（机械设计及理论专业论文）大滑滚比下弹性流体动力润滑中的界面滑移效应.pdf

摘要 本课题实验研究了在大滑动条件下界面滑移对弹性流体动力润滑的影响。 设计了一台全新的光学弹流实验台，与现有的实验台相比有更大的刚度与运 行稳定性，并增加了摩擦力特性测量功能。 依据多光束干涉原理，对弹流润滑的光学系统进行了更加深入的分析。研究 了入射光、不同光学材料、半反半透膜材料对干涉图像的影响。分析了弹流润滑 的光学系统的光谱特性。得到的结论为光学弹流实验系统的进一步改进提供了理 论依据。 采用高粘度润滑油，考察润滑状态从弹流润滑到动压润滑的转化过程，证实 在两种润滑状态之间存在一个过渡区。过渡区内膜厚不再随着卷吸速度或载荷呈 现线形关系变化。在动压润滑区域，粘压效应的影响通过速度指数和载荷指数确 定。实验显示滑动对过渡区有明显的影响。 实验研究了弹流油膜中入口凹陷和下游凸起出现的参数范围，结果证明其受 速度、载荷、滑滚比影响较大。实验证明界面滑移是产生入口凹陷和下游凸起的 主要原因。同时发现，界面滑移造成油膜厚度变薄。界面滑移越严重，油膜越薄。 在纯滑动条件下，测量得到了摩擦系数随速度变化的s t r i b e c k 曲线，发现其与 经典的s t r i b e c k 曲线存在偏差。作者认为该偏差是由界面滑移造成的。同时考察了 乏油对摩擦系数的影响，证实乏油状态下，摩擦系数将大幅度增加。 关键词弹性流体动力润滑；光干涉油膜测量；界面滑移；摩擦系数；s t r i b e c k 曲 线：动压润滑；多光束干涉法 a b s t r a c t an o v e lo p t i c a le l a s t o h y d r o d y n a m i cl u b r i c a t i o ne x p e r i m e n tr i gw e r ed e s i g n e da n d m a n u f a c t u r e d t h er i gm a d eag r e a tp r o g r e s sc o m p a r i n gt ot h ef i r s tr i go f t h el a b o r a t o r y , am o r ea c c u r a t em t $ 1 h - i n gr e s u l ta n daw i d e rm e a s u r i n gr a n g ea r eo b t a i n e d o p t i c a lc h 卸m d 捌曙o fd i f f e r e n tk i n d so fe h ls y s t e m 、) i r e r ea n a l y z e db a s e do n m u l t i b e a mi n t e n s i t yt h e o r yb yc o m p i l i n gf o r t r a np r o g r a m m e s t h ei m p a c to f d i f f e r e n ti n c i d e n tb e a m w a v e l e n t h , d i f f e r e n t l u b r i c a t i o nm e d i aa n dd i f f e r e n t s e m i - r e f r a c t i v el a y e ro ft h e s y s t e m sw e r ed i s c u s s e d a l s o ，t h er e l a t i o nb e t w e e n s e m i - r e f r a c t i v el a y e rt h i c k n e s s ，s p a t i a ll a y e ra n dm e a s u r i n gr e s u l tw a si n v e s t i g a t e d t h e r e s u l to b t a i n e df r o mt h e c a l c u l a t i o n sc a l lb ea p p l i e di nd e s i g n i n go fo p t i c a le h l s y s t e m s a p p l y i n gh i g hv i s c o s i t yl u b r i c a n t s ，t h et r a n s i t i o nb e t w e e ne l a s t o h y d r o d y n a m i c l u b r i c a t i o n ( e h l ) a n dh y d r o d y n a m i cl u b r i c a t i o no i l ) w a ss t u d i e di nt h eo p t i c a le h l r i g at r a n s i t i o nr e g i o nb e t w e e nt h e m w a sc l e a r l yd i s c l o s e d , a n di nt