一种高应力接触润滑油油膜摩擦力的模拟测量装置的制作方法

技术领域:

本发明属于高副点接触弹流摩擦力测量领域，涉及一种摩擦力测量实验模拟装置，特别是一种高应力接触润滑油油膜摩擦力的模拟测量装置，能够对球轴承在不同运动状态条件下的摩擦力进行模拟测量。

背景技术：
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工程中的大量零部件为高副接触，取决于运行工况其润滑状态大都处于弹流润滑、混合润滑和边界润滑下，对于混合润滑和边界状态下的润滑机制探索是摩擦学领域研究的重点，特别是加工技术的对接触副表面质量的提升以及新型润滑材料的使用，使得对于润滑机制需要进行重新认识，而这需要借助接触副内润滑油摩擦力这一评估手段，高应力接触润滑油油膜摩擦力测量主要通过引力试验机来进行，现有技术中，申请号为cn2736771y的中国专利公开了一种润滑油综合性能评价试验机，其包括动力装置，摩擦副，盛油装置，加载装置，固定轴，所述摩擦副包括转子和定子，该专利采用砝码负重，利用杠杆原理，使摩擦点的定子与转子发生滑动摩擦，通过温控装置测试记录最终油温变化以及摩擦副磨痕来评价润滑油的抗磨性能，该实用新型设计简单、操作方便、并且易于携带，但是，该专利仍然存在以下缺陷，一是通过磨痕来评价润滑油的减摩抗磨性能准确性不高，没有一个准确的标准来评判磨痕的大小，而且磨痕本身也是毫无规律的，不同的人对磨痕的判断也不相同，会导致人员误差，二是每测试一次之后就需要更换和修复摩擦副，增加了人力物力财力，三是温度易受外界环境影响，使得测量结果的准确度不高，四是该实用新型不能第一时间得出测试结果，需要计算。因此，为克服以往测量装置中的技术缺陷，开发一种切实可行的实验装置对高应力接触润滑油膜摩擦力进行准确测量，以对其研究提供数据支持，在对高应力接触润滑油膜摩擦力研究过程中，为了简化分析将滚子与轴承滚道的接触等效为滚子与平面的接触，设计制备一种高应力接触润滑油油膜摩擦力的模拟测量装置。

技术实现要素：
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本发明的目的在于克服现有技术存在的问题，寻求设计提供一种高应力接触润滑油油膜摩擦力的模拟测量装置，利用钢球和平面圆钢盘的接触来模拟滚子与轴承滚道的接触，来获得准确性高、重复性好的摩擦力数据，以对高应力接触润滑油膜摩擦力研究提供实验数据支持。

为了实现上述目的，本发明涉及的高应力接触润滑油油膜摩擦力的模拟测量装置的主体结构包括：支撑平台、圆盘驱动装置、钢球固定装置、传感器固定及调节装置、加载回转装置和平移装置；支撑平台是底部为四脚支撑结构，四个支撑脚的上端分别与台面的四角处固定连接；所述圆盘驱动装置固定置于支撑平台上表面靠近前边沿处，其主体结构包括：圆钢盘、固定装置、从动带轮、从动轴、盘驱电机支座、盘驱电机、同步带轮、固定盘和套筒；圆钢盘固定置于从动轴的上端，所述圆钢盘的上端置有用以固定圆钢盘的圆形固定装置，所述从动轴的下端穿过平移装置上的固定通孔，并且从动轴下端固定置有从动带轮，用以传递同步带轮的动力以带动从动轴转动，从动轴的下端贴近从动带轮的上侧活动式套有柱形空心套筒，套筒上端固定连接有固定盘，所述从动轴能够绕套筒中间的腔室自由转动，所述固定盘和固定通孔的圆周边沿处对应位置均开有螺栓孔，用以将固定盘固定于台面上并用以固定圆盘驱动装置；工形结构的盘驱电机支座固定于台面的右边沿靠后处，所述盘驱电机支座的槽口朝内，并且槽口内固定置有用以提供动力的盘驱电机，所述盘驱电机的输出轴穿过盘驱电机支座的下侧板与同步带轮连接，用以带动同步带轮转动。

