一種可控滑滾比的邊界滑移試驗(yàn)裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于流體流動(dòng)速度測(cè)量領(lǐng)域，尤其涉及一種邊界滑移試驗(yàn)裝置。一種可控滑滾比的邊界滑移試驗(yàn)裝置，它包括：第一摩擦元件(11)、第二摩擦元件(17)、加載系統(tǒng)以及顯微鏡(29)；第一摩擦元件(11)與第二摩擦元件(17)分別由第一電機(jī)(6)、第二電機(jī)(22)驅(qū)動(dòng)；加載系統(tǒng)通過調(diào)整第一摩擦元件(11)和第二摩擦元件(17)之間的壓緊力調(diào)整第一摩擦元件(11)與第二摩擦元件(17)之間的載荷；顯微鏡(29)用于觀測(cè)第一摩擦元件(11)與第二摩擦元件(17)接觸位置之間的油膜厚度。本發(fā)明可以根據(jù)光干涉原理和H?D經(jīng)驗(yàn)公式測(cè)得滑移速度，同時(shí)能夠適用于各種工況下的邊界滑移實(shí)驗(yàn)。
【專利說明】
一種可控滑滾比的邊界滑移試驗(yàn)裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明屬于流體流動(dòng)速度測(cè)量領(lǐng)域，尤其涉及一種邊界滑移試驗(yàn)裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 在高剪應(yīng)變條件下，流體容易在固體表面發(fā)生滑移，從而導(dǎo)致流體的動(dòng)壓減弱，油 膜厚度減小。隨著當(dāng)前機(jī)械朝高速化、重載化發(fā)展，機(jī)械副中剪應(yīng)變率可達(dá)106~107s-l，隨 之產(chǎn)生的邊界滑移將直接導(dǎo)致油膜厚度急劇減小，兩表面將直接接觸時(shí)，從而使表面發(fā)生 磨損，影響機(jī)械正常運(yùn)轉(zhuǎn)，因此，邊界滑移已經(jīng)成為制約機(jī)械發(fā)展的重要因素。實(shí)際上，不同 的運(yùn)轉(zhuǎn)速度，不同的工作載荷，不同的滑滾比都將對(duì)邊界滑移產(chǎn)生重要影響，因此，復(fù)雜的 工況進(jìn)一步加劇了研究邊界滑移的難度。一種能從實(shí)驗(yàn)上準(zhǔn)確測(cè)得滑移速度，從而精確預(yù) 測(cè)油膜厚度，揭示邊界滑移機(jī)理對(duì)提升工業(yè)機(jī)械發(fā)展具有重要意義。
[0003] 當(dāng)前，國際上測(cè)量邊界滑移的實(shí)驗(yàn)方法主要有QCM法，熒光恢復(fù)技術(shù)(FRAP)等。其 中，QCM通過測(cè)量石英晶體的共振頻率從而獲得滑移程度的變化趨勢(shì)，其不能獲得滑移速 度。FRAP記錄熒光粒子通過固體表面一定區(qū)域內(nèi)的熒光強(qiáng)度變化，根據(jù)光強(qiáng)與時(shí)間的關(guān)系， 可以得到光強(qiáng)由零變化至最大所用的時(shí)間應(yīng)等于粒子通過該區(qū)域的時(shí)間，當(dāng)該區(qū)域沿粒子 運(yùn)動(dòng)方向的長度已知，那么可獲得該區(qū)域內(nèi)粒子的速度。此處獲得的速度是該區(qū)域的平均 速度，由于該區(qū)域的寬度很小，認(rèn)為平均速度近似等于滑移速度。但是，由于FRAP技術(shù)中設(shè) 備成本昂貴，影響到該技術(shù)的推廣，同時(shí)，該方法只能完成低速流體實(shí)驗(yàn)，其工況條件較為 單一。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是:提供一種能夠適用于各種工況下的邊界滑移實(shí)驗(yàn)的可控滑滾比 的邊界滑移試驗(yàn)裝置。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種可控滑滾比的邊界滑移試驗(yàn)裝置，它包括:形成摩擦副 的第一摩擦元件和第二摩擦元件、加載系統(tǒng)以及顯微鏡;第一摩擦元件與第二摩擦元件分 別由第一電機(jī)、第二電機(jī)驅(qū)動(dòng);加載系統(tǒng)通過調(diào)整第一摩擦元件和第二摩擦元件之間的壓 緊力調(diào)整第一摩擦元件與第二摩擦元件之間的載荷;顯微鏡用于觀測(cè)第一摩擦元件與第二 摩擦元件接觸位置的油膜厚度。
