Методы измерения износа

Изнашивание металлов при трении

Трение основная причина изнашивания деталей машин. Про­блемы трения, изнашивания и смазывания изучает наука трибология, базирующаяся на фундаментальных законах физики, химии, механики сплошных сред, термодинамики и материаловедения.

Трибологические свойства металлических материалов в значительной степени зависят от состояния их поверхностных слоев. С поверхности, подвергаемой контактным механическим нагрузкам, коррозии и высоким температурам, начинается разрушение большинства изделий машиностроения. Наибольшие потери связаны с развитием процессов изнашивания поверхности деталей машин и инструмента. По мере развития технологий и перехода от макромасштабных к микро- и наномасштабным уровням рассмотрения структуры и свойств материалов роль поверхности многократно возрастает.

Работа любого механизма и машины связана с передачей энергии и потерями части передаваемой энергии на трение. Процесс трения, сопровождаемый различными воздействиями, вызывает изнашивание поверхности материалов. Можно сказать, что все, что испытывает трение, – изнашивается, и это утверждение – верно в общем случае, несмотря на впечатляющие успехи триботехники в создании безызносных узлов трения – исключения лишь подтверждают правило. Далеко не все, что изношено, может быть восстановлено.

Износ (изнашивание) в общем случае можно охарактеризовать как изменение размеров, формы, массы или состояния поверхностного слоя твердого тела под влиянием внешней среды. Износ может вызываться трением поверхностей деталей машин одна о другую, воздействием на поверхность рабочей среды потоков жидкости, газа или контакта поверхности с твердыми частицами.

Различают допустимый и предельный износ. При допустимом износе сохраняется работоспособность детали, несмотря на изменение ее размеров и формы вследствие изнашивания. Предельный износ характеризуется такими изменениями размеров и (или) формы детали, когда дальнейшее изнашивание приводит к потере работоспособности этой детали и узла трения или механизма в целом. Понятно, что допустимый износ меньше предельного.

К разновидностям износа относится износ на отдельном участке поверхности трения, или местный износ.

 


Методы измерения износа

Износ – результат изнашивания, выражаемый в абсолютных или относительных единицах. В абсолютных единицах износ характеризуется потерей массы детали (ΔМ), уменьшением ее линейных размеров (U) или объема (V). Износ, отнесенный к пути трения, исходным размерам или объему, называется интенсивностью изнашивания Jh. Износ, отнесенный ко времени, в течение которого проявлялось изнашивание, определяет скорость изнашивания. Таким образом, наиболее употребительными характеристиками износа являются:

– линейный износ, U,мкм, – изменение размера поверхности при износе, измеренное перпендикулярно ей;

– скорость изнашивания j = dU/dτ, мкм/ч, – отношение величины износа ко времени, в течение которого он образовался;

– интенсивность изнашивания Jh = dU/dS – отношение величины износа к пути трения, dS, на котором происходило изнашивание.

Чаще интенсивность изнашивания определяют, используя соотношение

Jh =Q/SP),

 

где Q – потери массы материала, г; ρплотностьматериала, г/см3;

S – путь трения, см; Р – геометрическая площадь контакта, см2; в этом случае Jhбезразмернаявеличина.

В некоторых случаях используют энергетическую интенсив­ность изнашивания JW = ΔV/WF = ΔV /FS, где ΔV –объем изношен­ного на пути S материала; F –работа сил трения; F – сила трения.

Различают допустимый и предельный износ. При допустимом износе сохраняется работоспособность детали, несмотря на изме­нение ее размеров и формы вследствие изнашивания. Предельный износ характеризуется такими изменениями размеров и (или) фор­мы детали, когда дальнейшее приводит к потере работоспособнос­ти этой детали и узла трения или механизма в целом.

Разнообразие условий взаимодействия контактных поверхнос­тей и свойств контактирующих материалов обусловливает влия­ние многих факторов, которые приводит к различным механизмам изнашивания и, как следствие, к разной износостойкости. Вид изнашивания и повреждения не являются характерными именно для данной пары трения, а зависят от условий работы. Изменение условий работы (вид смазки, скорость скольжения, температура) может приводить к изменению ведущего вида изнашивания поверх­ностей. Так, увеличение скорости скольжения вызывает повыше­ние температуры и ускорение окислительных процессов, поэтому до некоторой скорости скольжения может наблюдаться схватыва­ние поверхностей, а по достижении критической скорости возмо­жен переход к окислительному изнашиванию вследствие увеличе­ния скорости образования окисных пленок.

