专利名称：微型滑块轴承润滑油膜测量仪及其滑块调节方法
技术领域：
本发明属于低副接触流体润滑油膜的实验测量设备领域，尤其涉及微型滑块轴承 平面倾角不变条件下流体润滑油膜厚度的测量仪。
背景技术：
油膜润滑是工程中极其重要的一个技术研究领域，它利用润滑油在两摩擦固体表 面之间形成分隔油膜，减少表面磨损。润滑油膜的实验研究主要是测量一对摩擦表面 之间的油膜厚度和形状。油膜润滑中的两摩擦表面根据其接触力学特征分为高副接触 (点接触，线接触)和低副接触(面接触)。对于点、线摩擦接触副，油膜的厚度及 形状测量已经有多种有效方法，如光干涉方法，电容法等。面接触润滑副一般有两种 形式， 一种是轴颈和轴套配合的径向滑动轴承，另外一种是两平面接触的滑块轴承。 常见的面接触润滑油膜厚度测量系统多集中于径向滑动轴承的油膜厚度测量，如光纤 位移传感器方法和超声共振法，常用的方法还包括测量轴套或轴径位移的间接方法。 另一方面，流体润滑油膜厚度的基础理论研究有相当多的部分是以平面接触的滑块轴 承为数学模型进行的，其中两平面的倾角为基本参数之一，对应的基础实验研究要求 测量系统可以将倾角固定为一不变量。由于平面间微小倾角在调节和运动过程中稳定 性方面的技术难度，报导过的十分有限的滑块轴承油膜厚度测量系统都存在其局限 性。图2是英国帝国理工学院使用的一台平面接触滑块轴承油膜厚度测量系统，其局 限性在于(1)滑块倾角不能调节；(2)滑块浮动支承，倾角自适应形成，随速度变 化；(3)在系统允许的工作条件下，滑块工作表面由于热变形变为一凸面，润滑性质 发生变化。同样近十几年来发展起来的磁头一磁盘飞行高度测量系统如图3所示，它 也不能通过改变磁头的几何外形而成为微型滑块轴承润滑油膜测量，其局限性与图2 所示机构类似，即滑块倾角不能调节和滑块浮动支承，另外其量程也不满足滑块轴承 润滑油膜厚度的测量。
发明内容
4针对已有技术的不足，本发明提供一种微型滑块轴承润滑油膜测量仪。 本发明的另一个目的是提供一种微型滑块轴承润滑油膜测量仪滑块倾角的调节 方法。
以下详细介绍本发明一种微型滑块轴承润滑油膜测量仪，包括一机架，用于支撑 和固定各个部件； 一微型滑块，用于与透明圆盘接触形成接触平面； 一透明圆盘，用 于与微型滑块接触形成接触平面； 一微型滑块固定调整单元，用于固定和调节微型滑 块与透明圆盘的接触倾角，其中滑块用柔性多自由度连接机构连接；滑块用一组调节 装置来调节和固定微型滑块倾角； 一透明圆盘回转单元，用于转动透明圆盘； 一加载 单端，用于将微型滑块和透明圆盘接触后的润滑工作表面施加载荷； 一显微千涉测量 单元，它设置于透明圆盘的下方用于测量和显示润滑油膜的厚度和形状。
优化地，上述透明圆盘回转单元由同步带轮带动透明圆盘转动；该透明圆盘顶面 设置垫片，其底面设置胶垫，所述透明圆盘圆周设置用于调节透明圆盘倾角的调节螺 母和与螺母配合的调节螺钉。
优化地，上述微型滑块固定调整单元设置用于固定微型滑块的调节盘，该微型滑 块固定调整单元还设置用于安装调节装置的压板，所述调节装置是圆周均布在所述压 板上的一组调节螺杆，该调节螺杆一端与压板的螺纹配合，另一端顶住调节盘；所述 调节盘和压板之间用柔性多自由度连接机构连接。
优化地，所述柔性多自由度连接机构是由垂直交叉的两组铰轴制成的十字头。
优化地，所述调节盘底面设置安装座，该安装座内安装微型滑块，该微型滑块两 端设置保护垫片，它们用螺钉固定在一起。
优化地，所述一组调节螺杆圆周均布的安装在压板上，该螺杆在压板上中心对称。
本发明还包括一种用于上述测量仪的微型滑块倾角的调节方法，按如下步骤进
行，
1)滑块静态倾角的调节
将微型滑块在微小力作用下使微型滑块下平面与透明圆盘上平面接触，柔性多自 由度连接机构使得微型滑块平面与圆盘平面自动实现平行面接触状态，经轻微扰动在 透明圆盘下方的显微干涉测量单元中观察微型滑块下平面与透明圆盘上平面形成的 光干涉条纹，条纹的多少代表了两表面间倾角的大�。恍鹘诼莞烁谋淦溆氲鹘谂讨渥饔昧Φ拇笮。佣谋湎低车牡员湫瘟浚墒迪治⑿突橄缕矫嬗胪该髟才� 上平面间倾角的随意调整与固定；使用调节螺杆固定调节盘，可以锁定两平面间倾角； 用此方法将滑块静态倾角调节至要求角度并固定； 2)滑块动态倾角的调节
