CN107228629B - 高副接触变滑滚比油膜厚度和摩擦力同时测量模拟装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于高副点/线接触弹流油膜厚度和摩擦力测量领域，涉及一种高应力接触变滑滚比油膜厚度和摩擦力及同时测量模拟装置，其主体结构包括支撑平台、圆盘驱动装置、球驱加载回转装置、传感器固定调节装置、图像采集装置、平移装置和测速装置，圆盘驱动装置置于支撑平台上侧靠近左边沿处，用以盘驱电机带动玻璃圆盘转动，球驱加载回转装置位于圆盘驱动装置的后侧，传感器固定调节装置分别固定置于平移板上右边沿的前后两端处，图像采集装置固定置于平移板的左边沿靠后处，用以采集玻璃圆盘和钢球的运动信息，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。

Description

高副接触变滑滚比油膜厚度和摩擦力同时测量模拟装置

技术领域:

本发明属于高副点/线接触弹流油膜厚度和摩擦力测量领域，涉及一种膜厚和摩擦力同时测量实验模拟装置，特别是一种高应力接触变滑滚比油膜厚度和摩擦力及同时测量模拟装置，将滚动体与轴承滚道的接触等效为滚动体与平面的接触，通过测量不同滑滚比下滚动体与玻璃圆盘之间的油膜厚度和摩擦力来获得滚动体与轴承滚道之间的摩擦学数据。

背景技术：

工程中的大量机械零部件为高副接触，该接触形式下零部件在接触点出产生弹性变形，进而使的润滑状态以弹性流体动力润滑(弹流润滑)为主。对弹流润滑机理进行研究可以指导零部件的摩擦学设计和润滑油的改进和选取。一直以来，国内外对弹流润滑的研究一方面对润滑油膜进行测量；另一方面对摩擦力进行测量。但是，受到测量技术的局限性，对油膜厚度和摩擦力同时测量的研究仅限于纯滑动工况，而对于不同滑滚比下油膜厚度和摩擦力的测量多为独立测量，缺少了同时测量的技术和实验数据。高高副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； 更重要的是该测量装置无法对润滑油膜厚度进行测量。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副接触润滑油膜厚度和摩擦力同时进行准确测量，以对其研究提供数据支持，在对高副接触润滑油膜摩擦力研究过程中，为了简化分析将滚动体与轴承滚道的接触等效为滚子与平面的接触，设计制备一种高副接触变滑滚比油膜和摩擦力同时测量模拟装置。

发明内容：

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副接触变滑滚比油膜厚度和摩擦力同时测量模拟装置，利用钢球/滚子与平面圆钢盘的接触来模拟滚动体与轴承滚道的接触，再通过CCD图像传感器和显微镜的配合使用来记录钢球/滚子的膜厚数据，同时依靠拉压传感器来获得准确性高、重复性好的摩擦力数据，以对高副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，本发明涉及的高副接触变滑滚比油膜膜厚和摩擦力同时测量模拟装置的主体结构包括：支撑平台、圆盘驱动装置、球驱加载回转装置、传感器固定调节装置、图像采集装置、平移装置和测速装置，所述支撑平台的主体结构包括上平台、下平台、支撑柱、支撑脚和贯穿孔，所述上平台和下平台均为方形结构金属结构，并且上平台和下平台的长度与宽度相等，所述上平台和下平台之间通过四角处的圆柱形金属支撑柱连接，所述下平台的下侧面固定置有用以支撑底座的支撑脚，以防止下平台与地面接触，所述上平台靠近左边沿中间处开有圆形贯穿孔。