h i sr e g i o nt h ef i l m t h i c k n e s sn ol o n g e rb e a r sal i n e a rr e l a t i o n s h i pt ot h ee n t r a i n m e n ts p e e d ( o rl o a d ) i ti s s h o w nt h a ti nt h eh lr e g i o nt h ep i e z o v i s c o u se f f e c tw a sd i s t i n g u i s h e db yt h es p e e d e x p o n e n to rt h el o a de x p o n e n t f u r t h e r m o r e ，i ti sr e v e l e dt h a ts l i d i n gs i g n i f i c a n t l y i n f l u e n c eo nt h et r a n s i t i o nr e g i o n a l s oi no p t i c a le h l r i g ，u n d e rt h ec o n d i t i o no fs l i d e - r o l lr a t i o sl a r g e rt h a n2 0 ，t h e e x i s t e n c er a n g e so fi n l e td i m p l ea n dc e n t e rh u m pi n s p e a 。dv s 1 0 a da n ds p dv s s l i d i n g - r o l lr a t i o ss c a l e sw a r ei n v e s t i g a t e d t h ee x p c r i m e mr e s u l t sr e v e a lt h a tw a l l s l i p p a g ew a st h em a i nm e c h a n i s mo fi n l e td i m p l ea n dc e n t e rh u m p t h ef i l mt h i c k n e s s o ft h ec o n t a c tb e c a m et h i n e rb e c a u s eo fw a l ls l i p p a g e ，a n dm o r es e r i o u sw a l ls l i p p a g e o c c u r s ，t h em o r et h i n e rf i l mt h i c k n e s si s aw a v eo c c u r e di ns t r i b e c kc u r v e si nf r i c t i o nc o e f f i c i e n tv s s p e e ds c a l e sw h e n l u b r i c a t i o nt r a n s i tf r o me h lt oh lu s i n gh i g l lv i s c o s i t yl u b r i c a n t s i ti sb e l i e v e dt h a t - w a l ls l i p p a g ei st h em a i nr e a s o nc a u s et h ep h e n o m e n a t h ei m p a c to fs t a r v a t i o nw e r e a l s oi n v e s t i g a t e d , t h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n ti n c r e a s e sg r e a t l yi nt h ec o n d i t i o no f s t a r v a t i o n k e yw o r d s ：e l a s t o h y d r o d y n a m i cl u b r i c a t i o n , i n t e r f e r o m e t r y f o rf i l mt h i c k n e s s m e a s u r e m e n t , w a l ls l i p p a g e , f r i c t i o nc o e f f i c i e n t , s t r i b e c kc u r v e , h y d r o d y n a m i c l u b r i c a t i o n , m u l t i p l e - b e a mi n t e r f e r o m e t r y 1 6 一 七一 d 一 毛一 f e q c h 。一 j k 加一 矗一 。