本發(fā)明屬于潤滑油粘度測量技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種潤滑油粘度的測量方法，特別是一種微型滑塊面接觸潤滑油粘度的測量方法，基于微型滑塊面接觸試驗臺，通過測量油膜厚度來間接測量潤滑油粘度。

背景技術(shù)：
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潤滑油的粘度是流體動壓潤滑中最重要的物理特性之一，它既是評價油品的重要指標，也是研究潤滑油各種特性時要涉及的重要因素之一。目前，實驗中測量潤滑油粘度的方法有很多，常用的方法有如下四種：

1.毛細管方法

測量原理：根據(jù)Hagen-Poiseuille定律，一定體積的液體在一定壓力梯度下通過給定毛細管所需時間正比于層流液體的粘度，因此，通過測量液體流速和液體流經(jīng)毛細管產(chǎn)生的壓力差即可得出液體粘度；

測量方法：實驗采用的方法是通過測量一定體積的潤滑油流過毛細血管的時間來計算η。流經(jīng)細管的流量Q為從而得其中：V-t內(nèi)流過毛細血管的體積；R-細管的半徑；L-細管的長度；P-細管兩端的壓強差。這就是泊塞勒公式，但它是建立在理想情況下得出的公式，必須進行修正，最后：其中：m-動能修正系數(shù)；n-末端修正系數(shù)，其值在0～1.2之間；ρ-為流體密度。

該方法的優(yōu)點在于毛細管粘度計制造簡單，價格較低，溫度控制簡單，實驗操作方便，測量精度高，能夠進行粘度的絕對測量，因此毛細管法是一種有吸引力的測量方法，但是該方法中的毛細管容易被小顆粒物堵塞，因此對樣品純度要求較高，還由于樣品容易與毛細管發(fā)生反應，因此不適合高溫下使用。

2.旋轉(zhuǎn)法

旋轉(zhuǎn)式粘度計從結(jié)構(gòu)上來劃分主要分為兩種：單圓桶旋轉(zhuǎn)式粘度計和雙圓桶旋轉(zhuǎn)式粘度計，雙圓筒旋轉(zhuǎn)式粘度計有兩個圓筒，它又可以分為內(nèi)筒旋轉(zhuǎn)式和外筒旋轉(zhuǎn)式兩種。

工作原理：單圓筒旋轉(zhuǎn)式粘度計只有一個圓筒，由一臺微型同步電動機帶動上、下兩個圓盤和圓筒一起旋轉(zhuǎn)，由于受到流體的粘滯力作用，圓筒及與圓筒剛性連接的下盤的旋轉(zhuǎn)將會滯后于上盤，從而使得彈性元件產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)，通過測量這個扭轉(zhuǎn)來得到小圓筒所受到的粘性力矩M，再根據(jù)馬克斯公式計算得到流體的粘度：式中：η—液體動力粘度，Pa·s；H—測量小圓筒浸于待測液體中的高度；R_f—小圓筒的半徑；R_a待測液體容器的半徑；M—粘性力矩；Ω—小圓筒旋轉(zhuǎn)角速度。

內(nèi)筒旋轉(zhuǎn)式粘度計測量時，外圓筒是用來盛被測液體的容器，固定不動，內(nèi)圓筒為浸入被測流體中進行旋轉(zhuǎn)的空心圓筒，與外圓筒同軸。驅(qū)動用的微型同步電動機的殼體采用懸掛式安裝，通過轉(zhuǎn)軸帶動內(nèi)圓筒以一定的速率旋轉(zhuǎn)，內(nèi)圓筒在被測流體中旋轉(zhuǎn)時受到了粘滯阻力的作用，產(chǎn)生反作用迫使電機殼體偏轉(zhuǎn)，電機殼體和兩根一正一反安裝的金屬游絲相連，當殼體偏轉(zhuǎn)時，使游絲產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)，當游絲的扭矩與粘滯阻力力矩達到平衡時，與電動機殼體相連接的指針便在刻度盤上指出某一數(shù)值。此數(shù)值與轉(zhuǎn)筒所受的粘滯阻力成正比。因此，將刻度讀數(shù)乘上特定系數(shù)F(即轉(zhuǎn)筒因子)，就表示成粘滯系數(shù)的量值。