本发明涉及的圆盘驱动装置置于支撑平台上侧靠近左边沿处，用以盘驱电机带动玻璃圆盘转动，其主体结构包括：玻璃圆盘、从动带轮、主轴、玻璃圆盘压盖、盘驱电机支座、盘驱电机、主动带轮、底座固定孔和法兰盘，圆柱形玻璃材质的玻璃圆盘置于主轴的上端，用以与钢球构成高应力点接触弹流接触副，所述玻璃圆盘的上下侧分别置有用以固定玻璃圆盘的金属材质的玻璃圆盘压盖，所述主轴上靠下处置有法兰盘，所述法兰盘通过螺栓固定于贯穿孔上，用以固定圆盘 驱动装置，所述法兰盘和玻璃圆盘下侧的玻璃圆盘压盖之间的主轴上套有圆柱形空心套筒，所述主轴的下端置有从动带轮，所述从动带轮位于贯穿孔的下侧，所述下平台中间处长方形阵列式分布有用以固定盘驱电机支座的底座固定孔，所述盘驱电机支座包括两块对置分布的L形侧板和一块方形顶板，所述盘驱电机支座能够根据与从动带轮的位置需要来水平调整位置，并通过底座固定孔进行固定，用以为玻璃圆盘提供动力的盘驱电机固定置于盘驱电机支座的两块L形侧板之间，并且盘驱电机的输出轴上端穿过盘驱电机支座的顶板，所述盘驱电机的输出轴上端固定有用以将动力传递至从动带轮的主动带轮，所述主动带轮与从动带轮直接连接有传动带。

本发明涉及的球驱加载回转装置位于圆盘驱动装置的后侧，并且固定于平移装置中的平移板的中间处，用以通过钢球与平面圆钢盘的接触来模拟滚动体与轴承滚道的接触，并控制对钢球进行加载，所述球驱加载回转装置的主体结构包括：钢球、球轴、轴承支座、伺服电机从动轮、伺服电机、伺服电机主动轮、电机支座、加载板、加载轴、加载轴承、加载轴承支座、砝码、弹簧座、弹簧、轴承座、张紧线螺母和弹簧支撑板；所述钢球右侧与用以固定钢球的球轴连接，并且钢球的位于玻璃圆盘的下表面，所述球轴的右端通过通过轴承支座连接伺服电机从动轮，所述伺服电机从动轮通过传动带与其正上方的伺服电机主动轮连接，所述伺服电机主动轮位于L形电机支座的立板左侧并通过转轴与L形电机支座的立板右侧的伺服电机连接，所述伺服电机用以给钢球转动提供动力，所述电机支座的横板的固定于长条状加载板的上侧靠左处，所述加载板的下表面靠左处固定置有用以支撑的加载轴承支座，所述轴承支座上置有用以带动轴承支座转动的加载轴承，所述轴承支座的下端置有起支撑作用的加载轴，所述加载轴的下端与轴承座内的推力球轴承连接，使加载轴能够以轴承座为中心水平转动，所述轴承座的底部固定于平移板上的固定孔上，用以固定整个球驱加载回转装置，所述加载板的上端靠右处置有用以加载的砝码，所述正对砝码的加载板的下表面处置有用以为加载板提供弹力的弹 簧，所述弹簧固定置于金属材质的长条状弹簧支撑板的右端上表面处，所述弹簧支撑板的下侧中间处置有用以支撑弹簧支撑板的调节底座，所述调节底座能够竖直调节支撑高度，加载板的右侧尾端处置有连接张紧线的张紧线螺母。

本发明涉及的传感器固定调节装置分别固定置于平移板上右边沿的前后两端处，用以拉压力传感器通过测定加载板的拉压力，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板活动式连接，并且只能够沿平移板左右移动，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。

本发明涉及的图像采集装置固定置于平移板的左边沿靠后处，用以采集玻璃圆盘和钢球的运动信息，其主体结构包括：CCD图像传感器、显微镜、X-Y平移座、长杆、调焦支架、连接板和采集装置固定座，所述采集装置固定座包括两块对置放置并通过螺栓固定于平移板的立板和一块固定于立板上侧的横板，所述横板的上侧固定置有用以连接固定座和X-Y平移座的方形连接板，所述连接板的上端固定置有方形金属材质的X-Y平移座，X-Y平移座能够沿连接板上表面水平移动，用以调节显微镜的位置，所述X-Y平移座上侧置有用以调节和固定调焦支架的圆柱形长杆，所述调焦支架的后端与长杆套入式连接，并且调焦支架后端的左右两侧置有用以调节调焦支架的旋钮，所述调焦支架的前端与显微镜支撑式连接，所述显微镜位于玻璃圆盘的上方，用以观察玻璃圆盘与钢球的运动轨迹，所述显微镜的上端置有用以记录显微镜观察到的图像信息的CCD图像传感器，实现对观测图像 的实时采集。

