专利名称：圆盘与平板弹性接触下测量界面剪切强度的方法及其装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及的参考文献如下 [1]Jacobson，B.O.，High-pressure chamber measurements.Proc.Instn.Mech.Engrs.Part JJ.Eng.Trib.，2006，Vol.220，199-206. [2]Kleemola，J.and Lehtovaara，A.，An approach for determination oflubricant properties at elliptical elastohydrodynamic contacts using atwin-disc test device and a numerical traction model.Proc.Instn.Mech.Engrs.Part JJ.Eng.Trib.，2008，Vol.222，797-806. [3]Workel，M.F.，Dowson，D.，Ehret，P.and Taylor，C.M.，Measurements of the coefficients of friction of different lubricants duringimpact under high pressure and shear.Proc.Instn.Mech.Engrs.Part JJ.Eng.Trib.，2003，Vol.217，115-124. [4]温诗铸、杨沛然.弹性流体动力润滑，北京清华大学出版社，1990. [5]Zhang，Y.B.and Wen，S.Z.，An analysis of elastohydrodynamiclubrication with limiting shear stressPart I-Theory and solutions.TribologyTransactions，2002，Vol.45，135-144. 有鉴于此，本领域发明人寻求一种圆盘与平板弹性接触下测量界面剪切强度的方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种圆盘与平板弹性接触下测量界面剪切强度的方法及其装置，它解决了上述现有技术所存在的问题，能够达到同时测量大气压下润滑油-接触表面界面剪切强度和润滑油-接触表面界面剪切强度-润滑油压力比例系数的目的。
本发明的技术解决方案如下 一种圆盘与平板弹性接触下测量界面剪切强度的方法，包括以下步骤 A、圆盘静止，平板以速度u相对于圆盘作滑动，滑滚比为2，无量纲滚动速度uηa/(2E′R)应满足1.0E-11≤uηa/(2E′R)≤1.0E-9，其中ηa是大气压下润滑油粘度，E′是圆盘和平板的综合杨氏弹性模量，R是圆盘半径； B、往线接触区供应被测润滑油，使线接触区形成流体动压润滑，在圆盘和平板间施加载荷，使线接触最大赫兹接触压力大于0.4GPa，而使无量纲载荷w/(E′R)＜2.574(HRD/E′)2，其中，w为载荷线密度即单位接触长度上的载荷，E′是圆盘和平板的综合杨氏弹性模量，HRD为圆盘表面硬度； C、分别测出两次加载下的圆盘接触表面或平板接触表面上的摩擦系数值，求解关于接触表面摩擦系数的两元一次方程组(τs0和αs为未知量)即可得到τs0和αs值。
所述步骤C之后还包括多次加载进行测量，解得若干组τs0和αs值，分别求得这些组的τs0和αs平均值，求得的τs0和αs平均值可分别取作τs0和αs的最终测量结果。
