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一種基于光學(xué)反饋的潤(rùn)滑油薄膜承載力測(cè)量裝置及其測(cè)量方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種基于光學(xué)反饋的潤(rùn)滑油薄膜承載力測(cè)量裝置及其測(cè)量方法，基于光學(xué)反饋的潤(rùn)滑油薄膜承載力測(cè)量裝置包括機(jī)架，機(jī)架上設(shè)置平面圓盤回轉(zhuǎn)單元和顯微干涉測(cè)量單元，機(jī)架上還設(shè)置微滑塊調(diào)整及油膜承載力測(cè)量單元，微滑塊調(diào)整及油膜承載力測(cè)量單元設(shè)置在平面圓盤回轉(zhuǎn)單元的上方，且與平面圓盤回轉(zhuǎn)單元相配合，微滑塊調(diào)整及油膜承載力測(cè)量單元的壓板上安裝傳感器，傳感器連接微滑塊；利用多光束干涉法對(duì)膜厚進(jìn)行精確測(cè)量，利用拉壓傳感器對(duì)油膜的承載力進(jìn)行直接測(cè)量，有效解決涂層界面磨損與保持兩接觸面的平行問(wèn)題，而且對(duì)承載區(qū)間油膜承載力的直接測(cè)量，更好地研究表面改性對(duì)摩擦性能的影響，具有更高的工程價(jià)值。
【專利說(shuō)明】一種基于光學(xué)反饋的潤(rùn)滑油薄膜承載力測(cè)量裝置及其測(cè)量方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種潤(rùn)滑油實(shí)驗(yàn)測(cè)量裝置，具體是指一種在固定微納米級(jí)油膜厚度條件下，微型滑塊軸承間潤(rùn)滑油膜的承載力測(cè)量裝置，屬于低副接觸流體潤(rùn)滑油膜的實(shí)驗(yàn)測(cè)量領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002]油膜潤(rùn)滑是工程中極其重要的一個(gè)技術(shù)研究領(lǐng)域，它利用潤(rùn)滑油在兩摩擦固體表面之間形成分隔油膜，減少表面磨損。表面工程學(xué)是材料科學(xué)的一個(gè)重要分支，利用表面改性技術(shù)、薄膜技術(shù)和涂鍍層技術(shù)等，使材料表面獲得材料本身沒(méi)有而又希望具有的性能，從而有效改善接觸副間的潤(rùn)滑性能。
[0003]目前有關(guān)表面工程的實(shí)驗(yàn)研究大多是測(cè)量一對(duì)摩擦表面間的摩擦力和摩擦系數(shù)，所用到的實(shí)驗(yàn)裝置大多為UMT摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)和自制簡(jiǎn)易裝置。圖1是青島理工大學(xué)郭峰等人研制的微型滑塊軸承潤(rùn)滑油膜測(cè)量?jī)x，該測(cè)量?jī)x是光干涉法在流體動(dòng)壓潤(rùn)滑研究方面的成功應(yīng)用，能夠測(cè)量恒傾角面接觸接觸流體動(dòng)力潤(rùn)滑油的厚度，同時(shí)利用CCD可對(duì)接觸區(qū)油膜進(jìn)行直接觀測(cè)，從而研究表面工程學(xué)在摩擦學(xué)中的應(yīng)用。
[0004]然而，材料表面的紋理或涂層是微米級(jí)甚至是納米級(jí)的，利用UMT摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，最大的問(wèn)題在于涂層很容易被蹭掉，這不利于分析表面改性對(duì)潤(rùn)滑性能的影響。另一方面，發(fā)明人在圖1所示的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)測(cè)量油膜厚度的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，要保持兩接觸面始終平行實(shí)際是非常困難的，原因在于當(dāng)玻璃盤轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，由于玻璃盤的振動(dòng)，油膜的振蕩等因素會(huì)影響玻璃盤與微型滑塊間的傾角。