一种凸轮-玻璃盘接触副润滑状态观测装置

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1.本发明属于高副接触润滑油膜测量技术领域，具体涉及一种凸轮-玻璃盘接触副润滑状态观测装置，能够测量内燃机排气凸轮-玻璃盘接触副在循环冲击作用下的油膜状态。


背景技术：

2.摩擦磨损现象普遍存在于机器运转过程中，运动部件的摩擦磨损是学者不断探索的技术问题，因此，对如何减小摩擦磨损做了大量的研究。然而，相对运动部件接触区的真实润滑接触状态无法直观测量，其中，在两相对运动部件接触区的润滑油膜测量技术是重要的技术手段之一，有助于更为直观的揭示摩擦磨损的机理。凸轮-玻璃盘机构普遍存在于各种机器中，特别是各类发动机的气门机构，其属于接触力学分类中的高副机构，在发动机运转过程中，气门机构的凸轮-玻璃盘副磨损非常严重，有必要对其摩擦磨损机制进行深入研究。但是，现有技术中的凸轮-玻璃盘接触副油膜测量仪存在以下局限性：1)只能测量在静载荷作用下的凸轮-玻璃盘接触副的油膜；2)只能模拟发动机气门机构进气段的工作状态，无法测量排气段气缸内油气燃烧冲击对凸轮-玻璃盘接触副润滑状态的影响。例如，中国专利201910118575公开的一种凸轮-玻璃盘接触副润滑油膜测量仪的主体结构如下，结构实验台支架作为支撑结构用以支撑各个部件，包括水平的底部支撑板和上部支撑板，底部支撑板和上部支撑板之间通过支撑柱连接；玻璃盘回转单元，设置于实验台支架底部支撑板上，包括有玻璃盘，能够固定和调节透明玻璃盘，同时使其转动，其中在玻璃盘上下表面均用包括橡胶垫片在内的弹性元件作为缓冲装置；传动单元，包括有与玻璃盘构成摩擦副的凸轮，凸轮设置于玻璃盘回转单元的斜下方，驱动电机带动凸轮轴转动，与玻璃盘进行相对于运动；摩擦力测量单元位于玻璃盘回转单元的下部，包括有测量摩擦力用的传感器，用以测量玻璃盘静态时并且凸轮动态时接触产生的摩擦力；加载单元用于对凸轮-玻璃盘接触副加载，使加载过程更加柔和；显微干涉单元，位于玻璃盘回转单元的上方，用于测量和显示玻璃盘上的润滑油膜的厚度与形状。玻璃盘回转单元包括有弹性元件、玻璃盘、外套筒、轴承、主轴、十字杆、端盖、钢垫、玻璃盘压套、螺钉；玻璃盘套在主轴上，玻璃盘的上下侧均套有钢垫，在玻璃盘与钢垫之间还设置有起缓冲作用的弹性元件，玻璃盘上侧的钢垫上部套有用以调平的玻璃盘压套，玻璃盘压套上均布有六个用以调平的螺钉，在下部的钢垫的下侧依次有端盖、轴承和十字杆套在主轴上，在十字杆的下侧依次设置有轴承和端盖；在两端盖之间还设置有外套筒，十字杆的两个横杆外套筒与外套筒对应位置处开有横向延伸的通孔，十字杆的两个横杆穿过该通孔并能够左右摆动；主轴旋转同时带动玻璃盘旋转；玻璃盘静态、凸轮旋转时，通过十字杆进行凸轮-玻璃盘运动过程中摩擦力的测。摩擦力测量单元包括有传感器、位移台、传感器支架；两组传感器分别位于十字杆两横杆的两侧，凸轮-玻璃盘之间的摩擦力通过十字杆传递给传感器，经过放大器、主机采集摩擦力；传感器固定于传感器支架上，传感器支架的下侧设置有位移台；传动单元还包括有端盖、凸轮轴、轴承支座、传动板、摆动板；两轴承支座上分别设置有轴承，摆动板与轴承连接，能够随轴承转
动，在两轴承之间连接有水平板，在水平板上螺栓连接有传动板，传动板与水平板交叉设置，并且传动板的端部螺栓连接有方形连接块，在方形连接块内嵌有轴承，所述轴承里套有轴承轴，并且该轴承轴的两端分别连接有凸轮和带轮，带轮和水平板上还设置的驱动电机通过皮带传动连接，并带动凸轮运动，凸轮靠在玻璃盘的下侧面，与玻璃盘接触运动过程中，凸轮将上下的运动通过摆动板转换为摆动板和水平板的摆动；加载单元包括有顶端轴承、力传感器、筒芯、弹簧、限制螺钉、加载盘、加载杆、手轮、螺钉、端盖、轴承二、加载外套筒、固定环、顶针、轴承轴；加载单元中，作为调节加载力的手轮位于最下端，其上侧连接有加载杆，并带动其转动，加载杆上设置有螺纹结构，并且通过该螺纹结构与加载盘螺纹连接，在加载杆的旋转及螺钉限制加载盘进行旋转，使其只能够上下移动，加载盘上方设置有传递载荷的弹簧，加载盘上下移动将通过弹簧传递载荷给筒芯上，筒芯位于弹簧上部，并且其上端连接有力传感器，弹簧的外侧设置有加载外套筒，其下端通过端盖和端盖与加载杆的下端连接，力传感器的上部设置有顶针，顶针上连接有顶端轴承，顶端轴承和顶针与传动板上连接方形连接块的一端的底部接触连接，并进行加载；顶端在加载外套筒上开有竖直线槽，力传感器的连接线通过该线槽接到数显仪上，能够实时看到加载的力的大小，以便于进行加载力控制。基于气门机构排气段研究在摩擦磨损机制研究领域的重要性，研发设计一种凸轮-玻璃盘接触副润滑状态观测装置，在冲击载荷条件下测量内燃机排气凸轮副的润滑状态。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求设计一种凸轮-玻璃盘接触副润滑状态观测装置，通过凸轮接触玻璃盘旋转模拟高副接触，进行循环冲击，测量凸轮-玻璃盘接触副的油膜状态。