外筒旋轉(zhuǎn)式粘度計測量時將內(nèi)、外圓筒都浸入被測流體中，由電動機帶動外圓筒以一定的速率進行旋轉(zhuǎn)，內(nèi)圓筒由于受到兩圓筒之間的被測流體的粘滯力作用而發(fā)生偏轉(zhuǎn)，與內(nèi)圓筒相連的張絲扭轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的恢復力矩與粘滯力矩的方向相反，當張絲的恢復力矩和粘滯力矩達到平衡時，內(nèi)圓筒的偏轉(zhuǎn)角θ大小與引起粘滯力矩的粘滯系數(shù)η成正比。由此推導出粘滯系數(shù)η和偏轉(zhuǎn)角θ的函數(shù)關(guān)系[η＝f(θ)]，即可通過測量內(nèi)圓筒的偏轉(zhuǎn)角θ來計算出粘滯系數(shù)值η。

該方法的優(yōu)點在于單圓筒旋轉(zhuǎn)式粘度計結(jié)構(gòu)簡單，便于安裝，因此適用于流體粘度的在線測量，同時單圓筒旋轉(zhuǎn)式粘度計具有較高的測量精度，較快的響應速度，較低的生產(chǎn)成本，是一種比較理想的在線粘度計，便于在生產(chǎn)過程中對產(chǎn)品粘度進行隨時監(jiān)測及控制。內(nèi)筒旋轉(zhuǎn)式粘度計是最普通的一種旋轉(zhuǎn)式粘度計，從它的結(jié)構(gòu)以及運轉(zhuǎn)方式來看，它主要用于流體粘度的離線式測量，如在實驗室中測量采樣流體的粘度值，而外筒旋轉(zhuǎn)式粘度計同單圓簡旋轉(zhuǎn)式粘度計一樣，直接讀數(shù)手動計算很麻煩。

3.振動法測量

振動法測量方式較多，有扭轉(zhuǎn)振動式，振動片式等，常用的為扭轉(zhuǎn)振動式測量,包括衰減振動式和強制振動式。

測量原理：衰減振動式基于浸于潤滑油中作扭轉(zhuǎn)振動的物體由于受到潤滑油施加的粘性力，其扭轉(zhuǎn)振幅會衰減,測量出振幅衰減情況和衰減周期，即可通過相應公式計算出液體粘度；強制振動式的測量原理是由外界補充振動物體由于粘性所損耗的能量，使振動物體維持恒定振動頻率和振幅，由所補充的能量和潤滑油粘度之間的關(guān)系計算粘度值。

該方法的優(yōu)點在于振動法常用于低粘度液體的粘度測量，因此該方法主要適用于多數(shù)熔體粘度測量，振動法的優(yōu)點在于振動周期和衰減測量方便、樣品用量少、控溫方便，但是沒有公認的理想粘度計算公式。

4.落球法

測量原理：球體或柱體在被測液體中下落，通過測量落體通過兩定點所用的時間來測定粘度，也可以讓球體滾動通過傾斜的平面。

該方法的優(yōu)點在于落球法原則上可以測定絕對粘度，由于不同的液體的粘性系數(shù)相差很大，同一種液體隨著溫度的不同粘性系數(shù)的變化有的也很大，所以還要考慮小球的直徑與容積的尺度之比要滿足實驗的要求，因此，符合實驗條件的小球直徑范圍也將變化。由于采用手控停表計時和由于人的視覺暫留效應的影響，小球下落的速度要盡可能的慢。采用相同原理的粘度計有滾動落球粘度計，圓柱落下粘度計和落體式連續(xù)粘度計等。