而且，油膜承載力是工程中評(píng)價(jià)潤(rùn)滑接觸副摩擦學(xué)特性的重要參數(shù)，但經(jīng)學(xué)術(shù)檢索發(fā)現(xiàn)，測(cè)量油膜承載力的裝置為數(shù)不多。圖1所示的測(cè)量系統(tǒng)是固定載荷，測(cè)量玻璃盤在不同轉(zhuǎn)速下微型滑塊與玻璃盤間的油膜厚度，本發(fā)明利用微位移機(jī)構(gòu)將微型滑塊軸承間的油膜厚度固定在亞微米級(jí)，利用高精度傳感器直接測(cè)量接觸區(qū)內(nèi)油膜的承載力，以便于更好的研究表面改性對(duì)摩擦性能的影響，這比單純的測(cè)量油膜厚度將更具工程意義。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點(diǎn)與不足，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是，提供一種基于光學(xué)反饋的潤(rùn)滑油薄膜承載力測(cè)量裝置，利用多光束干涉法對(duì)膜厚進(jìn)行精確測(cè)量，利用拉壓傳感器對(duì)油膜的承載力進(jìn)行直接測(cè)量，有效解決涂層界面磨損與保持兩接觸面的平行問(wèn)題，而且對(duì)承載區(qū)間油膜承載力的直接測(cè)量，更好地研究表面改性對(duì)摩擦性能的影響，具有更高的工程價(jià)值。
[0006]為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是，提供一種基于光學(xué)反饋的潤(rùn)滑油薄膜承載力測(cè)量裝置及其測(cè)量方法，基于光學(xué)反饋的潤(rùn)滑油薄膜承載力測(cè)量裝置包括機(jī)架，機(jī)架上設(shè)置平面圓盤回轉(zhuǎn)單元和顯微干涉測(cè)量單元，機(jī)架上還設(shè)置微滑塊調(diào)整及油膜承載力測(cè)量單元，微滑塊調(diào)整及油膜承載力測(cè)量單元設(shè)置在平面圓盤回轉(zhuǎn)單元的上方，且與平面圓盤回轉(zhuǎn)單元相配合，微滑塊調(diào)整及油膜承載力測(cè)量單元的壓板上安裝傳感器，傳感器連接微滑塊。
[0007]上述的一種基于光學(xué)反饋的潤(rùn)滑油薄膜承載力測(cè)量裝置，其微滑塊調(diào)整及油膜承載力測(cè)量單元的壓板上安裝調(diào)節(jié)螺桿，調(diào)節(jié)螺桿連接十字頭，十字頭通過(guò)調(diào)節(jié)盤連接傳感器，傳感器連接微滑塊。
[0008]上述的一種基于光學(xué)反饋的潤(rùn)滑油薄膜承載力測(cè)量裝置，其傳感器通過(guò)傳感器聯(lián)結(jié)件連接滑塊安裝座，滑塊安裝座上固定微滑塊。
[0009]上述的基于光學(xué)反饋的潤(rùn)滑油薄膜承載力測(cè)量裝置的測(cè)量方法，包括如下步驟: 第一步，調(diào)整并固定角度:微滑塊與玻璃盤接觸，調(diào)節(jié)微滑塊與玻璃盤間的夾角，使其固定傾角；
第二步，施加壓力:利用微滑塊調(diào)整及油膜承載力測(cè)量單元的壓板向微滑塊施加向下的力，確保微滑塊被抬起并與玻璃盤保持設(shè)定的固定間隙％；
第三步，微滑塊上升:調(diào)節(jié)微滑塊調(diào)整及油膜承載力測(cè)量單元的升降位移臺(tái)，將壓板緩慢抬起，使得微滑塊與玻璃盤慢慢脫離并且兩者的間隙逐漸變大；在此過(guò)程中，測(cè)力傳感器的示值為零表明兩者完全脫離；
第四步，數(shù)據(jù)處理:利用顯微干涉測(cè)量單元記錄微滑塊在上升過(guò)程中光強(qiáng)的變化，然后停止移動(dòng)位移臺(tái)，根據(jù)光強(qiáng)的變化進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，獲得微滑塊與玻璃盤的間隙％ ；
