[发明专利]偏斜滚子摩擦副润滑油膜测量实验台

说明书

技术领域

本发明涉及的是测量偏斜状态下滚子摩擦副弹流润滑油膜厚度及其形状的技术领域，具体涉及一种偏斜滚子摩擦副润滑油膜测量实验装置。 

背景技术

随着国民经济建设的高速发展和能源短缺的危机加重，机械装备逐渐向高速重载方向发展，而绿色经济的技术要求则不断提高，作为决定各类机械设备动性能的关键动部件，滚子摩擦副的设计与润滑技术的重要性日显突出，这可从目前我国高速客车轴承、精密机床主轴轴承、隧道盾构机主轴轴承与拼装机回转支承，风力发电、巨型远洋轮船和大型工程机械等重大装备的变速齿轮箱与关键轴承需全部或大部分依赖进口即可见一斑，因为此类国产关键零部件的性能和可靠性远远低于进口国外高端同类产品的价值，而进口轴承中多数为滚子类轴承，这也从另一角度说明必须重视滚子摩擦副的摩擦学基础问题研究，而研究中所需的有关滚子摩擦副润滑膜特性测量技术则是其中的瓶颈之一。 

由于工程实际需要，国内外学者针对滚子摩擦副的研究已经进行了多年，并在弹性接触力学数值分析方法和干接触压力分布实验二个方面取得显著成果。半个多世纪以来，增加考虑滚动速度、润滑剂性能、温度变化、接触副表面形貌、动载荷等动态工况参数的弹流润滑理论和实验研究已获得重大进展，特别是赫兹接触(无限长线接触与点接触)弹流研究成果已相当丰富，分析与试验技术相对较完善。而非赫兹接触的有限长线接触弹流研究也在近二十年获得了明显突破，相关轴向均匀接触工况的弹流润滑理论成果已逐渐被应用于滚子摩擦副的凸度、承载能力与润滑性能设计中。从而大大拓宽了滚子摩擦副的使用工况条件并提高了其机械性能。 

虽然是按理想线接触状态设计，但实际工程中，大量滚子摩擦副因下列某些因素而常常工作在沿滚子轴向不均匀接触与润滑状态： 

①大锥度的滚子摩擦副(圆锥滚子轴承、伞齿轮、锥环式无级变速器等)因接触副二 端半径不等造成沿滚子母线的载荷分布不均匀以及线速度不等。 

②因加工工艺因素，造成凸度滚子摩擦副二端的修形量不相等，产生凸度不对称，二端几微米的误差即会使沿滚子母线的载荷分布不对称且左右差别很大，左右膜厚的原始轮廓几何间隙不对称。 

③因安装误差、实际工作时载荷加载位置的变动、接触副径向间隙和支撑轴的弯曲等因素，将使滚子摩擦副不可避免地产生载荷偏置，造成载荷分布沿滚子母线的不对称。 

④高速圆柱滚子推力轴承和平面滚针轴承中的滚动体二端会产生的较大线速度差，造成滚动速度沿滚子轴向的不均匀。 

⑤由于主机结构限制而采用的单侧供油方式，常因高速旋转体产生的气流屏障或离心抛油效应，会使得滚子远端的供油量大大小于其近端。 

⑥圆锥滚子轴承的轴向力由其挡边承载，因滚子径、轴向承力性质与运动及润滑状态差别很大，故必有耦合效应存在。 

上述某一因素或若干因素综合作用的结果即会造成滚子摩擦副的一端提早出现烧伤或胶合或轴向不均匀变形等失效现象，严重限制了线接触副的承载能力和工作速度。这是滚子摩擦副因有限长线接触而产生的严重共性问题，也是制约我国许多机械产品在高速重载下性能差的因素之一，目前尚无对此问题的相关定量分析设计和试验测量方法，通常是根据轴承疲劳寿命试验结果进行经验判断，摸索修改设计，费时费力。 

现代机械工业中滚子摩擦副的失效大多数是由弹流润滑失效所引起的。特别是随着先进动力机械不断向高速和重载方向发展，工业技术的进步对机械零件的性能提出了越来越高的要求，弹流润滑失效现象越来越多。为了有效地减小有害摩擦、降低磨损、延长机械零件的使用寿命和提高生产效率，需要开展对弹流润滑的成膜机理进行理论研究，以揭示弹性流体动力润滑的影响因素。同时需要有可靠的实验装置，提供有效的实验数据加以验证。 

确定弹流润滑接触区中的油膜厚度及其几何形态是最为重要的研究问题之一，因为它决定着两相对运动材料表面的接近程度以及它们之间的接触应力，从而对系统的摩擦、磨损和疲劳失效起着支配性的作用。工作在弹流润滑状态下的滚子摩擦副，其润滑膜所处的条件特殊(接触区或极小，典型的只有0.2mm宽1.0μm厚、长宽比大于30、 油膜压力高约1.0GPa、剪切应变率高约10⁵～10⁶s^-1、通过接触区时间约10^-3s)。要求对出现在这样微小空间内复杂的润滑现象进行测试，在技术上是相当困难的。在弹流的研究中，通常测试内容主要是油膜厚度、油膜形状、压力分布和温度场分布等。常规的机械量测试方法通常不适用，因而必须采用专门测试技术。