所述钢球固定装置位于圆钢盘的上侧，其主体结构包括：钢球支座、钢球套筒、张紧线螺母和钢球；钢球支座为圆杆状结构，其上端与加载回转装置中的加载板的外端连接，用以将加载回转装置加载的力传递至钢球支座，钢球支座的下端螺纹连接圆柱状钢球套筒，钢球套筒的外侧面靠上处置有两个张紧线螺母，所述钢球套筒上的两个张紧线螺母之间的夹角为180°；通过张紧线与传感器固定及调节装置中的压力传感器连接；所述钢球套筒的下端套有钢球，钢球的下端与圆钢盘接触来作为高应力接触副，并通过压力传感器来观测接触副摩擦力变化过程。

所述传感器固定及调节装置位于平移台左右边沿靠前处，其主体结构包括：一维平移台、支座脚、支撑螺钉、传感器连接板和拉压力传感器；所述一维平移台与平移台活动式连接，并且只能够沿平移台左右移动，所述一维平移台的上表面固定置有l型结构的支座脚，支座脚的上侧中间处与支撑螺钉的下端连接，所述传感器连接板为l型弯折板结构，下端为竖直平板结构，上端为向外侧弯折的短横板结构，所述竖直平板结构的外侧紧贴近支座脚的内侧，所述竖直平板结构的内侧中间处固定置有拉压力传感器，所述拉压力传感器通过张紧线与张紧线螺母连接，所述支撑螺钉的上侧与传感器连接板的短横板结构连接，通过调节支撑螺钉来调节传感器连接板的高度，进一步调节压力传感器的高度。

所述加载回转装置固定置于平移台的后边沿中间处，其主体结构包括：加载板、弹簧调节螺母、弹簧、弹簧座、支撑侧板、推力轴、轴承座和推力球轴承；空心圆柱结构的轴承座固定置于平移台上，其中间空腔处置有推力球轴承，所述推力球轴承与推力轴的下端轴承连接，推力轴能够绕推力球轴承在水平方向自由转动，所述推力轴的上侧为长方体板状结构，并且推力轴的中间处与平板状结构的弹簧座连接，所述推力轴的上端与支撑侧板的一端转动式连接，支撑侧板能够绕推力轴上下转动；所述支撑侧板的另一端与加载板的一端连接，所述加载板的另一端与钢球支座连接，用以对钢球固定装置进行加载；所述弹簧座的上侧固定置有弹簧调节螺母，弹簧调节螺母的上端置有弹簧，弹簧的上端与加载板靠近支撑侧板的一端的底部连接，用以通过调节弹簧调节螺母来控制加载板所加载力的大小。

所述平移装置包括：台面、滑块、导轨、平移板、螺纹前座、螺纹后座、平移螺杆和固定通孔；台面的靠近前边沿处开有固定通孔，台面的上侧置有平移板，所述平移板的下表面上置有螺纹前座，所述台面的上表面上置有螺纹后座，螺纹前座和螺纹后座通过平移螺杆连接，平移螺杆旋转能够实现平移板的水平移动，台面的上表面置有沿台面前后方向延伸的直线导轨和滑块结构，所述平移板的下表面开有与导轨和滑块配合的沟槽，滑块能够在沟槽中的滑动，用以降低了平移板移动过程中的摩擦阻力，并通过平移板前后移动来带动钢球固定装置、传感器固定及调节装置和加载回转装置前后移动，用以调节圆钢盘的回转半径。

本发明在测量高应力接触润滑油油膜摩擦力时，具体测量步骤如下：

1、回转半径和加载力的调整：

先调整平移螺杆来调整平移板的前后位置，通过台面位置的移动来调整钢球的回转半径，根据所需加载力的大小来调节弹簧调节螺母，再将对应重量的砝码放在加载板上进行准确加载；

2、拉压力传感器位置的调整：

先调整支撑螺钉来调整传感器连接板的高度，使拉压力传感器达到所需要的高度，调整完毕后固定好支撑螺钉，再移动一维平移台来调整所需要张紧力的大小，调整完毕后固定一维平移台；