所述步骤C中圆盘接触表面摩擦系数和平板接触表面摩擦系数均为 设有两次满足要求的加载w1和w2，其对应的无量纲载荷分别为W1＝w1/(E′R)和W2＝w2/(E′R)，测得这两次加载下圆盘接触表面摩擦系数或平板接触表面摩擦系数分别为f1和f2，则可得下面联立方程组 解以上联立方程组，得 其中，τs0为插值得到的大气压下润滑油-接触表面界面剪切强度，αs为润滑油-接触表面界面剪切强度-润滑油压力比例系数，E′是圆盘和平板的综合杨氏弹性模量，R是圆盘半径。
一种实施圆盘与平板弹性接触下测量界面剪切强度的方法的装置，包括若干传感器，还包括一圆盘和一平板； 所述圆盘与平板相互垂直，圆盘静止，圆盘和平板间形成高副线接触，平板以一定速度u相对于圆盘作滑动，滑滚比为2； 所述圆盘接触表面和平板接触表面的硬度和粗糙度相同，两者表面粗糙度Ra值不大于0.1μm； 往线接触区供应被测润滑油，使线接触区形成流体动压润滑。
所述圆盘的材料和平板材料相同。
所述圆盘半径R应满足2mm≤R≤50mm。
所述圆盘轴向厚度h与圆盘半径R的比值应满足当2mm≤R≤5mm时，1.5≤h/R≤2.0；当5mm≤R≤15mm时，1.0≤h/R≤1.5；当15mm≤R≤50mm时，0.5≤h/R≤1.0。
本发明由于采用了以上技术方案，使之与现有技术相比，具有以下优势 1、本发明的方法可同时测量大气压下润滑油-接触表面界面剪切强度和润滑油-接触表面界面剪切强度-润滑油压力比例系数。
2、按本发明方法制造的装置结构简单，容易制造和实施，制造成本和使用成本均较低。
3、按本发明的方法能够实现在较大范围的润滑油压力下测量。
4、按本发明的方法测量精度较高。
5、按本发明的方法测量容易。
按照本发明的方法及装置实施测量，技术效果显著，具有测试的润滑油压力范围较大、结构简单紧凑、容易实现、制造成本和使用成本较低、测量容易和测量精度较高等优点，而且能同时测出两个界面剪切强度参数值，具有显著的实用价值。本发明的装置可以替代高压腔测量装置、双圆盘试验机和球冲击试验机等测量装置，显示出独有的应用价值。
图1是本发明的一种圆盘与平板弹性接触下测量界面剪切强度的方法的流程图。
图2是按本发明方法实施的一种圆盘与平板弹性接触下测量界面剪切强度的装置示意图。
图3是本发明的实施例中圆盘和平板线接触中动压润滑油膜压力分布示意图。
具体实施例方式 下面结合附图和实施例对本发明作详细说明。
参看图1，按照本发明的一种圆盘与平板弹性接触下测量界面剪切强度的方法，包括以下步骤 A、圆盘静止，平板以一定速度u相对于圆盘作滑动，滑滚比为2，无量纲滚动速度uηa/(2E′R)应满足1.0E-11≤uηa/(2E′R)≤1.0E-9，其中ηa是大气压下润滑油粘度，E′是圆盘和平板的综合杨氏弹性模量，R是圆盘半径。
B、往线接触区供应被测润滑油，使线接触区形成流体动压润滑，在圆盘和平板间施加载荷，使线接触最大赫兹接触压力大于0.4GPa，而使无量纲载荷w/(E′R)＜2.574(HRD/E′)2，其中，w为载荷线密度即单位接触长度上的载荷，E′是圆盘和平板的综合杨氏弹性模量，HRD为圆盘表面硬度。
C、分别测出两次加载下的圆盘接触表面或平板接触表面上的摩擦系数值，求解关于接触表面摩擦系数的两元一次方程组(τs0和αs为未知量)即可得到τs0和αs值。
所述圆盘接触表面摩擦系数和平板接触表面摩擦系数均为 设有两次满足要求的加载w1和w2，其对应的无量纲载荷分别为W1＝w1/(E′R)和W2＝w2/(E′R)，测得这两次加载下本发明圆盘接触表面摩擦系数或平板接触表面摩擦系数分别为f1和f2，则可得下面联立方程组 解以上联立方程组，得 其中，τs0为插值得到的大气压下润滑油-接触表面界面剪切强度，αs为润滑油-接触表面界面剪切强度-润滑油压力比例系数，E′是圆盘和平板的综合杨氏弹性模量，R是圆盘半径。
D、多次加载进行测量，解得若干组τs0和αs值，分别求得这些组的τs0和αs平均值，求得的τs0和αs平均值可分别取作τs0和αs的最终测量结果。