本发明涉及的平移装置位于上平台上靠右处，用以带动平台上表面的装置进行左右移动，其主体结构包括：导轨、滑块、平移板、螺纹前座、螺纹后座、连接板平移螺杆、通孔和贯穿孔，所述平移螺杆通过左右两端的螺纹前座和螺纹后座固定于上平台的下表面上，所述上平台与平移螺杆对应位置处开有贯穿结构的贯穿孔，平移螺杆固定置于贯穿孔的下侧，所述平移板与平移螺杆活动式连接，并只能够沿平移螺杆左右移动，所述平移板的下端置有用以带动平移板滑动的滑块，所述长条状导轨位于上平台的前后边沿处，所述滑块与导轨活动式连接，能够使滑块沿导轨左右移动，进一度带动平移板左右移动，进一步调节钢球与玻璃圆盘的相对位置，以实现了圆盘回转半径的调整。

本发明涉及的测速装置位于圆盘驱动装置驱动装置的正下方，用以测定主轴的转速，其主体结构包括：编码器固定架、联轴器和旋转编码器，所述编码器固定架包括两块对置式放置的倒L形立板和一块连接L形立板下端的横板，所述立板通过螺栓连接固定于上平台的底部，所述联轴器的上端与主轴的尾端连接并且联轴器的底部置于编码器固定架的横板的上侧来形成支撑，所述联轴器的下端穿过编码器固定架的横板与横板下侧的旋转编码器连接，通过旋转编码器来测定主轴的转速。

本发明在测量高应力接触变滑滚比润滑油膜摩擦力及膜厚时，具体测量步骤如下：

(1)回转半径和加载力的调整：

先平移板的前后位置来调节钢球在玻璃圆盘上的回转半径，再调整弹簧座与弹簧对接触载荷置零，将砝码放置在加载板上到实验所需的载荷；

(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)玻璃圆盘驱动电机和钢球驱动电机的驱动：

依次启动盘驱电机和伺服电机来分别驱动玻璃圆盘回转和钢球回转；

(4)摩擦力的获取与测量存储：

摩擦力的测量通过精密拉压力传感器实现，在盘驱电机启动后，带动两个拉压力传感器对拉的方式将两个拉压力传感器与加载板通过张紧线相连，两个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张紧约束的条件下，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，由压力传感器上的数据采集卡USB捕获并传输到PC端，再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，来实现LabVIEW与普通数据采集卡USB的结合，进而信号的采集、处理和数据存储，通过采集界面可直接读出摩擦力，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***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，必须克服推力球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和传感器来进行区分，当传感器固定，传感器匀速运动时，传感器得到拉力值F，传感器得到F，有：

F₂X₂＝F₁X₁+M (1)

令上式中

则有

F₂＝b+F₁k (2)

其中，X、X分别表示传感器和传感器到回转中心的距离，需要说明的是，虽然对拉实验球-盘并未接触，但是实验中的F可等效为摩擦力***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，本发明只需读取传感器F的数值，润滑油膜施加给钢球的实际摩擦力F则通过拟合公式计算得到；

(6)膜厚的测量和分析：

通过调焦支架来调节显微镜的位置至能够完全观察钢球在玻璃圆盘上的运动轨迹，启动CCD图像传感器，利用CCD图像传感器捕获钢球的润滑过程，并将捕获的数据传输至PC端，利用PC端的图像处理软件分析得出钢球和玻璃圆盘之间的润滑油膜厚度。

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，通过玻璃圆盘上侧的显微镜和CCD图像传感器能够在钢球运动的同时准确记录钢球和玻璃圆盘的运动状态，再将记录的数据传输到电脑端进行数据处理，能够获得准确的数据样本，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，通过旋转编码器能准确记录玻璃圆盘的转速，实现数据精确控制，其主体结构简单，设计构思巧妙，测量原理科学可靠，测量结果准确，能够实现对高副点/线接触弹流的油膜厚度和摩擦力进行同时测量，操作简单方便，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为本发明涉及的球驱加载回转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调节装置的主体结构原理示意图。

