一种模拟非透明材料配副的摩擦润滑特性测试装置及方法

1.一种模拟非透明材料配副的摩擦润滑特性测试装置，其特征在于：包括机架(1)、圆盘回驱系统(2)、加载系统(3)、平移系统(4)、润滑系统(5)和测量系统(6)，圆盘回驱系统(2)安装在机架(1)的顶端台面上，圆盘回驱系统(2)包括回转轴(26)和圆盘试件(28)，回转轴(26)竖直贯穿于机架(1)的台面，圆盘试件(28)水平设置在机架(1)的台面下方，圆盘试件(28)中心通过连接元件与回转轴(26)下端连接，加载系统(3)安装在机架(1)的后侧，加载系统(3)包括竖直布置的加载板(35)，平移系统(4)水平安装在加载板(35)上，平移系统(4)包括水平布置的平移板(45)，润滑系统(5)位于机架(1)的左侧，润滑系统(5)包括油箱(51)、齿轮泵(52)、供油管(53)、节流阀(54)、喷嘴(55)、油池(56)、回油管(57)和引流帽(58)，供油管(53)前端插入油箱(51)中，齿轮泵(52)和节流阀(54)均安装在供油管(53)上，喷嘴(55)与供油管(53)尾端连接，喷嘴(55)安装在油池(56)内球盘接触区附近，油池(56)安装在平移板(45)上，油池(56)底部开设圆孔供球夹具穿过，并在开口处设有竖直布置的圆柱筒，圆柱筒的内径大于球夹具外径，引流帽(58)套装在球夹具上部，引流帽(58)为外沿向下倾斜的圆环形板状结构，引流帽(58)的外径较油池内部圆柱筒的外径大2-3mm，回油管(57)前端与油池(56)出油口连接，回油管(57)尾端插入油箱(51)中，测量系统(6)包括载荷测试单元与膜厚测试单元，载荷测试单元包括球试件(63)、三维力传感器(64)和球夹具(65)，三维力传感器(64)安装在平移板(45)上，球夹具(65)安装在三维力传感器(64)上，球试件(63)固定在球夹具(65)上端，球试件(63)与圆盘试件(28)下表面接触，球盘接触区附近设置喷嘴(55)，膜厚测试单元包括水池支架(61)、水池(62)、探头调整装置(66)、探头夹具(67)和超声探头(68)，水池支架(61)倒立安装在机架(1)的台面下方，水池(62)倒立安装在水池支架(61)下方，水池(61)上端和下端分别开有注水口和排水口，水池(62)下端与圆盘回驱系统(2)的圆盘试件(28)连接并在连接处做好密封，工作前将水池(61)中充满纯净水作为耦合剂，探头调整装置(66)安装在机架(1)中部，探头夹具(67)右端与探头调整装置(66)连接，探头夹具(67)左端水平穿过水池(62)的外壁并伸入内部并在连接处做好密封，超声探头(68)为水浸式聚焦探头，超声探头(68)固定在探头夹具(67)左端，利用探头调整装置(66)调节超声探头(68)的位置使超声探头(68)的测量区域对准球盘接触区，圆盘回驱系统(2)的回转轴(26)中轴线、测量系统(6)的球夹具(65)中轴线、超声探头(68)中轴线位于同一竖直面。 2.根据权利要求1所述的一种模拟非透明材料配副的摩擦润滑特性测试装置，其特征在于：球试件(63)和圆盘试件(28)组成摩擦副，其中，球试件(63)采用M50钢球或GCr15钢球，圆盘试件(28)采用M50钢盘、M50NiL钢盘或GCr15钢盘。 3.根据权利要求1所述的一种模拟非透明材料配副的摩擦润滑特性测试装置，其特征在于：圆盘回驱系统(2)还包括电机(21)、电机座(22)、联轴器(23)、轴承座(24)、内套(25)、轴承端盖(29)、支撑轴承(210)和预紧螺母(211)，电机座(22)安装在机架(1)的台面上，电机(21)安装在电机座(22)上，电机(21)的转轴通过联轴器(23)与回转轴(26)上端连接，轴承座(24)倒立安装在机架(1)的台面下方，回转轴(26)通过轴承座(24)内的一对面对面安装的支撑轴承(210)支撑，支撑轴承(210)上方通过预紧螺母(211)预紧，两个支撑轴承(210)之间与下方分别通过内套(25)与轴承端盖(29)定位。 4.