Методы измерения износа деталей и сопряжений

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ

ИССЛЕДОВАНИЙ

Методы измерения износа деталей и сопряжений

Существующие методы измерения износа деталей и сборочных единиц машин разделяют на интегральные и дифференциальные. Интегральными методами можно определить общий суммарный износ деталей сопряжения или сборочной единицы в целом. Дифференциальные методы используют, когда необходимо определить износ определенного участка рабочей поверхности детали. Эти методы позволяют найти характер распределения износа по рабочей поверхности детали, соотношение износа деталей сопряжения и пр.

Кроме того, существуют методы периодического (дискретные) и непрерывного измерения износа в процессе работы машины.

Периодическое измерение износа проводят при оценке технического состояния, надежности элементов машины. При исследовании закономерностей изнашивания элементов машин с целью прогнозирования их надежности предпочтение отдают методам непрерывного измерения износа. Методы непрерывного измерения сложны, и поэтому, используя их при исследовании работоспособности машины, необходимо применять специальную аппаратуру и приспособления.

Общая классификация методов измерения износа приведена в табл. 13.1.

Метод микрометрических измеренийоснован на периодическом измерении контрольных параметров деталей. Измерения проводят микрометром или штангенциркулем, индикаторным нутромером, а также с помощью рычажно-оптических приборов и инструментальных микроскопов. Точность измерения в зависимости от применяемого мерительного инструмента составляет 0,01—0,001 мм. На точность измерений влияет также качество очистки деталей от смазки и загрязнений.

При проведении исследований, требующих более высокой точности результатов микрометрических измерений, в последнее время все шире применяют методы оптической голографии и когерентной оптики (лазерные методы), обеспечивающие снижение погрешности измерений в десятки раз.

При небольших размерах деталей и при возможности разборки сопряжения для измерения износа могут быть использованы микро­скоп, оптиметр, датчики индикаторного типа (рис. 13.1).

Основным недостатком этого метода является то, что перед про­ведением измерений необходимо разобрать механизм, а также то, что при отсутствии измерительной базы оценить абсолютный износ детали довольно трудно.

Классификация методов измерения износа

Таблица 13.1

Метод	Оценка признака	Измерение износа во времени	Распределение износа
Микрометрических измерений	Измерением размеров деталей Профилографированием	Периодическое	Дифференциальное
Искусственных баз	Методом отпечатков Методом вырезанных лунок Методом слепков	Периодическое	Дифференциальное
По изменению параметров сопряжения	Измерением массы Измерением объема	Периодическое	Интегральное
Измерением зазора в сопряжении	Периодическое, непрерывное	Интегральное
По содержанию металлических примесей в масле	Химическим анализом Спектральным анализом	Периодическое	Интегральное
Радиометрическим Активационным	Дифференциальное
Весовым анализом Оптико-физическим методом	Интегральное
По изменению показателей функционирования	Измерением утечек и расхода рабочей среды	Непрерывное	Интегральное
Измерением давления рабочей среды	Периодическое и непрерывное
Измерением линейных и угловых перемещений
Измерением виброакустических пара­метров	Периодическое
По изменению радиоактивности детали	Метод поверхностной активации	Непрерывное	Дифференциальное
Метод радиоактивных вставок	Периодическое

Рис. 13.1. Схема измерения износа с помощью датчиков индикаторного типа

Метод профилографирования основан на том, что с контрольного участка рабочей поверхности детали снимают профилограмму до начала работы механизма и после истечения установленного времени. По разности высот выступов микронеровностей определяют линейный износ. Измерительными средствами в этом случае служат профилометры и профилографы ИЗП-5, ИЗГТ-17, ИТП-21, ИТП-201.

Принцип действия профилографа (рис. 13.2) заключается в следующем. Измерительный наконечник 1, имеющий малый радиус закругления, перемещается по микронеровностям исследуемой поверхности. Перемещение наконечника 1 вызывает поворот жестко связанного с ним зеркала 2. Пучок лучей, падающий на зеркало 2 от источника света 3, отражается к объективу 4. Сфокусированный с помощью объектива 4 луч попадает на фотопленку или светочувствительную бумагу, помещенную на равномерно вращающемся барабане 5. На пленке или бумаге записывается профилограмма, изображающая микронеров­ности в увеличенном масштабе. Линейный износ И = R₀—R_t (здесь R_o и R_t — средняя высота выступов микронеровностей соответственно до начала и по окончании испытаний).

