一種階梯軸承界面滑移長度的測量方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種階梯軸承界面滑移長度的測量方法，包括第一步，設定測量工作參數(shù)并進行預調(diào)節(jié)；第二步，測量油膜厚度；第三步，計算滑移速度；第四步，計算滑移長度。本發(fā)明的階梯軸承界面滑移長度的測量方法可靠易行，利用微型滑塊軸承潤滑油膜測量儀測量在微米/亞微米膜厚條件下階梯軸承界面滑移長度，從而為精密機電系統(tǒng)設計中減小摩擦力與表面阻力，降低功耗，提高系統(tǒng)壽命，提供重要的指導性數(shù)據(jù)。
【專利說明】一種階梯軸承界面滑移長度的測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種界面滑移長度的測量方法，具體的說是指一種在微米或亞微米膜厚條件下階梯軸承界面滑移長度的測量方法，屬于面接觸流體潤滑實驗測量【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]經(jīng)典的潤滑理論一般認為液體在固體表面流動時，與固體表面相鄰的流體會以相同的速度隨固體運動，即潤滑油膜與固體表面間無界面滑移存在，稱為“無滑移邊界條件”。隨著微/納米科技及其相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展，人們借助于一些現(xiàn)代測試手段(如原子力顯微鏡(AFM)、表面力儀(SFA)、近場激光速度儀(NFLV)、微顆粒顯影技術(shù)(μ-PIV)等)及分子動力學模擬(MDS)技術(shù)，研究發(fā)現(xiàn)無滑移邊界條件假設在某些情況下不再成立，即:界面滑移在許多情況下都會存在，例如:在精密機械系統(tǒng)中潤滑膜的厚度低至亞微米，產(chǎn)生的高壓、高粘度和高剪切率會造成界面滑移。
[0003]目前，人們通過多種手段證明了微米/亞微米膜厚條件下界面滑移的存在，但是滑移長度的測量是公認的難點。界面科學領(lǐng)域采用間接測量的毛細管技術(shù)、直接測量的TIR-FRAP方法，PIV方法等，但是，這些測量方法得到的數(shù)據(jù)均很難應用于流體動壓油膜界面滑移的分析，如TIR-FRAP法只能獲得相對滑移，表面力儀或原子力顯微鏡測量的膜厚尺度與剪應變率與實際流體動壓油膜相差很大，數(shù)據(jù)外推可能會導致出現(xiàn)錯誤的模型。
[0004]青島理工大學郭峰、栗心明等人通過彈流沖擊及光干涉條紋追蹤技術(shù)成功實現(xiàn)了彈流接觸條件下油膜界面滑移的測量，結(jié)果給出了滑移長度隨剪應變率的非線性變化。但該方法僅可用于彈流油膜的界面滑移測量。對于工程中常見的面接觸階梯軸承件，必須尋找新的測量方法。郭峰等人研制的微型滑塊軸承潤滑油膜測量儀(如圖1所示)，為測量階梯軸承中潤滑油膜的界面滑移長度提供了實驗設備基礎。在實際的工程應用中，測量階梯軸承中潤滑油膜的界面滑移長度，對于精密機電系統(tǒng)設計中如何減小摩擦力，減小表面阻力，降低功耗，提高系統(tǒng)壽命具有重要的指導意義。因此，探索一種簡單易行的在微米/亞微米膜厚條件下階梯軸承界面滑移長度的測量方法是很有必要的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供一種階梯軸承界面滑移長度的測量方法，可靠易行，利用微型滑塊軸承潤滑油膜測量儀測量在微米/亞微米膜厚條件下階梯軸承界面滑移長度，從而為精密機電系統(tǒng)設計中減小摩擦力與表面阻力，降低功耗，提高系統(tǒng)壽命，提供重要的指導性數(shù)據(jù)。
[0006]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是，一種階梯軸承界面滑移長度的測量方法，包括如下步驟:
第一步，設定測量工作參數(shù)并進行預調(diào)節(jié):
在透明圓盤上加入待測量潤滑油，固定階梯滑塊，使階梯滑塊與透明圓盤表面均勻接觸；施加預定載荷并以預定速度旋轉(zhuǎn)透明圓盤，通過觀察接觸區(qū)域內(nèi)的干涉條紋，調(diào)整階梯滑塊與透明圓盤的傾角，使轉(zhuǎn)動過程階梯滑塊表面與透明圓盤表面相互平行，即傾角為零；