4.为了实现上述目的，本发明涉及的凸轮-玻璃盘接触副润滑状态观测装置的主体结构包括支架及其下部设置的主轴传动单元、凸轮限位单元、曲柄推杆单元和基础加载单元，以及其上部设置的玻璃盘转动单元、油膜观测单元、摩擦力测量单元和凸轮传动单元；主轴传动单元分别与凸轮限位单元和曲柄推杆单元连接，曲柄推杆单元与基础加载单元接触，基础加载单元与凸轮传动单元接触，油膜观测单元设置于玻璃盘转动单元的上方，两个摩擦力测量单元对称设置于玻璃盘转动单元的下方两侧，凸轮传动单元设置于玻璃盘转动单元的侧方。
5.本发明涉及的主轴传动单元的主体结构包括一号电机及与其连接的一号阶梯轴和与一号阶梯轴连接的一号轴承；凸轮限位单元的主体结构包括铰支座及其上设置的双y接头杆，与双y接头杆连接的内圈型拉杆和i-y接头杆，通过接头螺纹杆与i-y接头杆连接的槽形凸轮，以及接头螺纹杆与槽形凸轮之间设置的随动轴承；曲柄推杆单元的主体结构包括二号套筒及其内设置的一号顶针和一号筒芯，一号筒芯外围设置的二号弹簧，二号套筒外设置的限位杆，与一号筒芯连接的螺纹杆，以及与螺纹杆连接的一号接头和曲柄盘；基础加载单元的主体结构包括加载外套筒及其内部设置的二号筒芯，与二号筒芯连接的加载杆，二号筒芯和加载杆外围设置的三号弹簧，加载杆上套设的加载盘，加载外套筒外部设置的受冲杆，二号顶针顶端设置的顶端轴承，以及与加载杆连接的手轮；玻璃盘转动单元的主体结构包括主轴及其上套设的玻璃盘、十字杆、钢垫和缓冲元件；油膜观测单元的主体结构
包括显微镜支撑台及其上设置的显微镜；摩擦力测量单元的主体结构包括传感器；凸轮传动单元的主体结构包括左摆动板及与其连接的传动板，二号电机及与其连接的凸轮。
6.本发明涉及的支架为支撑各部件的主体框架；主轴传动单元为循环冲击力的动力来源，与凸轮传动单元同步运行，具有正时作用；凸轮限位单元对曲柄推杆单元的冲击力释放时机进行控制，在二号弹簧的压力增大时限制压力释放，使曲柄推杆单元在二号弹簧的压力增大到最大值时释放冲击力；曲柄推杆单元在任意循环周期中存储和释放二号弹簧的压力，对冲击力进行调节；基础加载单元对凸轮-玻璃盘接触副施加基础载荷，将曲柄推杆单元承受的冲击力传递到凸轮-玻璃盘接触副，在无冲击时进行柔性加载；玻璃盘转动单元中的玻璃盘能够转动和调节，钢垫和缓冲元件用以减少玻璃盘工作时产生的震动；油膜观测单元中的显微镜用于观测玻璃盘与凸轮之间的润滑状态；摩擦力测量单元的传感器用于测量玻璃盘与凸轮作相对运动时接触副产生的摩擦力；凸轮传动单元中的凸轮位于玻璃盘的侧面与玻璃盘构成接触副，凸轮在二号电机的带动下旋转，并与玻璃盘相对运动产生摩擦。
7.本发明涉及的槽型凸轮和曲柄盘分别与一号阶梯轴键连接，槽型凸轮与曲柄盘利用紧定螺钉进行轴向定位，二号顶针与受冲杆的外端水平圆盘同轴线并位于其下侧，限位杆静态时，内圈型拉杆具有轴向移动空间。
8.本发明涉及的随动轴承随槽型凸轮的转动下落时，接头螺纹杆下落并带动双y接头杆靠近铰支座的一端下落，内圈型拉杆上升，使曲柄推杆单元完成冲击力释放动作，反之则为限制动作；
9.曲柄盘转动带动螺纹杆轴向往复运动，螺纹杆同二号弹簧座二作往复轴向运动时将力通过二号弹簧传递至一号筒芯，通过止动扳手限制二号弹簧座二周向运动时，转动螺纹杆，二号弹簧座二上升并压紧二号弹簧，对冲击力进行调节；此外，固定螺纹杆并拧松一号接头后，螺纹杆自由转动且不影响二号接头及其下部结构，当二号弹簧座周向固定时，能够随螺纹杆的转动上下移动，以此增大或减小冲击力；
10.转动手轮带动加载杆同步转动，使加载盘上下移动，将载荷传递给三号弹簧，最终作用在二号筒芯上，顶端轴承的外圈与传动板设置方形轴承座的一端接触，对传动板施加基础载荷，凸轮转动时带动玻璃盘旋转，进而带动十字杆转动接触传感器，据此测量凸轮-玻璃盘接触副的摩擦力。