Рис. 13.2. Схема профилографа

Если рабочая поверхность детали имеет участок, неизнашиваемый в процессе работы, который может быть использован как базовая поверхность, то износ оценивают с помощью одной профилограммы, снятой в конце периода работы. Точность метода профилографирова­ния весьма высока. Она обусловлена точностью установки измерительного наконечника профилографа относительно исследуемой поверхности и точностью совмещения профилограмм. Недостатки метода профилографирования те же, что и у ранее описанных методов.

Рис. 13.3. Схема измерения износа методом отпечатков: 1— поверхность трения до изнашивания; 2— поверхность трения после изнашивания

Рис. 13.4. Схема измерения износа ме­тодом вырезанных лунок: 1— поверхность трения до изнашивания; 2— поверхность трения после изнаши­вания

Метод искусственных баз заключается в нанесении на рабочую поверхность углубления правильной геометрической формы, по изменению размеров которого судят о линейном износе. Дно углубления служит неизменной искусственной базой, от которой измеряют рас­стояние до поверхности трения. По изменению длины или ширины отпечатка на поверхности трения, соотношение которого с глубиной определено заранее, можно определить местный линейный износ. Углубления наносят с помощью алмазного или твердосплавного инструмента. Геометрические параметры углубления измеряют с помощью оптических измерительных приборов.

В зависимости от формы и метода нанесения углублений различают следующие методы искусственных баз: метод отпечатков; метод лунок; метод слепков.

Метод отпечатков. Углубление пирамидальной формы наносят с помощью алмазного инструмента с квадратным основанием и углом при вершине между противолежащими гранями 136° (рис. 13.3). Отпечатки наносят с помощью приборов для определения твердости типа ПМТ-3 или Виккерса. Износ измеряют по изменению длины диагонали (d₀—d₁) в результате изнашивания:

Диагональ отпечатка измеряют с помощью микроскопа. Основным недостатком этого метода является вспучивание поверхности при нанесении отпечатка.

Метод вырезанных лунок, предложенный М. М. Хрущевым и Е. С. Берковичем, получил очень широкое распространение. В рабочей поверхности детали с помощью вращающегося резца вырезают лунку, по уменьшению размеров которой в результате изнашивания судят о величине износа (рис. 13.4). Обычно в качестве контрольного параметра используют длину лунки, определяемую с помощью микроскопа. Лунки вырезают вращающимся алмазным резцом, заточенным в виде трехгранной пирамиды с отрицательным передним углом. Соотношение между глубиной лунки и длиной ее составляет 1:50— 1:80, что обеспечивает высокую точность измерения износа.

Приборы, предназначенные для определения износа методом вы­резанных 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 определение длины лунки до и после испытаний.

Для определения износа методом вырезанных лунок применяют приборы УПОИ-6, оптико-механический индикатор износа ОМИ-1, а также 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 соотношения 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,

где l₁, и l₂ — длина лунки до и после изнашивания, мм; r — радиус вращения вершины резца, мм.

Износ лунки, расположенной на выпуклой цилиндрической поверхности,

где R — радиус кривизны поверхности трения в месте расположения лунки, мм.

Износ лунки, расположенной на вогнутой цилиндрической поверхности,

Этот метод проще, чем метод отпечатков. При вырезании лунок на поверхности детали материал не вспучивается. Точность метода 0,0005-0,002 мм.

Рис. 13.5. Схема измерения износа методом слепков

Метод слепков(негативных оттисков) используется в тех случаях, когда измерение отпечатков лунок или рисок правильной геометрической формы на рабочей поверхности детали непосредственно произведено быть не может. Предусматривается нанесение на поверхность детали специальной быстро твердеющей массы (например, стиракрила) и снятие слепка или оттиска (рис. 13.5). Износ оценивают по разнице в форме и размерах слепков, полученных до и после изнашивания, U= h₀—h₁.

Недостатки метода искусственных баз: низкая точность измерения; большая трудоемкость операций; необходимость разборки механизма.

Метод измерения износа по изменению параметров сопряжения основан на определении потери массы или объема детали, а также зазора между поверхностями трения. Метод определения износа по потере массы заключается в периодическом взвешивании детали. Измерительными средствами являются весы различных типов: приборные ПР-500, аналитические ВЛА-200, ВНЗ-2 и др. Точность метода зависит от точности весов и составляет (0,05—5) х 10^-6 г.