一 _ i l 曲一 i 一 ，一 i k i r 疗一 一 物理量名称及符号表 h e r t z 接触半径，m 椭圆滚子参数 沿卷吸中心线气穴发生点与接触中心的距离，m 介质q 的厚度，m 综合弹性模量为，p a 光波在介质口中的电向量 对比度 油膜厚度，m 中心油膜厚度，n l n 最小油膜厚度，n l n 无量纲膜厚，i - - - - h r x b 2 无量纲中心油膜厚度，石。：h c e nr i b 2 无量纲最小油膜厚度，_ m i 。= r i b 2 减速比 干涉光强度，w m 2 相对光干涉强度 光强最大值 光强最小值 光的折射率：电机转速，r m i n 介质g 的实折射率 n q 一介质q 的复折射率，瓦= 一屯 p p p a 一 ，一 一 r a r r 口一 s i i i 1 , 1 2 u b l i d l e 一 矾，砺一 u 巩一 v w 一 w x py z x y z 一 油膜压力，p a 无量纲压力，p = p p h 最大h e r t z 压力，p a 半径，m ；菲涅尔反射系数 介质g 和矿1 分界面上的菲涅耳反射系数 表面粗糙度，i n 有效菲涅尔反射系数 介质g 和q + 1 分界面上的当量菲涅耳反射系数 滑滚比，s = ( u j - u 2 ) u e 固体1 、2 沿x 方向的速度，m s 钢球线速度，蝴= 1 4 2 ，m s 玻璃盘线速度，枷= 加，m s 卷吸速度，= ( “l + u 2 ) 2 ，m s 固体1 、2 沿x 方向的无量纲速度，矾= 1 4 1 u o ，u 2 = u 2 u o 无量纲卷吸速度，u o = u ：l o ( e r ) 线速度，m s 载荷，n 无量纲压力，矿= ( e 傻2 ) 坐标，m 无量纲坐标，x = x b 无量纲坐标，】，= 妒 无量纲坐标，z = z h 币一 口 9 一 ，一 万一 玎一 玎一 r o 。 ，7 d 一 九一 缸一 k a 一 声一 f 一 吒一 p p p o 砚t 晚，a 一 f 一 初相位 粘压系数，m 2 m 亮干涉级次 剪应变率，l ，s 暗干涉级次 润滑油粘度，p a u s 无量纲低剪切率粘度，万= r l r o 润滑油的环境粘度，p a u s 等效粘度，r 。= f 户 波长，m l 油膜厚度和粗糙度峰值的比率 相长干涉点对应的波长 相消干涉点对应的波长 最小油膜厚度和算术表面粗糙度的比值 压剪应力系数；摩擦系数 摩擦系数 粗糙峰标准偏差 润滑油密度，k g m 3 润滑油无量纲密度，万= p l p o 润滑油环境密度，k g m 3 主应力，p 8 剪应力，p a f 一无量纲剪应力，f = p 日 气一极限剪应力，p a 吼一反射率 说明：本表所列为文中出现次数较多的符号，出现次数较少并在正文中已作说明 的符号未列入其中。 青岛理工大学工学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 摩擦学是研究相对运动的相互作用表面间的摩擦、润滑和磨损，以及三者间 相互关系的理论与应用的- - f 边缘学科【l 】。它是研究摩擦和磨损过程中两个相对运 动的表面之间相互作用、变化及其有关理论与实践的学科体系。 在自然界中，摩擦是最普遍的现象之一，无处不在。世界上使用的能源大约 有1 3 1 2 消耗于摩擦。如果能够尽力减少无用的摩擦消耗，则可以大量节省能源。 而且，机械产品的易损零件大部分是由于磨损超过限度而报废和更换的，如果能 控制和减少磨损，则既减少设备维修次数和费用，又能节省制造零件及其所需材 料的费用。在当今世界范围内的能源紧张，原材料匮乏的状况下，加强对摩擦学 的研究更加具有重要而现实的意义。 早在史前人类对摩擦现象就已经有所认识，并能用来为自己服务，如上古时 代人类的钻木取火等。但长久以来摩擦学的研究进展缓慢，直到1 5 世纪，意大利 的列奥纳多达芬奇才开始把摩擦学引入理论研究的范畴。大约在1 7 8 5 年，法国库 仑继前人的研究，用机械啮合概念解释干摩擦，提出摩擦理论。后来又有人提出 分子吸引理论和静电力学理论。1 9 3 5 年，英国的鲍登等人开始用材料粘着概念研 究干摩擦，1 9 5 0 年，鲍登提出了粘着理论i l l 。关于润滑的研究，英国的雷诺于1 8 8 6 年继前人观察到的流体动压现象，总结出流体动力润滑理论【2 】。2 0 世纪5 0 年代普 遍应用电子计算机之后，线接触弹性流体动力润滑的理论开始有所突破。1 9 6 6 年， j o s t 报告嘲的发表标志着摩擦学作为- - f 独立学科的形成。到今天，世界范围内从 事摩擦学研究的科学家为数众多，在理论研究和实验研究方面都取得大量的研究 成果。 润滑是摩擦学的三个组成部分之一，是一门交叉科学，通过对润滑机理的研 究，找出运动参数( 如卷吸速度等) 、物理参数( 如润滑剂粘度、密度，极限剪应力 1 青岛理工大学工学硕士学位论文 等) 、接触表面几何与化学特性、接触区温度分布及润滑剂的化学特性等对润滑的 影响，对于减小有害摩擦、降低磨损、提高机械零件的使用寿命、提高生产率具 有重大的实践意义。按照机理不同，润滑可分为流体动力润滑、流体静压润滑、 弹性流体动力润滑、边界润滑和固体润滑五种基本类型【4 】。各种润滑形式在自然界 和工程上都普遍存在。 