CN111487153A - 一种双向变速可变载荷接触润滑磨损一体实验机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双向变速可变载荷接触润滑磨损一体实验机，属于载荷接触润滑磨损技术领域。包括框架、加载装置、钢球驱动装置、玻璃盘驱动装置、凸轮驱动装置和光学采集系统；钢球和玻璃盘在变载荷条件下形成点接触，通过电机驱动玻璃盘(或金属盘)、钢球和凸轮，使两者在一定规律的载荷条件下接触并做相对运动，使用光学显微镜和CCD相机采集接触区的油膜图像并传输至计算机，从而可以实时观测、储存钢球与玻璃盘所形成的弹性流体动力润滑油膜的厚度和形貌，或可以研究钢球与金属盘之间的磨损情况。本发明结构简单、实用性强、工作可靠，为研究变载荷条件下双向(轴向、周向)变速点接触的润滑或磨损问题提供了可靠的实验装置。

Description

一种双向变速可变载荷接触润滑磨损一体实验机

技术领域

本发明涉及一种双向变速可变载荷接触润滑磨损一体实验机，属于载荷接触润滑磨损技术领域。

背景技术

机械中的轴承、齿轮和工业链在工作过程中因为各种原因，会产生垂直于主运动方向的侧向振动，导致机械元件在工作平面的两个方向上存在速度变化。现有的光学弹性流体动力润滑磨损实验机中，只能模拟一个方向上的速度变化，因此不能准确有效地模拟实际工况。此外，由于机械运动可能处于变载荷条件下，而现有的弹性流体动力润滑实验机尚不能对存在两个方向速度变化和变载荷条件下的点接触进行实验。

综上，目前尚没有用于研究变载荷条件下双向(轴向、周向)变速点接触润滑或磨损问题的实验机。因此本技术领域需要设计一种双向变速可变载荷接触润滑磨损一体实验装置，以便能够更好地模拟实际工况，从而能够更好地研究轴承等机械元件在变载荷条件下双向(轴向、周向)变速点接触的润滑和磨损特性，测量油膜的形状和厚度，以及试件的磨损情况。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：现有技术不能有效准确地模拟光学弹性流体动力润滑领域变载荷条件下点接触双向(轴向、周向)变速的实际工况，不能准确地进行润滑和磨损实验。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供了一种双向变速可变载荷接触润滑磨损一体实验机，其特征在于：包括框架、加载装置、钢球驱动装置、玻璃盘驱动装置、凸轮驱动装置和光学采集系统，其中：

钢球驱动装置、玻璃盘驱动装置和凸轮驱动装置设于所述框架上；

钢球驱动装置用于驱动钢球；当进行润滑实验时，玻璃盘驱动装置用于驱动玻璃盘，当进行磨损实验时，玻璃盘驱动装置用于驱动金属盘；

加载装置，用于使钢球的上端与玻璃盘或金属盘下表面接触连接，并向钢球施加变化载荷；

凸轮驱动装置，用于使钢球在轴向上的速度发生变化；

钢球与玻璃盘或金属盘在球驱动装置、玻璃盘驱动装置、凸轮驱动装置和加载装置的作用下，相接触并在一定规律的压力下做相对运动；

光学采集系统，用于采集钢球与玻璃相对运动后产生的油膜图像或磨损情况。

优选地，所述钢球驱动装置包括电机支架一、电机一、联轴器一、钢球连杆和钢球；电机支架一设于所述框架上，电机支架一上设有电机一，电机一通过联轴器一连接滚子连杆的一端，滚子连杆的另一端设有钢球。

优选地，所述玻璃盘驱动装置包括玻璃盘或金属盘、玻璃盘套筒、玻璃盘套筒端盖、玻璃盘压盖、调心滚子轴承、联轴器二、电机支架二和电机二；电机支架二设于所述框架上，电机支架二上设有电机二，电机二通过联轴器二与玻璃盘旋转杆一端连接，玻璃盘旋转杆的另一端设有所述玻璃盘或所述金属盘和玻璃盘压盖；玻璃盘套筒设于所述框架上，玻璃盘套筒内设有调心滚子轴承，玻璃盘套筒上方设有玻璃盘套筒端盖，玻璃盘旋转杆中部穿过玻璃盘套筒端盖后套设于所述调心滚子轴承中。

