜10，显微镜固定在三维工作台9上，通过调节三维工作台9改变显微镜10的水平位置及高度，以便得出钢球11与玻璃盘5接触区域的光干涉图像，显微镜下部连接CXD传感器8，用于将干涉图像数字化处理显示于计算机上。附图2为载荷加载机构的侧视图(包含非稳态载荷部分)，图中可以看出，其他机构与图1相同，将一个弹性加载板17的一端固定在弹簧片模块的下弹簧片202上，加载板17另一端为自由端，自由端正上方垂直放置一个偏心轮15,偏心轮15由固定在框架上I的直流电机16驱动。从附图3可以看出，偏心轮15与直流电机16通过轴19连接，偏心轮15通过螺钉20固定于轴19上。电机16转动时带动偏心轮15旋转，偏心轮15远离轴心端逐渐向加载板17靠近并接触，远离轴心端继续向下转动开始对加载板17施加载荷，加载板17通过下弹簧片202和压力传感器113将载荷传递至钢球11与玻璃盘7接触区域；偏心轮15远离轴心端转过最低点后加载板17随之逐渐抬起，施加载荷也随之相应减小，直到偏心轮15与加载板17脱离，这样就完成了一个非稳态载荷周期，偏心轮15继续转动，变载周期循环往复。可测量各种润滑油在点接触非稳态薄膜润滑油膜厚度，实验用油为CD10W-30润滑油；偏心轮直径40mm,偏心距30mm ;旋转中心位置在加载板17的自由端的正上方20mm处；电机转速为7转/分钟；；测量结果在载荷分别是:1.96N、3.92N、5.88N，卷吸速度变化为O 22mm/s时, 测量膜厚值与Hamrock-Dowson理论公式计算值基本相符,具体测量膜厚值与Hamrock-Dowson理论公式计算值见图4。
权利要求
1.一种油膜厚度测量装置，所述装置包括载荷加载机构、旋转动力机构和载荷测量机构，所述载荷加载机构包括电机(16)及设于电机(16)上的加载轮,加载轮下方设有加载板(17)，所述加载板(17)的一端固定于载荷加载机构中的下弹簧片(202)上,另一端为自由端。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于:所述加载轮为偏心轮(15)或凸轮。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于:所述载荷加载机构包括框架1、加载把手(I)、弹簧片模块、滚轮(3)、钢球夹具体(4)， 所述弹簧片模块由上弹簧片(201)和下弹簧片(202)组成，上弹簧片(201)和下弹簧片(202)两个侧边通过具有一定厚度的固定块彼此固定连接使上弹簧片(201)和下弹簧片(202)间形成一定空间；上弹簧片(201)与加载把手(I)相连，下弹簧片(202)与压力传感器I (13)相连，所述压力传感器I (13)用于实时测量施加在玻璃盘(5)上的加载力； 所述加载板(17)的一端固定在下弹簧片(202)上,另一端为自由端，加载板(17)上方一定高度处垂直放置加载轮，加载轮连接电机(16)，电机(16)固定在框架I上； 所述压力传感器I (13)下方固定滚轮(3)，滚轮(3)下方设有钢球夹具体(4)，所述钢球夹具体(4)固定于垂直导轨(21)上，且二者固定安装于框架I的后盖板(14)上的水平导轨(22)上；钢球夹具体(4)一侧安装压力传感器II (12)，所述压力传感器II (12)用于测量钢球夹具体(4)上的钢球(11)与玻璃盘(5)间滑动时产生的摩擦力； 所述钢球夹具体(4)下方设有旋转动力机构,所述旋转动力机构包括用于盛装待测油膜的玻璃盘(5)和旋转台(7)，所述玻璃盘(5)固定于旋转台(7)上； 所述载荷加载机构框架I下方左右两端固定在水平直线导轨(6)上，水平直线导轨(6)固定在载荷测量机构的框架II上。
4.根据权利要求1 3任一项所述的装置，其特征在于:所述载荷测量机构包括框架I1、显微镜(10)、CXD传感器(8)和三维工作台(9)， 旋转台(7)正下方放置显微镜(10)，显微镜(10)固定在三维工作台(9)上，显微镜(10)下部连接CXD传感器(8)，所述CXD传感器(8)用于将干涉图像数字化处理显示于计算机上。
5.根据权利要 求3所述的装置，其特征在于:所述旋转台(7)为可调转速电动旋转台。
全文摘要
本发明涉及一种油膜厚度测量装置及方法，特别涉及稳态及非稳态条件下油膜厚度测量装置及方法，属于润滑油技术领域。一种油膜厚度测量装置，包括载荷加载机构、旋转动力机构和载荷测量机构，所述载荷加载机构包括电机及设于电机上的偏心轮，偏心轮下方设有加载板，所述加载板的一端固定于载荷加载机构中的下弹簧片上，另一端为自由端。本发明所述装置可测量稳态和非稳态条件下的润滑油膜厚度，适用于润滑理论和技术的科学研究领域。
文档编号G01B11/06GK103234466SQ20131010925
公开日2013年8月7日 申请日期2013年3月30日 优先权日2013年3月30日
发明者严志军, 于涛, 徐久军, 刘德良, 朱新河, 程东 申请人:大连海事大学