專利名稱：基于光彈性的彈流潤滑線接觸壓力測量方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及彈流潤滑接觸區(qū)油膜壓力測量技術領域，具體涉及基于光彈性的彈流潤滑線接觸壓力測量方法及裝置。
背景技術：
彈流潤滑通常出現(xiàn)在齒輪接觸副、滾動軸承和凸輪副等接觸中。在此類接觸中，相互摩擦的兩表面的相對運動將潤滑劑帶入接觸區(qū)，由于是點或者線接觸，并且兩表面的剛度均較高，接觸區(qū)的實際接觸面積通常較小，因此接觸應力較大。彈流潤滑線接觸區(qū)摩擦副內(nèi)部及摩擦副間油膜壓力的準確測量是彈流潤滑及摩擦領域的基礎問題。彈流潤滑摩擦副間油膜壓力的準確測量對研究油膜承載原理有著重要的意義。摩擦副表面下的內(nèi)部應力狀態(tài)直接決定了零部件的工作狀態(tài)及壽命，而彈流潤滑壓力油膜的特征是接觸區(qū)內(nèi)部壓力分布梯度極大、彈流潤滑膜厚度為微納米級別、接觸區(qū)典型寬度為300 m,因此彈流油膜壓力測量是彈流潤滑實驗中難度最大的。彈流潤滑理論分析及數(shù)學模型的建立已經(jīng)達到比較完善的水平，彈流接觸區(qū)的油膜壓力也能通過數(shù)值方法進行求解。彈流潤滑接觸區(qū)油膜壓力的測量方法主要有薄膜微壓力傳感器、拉曼顯微鏡和超聲波法、薄膜法、油膜膜厚反算法等，這些方法均存在一定的局限性薄膜微壓力傳感器法由于制作工藝的原因，傳感器的尺寸始終無法做得比較小，因此空間分辨率有限，此外微傳感器的另一個缺點是由于溫度和壓力傳感器互相影響，這種方式的標定比較困難；拉曼顯微鏡法要通過掃描的方式來獲取測量點的散射光譜受壓力的影響，從而計算出壓力的變化，所以拉曼顯微鏡法獲得整個測量區(qū)間的壓力圖需要很長時間，并無法獲得瞬時的壓力曲線；超聲波法測量壓力分布的分辨率受制于超聲傳感器的尺寸和所用聲波的頻率，并不太適合彈流接觸區(qū)的壓力測量；薄膜法目前尚處在靜止接觸的測量階段；油膜膜厚反算法實際是一種間接的壓力測量方法而不是直接的壓力測量法。綜合來說，目前尚沒有很好的測量手段。

發(fā)明內(nèi)容
彈流潤滑膜壓力及摩擦配副的壓力測量是一大難題，目前的彈流接觸區(qū)油膜壓力測量方法均存在著一定的局限性，無法滿足高分辨率、實時測量、能測量微納米區(qū)間壓力的要求。本發(fā)明提出了有著高分辨率、能實時測量彈流接觸區(qū)油膜瞬態(tài)壓力分布和摩擦配副內(nèi)部壓力分布的基于光彈性的彈流潤滑線接觸壓力測量方法及裝置，具體技術方案如下?；诠鈴椥缘膹椓鳚櫥€接觸壓力測量方法，采用透明的光彈性材料來制作形成彈流潤滑的摩擦試樣，在摩擦試樣的一側(cè)用偏振光照射摩擦接觸區(qū)域，在摩擦試樣的另一側(cè)檢偏鏡后朝向光源用顯微鏡放大觀察摩擦接觸區(qū)域，光彈性材料的特性使在偏振光照射的接觸區(qū)摩擦副內(nèi)部出現(xiàn)光彈性條紋，經(jīng)過對條紋進行計算及標定，測量出接觸區(qū)油膜壓力的大小。上述基于光彈性的彈流潤滑線接觸壓力測量方法中，還通過光彈條紋實時顯示摩擦接觸區(qū)油膜壓力的大小變化。
基于光彈性的彈流潤滑線接觸壓力測量裝置，沿光路方向依次包括準直光源、起偏鏡、摩擦接觸區(qū)域、檢偏鏡、體視顯微鏡和成像記錄裝置，成像記錄裝置還與用于根據(jù)光彈性條紋計算摩擦接觸區(qū)壓力的計算機連接，所述摩擦接觸區(qū)域包括上試樣和下試樣，上試樣為由透明光彈性材料制成，下試樣為光彈性材料或金屬材料制成，上試樣的轉(zhuǎn)動由第一電機驅(qū)動，下試樣的轉(zhuǎn)動由第二電機驅(qū)動，上試樣I及第一電機通過支架安裝在縱向滑臺上，滑臺安裝在機架上且能沿機架上下微調(diào)移動；下試樣的下部分位于裝有潤滑油或潤滑脂的滾子盒中，下試樣轉(zhuǎn)動時將所述潤滑油或潤滑脂帶入摩擦接觸區(qū)，因此通過分別控制上試樣和下試樣的轉(zhuǎn)速形成各種彈流潤滑線接觸狀態(tài)。