第五步，測(cè)得油膜承載力變化曲線:當(dāng)油膜厚度固定為h時(shí)，驅(qū)動(dòng)平面圓盤回轉(zhuǎn)單元的玻璃盤勻速旋轉(zhuǎn)，此時(shí)油膜對(duì)微滑塊施加的作用力通過(guò)傳感器進(jìn)行測(cè)量，數(shù)據(jù)處理后得到油膜承載力變化曲線。
[0010]微滑塊可通過(guò)不同的表面改性方法(如不同表面紋理或不同材料的涂層)處理得至IJ，再通過(guò)改變潤(rùn)滑油，玻璃盤轉(zhuǎn)速，微滑塊與玻璃盤的傾角和間隙等工況，重復(fù)試驗(yàn)以研究表面改性對(duì)摩擦潤(rùn)滑性能的影響。
[0011]本發(fā)明與【背景技術(shù)】發(fā)明專利200810249672.0微型滑塊軸承潤(rùn)滑油膜測(cè)量?jī)x的不同點(diǎn)在于:
1、本發(fā)明是在固定膜厚為亞微米級(jí)條件下，直接測(cè)量油膜承載力；而【背景技術(shù)】中的測(cè)量?jī)x是在固定載荷條件下，對(duì)微滑塊與玻璃盤的油膜厚度進(jìn)行測(cè)量。
[0012]2、在動(dòng)態(tài)條件下，調(diào)節(jié)和控制微滑塊與玻璃盤保持固定的平行間距，本發(fā)明較【背景技術(shù)】中的測(cè)量?jī)x實(shí)現(xiàn)起來(lái)更容易。
[0013]3、本發(fā)明將精密升降臺(tái)的位移控制與光干涉測(cè)量的反饋控制有效結(jié)合，能夠使得微滑塊與玻璃盤間的平行油膜間隙在亞微米級(jí)實(shí)現(xiàn)精確定位。
[0014]本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)及有益技術(shù)效果:
1、本發(fā)明的基于光學(xué)反饋的潤(rùn)滑油薄膜承載力測(cè)量裝置能夠在固定膜厚為亞微米級(jí)條件下，有效解決涂層界面磨損的問(wèn)題，直接測(cè)量油膜承載力，更好地研究表面改性對(duì)摩擦性能的影響，為工程實(shí)踐提供了必要的理論依據(jù)。
[0015]2、本發(fā)明的基于光學(xué)反饋的潤(rùn)滑油薄膜承載力測(cè)量裝置在動(dòng)態(tài)條件下，調(diào)節(jié)和控制微滑塊與玻璃盤保持固定的平行間距，實(shí)現(xiàn)起來(lái)更容易，從而能更好地研究表面改性對(duì)摩擦性能的影響。
[0016]3、本發(fā)明的基于光學(xué)反饋的潤(rùn)滑油薄膜承載力測(cè)量裝置將精密升降臺(tái)的位移控制與光干涉測(cè)量的反饋控制有效結(jié)合，能夠使得微滑塊與玻璃盤間的平行油膜間隙在亞微米級(jí)實(shí)現(xiàn)精確定位。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0017]圖1是本發(fā)明現(xiàn)有技術(shù)中的微型滑塊軸承潤(rùn)滑油膜測(cè)量?jī)x結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3是圖2中微滑塊調(diào)整及油膜承載力測(cè)量單元與平面圓盤回轉(zhuǎn)單元配合示意圖；
圖4是圖2中微滑塊調(diào)整及油膜承載力測(cè)量單元的傳感器安裝位置的局部結(jié)構(gòu)示意圖；
圖5是本發(fā)明控制流程框圖；
圖6是實(shí)施例中軟件監(jiān)控界面示意圖；
圖7是實(shí)施例中微滑塊上升過(guò)程示意圖；
圖8是實(shí)施例中對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)變化曲線圖；
圖9是實(shí)施例中測(cè)得的承載力曲線圖。
[0018]上述圖中:
1-微滑塊調(diào)整及油膜承載力測(cè)量單元，2-平面圓盤回轉(zhuǎn)單元，3-顯微干涉測(cè)量單元，4-機(jī)架，5-升降位移臺(tái)，6-鎖緊機(jī)構(gòu)，7-微滑塊，8-滑塊安裝座，9-傳感器聯(lián)結(jié)件，10-傳感器，11-調(diào)節(jié)盤，12-十字頭，13-壓板，14-調(diào)節(jié)螺桿。

