Методика исследования процессов трения и изнашивания. Исполнитель

Методика исследования процессов трения и изнашивания.

План.

1. Методы измерения износа
2. Методы измерения шероховатости поверхностей.
3. Методы исследования поверхностей трения.
4. Машины для испытания трения и износа.

 {spoiler=Подробнее}

         Измерение величины износа производят различными метода­ми, в основе которых лежит требование минимальной затраты времени, возможности улавливания износа за короткий промежу­ток времени, минимального количества разборок и сборок сопря­жений.

Рассмотрим некоторые из них.

         Метод микрометража заключается в измерении микрометрами, индикаторами и другим мерительным инструментом линейного износа.

Преимущества этого метода: простота, доступность, возмож­ность дифференцировать износ по разным точкам поверхности.

         Недостатки метода: относительно большая погрешность при­боров, которая, если величина износа невелика, может оказаться соизмеримой с величиной износа; необходимость разборки сопря­жения для каждого измерения, что приводит к нарушению про­цесса изнашивания.

         Методом взвешивания измеряют суммарный износ (суммар­ную потерю массы) по поверхности трения.

         Преимущества этого метода: простота, доступность, относи­тельно высокая точность.

         Недостатки метода: невозможность дифференцирования износа по разным точкам поверхности; необходимость разборки сопря­жения для каждого взвешивания; неприменимость данного мето­да к материалам, шаржируемым продуктами износа или посто­ронними частицами, а также к материалам, поглощающим влагу или масло.

         Метод обнаружения продуктов износа в масле. Суть его за­ключается в том, что периодически отбирают пробы масла и по количеству находящихся в нем продуктов износа судят о степени износа. Количество продуктов износа в масле определяют хими­ческим или спектральным анализом. '

         Преимущества этого метода: возможность измерения износа без разборки сопряжения; высокая чувствительность.

         Недостатки метода: невозможность определения износа каж­дой детали в отдельности (метод позволяет измерить суммарный износ всего сопряжения); сложность.

         Методом радиоактивных индикаторов определяют износ детали по интенсивности радиоактивного излучения изотопов, удаляемых с поверхности трения вместе с продуктами износа. Материал из­нашиваемых деталей предварительно активируется, т. е. в него вводится определенный радиоактивный изотоп одним из следую­щих методов:

а) введение радиоактивного изотопа в металл при плавке;

б) нанесение радиоактивного электролитического покрытия;

в) введение радиоактивного изотопа методом диффузии;

г) установка радиоактивных вставок;

д) облучение детали нейтронами.

         По мере износа детали вместе с продуктами износа в   масло попадает пропорциональное им количество атомов радиоактивного изотопа. По интенсивности излучения этого изотопа в пробах масла можно судить о величине износа.

         Преимущества этого метода; возможность измерения износа без разборки сопряжения, непрерывного и периодического измере­ния износа, раздельного (дифференцированного) измерения изно­са деталей сопряжения.

         Недостатки метода: сложность; необходимость специального оборудования, помещения, защитных и очистных устройств и т. д.

         Методом встроенных датчиков определяют износ детали по изменению линейных размеров (или положения) этой детали, фиксируемому датчиком, встроенным о сопряжение. В качестве датчиков применяют различные датчики перемещений (индукци­онные, пневматические, тензометрические и др.), сигнал от которых записывают при помощи самописца, осциллографа и т. д.

         Преимущества метода: относительно высокая точность; воз­можность измерения износа без разборки сопряжения, а также непрерывного или периодического измерения износа.

         Недостатки: сложность метода, потребность в специальном оборудовании; затруднительное, а в отдельных случаях и невоз­можное раздельное измерение износа деталей сопряжения.

         Метод искусственных баз. Этим методом величину износа определяет по изменению разме­ров суживающегося углубления (профиль которого известен), вы­полненного на изнашивающейся поверхности, Такими углубления­ми могут быть высверленное коническое отверстие, отпечатки  в форме конуса или пирамиды, вырезанная лунка.

Рис. 9.1. Схема измерения износа методом вырезанных лунок.

         Величину   линейного   износа при использовании отпечатка квадратной пирамиды на плоской поверхности вычисляют по формуле

                         9.1.

где     Dh линейный износ в месте отпечатка;

      h, h₁ - глубина отпе­чатка до и после изнашивания;

     d₁ и d₂ - длина диагонали отпе­чатка до и после изнашивания;

     т - коэффициент пропорциональ­ности (при угле пирамиды a=136° т= 7).

         Величину износа плоской поверхности методом вырезанных лунок (рис. 9.1 ) определяют по формуле

                  (9.2)

где дополнительно l и l₁ - длина лунки до и после изнашивания; r — радиус, описываемый вершиной резца.

         Преимущества метода искусственных баз: высокая точность; возможность определения износа в разных точках.