進一步優(yōu)化的，所述起偏鏡與摩擦接觸區(qū)域之間還設有1/4波片，摩擦接觸區(qū)域與檢偏鏡4之間還設有另一 1/4波片，準直光源產(chǎn)生的單色光穿過起偏鏡、1/4波片、上試樣1、所述另一 1/4波片、檢偏鏡、體視顯微鏡到達成像記錄裝置，摩擦接觸區(qū)域處于體視顯微鏡的視場中間，通過調(diào)節(jié)體視顯微鏡的目鏡與摩擦接觸區(qū)域的距離使成像清晰，成像記錄裝置拍攝到放大后的彈流接觸區(qū)及其上的光彈性圖像，光彈性圖像的條紋級次反映了接觸區(qū)油膜壓力和摩擦表面下內(nèi)部應力的變化，通過計算機進行彈流接觸區(qū)的壓力計算和顯
/Jn ο進一步優(yōu)化的，所述的基于光彈性的彈流潤滑線接觸壓力測量裝置還包括加載機構(gòu)，加載機構(gòu)包括加載杠桿，滾子盒安裝在加載杠桿一端且隨加載杠桿上下轉(zhuǎn)動，加載杠桿另一端設有用于調(diào)節(jié)上試樣和下試樣接觸壓力的載荷。進一步優(yōu)化的，所述準直光源、起偏鏡、1/4波片、光彈材料圓盤、另一 1/4波片、檢偏鏡、體視顯微鏡和成像記錄裝置通過支架安裝在X-Y平臺上，X-Y平臺能沿直角坐標軸X-Y方向進行位置的調(diào)節(jié)。進一步優(yōu)化的，所述上試樣為由透明光彈性材料制成的薄圓盤，下試樣為由光彈性材料或金屬材料制成的階梯轉(zhuǎn)軸，下試樣由滾動軸承支承在滾子盒中，下試樣上的最大直徑凸起輪廓浸泡在所述潤滑油或潤滑脂中。進一步優(yōu)化的，所述上試樣I由第一電機通過同步帶驅(qū)動轉(zhuǎn)動，下試樣由第二電機通過同步帶驅(qū)動。進一步優(yōu)化的，上試樣和下試樣作類似軸線平行的兩圓柱接觸的相互對滾動。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點和技術效果彈流潤滑通常出現(xiàn)在齒輪接觸副、滾動軸承和凸輪副等接觸中，特征是接觸區(qū)內(nèi)部壓力分布梯度極大、膜厚度為微納米級別、接觸區(qū)典型寬度為數(shù)百微米，彈流潤滑壓力目前尚無理想的測量手段。本發(fā)明基于光彈性原理，采用透明光彈性材料來制作形成彈流潤滑的摩擦試樣，并用偏振光照射摩擦區(qū)域，在檢偏振片后朝向光源用顯微鏡放大觀察接觸區(qū)，在偏振光照射的接觸區(qū)摩擦副內(nèi)部出現(xiàn)光彈性條紋，經(jīng)過計算及標定，可實時顯示、測量出接觸區(qū)油膜壓力大小，壓力分辨率取決于所用顯微鏡的放大能力及攝像機的分辨率，因此本發(fā)明可以高分辨率、實時測量彈流線接觸區(qū)的壓力分布。


圖1為實施方式中基于光彈性的彈流潤滑線接觸壓力測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖和實例對本法的實施作進一步說明，但本發(fā)明的具體實施和保護范圍不限于此。如圖1，光彈性彈流潤滑線接觸壓力測量裝置由體視顯微鏡5、成像記錄裝置6(如攝像機)、起偏鏡19、檢偏鏡4、1/4波片3、準直光源18、上試樣1、下試樣2、加載機構(gòu)17、縱向滑臺10、X-Y方向滑臺8、臺架9等組成。上試樣I為由透明光彈性材料制成的薄圓盤，下試樣2為由光彈性材料或金屬材料制成的階梯轉(zhuǎn)軸。上試樣I可以由第一電機11通過同步帶驅(qū)動轉(zhuǎn)動，上試樣I及電機11通過支架安裝在縱向滑臺10上，上試樣I及第一電機11可以沿機架9上下微調(diào)位置。下試樣2由第二電機15通過同步帶驅(qū)動。