11.本发明与现有技术相比，在循环冲击载荷作用下，基于凸轮-玻璃盘接触副油膜测量仪，通过模拟发动机排气系统凸轮-玻璃盘接触副的工作状态，观测接触副的润滑状态，采用纯机械传动方式模拟气缸内油气爆炸对凸轮-玻璃盘摩擦副润滑油膜的影响，基础加载单元在无冲击时对凸轮-玻璃盘接触副进行柔性加载，凸轮限位单元使冲击过程更加迅速、无干扰力；其结构简单，机械传动可靠，操作方便，能够在观测接触副润滑状态的基础上，实现冲击力和初试载荷的调节和测量以及摩擦力的测量，且可调节程度高，应用前景广阔。
附图说明：
12.图1为本发明的主体结构原理示意图。
13.图2为本发明涉及的主轴传动单元的结构原理示意图。
14.图3为本发明涉及的主轴传动单元的剖面示意图。
15.图4为本发明涉及的凸轮限位单元的结构原理示意图。
16.图5为本发明涉及的凸轮限位单元的剖面示意图。
17.图6为本发明涉及的曲柄推杆单元的结构原理示意图。
18.图7为本发明涉及的曲柄推杆单元的剖面示意图。
19.图8为本发明涉及的基础加载单元的结构原理示意图。
20.图9为本发明涉及的基础加载单元的剖面示意图。
21.图10为本发明涉及的玻璃盘转动单元的结构原理示意图。
22.图11为本发明涉及的摩擦力测量单元的结构原理示意图。
23.图12为本发明涉及的凸轮传动单元的结构原理示意图。
具体实施方式：
24.下面通过实施实例并结合附图对本发明做进一步描述。
25.实施例1：
26.本实施例涉及的凸轮-玻璃盘接触副润滑状态观测装置的主体结构包括由上台面101、下底板102、支撑柱103、滑键导轨104、平移面板105、支撑螺钉106和安装板107构成的支架1，具体地，矩形板状结构的上台面101和下底板102通过四根圆柱形结构的支撑柱103连接成框架式整体结构，上台面101上镶嵌的滑键导轨104上安装有平移面板105，下底板102的四个角部设置有支撑螺钉106，上台面101与下底板102之间还设置有矩形板状结构的安装板107；其中，下底板102上设置有主轴传动单元2，主轴传动单元2分别与安装板107上设置的凸轮限位单元3和曲柄推杆单元4连接，曲柄推杆单元4与平移面板105下方设置的基础加载单元5接触，玻璃盘转动单元6的上方设置有油膜观测单元7、下方设置有摩擦力测量单元8，侧方设置有凸轮传动单元9，且油膜观测单元7、摩擦力测量单元8和凸轮传动单元9均设置于平移面板105上，凸轮传动单元9与基础加载单元5接触。
27.本实施例涉及的主轴传动单元2的主体结构包括一号电机201、一号轴承座202、电机支架203、轴承座支架204、联轴器205、一号阶梯轴206、一号轴承207和一号预紧螺母208；一号电机201和一号轴承座202分别通过电机支架203和轴承座支架204设置于下底板102上，一号电机201通过联轴器205与一号阶梯轴206的一端连接，一号阶梯轴206的另一端穿越一号轴承座202内设置的一号轴承207，且一号阶梯轴206与一号轴承207之间设置有一号预紧螺母208；一号轴承座202内设置的一对一号轴承207通过轴套隔开，一侧一号轴承207的外圈通过一号轴承座202孔内的凸台和一号阶梯轴206的轴肩定位，另一侧一号轴承207通过弹性挡圈和预紧螺母208定位，一号预紧螺母208还能对一号轴承座202进行轴向定位。
28.本实施例涉及的凸轮限位单元3的主体结构包括铰支座301、铰支座支架302、双y接头杆303、内圈型拉杆304、i-y接头杆305、接头螺纹杆306、槽形凸轮307、一号套筒308、一号套筒支架309、一号上端盖310、一号下端盖311、一号弹簧312、一号弹簧座313、连杆销轴314、弹性挡圈315、螺纹接头316、随动轴承317、一号螺母318和轴套319；铰支座301通过铰支座支架302设置于安装板107上，铰支座301的中心设置有双y接头杆303，双y接头杆303的一端与内圈型拉杆304连接，另一端与i-y接头杆305连接，i-y接头杆305通过接头螺纹杆306与槽形凸轮307连接，接头螺纹杆306的中部外围套设有一号套筒308，一号套筒308通过