弹性流体动力润滑( e l a s t o h y d r o d y n a m i cl u b r i c a t i o n ，缩写为e h l ) ，简称弹流 润滑，它主要研究点、线接触中弹性表面间的流体动力润滑问题。弹流润滑的研 究开始于二十世纪四十年代末期，e r t e l 和rpy6hh 首次将r e y n o l d s 方程与 h e r t z 接触理论相结合，在考虑表面弹性变形和润滑剂粘压效应的前提下，相继获 得了线接触问题的弹流润滑近似解。此后，弹流润滑研究迅速发展。至今，综合 考虑热效应、表面形貌效应、时变效应、润滑剂流变特性等因素的现代弹流润滑 理论基本形成，并在进一步完善的基础上向着更接近实际工况的方向发展。 1 2 非经典弹性流体动力润滑研究现状及水平 ( a ) 压力和膜厚沿中心卷吸方向的变化( b ) 干涉图像 图1 1 弹流油膜的经典特征1 6 1 二十世纪五十到六十年代，d o w s o n 等5 1 针对线接触的情况，进行数值分析获 得弹流油膜的经典特征扁平接触区，出口颈缩和二次压力峰，如图1 1 ( a ) 所示。 2 青岛理工大学工学预士学位论文 稍后c r o o k 的电容法实验证明了d o w s o n 等理论分析的正确性。2 0 世纪6 0 年代， c a m e r o n 等【7 8 】首次利用光干涉技术成功观测到典型的点接触弹流油膜的经典马蹄 形特征，如图1 - l ( b ) 所示，从而再次证明了数值分析的真实性。 ( a ) c h i u 和s i b e l y 盘纯滑下的凹陷干涉图像( b ) k a n e t a 盘纯滑下的凹陷干涉图像 图l - 2 实验发现的带有凹陷的油膜f 6 j 虽然经典的弹流理论获得了充分的发展，并被学术界和工程界所认可，但是 仍然不断有理论和实验的研究结果发表，对经典理论中弹流油膜特征的唯一性提 出了置疑。1 9 7 2 年，c h i u 和s i b l e y 【9 】用粘性聚丁烯润滑油在光学弹流测量仪上进 行了超低卷吸速度试验，发现纯滚动条件形成经典的马蹄形油膜，而玻璃盘纯滑 动则形成接触区凹陷的油膜，如l - 2 ( a ) 所示。2 0 世纪9 0 年代以后k a n c t a 等【l o 】 完成了类似的实验，且都得到了凹陷，如图1 - 2 ( b ) 所示，但其选用了粘度较低的润 滑油和中等滑动速度。c h i u 和s i b l e y 用法向应力对油膜凹陷进行了定性解释，而 k a n e t a 等最初认为是挤压效应的作用，后来又认为是由于润滑油固化和壁面滑移 效应，但他们都没有具体的数值结果加以证实。其后，l 0 r d 【1 3 1 、e h r e t 和b a u g e t 1 4 l 也进一步实验证实了这种凹陷。近几年，杨沛然掣”l 同时考虑粘度沿膜厚方向变 化的r e y n o l d s 方程和能量方程，得到了反向滑动零卷吸条件下点接触热弹流问题 的数值解，其理论结果与实验干涉图像的良好吻合( 图1 3 ) ，这表明热粘度楔是形 成凹陷的主要机理。值得注意的是，早期的讨论认为c h i u 和s i b l e y 的实验与k a n e t a 等的实验来源于同一机理【1 0 , 1 5 , 1 6 , 。但若对两个实验中的粘性发热进行比较，不难 发现在c h i u 和s i b l e y 的实验中，油膜的剪切发热量仅为k a n e t a 等人实验的约1 ， 3 青岛理工大学工学硕士学位论文 很难产生有效的热粘度楔。因此c h i u 和s i b l e y 的实验中的反常油膜应当另找原因。 ( a ) k a n e t a 的实验结果 ( b ) y a n g 的数值分析结果 图1 3 杨沛然( y 抽g ) 等的数值解与k a n c t a 等的实验结果之比较1 2 】 4 青岛理工大学工学硕士学位论文 图l - 4 基于c i r c u l a r 极限剪应力流变模型的弹流数值解( 6 】 c e n t r a le n t r a i n m e n td i r e c t i o nx ，圳m 图l - 5 带有入口凹陷的弹流油膜例 在2 0 世纪9 0 年代早期，弹流数值分析中也出现了一类反常的带有入口凹陷 的油膜形状。这种入口凹陷的出现是由于在数学模型中考虑了润滑油的极限剪应 力和界面滑移效应。1 9 9 0 1 9 9 2 年，h a m r o c k 的研究小组利用提出的c i r c u l a r 极限 剪应力流变模型( 图1 - 4 ) ，进行了一系列的弹流数值分析 1 8 , j 9 1 ，揭示出随着滑滚比 5 童塾矍三奎茎三茎堡圭兰堡兰耋 的增加，压力峰将消失，入口压力梯度变大而产生凹陷，接触区油膜形状不再 望 e e 守 a l o n gt h ec e n t r a le n t r a i n m e n t 工，岬 图1 6 中央油膜的下凸现象口1 l 图l - 7 凹陷的存在范围口7 i 是平行的。此后，人们用不同的极限剪应力流变模型也都得到了相似的入口凹陷， 如勘t 【捌，z h a n g 和w e n l 2 3 】及s t a i d 和j a c o b s o n l u l l 蝴。