真空環(huán)境下球-盤(pán)滑動(dòng)摩擦副液體潤(rùn)滑狀態(tài)光學(xué)測(cè)試裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種真空環(huán)境下球-盤(pán)滑動(dòng)摩擦副液體潤(rùn)滑狀態(tài)光學(xué)測(cè)試裝置，屬于空間摩擦學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]液體潤(rùn)滑劑是應(yīng)用最廣泛的潤(rùn)滑材料，摩擦副之間潤(rùn)滑劑的厚度及其分布是確定其潤(rùn)滑狀態(tài)的重要因素，通過(guò)光學(xué)方法表征摩擦過(guò)程中潤(rùn)滑劑的厚度及其分布是研究潤(rùn)滑劑狀態(tài)的常用手段之一。
[0003]液體潤(rùn)滑劑包括礦物油、合成油、動(dòng)植物油和水基液體等。因?yàn)檫@類潤(rùn)滑劑具有低而穩(wěn)定的摩擦系數(shù)、較寬的粘溫系數(shù)、壓縮比小、散熱效率高、對(duì)運(yùn)動(dòng)部件的尺寸和精度、性價(jià)比較高等優(yōu)點(diǎn)，為解決不同的摩擦工況(負(fù)荷、速度和溫度等)條件下運(yùn)動(dòng)部件的潤(rùn)滑問(wèn)題提供了較多的選擇。近年來(lái)，離子液體以其極低具有揮發(fā)性和優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和粘溫性等特點(diǎn)也被應(yīng)用于鋼/鋼、鋼/鋁、鋼/銅、鋼/單晶硅、鋼/陶瓷、陶瓷/陶瓷等摩擦副的潤(rùn)滑劑，在室溫或高溫、高低負(fù)荷下都具有優(yōu)良的減摩和抗磨性能。
[0004]采用液體潤(rùn)滑劑潤(rùn)滑的摩擦副通?？刹捎脧椓鳚?rùn)滑（EI a s t ο h y d r ο d y n a m i cLubrication)、邊界潤(rùn)滑(Boundary Lubrication)和干摩擦(Dry Lubrication)等描述其潤(rùn)滑狀態(tài)。干摩擦是摩擦副之間無(wú)潤(rùn)滑劑而完全接觸的極端情況，此時(shí)摩擦副之間不存在潤(rùn)滑劑的作用，摩擦學(xué)性能完全取決于接觸區(qū)的表面性質(zhì)。彈流潤(rùn)滑是液體潤(rùn)滑摩擦副的理想潤(rùn)滑狀態(tài)，此時(shí)摩擦副之間被一層完整的潤(rùn)滑劑薄膜隔開(kāi)，摩擦主要發(fā)生在潤(rùn)滑劑分子之間，即所謂的內(nèi)摩擦，摩擦副之間不發(fā)生接觸。形成彈流潤(rùn)滑的必要條件如下：（I)摩擦副接觸表面沿相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向必須形成收斂的楔形間隙，（2)必須有足夠大的相對(duì)滑動(dòng)速度，
(3)潤(rùn)滑油必須有一定的粘度。邊界潤(rùn)滑是由于摩擦副之間不滿足上述彈流潤(rùn)滑條件而導(dǎo)致潤(rùn)滑劑薄膜不完整，摩擦副表面部分接觸的潤(rùn)滑狀態(tài)。此時(shí)不能充分發(fā)揮液體潤(rùn)滑劑的特性，決定摩擦表面之間摩擦學(xué)性質(zhì)的是潤(rùn)滑劑和表面之間的相互作用及所生成的邊界膜的性質(zhì)。邊界潤(rùn)滑可以看作由彈流潤(rùn)滑到干摩擦之間過(guò)渡狀態(tài)，是一種不穩(wěn)定的潤(rùn)滑狀態(tài)?？梢?jiàn)，潤(rùn)滑劑薄膜的形成和保持是有條件的，由于摩擦工況和環(huán)境的不同，液體潤(rùn)滑劑在摩擦副之間的厚度及其分布狀態(tài)也不一樣，隨著潤(rùn)滑劑薄膜厚度的變化，潤(rùn)滑狀態(tài)發(fā)生變化，相應(yīng)地導(dǎo)致摩擦副的磨損率發(fā)生變化。當(dāng)摩擦副之間的法向接觸載荷較大，溫度較高，潤(rùn)滑劑的粘度較小時(shí)，潤(rùn)滑薄膜的厚度也較小。當(dāng)摩擦條件不足以形成完整的潤(rùn)滑劑薄膜時(shí)，摩擦副之間的油膜厚度發(fā)生破裂，摩擦副之間形成部分接觸，導(dǎo)致磨損程度增大。