图5为本发明涉及的图像采集装置的主体结构原理示意图。

图6为本发明涉及的平移装置的主体结构原理示意图。

图7为本发明涉及的测速装置的主体结构原理示意图。

图8为本发明涉及的支撑平台的主体结构原理示意图。

图9为本发明涉及的在16N载荷下，PAO100润滑油在不同滑滚比下摩擦力与膜厚度的变化图。

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1：

本实施例涉及的高应力接触变滑滚比油膜摩擦力及膜厚测量模拟装的主体结构包括：支撑平台1、圆盘驱动装置2、球驱加载回转装置3、传感器固定调节装置4、图像采集装置5、平移装置6和测速装置7，所述支撑平台1的主体结构包括上平台101、下平台102、支撑柱103、支撑脚104和贯穿孔105，所述上平台11和下平台12均为方形结构金属结构，并且上平台11和下平台12的长度与宽度相等，所述上平台11和下平台12之间通过四角处的圆柱形金属支撑柱13连接，所述下平台1的下侧面固定置有用以支撑底座的支撑脚14，以防止下平台12与地面接触，所述上平台11靠近左边沿中间处开有圆形贯穿孔105。

本实施例涉及的圆盘驱动装置2置于支撑平台1上侧靠近左边沿处，其主体结构包括：玻璃圆盘201、从动带轮202、主轴203、玻璃圆盘压盖204、盘驱电机支座205、盘驱电机206、主动带轮207、底座固定孔208和法兰盘209，圆柱形玻璃材质的玻璃圆盘置于主轴203的上端，用以与钢球301构成高应力点接触弹流接触副，所述玻璃圆盘201的上下侧分别置有用以固定玻璃圆盘2的金属材质的玻璃圆盘压盖204，所述主轴203上靠下处置有法兰盘209，所述法兰盘 29通过螺栓固定于贯穿孔105上，用以固定圆盘驱动装置2，所述法兰盘209和玻璃圆盘2下侧的玻璃圆盘压盖204之间的主轴203上套有圆柱形空心套筒，所述主轴203的下端置有从动带轮202，所述从动带轮202位于贯穿孔105的下侧，所述下平台102中间处长方形阵列式分布有用以固定盘驱电机支座205的底座固定孔208，所述盘驱电机支座205包括两块对置分布的L形侧板和一块方形顶板，所述盘驱电机支座205能够根据与从动带轮202的位置需要来水平调整位置，并通过底座固定孔208进行固定，用以为玻璃圆盘201提供动力的盘驱电机206固定置于盘驱电机支座205的两块L形侧板之间，并且盘驱电机206的输出轴上端穿过盘驱电机支座205的顶板，所述盘驱电机206的输出轴上端固定有用以将动力传递至从动带轮202的主动带轮207，所述主动带轮207与从动带轮202直接连接有传动带。

本实施例涉及的球驱加载回转装置3位于圆盘驱动装置2的后侧，并且固定于平移装置6中的平移板603的中间处，用以驱动钢球301，实现加载，所述球驱加载回转装置3的主体结构包括：钢球301、球轴302、轴承支座303、伺服电机从动轮304、伺服电机305、伺服电机主动轮306、电机支座307、加载板308、加载轴309、加载轴承310、加载轴承支座311、砝码312、弹簧座313、弹簧314、轴承座315、张紧线螺母316和弹簧支撑板317；所述钢球301右侧与用以固定钢球301的球轴302连接，并且钢球301的位于玻璃圆盘201的下表面，所述球轴302的右端通过通过轴承支座303连接伺服电机从动轮304，所述伺服电机从动轮304通过传动带与其正上方的伺服电机主动轮306连接，所述伺服电机主动轮306位于L形电机支座307的立板左侧并通过转轴与L形电机支座307的立板右侧的伺服电机305连接，所述伺服电机305用以给钢球301转动提供动力，所述电机支座307的横板的固定于长条状加载板308的上侧靠左处，所述加载板308的下表面靠左处固定置有用以支撑的加载轴承支座311，所述轴承支座311上置有用以带动轴承支座311转动的加载轴承310，所述轴承支座311的下端置有气支撑作用的加载轴309，所述加载轴 309的下端与轴承座315内的推力球轴承连接，使加载轴309能够以轴承座315为中心水平转动，所述轴承座315的底部固定于平移板603上的固定孔上，用以固定整个球驱加载回转装置3，所述加载板308的上端靠右处置有用以加载的砝码312，所述正对砝码的加载板308的下表面处置有用以为加载板308提供弹力的弹簧314，所述弹簧314固定置于金属材质的长条状弹簧支撑板317的右端上表面处，所述弹簧支撑板317的下侧中间处置有用以支撑弹簧支撑板317的调节底座，所述调节底座能够竖直调节支撑高度，加载板308的右侧尾端处置有连接张紧线的张紧线螺母316。

