專利名稱：圓錐滾子潤滑工況的等效實驗模擬裝置及測量方法
技術領域：
本發明涉及流體潤滑油膜測量領域，更具體地，本發明涉及包括光干涉法測量油膜厚度方法，所述圓錐滾子與玻璃盤線接觸實驗裝置用于模擬圓錐滾子類接觸形式運轉狀態以測得油膜厚度。
背景技術：
在實際工程中，齒輪傳動和滾動軸承有廣泛的應用。這些零部件在工作過程中的潤滑性能是影響其性能和壽命的主要因素，油膜厚度是其設中考慮的重要參數，但其測量比較困難。其中斜齒輪傳動在每一嚙合瞬時相當于一對圓錐滾子的反向接觸。而在軸向力較大的場合，圓錐滾子軸承有著廣泛應用，其中每一圓錐滾子與滾道的接觸也是有限長線接觸問題。上世紀40年代末，Ertel和Grubin在考慮表面彈性變形和潤滑油黏壓效應的前提下，對線接觸問題進行了卓有成效的分析。到了 60年代,Dowson和Higginson等人利用計算機和數值分析對于等溫線接觸彈流潤滑問題發表了系統的計算結果。在潤滑理論的基礎研究領域，研究人員傾向于用最簡潔的數學模型反應較復雜的潤滑問題和揭示潤滑機理。由此斜齒輪嚙合 、滾子與軸承滾道之間的接觸方式被等效為滾子和平面的接觸，該模型可以很好的模擬滾子與滾道接觸時的潤滑狀態，見圖1。在此模型的理論和數值計算方面已經有了很多有意義的結果，所以有必要開發一些實驗模型來驗證計算的結果。對比球-盤點接觸模型，此模型由于接觸區域為較長的一條線，很難實現圓錐滾子和平面的完全接觸，本實驗裝置基于圓錐滾子和平面的接觸模型，可完成軸承運轉時的工況模擬，因此對于實驗研究和實際工程有重要意義。
發明內容
提供一種用于圓錐滾子軸承等零部件潤滑工況等效試驗模擬裝置及測量方法，能夠直接觀察圓錐滾子與平面接觸時的運動狀態，同時測量分析潤滑油膜的潤滑狀態，為理論研究與工程技術改進提供實驗數據。為解決上述技術問題，本發明所采用的技術方案是，圓錐滾子軸承潤滑工況的等效實驗模擬裝置，它包括圓錐滾子、與圓錐滾子接觸的接觸部件、用于支撐圓錐滾子的滾子支撐單元、以及用于驅動圓錐滾子轉動的圓錐滾子驅動單元，所述圓錐滾子驅動單元包括電機、楔形件和柔性聯軸器，所述電機的輸出軸通過柔性聯軸器來驅動所述圓錐滾子，所述電機通過所述楔形件連接到所述滾子支撐單元，所述楔形件的傾角與所述圓錐滾子的半錐角基本相同，從而使得所述圓錐滾子在轉動過程中與所述接觸部件保持線接觸。上述圓錐滾子軸承潤滑工況的等效實驗模擬裝置，還包括工作臺，所述圓錐滾子驅動單元包括設置在工作臺上的托板，所述電機通過電機支架安裝在托板上。所述與圓錐滾子接觸的接觸部件是玻璃盤，其由接觸部件驅動單元驅動做旋轉運動。用于驅動所述接觸部件的接觸部件驅動單元包括固定在工作臺上的外套筒，所述外套筒內部設置有驅動接觸部件轉動的主軸。所述主軸通過兩對背靠背安裝的角接觸球軸承定位于外套筒內部。滾子支撐單元包括支撐圓錐滾子的軸承，軸承安裝在軸承軸上，軸承軸安裝于軸承支桿上。所述軸承支桿上部圓柱面上有螺紋孔，軸承軸上加工有螺紋以與所述螺紋孔連接。所述電機的輸出軸通過柔性聯軸器連接到回轉軸以驅動所述圓錐滾子轉動，以補償加工、安裝誤差以及自動適應加載后的變形導致的圓錐滾子軸線位置的變化，實現完整的線接觸。所述回轉軸通過螺釘連接圓錐滾子，其軸端面加工出螺紋孔，圓錐滾子加工出臺階孔。上述圓錐滾子軸承潤滑工況的等效實驗模擬裝置，還包括與滾子支撐單元相連的加載單元，所述加載單元包括對接觸部件施加可調節負載的加載螺桿。上述圓錐滾子軸承潤滑工況的等效 實驗模擬裝置，還包括用于測量圓錐滾子與接觸部件接觸中的油膜厚度的光學測量單元。光學測量單元包括固定在工作臺上的顯微鏡支架，顯微鏡支架上設置2個位移臺以實現顯微鏡在水平面的移動，位移臺上設置有調焦手輪用于調整顯微鏡焦距，顯微鏡上連接有CCD用于將干涉圖像采集到電腦上，顯微鏡鏡頭對準線接觸副位置。