优选地，所述玻璃盘旋转杆与所述玻璃盘或金属盘之间以及所述玻璃盘或金属盘与玻璃盘压盖之间分别设有橡胶垫。

优选地，所述加载装置包括钢球夹具、加载托板、轴承座、加载套筒、顶针、联轴器三、电机支架三、减速器和电机三；所述框架设有的下台面上设有电机支架三；所述框架设有的上台面下方设有加载套筒；所述电机支架三上设有减速器，减速器一端与电机三连接，减速器另一端通过联轴器三与加载套筒一端设有的加载杆连接；加载套筒另一端设有的顶针穿过上台面与上台面上设有的加载托板下板面接触连接；所述加载托板的上板面上设有钢球夹具，钢球夹具支撑连接所述钢球。

优选地，所述加载托板通过轴承座连接于所述上台面上，所述顶针穿过上台面支撑连接加载托板下板面的一端，所述加载托板的中部的上板面上设有钢球夹具。

优选地，所述钢球夹具包括凹形结构的夹具外壳，凹形结构的底部设于所述加载托板上；夹具外壳的内部并排设有两组轴承，轴承通过贯穿于夹具外壳的轴承轴与夹具外壳连接，所述钢球设于所述并排的两组轴承的上方。

优选地，所述加载套筒设有的顶针一端穿过上台面，另一端通过加载套筒中设有的筒芯与所述的加载杆连接；所述筒芯一端连接顶针，筒芯另一端设为管状，管状筒芯端部内设有加载杆的一端；筒芯的管外周和加载杆的外圆周上套设有弹簧；加载杆外圆周上还套设有用于使得弹簧处于压缩状态的加载盘，加载杆和加载套筒之间设有用于防止加载杆从加载套筒内滑落的限位结构。

优选地，所述的限位结构包括设在加载套筒筒底端的加载筒端盖，加载筒端盖上设有调心球轴承，加载杆的另一端穿过调心球轴承和加载筒端盖与所述减速器连接；所述顶针和筒芯之间设有用于实时测量顶针受力大小的压力传感器；所述加载套筒侧壁上平行于加载套筒中轴线的轴向上设有用于调整加载盘位置的开口槽。

优选地，所述凸轮驱动装置包括设于所述框架上的电机支架四，电机支架四上设有电机四，电机四通过联轴器四和凸轮连杆的一端连接，凸轮连杆的另一端设有凸轮。

相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

(1)本发明装置可以装夹钢球，以及玻璃盘或金属盘，可以通过加载装置使钢球与玻璃盘或金属盘在一定载荷下形成点接触,通过钢球驱动装置和凸轮驱动装置可以使钢球在轴向和周向上变速运动，玻璃盘有自己的驱动装置，增加了测试的实用性和可靠性；

