CN104990491B - 油润滑条件下双圆盘摩擦机的膜厚测试方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种油润滑条件下双圆盘摩擦机的膜厚测试方法及装置，采用该方法能够定量测出双圆盘之间油膜厚度的具体值。该方法基于电涡流法，在双圆盘摩擦机中配置包括两个电涡流位移传感器的膜厚测试单元，两个电涡流位移传感器用于分别测量两个圆盘表面的位移变化量。测试时，将在无油状态下，双圆盘低速旋转过程中，两个电涡流位移传感器所采集的距离测量值作为基准数据；将在喷油润滑状态下，双圆盘根据试验工况旋转过程中，两个电涡流位移传感器所采集的距离测量值作为试验数据；将两个位移传感器在无油与喷油润滑状态下的测量值分别作差，从而得到双圆盘之间的油膜厚度。

Description

油润滑条件下双圆盘摩擦机的膜厚测试方法及装置

技术领域

发明涉及一种膜厚测试方法，具体涉及一种双圆盘摩擦机的膜厚测试方法及装置。

背景技术

摩擦副是机械传动系统的重要组成部分，摩擦副的摩擦磨损性能对机械传动系统的性能与可靠性有着重要影响。目前研究工程上的摩擦副摩擦磨损性能一般需要借助摩擦磨损试验机。国内摩擦学研究中广泛使用的试验机有双圆盘式摩擦磨损试验机、四球式摩擦磨损试验机、往复式摩擦磨损试验机、球盘式摩擦磨损试验机、销盘式摩擦磨损试验机等。其中，双圆盘摩擦机能够很好的模拟齿轮、滚动轴承以及摩擦牵引传动装置等高副接触润滑的实际工况，因此由它获得的实验数据对于上述机械零部件的设计具有无法替代的直接指导作用。更由于它可以对油品轻易地施加GPa级的压力，因而在润滑油高压流变性能的研究领域很受一些学者的推崇。其工作原理为：当双圆盘相对滚动时，双圆盘之间会形成一定的油膜厚度，此时对双圆盘施加径向载荷从而可以获得高压状态的油膜，通过控制双圆盘的转速使其有一定的转速差来实现润滑油膜的剪切流动。另外，通过改变双圆盘摩擦机的工作转速、载荷、润滑介质及温度等试验条件，还可进行工况等参数对润滑介质流变性能、拖动性能的影响研究。

油膜厚度对润滑介质的流变性能、拖动性能以及润滑效果分析有着重要意义。目前对油膜厚度的测试方法主要有电阻法、电容法、光干涉法等。其中电阻法具有电路简单，设备价格低廉的特点，适用于定性分析膜，但由于电阻法存在油膜电阻随油膜厚度变化不明显的问题，尚无法定量测量油膜的具体值；电容法虽能准确测试全膜弹流润滑状态下两接触表面之间的膜厚，但在混合润滑状态下该法失去功效；光干涉法适用于多种润滑状态，测量精度高，但它要求接触件中必须有透光材料，且测试设备复杂而昂贵。而针对双圆盘摩擦磨损试验机，由于双圆盘均处于运动状态，目前尚没有双圆盘之间油膜厚度的测试方法。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种油润滑条件下双圆盘摩擦机的膜厚测试方法及装置，能够定量测出双圆盘之间油膜厚度的具体值。

油润滑条件下双圆盘摩擦机的膜厚测试方法为：令双圆盘摩擦机中的两个圆盘分别为上圆盘和下圆盘：

步骤一，在无油状态下，使双圆盘摩擦机中的两个圆盘在0-100r/min范围内低速旋转，并对下圆盘施加设定工况要求的径向载荷；通过电涡流位移传感器分别采集此时上圆盘表面在油膜厚度方向上的位移变化量H₁₀和下圆盘表面在油膜厚度方向上的位移变化量H₂₀；

步骤二，在有油润滑状态下，根据设定的工况要求对两个圆盘施加相应的载荷及转速，通过电涡流位移传感器分别采集此时上圆盘表面在油膜厚度方向上的位移变化量H₁₁和下圆盘表面在油膜厚度方向上的位移变化量H₂₁；

