真空環境下球-盤滑動摩擦副液體潤滑狀態光學測試裝置的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種真空環境下球-盤滑動摩擦副液體潤滑狀態光學測試裝置，屬于空間摩擦學技術領域。
【背景技術】
[0002]液體潤滑劑是應用最廣泛的潤滑材料，摩擦副之間潤滑劑的厚度及其分布是確定其潤滑狀態的重要因素，通過光學方法表征摩擦過程中潤滑劑的厚度及其分布是研究潤滑劑狀態的常用手段之一。
[0003]液體潤滑劑包括礦物油、合成油、動植物油和水基液體等。因為這類潤滑劑具有低而穩定的摩擦系數、較寬的粘溫系數、壓縮比小、散熱效率高、對運動部件的尺寸和精度、性價比較高等優點，為解決不同的摩擦工況(負荷、速度和溫度等)條件下運動部件的潤滑問題提供了較多的選擇。近年來，離子液體以其極低具有揮發性和優異的熱穩定性和粘溫性等特點也被應用于鋼/鋼、鋼/鋁、鋼/銅、鋼/單晶硅、鋼/陶瓷、陶瓷/陶瓷等摩擦副的潤滑劑，在室溫或高溫、高低負荷下都具有優良的減摩和抗磨性能。
[0004]采用液體潤滑劑潤滑的摩擦副通常可采用彈流潤滑(ElastohydrodynamicLubricat1n)、邊界潤滑(Boundary Lubricat1n)和干摩擦(Dry Lubricat1n)等描述其潤滑狀態。干摩擦是摩擦副之間無潤滑劑而完全接觸的極端情況，此時摩擦副之間不存在潤滑劑的作用，摩擦學性能完全取決于接觸區的表面性質。彈流潤滑是液體潤滑摩擦副的理想潤滑狀態，此時摩擦副之間被一層完整的潤滑劑薄膜隔開，摩擦主要發生在潤滑劑分子之間，即所謂的內摩擦，摩擦副之間不發生接觸。形成彈流潤滑的必要條件如下:(1)摩擦副接觸表面沿相對運動方向必須形成收斂的楔形間隙，(2)必須有足夠大的相對滑動速度，(3)潤滑油必須有一定的粘度。邊界潤滑是由于摩擦副之間不滿足上述彈流潤滑條件而導致潤滑劑薄膜不完整，摩擦副表面部分接觸的潤滑狀態。此時不能充分發揮液體潤滑劑的特性，決定摩擦表面之間摩擦學性質的是潤滑劑和表面之間的相互作用及所生成的邊界膜的性質。邊界潤滑可以看作由彈流潤滑到干摩擦之間過渡狀態，是一種不穩定的潤滑狀態。可見，潤滑劑薄膜的形成和保持是有條件的，由于摩擦工況和環境的不同，液體潤滑劑在摩擦副之間的厚度及其分布狀態也不一樣，隨著潤滑劑薄膜厚度的變化，潤滑狀態發生變化，相應地導致摩擦副的磨損率發生變化。當摩擦副之間的法向接觸載荷較大，溫度較高，潤滑劑的粘度較小時，潤滑薄膜的厚度也較小。當摩擦條件不足以形成完整的潤滑劑薄膜時，摩擦副之間的油膜厚度發生破裂，摩擦副之間形成部分接觸，導致磨損程度增大。
[0005]在液體潤滑條件下，液體潤滑劑的潤滑狀態是影響液體潤滑摩擦副摩擦學性能的關鍵因素，液體潤滑劑在摩擦副之間的厚度及其分布是表征潤滑劑潤滑狀態的重要參數之一。液體潤滑狀態除了受到潤滑劑本身的性質影響之外，還受到摩擦副材料的材質、形狀、表面狀態，以及摩擦工況和環境的影響，因此，液體潤滑狀態是由特定的潤滑劑、摩擦副、工況和環境等因素確定的總體特性，特別是環境對液體潤滑狀態的影響不可忽視。
[0006]球-盤滑動摩擦副是一種典型的摩擦副形式，可以方便地模擬出多種實際摩擦機構在點-面接觸下的滑動摩擦狀態，摩擦工況(載荷、速度等)易于調控，摩擦副材料容易制備和檢測，實驗條件的重復性較高，是目前摩擦學研究的通用實驗技術之一。
[0007]空間環境下摩擦副及其潤滑狀態是確保航天器運動機構，特別是長期暴露于空間環境下的運動機構可靠性的關鍵。真空環境是空間環境的基本特征，與大氣狀態不同的是在真空下液體潤滑劑易于揮發而導致其性能退化甚至失效。為了更好地應用液體潤滑劑解決空間真空環境中的摩擦學問題，首先必須掌握真空環境下摩擦副之間液體的潤滑狀態及其變化規律。然而目前國內外尚未建立真空環境下表征摩擦副液體潤滑狀態的實驗裝置。

【發明內容】

