CN103852016A - 偏斜滚子摩擦副润滑油膜测量实验台 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种测量纯滚动摩擦偏斜圆柱滚子润滑油膜测量实验台。本发明是根据光干涉原理，在滚子偏斜弹流工作状态时，测量线接触摩擦副润滑油膜厚度及其形状。具有以下四点特征：①试件为圆柱滚子，可以根据要求准确调整圆柱滚子与透明材料接触时，线接触副沿滚子轴向的偏斜角度。②试件滚子与透明材料之间的接触应力为弹流状态，且总载荷量≥3000N；③圆柱滚子在最大圆截面上受力，在该力的作用下，滚子的弹性变形超过滚子的偏斜量；④试件滚子由轴承滚轮支承，沿试件滚子最大圆截面上作纯滚动。本发明装置结构简单、实用性强且易于准确确定线接触摩擦副沿轴向偏斜量，为滚动摩擦偏斜圆柱滚子润滑油膜厚度及其形状的测量提供了可靠的试验装置。

Description

偏斜滚子摩擦副润滑油膜测量实验台

技术领域

本发明涉及的是测量偏斜状态下滚子摩擦副弹流润滑油膜厚度及其形状的技术领域，具体涉及一种偏斜滚子摩擦副润滑油膜测量实验装置。 

背景技术

随着国民经济建设的高速发展和能源短缺的危机加重，机械装备逐渐向高速重载方向发展，而绿色经济的技术要求则不断提高，作为决定各类机械设备动性能的关键动部件，滚子摩擦副的设计与润滑技术的重要性日显突出，这可从目前我国高速客车轴承、精密机床主轴轴承、隧道盾构机主轴轴承与拼装机回转支承，风力发电、巨型远洋轮船和大型工程机械等重大装备的变速齿轮箱与关键轴承需全部或大部分依赖进口即可见一斑，因为此类国产关键零部件的性能和可靠性远远低于进口国外高端同类产品的价值，而进口轴承中多数为滚子类轴承，这也从另一角度说明必须重视滚子摩擦副的摩擦学基础问题研究，而研究中所需的有关滚子摩擦副润滑膜特性测量技术则是其中的瓶颈之一。 

由于工程实际需要，国内外学者针对滚子摩擦副的研究已经进行了多年，并在弹性接触力学数值分析方法和干接触压力分布实验二个方面取得显著成果。半个多世纪以来，增加考虑滚动速度、润滑剂性能、温度变化、接触副表面形貌、动载荷等动态工况参数的弹流润滑理论和实验研究已获得重大进展，特别是赫兹接触(无限长线接触与点接触)弹流研究成果已相当丰富，分析与试验技术相对较完善。而非赫兹接触的有限长线接触弹流研究也在近二十年获得了明显突破，相关轴向均匀接触工况的弹流润滑理论成果已逐渐被应用于滚子摩擦副的凸度、承载能力与润滑性能设计中。从而大大拓宽了滚子摩擦副的使用工况条件并提高了其机械性能。 

虽然是按理想线接触状态设计，但实际工程中，大量滚子摩擦副因下列某些因素而常常工作在沿滚子轴向不均匀接触与润滑状态： 

①大锥度的滚子摩擦副(圆锥滚子轴承、伞齿轮、锥环式无级变速器等)因接触副二 端半径不等造成沿滚子母线的载荷分布不均匀以及线速度不等。 

②因加工工艺因素，造成凸度滚子摩擦副二端的修形量不相等，产生凸度不对称，二端几微米的误差即会使沿滚子母线的载荷分布不对称且左右差别很大，左右膜厚的原始轮廓几何间隙不对称。 