(2)可以使钢球与玻璃盘或金属盘接触连接形成点接触的状态下，通过加载装置按一定规律对钢球施加变载荷；

(3)可以实时观测、储存钢球与玻璃盘或金属盘所形成弹性流体动力润滑油膜图像，测量油膜的形状和厚度。

附图说明

图1为本发明提供的一种双向变速可变载荷接触润滑磨损一体实验机的主体结构示意图；

图2为本发明提供的一种双向变速可变载荷接触润滑磨损一体实验机上台面上结构图；

图3为本发明提供的一种双向变速可变载荷接触润滑磨损一体实验机的主体结构俯视图；

图4A及图4B为本发明提供的一种双向变速可变载荷接触润滑磨损一体实验机的钢球夹具的主视图和俯视图。

附图标记：1.上台面；2.玻璃盘套筒；3.玻璃盘；4.调心滚子轴承；5.玻璃盘套筒端盖；6.橡胶垫；7.玻璃盘压盖；8.玻璃盘旋转杆；9.凸轮；10.钢球连杆；11.双螺母一；12.钢球；13.钢球夹具；14.加载托板；15.轴承座；16.联轴器一；17.电机支架一；18.电机一；19.加载套筒；20.顶针；21.压力传感器；22.筒芯；23.弹簧；24.加载盘；25.加载杆；26.调心球轴承；27.加载筒端盖；28.联轴器三；29.电机支架三；30.减速器；31.电机三；32.下台面；33.支柱；34.电机二；35.电机支架二；36.联轴器二；37.双螺母二；38.凸轮连杆；39.电机支架四；40.电机四；41.联轴器四。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

如图1至图3以及图4A及图4B所示，本发明提供的一种双向变速变载荷接触润滑磨损一体实验机，包括框架、加载装置、钢球驱动装置、玻璃盘驱动装置、凸轮驱动装置和光学采集系统。为了便于展示，图1中只展示了凸轮驱动装置中的凸轮9。框架设有的上台面1上设有钢球驱动装置、玻璃盘驱动装置和凸轮驱动装置。钢球驱动装置驱动的钢球12上方与玻璃盘驱动装置驱动的玻璃盘3下表面点接触连接。钢球驱动装置驱动的钢球12下方设有向钢球施加变化载荷的加载装置。钢球驱动装置驱动的钢球12和玻璃盘驱动装置驱动的玻璃盘3接触的位置上方设有用于采集油膜图像的光学采集系统。

本实施例中，框架的构成为：四根支柱33分别与上台面1和下台面32螺钉连接，构成实验机框架。

钢球驱动装置包括电机支架一17、电机一18、联轴器一16、双螺母一11、钢球连杆10和钢球12。框架设有的上台面1上设置有电机支架一17，电机支架一17上设置有电机一18，电机一18通过联轴器一16连接钢球连杆10的一端，钢球连杆10的另一端安装有钢球12。

本实施例中，电机支架一17为L形板状结构，其下侧板设有两个条形通孔，以便与上台面1螺钉连接，侧板设有一个圆形通孔和四个小的螺纹通孔，以便与电机一18螺钉连接。钢球12的中心加工有通孔，将钢球连杆10穿入通孔后，用双螺母一11紧固。

玻璃盘驱动装置包括玻璃盘3、调心滚子轴承4、玻璃盘套筒端盖5、橡胶垫6、玻璃盘压盖7、玻璃盘旋转杆8、联轴器二36、电机支架二35和电机二34。框架设有的上台面1下表面设置有电机支架二35，电机支架二35侧壁上设有用于调整联轴器二36松紧的开口槽。电机支架二35上设有电机二34，电机二34通过联轴器二36与玻璃盘旋转杆8的一端连接，玻璃盘旋转杆8的另一端设有玻璃盘3，玻璃盘3上方设有玻璃盘压盖7，玻璃盘压盖7与玻璃盘旋转杆螺纹连接。框架设有的上台面1上设有玻璃盘套筒2，玻璃盘套筒2内设有调心滚子轴承4。玻璃盘旋转杆8下端外圆周套设于调心滚子轴承4中。玻璃盘3与玻璃盘旋转杆8之间以及玻璃盘3与玻璃盘压盖7之间分别设有橡胶垫6。

本实施例中，可以根据实验需要使用玻璃盘3或金属盘。电机支架二35的一端螺钉连接在框架的上台面1的下方，另一端与电机二34螺钉连接。玻璃盘旋转杆8一端与电机34通过联轴器36螺钉连接。玻璃盘压盖7与玻璃盘旋转杆8螺纹连接，以便固定玻璃盘3。玻璃盘套筒2螺钉连接在框架的上台面1的上面，其内设有调心滚子轴承4。玻璃盘套筒2的上端与玻璃盘套筒端盖5螺钉连接。

