一种脂润滑滚动轴承膜厚测量装置及其测试方法与流程

本发明属于滚动轴承试验技术，具体涉及一种基于电容测试法的用于脂润滑滚动轴承脂膜厚度测试装置及方法。

技术背景

滚动轴承是应用极为广泛的一种重要机械基础零件。现代工业的发展对滚动轴承的工作性能提出了更高的要求，高转速、长寿命的轴承越来越受到使用者青睐。据不完全统计，当今工业界使用的滚动轴承中，90％以上的润滑系统都是采用油脂润滑。但由于油脂的使用寿命并不长，在使用一段时间之后(特别是使用在滚动轴承中时)，需要再次注入油脂。对于密封轴承来说，油脂的有限寿命会导致滚动体与轴承内外圈之间进入乏油状态下的弹流润滑，使摩擦副之间严重缺少有效润滑介质；同时，摩擦副之间的润滑状态由全膜润滑状态转至非全膜润滑状态(混合和边界润滑状态)；进而摩擦副之间会出现粗暴的相互摩擦，引起接触应力的急剧上升，导致轴承寿命的急剧下降。因此，监控轴承的润滑情况特别是脂膜厚度具有重要意义，但目前针对滚动轴承这种极薄厚度的脂膜厚度的准确获取缺乏有效的技术支持。

技术实现要素：

本发明目的在于提供一种简便可行的用于滚动轴承的脂膜厚度测试装置及方法，结合电容测量技术，能够用于检测并获取实际工况中滚动轴承膜厚的信息。

为了达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：

一种脂润滑滚动轴承膜厚测试装置，包括一个密封的滚动轴承，一对电极与滚动轴承内外圈相连接，与这对电极相连的是一台电压测试器，与电压测试器相连的示波器会将电压测试器测量值显示出来；其特征在于，在滚动轴承轴向两侧附有两块密封板，该密封板可以保证在滚动轴承转动过程中轴承内外圈与滚动体之间有充足的油脂；与轴承内外圈相连接的一对电极会将轴承内部因润滑情况的改变而形成的电压变化传导至电压测试器；电压测试器将这种电压变化经过分析后传导至示波器；示波器在经过分析后将电压变化转化为电容变化，并最终将电容变化转化为膜厚值显示出来。

上述方案中，滚动轴承轴向有两块材料为透明聚四氟乙烯的密封板对其进行密封，在轴承内外圈接有一对电极，使滚动轴承内外圈之间形成了一个电容。

与电极相连接的电压测试器，由与其相连的示波器加载一个恒定频率的电压，然后测量的值是被测电容与被测电容和参照电容和值之间的比值。

一种采用前述装置实现滚动轴承脂膜厚度的测试方法，包括下述步骤：

(1)将受试轴承内外圈体表面测点位置加工圆槽，将电极用香蕉插头连接起来，并把香蕉插头嵌入圆槽并用环氧树脂封装，然后将受试轴承用聚四氟乙烯密封板进行密封，并安装在实验台架上；

(2)选择参考电容C_r，受试轴承在不加注润滑介质时，当输出电压为5V时，参考电容等于受试轴承本身的电容。电压测试器上设有三种参考电容值供选择，分别为：100pF，1nF和10nF，从100pF至10nF进行调试，输出电压最接近5V时为受试轴承的参考电容。

(3)对受试轴承加注润滑油脂，并开始在设定转速下测试输出电压V_m，输出电压值由电压测试器传导至示波器显示并记录下来，以便后期进行数值分析。然后可根据公式V_m＝V_max×C_r÷(C_r+C_m)可计算出被测脂膜厚度所对应的电容C_m；

(4)根据公式可以计算出膜厚值d，式中ε_r为材料相对静态介电常数，对于真空来说，其值为1，ε₀为真空节点常数值(8.854×10^-12Fm^-1)。

本发明与现有技术相比，具有以下优点与突出效果：

本发明采用电容膜厚测量技术可以有效获得滚动轴承接触点处膜厚值，从而为滚动轴承动特性研究创造条件。该方法能够检测实际工况下脂润滑滚动轴承润滑状况，有利于及时发现局部润滑失效甚或碰磨情况。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1为本发明装置的结构原理图。