因此，設計制備一種微型滑塊面接觸潤滑油粘度的測量方法，該方法以青島理工大學設計研發(fā)的微型滑塊軸承潤滑油膜測量儀及其滑塊調(diào)節(jié)方法(專利號為ZL200810249672.0)中的實驗設備為基礎(chǔ)，能夠設定并且調(diào)節(jié)微滑塊工作平面與透明光學圓盤之間傾角α，這為面接觸潤滑油粘度測量方法提供了實驗硬件基礎(chǔ)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
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本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點，尋求設計提供一種微型滑塊面接觸潤滑油粘度的測量新方法，在一定載荷下以靜止的微型滑塊平面和旋轉(zhuǎn)的光學透明圓盤平面形成低壓流體動壓潤滑油膜，利用光干涉技術(shù)對潤滑油膜的厚度進行測量，根據(jù)流體動壓潤滑理論，潤滑油粘度越高，油膜厚度越大，通過測量部分潤滑油的油膜厚度，找出膜厚與粘度之間的函數(shù)關(guān)系，進而間接得出任意膜厚下潤滑油的粘度。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所述的微型滑塊面接觸潤滑油粘度的測量方法是在微型滑塊軸承潤滑油膜測量儀中完成，其主體結(jié)構(gòu)包括：滑塊固定單元、玻璃盤回轉(zhuǎn)單元、光干涉系統(tǒng)、加載裝置和機架底盤；滑塊固定單元的主要部件包括微型滑塊，玻璃盤回轉(zhuǎn)單元的主要部件包括玻璃盤，光干涉系統(tǒng)的主要部件為同軸照明設備和位于玻璃盤下部的顯微鏡，加載裝置的主要部件為加載杠桿和調(diào)節(jié)螺釘；面接觸潤滑副由光學透明玻璃圓盤和微型滑塊組成，將滑塊固定在玻璃盤的上方，滑塊作為潤滑副的上表面，工作面高精度反光處理，玻璃盤為下表面，其中玻璃盤旋轉(zhuǎn)，滑塊靜止，能夠通過傾角調(diào)節(jié)裝置改變滑塊與玻璃盤表面間的傾斜角度，光干涉條紋的數(shù)量和條紋的傾斜角度可以反映出微型滑塊和玻璃盤之間的傾斜角度，通過調(diào)節(jié)不同位置的調(diào)節(jié)螺桿，改變干涉條紋的數(shù)量和傾斜角度，進而達到改變傾角大小和方向的目的，并在玻璃盤的轉(zhuǎn)動過程中保持該傾角的大小和方向不發(fā)生變化，從而保證實驗的穩(wěn)定性；由加載裝置對兩平面施加載荷，當玻璃盤以一定的角速度旋轉(zhuǎn)時，將潤滑油卷吸入兩平面間形成潤滑油膜，油膜厚度由玻璃盤下方的光干涉測量系統(tǒng)測得，該系統(tǒng)利用多光束干涉法進行油膜厚度的計算，實驗過程中紅光平行入射到微型滑塊、潤滑油和透明玻璃盤組成的多層界面系統(tǒng)，經(jīng)過多次投射和反射，相干光束形成接觸區(qū)對應的明暗相間的干涉條紋，通過干涉條紋強度和極次推斷接觸區(qū)油膜厚度情況。具體測量方法按如下步驟進行：

(1)、試樣的清洗：

在試驗開始之前對微型滑塊(L-長，B-寬)和玻璃圓盤進行清洗，用以防止細微顆粒的吸附導致潤滑油油膜厚度測量的不準確，具體工藝步驟為先將微型滑塊和玻璃盤用洗手液去除表面的油污等雜質(zhì)，在油污不易去除的特殊情況下，則采用丙酮、石油醚或其他強有機溶劑進行清洗；然后將清洗后的微型滑塊和玻璃盤放入無水乙醇中超聲清洗3-5分鐘，最后用高壓氮氣或壓縮空氣將清洗后的微型滑塊和玻璃盤吹干；

(2)、安裝微型滑塊，安裝與調(diào)平玻璃盤：

先將微型滑塊安裝在微型滑塊軸承潤滑油膜測量儀上，再安裝玻璃盤，安裝玻璃盤時依次旋轉(zhuǎn)其表面8顆定位螺釘至輕微旋緊，在安裝時應防止玻璃盤的磕傷并避免玻璃盤表面被污染，由微型滑塊和玻璃盤組成面接觸副，在玻璃盤上添加待測潤滑油，確定待測潤滑油的動力粘度η及折射率n，其中潤滑油的動力粘度η由粘度計測量獲得，待測潤滑油的折射率n由阿貝折射儀確定；然后，使用千分表對玻璃盤進行調(diào)平，使其端面跳動在3μm以內(nèi)；

(3)、固定接觸副傾角α為恒定值：

波長為λ的紅光經(jīng)同軸照明設備輸入顯微鏡照射在微型滑塊和玻璃盤形成的楔形間隙上形成干涉圖像，通過調(diào)節(jié)8顆調(diào)節(jié)螺釘確定干涉圖像條紋的數(shù)目N，由傾角計算公式確定此時微型滑塊和玻璃盤之間的傾斜角度α；對壓環(huán)上的8顆定位螺釘進行微調(diào)，來控制傾角的動態(tài)平衡，使得回轉(zhuǎn)過程中傾角不發(fā)生變化，其中α為微型滑塊傾角，rad；λ為光源的波長，m；N為條紋數(shù)；n為潤滑介質(zhì)的折射率；B為微型滑塊寬度，m；