加载装置包括钢球夹具13、加载托板14、轴承座15、加载套筒19、顶针20、联轴器三28、电机支架三29、减速器30和电机三31。框架设有的下台面32上设置有减速器支架29。框架设有的上台面1下方设有加载套筒19。电机支架三29上设有减速器30，减速器30一端与电机三31连接，减速器30另一端通过联轴器三28与加载套筒19一端设有的加载杆25连接。加载套筒19另一端设有的顶针20穿过上台面1与上台面1上设有的加载托板14的下板面接触连接。加载托板14的上板面上设有钢球夹具13，钢球夹具13支撑连接钢球驱动装置驱动的钢球12。加载托板14的通过轴承座15连接于上台面1上。钢球夹具13包括凹形结构的夹具外壳，凹形结构的底部设于加载托板14上。钢球夹具13外壳的内部并排设有两组轴承，轴承通过贯穿于夹具外壳的轴承轴与夹具外壳连接，滚子驱动装置驱动的钢球12设于并排的两组轴承的上方。本实施例中，夹具外壳为凹形结构，两侧上方各有一个条形压条，条形压条与夹具外壳主体螺钉连接；每根轴承轴上装有1组轴承，再将装有轴承的轴承轴安装在夹具外壳上；实验时，将钢球12置于在钢球夹具13两组轴承中间，以便使用加载装置通过钢球夹具13对钢球12施加载荷。加载套筒19设有的顶针20一端穿过上台面1，另一端通过加载套筒19中设有的筒芯22与加载杆25连接。筒芯22一端连接顶针20，筒芯22另一端设为管状，管内设有加载杆25的一端。筒芯22的管外周和加载杆25的外圆周上套设有弹簧23。加载杆25外圆周上还套设有用于使得弹簧23处于压缩状态的加载盘24。加载杆25和加载套筒19之间设有用于防止加载杆25从加载套筒19内滑落的限位结构。限位结构包括设在加载套筒19筒底端的加载筒端盖27，加载筒端盖27上设有调心球轴承26，加载杆25的另一端穿过调心球轴承26和加载筒端盖27与减速器30连接。顶针20和筒芯22之间设有用于实时测量顶针20受力大小的压力传感器21。加载套筒19侧壁上平行于加载套筒19中轴线的轴向上设有用于调整加载盘24位置的开口槽。

本实施例中，使用强力胶水依次连接顶针20、压力传感器21和筒芯22，以便压力传感器21可以实时测量顶针20上受到的力。筒芯22一端加工有用于连接加载杆25一端的管，在管上套上弹簧23，然后将装有加载盘24的加载杆25装入筒芯22，其中加载盘24套于加载杆25外周，调整加载盘24在加载杆25上的位置直至弹簧23的两端与筒芯22底座和加载盘24相接触并处于受压状态。加载杆25下端装入调心球轴承26后，将装配好的从顶针20到调心球轴承26的部分整体装入加载套筒19中，然后在加载套筒19底部安装加载筒端盖27，加载套筒19与加载筒端盖27螺钉连接。加载套筒19与上台面1螺钉连接，以便固定加载装置并承重。载套筒19右侧筒壁轴向开有一个条形的孔，在加载盘24确定好位置后，使用螺钉从外向内，从条形孔中穿入并拧入加载盘24上的螺纹孔，以便使加载盘24圆周固定。电机支架三29为C形板状结构，上表面开有一个大的圆形通孔和四个小的螺纹通孔，以便与减速器30螺钉连接；下表面有两个条形通孔，以便与下台面32螺钉连接。减速器30与电机三31螺钉连接，通过联轴器三28与加载杆25连接。

凸轮驱动装置包括上台面1上的电机支架四39，电机支架四39上设有电机40，电机40通过联轴器41与凸轮连杆41的一端连接，凸轮连杆41的另一端设有凸轮9，凸轮9通过双螺母二37紧固在凸轮连杆上。