这些结果还显示，当 6 d葛8_dio暑日ii 青岛理工大学工学硕士学位论文 滚滑比增大时，中央接触区会出现凸出现象，即油膜厚度大幅度减小，使最小油 膜厚度的位置由传统的颈缩处转到中心区。并且，h s i a o 和h 锄m c k f 2 5 】指出热效应 可能会修正接触区内部润滑油的流动从而使入口凹陷消失。因此，必须设法排除 热效应的影响而只进行极限剪应力和界面滑移条件下油膜形成的实验研究。在与 c h i u 和s i b l e y 相似的超低速条件下，g u o 与w b n g 闲完成了特别设计的实验，成功 地观测到了带有入口凹陷的弹流油膜( 图1 5 ) 。与c h i u 和s i b l e y 的法向应力机理不 同，g - u o 与w o n g 认为此入口凹陷是由于界面滑移引起，即前述理论分析中的入口 凹陷实际上是存在的。近期g u o 与w o n g 又初步观测到了在大滑滚比条件下中央 油膜的下凸现象【2 l 】( 图1 - 6 ) ，但并未对其中的影响因素进行详细研究。g u o 与w o n g 提出了等效粘度楔的概念【2 1 矧，即由于极限剪应力和界面滑移引起的等效粘度在 固体界面处的迅速下降造成入i = i 凹陷的形成。此后，w a n g 和g u o 又发现，不论是 盘纯滑，还是球纯滑，在速度一载荷坐标下，凹陷的存在区域为一个开放的三角 形( 图1 7 ) 。 1 3 油膜厚度测量的光干涉方法 油膜厚度测量是弹流实验研究的重要内容之一。 点接触弹流润滑的接触区域通常在毫米级以下，油膜厚度通常为纳米至亚微 米数量级。在如此微小的空间内对复杂的润滑现象进行测量，必须采用特殊的测 量手段。 在弹流润滑油膜厚度测量实验中，人们提出了多种方法，主要包括：电阻法、 电容法、放电电压法、位移法、x 射线法及光干涉法等 2 8 - 3 4 。光干涉法是弹流研 究中最有效的实验方法之一 光干涉法应用于测量弹流润滑接触区的油膜厚度与形状开始于二十世纪六十 年代。它是将光源透过透明的光学平板( 如玻璃等) 照射到接触区，经不同界面反射 后形成光的干涉，再根据干涉条纹与油膜厚度的对应关系计算得出接触区各点的 油膜厚度。由于此法易于实现点接触或椭圆接触，并能同时测定润滑油膜的厚度 与形状，因此得到了广泛的应用并被不断地完善和发展。 在传统的光学e h l 实验中，干涉图样是由双光束干涉理论来解释并推断出油 7 膏岛理工大学工学硕士学位论文 膜形状的，如图1 8 所示。此时，干涉条纹是来自于铬膜和钢表面反射的相干光线 i 和光线的干涉。干涉强度，与膜厚h 遵循以下余弦关系： h + ，2 + 2 面c o s ( 等+ 叫 ( 1 - ) 其中和厶是光线i 和光线i i 的强度，以是润滑油的折射率，五是光的波长，西是 系统的初相位并等价于斜2 万x 2 ) 的光学厚度差。由于白色光源具有比单色光源 更高的分辨率( 约为3 0 - 5 0 h m ) ，所以常常采用校准彩色e h l 干涉测量法。近来， e h l 实验研究向超薄膜润滑、微e h l 及混合e h l 发展，并且许多非传统油膜形 状不断被提出，如：传统e h l 油膜的扁平部分有了明显的厚度变化即中央凹陷。 在超薄膜润滑时膜厚可达到纳米级。而在微e h l 和非传统的e h l 中，油膜厚度基 本为微米级，局部膜厚波动则为纳米级。由于测量范围和分辨率的局限，传统的 光学e h l 干涉测量法并不适应这些新特性的研究。 乒j 必y 。ff 乡 v 刚 夕 h f 一4 ：广l h + ：。 图1 - 8 双光束干涉测量法嘲 随着弹性流体动力润滑( e h l ) 研究的深入，各国研究人员提出了一些具有纳米 级分辨率的润滑油膜测量技术。在这些方法中，一类是基于彩色干涉条纹的计算 机光谱分析或色度学分析，如j o h n s t o n 等 3 5 1 提出的附加垫层法、g u s t a f s s o n 等 3 6 1 提出的h s i 方法及g l o v n e a 等 3 7 1 提出的u t f i 方法。第二类是基于单色光干涉图像 的强度分析，如雒建斌等 3 8 - 4 0 l 提出的相对光强法达到了o 5 n m 的分辨率。单色光 8 青岛理工大学工学硕士学位论文 干涉条纹清晰度高，可测最大油膜厚度远大于彩色干涉图像。g u o 等对弹流油膜 光学测量系统进行了详细的光学理论分析，说明了其多光束干涉的特征，提出了 m b i ( 多光束干涉强度法) 方案。基于该方案，建立了一种新的大量程高分辨率纳， 微米弹流油膜厚度测量系统。 应该看到，几十年来弹流油膜测量光学已有了很大的发展，特别是计算机图 像技术的应用使弹流油膜的测量在精度和效率方面都得到提高。但该测量技术很 大程度上仍取决于经验，与该技术相关的光学理论基础还不是很完善，有些工作 仍待完成。 1 4 本文研究的主要内容 g u o 与w o n g 等人对入口凹陷这一非经典弹流现象只进行了部分研究，许多参 数还没有深入全面地考察，特别是对大滑滚比条件下( s 2 ) 的油膜研究并未系统进 行，摩擦力的特性研究也未开展。