[0005]在液體潤(rùn)滑條件下，液體潤(rùn)滑劑的潤(rùn)滑狀態(tài)是影響液體潤(rùn)滑摩擦副摩擦學(xué)性能的關(guān)鍵因素，液體潤(rùn)滑劑在摩擦副之間的厚度及其分布是表征潤(rùn)滑劑潤(rùn)滑狀態(tài)的重要參數(shù)之一。液體潤(rùn)滑狀態(tài)除了受到潤(rùn)滑劑本身的性質(zhì)影響之外，還受到摩擦副材料的材質(zhì)、形狀、表面狀態(tài)，以及摩擦工況和環(huán)境的影響，因此，液體潤(rùn)滑狀態(tài)是由特定的潤(rùn)滑劑、摩擦副、工況和環(huán)境等因素確定的總體特性，特別是環(huán)境對(duì)液體潤(rùn)滑狀態(tài)的影響不可忽視。
[0006]球-盤(pán)滑動(dòng)摩擦副是一種典型的摩擦副形式，可以方便地模擬出多種實(shí)際摩擦機(jī)構(gòu)在點(diǎn)-面接觸下的滑動(dòng)摩擦狀態(tài)，摩擦工況(載荷、速度等）易于調(diào)控，摩擦副材料容易制備和檢測(cè)，實(shí)驗(yàn)條件的重復(fù)性較高，是目前摩擦學(xué)研究的通用實(shí)驗(yàn)技術(shù)之一。
[0007]空間環(huán)境下摩擦副及其潤(rùn)滑狀態(tài)是確保航天器運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，特別是長(zhǎng)期暴露于空間環(huán)境下的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)可靠性的關(guān)鍵。真空環(huán)境是空間環(huán)境的基本特征，與大氣狀態(tài)不同的是在真空下液體潤(rùn)滑劑易于揮發(fā)而導(dǎo)致其性能退化甚至失效。為了更好地應(yīng)用液體潤(rùn)滑劑解決空間真空環(huán)境中的摩擦學(xué)問(wèn)題，首先必須掌握真空環(huán)境下摩擦副之間液體的潤(rùn)滑狀態(tài)及其變化規(guī)律。然而目前國(guó)內(nèi)外尚未建立真空環(huán)境下表征摩擦副液體潤(rùn)滑狀態(tài)的實(shí)驗(yàn)裝置。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0008]本實(shí)用新型的目的在于提供一種真空環(huán)境下球-盤(pán)滑動(dòng)摩擦副液體潤(rùn)滑狀態(tài)光學(xué)測(cè)試裝置，該裝置是將真空系統(tǒng)、球-盤(pán)摩擦機(jī)構(gòu)和光學(xué)測(cè)試系統(tǒng)優(yōu)化集成，建立具備真空環(huán)境下測(cè)試潤(rùn)滑劑厚度及其分布的真空摩擦副液體潤(rùn)滑狀態(tài)光學(xué)測(cè)試系統(tǒng)，為研究空間真空環(huán)境下液體的潤(rùn)滑狀態(tài)及其變化規(guī)律提供技術(shù)條件。
[0009]一種真空環(huán)境下球-盤(pán)滑動(dòng)摩擦副液體潤(rùn)滑狀態(tài)光學(xué)測(cè)試裝置，其特征在于該裝置包括真空系統(tǒng)、球-盤(pán)摩擦機(jī)構(gòu)和光學(xué)測(cè)試系統(tǒng)：
[0010]所述真空系統(tǒng)包括其上設(shè)有放氣閥的真空室，該真空室上設(shè)有與真空計(jì)通過(guò)電纜相連的真空規(guī)管，且該真空室通過(guò)其上設(shè)有插板閥的真空管道與分子栗相連;所述分子栗通過(guò)真空波紋管與機(jī)械栗相連；
[0011 ]所述球-盤(pán)摩擦機(jī)構(gòu)包括位于所述真空室內(nèi)的由上試樣和下試樣組成的摩擦副，所述上試樣為下端面為球面的剛性固體，置于橫桿一端上方的加載砝碼通過(guò)穿過(guò)橫桿的立桿與上試樣相連;所述橫桿的另一端設(shè)有平衡砝碼，且橫桿通過(guò)軸承與支桿I垂直連接，橫桿以軸承為中心在垂直平面內(nèi)自由活動(dòng);所述支桿I與通過(guò)支架I固定的軸承相連，且支架I固定在真空室底板內(nèi)側(cè);所述下試樣為一個(gè)水平放置的圓形玻璃盤(pán)，螺栓穿過(guò)下試樣的中心將其固定在轉(zhuǎn)軸的上端;所述轉(zhuǎn)軸穿過(guò)通過(guò)支架Π固定的軸承與磁流體密封轉(zhuǎn)軸通過(guò)聯(lián)軸節(jié)相連，所述支架π固定在真空室底板內(nèi)側(cè);所述磁流體密封轉(zhuǎn)軸與真空室通過(guò)磁流體密封法蘭相連，且穿過(guò)真空室的底板通過(guò)聯(lián)軸節(jié)與調(diào)速電機(jī)的轉(zhuǎn)軸相連;所述調(diào)速電機(jī)依次通過(guò)信號(hào)線、位于真空室外的測(cè)控儀、信號(hào)線、A/D轉(zhuǎn)換器、信號(hào)線與工控計(jì)算機(jī)相連;所述上試樣和所述下試樣之間相對(duì)滑動(dòng)所產(chǎn)生的摩擦力通過(guò)測(cè)力桿傳遞至力傳感器，該力傳感器依次通過(guò)信號(hào)線、測(cè)控儀、信號(hào)線、A/D轉(zhuǎn)換器、信號(hào)線與工控計(jì)算機(jī)相連；