一種用于上述實驗裝置的測量方法，包括以下步驟:(I)預備步驟，其中確定圓錐滾子大小并將其連接到圓錐滾子驅動單元，使該圓錐滾子與接觸部件接觸，在電機不通電的情況下對接觸部件加載至期望的載荷；(2)調整接觸部件的步驟，其中以第一轉速轉動接觸部件，進行調整以使所施加的載荷穩定；(3)驅動步驟，其中驅動接觸部件和圓錐滾子中之一或者二者以第二轉速轉動，第二轉速大于第一轉速；(4)測量分析步驟，其中采集圓錐滾子與接觸部件之間接觸部位的圖像，分析該圖像得到不同工況下接觸部位的油膜厚度。本發明具有如下主要功能和有益效果:采用圓錐滾子與平面接觸模型模擬圓錐滾子軸承運轉狀態，通過觀察二者接觸時的潤滑狀態，獲取不同載荷、速度、滑滾比工況下的油膜干涉圖，例如圖7，并根據干涉圖計算油膜厚度，分析潤滑狀態，便于與理論計算數據結果對比。通過滾子與電機的柔性連接設計，使得圓錐滾子與平面接觸時方便容易地實現完整的線接觸。
包含在說明書中且構成說明書一部分的
了本發明的實施例，并且與以上給出的本發明的總體說明以及以下給出的實施例(多個實施例)的詳細說明一起用于解釋本發明的原理。其中:圖1是圓錐滾子與軸承滾道接觸等效模型圖；圖2是包括根據本發明的圓錐滾子軸承等效實驗模擬裝置的實施例的透視圖；圖3是滾子驅動單元；圖4是滾子驅動電機與滾子回轉軸連接剖視圖5是玻璃盤驅動單元的剖視圖；圖6是圓錐滾子支撐單元的透視圖；圖7是本發明實例中圓錐滾子與玻璃盤接觸時油膜光干涉圖
具體實施例方式參照圖2，本實施例的圓錐滾子軸承潤滑工況的等效實驗模擬裝置包括工作臺1，工作臺I上設置圓錐滾子驅動單元2和玻璃盤驅動單元3，圓錐滾子驅動單元驅動圓錐滾子23轉動，圓錐滾子23由滾子支撐單元4支撐，滾子支撐單元4連接加載單元5，同時圓錐滾子23與玻璃盤31接觸副部分與光學測量單元6相配合。參照圖2和圖3及4，滾子驅動單元2包括設置在工作臺I上臺面上的托板21，托板21的一端設置控制托板移動的手輪22，托板21的中部固定有電機26，電機26通過柔性聯軸器29連接回轉軸24，回轉軸24驅動圓錐滾子23轉動。托板21與手輪22的配合，實現裝置水平移動，調節位置；電機26提供動力驅動圓錐滾子23轉動。回轉軸24 —端通過柔性聯軸器29連接電機26，另一端通過螺釘25連接圓錐滾子23，回轉軸24端面加工出螺紋孔，圓錐滾子加工出臺階光孔。電機26通過楔形塊27與電機支架28相連，電機支架28固定于托板21上并且電機支架28的位置可以相對托板21調整，楔形塊27傾角與圓錐滾子23半錐角相同，電機26與楔形塊27、楔形塊27與電機支架28通過螺釘連接。參照圖5，玻璃盤驅動單元3包括固定在工作臺I上臺面上的外套筒35，外套筒35內部設置有驅動玻璃盤轉動的主軸32，玻璃盤31與主軸32通過玻璃盤壓套33固定，實現主軸32驅動玻璃盤31轉動。主軸32通過兩對背靠背安裝的角接觸球軸承38定位于外套筒35內部，軸承38通過外套筒35兩端的軸承端蓋34和外套筒35內部的作用于軸承內圈和外圈的兩個內襯套36、37固定。再次參照圖2，加載單元5包括設置成與底板51相連的彈簧52，彈簧52另一側連接有拉力計53以顯示拉力讀數，拉力計53上端與加載螺桿54相連。加載螺桿54固定在支架55上，旋轉加載螺桿54可實現對底板51的拉力變化。參照圖6，滾子支撐單元4包括支撐圓錐滾子23的軸承42，支撐軸承42的軸承軸43，以及支撐軸承軸43的軸承支桿41。其中，軸承支桿41通過螺釘與底板51連接，軸承支桿41上部圓柱面加工有螺紋孔，軸承軸43上加工有螺紋，以上二者通過螺紋連接。軸承42 一端固定于軸承軸的軸肩上，另一端通過螺母44固定。再次參照圖2，光學測量單元包括固定在工作臺I上的顯微鏡支架65，顯微鏡支架65上安裝2個X-Y位移臺64實現顯微鏡62在水平光面的移動，X-Y位移臺64上設置有調焦手輪63用于調整顯微鏡62焦距，顯微鏡62上連接有(XD61用于將干涉圖像實時采集到電腦上，顯微鏡鏡頭對準線接觸副位置。本實施例的實驗裝置的測量方法，包括以下步驟:(I)預備步驟:確定圓錐滾子23大小并安裝在回轉軸24上，并與玻璃盤31接觸，通過加載單元4加至期望的載荷，此時滾子的驅動電機26不要通電。(2)調整玻璃盤:以第一轉速緩慢轉動玻璃 盤31，通過調整玻璃盤壓套33位置使拉力計讀數穩定。(3)驅動:給玻璃盤驅動單元3或圓錐滾子驅動單元2電機通電或兩個電機都通電用于驅動玻璃盤31或圓錐滾子23或二者轉動。(4)測量分析:利用(XD61將顯微鏡62放大的圖像采集到電腦上，用圖像處理軟件分析出不同工況下圓錐滾子與玻璃盤接觸的油膜厚度。雖然在此已經參照