一号套筒支架309固定于安装板107上，其顶部和底部分别设置有一号上端盖310和一号下端盖311，内部设置有一号弹簧312，一号弹簧312通过一号弹簧座313设置于接头螺纹杆306的外围，顶端与一号上端盖310连接；双y接头杆303与内圈型拉杆304和i-y接头杆305，i-y接头杆305与接头螺纹杆306之间均设置有连杆销轴314和弹性挡圈315，i-y接头杆305与接头螺纹杆306通过螺纹接头316连接，接头螺纹杆306与槽形凸轮307通过随动轴承317和一号螺母318连接，随动轴承317外还设置有轴套319；i-y接头杆305能够绕其自身y接头段的孔轴心进行小幅度自由转动，以防顶死；槽型凸轮307的内轨道与随动轴承317的外圈相切；一号弹簧312压缩时的压力作用在一号弹簧座313上后，接头螺纹杆306与随动轴承317能够快速实现复位；轴套319将接头螺纹杆306与随动轴承317的内端面隔开。
29.本实施例涉及的曲柄推杆单元4的主体结构包括二号套筒401、二号套筒支架402、一号力传感器403、一号顶针404、一号筒芯405、二号弹簧座406、二号弹簧407、限位杆408、上法兰直线轴承409、一号筒芯筒套410、螺纹杆411、下法兰直线轴承412、一号接头413、二号接头414、连杆架y接头415、上鱼眼接头416、螺纹轴417、下鱼眼接头418和曲柄盘419；二号套筒401通过二号套筒支架402固定于安装板107上，二号套筒401内设置有通过一号力传感器403连接的一号顶针404和一号筒芯405，以及通过二号弹簧座406设置于一号筒芯405外围的二号弹簧407，二号套筒401外设置有与一号筒芯405对应的限位杆408，一号顶针404的顶端伸出二号套筒401，且与二号套筒401之间设置有上法兰直线轴承409，一号筒芯405的顶部设置有一号筒芯筒套410，底部与螺纹杆411连接，且与二号套筒401之间设置有下法兰直线轴承412，螺纹杆411通过一号接头413和二号接头414与连杆架y接头415连接，连杆架y接头415通过上鱼眼接头416与螺纹轴417连接，螺纹轴417通过下鱼眼接头418与曲柄盘419连接；二号套筒二401的侧面开设有用于限制一号力传感器403和限位杆408在水平方向转动的竖直槽，还开设有方便止动扳手固定二号弹簧座406的t型槽；一号力传感器403外接数显仪，以显示冲击力的调节值。
30.本实施例涉及的基础加载单元5的主体结构包括加载外套筒501、二号力传感器502、二号顶针503、二号筒芯504、加载杆505、三号弹簧506、加载盘507、受冲杆508、限制螺钉509、顶端轴承510、轴承轴511、二号螺母512、上端盖直线轴承513、二号筒芯筒套514、手轮515、二号轴承516、二号下端盖517和一号螺栓518；加载外套筒501的内部设置有通过二号力传感器502连接的二号顶针503和二号筒芯504，与二号筒芯504连接的加载杆505，二号筒芯504和加载杆505外围设置的三号弹簧506，加载杆505上套设的加载盘507，加载外套筒501的外部设置有与二号筒芯504对应的受冲杆508，与加载盘507对应的限制螺钉509，二号顶针503的顶端伸出加载外套筒501后通过顶端轴承510与轴承轴511连接，顶端轴承510与轴承轴511通过二号螺母512连接，且二号顶针503与加载外套筒501之间设置有上端盖直线轴承513，二号筒芯504的顶端设置有二号筒芯筒套514，加载杆505的底端伸出外套筒501后与手轮515连接，且加载杆505与加载外套筒501之间设置有二号轴承516和二号下端盖517，加载外套筒501与二号下端盖517通过一号螺栓518连接；加载外套筒501的侧面开设有竖直槽，用于限制二号力传感器502在水平方向的转动；二号力传感器502外接数显仪，以实时显示基础载荷和冲击力的大小，便于对基础载荷和冲击力进行调节；二号顶针503的上端设置有十字开口，用于放置轴承轴511，顶端轴承510套设在轴承轴511上并安装在十字型开口的中间位置，轴承轴511两端通过二号螺母512进行固定；限制螺钉509用于限制加载盘507的
转动；手轮515用于调节基础载荷；二号轴承516使加载外套筒501与加载杆505同轴心。
31.本实施例涉及的玻璃盘转动单元6的主体结构包括主轴601、玻璃盘602、三号上端盖603、外套筒604、十字杆605、三号下端盖606、钢垫607、缓冲元件608、玻璃盘压套609、二号螺栓610、上轴承611、内隔垫612、外隔垫613、下轴承614和二号预紧螺母615；主轴601上从上到下套设有玻璃盘602、三号上端盖603、外套筒604、两个夹角为90