下試樣2由2個滾動軸承支承在滾子盒16中，滾子盒16中盛放有潤滑油或潤滑脂，下試樣2的最大直徑凸起輪廓浸泡在潤滑油或潤滑脂中，下試樣2轉(zhuǎn)動將潤滑油或潤滑脂帶入接觸區(qū)，由于兩試樣是類似兩圓柱軸線平行接觸相互對滾，因此通過分別控制試樣I和2的轉(zhuǎn)速可形成各種彈流潤滑線接觸狀態(tài)。滾子盒16安裝在加載機構(gòu)的加載杠桿一端，可以隨加載杠桿上下轉(zhuǎn)動，加載杠桿另一端的載荷13使下試樣2向上和試樣I接觸并提供不同的接觸壓力。由準直光源18產(chǎn)生的單色光穿過起偏鏡19、1/4波片3(可省略)、光彈材料圓盤(試樣I)、1/4波片3(可省略)、檢偏鏡4、體視顯微鏡5到達成像記錄裝置6。準直光源18、起偏鏡19、1/4波片3 (可省略)、光彈材料圓盤、1/4波片3 (可省略)、檢偏鏡4、體視顯微鏡5和成像記錄裝置6通過支架安裝在X-Y平臺8上，可以沿X-Y方向進行位置的調(diào)節(jié)，可以使接觸區(qū)處于體視顯微鏡的視場中間，并可以精確調(diào)節(jié)體視顯微鏡的目鏡與接觸區(qū)的距離使成像清晰。本方法采用透明的光彈性材料來制作形成彈流潤滑的摩擦試樣，并用偏振光照射摩擦區(qū)域，在檢偏振片后朝向光源用顯微鏡放大觀察接觸區(qū)，光彈性材料的特性使在偏振光照射的接觸區(qū)摩擦副內(nèi)部出現(xiàn)光彈性條紋，經(jīng)過對條紋進行計算及標定，可以測量出接觸區(qū)油膜壓力的大小，光彈性材料可以通過光彈條紋實時顯示壓力的大小變化，彈流接觸區(qū)的壓力分辨率取決于所用顯微鏡的放大能力及攝像機的分辨率，因此可以高分辨率、實時測量彈流接觸區(qū)的壓力分布。安裝在體視顯微鏡5上的成像記錄裝置6可拍攝到放大后的彈流接觸區(qū)及其上的光彈性圖像，光彈圖像的條紋級次反映了接觸區(qū)油膜壓力和摩擦表面下內(nèi)部應力的變化，通過計算機7可進行彈流接觸區(qū)的壓力計算和圖示。計算方法可以采用現(xiàn)有技術中的相移法、彩色域相移法和逐步載荷法等。詳細也可以參考文獻[I]雷振坤，亢一瀾，云大真.實時確定光彈性參數(shù)的積分相移法[J].光學技術，2004, 30(2) : 280-284 ； [2]韓永勝，張東升，崔洋，梁秋生.光彈性應力自動分析[J].上海大學學報(自然科學版)，2009，15 (2)147-152。操作實例首先用光彈材料制作盤型上試樣及光軸型下試樣，并安裝上下試樣。下試樣用滾動軸承支承并浸泡在潤滑油或潤滑脂中，下試樣用電機驅(qū)動。調(diào)整體視顯微鏡5、成像記錄裝置6、起偏鏡19、檢偏鏡4、1/4波片3、準直光源18等鏡片中心點重合并且鏡面平行，開啟準直光源電源。調(diào)整加載機構(gòu)17的載荷13使上下試樣接觸。調(diào)整X-Y平臺
8、縱向滑臺10使試樣接觸區(qū)位于光路中間，并調(diào)整顯微鏡的焦距，使接觸區(qū)的圖像清晰顯示。利用計算機采集并分離光彈圖紋，計算彈流接觸區(qū)壓力。
權利要求
1.基于光彈性的彈流潤滑線接觸壓力測量方法，其特征在于采用透明的光彈性材料來制作形成彈流潤滑的摩擦試樣，在摩擦試樣的一側(cè)用偏振光照射摩擦接觸區(qū)域，在摩擦試樣的另一側(cè)檢偏鏡后朝向光源用顯微鏡放大觀察摩擦接觸區(qū)域，光彈性材料的特性使在偏振光照射的接觸區(qū)摩擦副內(nèi)部出現(xiàn)光彈性條紋，經(jīng)過對條紋進行計算及標定，測量出接觸區(qū)油膜壓力的大小。
2.根據(jù)權利要求1所述基于光彈性的彈流潤滑線接觸壓力測量方法，其特征在于還通過光彈條紋實時顯示摩擦接觸區(qū)油膜壓力的大小變化。
