真空环境下球-盘滑动摩擦副液体润滑状态光学测试装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种真空环境下球-盘滑动摩擦副液体润滑状态光学测试装置，属于空间摩擦学技术领域。
【背景技术】
[0002]液体润滑剂是应用最广泛的润滑材料，摩擦副之间润滑剂的厚度及其分布是确定其润滑状态的重要因素，通过光学方法表征摩擦过程中润滑剂的厚度及其分布是研究润滑剂状态的常用手段之一。
[0003]液体润滑剂包括矿物油、合成油、动植物油和水基液体等。因为这类润滑剂具有低而稳定的摩擦系数、较宽的粘温系数、压缩比小、散热效率高、对运动部件的尺寸和精度、性价比较高等优点，为解决不同的摩擦工况(负荷、速度和温度等)条件下运动部件的润滑问题提供了较多的选择。近年来，离子液体以其极低具有挥发性和优异的热稳定性和粘温性等特点也被应用于钢/钢、钢/铝、钢/铜、钢/单晶硅、钢/陶瓷、陶瓷/陶瓷等摩擦副的润滑剂，在室温或高温、高低负荷下都具有优良的减摩和抗磨性能。
[0004]采用液体润滑剂润滑的摩擦副通常可采用弹流润滑(ElastohydrodynamicLubricat1n)、边界润滑(Boundary Lubricat1n)和干摩擦(Dry Lubricat1n)等描述其润滑状态。干摩擦是摩擦副之间无润滑剂而完全接触的极端情况，此时摩擦副之间不存在润滑剂的作用，摩擦学性能完全取决于接触区的表面性质。弹流润滑是液体润滑摩擦副的理想润滑状态，此时摩擦副之间被一层完整的润滑剂薄膜隔开，摩擦主要发生在润滑剂分子之间，即所谓的内摩擦，摩擦副之间不发生接触。形成弹流润滑的必要条件如下:(1)摩擦副接触表面沿相对运动方向必须形成收敛的楔形间隙，(2)必须有足够大的相对滑动速度，(3)润滑油必须有一定的粘度。边界润滑是由于摩擦副之间不满足上述弹流润滑条件而导致润滑剂薄膜不完整，摩擦副表面部分接触的润滑状态。此时不能充分发挥液体润滑剂的特性，决定摩擦表面之间摩擦学性质的是润滑剂和表面之间的相互作用及所生成的边界膜的性质。边界润滑可以看作由弹流润滑到干摩擦之间过渡状态，是一种不稳定的润滑状态。可见，润滑剂薄膜的形成和保持是有条件的，由于摩擦工况和环境的不同，液体润滑剂在摩擦副之间的厚度及其分布状态也不一样，随着润滑剂薄膜厚度的变化，润滑状态发生变化，相应地导致摩擦副的磨损率发生变化。当摩擦副之间的法向接触载荷较大，温度较高，润滑剂的粘度较小时，润滑薄膜的厚度也较小。当摩擦条件不足以形成完整的润滑剂薄膜时，摩擦副之间的油膜厚度发生破裂，摩擦副之间形成部分接触，导致磨损程度增大。
[0005]在液体润滑条件下，液体润滑剂的润滑状态是影响液体润滑摩擦副摩擦学性能的关键因素，液体润滑剂在摩擦副之间的厚度及其分布是表征润滑剂润滑状态的重要参数之一。液体润滑状态除了受到润滑剂本身的性质影响之外，还受到摩擦副材料的材质、形状、表面状态，以及摩擦工况和环境的影响，因此，液体润滑状态是由特定的润滑剂、摩擦副、工况和环境等因素确定的总体特性，特别是环境对液体润滑状态的影响不可忽视。
[0006]球-盘滑动摩擦副是一种典型的摩擦副形式，可以方便地模拟出多种实际摩擦机构在点-面接触下的滑动摩擦状态，摩擦工况(载荷、速度等)易于调控，摩擦副材料容易制备和检测，实验条件的重复性较高，是目前摩擦学研究的通用实验技术之一。
[0007]空间环境下摩擦副及其润滑状态是确保航天器运动机构，特别是长期暴露于空间环境下的运动机构可靠性的关键。真空环境是空间环境的基本特征，与大气状态不同的是在真空下液体润滑剂易于挥发而导致其性能退化甚至失效。为了更好地应用液体润滑剂解决空间真空环境中的摩擦学问题，首先必须掌握真空环境下摩擦副之间液体的润滑状态及其变化规律。然而目前国内外尚未建立真空环境下表征摩擦副液体润滑状态的实验装置。
【发明内容】