了本發明的說明性實施例，但應當理解，本發明不限于這些明確的實施例，可以在沒有脫離本發明的范圍和精神的情況下由本領域的技術人員進行的多種其它改變和修改·是有效的。
權利要求
1.一種圓錐滾子軸承潤滑工況的等效實驗模擬裝置，包括圓錐滾子、與圓錐滾子接觸的接觸部件、用于支撐圓錐滾子的滾子支撐單元、以及用于驅動圓錐滾子轉動的圓錐滾子驅動單元，所述圓錐滾子驅動單元包括電機、楔形件和柔性聯軸器，所述電機的輸出軸通過柔性聯軸器來驅動所述圓錐滾子，所述電機通過所述楔形件連接到所述滾子支撐單元，所述楔形件的傾角與所述圓錐滾子的半錐角基本相同，從而使得所述圓錐滾子在轉動過程中與所述接觸部件保持線接觸。
2.根據權利要求1所述的等效實驗模擬裝置，還包括工作臺，所述圓錐滾子驅動單元包括設置在工作臺上的托板，所述電機通過電機支架安裝在托板上。
3.根據權利要求1所述的等效實驗模擬裝置，所述接觸部件是玻璃盤，其由接觸部件驅動單元驅動做旋轉運動。。
4.根據權利要求1-3中任一項所述的等效實驗模擬裝置，其中用于驅動所述接觸部件的接觸部件驅動單元包括固定在工作臺上的外套筒，所述外套筒內部設置有驅動接觸部件轉動的主軸。
5.根據權利要求4所述的等效實驗模擬裝置，其特征在于:所述主軸通過兩對背靠背安裝的角接觸球軸承定位于外套筒內部。
6.根據權利要求1-3中任一項所述的等效實驗模擬裝置，其中所述滾子支撐單元包括支撐圓錐滾子的軸承，軸承安裝在軸承軸上，軸承軸安裝于軸承支桿上。
7.根據權利要求1-3中任一項所述的等效實驗模擬裝置，其中所述電機的輸出軸通過柔性聯軸器連接到回轉軸以驅動所述圓錐滾子轉動，所述回轉軸通過螺釘連接圓錐滾子，其軸端面加工出螺紋孔。
8.根據權利要求1-3中任一項所述的等效實驗模擬裝置，還包括與滾子支撐單元相連的加載單元，所述加載單元包括對接觸部件施加可調節負載的加載螺桿。
9.根據權利要求1-3中任一項所述的等效實驗模擬裝置，還包括用于測量圓錐滾子與接觸部件接觸中的油膜厚度的光學測量單元。
10.一種用于根據權利要求1-9中任一項所述的等效實驗模擬裝置的測量方法，包括以下步驟: (1)預備步驟，其中確定圓錐滾子大小并將其連接到圓錐滾子驅動單元，使該圓錐滾子與接觸部件接觸，在電機不通電的情況下對接觸部件加載至期望的載荷； (2)調整接觸部件的步驟，其中以第一轉速轉動接觸部件，進行調整以使所施加的載荷穩定; (3)驅動步驟，其中驅動接觸部件和圓錐滾子中之一或者二者以第二轉速轉動，第二轉速大于第一轉速； (4)測量分析步驟，其中采集圓錐滾子與接觸部件之間接觸部位的圖像，分析該圖像得到不同工況下接觸部位的油膜厚度。
全文摘要
本發明是一種模擬圓錐滾子軸承等效潤滑工況的實驗方法。在實驗中，圓錐滾子與玻璃盤接觸模擬圓錐滾子軸承滾子與滾道接觸。圓錐滾子內部加工出臺階孔，通過螺釘與滾子驅動軸連接并與其一起轉動，玻璃盤與玻璃盤驅動軸連接并與其一起轉動。圓錐滾子與玻璃盤相互運動時，運動狀態經顯微鏡放大并被采集到電腦上，可以得到干涉圖像。利用光干涉原理可實現油膜厚度測量，從而進一步分析圓錐滾子軸承的潤滑狀態。
文檔編號G01B11/06GK103234470SQ20131015799
公開日2013年8月7日 申請日期2013年5月2日 優先權日2013年5月2日
發明者王文中, 張生光 申請人:北京理工大學