使透明圆盘以设定的角速度旋转，观测干涉条纹的变化，如条纹变化则说明圆盘 转动过程中轴承系统产生跳动和旋摆，从而引起倾角变化，此时使圆盘停止转动，旋 转不同的调节螺钉施加预紧力，改变局部系统刚度，使条纹数量恢复设定值，继续使 圆盘转动并重复该调节过程，直至圆盘旋转过程中倾角维持不变。
本发明的优点是-
(1) 使用本发明在静态条件下可得到设定的微滑块工作平面与透明光学圆盘之 间的倾角。倾角的调节包括大小和方向。
(2) 本发明调节上述倾角效率高，精度高，倾斜面两侧高度差调节精度为0. 2微米。
(3) 使用本发明可实现动态条件下载荷与速度变化时微滑块工作平面与透明光 学圆盘之间的倾角不变。
(4) 当载荷和透明光学圆盘的旋转速度变化时，会观察到干涉条纹发生平移。
(5) 当载荷和透明光学圆盘的旋转速度变化时，对应的最小油膜厚度发生变化。
附图l是本发明的立体附图2是本发明以前的另一种测量装置示意附图3是本发明以前的另一种测量装置示意附图4是本发明微型滑块与透明圆盘接触部分的立体附图5是图4的主剖视附图6是本发明微型滑块固定调整单元的立体附图7是本发明微型滑块与十字头的立体附图8是本发明透明圆盘回转单元结构附图9是本发明微型滑块倾角调节附图IO是使用本发明调节得到的不同倾魚的干涉图；附图11是本发明显微干涉测量单元结构图。
具体实施例方式
以下结合说明书附图对本发明作进一步披露。
微型滑块固定调整单元l，微型滑块101，调节盘102，十字头103，调节螺杆 104，螺杆压板105，安装座106，螺钉107，保护垫片108,透明圆盘回转单元2， 透明圆盘201，调节螺钉202，调节螺母203，垫片204，胶垫205，外套206，轴承 207，同步带轮208，内套209，轴承压盖210，显微干涉测量单元3，支架301，商 用三维位移台302，商用同轴光照明显微镜303，商用CCD 304，加载单元4，加载螺 杆401，加载弹性连接402，商用数显拉力计403，平衡弹性连接404，平衡螺杆405， 加载杠杆406，杠杆支座407，机架5。 实施例1:
一种用于上述测量仪的微型滑块倾角的调节方法，按如下步骤进行，
1) 滑块静态倾角的调节
将微型滑块101与十字头103固定连接，在微小力作用下使微型滑块101下平面 与透明圆盘201上平面接触，十字头103使得微型滑块平面与圆盘平面自动实现平行 面接触状态，经轻微扰动可十分容易地在光学透明圆盘201下方的光干涉系统中观察 到微型滑块101下平面与透明圆盘201上平面形成的光干涉条纹，条纹的多少代表了 两表面间倾角的大小。使用调节螺杆104固定调节盘102，可以锁定两平面间倾角。 旋转调节螺杆104改变其与调节盘102之间作用力的大小，从而改变系统的弹性变形 量，可实现微型滑块101下平面与透明圆盘201上平面间倾角的随意调整与固定。用 此方法将滑块静态倾角调节至要求角度并固定。
2) 滑块动态倾角的调节
首先在接触位置将静态倾角调节至要求角度。使光学透明圆盘201以设定的角速 度旋转，观测干涉条纹的变化，如条纹变化则说明圆盘转动过程中轴承系统产生跳动 和旋摆，从而引起倾角变化，此时使圆盘停止转动，旋转不同的调节螺钉104共8 个施加预紧力，改变局部系统刚度，使条纹数量恢复设定值。继续使圆盘转动并重复 该调节过程，直至圆盘旋转过程中倾角维持不变。请参阅图l， 一种微型滑块轴承润滑油膜测量仪，包括一机架5为一两层平板结 构，用于支撑和固定各个部件； 一微型滑块101，用于与透明圆盘201接触形成接触 平面； 一透明圆盘201，用于与微型滑块接触形成接触平面； 一微型滑块固定调整单 元l，用于固定和调节微型滑块与透明圆盘的接触倾角，其中滑块101用柔性多自由 度连接机构连接；滑块用一组调节装置来调节和固定微型滑块倾角； 一透明圆盘回转 单元2，用于转动透明圆盘； 一加载单端4，用于将微型滑块和透明圆盘接触后的润 滑工作表面施加载荷； 一显微千涉测量单元3，它设置于透明圆盘的下方用于测量和 显示润滑油膜的厚度和形状。