3、摩擦力的获取：

启动盘驱电机，盘驱电机通过同步带轮带动从动带轮转动，将动力传递至从动轴上来带动圆钢盘转动，圆钢盘和钢球共同组成高应力接触副，两个拉压力传感器对拉的方式与加载板通过张紧线相连，两个拉压力传感器连接到平移台上，通过移动平移台来拉紧张紧线，加载板在未受到两个拉压力传感器紧约束的条件下，能够绕加载回转装置自由回转；而当加载板被两个拉压力传感器对拉约束后，加载板的在接触副摩擦力作用下，将会产生回转趋势，该趋势传递到拉压力传感器上，进而获取摩擦力；

4、摩擦力的在线测量和存储：

通过拉压力传感器测量出圆钢盘与钢球摩擦力，由数据采集卡usb捕获并传输到pc端，由pc端将模拟信号转换成数字信号，通过调用动态链接库，对数据采集的labview进行程序设计，实现labview与普通数据采集卡usb的结合，进而实现信号的采集、处理和数据存储，通过采集界面来直接读出摩擦力，完成摩擦力的在线测量和存储；

5、测量设备的标定：

采用两个拉压力传感器对拉能够实现对测量过程中的系统误差进行标定，由于加载板的回转需要通过推力球轴承支撑来实现，若使钢球产生运动或运动趋势，必须克服推力轴承本身的滚动摩擦力，为了保证摩擦力测量的准确性，必须标定出推力球轴承中的摩擦力矩，采用陈俊等设计的传感器对拉实验，由拉压力传感器测量出的数值进行修正，假设阻碍钢球运动的摩擦力矩为m，将两个拉压力传感器分别命名为传感器1和传感器2来进行区分，当传感器1固定，传感器2匀速运动时，传感器1得到拉力值f1，传感器2得到f2，有：

f2x2＝f1x1+m(1)

令上式中则有

f2＝b+f1k(2)

其中，x1、x2分别表示传感器1和传感器2到回转中心的距离，需要说明的是，虽然对拉实验球-盘并未接触，但是实验中的f2可等效为摩擦力系统中球-盘接触后润滑油膜给钢球施加的实际摩擦力，因此，为了消除了推力球轴承中摩擦力矩的影响，只需读取传感器f1的数值，润滑油膜施加给钢球的实际摩擦力f2则通过拟合公式计算得到。

本发明与现有技术相比，采用钢球与圆钢盘配合的结构作为高应力接触副，并通过拉压力传感器来时时获得接触副摩擦力变化过程，提高了测量数据的准确性和重复性，平移板能够沿台面前后移动来调节回转半径，实用性好，加载回转装置能够根据需要精确控制加载力的大小，以保证测量结果的准确性，同时提高了设备的操作灵活性，其主体结构简单，设计构思巧妙，测量结果准确，操作简单方便，原理科学，使用方便灵活，实用性强，应用环境好，市场前景广阔。