根据权利要求1所述的一种模拟非透明材料配副的摩擦润滑特性测试装置，其特征在于：加载系统(3)还包括第一锁紧环(31)、第一滑块导轨装置(32)、第一丝杠螺母装置(33)和第一手轮(34)，第一滑块导轨装置(32)与第一丝杠螺母装置(33)均竖直安装在机架(1)的后侧，第一丝杠螺母装置(33)中丝杠下端与第一手轮(34)连接，第一丝杠螺母装置(33)中丝杠上端与第一锁紧环(31)连接，加载板(35)同时与第一丝杠螺母装置(33)中螺母座和第一滑块导轨装置(32)中滑块连接。 5.根据权利要求4所述的一种模拟非透明材料配副的摩擦润滑特性测试装置，其特征在于：平移系统(4)还包括第二手轮(41)、第二丝杠螺母装置(42)、第二滑块导轨装置(43)和第二锁紧环(44)，第二滑块导轨装置(43)与第二丝杠螺母装置(42)均水平安装在加载板(35)上，第二丝杠螺母装置(42)中丝杠左端与第二手轮(41)连接，第二丝杠螺母装置(42)中丝杠右端与第二锁紧环(44)连接，平移板(45)同时与第二丝杠螺母装置(42)中螺母座和第二滑块导轨装置(43)中滑块连接。 6.根据权利要求5所述的一种模拟非透明材料配副的摩擦润滑特性测试装置，其特征在于：载荷测试单元还包括三通道变送器、转换器和上位机，三维力传感器(64)的载荷信号依次通过三通道变送器与转换器输送至上位机。 7.根据权利要求6所述的一种模拟非透明材料配副的摩擦润滑特性测试装置，其特征在于：膜厚测试单元还包括脉冲收发器、脉冲控制器和数据采集存储装置，脉冲收发器和脉冲控制器与超声探头(68)连接以触发超声信号并接收回波信号，回波信号再通过数据采集存储装置输送至上位机。 8.一种基于权利要求7所述的模拟非透明材料配副的摩擦润滑特性测试装置的方法，其特征在于：所述的模拟非透明材料配副的摩擦润滑特性测试方法是通过以下步骤实现的，步骤一、球盘之间的组装：首先，利用加载系统(3)将球试件(63)与圆盘试件(28)分离至足够距离，以便更换球试件(63)与圆盘试件(28)，然后，将球试件(63)固定在球夹具(65)上端，最后，将圆盘试件(28)通过圆盘压紧螺母27安装在回转轴(26)下端；步骤二、超声探头与球试件之间位置的调整：首先，利用平移系统(4)将球试件(63)移动至实验设定位置，然后，利用探头调整装置(66)将超声探头(68)移动至其中轴线与球试件(63)中心重合的位置上；步骤三、耦合剂的注入：首先，关闭水池(62)排水孔，打开水池(62)注水孔，然后，向水池(62)内注满纯净水，关闭注水孔；步骤四、球盘之间的加载：利用加载系统(3)向上移动球试件(63)来进行球试件(63)与圆盘试件(28)之间的加载，过程中通过三维力传感器(64)获得加载值，当加载值达到实验设定值时停止加载，此时球试件(63)与圆盘试件(28)之间获得一定的接触载荷；步骤五、润滑油的持续供应：采用喷油润滑方式，首先，检查润滑系统(5)管路，然后，打开齿轮泵(52)，使润滑油持续供应到球盘接触区，此时球试件(63)与圆盘试件(28)之间获得一定的油膜厚度；步骤六、圆盘试件的旋转驱动：利用圆盘回驱系统(2)驱动圆盘试件(28)旋转，使圆盘试件(28)转速达到实验设定值，此时球试件(63)与圆盘试件(28)之间获得一定的滑动速度和摩擦系数；步骤七、润滑油膜厚度及摩擦系数的获取：首先，开启超声脉冲收发器与高速数据采集存储装置，超声探头(68)开始工作，然后，测量运行中的润滑油膜厚度，同时通过三维力传感器(64)测得摩擦力，联合加载值可得摩擦系数；实验完成后，将试验机恢复原样，并将设备擦拭干净，保存数据，关闭电源。 9.根据权利要求8所述的模拟非透明材料配副的摩擦润滑特性测试方法，其特征在于：当摩擦副为M50钢球-M50钢盘时，滑动速度为1m/s，接触载荷为1GPa，摩擦系数为0.081～0.148；或：当摩擦副为M50钢球-M50NiL钢盘时，滑动速度为0.1m/s，接触载荷为1GPa，摩擦系数为0.083-0.088；或：当摩擦副为GCr15钢球-GCr15钢盘时，滑动速度为30mm/s，接触载荷为0.5GPa，油膜厚度为0.33；或：当摩擦副为GCr15钢球-GCr15钢盘时，滑动速度为60mm/s，接触载荷为0.5GPa，油膜厚度为0.49。