Метод измерения износа по изменению объема детали или зазора между поверхностями трения по существу близок к методу микрометрических измерений: при определении контролируемых параметров применяют те же инструменты и методы измерений. Основными недостатками метода измерения износа по изменению параметров сопряжения являются необходимость разборки механизма для проведения измерений; ограничение массы и размеров деталей возможностями применяемых измерительных средств.

Метод измерения износа по содержанию продуктов износа в масле применяют, как правило, при определении износа металлических дета­лей. Содержание металлических частиц в отработанном масле, определенное физико-химическими методами, является показателем весового износа деталей механизма.

Этот метод используют при определении интегрального износа различных сборочных единиц в условиях эксплуатации и при испытаниях. Применяя этот метод, можно избежать разборки механизмов. Точность метода зависит от чувствительности используемых приборов к содержанию металлических примесей в масле. Масса металлических частиц составляет в среднем 10^-6—10^-8 г в 1м³ масла.

При отборе проб масла необходимо обеспечить условия, при которых содержание металла в пробе могло бы характеризовать среднюю концентрацию продуктов износа в масле с достаточной достоверностью. Для этого перед отбором проб масло тщательно перемешивают.

Рис. 13.6. Принципиальная схема установки для спектрального анализа масел

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

Химический метод основан на определении содержания частиц износа в продуктах сгорания масляной пробы. Этот метод не позволяет получить необходимую точность результатов, и поэтому для измерения износа его применяют редко.

При спектральном анализе определяют спектральный состав пламени при сгорании пробы масла. Спектральный анализ масел на продукты износа элементов машин проводят с помощью квантомера, представляющего собой многоканальную фотоэлектрическую установку. В состав установки входят полихроматор с рельсом и растровым конденсатором, электронно-регистрирующее устройство с цифровым вольтметром, источник возбуждения спектра, электромагнитный и электромеханический стабилизаторы напряжения, штатив для сжигания проб масел (рис. 13.6).

В основу работы установки положен общепринятый принцип спектрального анализа. Анализируемая проба масла 1 помещается в штатив. В ванночку с маслом погружают вращающийся угольный диск 2, который является нижним электродом при анализе масла. При вращении диска масло с находящимися 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.

Полихроматор 4 с вогнутой дифракционной решеткой разлагает излучение 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 поверхности полихроматора, выделяют из спектра пробы 16 аналитических линий различных элементов (табл. 13.2).

Химические элементы, определяемые в пробе масла с помощью квантометра

Таблица 13.2

Номер щели	Элемент	Длина волны, нм
	Са	239,8
	Fe	226,0
	Fe	259,9
	Сг	267,7
	Ва	279,5
	РЬ	287,7
	Мо	313,2
	Sn	317,5
	Si	288,1
	Al	308,2
	Р	255,3
	Ti	324,2
	Си	327,4
	Zn	334,5
	Ni	341,4
	Si	298,7

Выделенные, таким образом, монохроматические излучения проецируются на фотокатоды фотоэлектронных умножителей 5 и вызывают фототоки в их анодных цепях. Электрон­но-регистрирующее устройство 6 автоматически высвечивает результат на шкале цифрового вольтметра или на экране дисплея 7.

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

Активационный метод представляет собой комбинацию спектрального и радиометрического методов. Содержание продуктов изнашивания определяют по величине радиоактивности путем анализа спектров излучения пробы после облучения ее нейтронами. Более просто и с меньшей трудоемкостью можно определить износ по содержанию металлических примесей в масле с помощью весового анализа. Суть этого метода заключается в том, что пробу масла установленного 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 отфильтрованных механических примесей. При применении этого метода необходимо учитывать, что в состав механических примесей входят не только продукты износа, но так­же и загрязняющие частицы, поступающие в масло из окружающей среды. Это значительно снижает точность оценки износа по результатам весового анализа механических примесей, содержащихся 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. Перспективен в исследованиях изнашивания метод феррографии, позволяющий с помощью соответствующего оптического оборудования определить не только вид и количество частиц механических примесей в масле, но также их форму и размеры. Однако сложность и высокая стоимость феррографического оборудования ограничивают область применения этого метода.