实际使用中，本发明为钢制圆盘-钢制平板滑动接触测量装置，用来测量大气压下润滑油-钢制接触表面界面剪切强度τs0和润滑油-钢制接触表面界面剪切强度-润滑油压力比例系数αs，能同时测出这两个参数值。圆盘材料和平板材料相同，圆盘和平板间形成高副线接触，圆盘接触表面和平板接触表面均经过精磨，达到相同的表面粗糙度，两者表面粗糙度Ra值均不大于0.1μm。圆盘静止，平板以一定速度u相对于圆盘作滑动(无量纲滚动速度uηa/(2E′R)应满足1.0E-11≤uηa/(2E′R)≤1.0E-9，此处ηa是大气压下润滑油粘度，E′是圆盘和平板的综合杨氏弹性模量，R是圆盘半径)，滑滚比为2，平板接触表面硬度与圆盘接触表面硬度相同。往线接触区供应被测润滑油，使线接触区形成流体动压润滑，在圆盘和平板间施加载荷，使线接触最大赫兹接触压力大于0.4GPa，而使无量纲载荷w/(E′R)＜2.574(HRD/E′)2，从而保证圆盘和平板间接触为弹性接触；此处，w为载荷线密度即单位接触长度上的载荷，HRD为圆盘表面硬度。
分别测出两次加载下的圆盘接触表面或平板接触表面上的摩擦系数值，求解关于接触表面摩擦系数的两元一次方程组(τs0和αs为未知量)即可得到τs0和αs值。为提高测量精度，可多次加载进行测量，解得若干组τs0和αs值，分别求得这些组的τs0和αs平均值，求得的τs0和αs平均值可分别取作τs0和αs的最终测量结果。
其中，1.0E-11≤uηa/(2E′R)≤1.0E-9，w/(E′R)＜2.574(HRD/E′)2，平板接触表面硬度等于圆盘接触表面硬度，圆盘接触表面和平板接触表面粗糙度相同，两者粗糙度Ra值不大于0.1μm，最大赫兹接触压力大于0.4GPa。
根据推导，图2中本发明圆盘接触表面摩擦系数和平板接触表面摩擦系数均为 设有两次满足要求的加载w1和w2，其对应的无量纲载荷分别为W1＝w1/(E′R)和W2＝w2/(E′R)，测得这两次加载下本发明圆盘接触表面摩擦系数或平板接触表面摩擦系数分别为f1和f2，则可得下面联立方程组 解以上联立方程组，得 进行多次满足要求的加载，测出这些加载下的圆盘接触表面摩擦系数或平板接触表面摩擦系数，得到若干组如式(3)所示的联立方程组，解这些联立方程组可得到若干组τs0和αs值，分别求出这些组τs0和αs的平均值，得到的τs0和αs平均值可分别作为τs0和αs的最终测量结果。
参看图2，按本发明方法实施的一种圆盘与平板弹性接触下测量界面剪切强度的装置，包括若干传感器，一圆盘和一平板。
圆盘与平板相互垂直，圆盘静止，圆盘和平板间形成高副线接触，平板以一定速度u相对于圆盘作滑动，滑滚比为2。
圆盘接触表面和平板接触表面的硬度和粗糙度相同，两者表面粗糙度Ra值不大于0.1μm。
往线接触区供应被测润滑油，使线接触区形成流体动压润滑。
所述圆盘的材料和平板材料相同，圆盘半径R应满足2mm≤R≤50mm，圆盘(轴向)厚度h与圆盘半径R的比值应满足当2mm≤R≤5mm时，1.5≤h/R≤2.0；当5mm≤R≤15mm时，1.0≤h/R≤1.5；当15mm≤R≤50mm时，0.5≤h/R≤1.0。
实施例 圆盘和平板均由45号钢制成，接触表面均经淬火处理，表面硬度均达到HRC50-53，HRD≈2.0GPa。圆盘和平板接触表面均经精磨，表面粗糙度Ra值均为0.1μm。圆盘和平板接触表面的综合杨氏弹性模量为E′＝209GPa。使用的润滑油为石蜡油LVI260(国际牌号)，圆盘半径为20mm，圆盘(轴向)厚度h＝15mm，平板沿圆盘轴向的宽度为25mm，沿圆盘轴向平板与圆盘的接触线长度为15mm。平板相对于圆盘的滑动速度为u＝4.0m/s，无量纲滚动速度为uηa/(2E′R)＝1.91E-11。
1、当圆盘和平板之间施加的载荷为w1＝3.0E+05N/m即圆盘和平板之间施加的无量纲载荷为w1/(E′R)＝7.16E-05时，测得圆盘接触表面上的摩擦系数为f1＝0.043。圆盘和平板之间施加的载荷为w2＝6.0E+05N/m即圆盘和平板之间施加的无量纲载荷为w2/(E′R)＝1.432E-04时，测得圆盘接触表面上的摩擦系数为f2＝0.039。则由这两个测量结果，按式(4)和(5)得τs0＝7.57MPa、αs＝0.029。