【具體實(shí)施方式】
[0019]本實(shí)施例的基于光學(xué)反饋的潤(rùn)滑油薄膜承載力測(cè)量裝置包括機(jī)架4，機(jī)架4上設(shè)置平面圓盤回轉(zhuǎn)單元2和顯微干涉測(cè)量單元3，機(jī)架4上還設(shè)置微滑塊調(diào)整及油膜承載力測(cè)量單元1，微滑塊調(diào)整及油膜承載力測(cè)量單元I設(shè)置在平面圓盤回轉(zhuǎn)單元2的上方，且與平面圓盤回轉(zhuǎn)單元2相配合，微滑塊調(diào)整及油膜承載力測(cè)量單元I的壓板13上安裝傳感器10，傳感器10連接微滑塊7。微滑塊調(diào)整及油膜承載力測(cè)量單元I的壓板13上安裝調(diào)節(jié)螺桿14，調(diào)節(jié)螺桿14連接十字頭12，十字頭12通過(guò)調(diào)節(jié)盤11連接傳感器10，傳感器10通過(guò)傳感器聯(lián)結(jié)件9連接滑塊安裝座8，滑塊安裝座8上固定微滑塊7。
[0020]本實(shí)施例利用光干涉法在固定油膜厚度條件下測(cè)量油膜的承載力，其步驟如下: 第一步，調(diào)整并固定角度:微滑塊7與玻璃盤接觸，如圖7所示I對(duì)應(yīng)的起始位置，調(diào)節(jié)微滑塊7與玻璃盤間的夾角，使其固定某個(gè)傾角，如圖7所示2對(duì)應(yīng)的中間位置，而角度調(diào)節(jié)方法與【背景技術(shù)】中的發(fā)明專利200810249672.0微型滑塊軸承潤(rùn)滑油膜測(cè)量?jī)x中介紹的相同，不再贅述。
[0021]第二步，施加壓力:利用鎖緊結(jié)構(gòu)6向微滑塊7施加向下的力，確保微滑塊7被抬起并與玻璃盤保持某個(gè)設(shè)定的固定間隙Iv此時(shí)注意施加的力不要過(guò)大，以免傳感器10超量程而被損壞；
第三步，微滑塊上升:由于壓板13與升降位移臺(tái)5固定連接在一起，調(diào)節(jié)升降位移臺(tái)5，可將壓板13緩慢抬起，即微滑塊7與玻璃盤慢慢脫離并且兩者的間隙逐漸變大；在此過(guò)程中，傳感器10的示值為零表明兩者完全脫離； 第四步，數(shù)據(jù)處理:利用顯微干涉測(cè)量單元3和監(jiān)控軟件記錄微滑塊7在上升過(guò)程中光強(qiáng)的變化，然后停止移動(dòng)升降位移臺(tái)5，根據(jù)光強(qiáng)的變化進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，獲得微滑塊7與玻璃盤的間隙tv如圖8所示；在本實(shí)施例中，根據(jù)計(jì)算求得一個(gè)完整波長(zhǎng)的光強(qiáng)變化對(duì)應(yīng)油膜厚度的變化值為240nm ;若保證微滑塊與玻璃盤的間隙為480nm，可在光強(qiáng)變化為兩個(gè)波長(zhǎng)時(shí)立即停止移動(dòng)位移臺(tái)；由于這是一個(gè)緩變過(guò)程，所以此操作很容易實(shí)現(xiàn)；
第五步，測(cè)得油膜承載力變化曲線:當(dāng)油膜厚度固定為h時(shí)，利用伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)玻璃盤以一定速度旋轉(zhuǎn)，此時(shí)油膜對(duì)微滑塊7施加的作用力可用高精度測(cè)力傳感器進(jìn)行測(cè)量，并用圖6所示的監(jiān)控軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和實(shí)時(shí)顯示，測(cè)得圖9所示的油膜承載力變化曲線。
[0022]微滑塊可通過(guò)不同的表面改性方法(如不同表面紋理或不同材料的涂層)處理得至IJ，再通過(guò)改變潤(rùn)滑油，玻璃盤轉(zhuǎn)速，微滑塊與玻璃盤的傾角和間隙等工況，重復(fù)試驗(yàn)以研究表面改性對(duì)摩擦潤(rùn)滑性能的影響。