[0006] 進(jìn)一步的，加載系統(tǒng)包括:拉力計(jì)、螺栓、加載平板和轉(zhuǎn)軸;第一電機(jī)通過第一電機(jī) 固定架安裝在加載平板的上表面;第一摩擦元件通過球棒、聯(lián)軸器安裝在第一電機(jī)的輸出 軸上;拉力計(jì)的下觸點(diǎn)與位于加載平板上的螺栓接觸;轉(zhuǎn)軸設(shè)置在加載平板的下表面;調(diào)整 拉力計(jì)的拉力，能夠使加載平板繞轉(zhuǎn)軸軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，以調(diào)整第一摩擦元件和第二摩擦元件之 間的壓緊力。
[0007] 第二摩擦元件通過壓緊圓盤固定在主軸上;主軸的另一端穿過下平板通過聯(lián)軸器 與扭矩傳感器連接;扭矩傳感器通過聯(lián)軸器與第二電機(jī)的輸出軸連接。
[0008] 第一摩擦元件的摩擦接觸區(qū)輪廓為球型輪廓，該輪廓以一過球心的平面〇為基準(zhǔn) 平面，截取基準(zhǔn)平面兩側(cè)距離為d部分;而且第一摩擦元件該元件的中心孔為螺紋孔;第二 摩擦元件為玻璃圓盤。
[0009] 有益效果:本發(fā)明可以根據(jù)光干涉原理和Η-D經(jīng)驗(yàn)公式測(cè)得滑移速度，同時(shí)能夠適 用于各種工況下的邊界滑移實(shí)驗(yàn)。通過調(diào)整第一電機(jī)和第二電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而控制第一摩 擦元件與第二摩擦元件的速度，從而實(shí)現(xiàn)不同的運(yùn)轉(zhuǎn)速度和不同的滑滾比工況下的邊界滑 移研究。同時(shí)，可以調(diào)整施加摩擦元件載荷，研究不同載荷下的邊界滑移情況。
【附圖說明】
[0010] 圖1是本發(fā)明中的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0011] 圖2是本發(fā)明中第一摩擦元件的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0012] 圖3是圖1的俯視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0013] 下面結(jié)合附圖并舉實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。
[0014] 參見附圖1，一種可控滑滾比的邊界滑移試驗(yàn)裝置，該試驗(yàn)裝置包括摩擦副運(yùn)動(dòng)系 統(tǒng)、加載系統(tǒng)、顯微鏡觀測(cè)系統(tǒng)和支座系統(tǒng)四部分。
[0015] 參見附圖2,摩擦副運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)一步分為第一摩擦元件運(yùn)動(dòng)控制組件和第二摩擦 元件運(yùn)動(dòng)控制組件。第一摩擦元件運(yùn)動(dòng)控制組件包括:第一電機(jī)6、聯(lián)軸器、球棒10、第一摩 擦元件11和第一固定螺母12。所述第一摩擦元件11安裝在球棒10的一端，通過第一固定螺 母12固定并確定位置;第一電機(jī)6通過聯(lián)軸器連接球棒10的另一端，從而控制第一摩擦元件 11的轉(zhuǎn)動(dòng)。為了保證球棒10穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)，在聯(lián)軸器與第一摩擦元件11之間布置兩個(gè)軸承座套 件9，以增強(qiáng)球棒10的剛度。第一電機(jī)6固定在第一電機(jī)固定架7上。