[0012]所述光學(xué)測(cè)試系統(tǒng)包括位于上試樣正下方且位于真空室底板上的光學(xué)窗口，該光學(xué)窗口的正下方設(shè)有光學(xué)測(cè)試儀;所述光學(xué)測(cè)試儀依次通過(guò)信號(hào)線、圖像傳感器、信號(hào)線、測(cè)控儀、信號(hào)線與工控計(jì)算機(jī)相連。
[0013]所述真空室為立式圓柱形，采用不銹鋼制造、氟橡膠密封。
[0014]所述真空規(guī)管與真空室、插板閥與真空管道均是通過(guò)法蘭相連。
[0015]所述螺栓與下試樣之間設(shè)有墊片。
[0016]所述平衡砝碼與橫桿通過(guò)螺絲活動(dòng)連接，平衡砝碼與橫桿之間的相對(duì)位置通過(guò)旋轉(zhuǎn)螺絲進(jìn)行調(diào)節(jié)。
[0017]所述力傳感器固定在支桿Π上，該支桿Π固定在真空室底板內(nèi)側(cè)。
[0018]本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：
[0019]1、本實(shí)用新型提供了模擬空間真空環(huán)境下球-盤(pán)滑動(dòng)摩擦副液體潤(rùn)滑狀態(tài)的光學(xué)測(cè)試裝置，為研究空間真空環(huán)境對(duì)液體潤(rùn)滑狀態(tài)的影響規(guī)律創(chuàng)造了必需的實(shí)驗(yàn)條件，對(duì)于發(fā)展新型空間液體潤(rùn)滑劑具有重要意義。
[0020]2、本實(shí)用新型球-盤(pán)滑動(dòng)摩擦副的優(yōu)點(diǎn)是摩擦副材料、形狀、接觸方式、載荷、速度、運(yùn)動(dòng)形式和環(huán)境等易于調(diào)控和重復(fù)，可高效獲取多種因素對(duì)液體潤(rùn)滑狀態(tài)的影響規(guī)律。
[0021]3、本實(shí)用新型從大氣環(huán)境到真空環(huán)境之間氣壓的連續(xù)變化為研究不同環(huán)境壓力下液體潤(rùn)滑狀態(tài)與摩擦副表面/界面物理化學(xué)行為提供了獨(dú)特的試驗(yàn)條件。
[0022]4、本實(shí)用新型可將一種或多種氣體充入真空室并調(diào)控環(huán)境氣壓，便于研究多種氣體及其分壓環(huán)境對(duì)液體潤(rùn)滑摩擦副的潤(rùn)滑狀態(tài)及其表面界面行為的影響規(guī)律。
[0023]5、本實(shí)用新型所采用的光學(xué)干涉法測(cè)試潤(rùn)滑劑厚度及其分布狀態(tài)的測(cè)試方法已經(jīng)廣泛應(yīng)用于大氣條件下的液體潤(rùn)滑理論的研究，將這一成熟的測(cè)試技術(shù)和真空環(huán)境創(chuàng)新集成一體，特別適合研究真空下的彈流潤(rùn)滑理論。
[0024]6、本實(shí)用新型在摩擦工況和潤(rùn)滑劑之間雙向優(yōu)選，一方面可以為特定的液體潤(rùn)滑劑找到合適的使用工況，另一方面能夠優(yōu)選出適合特定工況和環(huán)境的潤(rùn)滑劑種類，為發(fā)展液體潤(rùn)滑技術(shù)提供技術(shù)支持。
【附圖說(shuō)明】
[0025]圖I為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)不意圖。
[0026]圖2為大氣和真空下球-盤(pán)摩擦副液體薄膜的光學(xué)衍射圖像。
[0027]圖3為大氣和真空下摩擦力隨時(shí)間的變化曲線。
[0028]圖4為大氣和真空下膜厚隨時(shí)間的變化曲線。
[0029]分別在大氣環(huán)境（室溫20±1°C，濕度30 土 5%RH )和真空環(huán)境（室溫20±1°C，5X 10-3 Pa )中進(jìn)行了球-盤(pán)滑動(dòng)摩擦試驗(yàn)，上試樣