книги / Трение и износ деталей машин

о величине износа (рис. 43). Обычно в качестве контрольного параметра используют длину лунки, определяемую с помощью микроскопа. Лунки вырезают вращающимся алмазным резцом, заточенным в виде трехгран­ ной пирамиды с отрицательным передним углом. Соотношение между глубиной лунки и длиной ее составляет 1:50-1:80, что обеспечивает высо­ кую точность измерения износа.

Рис. 43. Схема измерения износа методом выре­ занных лунок: 1 - поверхность трения до изнаши­ вания; 2 - поверхность трения после изнашивания

Приборы, предназначенные для определения износа методом выре­ занных лунок, должны обеспечивать вырезание лунки в выбранном месте поверхности трения исследуемой детали, точное координирование места лунки (чтобы ее не трудно было обнаружить после испытаний), точное оп­ ределение длины лунки до и после испытаний.

Для определения износа методом вырезанных лунок применяют приборы УПОИ-6, оптико-механический индикатор износа ОМИ-1, а так­ же обычные микроскопы с градуированным окуляром.

Размеры лунки определяются особенностями деталей и условиями испытаний - при больших износах наносят лунки с наибольшей длиной, а следовательно, и глубиной. Глубина лунки должна быть несоизмеримо больше высоты микронеровностей. Рекомендуются следующие соотноше­ ния размеров лунки: глубина 20,8; 48,0; 83,0 мкм, длина соответственно 1,0; 1,5; 2,0 мм.

Износ плоских, а также цилиндрических поверхностей при лунке, расположенной по образующей цилиндра,

И = 0,125(/j2

где l\ и /2 - длина лунки до и после изнашивания, мм; г - радиус вращения вершины резца, мм.

Износ лунки, расположенной на выпуклой цилиндрической поверх­ ности,

H = 0 , 1 2 5 ^ - / |) ^ + | j ,

где R - радиус кривизны поверхности трения в месте расположения лун­ ки, мм.

Износ лунки, расположенной на вогнутой цилиндрической поверх­ ности,

и = о,1 2 5 ^ - ;2) [ 1 - | \

Этот метод проще, чем метод отпечатков. При вырезании лунок на поверхности детали материал не вспучивается. Точность метода 0,0005- 0,0020 мм.

К методам определения износа по изменению параметров сопря­ жения относятся: измерения массы, объема образца и детали, а также за­ зора в сопряжении.

Для определения величины износа небольших деталей или деталей, изготовленных из материалов с высокой износостойкостью, используют метод измерения потери массы детали или образца. Детали (образцы) взвешивают до и после испытания. Перед взвешиванием детали должны быть тщательно промыты, просушены. После испытаний с деталей необ­ ходимо смыть продукты изнашивания, смазки и т.п.

Метод измерения износа по изменению объема детали или зазора

между поверхностями трения по существу близок к методу микрометриче­ ских измерений: при определении контролируемых параметров применяют те же инструменты и методы измерений. Основными недостатками метода определения износа по изменению параметров сопряжения являются необ­ ходимость разборки механизма для проведения измерений; ограничение массы и размеров деталей возможностями применяемых измерительных средств.

Массу деталей определяют взвешиванием на весах приборных, лабо­ раторных, аналитических. Такие весы рассчитаны на предельную нагрузку от 0,5 до 200 г и обеспечивают погрешность в пределах от ±2Т0~4 до ±3-10 '5 г.

Массовый износ не рекомендуется определять в тех случаях, когда изменение размеров детали произошло не только вследствие отделения частиц износа, но и вследствие пластического деформирования. Массовый метод неприемлем и для определения величины износа деталей из порис­ тых материалов, пропитанных маслом, потому что невозможно сказать, было ли одинаковым количество масла в порах при взвешивании до и по­ сле испытания.

Суть метода определения величины износа по содержанию ме­ таллических примесей (продуктов износа) в масле заключается в сле­ дующем. Продукты износа деталей, представляющие собой мелкие метал­ лические частицы, окислы металлов и продукты химического взаимодей­ ствия металлов с активными компонентами масла, увлекаются жидкой смазкой. Из смазочного масла отбирают пробу, которую сжигают, и при помощи химического анализа определяют содержание металла в золе.