[0016] 第二摩擦元件運(yùn)動(dòng)控制組件包括:第二固定螺母13、壓緊盤14、壓緊墊片15、石棉 墊片16、第二摩擦元件17、主軸18、上端蓋19、外套筒20、聯(lián)軸器、扭矩傳感器24、第二電機(jī) 22。第二電機(jī)22與扭矩傳感器24通過聯(lián)軸器連接，而扭矩傳感器24通過聯(lián)軸器與主軸18的 一端連接，主軸18的另一端連接第二摩擦元件17,并通過壓緊盤14、壓緊墊片15、石棉墊片 16固定。所述第二摩擦元件17的軸線垂直于第一摩擦元件11的軸線，第一摩擦元件11與第 二摩擦元件17相接觸形成摩擦副。壓緊盤14通過第二固定螺母13確定在主軸18上的位置， 且壓緊盤14上均布6個(gè)螺釘，在壓緊的同時(shí)輔助調(diào)平。第二摩擦元件17的轉(zhuǎn)速由第二電機(jī)22 決定。外套筒20同軸套裝在主軸18外，主軸18通過上下一對(duì)軸承與外套筒20分開，上軸承上 布置上端蓋19,下軸承以螺母固定。扭矩傳感器24固定于支架系統(tǒng)中的第二電機(jī)固定架21 上，而第二電機(jī)22通過支架系統(tǒng)中的第二電機(jī)固定板23固定于第二電機(jī)固定架21上，從而 保證第二電機(jī)22、扭矩傳感器24以及主軸18共軸。第二電機(jī)固定架21通過螺栓與下平板3固 定。
[0017] 加載系統(tǒng)包括:拉力計(jì)4、螺栓5、加載平板27以及轉(zhuǎn)軸25。拉力計(jì)4固定在拉力計(jì)固 定架1上，拉力計(jì)4的下觸點(diǎn)與位于加載平板27上的螺栓5接觸。第一電機(jī)固定架7與軸承座 套件9都固定在加載平板27上。轉(zhuǎn)軸25安裝在加載平板27的下表面由此形成杠桿結(jié)構(gòu)，通過 拉力計(jì)4調(diào)整螺栓5和加載平板27的垂向相對(duì)位置，能夠使加載平板27繞轉(zhuǎn)軸25軸線轉(zhuǎn)動(dòng)， 以改變加載平板27傾斜角度，從而調(diào)整第一摩擦元件的垂向載荷。轉(zhuǎn)軸25通過兩個(gè)軸承座 套件固定在上平板2上。
[0018] 顯微鏡觀測(cè)系統(tǒng)包括:顯微鏡29、二維移動(dòng)平臺(tái)28。調(diào)整二維移動(dòng)平臺(tái)28的旋鈕可 以調(diào)整顯微鏡29的水平位置，而調(diào)整鏡筒處的旋鈕可以調(diào)整顯微鏡29的垂直位置，從而保 證顯微鏡目鏡可觀測(cè)到摩擦副接觸位置。
[0019] 支架系統(tǒng)包括:拉力計(jì)固定架1、上平板2、下平板3、第二電機(jī)固定板23和第二電機(jī) 固定架21。上平板2分別固定連接拉力固定架1與下平板3;所述第二電機(jī)固定架21與下平板 3固定連接。需要安裝或拆卸第一摩擦元件11時(shí)，首先移動(dòng)上平板2,使兩摩擦元件分離，之 后再完成第一摩擦元件11的拆卸。
[0020] 參見附圖2，第一摩擦元件11的摩擦接觸區(qū)輪廓為球型輪廓，該輪廓以一過球心的 平面〇為基準(zhǔn)平面，截取基準(zhǔn)平面兩側(cè)距離為d部分，為了便于將第一摩擦元件11安裝在球 棒10上，在第一摩擦元件11的軸心處加工成螺紋通孔。第二摩擦元件17為玻璃圓盤。
[0021] 該試驗(yàn)裝置能夠通過不同的運(yùn)轉(zhuǎn)速度，不同的工作載荷，不同的滑滾比實(shí)現(xiàn)不同 工況。其中兩個(gè)摩擦元件的運(yùn)轉(zhuǎn)速度分別通過兩個(gè)電機(jī)控制，工作載荷通過加載系統(tǒng)控制， 滑滾比的控制原理為：
[0022] 先引入兩個(gè)量:卷吸速度和兩試件在接觸區(qū)的滑動(dòng)速度；
[0023]卷吸速度可定義為：
(1)
[0025] 式中，u 1、u2分別為球(第一摩擦元件11 )、盤試件(第二摩擦元件17)在接觸區(qū)的線 速度(m/s);
[0026] 兩試件在接觸區(qū)的滑動(dòng)速度，SP :
[0027] Δ U = ui~U2 (2)
[0028] 滑滾比定義為滑動(dòng)速度與卷吸速度的比值，即：