本实施例涉及的传感器固定调节装置4分别固定置于平移板603上右边沿的前后两端处，用以测定加载板308的拉压力，其主体结构包括：一维平移台401、支座脚402、支撑螺钉403、传感器连接板404和拉压力传感器405，所述一维平移台401与平移板603活动式连接，并且只能够沿平移板603左右移动，所述一维平移台401的上表面固定置有L型结构的支座脚402，支座脚402的上侧中间处与支撑螺钉403的下端连接，所述传感器连接板404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402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405，所述拉压力传感器405通过张紧线与张紧线螺母316连接，所述支撑螺钉403的上侧与传感器连接板404的短横板结构连接，通过调节支撑螺钉403来调节传感器连接板404的高度，进一步调节压力传感器405的高度。

本实施例涉及的图像采集装置5固定置于平移板603的左边沿靠后处，用以采集玻璃圆盘201和钢球301的运动信息，其主体结构包括：CCD图像传感器501、显微镜502、X-Y平移座503、长杆504、调焦支架505、连接板506和采集装置固定座507，所述采集装置固定座507包括两块对置放置并通过螺栓固定于平移板603的立板和一块固定于立板上侧的横板，所述横板的上侧固定置有用以连接固定座507和X-Y平移座503的方形连接板506，所述连接板506的上端固 定置有方形金属材质的X-Y平移座503，X-Y平移座503能够沿连接板506上表面水平移动，用以调节显微镜502的位置，所述X-Y平移座503上侧置有用以调节和固定调焦支架505的圆柱形长杆504，所述调焦支架505的后端与长杆504套入式连接，并且调焦支架505后端的左右两侧置有用以调节调焦支架505的旋钮，所述调焦支架505的前端与显微镜502支撑式连接，所述显微镜502位于玻璃圆盘201的上方，用以观察玻璃圆盘201与钢球301的运动轨迹，所述显微镜502的上端置有用以记录显微镜502观察到的图像信息的CCD图像传感器501，实现对观测图像的时时采集。

本实施例涉及的平移装置6位于上平台101上靠右处，其主体结构包括：导轨601、滑块602、平移板603、螺纹前座604、螺纹后座605、平移螺杆606、通孔607和贯穿孔608，所述所述平移螺杆606通过左右两端的螺纹前座604和螺纹后座605固定于上平台101的下表面上，所述上平台101与平移螺杆606对应位置处开有贯穿结构的贯穿孔608，平移螺杆606固定置于贯穿孔608的下侧，所述平移板608与平移螺杆606活动式连接，并只能够沿平移螺杆606左右移动，所述平移板603的下端置有用以带动平移板603滑动的滑块602，所述长条状导轨601位于上平台101的前后边沿处，所述滑块602与导轨601活动式连接，能够使滑块602沿导轨601左右移动，进一度带动平移板603左右移动，进一步调节钢球301与玻璃圆盘201的相对位置，以实现了圆盘201回转半径的调整。

本实施例涉及的测速装置7位于圆盘驱动装置2驱动装置的正下方，用以测定主轴203的转速，其主体结构包括：编码器固定架701、联轴器702和旋转编码器703，所述编码器固定架701包括两块对置式放置的倒L形立板和一块连接L形立板下端的横板，所述立板通过螺栓连接固定于上平台101的底部，所述联轴器702的上端与主轴203的尾端连接并且联轴器702的底部置于编码器固定架701的横板的上侧来形成支撑，所述联轴器702的下端穿过编码器固定架701的横板与横板下侧的旋转编码器703连接，通过旋转编码器703来测定主轴203的转速。

