基于电容法与光干涉法相结合的油膜测量方法_种贺.pdf

2023 年 2 月第 48 卷 第 2 期润滑与密封LUBICATION ENGINEEINGFeb.2023Vol.48 No.2DOI:10.3969/j.issn.02540150.2023.02.020文献引用:种贺，周宇昕，刘金杰，等基于电容法与光干涉法相结合的油膜测量方法 J 润滑与密封，2023，48(2):135141Cite as:CHONG He，ZHOU Yuxin，LIU Jinjie，et alMeasurement of lubricating film thickness by combing electrical capacitance and opticalinterferometry method J Lubrication Engineering，2023，48(2):135141*基金项目:国家自然科学基金面上项目(52275196);斯凯孚(上海)汽车技术有限公司项目(QUT2021SKF0007)收稿日期:20211108;修回日期:20211228作者简介:栗心明，男，博士，副教授，研究方向为滚动轴承脂润滑应用基础研究。Email:mexinmingli 。基于电容法与光干涉法相结合的油膜测量方法*种贺1周宇昕2刘金杰1杨萍1韩波2栗心明1(1.青岛理工大学机械与汽车工程学院山东青岛 266520;2.斯凯孚(上海)汽车技术有限公司上海 201814)摘要:通过将电容法膜厚测量仪耦合在球盘点接触光干涉试验台上，搭建油膜厚度测量装置。通过对目标球盘接触副采取合理的导电措施以及台架绝缘设施来保证润滑油膜电信号的提取，该装置可实现相同工况下膜厚度值及其相应的电信号(如油膜分压值和电容值)。在纯滚动接触情况下，分别对油润滑和脂润滑下的油膜进行测量，得到光干涉膜厚、油膜分压值和电容值随随卷吸速度的变化规律，并分析接触副电容随膜厚的变化。结果显示，随卷吸速度的增加光干涉膜厚升高而油膜分压值和电容值减小，电容值随着膜厚的增加而逐渐降低。实验结果初步验证了该测量系统的可行性，可为后续实际接触副内润滑状态的评估提供方案。关键词:电容法;光干涉法;油膜测量;弹流润滑中图分类号:TH117.2Measurement of Lubricating Film Thickness by Combing ElectricalCapacitance and Optical Interferometry MethodCHONG He1ZHOU Yuxin2LIU Jinjie1YANG Ping1HAN Bo2LI Xinming1(1.School of Mechanical and Automotive Engineering，Qingdao University of Technology，Qingdao Shandong266520，China;2.SKF(Shanghai)Automotive Technologies Co，Ltd，Shanghai 201814，China)Abstract:A film thickness measuring rig was developed by coupling an electric capacitance film measuring device to anoptical interferometry ballondisc apparatus This measuring rig can realize the film thickness value and its correspondingelectrical signals(such as oil film partial voltage value and capacitance value)under identical running conditions based ona specifically designed electric signal acquiring circuit and insulating protection The variations of optical elastohydrody-namic lubrication(EHL)film thickness and its corresponding electric signal with speed were studied for both oil and greaselubricated contact under pure rolling condition，and the relationship between capacitance and film thickness was analyzedThe results show that the film thickness increases and the oil film partial voltage value and capacitance gradually decreasewith the increase of entrainment speed，and the capacitance value decreases with the increase of film thicknessThe experi-mental results preliminarily confirm the capability of the designed system，which can be potentially used to evaluate the lu-bricating condition of actual contacts in the subsequent studiesKeywords:capacitance method;optical interferometry;film thickness measurement;elastohydrodynamic lubrication具有一定承载能力的润滑油膜是减少机械零部件表面摩擦与降低磨损的有效保证，润滑油膜厚度以及接触副的表面特征之间的关系是表征设备润滑状态与润滑性能的重要指标。