Отбор проб производят таким образом, чтобы проба характеризовала среднее содержание железа в смазочном масле. В механизмах с шестерен­ ными передачами (коробки скоростей, задние мосты автомобилей и т.д.), где масло во время работы активно перемешивается и продукты износа распределяются равномерно по всей массе масла, для анализа отбирают 100-125 г масла с помощью пипетки или стеклянной трубки.

Преимуществом метода определения износа деталей машин по со­ держанию продуктов износа в отработанном масле является то, что он по­ зволяет изучать характеристики скорости изнашивания без разборки дви­ гателя или другого механизма и отличается достаточно высокой точно­ стью. Содержание железа в количестве 10-100 частей на 106 частей масла определяется с точностью 1-10 %. Это примерно соответствует износу ци­ линдра автомобильного двигателя по диаметру на 0,2 мкм.

Для анализа содержания металлических частиц в масле используют химический, спектральный, радиометрический, активационный и оптико­ физические методы.

Химический анализ основан на определении содержания частиц из­ носа в продуктах сгорания масляной пробы. Он не позволяет получить не­ обходимую точность результатов, и поэтому для измерения износа его применяют редко.

При спектральном анализе определяют спектральный состав пламе­ ни при сгорании пробы масла. Спектральный анализ масел для определе­ ния продуктов износа элементов машин проводят с помощью квантомера (МФС-5, МФС-7), представляющего собой многоканальную фотоэлектри­ ческую установку. В состав установки входят полихроматор с рельсом и растровым конденсатором, электронно-регистрирующее устройство с цифровым вольтметром, источник возбуждения спектра, электромагнит­

ный и электромеханический стабилизаторы напряжения, штатив для сжи­ гания проб масел (рис. 44).

Анализируемую пробу масла 1 помещают в штатив. В ванночку с маслом погружают вращающийся угольный диск 2, который является нижним электродом при анализе масла. При вращении диска масло с нахо­ дящимися в нем продуктами износа проходит между нижним дисковым и верхним стержневым 3 угольными электродами. Под действием разряда происходит испарение масла и возбуждение излучения атомов элементов, присутствующих в пробе масла.

Рис. 44. Принципиальная схема установки для спектрального анализа масел

Полихроматор 4 с вогнутой дифракционной решеткой разлагает из­ лучение в спектр, характеризующий химический состав вещества пробы. Каждому элементу соответствует своя совокупность спектральных линий. Интенсивность спектральных линий зависит от концентрации элементов в данной пробе.

С помощью выходных щелей, установленных на фокальной поверх­ ности полихроматора, выделяют из спектра пробы 16 аналитических линий различных элементов (табл. 25). Выделенные таким образом монохрома­ тические излучения проецируются на фотокатоды фотоэлектронных ум­ ножителей 5 и вызывают фототоки в их анодных цепях. Электроннорегистрирующее устройство б автоматически высвечивает результат на шкале цифрового вольтметра или на экране дисплея 7.

Таблица 25

Химические элементы, определяемые в пробе масла с помощью квантометра МФС-5

Радиометрический метод используют для оценки износа радиоак­ тивных деталей по содержанию радиоактивных частиц в масле. Радиоак­ тивность деталей создается введением изотопов в плавку или с помощью покрытия детали радиоактивным слоем.

Активационный метод представляет собой комбинацию спектраль­ ного и радиометрического методов. Содержание продуктов изнашивания определяют по величине радиоактивности путем анализа спектров излуче­ ния пробы после облучения ее нейтронами.

Более просто и с меньшей трудоемкостью можно определить износ по содержанию металлических примесей в масле с помощью весового ана­ лиза. Суть этого метода заключается в том, что пробу масла установленно­ го объема пропускают через фильтр с тонкостью фильтрации не выше 3-5 мкм. Если исходная масса фильтра известна, то его взвешивание после фильтрации и тщательного просушивания позволит определить массу от­ фильтрованных механических примесей. При использовании этого метода необходимо учитывать, что в состав механических примесей входят не только продукты износа, но и загрязняющие частицы, поступающие в мас­ ло из окружающей среды. Это значительно снижает точность оценки изно­

са по результатам весового анализа механических примесей, содержащих­ ся в масле.