°
的十字杆605和三号下端盖606，玻璃盘602上方和下方的主轴601上分别设置有钢垫607，玻璃盘602与钢垫607之间设置有缓冲元件608，上方的钢垫607上还设置有玻璃盘压套609，玻璃盘压套609上沿圆周方向均匀分布有六个用以调平玻璃盘602的二号螺栓610，三号上端盖603和三号下端盖606均与外套筒604螺栓式连接，外套筒604被十字杆605分隔成上下两部分，上部与主轴601之间设置有上轴承611，下部与主轴601之间设置有内隔垫612、外隔垫613和下轴承614，三号下端盖606与主轴601之间还设置有二号预紧螺母615；十字杆605随主轴601来回转动；缓冲元件608为橡胶垫；玻璃盘压套609用以调平玻璃盘602；内隔垫612和外隔垫613对上轴承611和下轴承614的内圈进行轴向定位。
32.本实施例涉及的油膜观测单元7的主体结构包括平移面板105上设置的显微镜支撑台701及其上设置的显微镜702，显微镜702的镜头位于玻璃盘转动单元6的上方。
33.本实施例涉及的摩擦力测量单元8的主体结构包括平移台801及其上设置的固定板802，以及固定板802上设置的传感器803。
34.本实施例涉及的凸轮传动单元9的主体结构包括左轴承901、左轴承支架902、右轴承903、右轴承支架904、短轴905、左摆动板906、右摆动板907、传动板908、二号电机909、同步带910、同步带轮911、轴承座912、二号阶梯轴913、凸轮914和轴承座端盖915；内部设置有左轴承901的左轴承支架902和内部设置有右轴承903的右轴承支架904均设置在平移面板105上，左轴承901通过短轴905与左摆动板906连接，右轴承903通过短轴905与右摆动板907连接，左摆动板906与传动板908螺栓连接，右摆动板907上设置有二号电机909，二号电机909通过同步带910与同步带轮911连接，同步带轮911与传动板908上设置的轴承座912中穿过的二号阶梯轴913的一端连接，二号阶梯轴913的另一端与凸轮914连接，轴承座912的两端分别设置有轴承座端盖915。
35.本实施例涉及的凸轮-玻璃盘接触副润滑状态观测装置在冲击载荷作用下使用时：
36.转动手轮515，使顶端轴承510的外圈与传动板908接触，传动板908在加载过程中带动左摆动板906和右摆动板907转动，当传动板908与水平方向存在夹角时，凸轮914与玻璃盘602接触，将凸轮914的接触点转动至近休止角结束位置，通过数显仪，调节基础载荷至设定值，将槽型凸轮307转动到槽型凸轮307与随动轴承317接触线在近休止角开始接触位置，即曲柄盘419垂直向上；
37.在此位置上，转动一号接头413松开螺纹副，通过止动扳手限制二号弹簧座406的周向转动，同时转动螺纹杆411，使二号弹簧座406向上移动压紧二号弹簧407，通过数显仪，调节冲击力至设定值；
38.槽型凸轮307旋转带动随动轴承317和接头螺纹杆306向下移动，双y接头杆303和i-y接头杆305动作，使内圈型拉杆304上升，不再限制限位杆408向上移动，即一号顶针404在二号弹簧407的作用下快速冲击受冲杆508的外侧圆盘，完成一次冲击；
39.凸轮914与玻璃盘602的接触点不断变化，导致传动板908、左摆动板906和右摆动板907随着凸轮914的轮廓摆动，在凸轮914转动至近休止角结束位置，即升程开始处，曲柄推杆单元4释放冲击力，凸轮-玻璃盘接触副受到冲击，整个周期中接触副所受的基础载荷不断变化，在凸轮914转动至回程结束位置时，一号顶针404与受冲杆508的圆盘分离并存在一定距离，曲柄推杆单元4结束施加给凸轮-玻璃盘接触副的荷载，随动轴承317处于最高位置，并带动双y接头杆303和i-y接头杆305转动，使内圈型拉杆304向下移动，进一步限制一号顶针404的位移，曲柄盘419转动压缩二号弹簧407，为下一次冲击储力；
40.在上述运转过程中，凸轮914接触玻璃盘602并转动时产生的摩擦力带动十字杆605转动，十字杆605转动接触传感器803，传感器803测得摩擦力，通过油膜观测单元7对循环冲击载荷作用下凸轮-玻璃盘接触副润滑状态进行观测。

技术特征：