加载单元4如图1由加载螺杆401，加载弹性连接402，商用数显拉力计403， 平衡弹性连接404，平衡螺杆405，加载杠杆406和杠杆支座407组成，用于润滑工 作表面载荷的施加。通过平衡螺杆405实现重力与弹性力平衡，使润滑工作表面载荷 置零。
显微干涉测量单元3如图ll所示，由支架301，商用三维位移台302，商用同轴 光照明显微镜303和商用CCD 304，安装于透明圆盘201下方。其最优工作位置由商 用三维位移台302调节。测量光经商用同轴光照明显微镜303物镜入射至微型轴承工 作面产生干涉条纹，由CCD 304俘获，经处理得到油膜厚度和形状。
请参阅图8，透明圆盘回转单元2由外套206和内套209安装而成，其顶端有轴 承压盖210，同步带轮208通过轴承207带动透明圆盘201，该透明圆盘201顶面设 置垫片204，其底面设置胶垫205，所述透明圆盘201圆周设置用于调节透明圆盘倾 角的调节螺母203和与螺母配合的调节螺钉202。
请参阅附图4，图5，图6和图7，上述微型滑块固定调整单元1设置用于固定 微型滑块101的调节盘102，该微型滑块固定调整单元还设置用于安装调节装置的螺 杆压板105，所述调节装置是圆周均布在所述压板上的8个调节螺杆104，该调节螺 杆104—端与压板105的螺纹配合，另一端顶住调节盘102;所述调节盘102和压板 105之间用柔性多自由度连接机构连接。所述柔性多自由度连接机构是由垂直交叉的 两组铰轴制成的十字头103。
8调节盘102底面设置安装座106，该安装座106内安装微型滑块101，该微型滑 块两端设置保护垫片108，它们用螺钉107固定在一起。
微型滑块101，调节盘102，十字头103，调节螺杆104，螺杆压板105，安装座 106，螺钉107，保护垫片108;
请参阅附图9， 8个调节螺杆104圆周均布的安装在压板上，该螺杆在压板上中 心对称。
实施过程
清洁微滑块101工作平面，将其安装于微滑块固定调整单元的凹槽中，侧面加保 护垫片108，以凹槽侧面的螺钉107紧固。清洁透明光学圆盘201的两表面，在平面 圆盘回转单元内套209上部的内凸肩处放置胶垫205，依次放置透明光学圆盘201， 胶垫205，垫片204和调节螺母203，并以调节螺钉202将透明光学圆盘预固定。
调节杠杆支座407，得到设定的r值。
脱开加载弹性连接402与数显拉力计403的结合。
放松固定调整单元上方的8个调节螺杆104,使微滑块101可随十字头自由摆动。 转动平衡螺杆405施加微力使微滑块101表面与透明光学圆盘201表面接触，稍加扰 动可看到接触区内干涉条纹出现，旋紧调节螺杆104以固定条纹。
调节平衡螺杆405，观察条纹使微滑块101与透明光学圆盘201处于似接触非接 触状态，此时平衡弹性连接404的弹性力与加载杠杆406及微滑块固定调整单元1 的重力平衡。
连接加载弹性连接402与数显拉力计403，旋转加载螺杆401，直至载荷达到设定值。
调节微滑块固定调整单元上的8个调节螺杆104，可以改变两平面间夹角及夹角 的方向(即条纹的疏密和方向)，得到设定的平面夹角。图9和图IO给出了一个调节 实例。图9给出了两平面间的初始位置和调节螺杆的编号，图10给出了旋紧各个调 节螺杆对于两平面间夹角及夹角的方向的影响。
旋转光学圆盘201， 一般地，由于轴承系统产生跳动和旋摆，两平面间的倾角会 产生变化，表现为所观察到的干涉条纹的疏密程度和方向的变化。在干涉条纹的疏密程度和方向变化的位置使光学圆盘201停止转动，调整单调节螺杆104，使干涉条纹 的疏密程度和方向恢复到设定状态。重复该过程，直到干涉条纹的疏密程度和方向的 变化在误差范围以内。