(4)、載荷的平衡和施加：

通過調(diào)節(jié)彈簧可平衡整個加載的自重，一般地，認為當干涉圖像若有若無時即完成了自重的平衡，然后施加實驗要求的載荷w，實驗過程中施加的載荷固定不變；

(5)、繪制出口處潤滑油粘度η隨油膜厚度h變化的曲線圖：

上述步驟(3)中形成的干涉圖像通過顯微鏡放大投射到CCD(圖像控制器)上，經(jīng)CCD和圖像采集卡的處理在電腦屏幕上顯示出放大干涉圖像；將放大干涉圖像處理轉(zhuǎn)換成光強曲線，由光強曲線得出干涉級次，利用干涉級次與潤滑油膜厚度之間的關(guān)系計算出口處潤滑油油膜厚度h；在接觸副的夾角α＝α₁，速度u_d＝u₁，載荷w＝w₁的條件下，測量已知粘度的幾種潤滑油的油膜厚度，然后將所測潤滑油的粘度和油膜厚度的數(shù)據(jù)點用origin或其他函數(shù)繪圖軟件繪制出粘度η隨油膜厚度h的變化曲線圖，然后得出擬合曲線，最后根據(jù)上述已知數(shù)據(jù)關(guān)系推算得到粘度的計算公式：

η₀＝10^χ

χ＝2.15062·logh+1.71367。

進一步的，所述玻璃盤為K9玻璃盤，玻璃盤在工作表面一側(cè)鍍有鉻膜和二氧化硅膜(Cr+SiO₂)，用以獲得清晰的干涉條紋，同時將反射率控制在18-22％左右，以保證干涉條紋對比度，表面粗糙度R_a為4nm。

進一步的，所用微型滑塊的尺寸為4×4mm，微型滑塊的工作表面為高反射率的精密研拋表面，表面粗糙度為R_a＝8～10nm，試驗在受控的環(huán)境中進行，溫度控制在20±0.5℃，濕度控制在30±5％。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，利用控制單一變量的方法，固定玻璃盤旋轉(zhuǎn)速度u_d，滑塊傾角α，施加的載荷w，測量出已知粘度的幾種潤滑油的油膜厚度，根據(jù)流體動壓潤滑理論，粘度越高，油膜厚度越大，找出膜厚與粘度之間的函數(shù)關(guān)系，如此實現(xiàn)了只要在能夠測量的范圍內(nèi)，就可以根據(jù)所得公式得知任意膜厚下的潤滑油粘度。該方法在測量油膜厚度的同時，能夠間接得出潤滑油的粘度，無需使用粘度計再測量潤滑油粘度，節(jié)省了工作量和時間，為指導潤滑油的研究提供了方便，其原理簡單可靠，操作方便，測量準確度高，能夠適用于不同類型的潤滑油粘度的測量，應用環(huán)境友好，市場前景廣闊。

附圖說明：

圖1為本發(fā)明涉及的所用實驗裝置的主體原理示意圖。

圖2為本發(fā)明涉及的固定玻璃盤旋轉(zhuǎn)速度u_d，滑塊傾角α，施加的載荷w條件下，潤滑油粘度隨出口處油膜厚度h的變化曲線圖。

具體實施方式:

下面通過實施例并結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步說明。

實施例：

本實施例在微型滑塊軸承潤滑油膜測量儀中完成，其主體結(jié)構(gòu)包括微型滑塊1、玻璃盤2、加載杠桿3、調(diào)節(jié)螺釘4、分束器5、載荷6、入口和7、出口8；玻璃盤2用于與微型滑塊1接觸形成面接觸副，調(diào)節(jié)8顆調(diào)節(jié)螺釘4與壓環(huán)上的8顆定位螺釘來控制傾角的動態(tài)平衡，使得回轉(zhuǎn)過程中傾角不發(fā)生變化，加載杠桿3為微型滑塊軸承潤滑油膜測量試驗臺中加載單元的一部分，用于潤滑工作表面載荷的施加，通過調(diào)節(jié)彈簧平衡整個加載的自重。本實施例中微型滑塊的尺寸為4×4mm、所施加的載荷w＝4N，條紋數(shù)控制在10個條紋，速度取u_d＝15.39mm/s，待測潤滑油的動力粘度η及折射率n實驗前已提前確定。測量所用潤滑油特性見表1，通過實驗確定不同油膜厚度下的潤滑油粘度；具體測量方法按如下步驟進行：