图2为本发明装置的整体示意图。

图3为图2中滚动轴承内外圈电极连接示意图。

图4为滚动轴承接触部位电压输出值部分数值结果。

图2、图3中的标记说明：1-主轴；2-底座；3-聚四氟乙烯密封板；4-尾座；滚动轴承；6-轴承装夹块；7-轴承内圈内表面测点；8-轴承外圈外表面测点；9-电极；10-连接螺纹孔；11-油脂添加孔。

具体实施方式

参照图1，一种基于电容测试法的脂润滑滚动轴承膜厚测试装置，包括一个密封的滚动轴承，一对电极与滚动轴承内外圈相连接，与这对电极相连的是一台电压测试器，与电压测试器相连的示波器会将电压测试器测量值显示出来；参照图2，其特征在于，在滚动轴承5轴向两侧附有两块密封板3，该密封板可以保证在滚动轴承转动过程中轴承内外圈与滚动体之间有充足的油脂；与轴承内外圈相连接的一对电极9会将轴承内部因润滑情况的改变而形成的电压变化传导至电压测试器；电压测试器将这种电压变化经过分析后传导至示波器；示波器在经过分析后将电压变化转化为电容变化，并最终将电容变化转化为膜厚值显示出来。

滚动轴承5的内圈内表面与主轴1外表面以及滚动轴承5的外圈外表面与轴承装夹块内孔外表面的连接方式均为过盈配合，以保证轴承在转动过程中在轴向不会产生偏差。

主轴1与电机相连，配合方式为过盈配合，以保证主轴转动过程中不会发生轴向偏差。

滚动轴承内外圈圈体表面分别有2个测试点7,8，该测试点位置需加工圆槽，将电极用香蕉插头连接起来，并把香蕉插头嵌入圆槽并用环氧树脂封装。

密封板3，轴承装夹块6和尾座4上在同一位置都开有2个贯穿的螺纹连接孔，然后用两颗长螺钉将密封板3，轴承装夹块6和尾座4进行连接；底座2与尾座4和装夹块6也分别通过2棵螺钉进行连接；密封板3上揩油一个油脂添加孔11，该孔与一软管相连，通过外部的油脂泵对受试轴承添加油脂。

轴承装夹块6与外部加载机构连接，可改变受试轴承圈体所受载荷大小。

本发明装置的工作原理是：在测点位置7,8嵌入式安装与电极相连的香蕉插头，然后将电极与电压测试器相连并在轴承内外圈之间注入受试油脂，根据受试轴承所要求的运转速度设定与主轴1连接的电机速度，通过加载机构经由轴承装夹块6对受试轴承的圈体施加径向载荷；试验开始后，电容测试系统通过外部加载机构控制载荷，通过改变试样滚动体以及受试轴承的圈体进而改变工件外观形貌与性能参数；电容测试系统通过外部油脂泵经由孔11改变润滑油脂型号以及流量；通过与电极相连的电压测试器将信号传至示波器，通过电容测试法即可获得径向载荷、转速、润滑情况等因素作用下滚动轴承接触部位测点的实时膜厚数值、该装置具有结构简单，安装、调试方便，运行可靠等有点。

上述的电容膜厚测量方法具体包含以下步骤：

(1)装置安装

参照图3，在受试轴承内外圈体表面测点位置加工圆槽，将电极用香蕉插头连接起来，并把香蕉插头嵌入圆槽并用环氧树脂封装；参照图2，将受试轴承与主轴、轴承装夹块、聚四氟乙烯密封板、尾座以及底座连接起来。

(2)获取测点膜厚数值

本发明优选实施例的膜厚数值小于100微米，选用电压测试器获得被测区域的电压值，通过公式V_m＝V_max×C_r÷(C_r+C_m)可计算出被测脂膜厚度所对应的电容C_m；然后根据公式可以计算出膜厚值d，式中ε_r为材料相对静态介电常数，对于真空来说，其值为1，ε₀为真空节点常数值(8.854×10^-12Fm^-1)。电压测试仪器为荷兰SKF公司生产的Lubcheck测量系统。

图4为通过本装置与方法获取的滚动轴承接触部位电压变化部分数值。通过整合试样表面形貌信息、接触区油膜载荷信息等，可以藉此研究滚动轴承摩擦副在各种因素影响下的油膜动态变化特性。