第二步，測量油膜厚度:
當透明圓盤的穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)速度達到設定值后，使其停止轉(zhuǎn)動，記錄光強變化并進行處理，獲得階梯滑塊出口區(qū)油膜厚度；
第三步，計算滑移速度:
由如下公式計算得出滑移速度K: 上述公式中:
mS 一滑移速度，\ 一階梯滑塊出口區(qū)油膜厚度，吟一盤速， —階梯1?度，W 一載
荷，L一階梯軸承長度，B 一滑塊總寬， 一潤滑油粘度，一幾何參數(shù)；
第四步，計算滑移長度:
由如下公式計算得出滑移長度δ:
上述公式中:
S—滑移長度，％—滑移速度， 一階梯滑塊出口區(qū)油膜厚度1?一盤速。
[0007]上述的階梯軸承界面滑移長度的測量方法，在第一步設定測量工作參數(shù)并進行預調(diào)節(jié)中，反復調(diào)整階梯滑塊與透明圓盤的傾角，使轉(zhuǎn)動過程中階梯滑塊表面與透明圓盤表面相互平行，是通過如下方式實現(xiàn)的:在加載杠桿上施加預定的載荷，觀察干涉條紋的疏密程度和方向的變化，根據(jù)觀察到的干涉條紋調(diào)整階梯滑塊，使階梯滑塊與透明圓盤平行；旋轉(zhuǎn)透明圓盤，在干涉條紋的疏密程度和方向發(fā)生變化的位置使透明圓盤停止轉(zhuǎn)動；再次調(diào)整階梯滑塊，使干涉條紋的疏密程度和方向恢復到設定狀態(tài)，重復該過程，直到階梯滑塊和透明圓盤平面達到平行。
[0008]上述的階梯軸承界面滑移長度的測量方法，第四步計算滑移長度中，如果計算所得滑移長度& <0時，說明此時盤速 過低，需要調(diào)整后再行測量。
[0009]本發(fā)明具有如下優(yōu)點及有益技術(shù)效果:
本發(fā)明利用微型滑塊軸承潤滑油膜測量儀測量在微米/亞微米膜厚條件下的階梯軸承界面滑移長度，與現(xiàn)有技術(shù)中的方法相比，可靠易行，數(shù)據(jù)獲取方便，實用性強，能夠為精密機電系統(tǒng)設計中減小摩擦力與表面阻力，降低功耗，提高系統(tǒng)壽命，提供重要的指導性數(shù)據(jù)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1為本發(fā)明用到的微型滑塊軸承潤滑油膜測量儀；
圖2為本發(fā)明測試結(jié)構(gòu)原理示意圖；圖3為本發(fā)明所用階梯滑塊結(jié)構(gòu)和潤滑情況圖；
圖4為本發(fā)明階梯滑塊滑移模型示意圖；
圖5為本發(fā)明界面滑移長度計算原理圖；
上述圖中:
101-階梯滑塊，102-微滑塊固定調(diào)整單元，103-載荷W，104-加載杠桿，105-鉻膜，106-透明圓盤，107-顯微干涉測量單元，108-單色光，B 一滑塊總寬，》1?—幾何參數(shù)，K一階梯聞度，Hm一出口潤滑油膜厚度，&一盤速，B*一滑移速度，i一滑移長度?！揪唧w實施方式】
[0011 ] 本實施例的具體實施條件:
環(huán)境溫度20 ± 1 °C，相對濕度50 土 5% ；
透明圓盤為K9玻璃盤，玻璃盤表面加鍍鉻膜與二氧化硅膜(Cr+Si02)，反射率20%，表面粗糙度Ra為4nm ；
階梯滑塊材料選為軸承鋼，工作面尺寸為￡χ?= 18mmX6mm, W3 = OjS ，其工
作面為高反射率的精密研拋表面，表面粗糙度Ra為8-12nm ；
潤滑油為二甲基硅油-200，其動力粘度(20°C )為200mPa.s，折射率為1.4，載荷為4N。
[0012]下面結(jié)合附圖做進一步說明。
[0013]本發(fā)明測量時使用的微型滑塊軸承潤滑油膜測量儀如圖1所示。
[0014]本發(fā)明主要測試結(jié)構(gòu)如圖2所示，由階梯滑塊(101)，微滑塊固定調(diào)整單元(102)，載荷W (103)，加載杠桿(104)，鉻膜(105)，玻璃盤(106)，顯微干涉測量單元(107)，單色光(108)等組成，按測量原理組裝成一體化裝置，在玻璃盤上加入適量待測潤滑油，調(diào)整階梯滑塊固定調(diào)整單元(102)，使階梯滑塊(101)與玻璃盤(106)表面接觸，通過觀察接觸區(qū)內(nèi)干涉條紋，使階梯滑塊(102)與玻璃盤(106)達到基本平行；然后，在加載杠桿(104)上施加預定的載荷W，由于加載，一般會使階梯滑塊(101)與玻璃盤(106)平行破壞，此時觀察干涉條紋的疏密程度和方向的變化，根據(jù)觀察到的干涉條紋，調(diào)整階梯滑塊固定調(diào)整單元(102)，使階梯滑塊(101)與玻璃盤(106)再次達到基本平行；旋轉(zhuǎn)玻璃盤(106)，由于軸承系統(tǒng)產(chǎn)生跳動和旋擺，兩平面間的傾角會產(chǎn)生變化，表現(xiàn)為所觀察到的干涉條紋的疏密程度和方向的變化，在干涉條紋的疏密程度和方向變化的位置使玻璃盤(106)停止轉(zhuǎn)動，再次調(diào)整階梯滑塊調(diào)整單元(102)，使干涉條紋的疏密程度和方向恢復到設定狀態(tài)；重復該過程，直到干涉條紋的疏密程度和方向的變化在誤差范圍以內(nèi)，此時可認為階梯滑塊(101)與玻璃盤(106)表面達到動態(tài)平行；實驗開始，速度達到設定值后，使玻璃盤(106)停止轉(zhuǎn)
動，記錄光強變化并進行處理，獲得階梯滑塊出口區(qū)最小油膜厚度< 然后利用滑移長度
計算模型見圖3，圖4，圖5，計算滑移速度和滑移長度。
[0015]本發(fā)明所用階梯滑塊滑移模型如圖4所示，一般地，階梯軸承中運動下表面(透明圓盤表面)與滑塊入口階梯表面(高膜厚)為強親和表面，無油膜的相對滑動?；瑝K出口區(qū)階梯表面為均勻的弱親和面，會產(chǎn)生油膜界面滑移。可以證明，在流體動壓潤滑狀態(tài)，且忽略
輕載下壓力對滑動影響，則在整個出口區(qū)沿階梯表面中心線，油膜的滑動速度％為一定值，且對應的油膜壓力梯度仍為常數(shù)。
[0016]由階梯軸承的流體潤滑理論可得到滑移發(fā)生時出口區(qū)膜厚hm與滑移速度us的關(guān)系。特別地，對于一維的無限長階梯軸承，可以得到以下解析關(guān)系:
【權(quán)利要求】
1.一種階梯軸承界面滑移長度的測量方法，其特征在于:包括如下步驟: 第一步，設定測量工作參數(shù)并進行預調(diào)節(jié): 在透明圓盤上加入待測量潤滑油，固定階梯滑塊，使階梯滑塊與透明圓盤表面均勻接觸；施加預定載荷并以預定速度旋轉(zhuǎn)透明圓盤，通過觀察接觸區(qū)域內(nèi)的干涉條紋，調(diào)整階梯滑塊與透明圓盤的傾角，使轉(zhuǎn)動過程階梯滑塊表面與透明圓盤表面相互平行，即傾角為零； 第二步，測量油膜厚度: 當透明圓盤的穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)速度達到設定值后，使其停止轉(zhuǎn)動，記錄光強變化并進行處理，獲得階梯滑塊出口區(qū)油膜厚度； 第三步，計算滑移速度: 由如下公式計算得出滑移速度4:
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的階梯軸承界面滑移長度的測量方法，其特征在于:在第一步設定測量工作參數(shù)并進行預調(diào)節(jié)中，反復調(diào)整階梯滑塊與透明圓盤的傾角，使轉(zhuǎn)動過程中階梯滑塊表面與透明圓盤表面相互平行，是通過如下方式實現(xiàn)的:在加載杠桿上施加預定的載荷，觀察干涉條紋的疏密程度和方向的變化，根據(jù)觀察到的干涉條紋調(diào)整階梯滑塊，使階梯滑塊與透明圓盤平行；旋轉(zhuǎn)透明圓盤，在干涉條紋的疏密程度和方向發(fā)生變化的位置使透明圓盤停止轉(zhuǎn)動；再次調(diào)整階梯滑塊，使干涉條紋的疏密程度和方向恢復到設定狀態(tài)，重復該過程，直到階梯滑塊和透明圓盤平面達到平行。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的階梯軸承界面滑移長度的測量方法，其特征在于:在第四步計算滑移長度中，如果計算所得滑移長度&<0時，說明此時盤速過低，需要調(diào)整后再行測量。
【文檔編號】G01N13/00GK103438804SQ201310324896
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2013年7月30日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月30日
【發(fā)明者】郭峰, 白清華, 黃柏林, 楊淑燕 申請人:青島理工大學