         Недостатки метода: местное вспучивание и искажение формы лунок; высокая трудоемкость; необходимость разборки узла; на­личие специальных приборов для нанесения отпечатков и лунок и измерения их величины.

Методы  измерения  параметров  шероховатости.

         Параметры шероховатости поверхности определяют щуповыми и оптическими приборами. Для оценки шероховатости поверхно­стей по параметру R_z применяют двойной оптический микроскоп МИС-11. В нем микронеровности освещаются световой полосой, направляемой из осветительного тубуса под некоторым углом к поверхности. Линия пересечения световой полосы и микронеров­ностей наблюдается в увеличенном виде в визуальном тубусе. Микронеровности (для значений R_z от 80 до 2 мкм) измеряются окулярным микрометром или фотографируются с помощью фото­насадки. Сменными объективами достигается увеличение до 517 раз. Недостатком этого метода является высокая трудоемкость.

         Наибольшее распространение получили методы определения параметров шероховатости при помощи щуповых профилометров и профилографов. Действие профилометра основано на принципе ощупывания исследуемой поверхности алмазной иглой с малым радиусом закругления и преобразования индуктивным методом ее колебаний в колебания напряжения. На шкале показывающего прибора профилометра оценка шероховатости дается по R_а.

         Для записи микропрофиля поверхностей в виде профилограмм применяют профилографы, На рис. 9.2 представлена блок-схема

Рис. 9.2. Блок-схема щупового  профилографа - профилометра.

щупового профилографа - профиломстра модели 201 завода «Ка­либр». Электрическая часть прибора включает в себя датчик, электронный блок 5 с показывающим прибором 6 и записывающий прибор 7. Магнитная система датчика состоит из сердечника 9 с двумя катушками 2. Катушка датчика и две половины пер­вичной обмотки трансформатора 4 образуют балансовый мост, питающийся от генератора 3. При перемещении датчика по иссле­дуемой поверхности алмазная игла 1, ощупывая неровности, поверхности, совершает колебания, приводя в колебательное дви­жение относительно оси 8 якорь 10. Колебания якоря меняют воз­душные зазоры между якорем и сердечником и тем самым изме­няют напряжение на выходе трансформатора 4. Полученные из­менения напряжения усиливаются электронным блоком, на выход которого подключается записывающий или показывающий при­боры,

         В качестве показывающего прибора используется отградуиро­ванный по параметру Н_а микроамперметр постоянного тока. На записывающем приборе, представляющем собой магнито­электрический миллиамперметр постоянного тока, запись произ­водится электротермическим способом на электротермической диаграммной бумаге. Общий вид профилографа-    профилометра по­казан на рис. 9.3

Рис. 9.3. Общий вид профилографа - профилометра:

1 — стойка с кареткой; 2 —универсальный столик;   3 — датчик; 4 — мото-привод: 5 — электронный блок с показывающим прибором; 6 — записываю­щий прибор.

Техническая характеристика профилографа - профилометра

Пределы измерения R_a...........                                      от 2,5 до 0,020.

Вертикальные увеличения.........                                 1000, 2000, 4000, 10000,

                                                                                       20000, 40000, 100000 и

                                                                                       200000.

Горизонтальные увеличения........                              от 2 до 4000 (18 ступеней).

Измерительное усилие ощупывающей иглы            не более 0,001 Н.

Радиус ощупывающей иглы........                               0,002 мм.

Наибольшая рабочая длина трассы ощупы-

­вания при записи.............                                            40 мм.

Скорость трассирования профилографа . . .             0,2; 1,0 и 10 мм/мин.

         Измерение волнистости поверхности производят на профило-графах, снабженных специальным приспособлением, а также спе­циальными приборами для измерения волнистости.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ ТРЕНИЯ

         Для исследования состояния поверхностей трения и структуры поверхностных слоев в настоящее время применяют различные физические методы.

         С помощью оптической металлографии исследования проводят на оптических микроскопах (увеличение 100—2000 крат) в свет­лом и темном поле с целью качественного определения фазового и структурного состава сплавов, а также количественного содер­жания фаз, размера, формы и распределения структурных со­ставляющих. Применяют этот метод и для оценки состояния по­верхностей трения (наличие повреждений, царапин, очагов корро­зии, следов усталостного изнашивания и т. д.).

         Измерение микротвердости. Этот метод в дополнение к опти­ческой металлографии служит для идентификации различных фаз и структурных образований в сплаве, для определения степени упрочнения каждой фазы в исследуемой системе, степени упроч­нения (или разупрочнения) отдельных участков поверхностей трения и прилегающих к поверхностям слоев материала.