В последнее время все шире применяют при оценке износа оптико­ физические методы. Для определения содержания продуктов износа в масле могут быть использованы современные приборы, предназначенные для автоматической регистрации механических частиц, находящихся в прозрачной жидкости во взвешенном состоянии [1]. Перспективен для ис­ следования изнашивания метод феррографии, позволяющий с помощью соответствующего оптического оборудования определить не только вид и количество частиц механических примесей в масле, но и их форму и раз­ меры. Однако сложность и высокая стоимость феррографического обору­ дования ограничивают область применения этого метода.

Методы оценки износа по изменению показателей функциониро­ вания предусматривают измерение: расхода рабочей среды, ее давления, линейных и угловых перемещений деталей и др.

При определении износа по расходу рабочей среды (смазочного ма­ териала или рабочей жидкости) на машине устанавливают прибор, автома­ тически регистрирующий расход жидкости (как правило, масла), проходя­ щей через зазор между трущимися поверхностями деталей сопряжения. Повышение расхода свидетельствует об увеличении зазора и, таким обра­ зом, о приращении износа поверхностей деталей. Принципиальная схема измерения износа этим методом показана на рис. 45. Основной недостаток метода состоит в том, что расход рабочей среды является косвенным пока­ зателем износа сопряжения и непосредственно измерить износ детали не­ возможно.

*J

Рис. 45. Схема измерения износа по изменению расхода или давления рабочей среды: 1 - трубопровод; 2 - расходомер; 3 - манометр; 4 - вал; 5 - втулка

Метод определения износа по изменению давления рабочей среды

отличается от предыдущего тем, что об износе в данном случае судят по уменьшению давления жидкости или газа вследствие увеличения зазора между деталями. Для измерения и автоматической записи изменения дав­ ления рабочей среды в процессе работы машины применяют самопишущие манометры.

Для измерения износа по линейным или угловым перемещениям дета­ лей используют метод тензометрического микрометрирования. В контакт с изнашивающейся деталью вводят упругий элемент с наклеенными на него тензометрическими датчиками. При изменении поверхности детали вслед­ ствие изнашивания упругий элемент деформируется и посылает электри­ ческий сигнал с помощью тензодатчиков на гальванометр или осцилло­ граф (рис. 46). К недостаткам этого метода следует отнести большую тех­ ническую сложность измерения и сравнительно узкие пределы измерения износа: 0,0001-0,1 мм.

Рис. 46. Схема измерения износа методом тензометрического микрометрирования: 1,2 - детали сопряжения; 3 - шарнир; 4 - каретка; 5 - тензобалка; 6 - гальванометр

Акустические методы относятся к методам неразрушающего кон­ троля, при которых узел трения не подвергается разборке. Преимущество методов состоит в том, что они позволяют диагностировать практически все виды дефектов изготовления, сборки и эксплуатации.

Контроль изнашивания деталей трибосистем осуществляется, как правило, пассивными акустическими методами: акустической эмиссии, вибрационно-диагностическим и шумодиагностическим (рис. 47).

Метод акустической эмиссии заключается в регистрации с помощью пьезоэлектрических преобразователей упругих волн напряжений, возни­ кающих вследствие внутренней перестройки структуры материала деталей трибосистемы при возникновении и развитии микротрещин. При этом ис­ точником акустической эмиссии является сам дефект в материале.

Методы вибрационной и шумовой диагностики основаны на анализе вибраций или шумов какой-либо отдельной детали (подшипника, ротора) или узла трибосистемы. При анализе изнашивания этими методами изме­ ряются амплитудные и частотные характеристики акустического сигнала. Эти характеристики зависят от многих факторов: давления в контакте, скорости относительного перемещения деталей, наличия и качества смазки и т.д. Степень износа деталей того или иного узла трения определяется из­ менением целого ряда структурных параметров трибосистемы.

4 Ш

чик; 6 - вал; 7 - подшипниковая втулка; 8 - корпус подшипника

Общий принцип вибродиагностики: на первом этапе собирается ин­ формация о диагностируемом оборудовании; затем эта информация вво­ дится в компьютер - создается так называемый маршрут; далее маршрут передается в измерительный прибор и проводятся измерения, результаты которых передаются обратно в компьютер; следующий этап - анализ ре­ зультатов измерений - самый ответственный и трудоемкий, он полностью автоматизирован; потом на основе отчетов, составленных программой, анализируются выявленные дефекты и ставится диагноз.