实验开始，速度达到设定值后，使光学圆盘201停止转动，记录光强变化并进行 处理，获得最小油膜厚度。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不限于上述操作，所有在本 发明的实质范围内作出的变化、改型、添加或替换，都应属于本发明的保护范围。
权利要求
1、一种微型滑块轴承润滑油膜测量仪，其特征是；包括一机架，用于支撑和固定各个部件；一微型滑块，用于与透明圆盘接触形成接触平面；一透明圆盘，用于与微型滑块接触形成接触平面；一微型滑块固定调整单元，用于固定和调节微型滑块与透明圆盘的接触倾角，其中滑块用柔性多自由度连接机构连接；滑块用一组调节装置来调节和固定微型滑块倾角；一透明圆盘回转单元，用于转动透明圆盘；一加载单端，用于将微型滑块和透明圆盘接触后的润滑工作表面施加载荷；一显微干涉测量单元，它设置于透明圆盘的下方用于测量和显示润滑油膜的厚度和形状。
2、 根据权利要求1所述的微型滑块轴承润滑油膜测量仪，其特征是；上述透 明圆盘回转单元由同步带轮带动透明圆盘转动；该透明圆盘顶面设置垫片，其底 面设置胶垫，所述透明圆盘圆周设置用于调节透明圆盘倾角的调节螺母和与螺母 配合的调节螺钉。
3、 根据权利要求1或2所述的微型滑块轴承润滑油膜测量仪，其特征是；上 述微型滑块固定调整单元设置用于固定微型滑块的调节盘，该微型滑块固定调整 单元还设置用于安装调节装置的压板，所述调节装置是圆周均布在所述压板上的 一组调节螺杆，该调节螺杆一端与压板的螺纹配合，另一端顶住调节盘；所述调 节盘和压板之间用柔性多自由度连接机构连接。
4、 根据权利要求3所述的微型滑块轴承润滑油膜测量仪，其特征是；所述柔 性多自由度连接机构是由垂直交叉的两组铰轴制成的十字头。
5、 根据权利要求4所述的微型滑块轴承润滑油膜测量仪，其特征是；所述调 节盘底面设置安装座，该安装座内安装微型滑块，该微型滑块两端设置保护垫片， 它们用螺钉固定在一起。
6、 根据权利要求3所述的微型滑块轴承润滑油膜测量仪，其特征是；所述一 组调节螺杆圆周均布的安装在压板上，该螺杆在压板上中心对称。
7、 一种用于上述测量仪的微型滑块倾角的调节方法，其特征是；按如下步骤 进行，1) 滑块静态倾角的调节将微型滑块在微小力作用下使微型滑块下平面与透明圆盘上平面接触，柔性 多自由度连接机构使得微型滑块平面与圆盘平面自动实现平行面接触状态，经轻 微扰动在透明圆盘下方的显微干涉测量单元中观察微型滑块下平面与透明圆盘上 平面形成的光干涉条纹，条纹的多少代表了两表面间倾角的大小；旋转调节螺杆 改变其与调节盘之间作用力的大�。佣谋湎低车牡员湫瘟浚墒迪治⑿突� 块下平面与透明圆盘上平面间倾角的随意调整与固定；使用调节螺杆固定调节盘， 可以锁定两平面间倾角；用此方法将滑块静态倾角调节至要求角度并固定；2) 滑块动态倾角的调节使透明圆盘以设定的角速度旋转，观测干涉条纹的变化，如条纹变化则说明 圆盘转动过程中轴承系统产生跳动和旋摆，从而引起倾角变化，此时使圆盘停止 转动，旋转不同的调节螺钉施加预紧力，改变局部系统刚度，使条纹数量恢复设 定值，继续使圆盘转动并重复该调节过程，直至圆盘旋转过程中倾角维持不变。
全文摘要
本发明公开了一种微型滑块轴承润滑油膜测量仪，包括一机架，一微型滑块，一透明圆盘，一微型滑块固定调整单元，滑块用一组调节装置来调节和固定微型滑块倾角；一透明圆盘回转单元，一加载单端，一显微干涉测量单元。本发明调节上述倾角效率高，精度高，倾斜面两侧高度差调节精度为0.2微米。使用本发明在静态条件下可得到设定的微滑块工作平面与透明光学圆盘之间的倾角。倾角的调节包括大小和方向。
文档编号G01B11/06GK101458068SQ20081024967
公开日2009年6月17日 申请日期2008年12月27日 优先权日2008年12月27日
发明者付忠学, 峰 郭, 冲 马, 黄柏林 申请人:青岛理工大学
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