因此，本文将以极限剪应力和界面滑移作用下 的弹流润滑为主线，考察大滑滚条件下的油膜形状和厚度的变化规律，比较载荷、 速度等实验参数对油膜形状的影响，并对该非经典油膜的摩擦力特性进行测量。 具体分为以下五个部分： ( 1 ) 针对实验室已有的弹流油膜光干涉测量仪的不足之处，设计、制造一台新 的弹流油膜光干涉测量仪，包括摩擦力测量系统、实验机硬件系统及其相关图像 获取、处理软件等，为顺利完成后面的实验工作建立基本的实验条件。 ( 2 ) 应用多光束干涉的基本原理，研究弹流光干涉测量系统的光学特性。考察 采用单色光源和多色光源下，不同的玻璃盘材质、不同的润滑油、不同的分光膜、 不同的分光膜厚度以及空间层厚度的影响。 ( 3 ) 实验研究流体润滑从弹流润滑到动压润滑的转化和界面滑移对这一过程 的影响。讨论卷吸速度、载荷与膜厚的相互关系，以及滑滚比的影响。大致确定 从弹流润滑到动压润滑的过渡区的特性，并探讨入口凹陷与膜厚的关系。 ( 4 ) 实验研究大滑滚比条件下入口凹陷和中央下凸出现、消失规律，观察凹陷 和下凸的存在范围，随卷吸速度、载荷、滑滚比变化的规律。并与理论研究的成 果相比较，讨论凹陷和下凸产生的成因。 9 青岛理工大学工学硕士学位论文 ( 5 ) 考察界面滑移条件下，弹流接触副摩擦系数的变化规律，绘制s t r i b e c k 曲 线。考察不充分供油状态下，摩擦系数的变化趋势，探索不充分供油对摩擦系数 的影响，分析成因。 1 0 青岛理工大学工学硕士学位论文 2 1 总述 第2 章实验设备 采用光干涉技术测量弹流润滑始于1 9 6 2 年，l ( i r k 口4 1 采用有机玻璃制造交叉 圆柱实验机的上圆柱，并在其上部安装一个屋脊形透明块补偿干涉条纹图像的变 形，从而首次成功地完成了对弹流润滑油膜形状的初步测量。此后不久，1 9 6 3 年， 英国的c a m e r o n 等【3 3 j 人用光干涉法观测弹流油膜形状并首次揭示了点接触弹流润 滑的马蹄形特征。c a m e r o n 等人的实验是采用高折射率的透明盘与钢球接触得到干 涉图像。此后，研究人员设计制作了各种光干涉实验设备，普遍采用球一盘接触 的模式，但也做了多种改进，以期达到良好的干涉图像效果。在盘的设计方面， 采用镀膜玻璃盘，镀膜对入射光线具有半透射半反射的作用，被称为析光膜，有 多种不同的材料和处理方法，如c r 膜、1 3 0 2 膜嘲、c r + s i 0 2 3 5 ，3 7 】膜等，也有的直接 采用高折射率玻璃盘、蓝宝石盘、金刚石盘i s 等。在其他方面，比如球和盘的支撑 方式、加载方式等，也有多种不同的方案。所有的改进措施都是为了提高实验精 度和扩大测量范围。 一般来说，弹流润滑的接触区域比较小，不超过1 删n 2 ，而接触油膜厚度为纳 米到微米数量级，微小的震动和干扰都会对油膜形状产生影响。因此，在实验设 备的设计中，提高设备的传动精度、运动稳定性及减小震动干扰是获得可靠的实 验结果和扩大测量范围的重要保证。 为了达到更好的测量结果，本研究小组白行设计了专门的光弹流润滑油膜测 量实验机。本实验机的设计参考了国内外已有实验机的成功经验，在诸多的设计 上做了改进，以期达到更高的运动精度和更大的测量范围。同时，考虑到测量技 术上所采用的多光束干涉测量法，也采用了许多独特的结构设计方案。实验机设 计图及实物图如图2 1 所示。整个实验机主要由玻璃盘回转系统、钢球回转系统、 加载系统、调速系统、光源系统、图像采集系统和图像处理软件等部分组成。 青岛理工大学工学硕士学位论文 ( a ) 实验台设计轴测图( 主体部分) ( b ) 实物 图2 - 1 实验台总体图 要量堡三銮主三耋堡圭：罂堡圣 2 2 玻璃盘回转系统 图2 - 2 玻璃盘回转系统 图2 - 3 检测玻璃盘的端面跳动 青岛理工大学工学硕士学位论文 玻璃盘回转系统的结构参见图2 - 2 。玻璃盘由冕牌k 9 玻璃制成，其与球接触 一侧镀有分光铬膜，公称厚度为2 0 n t o 。该系统的设计对本课题组第一代光学弹流 实验台做了很大的改进。首先是在玻璃盘的压紧固定方式上，采用六个顶螺钉通 过垫片压紧。这些螺钉可以分别调节各自压紧力的大小，从而控制玻璃盘的端面 跳动。具体操作时，转动玻璃盘，测量玻璃盘最大回转半径处的端面跳动，如图 2 - 3 所示，根据仪表显示的数值调节6 个顶螺钉的压紧力，从而控制玻璃盘端面跳 动。采用该方法调节的结果显示，玻璃盘的端面跳动可以控制在l 2 微米内，大 大提高了系统的测量稳定性。在主轴轴承的选择上，采用两对高精度( p 4 级) 的 n s k 角接触球轴承，每对轴承在安装方式上采用串连方式。轴承的外圈被外套筒 完全固定，而内套筒在长度上比外套筒略短，具体数值由轴承的游隙确定。游隙 的调节可以通过旋转顶紧螺母完成。主轴的底端是同步带轮，通过同步带与玻璃 盘驱动系统减速装置连接。 2 3 钢球回转系统 图2 - 4 钢球回转系统 1 4 青岛理工大学工学硕士学位论文 钢球回转系统的结构参见图2 4 ，其主要作用是将调速系统的输出扭矩通过同 步带轮经过支架i 、转矩转速传感器、支架i i 传递到钢球，各个器件之间用联轴器 连接。每个支架内部采用一对向心角接触球轴承，以保证主轴传动的回转精度。 用弹性联轴器的目的是在各个器件安装时无法保证精确同轴的情况下，起到自动 调整的作用。