因此，对接触副油膜厚度的测量和评估一直是摩擦学实验研究的重点之一1。机械零部件多为高副接触形式，其润滑油膜厚度常处于亚微米级，给直接观测带来巨大困难，因而常借助电信号、光信号、声信号等物理量与膜厚关系进行间接测量或标定。已有润滑膜厚度测量的方法多种，如光干涉法2、电容法3、电阻法4、超声波法5、X 射线法6 等。电阻法不能得到薄膜厚度的绝对值，更适合定性分析;超声波法在亚微米级膜厚测量方面面临挑战，尚需进一步改进;X 射线法很难在粗糙接触区内得到稳定结果，因技术较为复杂和测量范围限制而应用较少。电容法、光干涉法的测试特征信号能够有效地表征润滑油膜厚度7，因而应用较为广泛。光干涉法利用光线经不同界面反射形成油膜干涉图像，实现了润滑油膜的可视化，并通过干涉级次与油膜厚度间的函数关系提取膜厚。1965 年，CAMEON和 GOHA8 首先通过光干涉法获得经典“马蹄形”干涉图。此后，光学油膜测量技术不断进步，如 FOOD等9 在玻璃盘上镀 Cr 形成分光膜，WESTLAKE 和CAMEON10 采用了 SiO2附加垫层，GUO 和 WONG 11 采用多光束干涉原理提高了油膜测量准确率。近期，刘海超12 开发双色光干涉强度调制技术，进一步提高测量精度、分辨率和测量范围。尽管光干涉测量技术具有可视化、精度高、油膜特征直观等明显优势12，但受限于构成接触副的部件之一必须是透光材质(玻璃或蓝宝石)，且接触副表面粗糙度要求较高(1020 nm)，无法实现对实际工况中的钢钢接触副开展基础试验研究，更难以将其应用于真实完整零部件的润滑特性测量。此外，传统的球盘接触形式在接触材料、接触几何特征、运动学和动力学特征等方面均与真实接触副之间存在明显差别，使其部分结论难以向实际应用进行直接转化。另外一种广泛应用的油膜厚度测量方法是电容法，其原理是将金属接触副(比如球滚道或齿面齿面)与绝缘介质(润滑剂)等效为电容，利用电容与两极间距成反比函数的关系提取真实接触副的油膜厚度信息13。COOK14 首次将电容法应用于弹流润滑(Elastohydrodynamic lubrication，EHL)膜厚测量，得到了 2 个绝缘圆盘之间的矿物油油膜的电容值。此后，DYSON 等15 针对不同类型润滑剂做了进一步研究。HEEMSKEK 等16 结合交流电导率和电容技术，开发了可直接测量滚动轴承润滑状况的仪器。FANKE、ZHOU 等1718 使用该仪器对不同成分或状态的润滑脂在轴承上进行了油膜厚度变化的研究。JABLONKA 等19 使用阻抗分析仪对润滑剂极性对电容测量的影响进行了研究。这些研究结果表明了电容法在真实接触副实时动态油膜测量方面的显著优势。然而，电容法只能通过前期标定间接获取接触区内部油膜变化的状态;另外，混合润滑与边界润滑状态下很难形成稳定的油膜以及相应的电信号。这些局限性导致电容法无法精确地反映油膜厚度的分布。显然，将光干涉法与电容法的测量技术优势相结合，建立光学测量数据与电容法测量数据的关联性，可以作为对真实接触副润滑状态准确评估的一种有效手段。因此，本文作者尝试搭建光干涉法与电容法相结合的测量系统，在相同的工况条件下建立光学膜厚与电容信号的对应关系。其目的是用光学膜厚标定出电容信息，构建电容测量值与润滑状态的关系，实现钢钢接触副下润滑油膜的测量与润滑性能的准确评估，并最终将电容法拓展到对真实滚动轴承润滑状态的准确测量。文中作为该方面的初始研究，从传统的球盘接触结构形式入手，针对脂润滑与油润滑 2 种介质，分析不同工况下润滑油膜与电容的对应关系，为后续研究提供方法验证和数据积累。1试验部分1.1试验装置试验在自主搭建的球盘点接触光干涉润滑油膜测量系统上进行，为满足电容法测量要求，对测量系统进行了改进，增设了 SKF 润滑测试仪 MEL7000，相关数据通过示波器读取，实现相同工况下的光干涉法和电容法膜厚的测量。如图 1 所示，该试验装置由玻璃盘和钢球组成接触副，钢球和盘分别由伺服电机驱动，可实现不同速度和滑滚比下的运行工况。图 1测量原理及测量装置结构Fig.1Measuring principle(a)and structureof measuring test rig(b)其中，光干涉法膜厚测量以红绿双色激光作为光源，显微镜置于接触区上方，光干涉图像经显微镜放大后由 CCD 采集存储图像，最后通过双色光调制光强技术得到油膜的膜厚信息。电容法膜厚测量通过在点接触试验台上搭载电容测试设备实现。其原理如图 2 所示，将接触区部分的631润滑与密封第 48 卷钢球以及具有特定厚度的铬膜层表面等效为 2 个级板，接触面间具有一定厚度的润滑剂膜作为介电介质，三者共同构成为一个电容器，其等效电容量与膜厚的关系式为C=0rAh(1)式中:C 为两平行接触间隙之间的电容;0为真空介电常数;r为润滑油膜的介电常数;A 为平行表面的面积，在弹流润滑中近似为接触区面积，h 为润滑油膜厚度。图 2电容法测量膜厚原理Fig.2Principal of film thickness measurementusing capacitance method在充分供油的情况下，接触区以外的油池部分对应的电容值随速度变化较小2022，因此在试验过程中，测得的电容值变化可以近似反映接触区油膜厚度的变化。由式(1)可知，在载荷一定(接触面积和接触压力一定)，润滑油膜成分一定的情况下，电容与润滑油膜厚度为反比例函数关系，即电容值随润滑油膜的增加而减小。在图 1 给出的电容法测量的结构中，润滑测试箱、示波器耦合到了球盘点接触试验台上。电容测试的核心设备是 SKF 公司提供的型号为 MEL7000的润滑测试箱，油膜厚度的等效电容值通过电容分