Рис. 13.7. Схема измерения износа по изменению расхода или давления рабочей среды: 1 — трубопровод; 2 — расходомер; 3 — манометр; 4 — вал; 5 — втулка

Рис. 13.8. Схема измерения износа методом тензометрического микрометрирования: 1 и 2—детали сопряжения; 3 — шарнир; 4 — каретка; 5 — тензобалка; 6 — гальванометр

Общими недостатками разновидностей метода определения износа сопряжений по содержанию металлических примесей в масле являются низкая точность и высокая стоимость применяемого оборудования.

Метод измерения износа по изменению показателей функционирования основан на определении утечек, расхода или давления рабочей среды; линейных и угловых перемещений деталей сопряжения; уровня шума и вибрации.

Метод определения износа по расходу рабочей среды (смазочного материала или рабочей жидкости) заключается в том, что на машине устанавливают прибор, автоматически регистрирующий расход жид­кости (как правило, масла), проходящей через зазор между трущимися поверхностями деталей сопряжения. Повышение расхода свидетельствует об увеличении зазора и, таким образом, о приращении износа поверхностей деталей. Принципиальная схема измерения износа этим методом показана на рис. 13.7. Основной недостаток метода состоит в том, что расход рабочей среды является косвенным показателем износа сопряжения, и непосредственно измерить износ детали невозможно.

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 давления рабочей среды в процессе работы машины используют самопишущие манометры.

Рис. 13.9. Схема измерения износа методом электромагнитной индукции:1— исследуемое сопряжение; 2— якорь; 3 и 4 — электромагниты индуктивного датчика; 5 — регистрирующий прибор

Рис. 13.10. Схема измерения износа методом поверхностной активации: 1 и 3 — детали сопряжения; 2— радиоактивная вставка; 4— счетчик радиоактивности; 5— регистрирующий прибор

Для измерения износа по линейным или угловым перемещениям деталей используют метод тензометрического микрометрирования. В контакт с изнашивающейся деталью вводят упругий элемент с наклеенными на него тензометрическими датчиками. При изменении поверхности детали вследствие изнашивания упругий элемент деформируется и посылает электрический сигнал с помощью тензодатчиков на гальванометр или осциллограф (рис. 13.8). К недостаткам этого метода следует отнести большую техническую сложность измерения и сравнительно узкие пределы измерения износа 0,0001—0,1 мм.

Метод электромагнитной индукции. На одной из исследуемых деталей устанавливают индуктивный датчик, якорь которого перемещается при увеличении зазора между рабочими поверхностями деталей вследствие износа. Перемещение якоря регистрируется самопишущими приборами (рис. 13.9). Недостатком метода являются узкая область применения и небольшая точность измерений.

Увеличение зазоров в сопряжениях вследствие изнашивания ведет к повышению уровня шума и вибрации при работе машины. Поэтому виброакустические параметры работы сопряжений также могут быть использованы для оценки интегрального износа. Однако при этом необходимо учитывать, что посторонние шумы и вибрации оказывают влияние на результаты измерений и не позволяют определить износ с достаточной точностью. Виброакустический метод применяют в диагностике для оценки состояния сборочной единицы в процессе работы машины.

Метод измерения износа по изменению радиоактивности детали позволяет контролировать процесс изнашивания рабочей поверхности детали в периодическом или непрерывном режиме. В зависимости от технологии активации детали различают метод поверхностной активации и метод радиоактивных вставок.

Износ оценивают методом поверхностной активации на основе измерения снижения радиоактивности детали, в которой на заданном участке создан радиоактивный объем глубиной 0,05—0,4 мм. Облучают участок заряженными частицами (нейтронами, протонами, альфа-частицами). Для определения износа используют тарировочный график, построенный по результатам предварительных исследований. Уровень радиоактивности детали небольшой (10 мкКи), и поэтому радиоактивная защита не нужна.

Активация деталей может быть осуществлена также путем специ­альных радиоактивных вставок из материала, сходного по фрикцион­ным характеристикам с материалом детали (рис. 13.10).

Анализ существующих методов измерения износа показывает, что среди них нет универсального метода, который позволил бы с достаточ­ной точностью оценить износ рабочих поверхностей каждой из деталей сопряжения независимо от схемы фрикционного контакта и конструк­ции механизма. Поэтому в каждом отдельном случае приходится подбирать, а зачастую разрабатывать заново наиболее подходящий метод, измерительную аппаратуру и оборудование.

Выбор метода измерения износа определяется целью иссле­дования, необходимой точностью измерений, продолжительностью исследований, возможностью измерения износа деталей в условиях эксплуатации без разборки, сложностью применяемого оборудования и аппаратуры.