新型光干涉法纳米级润滑膜厚度测量仪

　　随着机械工业的发展，摩擦副的间隙日趋减小，在一些超精密机械和许多工作在低速、重载、高温条件下或者以低黏度润滑油/脂为润滑介质的机械设备中，其润滑膜厚度常常处于几个到几十个纳米之间。在这个膜厚范围内，经典的弹流润滑理论失去了正确的应用基础。这为机械工业的发展带来了障碍，也为摩擦学理论的深入研究提出了新的课题，促进了纳米摩擦学[1]的兴起和发展。

　　20 世纪 90 年代初，温诗铸等[2]提出一种新的润滑状态即薄膜润滑状态，用它来描述边界膜润滑与流体膜润滑之间的过渡状态。随着薄膜润滑理论的研究，对于如何确定弹流理论可以正确应用的最小膜厚极限值仍然存在分歧，而且对于弹流理论丧失应用基础的薄膜润滑，如何评价它的性能和建立数学模型仍然无法确定。这些问题都说明很有必要开展纳米量级薄膜润滑状态研究，其中的关键问题就是润滑膜厚的测量。目前，一些膜厚测量方法[3]在测量润滑膜的厚度方面都得到了广泛的应用，其中光干涉法在测量油膜厚度和判定润滑状态中最为准确有效[4 -5。本文作者依据相对光强原理[6 -7]研制出一种纳米级润滑膜厚测量仪，并设定实验工况进行了测试研究，实验表明这种仪器对纳米级润滑薄膜厚度的测量是有效的。

　　1 实验装置

　　本实验利用自制的光干涉实验机测量点接触中心区润滑油膜平均厚度，钢球与玻璃盘为点接触纯滑动运动。与国内外其他学者研制的纳米级润滑膜厚度测量仪不同的是，本实验装置采用正置加载架构。这种设计的优点体现在: 简化了实验机构; 方便实验钢球的安装和取出; 能够保证在纯滑动摩擦条件下摩擦表面充分润滑，避免了因供油不足所导致的实验结果不准确，从而提高了实验精度; 同时，可以方便地更换实验试样 ( 将玻璃盘换成金属盘) 而不改变实验工况，就可以做到在相同工况下进行电参数的润滑状态实验，这样既提高了实验效率，又能够使光干涉法和其他测试方法结合起来，从而为润滑状态的研究提供更充分更准确的依据。

　　测量系统的原理如图 1 所示。一束经过滤波的单色光发射到带有半反膜的玻璃盘表面上，玻璃盘上的半反膜为光学级超精加工，粗糙度非常小。光束分别在半透半反膜下表面和钢球表面上反射，然后两束光发生干涉，干涉光经由带有摄像功能的金相显微镜在电脑显示器上显示出单色干涉条纹，然后利用光干涉相对光强原理对干涉条纹图像进行分析处理，从而得出润滑膜厚度分布。

　　实验装置简图如图 2 所示，图 3 为实验装置照片。钢球固定在夹具 7 中，钢球下方为嵌入在玻璃盘载体 9 上的半反膜玻璃盘 8，润滑膜存在于钢球和半反膜玻璃盘之间，钢球和玻璃盘为点接触纯滑动润滑。金相显微镜 11 位于玻璃盘正下方，并通过三维工作台 12 调节位置以获取最清晰的干涉条纹。旋转把手 1 和弹簧片 2 用来调节钢球作用在玻璃盘上的载荷。旋转台 10 由步进电机 13 驱动，带动固定其上的半反膜玻璃盘旋转，并通过连接在步进电机上的步进电机驱动器和信号源来调节旋转台转速。钢球夹具通过两根弹簧与弹簧片 2 连接在一起，以平衡夹具的自重对载荷的影响，夹具和弹簧片之间固定着载荷传感器 3。