转矩转速传感器的作用主要是测量球盘接触存在相对转动时的扭矩， 并根据扭矩数值的大小，折算摩擦力的大小，并由此计算摩擦系数。需要说明的 是，转矩转速传感器只在测量摩擦系数的实验中才用到，因此，其他实验中可将 转矩转速传感器连同一个支架拆除，而把同步带轮安装在保留的一个支架后端。 转矩转速传感器量程为0 s n i a n ，精确度为0 0 0 1 n l n 。转矩转速传感器的数值由 扭矩测量仪显示出来。钢球采用l 英寸高精度g 5 钢球。 2 4 加载系统 图2 - 5 加载装置图2 - 6 加载系统 球和盘的接触是通过如图2 5 所示的加载装置实现的，其中球托采用了两种不 同的方案。( a ) 方案球托部分采用四氟棒口1 1 p e ) 制作，中心部分为球托。球托中间 1 5 青岛理工大学工学硕士学位论文 有小坑，可以储藏润滑油，钢球转动时，可以在此处实现自动补油。而球托的外 缘和一个环形圈配合，可以保证润滑油不外溢，保持外部清洁，也使小坑内保持 充量的油。 方案的设计采用两个球托的形式。球托为蝶形断面的回转体，端部 通过小轴承固定在安装座上面。为了便于轴承的安装，采用压块( 图中只显示一个) 将轴承与安装座固定。两个球托的四个回转面起到定位钢球的作用。由于此装置 采用四个面的过定位方法，因此需要很高的安装要求。具体安装时，在轴承端盖 未紧固的条件下，将一个钢球放在两个球托之间，并适当压紧，使两个球托自动 调整位置，确保钢球面同时与四个面相切，此时紧定轴承端盖，完成轴承的定位， 从而达到了过定位的安装目的。 两种方案在球托托板及支承部分完全相同，在实际应用中只制作一套，而在 托板中间部分有球托装置安装槽，可以同时适用两种不同的球托方案。两种方案， 在应用中根据不同的测量目的而采用不同的形式。( a ) 方案应用较多，适用于大多 数情况，且效果良好。( b ) 方案是针对特定的实验设计的，主要是测量转矩和摩擦 系数的实验。方案安装定位方式准确，在测量转矩的过程中，球托轴承的摩擦 力几乎可以忽略不计，而( a ) 方案由于球与球托间存在相对较大的摩擦力，不能应 用于测量摩擦系数的实验。( b ) 方案的球托也可以完全代替( a ) 方案的情况，但是缺 点是没有补油的功能。 为了实现加载功能，球托加载装置需要和加载拉力装置配合使用，如图2 6 示。球托装置安装在移动平板上。在移动平板上同时安装固定拉力装置，两个立 柱和一个横梁构成支架。横梁上悬挂有数显推拉力计，悬挂部分包括一根螺杆和 一根防止推拉力计转动的吊杆。螺杆的底端是推拉力计的安装座，推拉力计固定 在安装座上面。螺杆和横梁之间螺纹配合，可以通过旋转螺杆，而使推拉力计上 下运动。推拉力计的底端与球托装置一端通过弹簧连接，通过球托给钢球加压。 拉力的数值显示在数显推拉力计的屏幕上。使用弹簧可以实现柔性加载，避免系 统震动给加压数值带来的不稳定性，同时也起到对数显拉力计的保护作用，防止 拉力波动对拉力计的损害。 球托的另外一端通过两个小的安装座固定。连接处为轴承，球托装置可以在 结点处转动。钢球的上部与玻璃盘的下表面相切。设计中，球托位于托板的中间 位置，这样实际的加压值为数显拉力计数值的2 倍，如图2 7 所示。 1 6 青岛理工大学工学硕士学位论文 2 5 平板驱动装置 图2 7 球盘接触与钢球加载 在设计中，将显微镜系统、钢球回转系统、加载系统完全放置在一块平板上。 参见图2 1 、图2 4 和图2 - 6 。在图中，操作台上有两根平行导轨，导轨中间装有 导向键，平板下表面有导向槽，通过导向键和导向槽的配合实现平板和操作台之 间的线性位移。操作台和平板间在尾部有驱动装置，在操作台上，有一个轴承支 架，内部安装有双向推力轴承，外端有驱动手柄。内端为传动螺纹杆，与平板上 的内螺纹支座相配合。使用中，顺时针或逆时针转动手柄，可使平板在操作台导 轨上平行移动。从而使显微镜系统、钢球回转系统、加载系统作同步运动。 2 6 驱动调速系统 1 7 青岛理工大学工学硕士学位论文 根据实验要求，球盘接触点的线速度需较大的变化范围，为此设计了独立的 驱动调速系统。为了避免震动，对以往的设计做了改进，将玻璃盘的驱动调速系 统和钢球的驱动调速系统分别设计。两套系统各由一台伺服电机，三个涡轮蜗杆 减速器，七个同步带轮和四根同步带组成，如图2 - 8 所示。 图2 - 8 调速系统 伺服驱动电机转速范围1 5 0 0 0 r m i n 。伺服电机具有较大的转数输出范围、较 高的低速稳定性( 使用高分辨率的编码器) 和自动消除震动的能力。 电机的输出端，安装有同步带轮。该同步带轮再通过同步带和减速系统相连。 减速系统包含三个蜗轮蜗杆减速器，每个减速器的两端都挂有同步带轮，相互问 用同步带相连。玻璃盘减速系统的末端通过同步带与玻璃盘回转系统底端的同步 带轮相连；钢球减速系统与钢球回转系统的末端相连。采用蜗轮蜗杆减速器可以 实现较大的减速比，并具有较高的稳定性和抗冲击能力。 减速系统的同步带轮因为齿数的不同，同样具有改变传动比的作用。