Износы деталей могут быть определены следующими основными методами: микрометрическим измерением (микрометраж); взвешиванием деталей; анализом отработавшего масла; при помощи «меченых» атомов и замеров отпечатков, наносимых на изнашиваемую поверхность.

Основные требования, которые должны предъявляться к методу определения износа, сводятся к следующему:

а) на испытание по определению износа должно затрачиваться по возможности минимальное время;

б) метод должен позволять улавливать износ за сравнительно короткое время;

в) при определении износа нежелательна частая разборка и сборка агрегатов;

г) детали за время испытаний не должны сильно изнашиваться (если в этом случае не ставятся специальные цели).

До настоящего времени для определения износа деталей еще часто применяется метод микрометрического измерения. Этот метод базируется на определении размеров деталей при помощи микрометров или других измерительных приборов перед началом износа и в процессе работы машины.

Величину линейного износа устанавливают разностью замеров в разных местах трущейся поверхности. Определение износа деталей какого-либо агрегата этим методом требует большой затраты времени и во всех случаях сопряжено с некоторыми погрешностями. При малой длительности работы машины определить износ почти невозможно.

Чтобы определить значительный износ, нужно проводить довольно длительные испытания агрегатов с большим количеством разборок и сборок. Частые разборки и сборки приводят к нарушению первоначальных посадок деталей, что вызывает некоторые отклонения от исходного состояния испытуемого агрегата.

На точность измерения при микрометрировании влияют следующие факторы:

а) определяя износ по диаметру отверстия цилиндра или поверхности вала, замеряют диаметр, который может изменяться не только от износа, но и вследствие деформации; следовательно, определить износ без существенной погрешности нельзя;

б) ошибки в определении износа микрометрированием появляются от непостоянства температуры инструмента и измеряемой детали, особенно, когда износ измеряется микронами;

в) повторно измерить один и тот же диаметр по одному и тому же направлению не удается, поэтому точно определить износ в этом случае не всегда возможно.

Методом микрометрирования возможно только приблизительное измерение износа в определенном месте детали.

Метод взвешивания деталей до испытаний и после них. Линейный износ при этом методе определяется как износ, распределенный равномерно по поверхности детали. При вычислении износа подсчитывается размер изношенной поверхности и учитывается удельный вес металла детали.

При необходимости определения суммарного износа деталей агрегата или узла применяется метод обнаружения металла в отработавшем масле.

Так как продукты износа деталей состоят из мельчайших металлических частиц, окислов металлов и продуктов химического взаимодействия металлов с активными составляющими масла, которые находятся в нем во взвешенном состоянии, то для определения суммарного износа от масла отбираются пробы, которые сжигаются, и в оставшейся золе содержание металла определяется химическим анализом или полярографическим методом.

Пользуясь этим методом, решают ряд задач, имеющих важное значение в определении износа, а именно:

а) когда необходимо отбирать пробу масла, которая могла бы характеризовать среднее содержание железа в нем;

б) как определить содержание железа в масле;

в) к каким поверхностям отнести обнаруженный износ, если он был результатом трения нескольких поверхностей, и т. д.

В настоящее время все эти задачи решены. Основным недостатком этого метода является невозможность определения линейных износов отдельных деталей, положительной же стороной его является возможность определения износа на любом этапе испытаний без прекращения работы агрегата. Это дает возможность построить график износа агрегата и определить общие износы его при работе на разных режимах за короткое время. С применением этого метода удалось получить значительную экономию времени при испытаниях на износ.

Одним из методов определения суммарного износа деталей является метод меченых атомов, или радиоактивных изотопов, которые обладают способностью излучать электрически заряженные α- и β-частицы или электромагнитные лучи в процессе радиоактивного распада. Специальные приборы позволяют регистрировать и измерять излучение, а следовательно, обнаруживать частицы радиоактивного препарата в любой среде и определять его количество.

Следовательно, если в поверхностный слой детали ввести радиоактивное вещество, то в процессе работы машины с поверхности трения детали вместе с продуктами износа основного металла будут удаляться также и частички радиоактивного вещества. По количеству радиоактивного вещества в смазке можно установить нарастание износа в испытуемой паре деталей. При этом методе определения износа нужно в первую очередь решить вопрос, каким способом ввести в поверхностный слой исследуемой детали радиоактивные изотопы без нарушения геометрической формы детали и физико-механических свойств ее металла.