则双圆盘摩擦机中两个圆盘之间的油膜厚度为：h＝(H₂₁-H₂₀)-(H₁₁-H₁₀)。

油润滑条件下双圆盘摩擦机的膜厚测试装置为：所述双圆盘摩擦机包括：上圆盘、下圆盘、用于驱动上圆盘对下圆盘施加径向载荷的丝杠电机及丝杠、用于驱动上圆盘转动的电机A、用于驱动下圆盘转动的电机B。在所述双圆盘摩擦机上安装膜厚测试单元；所述膜厚测试单元包括：电涡流位移传感器A、传感器支架和电涡流位移传感器B；所述传感器支架支撑在所述电机A的壳体上，所述电涡流位移传感器A和电涡流位移传感器B安装在传感器支架上，使所述电涡流位移传感器A的探头与上圆盘外圆周面的顶部相对不接触；所述电涡流位移传感器B的探头与下圆盘外圆周面的顶部相对不接触。

所述电涡流位移传感器A用于分别测量所述双圆盘摩擦机在低速无油工作时和正常喷油润滑工作时上圆盘表面在油膜厚度方向上的位移变化量；

所述电涡流位移传感器B用于分别测量所述双圆盘摩擦机在低速无油工作时和正常喷油润滑工作时下圆盘表面在油膜厚度方向上的位移变化量。

有益效果：

(1)该膜厚测试装置结构简单、成本低廉，直接在传统的双圆盘摩擦磨损试验机上增加电涡流位移传感器与支架便可使其具备定量测试油膜厚度的功能。

(2)电涡流位移传感器探头直接测量双圆盘表面位移变化量，避免了双圆盘工作时转轴的振动及变形造成的油膜厚度测量误差，测量精度高、灵敏度高、动态响应好、安装方便且不受油污等介质影响。

附图说明

图1为配置有膜厚测试单元的双圆盘摩擦机结构示意图；

图2为位移传感器支架的结构示意图；

图3为双圆盘喷油润滑及接触区油膜厚度示意图。

其中：1-丝杆电机、2-电机A、3-丝杆、4-挡板、5-电涡流位移传感器A、6-传感器支架、7-电涡流位移传感器B、8-连接轴B、6-上圆盘、9-连接轴A、10-上圆盘、11-下圆盘、12-电机B、13-固定底座。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本实施例提供一种油润滑条件下双圆盘摩擦机的膜厚测试方法和装置，采用该方法能够定量测出双圆盘之间油膜厚度的具体值，进而可利用油膜厚度来准确分析润滑介质的流变性能、拖动性能以及接触区的润滑效果。

该膜厚测试方法基于电涡流法，产生电涡流必须具备两个条件：一是交变磁场，二是导电体必须处于交变磁场中。其原理为：传感器探头与金属导体表面距离的单值函数在一定范围内呈线性关系，利用该特性，通过电子线路将线圈阻抗的变化转变为电压变化，即可实现传感器探头与被测金属相对位移量的非接触式测量。

配置有膜厚测试单元的双圆盘摩擦机的结构如图1所示，双圆盘摩擦机包括两个轴线平行的圆盘(分别为上圆盘10和下圆盘11)、用于驱动上圆盘10向下运动对下圆盘11施加径向载荷的丝杠电机1及丝杠3、用于驱动上圆盘10转动的电机A2、用于驱动下圆盘11转动的电机B12。所述电机A2的动力输出端通过连接轴A9与上圆盘10相连，电机B12动力输出端通过连接轴B8与下圆盘11相连，电机B12安装在固定底座13上。为方便直接测量双圆盘表面在油膜厚度方向上的位移变化量，使上圆盘10和下圆盘11厚度不一致，本实施例中上圆盘10的厚度小于下圆盘11的厚度，并将传感器支架6设计为“Z”形，如图2所示。

所述膜厚测试单元包括电涡流位移传感器A5、传感器支架6、电涡流位移传感器B7和挡板4。挡板4与电机A2的壳体相连，为传感器支架6提供支撑，传感器支架6与挡板4固接；在传感器支架6上安装电涡流位移传感器A5和电涡流位移传感器B7，使所述电涡流位移传感器A5的探头与上圆盘10外圆周面的顶部相对，所述电涡流位移传感器B7的探头与下圆盘11外圆周面的顶部相对。电涡流位移传感器与圆盘之间距离依据电涡流位移传感器的精度来设定，本实施例中电涡流位移传感器A5的探头与上圆盘10圆周面顶部之间的距离为400-500μm，电涡流位移传感器B7的探头与下圆盘11圆周面顶部之间的距离为400-500μm。