本实施例中，电机支架四39为L型板状结构，其底板上设有两个条形通孔，从而可以与上台面1螺钉连接，其侧板设有一个圆形通孔和四个小的螺纹通孔，从而可以与电机四40螺钉连接。

本实施例中，光学采集系统由光源、CCD相机和光学显微镜组成，CCD相机和光学显微镜与计算机连接。实验机主要由框架、加载装置、钢球驱动装置、玻璃盘或金属盘驱动装置、凸轮驱动装置和钢球夹具13构成。

本实验机的工作原理为：使用PLC和伺服电机继电器驱动电机三31转动，进而通过减速器30和联轴器三28驱动加载杆23转动，由于加载盘24圆周周向固定，因此只能沿着加载杆25上下移动，通过弹簧23加载或卸载，从而实现了钢球12与玻璃盘3接触并可以施加一定规律的变载荷。使用PLC和伺服电机驱动电机一18，进而通过联轴器一16和钢球连杆10驱动钢球12转动。使用PLC和伺服电机驱动电机二34，进而通过联轴器二36和玻璃盘连杆8驱动玻璃盘3转动。使用PLC和伺服电机驱动电机四40，进而通过联轴器四41和凸轮连杆38驱动凸轮9，凸轮9转动时，会周期性地推动钢球驱动装置中的钢球连杆10，造成钢球12在轴向上的速度变化。钢球12与玻璃盘3在驱动装置、凸轮和加载装置的作用下，相接触并在一定规律的压力下做相对运动。由光源、CCD相机和光学显微镜组成的光学采集系统位于钢球12与玻璃盘3的正上方，用于采集接触区的油膜图像；CCD相机与计算机连接，传输所采集到的图像。

本试验机进行试验时：先使用PLC和伺服驱动器驱动电机三31缓慢转动，加载至钢球12与玻璃盘3刚好接触，将压力传感器21调零，然后继续加载至预定载荷。使用PLC和伺服继电器驱动电机一18、电机二34、和电机四40，从而驱动钢球12、玻璃盘3和凸轮9运动。位于钢球12和玻璃盘3接触区上方的显微镜和CCD相机实时采集接触的油膜图像并传送到计算机。如需进行变载荷条件下的实验，只需驱动电机三31按一定规律运动，从而通过上述加载装置对钢球12和玻璃盘3形成的接触区施加变载荷。使用由光源、CCD相机和光学显微镜组成的光学采集系统获取接触区的油膜图像。使用计算机和油膜分析软件测量分析油膜厚度与形状。

在使用本发明进行磨损试验时，只需将上述试验过程中的玻璃盘替换为相同规格的金属盘，其原理和试验方法大致相同。在磨损试验完成后，使用表面形貌仪等测量钢球12和金属盘的磨损状况即可。

Claims (10)

1.一种双向变速可变载荷接触润滑磨损一体实验机，其特征在于：包括框架、加载装置、钢球驱动装置、玻璃盘驱动装置、凸轮驱动装置和光学采集系统，其中：

钢球驱动装置、玻璃盘驱动装置和凸轮驱动装置设于所述框架上；

钢球驱动装置用于驱动钢球；当进行润滑实验时，玻璃盘驱动装置用于驱动玻璃盘，当进行磨损实验时，玻璃盘驱动装置用于驱动金属盘；

加载装置，用于使钢球的上端与玻璃盘或金属盘下表面接触连接，并向钢球施加变化载荷；

凸轮驱动装置，用于使钢球在轴向上的速度发生变化；

钢球与玻璃盘或金属盘在球驱动装置、玻璃盘驱动装置、凸轮驱动装置和加载装置的作用下，相接触并在一定规律的压力下做相对运动；

光学采集系统，用于采集钢球与玻璃相对运动后产生的油膜图像或磨损情况。

2.如权利要求1所述的一种双向变速可变载荷接触润滑磨损一体实验机，其特征在于，所述钢球驱动装置包括电机支架一、电机一、联轴器一、钢球连杆和钢球；电机支架一设于所述框架上，电机支架一上设有电机一，电机一通过联轴器一连接滚子连杆的一端，滚子连杆的另一端设有钢球。