         Рентгеноструктурный анализ позволяет определять фазовый состав сплавов, исследовать тонкую структуру металла, степень совершенства кристаллической решетки, ориентировку кристалли­тов, структурные изменения, протекающие в поверхностных слоях сплавов при термической и механической обработке и при трении. Электронная микроскопия, обладающая высокой разрешающей способностью, позволяет наблюдать изменение структур материа­лов на уровне, близком к  атомарному, характер и даже протека­ние процессов разрушения поверхностного слоя, изучение струк­тур границ зерен. Электронный микроскоп дает увеличение в 100000 раз и более.

         Рентгеноспектральный микроанализ позволяет с разрешающей способностью, достигающей нескольких микрометров, исследовать распределение различных химических элементов в материале, что очень важно для решения многих металловедческих задач, а так­же для изучения и идентификации различных включений и выде­лений на поверхностях трения.

         Метод непрыръшного рентгенографирования представляет собой разновидность метода рентгеноструктурного анализа и ис­пользуется для исследования трущихся поверхностей. При прове­дении исследований оборудование можно приблизить к поверхнос­ти трения и фиксировать состояние металла в момент, непосредственно следующий за моментом выхода данной точки рабочей по­верхности из контакта. С помощью этого метода фиксируется  (фотометодом или ионизационным счетчиком) структура материа­ла в состоянии, близком к тому, в каком он находился непосред­ственно в процессе трения и перед началом интенсивного охлаж­дения при выходе из контакта.

         Метод масс-спектрометрии позволяет использовать газовыде­ление в качестве индикатора процессов, происходящих во фрик­ционном контакте. 

МАШИНЫ ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ МАТЕРИАЛОВ НА ТРЕНИЕ И ИЗНОС

         Машины для испытания на трение и износ, довольно разнооб­разны по принципам действия и конструкции. Обычно они обес­печивают достаточно большой диапазон варьирования рабочих режимов, так как испытание на трение и износ требует учета большого количества факторов, влияющих па результаты. Фрик­ционные свойства зависят не только от материала испытываемой пары, но и от .конструкции узла трения. Обычно на практике при­меняют многоступенчатую схему испытаний, включающую четыре этапа (табл. 7.1). В зависимости от решаемой задачи отдельные этапы могут опускаться.

                                                                                                             Таблица 9. 1

Этапы испытаний на трение и износ

         Классификация  машин для испытания материалов на трение и  износ приведена на рис. 9.4. Конкретные модели машин снабже­ны устройствами, обеспечивающими возможность соответствую­щего вида испытаний (устройства для получения дополнительных, схем трения, создания дополнительных движений образца или контртела, создания ударов и вибраций, для температурных испытаний, для испытаний в различных средах, для измерения и ре­гистрации силы трения, температуры, износа, для автоматизации процесса испытаний и т. д.).

         Рассмотрим, какие машины применяются для испытания мате­риалов на трение и износ.

         Машина трения СМЦ-2 предназначена для изучения процессов трения и износа при трении качения с проскальзыванием, при трении качения без проскальзывания и при трении скольжения в условиях смазки или без нее. На рис. 9.5 дана принципиальная схема машины СМЦ-2 при испытании пары диск — диск.

Нижний испытуемый образец 10 приводится во вращение от электродвигателя 12 через клиноременную передачу 1 со сменны­ми шкивами и шестерни Z₀—Z₁,. Верхний образец 9 приводится во вращение через шестерни Zо—Z₂ и сменную пару Z₃—Z₄, с по­мощью которой устанавливается заданный коэффициент проскаль­зывания

где v₁ и v₂ — линейные скорости соответственно нижнего и верх­него образцов.

Верхний образец прижимается к нижнему путем поворота уравновешенной каретки 5 вокруг оси Z₂-Z₃ пружинным меха­низмом 6. Нагрузка отсчитывается по шкале 7, снабженной регу­лировочным устройством 8. Момент трения измеряется бескон­тактным индуктивным моментомером 11, а частота вращения об­разца — электрическим счетчиком 3. При испытании пар трения диск — колодка и вал — втулка каретка 5 расцепляется с муфтой 4 и снимается с машины, а на ее место устанавливается соответ­ствующее сменное приспособление. Для испытаний в смазке и в присутствии абразива машина снабжена съемными камерами. За­щита машины от перегрузок осуществляется   предохранительной

муфтой 2.

         Момент трения может записываться на диаграммной ленте электронного потенциометра, размещенного вместе со счетчиком частоты оборотов в специальном настольном пульте. При работе по схеме диск по диску на машине могут проводиться также ис­пытания образцов на контактную усталость, необходимые для моделирования работы зубчатых передач, колес и рельсов желез­нодорожного транспорта, подшипников качения и т. д. Техническая характеристика машины трения СМЦ-2

Виды испытываемых пар  трения  ........                       диск—диск;  диск —

                                                                                    колодка; вал—втулка.

Частота вращения ведущего образца, с-¹......     5; 8,33: 16,66.