2、当圆盘和平板之间施加的载荷为w3＝1.5E+05N/m即圆盘和平板之间施加的无量纲载荷为w3/(E′R)＝3.58E-05时，测得圆盘接触表面上的摩擦系数为f3＝0.049。圆盘和平板之间施加的载荷为w4＝4.5E+05N/m即圆盘和平板之间施加的无量纲载荷为w4/(E′R)＝1.074E-04时，测得圆盘接触表面上的摩擦系数为f4＝0.041。则由这两个测量结果，按式(4)和(5)得τs0＝7.42MPa、αs＝0.030。
3、当圆盘和平板之间施加的载荷为w5＝1.0E+05N/m即圆盘和平板之间施加的无量纲载荷为w5/(E′R)＝2.39E-05时，测得圆盘接触表面上的摩擦系数为f5＝0.052。圆盘和平板之间施加的载荷为w6＝9.0E+05N/m即圆盘和平板之间施加的无量纲载荷为w6/(E′R)＝2.148E-04时，测得圆盘接触表面上的摩擦系数为f6＝0.037。则由这两个测量结果，按式(4)和(5)得τs0＝7.21MPa、αs＝0.029。
上述三组τs0、αs测量结果的平均值分别为7.4MPa和0.029，最终可取τs0、αs测量值分别为7.4MPa和0.029。
根据已往界面滑移弹性线接触流体动压润滑研究结果，当图2中圆盘静止、平板相对于圆盘滑动(滑滚比为2)时，在一定的平板滑动速度和一定的施加载荷范围内(如上面给出)，平板和圆盘形成的线接触处于润滑油动压润滑下，在线接触的赫兹区润滑油于圆盘接触表面处和平板接触表面处均发生滑移，在线接触的赫兹区圆盘接触表面处剪应力和平板接触表面处剪应力均等于润滑油-圆盘接触表面(或平板接触表面)界面剪切强度。由于赫兹区为高油压区，赫兹区的润滑油-接触表面界面剪切强度满足式(1)。大量的实验和理论研究表明，在图2所示的线接触中，由于赫兹区油压高、油的粘度大、油膜的剪切率大，赫兹区接触表面的剪应力远大于其它区域(即入口区和出口区)接触表面上的剪应力。故图2中圆盘接触表面摩擦力和摩擦系数及平板接触表面摩擦力和摩擦系数取决于赫兹区润滑油-接触表面界面剪切强度。
已往研究结果表明，在图2线接触中，润滑油膜压力在赫兹区为常值pmax且2pmaxb＝w，此处b为赫兹接触半宽；图2线接触中润滑膜压力如图3所示，图3显示了圆盘和平板线接触中动压润滑油膜压力分布情况。
故图2本发明中圆盘接触表面或平板接触表面摩擦系数为 此处，τs为赫兹区润滑油-接触表面界面剪切强度，W＝w/(E′R)。
设有两次满足要求的加载w1和w2，其对应的无量纲载荷分别为W1＝w1/(E′R)和W2＝w2/(E′R)，测得这两次加载下本发明圆盘接触表面摩擦系数或平板接触表面摩擦系数分别为f1和f2，则可得下面联立方程组 解以上联立方程组，得 进行多次满足要求的加载，测出这些加载下的圆盘接触表面摩擦系数或平板接触表面摩擦系数，得到若干组如式(3)所示的联立方程组，解这些联立方程组可得到若干组τs0和αs值，分别求出这些组τs0和αs的平均值，得到的τs0和αs平均值可分别作为τs0和αs的最终测量结果。
综上可知，采用本发明的方法及装置，技术效果显著，具有测试的润滑油压力范围较大、结构简单紧凑、容易实现、制造成本和使用成本较低、测量容易和测量精度较高等优点，而且能同时测出两个界面剪切强度参数值，具有显著的实用价值。本发明的装置可以替代高压腔测量装置、双圆盘试验机和球冲击试验机等测量装置，显示出独有的应用价值。
当然，本技术领域内的一般技术人员应当认识到，上述实施例仅是用来说明本发明，而并非用作对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对上述实施例的变换、变型都将落在本发明权利要求的范围内。