(1)、試樣的清洗：

在試驗開始之前對微型滑塊1和玻璃盤2進行清洗，用以防止細微顆粒的吸附導致潤滑油油膜厚度測量的不準確，具體工藝步驟為先將滑塊1和玻璃盤2用洗手液去除表面的油污等雜質(zhì)，在油污不易去除的特殊情況下，則采用丙酮、石油醚或其他強有機溶劑進行清洗；然后將清洗后的微型滑塊1和玻璃盤2放入無水乙醇中超聲清洗3-5分鐘，最后用高壓氮氣或壓縮空氣將清洗后的微型滑塊1和玻璃盤2吹干；

(2)安裝微型滑塊，安裝與調(diào)平玻璃盤：

先將微型滑塊1安裝在微型滑塊1軸承潤滑油膜測量儀上，再安裝玻璃盤2，安裝玻璃盤2時依次旋轉(zhuǎn)其表面8顆定位螺釘至輕微旋緊，在安裝時應防止玻璃盤2的磕傷并避免玻璃盤2表面被污染。由微型滑塊1和玻璃盤2組成面接觸副，在玻璃盤2上添加待測潤滑油，待測潤滑油的動力粘度及折射率n如下表1，動力粘度η由粘度計測量獲得，折射率n由阿貝折射儀測得；然后，使用千分表對玻璃盤2進行調(diào)平，使其端面跳動在3μm以內(nèi)；

(3)、固定接觸副傾角α為恒定值：

波長為λ＝650nm的紅光經(jīng)玻璃盤2下部的同軸照明設備輸入顯微鏡照射在微型滑塊1和玻璃盤2形成的楔形間隙上形成干涉圖像；通過調(diào)節(jié)8顆調(diào)節(jié)螺釘將干涉條紋的數(shù)目N保持在10條，由傾角計算公式確定此時接觸副的夾角α＝1:1781，其中折射率n取1.447；對壓環(huán)上的8顆定位螺釘進行微調(diào)，來控制傾角的動態(tài)平衡，使得回轉(zhuǎn)過程中傾角不發(fā)生變化；

(4)、載荷的平衡和施加：

通過加載單元中的加載杠桿3和調(diào)節(jié)彈簧平衡掉整個加載的自重，當干涉條紋若有若無時即完成了自重的平衡，然后施加載荷w＝4N，實驗過程中施加的載荷6固定不變；

(5)、繪制潤滑油粘度η隨出口處油膜厚度h的變化曲線圖：

上述步驟(3)中形成的干涉圖像通過顯微鏡放大投射到CCD(圖像控制器)上，經(jīng)CCD和圖像采集卡的處理在電腦屏幕上顯示出放大干涉圖像；將放大干涉圖像處理轉(zhuǎn)換成光強曲線，由光強曲線得出干涉級次，利用干涉級次與潤滑油膜厚度之間的關(guān)系計算出口處潤滑油膜厚度h；

在接觸副的夾角α＝1:1781，速度u_d＝15.39mm/s，載荷w＝4N的條件下，測得已知粘度的幾種潤滑油的油膜厚度，其具體數(shù)值如下1所示：

表1M系列潤滑油特性(22℃)

將上述表1的實驗數(shù)據(jù)M1、M2、M3、M4、M6潤滑油的5對數(shù)據(jù)點用origin或其他函數(shù)繪圖軟件繪制出粘度η隨油膜厚度h的變化曲線圖，然后得出擬合曲線，如圖2所示，由此得到粘度的計算公式(1)：

η₀＝10^χ

χ＝2.15062·logh+1.71367 (1)

將M5潤滑油的膜厚帶入擬合函數(shù)，η＝151.645mPa·s，與實際測量值誤差為3％，誤差在允許范圍內(nèi)。

為了驗證擬合函數(shù)的可靠性，測得了P系列潤滑油的特性，如表2所示，利用所得公式(1)計算出了理論粘度η₀，經(jīng)驗證實測粘度與理論粘度之間誤差很小，在允許的范圍內(nèi)，證明了利用擬合函數(shù)計算任意膜厚下對應的粘度的可靠性。

表2 P系列潤滑油的特性(22℃)

針對測得的曲線可以利用插值法獲得任意值，如圖2所示，理論膜厚-粘度曲線與實驗膜厚-粘度曲線在趨勢上有很好的一致性，誤差在4％以內(nèi)，由此我們可以得出，通過測量潤滑油的膜厚間接得出潤滑油粘度的這種方法具有可行性。

以上所述，僅是對本發(fā)明的實施例而已，并非是對本發(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)實質(zhì)對以上實施例所做的任何簡單修改、等同變化與改型，仍屬于本發(fā)明的保護范圍。