3.如权利要求1所述的一种双向变速可变载荷接触润滑磨损一体实验机，其特征在于：所述玻璃盘驱动装置包括玻璃盘或金属盘、玻璃盘套筒、玻璃盘套筒端盖、玻璃盘压盖、调心滚子轴承、联轴器二、电机支架二和电机二；电机支架二设于所述框架上，电机支架二上设有电机二，电机二通过联轴器二与玻璃盘旋转杆一端连接，玻璃盘旋转杆的另一端设有所述玻璃盘或所述金属盘和玻璃盘压盖；玻璃盘套筒设于所述框架上，玻璃盘套筒内设有调心滚子轴承，玻璃盘套筒上方设有玻璃盘套筒端盖，玻璃盘旋转杆中部穿过玻璃盘套筒端盖后套设于所述调心滚子轴承中。

4.如权利要求3所述的一种双向变速可变载荷接触润滑磨损一体实验机，其特征在于：所述玻璃盘旋转杆与所述玻璃盘或金属盘之间以及所述玻璃盘或金属盘与玻璃盘压盖之间分别设有橡胶垫。

5.如权利要求3所述的一种双向变速可变载荷接触润滑磨损一体实验机，其特征在于：所述加载装置包括钢球夹具、加载托板、轴承座、加载套筒、顶针、联轴器三、电机支架三、减速器和电机三；所述框架设有的下台面上设有电机支架三；所述框架设有的上台面下方设有加载套筒；所述电机支架三上设有减速器，减速器一端与电机三连接，减速器另一端通过联轴器三与加载套筒一端设有的加载杆连接；加载套筒另一端设有的顶针穿过上台面与上台面上设有的加载托板下板面接触连接；所述加载托板的上板面上设有钢球夹具，钢球夹具支撑连接所述钢球。

6.如权利要求5所述的一种双向变速可变载荷接触润滑磨损一体实验机，其特征在于：所述加载托板通过轴承座连接于所述上台面上，所述顶针穿过上台面支撑连接加载托板下板面的一端，所述加载托板的中部的上板面上设有钢球夹具。

7.如权利要求6所述的一种双向变速可变载荷接触润滑磨损一体实验机，其特征在于：所述钢球夹具包括凹形结构的夹具外壳，凹形结构的底部设于所述加载托板上；夹具外壳的内部并排设有两组轴承，轴承通过贯穿于夹具外壳的轴承轴与夹具外壳连接，所述钢球设于所述并排的两组轴承的上方。

8.如权利要求7所述的一种双向变速可变载荷接触润滑磨损一体实验机，其特征在于：所述加载套筒设有的顶针一端穿过上台面，另一端通过加载套筒中设有的筒芯与所述的加载杆连接；所述筒芯一端连接顶针，筒芯另一端设为管状，管状筒芯端部内设有加载杆的一端；筒芯的管外周和加载杆的外圆周上套设有弹簧；加载杆外圆周上还套设有用于使得弹簧处于压缩状态的加载盘，加载杆和加载套筒之间设有用于防止加载杆从加载套筒内滑落的限位结构。

9.如权利要求8所述的一种双向变速可变载荷接触润滑磨损一体实验机，其特征在于：所述的限位结构包括设在加载套筒筒底端的加载筒端盖，加载筒端盖上设有调心球轴承，加载杆的另一端穿过调心球轴承和加载筒端盖与所述减速器连接；所述顶针和筒芯之间设有用于实时测量顶针受力大小的压力传感器；所述加载套筒侧壁上平行于加载套筒中轴线的轴向上设有用于调整加载盘位置的开口槽。

10.如权利要求9所述的一种双向变速可变载荷接触润滑磨损一体实验机，其特征在于：所述凸轮驱动装置包括设于所述框架上的电机支架四，电机支架四上设有电机四，电机四通过联轴器四和凸轮连杆的一端连接，凸轮连杆的另一端设有凸轮。

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