附图说明：

图1为本发明的主体结构原理示意图。

图2为本发明涉及的圆盘驱动装置的主体结构原理示意图。

图3为本发明涉及的钢球固定装置的主体结构原理示意图。

图4为本发明涉及的传感器固定及调节装置的主体结构原理示意图。

图5为本发明涉及的加载回转装置的主体结构原理示意图。

图6为本发明涉及的轴承座的纵剖面结构原理示意图。

图7为本发明涉及的平移装置的主体结构原理示意图。

具体实施方式：

下面通过实施例并结合附图对本发明作进一步说明。

实施例：

本实施例涉及的高应力接触润滑油油膜摩擦力的模拟测量装置的主体结构包括：支撑平台1、圆盘驱动装置2、钢球固定装置3、传感器固定及调节装置4、加载回转装置5和平移装置6；支撑平台1是底部为四脚支撑结构，四个支撑脚的上端分别与台面61的四角处固定连接；所述圆盘驱动装置2固定置于支撑平台1上表面靠近前边沿处，其主体结构包括：圆钢盘21、固定装置22、从动带轮23、从动轴24、盘驱电机支座25、盘驱电机26、同步带轮27、固定盘28和套筒29；圆钢盘21固定置于从动轴24的上端，所述圆钢盘21的上端置有用以固定圆钢盘21的圆形固定装置22，所述从动轴24的下端穿过平移装置6上的固定通孔68，并且从动轴24下端固定置有从动带轮23，用以传递同步带轮27的动力以带动从动轴24转动，从动轴24的下端贴近从动带轮23的上侧活动式套有柱形空心套筒29，套筒29上端固定连接有固定盘28，所述从动轴24能够绕套筒29中间的腔室自由转动，所述固定盘28和固定通孔68的圆周边沿处对应位置均开有螺栓孔，用以将固定盘28固定于台面61上并用以固定圆盘驱动装置2；工形结构的盘驱电机支座25固定于台面61的右边沿靠后处，所述盘驱电机支座25的槽口朝内，并且槽口内固定置有用以提供动力的盘驱电机26，所述盘驱电机26的输出轴穿过盘驱电机支座25的下侧板与同步带轮27连接，用以带动同步带轮27转动。

所述钢球固定装置3位于圆钢盘21的上侧，其主体结构包括：钢球支座31、钢球套筒32、张紧线螺母33和钢球34；钢球支座31为圆杆状结构，其上端与加载回转装置5中的加载板51的外端连接，用以将加载回转装置5加载的力传递至钢球支座31，钢球支座31的下端螺纹连接圆柱状钢球套筒32，钢球套筒32的外侧面靠上处置有两个张紧线螺母33，所述钢球套筒32上的两个张紧线螺母33之间的夹角为180°；通过张紧线与传感器固定及调节装置4中的压力传感器45连接；所述钢球套筒32的下端套有钢球34，钢球34的下端与圆钢盘21接触来作为高应力接触副，并通过压力传感器45来观测接触副摩擦力变化过程。

所述传感器固定及调节装置4位于平移台64左右边沿靠前处，其主体结构包括：一维平移台41、支座脚42、支撑螺钉43、传感器连接板44和拉压力传感器45；所述一维平移台41与平移台64活动式连接，并且只能够沿平移台64左右移动，所述一维平移台41的上表面固定置有l型结构的支座脚42，支座脚42的上侧中间处与支撑螺钉43的下端连接，所述传感器连接板44为l型弯折板结构，下端为竖直平板结构，上端为向外侧弯折的短横板结构，所述竖直平板结构的外侧紧贴近支座脚42的内侧，所述竖直平板结构的内侧中间处固定置有拉压力传感器45，所述拉压力传感器45通过张紧线与张紧线螺母33连接，所述支撑螺钉43的上侧与传感器连接板44的短横板结构连接，通过调节支撑螺钉43来调节传感器连接板44的高度，进一步调节压力传感器45的高度。

所述加载回转装置5固定置于平移台64的后边沿中间处，其主体结构包括：加载板51、弹簧调节螺母52、弹簧53、弹簧座54、支撑侧板55、推力轴56、57、轴承座58和推力球轴承59；空心圆柱结构的轴承座58固定置于平移台64上，其中间空腔处置有推力球轴承59，所述推力球轴承59与推力轴56的下端轴承连接，推力轴56能够绕推力球轴承59在水平方向自由转动，所述推力轴56的上侧为长方体板状结构，并且推力轴56的中间处与平板状结构的弹簧座54连接，所述推力轴56的上端与支撑侧板55的一端转动式连接，支撑侧板55能够绕推力轴56上下转动；所述支撑侧板55的另一端与加载板51的一端连接，所述加载板51的另一端与钢球支座31连接，用以对钢球固定装置3进行加载；所述弹簧座54的上侧固定置有弹簧调节螺母52，弹簧调节螺母52的上端置有弹簧53，弹簧的上端与加载板51靠近支撑侧板55的一端的底部连接，用以通过调节弹簧调节螺母52来控制加载板51所加载力的大小。