[0008]本發明的目的在于提供一種真空環境下球-盤滑動摩擦副液體潤滑狀態光學測試裝置，該裝置是將真空系統、球-盤摩擦機構和光學測試系統優化集成，建立具備真空環境下測試潤滑劑厚度及其分布的真空摩擦副液體潤滑狀態光學測試系統，為研究空間真空環境下液體的潤滑狀態及其變化規律提供技術條件。
[0009]—種真空環境下球-盤滑動摩擦副液體潤滑狀態光學測試裝置，其特征在于該裝置包括真空系統、球-盤摩擦機構和光學測試系統:
所述真空系統包括其上設有放氣閥的真空室，該真空室上設有與真空計通過電纜相連的真空規管，且該真空室通過其上設有插板閥的真空管道與分子栗相連；所述分子栗通過真空波紋管與機械栗相連；
所述球-盤摩擦機構包括位于所述真空室內的由上試樣和下試樣組成的摩擦副，所述上試樣為下端面為球面的剛性固體，置于橫桿一端上方的加載砝碼通過穿過橫桿的立桿與上試樣相連；所述橫桿的另一端設有平衡砝碼，且橫桿通過軸承與支桿I垂直連接，橫桿以軸承為中心在垂直平面內自由活動；所述支桿I與通過支架I固定的軸承相連，且支架I固定在真空室底板內側；所述下試樣為一個水平放置的圓形玻璃盤，螺栓穿過下試樣的中心將其固定在轉軸的上端；所述轉軸穿過通過支架II固定的軸承與磁流體密封轉軸通過聯軸節相連，所述支架II固定在真空室底板內側；所述磁流體密封轉軸與真空室通過磁流體密封法蘭相連，且穿過真空室的底板通過聯軸節與調速電機的轉軸相連；所述調速電機依次通過信號線、位于真空室外的測控儀、信號線、A/D轉換器、信號線與工控計算機相連；所述上試樣和所述下試樣之間相對滑動所產生的摩擦力通過測力桿傳遞至力傳感器，該力傳感器依次通過信號線、測控儀、信號線、A/D轉換器、信號線與工控計算機相連；
所述光學測試系統包括位于上試樣正下方且位于真空室底板上的光學窗口，該光學窗口的正下方設有光學測試儀；所述光學測試儀依次通過信號線、圖像傳感器、信號線、測控儀、信號線與工控計算機相連。
[0010]所述真空室為立式圓柱形，采用不銹鋼制造、氟橡膠密封。
[0011]所述真空規管與真空室、插板閥與真空管道均是通過法蘭相連。
[0012]所述螺栓與下試樣之間設有墊片。
[0013]所述平衡砝碼與橫桿通過螺絲活動連接，平衡砝碼與橫桿之間的相對位置通過旋轉螺絲進行調節。
[0014]所述力傳感器固定在支桿II上，該支桿II固定在真空室底板內側。
[0015]本發明與現有技術相比具有以下優點: 1、本發明提供了模擬空間真空環境下球-盤滑動摩擦副液體潤滑狀態的光學測試裝置，為研究空間真空環境對液體潤滑狀態的影響規律創造了必需的實驗條件，對于發展新型空間液體潤滑劑具有重要意義。
[0016]2、本發明球-盤滑動摩擦副的優點是摩擦副材料、形狀、接觸方式、載荷、速度、運動形式和環境等易于調控和重復，可高效獲取多種因素對液體潤滑狀態的影響規律。
[0017]3、本發明從大氣環境到真空環境之間氣壓的連續變化為研究不同環境壓力下液體潤滑狀態與摩擦副表面/界面物理化學行為提供了獨特的試驗條件。
[0018]4、本發明可將一種或多種氣體充入真空室并調控環境氣壓，便于研究多種氣體及其分壓環境對液體潤滑摩擦副的潤滑狀態及其表面界面行為的影響規律。
[0019]5、本發明所采用的光學干涉法測試潤滑劑厚度及其分布狀態的測試方法已經廣泛應用于大氣條件下的液體潤滑理論的研究，將這一成熟的測試技術和真空環境創新集成一體，特別適合研究真空下的彈流潤滑理論。
[0020]6、本發明在摩擦工況和潤滑劑之間雙向優選，一方面可以為特定的液體潤滑劑找到合適的使用工況，另一方面能夠優選出適合特定工況和環境的潤滑劑種類，為發展液體潤滑技術提供技術支持。
【附圖說明】
[0021]圖1為本發明的結構示意圖。
[0022]圖2為大氣和真空下球-盤摩擦副液體薄膜的光學衍射圖像。
[0023]圖3為大氣和真空下摩擦力隨時間的變化曲線。
[0024]圖4為大氣和真空下膜厚隨時間的變化曲線。
[0025]分別在大氣環境(室溫20±1°C，濕度30 土 5%RH )和真空環境(室溫20±1°C，5X10-3 Pa )中進行了球-盤滑動摩擦試驗，上試樣為一個直徑10 mm，精度G5級的GCrl5鋼球，下試樣為一個厚度10 mm