1.一种凸轮-玻璃盘接触副润滑状态观测装置，主体结构包括支架及其下部设置的主轴传动单元、凸轮限位单元、曲柄推杆单元和基础加载单元，以及其上部设置的玻璃盘转动单元、油膜观测单元、摩擦力测量单元和凸轮传动单元，其特征在于,主轴传动单元分别与凸轮限位单元和曲柄推杆单元连接，曲柄推杆单元与基础加载单元接触，基础加载单元与凸轮传动单元接触，油膜观测单元设置于玻璃盘转动单元的上方，两个摩擦力测量单元对称设置于玻璃盘转动单元的下方两侧，凸轮传动单元设置于玻璃盘转动单元的侧方。2.根据权利要求1所述的凸轮-玻璃盘接触副润滑状态观测装置，其特征在于,主轴传动单元的主体结构包括一号电机及与其连接的一号阶梯轴和与一号阶梯轴连接的一号轴承；凸轮限位单元的主体结构包括铰支座及其上设置的双y接头杆，与双y接头杆连接的内圈型拉杆和i-y接头杆，通过接头螺纹杆与i-y接头杆连接的槽形凸轮，以及接头螺纹杆与槽形凸轮之间设置的随动轴承；曲柄推杆单元的主体结构包括二号套筒及其内设置的一号顶针和一号筒芯，一号筒芯外围设置的二号弹簧，二号套筒外设置的限位杆，与一号筒芯连接的螺纹杆，以及与螺纹杆连接的一号接头和曲柄盘；基础加载单元的主体结构包括加载外套筒及其内部设置的二号筒芯，与二号筒芯连接的加载杆，二号筒芯和加载杆外围设置的三号弹簧，加载杆上套设的加载盘，加载外套筒外部设置的受冲杆，二号顶针顶端设置的顶端轴承，以及与加载杆连接的手轮；玻璃盘转动单元的主体结构包括主轴及其上套设的玻璃盘、十字杆、钢垫和缓冲元件；油膜观测单元的主体结构包括显微镜支撑台及其上设置的显微镜；摩擦力测量单元的主体结构包括传感器；凸轮传动单元的主体结构包括左摆动板及与其连接的传动板，二号电机及与其连接的凸轮。3.根据权利要求2所述的凸轮-玻璃盘接触副润滑状态观测装置，其特征在于,支架为支撑各部件的主体框架；主轴传动单元为循环冲击力的动力来源，与凸轮传动单元同步运行，具有正时作用；凸轮限位单元对曲柄推杆单元的冲击力释放时机进行控制，在二号弹簧的压力增大时限制压力释放，使曲柄推杆单元在二号弹簧的压力增大到最大值时释放冲击力；曲柄推杆单元在任意循环周期中存储和释放二号弹簧的压力，对冲击力进行调节；基础加载单元对凸轮-玻璃盘接触副施加基础载荷，将曲柄推杆单元承受的冲击力传递到凸轮-玻璃盘接触副，在无冲击时进行柔性加载；玻璃盘转动单元中的玻璃盘能够转动和调节，钢垫和缓冲元件用以减少玻璃盘工作时产生的震动；油膜观测单元中的显微镜用于观测玻璃盘与凸轮之间的润滑状态；摩擦力测量单元的传感器用于测量玻璃盘与凸轮作相对运动时接触副产生的摩擦力；凸轮传动单元中的凸轮位于玻璃盘的侧面与玻璃盘构成接触副，凸轮在二号电机的带动下旋转，并与玻璃盘相对运动产生摩擦。4.根据权利要求2或3所述的凸轮-玻璃盘接触副润滑状态观测装置，其特征在于,槽型凸轮和曲柄盘分别与一号阶梯轴键连接，槽型凸轮与曲柄盘利用紧定螺钉进行轴向定位，二号顶针与受冲杆的外端水平圆盘同轴线并位于其下侧，限位杆静态时，内圈型拉杆具有轴向移动空间。5.根据权利要求4所述的凸轮-玻璃盘接触副润滑状态观测装置，其特征在于,随动轴承随槽型凸轮的转动下落时，接头螺纹杆下落并带动双y接头杆靠近铰支座的一端下落，内圈型拉杆上升，使曲柄推杆单元完成冲击力释放动作，反之则为限制动作；曲柄盘转动带动螺纹杆轴向往复运动，螺纹杆同二号弹簧座二作往复轴向运动时将力通过二号弹簧传递至一号筒芯，通过止动扳手限制二号弹簧座二周向运动时，转动螺纹杆，
二号弹簧座二上升并压紧二号弹簧，对冲击力进行调节；此外，固定螺纹杆并拧松一号接头后，螺纹杆自由转动且不影响二号接头及其下部结构，当二号弹簧座周向固定时，能够随螺纹杆的转动上下移动，以此增大或减小冲击力；转动手轮带动加载杆同步转动，使加载盘上下移动，将载荷传递给三号弹簧，最终作用在二号筒芯上，顶端轴承的外圈与传动板设置方形轴承座的一端接触，对传动板施加基础载荷，凸轮转动时带动玻璃盘旋转，进而带动十字杆转动接触传感器，据此测量凸轮-玻璃盘接触副的摩擦力。6.