③因安装误差、实际工作时载荷加载位置的变动、接触副径向间隙和支撑轴的弯曲等因素，将使滚子摩擦副不可避免地产生载荷偏置，造成载荷分布沿滚子母线的不对称。 

④高速圆柱滚子推力轴承和平面滚针轴承中的滚动体二端会产生的较大线速度差，造成滚动速度沿滚子轴向的不均匀。 

⑤由于主机结构限制而采用的单侧供油方式，常因高速旋转体产生的气流屏障或离心抛油效应，会使得滚子远端的供油量大大小于其近端。 

⑥圆锥滚子轴承的轴向力由其挡边承载，因滚子径、轴向承力性质与运动及润滑状态差别很大，故必有耦合效应存在。 

上述某一因素或若干因素综合作用的结果即会造成滚子摩擦副的一端提早出现烧伤或胶合或轴向不均匀变形等失效现象，严重限制了线接触副的承载能力和工作速度。这是滚子摩擦副因有限长线接触而产生的严重共性问题，也是制约我国许多机械产品在高速重载下性能差的因素之一，目前尚无对此问题的相关定量分析设计和试验测量方法，通常是根据轴承疲劳寿命试验结果进行经验判断，摸索修改设计，费时费力。 

现代机械工业中滚子摩擦副的失效大多数是由弹流润滑失效所引起的。特别是随着先进动力机械不断向高速和重载方向发展，工业技术的进步对机械零件的性能提出了越来越高的要求，弹流润滑失效现象越来越多。为了有效地减小有害摩擦、降低磨损、延长机械零件的使用寿命和提高生产效率，需要开展对弹流润滑的成膜机理进行理论研究，以揭示弹性流体动力润滑的影响因素。同时需要有可靠的实验装置，提供有效的实验数据加以验证。 

确定弹流润滑接触区中的油膜厚度及其几何形态是最为重要的研究问题之一，因为它决定着两相对运动材料表面的接近程度以及它们之间的接触应力，从而对***的摩擦、磨损和疲劳失效起着支配性的作用。工作在弹流润滑状态下的滚子摩擦副，其润滑膜所处的条件特殊(接触区或极小，典型的只有0.2mm宽1.0μm厚、长宽比大于30、 油膜压力高约1.0GPa、剪切应变率高约10⁵～10⁶s^-1、通过接触区时间约10^-3s)。要求对出现在这样微小空间内复杂的润滑现象进行测试，在技术上是相当困难的。在弹流的研究中，通常测试内容主要是油膜厚度、油膜形状、压力分布和温度场分布等。常规的机械量测试方法通常不适用，因而必须采用专门测试技术。 

采用光干涉法测量滚子摩擦副接触区的油膜，可以同时获得膜形膜厚，仍然是弹流润滑基础研究的重要手段。虽然膜厚分辨率受到光源波长所限，但测量精度是相当满意的。作为膜厚的最有效测试方法，光干涉技术的测试精度已达到1纳米左右。由于试验台轨道长度的限制，传统试验台主要是对球、圆锥滚子或是椭圆比很小的短滚子以回转运动进行，通过一个旋转的圆盘与旋转的球或圆锥滚子加载后产生弹流润滑，利用圆锥滚子的锥度，使滚子能在保持架中，受到旋转的有锥度的轨道盘带动下始终保持单向旋转，透过镀膜的玻璃盘可以观测到点、线接触的润滑状态。由于设计方法的原因，传统试验台无法消除支承点与压力点之间的距离，导致透明材料承受弯矩，承受高拉应力作用，使得透明材料易被折断而难以承受较大的载荷。 

光干涉法已经成功地应用于点接触润滑油膜测量中，有关线接触滚子摩擦副弹流实验研究却很少，而对于偏斜状态下的线接触弹流润滑油膜的膜形膜厚测量至今未见报道。 

发明内容

本发明的目的是针对上述不足之处，设计一种可以实现圆柱滚子摩擦副工作在沿轴向偏斜状态下，并且能够测量纯滚动，弹流润滑油膜厚度和形状的试验台，使其能够更加接近实际工况。 

本发明是通过如下技术方案实现的：一种在重载工况下，具有轴承滚轮支承的纯滚动线接触润滑油膜测量试验台。该装置的特征在于：被测试件主要在最大圆截面上受力，并沿此圆周作纯滚动即为纯滚动接触，可以根据要求较为准确地调整圆柱滚子沿轴向的偏斜角度。试件的运动规律和卷吸速度大小伺服电机控制。载荷通过杠杆机构放大后作用在被测试件上。试验滚子承受的总载荷量最大为3000N以上。实验装置特点在于：纯滚动、重载、结构简单、实用性强、易准确调整沿滚子轴向的偏斜角度。 