Методы вибродиагностики базируются на исследовании вибраций деталей и сравнении их с эталонами. Для каждого вида деталей строятся пороги допустимого уровня вибрации, по которым дефекты оцениваются как слабые, средние и сильные. Методы прогнозирования технического со­ стояния ТО основываются на анализе тенденций изменения вибраций. По результатам анализа вибраций автоматически составляются отчеты. На рис. 48 представлена структурная схема программно-технического ком­ плекса диагностики деталей и узлов по вибрации.

Методы определения износа по изменению радиоактивности де­ тали позволяют контролировать процесс изнашивания рабочей поверхно­ сти детали в периодическом или непрерывном режиме. В зависимости от

технологии активации детали различают метод поверхностной активации и метод радиоактивных вставок.

Рис. 48. Структурная схема системы вибродиагностики

При определении износа методом поверхностной активации на за­ данном участке поверхности детали создают радиоактивный объем глуби­ ной 0,05-0,4 мм. Для этого участок облучают заряженными частицами (нейтронами, протонами, альфа-частицами). Для определения износа ис­ пользуют тарировочный график, построенный по результатам предвари­ тельных исследований. Уровень радиоактивности детали небольшой (10 мкКи), и поэтому радиоактивная защита не нужна.

Активация деталей может быть осуществлена также путем специ­ альных радиоактивных вставок из материала, сходного по фрикционным характеристикам с материалом детали (рис. 49).

Рис. 49. Схема измерения износа методом поверхностной активации: 1,3 - детали сопряжения; 2 - радио­ активная вставка; 4 - счетчик ра­ диоактивности; 5 - регистрирую­

щий прибор

12.МЕТОДЫ ИСПЫТАНИЯ НА ИЗНОС

ИОПРЕДЕЛЕНИЯ СИЛЫ И МОМЕНТА ТРЕНИЯ

12.1.Машины для испытания на трение и износ

Существующие методы испытаний механизмов на изнашивание можно разделить на эксплуатационные, стендовые и лабораторные. При эксплуатационных испытаниях износ элементов можно оценивать с помо­ щью интегральных методов. Машина работает в обычном режиме. По со­ держанию продуктов износа в масле, по величине зазора, по давлению в системе или изменению какого-либо другого показателя, значения которо­ го периодически измеряют во время исследований, определяют законо­ мерность изнашивания отдельных деталей или сопряжения в целом. Ос­ новные недостатки эксплуатационных исследований - большая про­ должительность и низкая точность результатов, преимущество - не требу­ ется дополнительных затрат на оборудование и проведение испытаний.

При стендовых испытаниях на специализированных стендах (как правило, уникальных) испытывают сборочные единицы машины: двигате­ ли, редукторы, гидромоторы. Износ деталей и сопряжения оценивают ин­ тегральным или дифференциальным методами. Режимы испытаний сбо­ рочных единиц устанавливают или в соответствии с эксплуатационными режимами работы (нормальные испытания), или ужесточенные, форсиро­ ванные по одному из параметров: нагрузке, температуре, скорости, време­ ни (форсированные испытания).

Лабораторные испытания проводят на универсальных установках - машинах для испытания материалов на трение и изнашивание. Характер­ ной особенностью таких испытаний является то, что исследование прово­ дят на физической модели сопряжения, обеспечивающей подобие явлений изнашивания в условиях эксплуатации и при испытаниях. Лабораторные испытания используют для подбора материалов деталей сопряжения, сма­ зочных материалов, обоснования рациональных режимов работы и смазки сопряжения, для определения ресурса деталей сопряжения, периодичности проведения регулировочных и смазочных операций и т.п. При лаборатор­ ных испытаниях исключают влияние внешних условий на контрольно­ измерительные приборы, обеспечивают максимальную точность результа­ тов измерений при минимальной продолжительности исследований.

Установки для испытания элементов машин на трение и изна­ шивание классифицируют по конструкции образцов и кинематике их отно­ сительного перемещения (рис. 50).

Четырехшариковые машины используют для исследования эксплуа­ тационных свойств масел и пластичных смазочных материалов. Из машин трения, выпускаемых отечественной промышленностью, наибольшее рас­