根据权利要求1-3中任一项所述的凸轮-玻璃盘接触副润滑状态观测装置，其特征在于,主体结构包括由上台面、下底板、支撑柱、滑键导轨、平移面板、支撑螺钉和安装板构成的支架，具体地，矩形板状结构的上台面和下底板通过四根圆柱形结构的支撑柱连接成框架式整体结构，上台面上镶嵌的滑键导轨上安装有平移面板，下底板的四个角部设置有支撑螺钉，上台面与下底板之间还设置有矩形板状结构的安装板；其中，下底板上设置有主轴传动单元，主轴传动单元分别与安装板上设置的凸轮限位单元和曲柄推杆单元连接，曲柄推杆单元与平移面板下方设置的基础加载单元接触，玻璃盘转动单元的上方设置有油膜观测单元、下方设置有摩擦力测量单元，侧方设置有凸轮传动单元，且油膜观测单元、摩擦力测量单元和凸轮传动单元均设置于平移面板上，凸轮传动单元与基础加载单元接触；主轴传动单元的主体结构包括一号电机、一号轴承座、电机支架、轴承座支架、联轴器、一号阶梯轴、一号轴承和一号预紧螺母；一号电机和一号轴承座分别通过电机支架和轴承座支架设置于下底板上，一号电机通过联轴器与一号阶梯轴的一端连接，一号阶梯轴的另一端穿越一号轴承座内设置的一号轴承，且一号阶梯轴与一号轴承之间设置有一号预紧螺母；一号轴承座内设置的一对一号轴承通过轴套隔开，一侧一号轴承的外圈通过一号轴承座孔内的凸台和一号阶梯轴的轴肩定位，另一侧一号轴承通过弹性挡圈和预紧螺母定位，一号预紧螺母还能对一号轴承座进行轴向定位；凸轮限位单元的主体结构包括铰支座、铰支座支架、双y接头杆、内圈型拉杆、i-y接头杆、接头螺纹杆、槽形凸轮、一号套筒、一号套筒支架、一号上端盖、一号下端盖、一号弹簧、一号弹簧座、连杆销轴、弹性挡圈、螺纹接头、随动轴承、一号螺母和轴套；铰支座通过铰支座支架设置于安装板上，铰支座的中心设置有双y接头杆，双y接头杆的一端与内圈型拉杆连接，另一端与i-y接头杆连接，i-y接头杆通过接头螺纹杆与槽形凸轮连接，接头螺纹杆的中部外围套设有一号套筒，一号套筒通过一号套筒支架固定于安装板上，其顶部和底部分别设置有一号上端盖和一号下端盖，内部设置有一号弹簧，一号弹簧通过一号弹簧座设置于接头螺纹杆的外围，顶端与一号上端盖连接；双y接头杆与内圈型拉杆和i-y接头杆，i-y接头杆与接头螺纹杆之间均设置有连杆销轴和弹性挡圈，i-y接头杆与接头螺纹杆通过螺纹接头连接，接头螺纹杆与槽形凸轮通过随动轴承和一号螺母连接，随动轴承外还设置有轴套；i-y接头杆能够绕其自身y接头段的孔轴心进行小幅度自由转动，以防顶死；槽型凸轮的内轨道与随动轴承的外圈相切；一号弹簧压缩时的压力作用在一号弹簧座上后，接头螺纹杆与随动轴承能够快速实现复位；轴套将接头螺纹杆与随动轴承的内端面隔开；曲柄推杆单元的主体结构包括二号套筒、二号套筒支架、一号力传感器、一号顶针、一号筒芯、二号弹簧座、二号弹簧、限位杆、上法兰直线轴承、一号筒芯筒套、螺纹杆、下法兰直线轴承、一号接头、二号接头、连杆架y接头、上鱼眼接头、螺纹轴、下鱼眼接头和曲柄盘；二号套筒通过二号套筒支架固定于安装板上，二号套筒内设置有通过一号
力传感器连接的一号顶针和一号筒芯，以及通过二号弹簧座设置于一号筒芯外围的二号弹簧，二号套筒外设置有与一号筒芯对应的限位杆，一号顶针的顶端伸出二号套筒，且与二号套筒之间设置有上法兰直线轴承，一号筒芯的顶部设置有一号筒芯筒套，底部与螺纹杆连接，且与二号套筒之间设置有下法兰直线轴承，螺纹杆通过一号接头和二号接头与连杆架y接头连接，连杆架y接头通过上鱼眼接头与螺纹轴连接，螺纹轴通过下鱼眼接头与曲柄盘连接；二号套筒二的侧面开设有用于限制一号力传感器和限位杆在水平方向转动的竖直槽，还开设有方便止动扳手固定二号弹簧座的t型槽；一号力传感器外接数显仪，以显示冲击力的调节值；基础加载单元的主体结构包括加载外套筒、二号力传感器、二号顶针、二号筒芯、加载杆、三号弹簧、加载盘、受冲杆、限制螺钉、顶端轴承、轴承轴、二号螺母、上端盖直线轴承、二号筒芯筒套、手轮、二号轴承、二号下端盖和一号螺栓；加载外套筒的内部设置有通过二号力传感器连接的二号顶针和二号筒芯，与二号筒芯连接的加载杆，二号筒芯和加载杆外围设置的三号弹簧，加载杆上套设的加载盘，加载外套筒的外部设置有与二号筒芯对应的受冲杆，与加载盘对应的限制螺钉，二号顶针的顶端伸出加载外套筒后通过顶端轴承与轴承轴连接，顶端轴承与轴承轴通过二号螺母连接，且二号顶针与加载外套筒之间设置有上端盖直线轴承，二号筒芯的顶端设置有二号筒芯筒套，加载杆的底端伸出外套筒后与手轮连接，且加载杆与加载外套筒之间设置有二号轴承和二号下端盖，加载外套筒与二号下端盖通过一号螺栓连接；加载外套筒的侧面开设有竖直槽，用于限制二号力传感器在水平方向的转动；二号力传感器外接数显仪，以实时显示基础载荷和冲击力的大小，便于对基础载荷和冲击力进行调节；二号顶针的上端设置有十字开口，用于放置轴承轴，顶端轴承套设在轴承轴上并安装在十字型开口的中间位置，轴承轴两端通过二号螺母进行固定；限制螺钉用于限制加载盘的转动；手轮用于调节基础载荷；二号轴承使加载外套筒与加载杆同轴心；玻璃盘转动单元的主体结构包括主轴、玻璃盘、三号上端盖、外套筒、十字杆、三号下端盖、钢垫、缓冲元件、玻璃盘压套、二号螺栓、上轴承、内隔垫、外隔垫、下轴承和二号预紧螺母；主轴上从上到下套设有玻璃盘、三号上端盖、外套筒、两个夹角为90