本发明还具有以下突出性特点和显著的技术进步： 

(1)重载工况下圆柱滚子线接触副弹流润滑油膜厚度和形状的测量； 

(2)可较为准确地调整沿圆柱滚子轴向的偏斜角度。 

(3)被测试件主要在最大圆截面上受力，并沿此圆周作纯滚动， 

(4)结构简单，成本低、操作方便，易控制，增加了测试的可靠性。 

附图说明

图1为本发明实施例中偏斜滚子摩擦副润滑油膜测量装置结构及工作原理图；图中1-杠杆支承轴，2-转动轴，3-控制电机，4-载荷，5-联轴器，6-杠杆，7-滚珠丝杆，8-平面玻璃，9-轴承滚轮，10-试验滚子，11-CCD及显微镜，12-冷光源，13-图像采集***，14-可调螺钉1，15-可调螺钉2。 

图2为本发明实施例中滚子偏斜调整角度示意图。 

具体实施方式

为了使本发明的内容、目的及技术方案更容易被清楚地理解，以下结合附图及实施例，对本发明作进一步详细的说明。 

如图1所示，伺服电机3通过滚珠丝杠7带动装有平面玻璃的滑块8沿直滚道作直线运动，其运动变化规律由伺服电机控制3。载荷4经杠杆6加载放大后通过滚子轴承滚轮9支承试验滚子4作用在平面玻璃上，平面玻璃8平动带动被测试件滚子10转动。由于重载较大，一般都是工作在1000N以上，被测试件与平面玻璃之间产生的摩擦力，足以克服支承轴承滚轮的滚动摩擦，形成纯滚动。试验滚子10由滚动轴承9支承，一对滚动轴承固定在各自支承轴中间，支承轴两端安装在各自支承孔中，支承孔整体加工后被剖切开为两个半圆孔，支承轴安装后用螺钉拧紧。实验台调整时，先将试验滚子安装于水平位置，拧紧杠杆6与轴承滚轮支承9，再用两个可调螺钉14和15进行调整。试验滚子10的偏斜量θ值与两个可调螺钉14、15的距离L有关，还与其螺距d有关，如图2所示。 

$\mathrm{\θ}=\arctan \frac{2d}{L}$ (1) 

冷光源12发出的光通过CCD及显微镜11拍摄后传输到数据采集***13，即可获 得清晰的干涉图像。 

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。 

Claims (4)

1.一种在重载工况下，具有轴承滚轮支承的纯滚动线接触润滑油膜测量试验台。其特征在于：拥有纯滚动、重载、结构简单、实用性强、易准确调整沿滚子轴向的偏斜角度的特点。被测试件受力面积大且可承受的总载荷量大，并沿此圆周作纯滚动即为纯滚动接触，可以根据要求较为准确地调整圆柱滚子沿轴向的偏斜角度。试件的运动规律和卷吸速度大小可由伺服电机控制。最终，载荷通过杠杆机构放大后作用在被测试件上。

2.按照权利要求1所述的被测试件受力面积及承受的总载荷量大，其特征在于，试验滚子主要在最大圆截面上受力，且承受的总载荷量最大在3000N以上，在该力的作用下，滚子的弹性变形超过滚子的偏斜量。

3.按照权利要求1所述的试件在圆周上作纯滚动，其特征在于，试件滚子由轴承滚轮支承，沿试件滚子最大圆截面上作纯滚动即为纯滚动接触。

4.按照权利要求1所述的可调整圆柱滚子沿轴向的偏斜角度在调整圆柱滚子沿轴向的偏斜角度，其特征在于，试件为圆柱滚子，可以根据要求准确调整圆柱滚子与透明材料接触时，线接触副沿滚子轴向的偏斜角度，在实验装置底座上使用两个可调螺钉进行调整。试验滚子的偏斜量与两个可调螺钉的距离有关，还与其螺距有关。

Images