Известны следующие способы насыщения деталей радиоактивными изотопами:

а) изотопы вводятся в металл детали при ее отливке. Этот способ является более целесообразным при активировании небольших деталей, требующих короткого цикла обработки;

б) радиоактивное вещество вводится в поверхностные слои детали через электролит, если деталь в процессе изготовления покрывается каким-либо металлом гальваническим способом;

в) облучение (насыщение) поверхностных слоев детали радиоактивными изотопами;

г) насыщение деталей способом диффузии, когда некоторые элементы проникают в поверхность твердого тела при его нагревании;

д) способ Научно-исследовательского института гражданского воздушного флота (НИИГВФ), когда на изнашиваемую поверхность детали запрессовывается вставка из радиоактивного металла, которая изнашивается вместе с основным металлом детали, что дает возможность судить о степени нарастания износа.

Последний способ отличается простотой и доступностью и может быть применен для активирования шеек валов, подшипников, поршневых колец и других деталей агрегатов без нарушения свойств поверхностных слоев деталей. Этот способ может быть применен не только для изучения износа, но и для постоянного контроля за сильно нагруженными деталями агрегата или машины.

Появление в масле радиоактивных частиц от активированной вставки, запрессованной на определенную глубину от поверхности трения, будет указывать на то, что износ данной детали достиг своего предела и, следовательно, машину нужно останавливать для разборки и ремонта.

Способ меченых атомов, или радиоактивных изотопов, по сравнению с методом определения износа по содержанию металла в масле химическим анализом отличается значительно большей чувствительностью и дает возможность непрерывно оценивать содержание радиоактивного элемента в циркулирующем масле. Этот новый метод определения износа находит довольно широкое практическое применение.

а б

Рис. 1.4. Вырезанные лунки:

а – на поверхности поршневого пальца; б – на зеркале цилиндра двигателя

 

Для определения износа применяется еще один способ – так называемый способ искусственных баз, разработанный М. М. Хрущовым и Е. С. Берковичем.

По этому способу на поверхности трения детали вырезают специальным прибором и инструментом маленькие лунки заранее известной геометрической формы. До испытания измеряют длину лунки на поверхности детали и вычислением определяют ее начальную глубину.

После проведения испытаний вторично измеряют длину лунки на поверхности детали и вычисляют изменившуюся глубину. Разность глубин до и после испытаний является величиной линейного износа в данном месте трущейся поверхности детали.

Способ искусственных баз является более точным по сравнению с микрометрическим измерением, так как дно вырезанной лунки является постоянной базой, от которой ведется измерение, и, кроме того, износ определяется в одном и том же месте, что исключает некоторые погрешности микрометрирования. Точность определения износа при данном методе исчисляется в 1–1,5 мк.

На рис. 1.4 показаны лунки, вырезанные на поверхности поршневого пальца и на зеркале цилиндра двигателя.

Существующие методы измерения износа заключаются, как в измерении размеров изнашивающихся деталей с помощью обычных средств, так и в использовании методов на основе ядерно-физических процессов.


Область применения тех или иных методов измерения определяют:

– поставленная цель исследования;

– требуемая точность измерения;

– возможность измерения малых износов;

– время, необходимое для измерения износа;

– возможность измерения износа в условиях эксплуатации без разборки и остановки машины;

– затраты времени и средств, необходимые для всего цикла подготовки, осуществления и обработки результатов измерения.

Для измерения износа применяются интегральные и дифференциальные методы оценки повреждений.

Наиболее целесообразны дифференциальные методы, позволяющие определить распределение износа по всей поверхности трения и оценить влияние износа на выходные параметры изделия. Иногда применяются методы оценки износа по выходным параметрам изделия или сопряжения. Классификация методов измерения износа приведена в табл. 1.1.

Таблица 1.1





Дата добавления: 2020-04-13; просмотров: 436;


Поделитесь с друзьями:

Вы узнали что-то новое, можете расказать об этом друзьям через соц. сети.

Поиск по сайту:

Введите нужный запрос и Знаток покажет, что у него есть.
Znatock.org - Знаток.Орг - 2017-2021 год. Материал предоставляется для ознакомительных и учебных целей. | Обратная связь
Генерация страницы за: 0.009 сек.