°
的十字杆和三号下端盖，玻璃盘上方和下方的主轴上分别设置有钢垫，玻璃盘与钢垫之间设置有缓冲元件，上方的钢垫上还设置有玻璃盘压套，玻璃盘压套上沿圆周方向均匀分布有六个用以调平玻璃盘的二号螺栓，三号上端盖和三号下端盖均与外套筒螺栓式连接，外套筒被十字杆分隔成上下两部分，上部与主轴之间设置有上轴承，下部与主轴之间设置有内隔垫、外隔垫和下轴承，三号下端盖与主轴之间还设置有二号预紧螺母；十字杆随主轴来回转动；缓冲元件为橡胶垫；玻璃盘压套用以调平玻璃盘；内隔垫和外隔垫对上轴承和下轴承的内圈进行轴向定位；油膜观测单元的主体结构包括平移面板上设置的显微镜支撑台及其上设置的显微镜，显微镜的镜头位于玻璃盘转动单元的上方；摩擦力测量单元的主体结构包括平移台及其上设置的固定板，以及固定板上设置的传感器；凸轮传动单元的主体结构包括左轴承、左轴承支架、右轴承、右轴承支架、短轴、左摆动板、右摆动板、传动板、二号电机、同步带、同步带轮、轴承座、二号阶梯轴、凸轮和轴承座端盖；内部设置有左轴承的左轴承支架和内部设置有右轴承的右轴承支架均设置在平移面板上，左轴承通过短轴与左摆动板连接，右轴承通过短轴与右摆动板连接，左摆动板与传动板螺栓连接，右摆动板上设置有二号电机，二号电机通过同步带与同步带轮连接，同步带轮与传动板上设置的轴承座中穿过的二号阶梯轴的一端连接，二号阶梯轴的另一端与凸轮连接，轴承座的两端分别设置有轴承座端盖。
7.根据权利要求6所述的凸轮-玻璃盘接触副润滑状态观测装置，其特征在于,使用时：转动手轮，使顶端轴承的外圈与传动板接触，传动板在加载过程中带动左摆动板和右摆动板转动，当传动板与水平方向存在夹角时，凸轮与玻璃盘接触，将凸轮的接触点转动至近休止角结束位置，通过数显仪，调节基础载荷至设定值，将槽型凸轮转动到槽型凸轮与随动轴承接触线在近休止角开始接触位置，即曲柄盘垂直向上；在此位置上，转动一号接头松开螺纹副，通过止动扳手限制二号弹簧座的周向转动，同时转动螺纹杆，使二号弹簧座向上移动压紧二号弹簧，通过数显仪，调节冲击力至设定值；槽型凸轮旋转带动随动轴承和接头螺纹杆向下移动，双y接头杆和i-y接头杆动作，使内圈型拉杆上升，不再限制限位杆向上移动，即一号顶针在二号弹簧的作用下快速冲击受冲杆的外侧圆盘，完成一次冲击；凸轮与玻璃盘的接触点不断变化，导致传动板、左摆动板和右摆动板随着凸轮的轮廓摆动，在凸轮转动至近休止角结束位置，即升程开始处，曲柄推杆单元释放冲击力，凸轮-玻璃盘接触副受到冲击，整个周期中接触副所受的基础载荷不断变化，在凸轮转动至回程结束位置时，一号顶针与受冲杆的圆盘分离并存在一定距离，曲柄推杆单元结束施加给凸轮-玻璃盘接触副的荷载，随动轴承处于最高位置，并带动双y接头杆和i-y接头杆转动，使内圈型拉杆向下移动，进一步限制一号顶针的位移，曲柄盘转动压缩二号弹簧，为下一次冲击储力。8.根据权利要求7所述的凸轮-玻璃盘接触副润滑状态观测装置，其特征在于,运转过程中，凸轮接触玻璃盘并转动时产生的摩擦力带动十字杆转动，十字杆转动接触传感器，传感器测得摩擦力，通过油膜观测单元对循环冲击载荷作用下凸轮-玻璃盘接触副润滑状态进行观测。

技术总结
本发明属于高副接触润滑油膜测量技术领域，具体涉及一种凸轮-玻璃盘接触副润滑状态观测装置，主体结构包括支架及其下部设置的主轴传动单元、凸轮限位单元、曲柄推杆单元和基础加载单元，以及其上部设置的玻璃盘转动单元、油膜观测单元、摩擦力测量单元和凸轮传动单元，在循环冲击载荷作用下，基于凸轮-玻璃盘接触副油膜测量仪，通过模拟发动机排气系统凸轮-玻璃盘接触副的工作状态，观测接触副的润滑状态，采用纯机械传动方式模拟气缸内油气爆炸对凸轮-玻璃盘摩擦副润滑油膜的影响，基础加载单元在无冲击时对凸轮-玻璃盘接触副进行柔性加载，凸轮限位单元使冲击过程更加迅速、无干扰力；其结构简单，机械传动可靠，操作方便。便。便。


技术研发人员：刘明海 李书义 郭峰 李常腾
受保护的技术使用者：青岛理工大学
技术研发日：2023.04.24
技术公布日：2023/7/21