以玻璃 盘减速系统为例： 1 8 青岛理工大学工学硕士学位论文 三个减速器的减速比依次为：i i = l o ，1 2 = 5 0 ，1 3 = 1 0 玻璃盘系统驱动电机输出带轮齿数：t o o t h = 3 2 三个减速器的输入、输出同步带轮齿数分别为：n l i = 4 8 ，n 1 0 = 3 0 ，n 2 i = 4 8 ， n 2 0 = 2 8 ，n 3 i = 3 6 ，n 3 0 = 2 8 则该系统的减速比可以按照如下方法计算： i d = ( n l i t o o t h ) x l l x ( n 2 i n i o ) x 1 2 ( n 3 i n 2 0 ) x 1 3 x ( p a t o o t h n 3 = 1 0 3 3 1 6 3 。 同样方法获得的钢球减速系统的减速比为i b = 4 1 1 4 2 8 。 在实际的应用中，有时需要取出一个减速器，并连同带轮，减小传动比，获 得更大的球盘接触点的线速度。 球盘接触点的盘和球的线速度可由一下公式计算： v ：l 2 万x ， 6 0 x j 其中 v ；玻璃盘或钢球在接触点的线速度 n ：伺服电机的输出转数( r p m ) r ：玻璃盘或钢球在接触点的回转半径 i ：玻璃盘减速系统和钢球减速系统的减速比 实验中，伺服电机的输出转数可以从伺服器的显示屏读出；钢球的回转半径 为已知( 1 2 7 m m ) ；玻璃盘接触点的回转半径则需要设定，如图2 - 9 所示。由于本系 统将显微镜系统、钢球回转系统和加载系统全部放置在一个平板上，而平板可以 在操作台上移动，因此，我们可以通过移动该平板来调节球盘接触点的位置。为 了准确获得玻璃盘接触点回转半径，在玻璃盘回转轴上设置标尺，使显微镜的光 斑照射在标尺上，从而获得准确的读数。用移动平板的办法确定回转半径还比较 粗略，还可以用显微镜安装系统中x 、y 平移台获得更加精确的数值，如图2 1 0 所示。 1 9 青岛理工大学工学硕士学位论文 图2 - 9 玻璃盘接触点回转半径的测量 图2 1 0 x 、y 位移调整装置 青岛理工大学工学硕士学位论文 实验中的玻璃盘减速系统和钢球减速系统的减速比分别为1 0 3 3 1 6 和4 1 1 4 3 ， 伺服电机的转速范围为o 5 0 0 0 r p m ，玻璃盘最大的回转半径按照9 0 m m 计，则可 以实现的线速度范围分别为：玻璃盘屹2 0 9 1 5 4 5 6 1 1 i im s ，钢球屹2 0 3 2 1 6 1 6 2l lm s 。 2 7 光源系统 本实验采用单色光形成黑白干涉条纹。适当波长的单色光照射在接触区，形 成清晰的黑白干涉条纹。单色光由冷光源经过滤光片获得。冷光源具有高亮度全 波段的可见光，如图2 1 l 所示。经过窄带滤光片( 中心波长6 0 0 h m ，半幅全宽 f w h m = 1 0 h m ) 滤光后形成准单色光。准单色光入射到显微镜后经过分光镜分光后 射向球盘弹流接触区，从而产生明暗相问的干涉图样。 2 8 图像采集系统 图2 1 l 冷光源 图像采集系统由显微镜( n i k o n 组合显微镜) 及安装系统、c c d ( 电荷耦合器件， s o n yx c - s t 5 0 ) 、图像卡( p c l l 4 0 8 ) 及相关图像采集软件组成，主要作用是采集弹流 接触区的干涉图样并传输到计算机中。 显微镜景深为1 4 | im ，视域1 2 8 0 pm x 9 6 0 l im 、空间光学分辨率为3 1 5i i 2 1 青岛理工大学工学硕士学位论文 m p i x e l ( 在香港城市大学采用的实验台的空间光学分辨率为1 2 8 um p i x e l ) 。弹流接 触区的干涉图样被显微镜放大后由c c d 俘获，传送到图像卡。图像卡能够将获得 的模拟信号转换为数字信号即获得了数字化的干涉图样。其图像采集流程如图 2 1 2 所示。在实际的安装中，显微镜需要比较精确地定位和位置调节。 2 9 图像处理软件 由 图 显 c图 像 微 c 像 处 镜 d 卡 理 放 俘 转 软 大 获 换 件 干 干 为 接 涉 涉 数 受 图 图 字 干 样 样 信 涉 息 图 样 图2 1 2 图像采集流程图 图2 1 3u t l f 2 软件的工作界面 苎量矍三奎耋三置堡圭：堡鎏圣 图2 1 4m b ! 软件的工作界面 图2 1 5 光学参数设置 青岛理工大学工学硕士学位论文 通过图像采集系统获得的数字化干涉图样，被捕捉后由图像处理软件进行处 理。该图像处理软件为本实验室基于l a b v i e w 环境自行开发的专用油膜厚度分 析软件u t l f 2 和m b i 。 u t l f 2 软件的工作界面如图2 1 3 所示，其主要功能在于实现对润滑接触区干 涉图样的动态在线监控，截取所需图片并存储为磁盘文件以供分析之用。在图2 1 3 中，左边显示为实时的干涉图样，中心的白色线段为卷吸中心线，右侧上方则为 与该线上各点对应的动态光强分布情况。 m b i 软件的工作界面如图2 1 4 所示，主要用于对u t l f 2 软件采集的图样进 行分析，通过光强的分布情况，获得膜厚数值的数据文件。 由于实际实验中，所采用的玻璃盘可能更换，各种实验用润滑油的光学参数 也各不相同，所以采用m b i 软件进行实验数据分析时，必须想对光学参数进行设 置。如图2 1 5