实施例2：

本实施例在测量高副接触变滑滚比润滑油膜摩擦力及膜厚时，具体测量步骤如下：

(1)回转半径和加载力的调整：

先平移板603的前后位置来调节钢球301在玻璃圆盘201上的回转半径，再调整弹簧座313与弹簧314对接触载荷置零，将砝码312放置在加载板308上到实验所需的载荷；

(2)拉压力传感器位置的调整：

先调整支撑螺钉403来调整传感器连接板404的高度，使拉压力传感器405达到所需要的高度，调整完毕后固定好支撑螺钉403，再移动一维平移台401来调整所需要张紧力的大小，调整完毕后固定一维平移台401；

(3)玻璃圆盘驱动电机和钢球驱动电机的驱动：

依次启动盘驱电机206和伺服电机305来分别驱动玻璃圆盘201回转和钢球301回转；

(4)摩擦力的获取与测量存储：

摩擦力的测量通过精密拉压力传感器405实现，在盘驱电机206启动后，带动两个拉压力传感器405对拉的方式将两个拉压力传感器405与加载板308通过张紧线相连，两个传感器连接到平移台603上，通过移动平移台603来拉紧张紧线，加载板308在未受到两个拉压力传感器405张紧约束的条件下，能够绕加载回转装置3自由回转；而当加载板308被两个拉压力传感器405对拉约束后，加载板308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405上，进而获取摩擦力，由压力传感器405上的数据采集卡USB5935捕获并传输到PC端，再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，来实现LabVIEW与普通数据采集卡USB5935的结合，进而信号的采集、处理和数据存储，通过采集界面可直接读出摩擦力，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405对拉能够实现对测量过程中的***误差进行标定，由于加载板308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，必须克服推力球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405测量出的数值进行修正，假设阻碍钢球301运动的摩擦力矩为M，将两个拉压力传感器405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***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；

(6)膜厚的测量和分析：

通过调焦支架505来调节显微镜502的位置至能够完全观察钢球301在玻璃圆盘201上的运动轨迹，启动CCD图像传感器，利用CCD图像传感器501捕获钢球301的润滑过程，并将捕获的数据传输至PC端，利用PC端的图像处理软件分析得出钢球301和玻璃圆盘201之间的润滑油膜厚度。

实施例3：

本实施例采用实施例1中所述的装置测量PAO100润滑油在16N载荷条件下，在不同滑滚比下对油膜厚度和摩擦系数进行同时测量，测量结果如图9所示，摩擦系数随着滑滚比的增大而逐渐增大，在测量摩擦系数的同时，由图像采集装置获取实时润滑油膜干涉图像。

Claims (7)