所述平移装置6包括：台面61、滑块62、导轨63、平移板64、螺纹前座65、螺纹后座66、平移螺杆67和固定通孔68；台面61的靠近前边沿处开有固定通孔68，台面61的上侧置有平移板64，所述平移板64的下表面上置有螺纹前座65，所述台面61的上表面上置有螺纹后座66，螺纹前座65和螺纹后座66通过平移螺杆67连接，平移螺杆67旋转能够实现平移板64的水平移动，台面61的上表面置有沿台面61前后方向延伸的直线导轨63和滑块62结构，所述平移板64的下表面开有与导轨63和滑块62配合的沟槽，滑块62能够在沟槽中的滑动，用以降低了平移板64移动过程中的摩擦阻力，并通过平移板64前后移动来带动钢球固定装置3、传感器固定及调节装置4和加载回转装置5前后移动，用以调节圆钢盘21的回转半径。

本实施例在测量高应力接触润滑油油膜摩擦力时，具体测量步骤如下：

(1)回转半径和加载力的调整：

先调整平移螺杆67来调整平移板64的前后位置，通过台面61位置的移动来调整钢球34的回转半径，根据所需加载力的大小来调节弹簧调节螺母52，再将对应重量的砝码放在加载板51上进行准确加载；

(2)拉压力传感器位置的调整：

先调整支撑螺钉43来调整传感器连接板44的高度，使拉压力传感器45达到所需要的高度，调整完毕后固定好支撑螺钉43，再移动一维平移台41来调整所需要张紧力的大小，调整完毕后固定一维平移台41；

(3)摩擦力的获取：

启动盘驱电机26，盘驱电机26通过同步带轮27带动从动带轮23转动，将动力传递至从动轴24上来带动圆钢盘21转动，圆钢盘21和钢球34共同组成高应力接触副，两个拉压力传感器45对拉的方式与加载板51通过张紧线相连，两个拉压力传感器45连接到平移台64上，通过移动平移台64来拉紧张紧线，加载板51在未受到两个拉压力传感器45紧约束的条件下，能够绕加载回转装置5自由回转；而当加载板51被两个拉压力传感器45对拉约束后，加载板51的在接触副摩擦力作用下，将会产生回转趋势，该趋势传递到拉压力传感器45上，进而获取摩擦力；

(4)摩擦力的在线测量和存储：

通过拉压力传感器45测量出圆钢盘21与钢球34摩擦力，由数据采集卡usb5935捕获并传输到pc端，由pc端将模拟信号转换成数字信号，通过调用动态链接库，对数据采集的labview进行程序设计，实现labview与普通数据采集卡usb5935的结合，进而实现信号的采集、处理和数据存储，通过采集界面来直接读出摩擦力，完成摩擦力的在线测量和存储；

(5)测量设备的标定：

采用两个拉压力传感器45对拉能够实现对测量过程中的系统误差进行标定，由于加载板51的回转需要通过推力球轴承59支撑来实现，若使钢球(滚子)产生运动或运动趋势，必须克服推力球轴承59本身的滚动摩擦力，为了保证摩擦力测量的准确性，必须标定出推力球轴承59中的摩擦力矩，采用陈俊等设计的传感器对拉实验，由拉压力传感器45测量出的数值进行修正，假设阻碍钢球34运动的摩擦力矩为m，将两个拉压力传感器45分别命名为传感器1和传感器2来进行区分，当传感器1固定，传感器2匀速运动时，传感器1得到拉力值f1，传感器2得到f2，有：

f2x2＝f1x1+m(1)

令上式中则有

f2＝b+f1k(2)

其中，x1、x2分别表示传感器1和传感器2到回转中心的距离，需要说明的是，虽然对拉实验球-盘并未接触，但是实验中的f2可等效为摩擦力系统中球-盘接触后润滑油膜给钢球施加的实际摩擦力，因此，为了消除了轴承中摩擦力矩的影响，本实施例只需读取传感器f1的数值，润滑油膜施加给钢球的实际摩擦力f2则通过拟合公式计算得到。