[0030] 所以，由式(2)可知，滑滾比與兩試件的運(yùn)動(dòng)速度都有關(guān)系，因此，通過分別控制兩 試件的運(yùn)動(dòng)速度，可以獲得滑滾比數(shù)值。實(shí)際的滑滾比試驗(yàn)中，在兩試件的卷吸速度不變的 情況下，完成滑滾比的調(diào)整。
[0031] 為了獲得運(yùn)動(dòng)副中摩擦力隨運(yùn)動(dòng)速度的關(guān)系，一般是通過做摩擦轉(zhuǎn)矩與滑滾比實(shí) 驗(yàn)實(shí)現(xiàn)的。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種可控滑滾比的邊界滑移試驗(yàn)裝置，它包括:形成摩擦副的第一摩擦元件（11)和 第二摩擦元件（17)以及顯微鏡(29);其特征在于:還包括加載系統(tǒng);所述第一摩擦元件（11) 與所述第二摩擦元件（17)分別由第一電機(jī)(6)、第二電機(jī)(22)驅(qū)動(dòng);所述加載系統(tǒng)通過調(diào)整 第一摩擦元件（11)和第二摩擦元件（17)之間的壓緊力調(diào)整所述第一摩擦元件（11)與第二 摩擦元件（17)之間的載荷;所述顯微鏡(29)用于觀測(cè)所述第一摩擦元件（11)與所述第二摩 擦元件(17)接觸位置間的油膜厚度。2. 如權(quán)利要求1所述的一種可控滑滾比的邊界滑移試驗(yàn)裝置，其特征在于:所述加載系 統(tǒng)包括:拉力計(jì)(4)、螺栓(5)、加載平板(27)和轉(zhuǎn)軸(25);所述第一電機(jī)(6)通過第一電機(jī)固 定架(7)安裝在所述加載平板(27)的上表面;所述第一摩擦元件（11)通過球棒(10)、聯(lián)軸器 安裝在所述第一電機(jī)(6)的輸出軸上;所述拉力計(jì)(4)的下觸點(diǎn)與位于所述加載平板(27)上 的螺栓(5)接觸;所述轉(zhuǎn)軸(25)設(shè)置在所述加載平板(27)的下表面;調(diào)整所述拉力計(jì)(4)的 拉力，能夠使所述加載平板(27)繞所述轉(zhuǎn)軸(25)軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，以調(diào)整第一摩擦元件（11)和第 二摩擦元件(17)之間的壓緊力。3. 如權(quán)利要求2所述的一種可控滑滾比的邊界滑移試驗(yàn)裝置，其特征在于:在所述聯(lián)軸 器與第一摩擦元件(11)之間布置有兩個(gè)軸承座套件(9)。4. 如權(quán)利要求1或2所述的一種可控滑滾比的邊界滑移試驗(yàn)裝置，其特征在于:所述第 二摩擦元件（17)通過壓緊圓盤（14)固定在主軸（18)上;所述主軸（18)的另一端穿過下平板 (3)通過聯(lián)軸器與扭矩傳感器(24)連接;所述扭矩傳感器(24)通過聯(lián)軸器與所述第二電機(jī) (22)的輸出軸連接。5. 如權(quán)利要求4所述的一種可控滑滾比的邊界滑移試驗(yàn)裝置，其特征在于:所述壓緊圓 盤(14)上設(shè)有輔助所述第二摩擦元件(17)調(diào)平的螺釘。6. 如權(quán)利要求1或2所述的一種可控滑滾比的邊界滑移試驗(yàn)裝置，其特征在于：所述顯 微鏡(29)安裝在可左右、上下移動(dòng)的二維移動(dòng)平臺(tái)（28)上。7. 如權(quán)利要求1或2所述的一種可控滑滾比的邊界滑移試驗(yàn)裝置，其特征在于:所述第 一摩擦元件（11)的摩擦接觸區(qū)輪廓為球型輪廓，該輪廓以一過球心的平面〇為基準(zhǔn)平面，截 取基準(zhǔn)平面兩側(cè)距離為d部分;而且所述第一摩擦元件（11)的中心孔為螺紋孔;所述第一摩 擦元件(11);所述第二摩擦元件(17)為玻璃圓盤。
【文檔編號(hào)】G01N13/00GK106018183SQ201610329151
【公開日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年5月18日
【發(fā)明人】魏超, 趙欣, 苑士華, 李艷齊
【申請(qǐng)人】北京理工大學(xué)