1.一种高副接触变滑滚比油膜膜厚和摩擦力同时测量模拟装置，其特征在于其主体结构包括：支撑平台、圆盘驱动装置、球驱加载回转装置、传感器固定调节装置、图像采集装置、平移装置和测速装置，所述圆盘驱动装置置于支撑平台上侧靠近左边沿处，用以盘驱电机带动玻璃圆盘转动；所述球驱加载回转装置位于圆盘驱动装置的后侧，并且固定于平移装置中的平移板的中间处，用以通过钢球与平面圆钢盘的接触来模拟滚动体与轴承滚道的接触，并控制对钢球进行加载；所述传感器固定调节装置分别固定置于平移板上右边沿的前后两端处，用以拉压力传感器通过测定加载板的拉压力；所述图像采集装置固定置于平移板的左边沿靠后处，用以采集玻璃圆盘和钢球的运动信息；所述平移装置位于上平台上靠右处，用以带动平台上表面的装置进行左右移动；所述测速装置位于圆盘驱动装置驱动装置的正下方，用以测定主轴的转速；所述支撑平台的主体结构包括上平台、下平台、支撑柱、支撑脚和贯穿孔；所述上平台和下平台均为方形结构金属结构，并且上平台和下平台的长度与宽度相等；所述上平台和下平台之间通过四角处的圆柱形金属支撑柱连接；所述下平台的下侧面固定置有用以支撑底座的支撑脚，以防止下平台与地面接触；所述上平台靠近左边沿中间处开有圆形贯穿孔；所述球驱加载回转装置的主体结构包括：钢球、球轴、轴承支座、伺服电机从动轮、伺服电机、伺服电机主动轮、电机支座、加载板、加载轴、加载轴承、加载轴承支座、砝码、弹簧座、弹簧、轴承座、张紧线螺母和弹簧支撑板；所述钢球右侧与用以固定钢球的球轴连接，并且钢球的位于玻璃圆盘的下表面，所述球轴的右端通过通过轴承支座连接伺服电机从动轮，所述伺服电机从动轮通过传动带与其正上方的伺服电机主动轮连接，所述伺服电机主动轮位于L形电机支座的立板左侧并通过转轴与L形电机支座的立板右侧的伺服电机连接，所述伺服电机用以给钢球转动提供动力，所述电机支座的横板的固定于长条状加载板的上侧靠左处，所述加载板的下表面靠左处固定置有用以支撑的加载轴承支座，所述轴承支座上置有用以带动轴承支座转动的加载轴承，所述轴承支座的下端置有起支撑作用的加载轴，所述加载轴的下端与轴承座内的推力球轴承连接，使加载轴能够以轴承座为中心水平转动，所述轴承座的底部固定于平移板上的固定孔上，用以固定整个球驱加载回转装置，所述加载板的上端靠右处置有用以加载的砝码，正对砝码的加载板的下表面处置有用以为加载板提供弹力的弹簧，所述弹簧固定置于金属材质的长条状弹簧支撑板的右端上表面处，所述弹簧支撑板的下侧中间处置有用以支撑弹簧支撑板的调节底座，所述调节底座能够竖直调节支撑高度，加载板的右侧尾端处置有连接张紧线的张紧线螺母。

2.根据权利要求1所述的高副接触变滑滚比油膜膜厚和摩擦力同时测量模拟装置，其特征在于所述圆盘驱动装置的主体结构包括：玻璃圆盘、从动带轮、主轴、玻璃圆盘压盖、盘驱电机支座、盘驱电机、主动带轮、底座固定孔和法兰盘，圆柱形玻璃材质的玻璃圆盘置于主轴的上端，用以与钢球构成高应力点接触弹流接触副，所述玻璃圆盘的上下侧分别置有用以固定玻璃圆盘的金属材质的玻璃圆盘压盖，所述主轴上靠下处置有法兰盘，所述法兰盘通过螺栓固定于贯穿孔上，用以固定圆盘驱动装置，所述法兰盘和玻璃圆盘下侧的玻璃圆盘压盖之间的主轴上套有圆柱形空心套筒，所述主轴的下端置有从动带轮，所述从动带轮位于贯穿孔的下侧，所述下平台中间处长方形阵列式分布有用以固定盘驱电机支座的底座固定孔，所述盘驱电机支座包括两块对置分布的L形侧板和一块方形顶板，所述盘驱电机支座能够根据与从动带轮的位置需要来水平调整位置，并通过底座固定孔进行固定，用以为玻璃圆盘提供动力的盘驱电机固定置于盘驱电机支座的两块L形侧板之间，并且盘驱电机的输出轴上端穿过盘驱电机支座的顶板，所述盘驱电机的输出轴上端固定有用以将动力传递至从动带轮的主动带轮，所述主动带轮与从动带轮直接连接有传动带。

3.根据权利要求1所述的高副接触变滑滚比油膜膜厚和摩擦力同时测量模拟装置，其特征在于所述传感器固定调节装置的主体结构包括：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板活动式连接，并且只能够沿平移板左右移动，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。