所述的膜厚指在正常喷油润滑工作时，上圆盘10和下圆盘11之间的油膜厚度，如图3所示。采用该装置测试原理为：

双圆盘之间低速无油工作时，电涡流位移传感器A5测出的距离H₁₀为连接轴A9的变形量σ₁，电涡流位移传感器B7测出的距离H₂₀为连接轴B8的变形量σ₂。

双圆盘之间正常喷油润滑工作时，电涡流位移传感器A5测出的距离H₁₁包括连接轴A9的振动量δ₁、连接轴B8的振动量δ₂以及连接轴A9的变形量σ₁；电涡流位移传感器B7测出的距离H₂₁包括连接轴A9的振动量δ₁、连接轴B8的振动量δ₂、连接轴B8的变形量σ₂以及油膜厚度h。因此，电涡流位移传感器A5在喷油润滑下的示数与无油工作时示数之差ΔH₁为连接轴A9和连接轴B8的振动量之和δ₁+δ₂，电涡流位移传感器B7在喷油润滑下的示数与无油工作时示数之差ΔH₂为连接轴A9振动量、连接轴B8振动量、油膜厚度三者之和δ₁+δ₂+h，则ΔH₂-ΔH₁即为油膜厚度h。

测量过程为：

第一步，测量基准数据：在无油状态下，设定上圆盘10和下圆盘11在0-100r/min范围内低速旋转，并通过丝杠电机1施加工况要求的径向载荷，将此过程中电涡流位移传感器A5所采集的距离测量值H₁₀和电涡流位移传感器B7所采集的距离测量值H₂₀作为基准数据。

第二步，测量试验数据：在有油润滑状态下，再根据试验工况要求对上圆盘10和下圆盘11施加相应的载荷及转速，将此过程中电涡流位移传感器A5所采集的距离测量值H₁₁和电涡流位移传感器B7所采集的距离测量值H₂₁作为试验数据。

第三步，将无油与有油润滑状态下两个电涡流位移传感器的测量距离分别作差，便可得到上圆盘10和下圆盘11之间的油膜厚度h＝(H₂₁-H₂₀)-(H₁₁-H₁₀)。

在执行完第三步后，通过改变两个圆盘的转速、径向加载载荷、润滑介质及温度等试验参数，模拟齿轮、滚动轴承以及摩擦牵引传动装置等高副接触润滑的实际工况，能够得出各因素影响下膜厚的测量数据，进而分析润滑介质的流变性能、拖动性能以及接触区的润滑效果。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.油润滑条件下双圆盘摩擦机的膜厚测试方法，令双圆盘摩擦机中的两个圆盘分别为上圆盘和下圆盘，其特征在于：

步骤一，在无油状态下，使双圆盘摩擦机中的两个圆盘在0-100r/min范围内低速旋转，并对下圆盘施加设定工况要求的径向载荷；通过电涡流位移传感器分别采集此时上圆盘表面在油膜厚度方向上的位移变化量H₁₀和下圆盘表面在油膜厚度方向上的位移变化量H₂₀；

步骤二，在有油润滑状态下，根据设定的工况要求对两个圆盘施加相应的载荷及转速，通过电涡流位移传感器分别采集此时上圆盘表面在油膜厚度方向上的位移变化量H₁₁和下圆盘表面在油膜厚度方向上的位移变化量H₂₁；

则双圆盘摩擦机中两个圆盘之间的油膜厚度为：h＝(H₂₁-H₂₀)-(H₁₁-H₁₀)。

2.油润滑条件下双圆盘摩擦机的膜厚测试装置，所述双圆盘摩擦机包括：上圆盘(10)、下圆盘(11)、用于驱动上圆盘(10)对下圆盘(11)施加径向载荷的丝杠电机(1)及丝杠(3)、用于驱动上圆盘(10)转动的电机A(2)、用于驱动下圆盘(11)转动的电机B(12)；其特征在于，在所述双圆盘摩擦机上安装膜厚测试单元；所述膜厚测试单元包括：电涡流位移传感器A(5)、传感器支架(6)和电涡流位移传感器B(7)；所述传感器支架(6)支撑在所述电机A(2)的壳体上，所述电涡流位移传感器A(5)和电涡流位移传感器B(7)安装在传感器支架(6)上，使所述电涡流位移传感器A(5)的探头与上圆盘(10)外圆周面的顶部相对不接触；所述电涡流位移传感器B(7)的探头与下圆盘(11)外圆周面的顶部相对不接触；

所述电涡流位移传感器A(5)用于分别测量所述双圆盘摩擦机在低速无油工作时和正常喷油润滑工作时上圆盘表面在油膜厚度方向上的位移变化量；

所述电涡流位移传感器B(7)用于分别测量所述双圆盘摩擦机在低速无油工作时和正常喷油润滑工作时下圆盘表面在油膜厚度方向上的位移变化量。