3.基于光彈性的彈流潤滑線接觸壓力測量裝置，其特征在于沿光路方向依次包括準直光源、起偏鏡、摩擦接觸區(qū)域、檢偏鏡、體視顯微鏡和成像記錄裝置，成像記錄裝置還與用于根據(jù)光彈性條紋計算摩擦接觸區(qū)壓力的計算機連接，所述摩擦接觸區(qū)域包括上試樣和下試樣，上試樣為由透明光彈性材料制成，下試樣為光彈性材料或金屬材料制成，上試樣的轉(zhuǎn)動由第一電機驅(qū)動，下試樣的轉(zhuǎn)動由第二電機驅(qū)動，上試樣I及第一電機通過支架安裝在縱向滑臺上，滑臺安裝在機架上且能沿機架上下微調(diào)移動；下試樣的下部分位于裝有潤滑油或潤滑脂的滾子盒中，下試樣轉(zhuǎn)動時將所述潤滑油或潤滑脂帶入摩擦接觸區(qū)，因此通過分別控制上試樣和下試樣的轉(zhuǎn)速形成各種彈流潤滑線接觸狀態(tài)。
4.根據(jù)權利要求3所述的基于光彈性的彈流潤滑線接觸壓力測量裝置，其特征在于起偏鏡與摩擦接觸區(qū)域之間還設有1/4波片，摩擦接觸區(qū)域與檢偏鏡4之間還設有另一 1/4波片，準直光源產(chǎn)生的單色光穿過起偏鏡、1/4波片、上試樣1、所述另一 1/4波片、檢偏鏡、體視顯微鏡到達成像記錄裝置，摩擦接觸區(qū)域處于體視顯微鏡的視場中間，通過調(diào)節(jié)體視顯微鏡的目鏡與摩擦接觸區(qū)域的距離使成像清晰，成像記錄裝置拍攝到放大后的彈流接觸區(qū)及其上的光彈性圖像，光彈性圖像的條紋級次反映了接觸區(qū)油膜壓力和摩擦表面下內(nèi)部應力的變化，通過計算機進行彈流接觸區(qū)的壓力計算和顯示。
5.根據(jù)權利要求3所述的基于光彈性的彈流潤滑線接觸壓力測量裝置，其特征在于還包括加載機構(gòu)，加載機構(gòu)包括加載杠桿，滾子盒安裝在加載杠桿一端且隨加載杠桿上下轉(zhuǎn)動，加載杠桿另一端設有用于調(diào)節(jié)上試樣和下試樣接觸壓力的載荷。
6.根據(jù)權利要求3所述的基于光彈性的彈流潤滑線接觸壓力測量裝置，其特征在于所述準直光源、起偏鏡、1/4波片、光彈材料圓盤、另一 1/4波片、檢偏鏡、體視顯微鏡和成像記錄裝置通過支架安裝在X-Y平臺上，X-Y平臺能沿直角坐標軸X-Y方向進行位置的調(diào)節(jié)。
7.根據(jù)權利要求3 6任一項所述的基于光彈性的彈流潤滑線接觸壓力測量裝置，其特征在于所述上試樣為由透明光彈性材料制成的薄圓盤，下試樣為由光彈性材料或金屬材料制成的階梯轉(zhuǎn)軸，下試樣由滾動軸承支承在滾子盒中，下試樣上的最大直徑凸起輪廓浸泡在所述潤滑油或潤滑脂中。
8.根據(jù)權利要求7所述的基于光彈性的彈流潤滑線接觸壓力測量裝置，其特征在于上試樣I由第一電機通過同步帶驅(qū)動轉(zhuǎn)動，下試樣由第二電機通過同步帶驅(qū)動。
9.根據(jù)權利要求8所述的基于光彈性的彈流潤滑線接觸壓力測量裝置，其特征在于上試樣和下試樣作類似軸線平行的兩圓柱接觸的相互對滾動。
全文摘要
本發(fā)明公開了基于光彈性的彈流潤滑線接觸壓力測量方法及裝置，測量方法采用采用透明光彈性材料來制作形成彈流潤滑的摩擦試樣，并用偏振光照射摩擦區(qū)域，在檢偏振片后朝向光源用顯微鏡放大觀察接觸區(qū)，在偏振光照射的接觸區(qū)摩擦副內(nèi)部出現(xiàn)光彈性條紋，經(jīng)過計算及標定，可實時顯示、測量出接觸區(qū)油膜壓力大小，壓力分辨率取決于所用顯微鏡的放大能力及攝像機的分辨率。測量裝置沿光路方向依次包括準直光源、起偏鏡、摩擦接觸區(qū)域、檢偏鏡、體視顯微鏡和成像記錄裝置。本發(fā)明可以高分辨率、實時測量彈流線接觸區(qū)的壓力分布。
文檔編號G01L11/02GK103063355SQ20121056135
公開日2013年4月24日 申請日期2012年12月21日 優(yōu)先權日2012年12月21日
發(fā)明者何軍, 黃平, 楊倩倩 申請人:華南理工大學