[0023]以上所述，僅是對(duì)本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非是對(duì)本發(fā)明做其他形式的限制，任何熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員可能利用上述揭示的技術(shù)內(nèi)容加以變更或改型為等同變化的等效實(shí)施例。但是，凡是未脫離本發(fā)明方案內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所做的任何簡(jiǎn)單修改、等同變化與改型，仍屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種基于光學(xué)反饋的潤(rùn)滑油薄膜承載力測(cè)量裝置，它包括機(jī)架，機(jī)架上設(shè)置平面圓盤回轉(zhuǎn)單元和顯微干涉測(cè)量單元，機(jī)架上還設(shè)置微滑塊調(diào)整及油膜承載力測(cè)量單元，微滑塊調(diào)整及油膜承載力測(cè)量單元設(shè)置在平面圓盤回轉(zhuǎn)單元的上方，且與平面圓盤回轉(zhuǎn)單元相配合，其特征在于:所述微滑塊調(diào)整及油膜承載力測(cè)量單元的壓板上安裝傳感器，傳感器連接微滑塊。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于光學(xué)反饋的潤(rùn)滑油薄膜承載力測(cè)量裝置，其特征在于:所述微滑塊調(diào)整及油膜承載力測(cè)量單元的壓板上安裝調(diào)節(jié)螺桿，調(diào)節(jié)螺桿連接十字頭，十字頭通過(guò)調(diào)節(jié)盤連接傳感器，傳感器連接微滑塊。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于光學(xué)反饋的潤(rùn)滑油薄膜承載力測(cè)量裝置，其特征在于:所述傳感器通過(guò)傳感器聯(lián)結(jié)件連接滑塊安裝座，滑塊安裝座上固定微滑塊。
4.一種如權(quán)利要求1所述的基于光學(xué)反饋的潤(rùn)滑油薄膜承載力測(cè)量裝置的測(cè)量方法，其特征在于，包括如下步驟: 第一步，調(diào)整并固定角度:微滑塊與玻璃盤接觸，調(diào)節(jié)微滑塊與玻璃盤間的夾角，使其固定傾角； 第二步，施加壓力:利用微滑塊調(diào)整及油膜承載力測(cè)量單元的壓板向微滑塊施加向下的力，確保微滑塊被抬起并與玻璃盤保持設(shè)定的固定間隙％； 第三步，微滑塊上升:調(diào)節(jié)微滑塊調(diào)整及油膜承載力測(cè)量單元的升降位移臺(tái)，將壓板緩慢抬起，使得微滑塊與玻璃盤慢慢脫離并且兩者的間隙逐漸變大；在此過(guò)程中，測(cè)力傳感器的示值為零表明兩者完全脫離； 第四步，數(shù)據(jù)處理:利用顯微干涉測(cè)量單元記錄微滑塊在上升過(guò)程中光強(qiáng)的變化，然后停止移動(dòng)位移臺(tái)，根據(jù)光強(qiáng)的變化進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，獲得微滑塊與玻璃盤的間隙％ ； 第五步，測(cè)得油膜承載力變化曲線:當(dāng)油膜厚度固定為h時(shí)，驅(qū)動(dòng)平面圓盤回轉(zhuǎn)單元的玻璃盤勻速旋轉(zhuǎn)，此時(shí)油膜對(duì)微滑塊施加的作用力通過(guò)傳感器進(jìn)行測(cè)量，數(shù)據(jù)處理后得到油膜承載力變化曲線。
【文檔編號(hào)】G01N19/00GK104515733SQ201310450160
【公開日】2015年4月15日 申請(qǐng)日期:2013年9月29日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月29日
【發(fā)明者】楊淑燕, 朱慧強(qiáng), 郭峰 申請(qǐng)人:青島理工大學(xué)