[0008]本发明的目的在于提供一种真空环境下球-盘滑动摩擦副液体润滑状态光学测试装置，该装置是将真空系统、球-盘摩擦机构和光学测试系统优化集成，建立具备真空环境下测试润滑剂厚度及其分布的真空摩擦副液体润滑状态光学测试系统，为研究空间真空环境下液体的润滑状态及其变化规律提供技术条件。
[0009]—种真空环境下球-盘滑动摩擦副液体润滑状态光学测试装置，其特征在于该装置包括真空系统、球-盘摩擦机构和光学测试系统:
所述真空系统包括其上设有放气阀的真空室，该真空室上设有与真空计通过电缆相连的真空规管，且该真空室通过其上设有插板阀的真空管道与分子栗相连；所述分子栗通过真空波纹管与机械栗相连；
所述球-盘摩擦机构包括位于所述真空室内的由上试样和下试样组成的摩擦副，所述上试样为下端面为球面的刚性固体，置于横杆一端上方的加载砝码通过穿过横杆的立杆与上试样相连；所述横杆的另一端设有平衡砝码，且横杆通过轴承与支杆I垂直连接，横杆以轴承为中心在垂直平面内自由活动；所述支杆I与通过支架I固定的轴承相连，且支架I固定在真空室底板内侧；所述下试样为一个水平放置的圆形玻璃盘，螺栓穿过下试样的中心将其固定在转轴的上端；所述转轴穿过通过支架II固定的轴承与磁流体密封转轴通过联轴节相连，所述支架II固定在真空室底板内侧；所述磁流体密封转轴与真空室通过磁流体密封法兰相连，且穿过真空室的底板通过联轴节与调速电机的转轴相连；所述调速电机依次通过信号线、位于真空室外的测控仪、信号线、A/D转换器、信号线与工控计算机相连；所述上试样和所述下试样之间相对滑动所产生的摩擦力通过测力杆传递至力传感器，该力传感器依次通过信号线、测控仪、信号线、A/D转换器、信号线与工控计算机相连；
所述光学测试系统包括位于上试样正下方且位于真空室底板上的光学窗口，该光学窗口的正下方设有光学测试仪；所述光学测试仪依次通过信号线、图像传感器、信号线、测控仪、信号线与工控计算机相连。
[0010]所述真空室为立式圆柱形，采用不锈钢制造、氟橡胶密封。
[0011]所述真空规管与真空室、插板阀与真空管道均是通过法兰相连。
[0012]所述螺栓与下试样之间设有垫片。
[0013]所述平衡砝码与横杆通过螺丝活动连接，平衡砝码与横杆之间的相对位置通过旋转螺丝进行调节。
[0014]所述力传感器固定在支杆II上，该支杆II固定在真空室底板内侧。
[0015]本发明与现有技术相比具有以下优点: 1、本发明提供了模拟空间真空环境下球-盘滑动摩擦副液体润滑状态的光学测试装置，为研究空间真空环境对液体润滑状态的影响规律创造了必需的实验条件，对于发展新型空间液体润滑剂具有重要意义。
[0016]2、本发明球-盘滑动摩擦副的优点是摩擦副材料、形状、接触方式、载荷、速度、运动形式和环境等易于调控和重复，可高效获取多种因素对液体润滑状态的影响规律。
[0017]3、本发明从大气环境到真空环境之间气压的连续变化为研究不同环境压力下液体润滑状态与摩擦副表面/界面物理化学行为提供了独特的试验条件。
[0018]4、本发明可将一种或多种气体充入真空室并调控环境气压，便于研究多种气体及其分压环境对液体润滑摩擦副的润滑状态及其表面界面行为的影响规律。
[0019]5、本发明所采用的光学干涉法测试润滑剂厚度及其分布状态的测试方法已经广泛应用于大气条件下的液体润滑理论的研究，将这一成熟的测试技术和真空环境创新集成一体，特别适合研究真空下的弹流润滑理论。
[0020]6、本发明在摩擦工况和润滑剂之间双向优选，一方面可以为特定的液体润滑剂找到合适的使用工况，另一方面能够优选出适合特定工况和环境的润滑剂种类，为发展液体润滑技术提供技术支持。
【附图说明】
[0021]图1为本发明的结构示意图。
[0022]图2为大气和真空下球-盘摩擦副液体薄膜的光学衍射图像。
[0023]图3为大气和真空下摩擦力随时间的变化曲线。
[0024]图4为大气和真空下膜厚随时间的变化曲线。
[0025]分别在大气环境(室温20±1°C，湿度30 土 5%RH )和真空环境(室温20±1°C，5X10-3 Pa )中进行了球-盘滑动摩擦试验，上试样为一个直径10 mm，精度G5级的GCrl5钢球，下试样为一个厚度10 mm