权利要求
1.一种圆盘与平板弹性接触下测量界面剪切强度的方法，其特征在于，包括以下步骤
A、圆盘静止，平板以速度u相对于圆盘作滑动，滑滚比为2，无量纲滚动速度uηa/(2E′R)应满足1.0E-11≤uηa/(2E′R)≤1.0E-9，其中ηa是大气压下润滑油粘度，E′是圆盘和平板的综合杨氏弹性模量，R是圆盘半径；
B、往线接触区供应被测润滑油，使线接触区形成流体动压润滑，在圆盘和平板间施加载荷，使线接触最大赫兹接触压力大于0.4GPa，而使无量纲载荷w/(E′R)＜2.574(HRD/E′)2，其中，w为载荷线密度即单位接触长度上的载荷，E′是圆盘和平板的综合杨氏弹性模量，HRD为圆盘表面硬度；
C、分别测出两次加载下的圆盘接触表面或平板接触表面上的摩擦系数值，求解关于接触表面摩擦系数的两元一次方程组(τs0和αs为未知量)即可得到τs0和αs值。
2.根据权利要求1所述的圆盘与平板弹性接触下测量界面剪切强度的方法，其特征在于
所述步骤C之后还包括多次加载进行测量，解得若干组τs0和αs值，分别求得这些组的τs0和αs平均值，求得的τs0和αs平均值可分别取作τs0和αs的最终测量结果。
3.根据权利要求1所述的圆盘与平板弹性接触下测量界面剪切强度的方法，其特征在于
所述步骤C中圆盘接触表面摩擦系数和平板接触表面摩擦系数均为
设有两次满足要求的加载w1和w2，其对应的无量纲载荷分别为W1＝w1/(E′R)和W2＝w2/(E′R)，测得这两次加载下圆盘接触表面摩擦系数或平板接触表面摩擦系数分别为f1和f2，则可得下面联立方程组
解以上联立方程组，得
其中，τs0为插值得到的大气压下润滑油-接触表面界面剪切强度，αs为润滑油-接触表面界面剪切强度-润滑油压力比例系数，E′是圆盘和平板的综合杨氏弹性模量，R是圆盘半径。
4.一种实施权利要求1所述的圆盘与平板弹性接触下测量界面剪切强度的方法的装置，包括若干传感器，其特征在于，还包括一圆盘和一平板；
所述圆盘与平板相互垂直，圆盘静止，圆盘和平板间形成高副线接触，平板以一定速度u相对于圆盘作滑动，滑滚比为2；
所述圆盘接触表面和平板接触表面的硬度和粗糙度相同，两者表面粗糙度Ra值不大于0.1μm；
往线接触区供应被测润滑油，使线接触区形成流体动压润滑。
5.根据权利要求4所述的圆盘与平板弹性接触下测量界面剪切强度的装置，其特征在于，所述圆盘的材料和平板材料相同。
6.根据权利要求4所述的圆盘与平板弹性接触下测量界面剪切强度的装置，其特征在于，所述圆盘半径R应满足2mm≤R≤50mm。
7.根据权利要求4所述的圆盘与平板弹性接触下测量界面剪切强度的装置，其特征在于，所述圆盘轴向厚度h与圆盘半径R的比值应满足当2mm≤R≤5mm时，1.5≤h/R≤2.0；当5mm≤R≤15mm时，1.0≤h/R≤1.5；当15mm≤R≤50mm时，0.5≤h/R≤1.0。
全文摘要
本发明涉及一种圆盘与平板弹性接触下测量界面剪切强度的方法及其装置，包括以下步骤A、圆盘静止，平板以速度u相对于圆盘作滑动，滑滚比为2；B、往线接触区供应被测润滑油，使线接触区形成流体动压润滑，在圆盘和平板间施加载荷，使线接触最大赫兹接触压力大于0.4GPa；C、分别测出两次加载下的圆盘接触表面或平板接触表面上的摩擦系数值，求解关于接触表面摩擦系数的两元一次方程组。采用本发明的方法及装置，技术效果显著，具有测试的润滑油压力范围较大、结构简单紧凑、容易实现、制造成本和使用成本较低、测量容易和测量精度较高等优点，而且能同时测出两个界面剪切强度参数值，具有显著的实用价值。本发明的装置可以替代高压腔测量装置等测量装置。
文档编号G01N19/00GK101701901SQ20091019833
公开日2010年5月5日 申请日期2009年11月5日 优先权日2009年11月5日
发明者张永斌 申请人:张永斌, 袁虹娣