4.根据权利要求1所述的高副接触变滑滚比油膜膜厚和摩擦力同时测量模拟装置，其特征在于所述图像采集装置的主体结构包括：CCD图像传感器、显微镜、X-Y平移座、长杆、调焦支架、连接板和采集装置固定座，所述采集装置固定座包括两块对置放置并通过螺栓固定于平移板的立板和一块固定于立板上侧的横板，所述横板的上侧固定置有用以连接固定座和X-Y平移座的方形连接板，所述连接板的上端固定置有方形金属材质的X-Y平移座，X-Y平移座能够沿连接板上表面水平移动，用以调节显微镜的位置，所述X-Y平移座上侧置有用以调节和固定调焦支架的圆柱形长杆，所述调焦支架的后端与长杆套入式连接，并且调焦支架后端的左右两侧置有用以调节调焦支架的旋钮，所述调焦支架的前端与显微镜支撑式连接，所述显微镜位于玻璃圆盘的上方，用以观察玻璃圆盘与钢球的运动轨迹，所述显微镜的上端置有用以记录显微镜观察到的图像信息的CCD图像传感器，实现对观测图像的实时采集。

5.根据权利要求1所述的高副接触变滑滚比油膜膜厚和摩擦力同时测量模拟装置，其特征在于所述平移装置的主体结构包括：导轨、滑块、平移板、螺纹前座、螺纹后座、连接板平移螺杆、通孔和贯穿孔，所述连接板平移螺杆通过左右两端的螺纹前座和螺纹后座固定于上平台的下表面上，所述上平台与连接板平移螺杆对应位置处开有贯穿结构的贯穿孔，连接板平移螺杆固定置于贯穿孔的下侧，所述平移板与连接板平移螺杆活动式连接，并只能够沿连接板平移螺杆左右移动，所述平移板的下端置有用以带动平移板滑动的滑块，所述导轨位于上平台的前后边沿处，所述滑块与导轨活动式连接，能够使滑块沿导轨左右移动，进一度带动平移板左右移动，进一步调节钢球与玻璃圆盘的相对位置，以实现了圆盘回转半径的调整。

6.根据权利要求1所述的高副接触变滑滚比油膜膜厚和摩擦力同时测量模拟装置，其特征在于所述的测速装置的主体结构包括：编码器固定架、联轴器和旋转编码器，所述编码器固定架包括两块对置式放置的倒L形立板和一块连接L形立板下端的横板，所述立板通过螺栓连接固定于上平台的底部，所述联轴器的上端与主轴的尾端连接并且联轴器的底部置于编码器固定架的横板的上侧来形成支撑，所述联轴器的下端穿过编码器固定架的横板与横板下侧的旋转编码器连接，通过旋转编码器来测定主轴的转速。

7.根据权利要求1所述的高副接触变滑滚比油膜膜厚和摩擦力同时测量模拟装置，其特征在于：其用于测量高应力接触变滑滚比润滑油膜摩擦力及膜厚时，具体测量步骤如下：

(1)回转半径和加载力的调整：

先平移板的前后位置来调节钢球在玻璃圆盘上的回转半径，再调整弹簧座与弹簧对接触载荷置零，将砝码放置在加载板上到实验所需的载荷；

(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)玻璃圆盘驱动电机和钢球驱动电机的驱动：

依次启动盘驱电机和伺服电机来分别驱动玻璃圆盘回转和钢球回转；

(4)摩擦力的获取与测量存储：

摩擦力的测量通过精密拉压力传感器实现，在盘驱电机启动后，带动两个拉压力传感器对拉的方式将两个拉压力传感器与加载板通过张紧线相连，两个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张紧约束的条件下，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，由压力传感器上的数据采集卡USB捕获并传输到PC端，再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，来实现LabVIEW与普通数据采集卡USB的结合，进而信号的采集、处理和数据存储，通过采集界面可直接读出摩擦力，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***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，必须克服推力球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和传感器来进行区分，当传感器固定，传感器匀速运动时，传感器得到拉力值F，传感器得到F，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，对拉实验球-盘并未接触，实验中的F能够等效为摩擦力***中球-盘接触后润滑油膜给钢球施加的实际摩擦力，为了消除轴承中摩擦力矩的影响，只需读取传感器F的数值，润滑油膜施加给钢球的实际摩擦力F则通过拟合公式计算得到；

(6)膜厚的测量和分析：

通过调焦支架来调节显微镜的位置至能够完全观察钢球在玻璃圆盘上的运动轨迹，启动CCD图像传感器，利用CCD图像传感器捕获钢球的润滑过程，并将捕获的数据传输至PC端，利用PC端的图像处理软件分析得出钢球和玻璃圆盘之间的润滑油膜厚度。

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