Коэффициент проскальзывания, %..........     0; 10; 35, 20; 100.

Наибольшая нагрузка на образцы, Н:

при замкнутой схеме (трение качения).....      100 — 2000;

при незамкнутой схеме (трение скольжения) . .       200 — 5000.

Погрешность измерения нагрузки, %........     ±5.     

Максимальный момент трения, Н-м     15.

Погрешность измерения момента трения, %    ±5.      

 Тип моментомера  .....................                       электрический.

 Испытание в средах .........................            смазка,  абразив.

Машина МФТ-1 предназначена для определения фрикционной теплостойкости материалов, а также   износа   и   коэффициентов трения различных материалов при коэффициенте взаимного   пе­рекрытия образцов, равном 1. 

Рис. 9.6. Принципиальная схема машины МФТ-1

         Кольцевой испытуемый образец 10 (рис. 7.6) установлен в самоустанавливающемся зажиме 11,   закрепленном   на   шпинделе 12, который приводится во вращение от двигателя 15 постоянного тока с плавным регулированием скорости через двухступенчатую коробку скоростей 14 и клиноременную передачу 13. Переключением блока  шестерни 16, 18 с помощью  рукоятки 17 устанавливается                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                  нужный диапазон рабочих скоростей. Кольцевой контробра­зец 9 установлен в зажиме 8, соединенном с валом 20.   Вал мо­жет поворачиваться   в   подшипниках   23   подвижного   корпуса 22, который, в свою очередь, может без поворота по шариковым направляющим 21 вращением рукоятки 24 перемещаться относи­тельно каретки 19. Образцы прижимаются пневматическим мемб­ранным приводом 1, питающимся от сети сжатого   воздуха   или баллона, через шарик 2. Такая конструкция   позволяет   макси­мально устранить влияние осевой натрузки на измеряемый момент трения. Момент трения через рычаг 3 и регулируемый по высоте ползун 4 воспринимается тарированным упругим элементом 6   с индуктивным (преобразователем 5, жестко закрепленным в корпу­се. Линейный суммарный износ образцов (сближение   зажимов 8 и 11) измеряется индуктивным   датчиком 7.   Для   измерения температуры предусмотрены термопары, которые впаиваются   в образец 9. Корпус шпинделя и вал охлаждаются проточной водой. Машина МФТ-1 устанавливается на фундаменте и снабжается камерой, позволяющей вести испытания в жидких средах.

В процессе испытаний можно измерять и записывать на диаграмме момент трения, температуру и суммарный линейный износ образцов, а также измерять скорость вращения образца   и   сум­марную наработку.

В машине предусмотрен также режим притирки образцов.

         Техническая характеристика машины приведена ниже,  Машина дисковая МДП-1   предназначена   для   определения коэффициентов трения и интенсивности изнашивания различных материалов при коэффициенте взаимного перекрытия, близком   к нулю.

         Истирающая поверхность   9 (металлический   диск,   сетка   и т. п.) крепится к диску 10 (рис. 9.7),   который   приводится   во вращение от электродвигателя 14 постоянного тока   с   плавным регулированием скорости через клиноременную передачу   13   и двухступенчатую коробку скоростей 16. Переключением муфты 11 рукояткой 15 устанавливают нужный диапазон рабочих-   скорос­тей. При этом прямой передаче, минуя червячное зацепление 12, соответствует диапазон .минимальных моментов трения. Три паль­чиковых образца 8 крепятся под углом 120°С друг к другу в цан­говых   захватах 7, которые с помощью   винтовой 6 и конической 18 передач можно перемещать на различные   радиусы   трения.       Диск 17 с захватами 7 установлен на шарикоподшипниках   вала 20 в подвижном корпусе 21, перемещающемся поступательно от­носительно каретки 22 по шариковым направляющим 19. Враще­нием рукоятки 24 каретка приближается или удаляется от диска     10. В процессе испытаний образцы прижимаются пневматическим мембранным приводом 1 через упорный   шарикоподшипник   23.   

         Возникающий момент трения с помощью рычага 3 и регулируе­мого устройства 2 воспринимается тарированным упругим элемен­том 4, жестко закрепленным на корпусе. Для измерения линей­ного износа служит индуктивный датчик 5, а для измерения температуры в зоне трения машина позволяет подключать шесть термопар. Пульт машины МДП-1 унифицирован, содержит ту же аппаратуру и обеспечивает те же возможности, что и на машине Л1ФТ-1.

Рис.9. Принципиальная схема машины МДП-1,

                                                                                                                                                                                                               Технические характеристики машин трения

МФТ- 1      МДП- I

 Количество одновременно испытываемых образцов..................1   3                                                                                                                                                                                        

Коэффициент взаимного перекрытия образцов .                          1   0                                                                                                                                                                     

Частота вращения подвижного контробразца, с-¹0,17  100     0,15...50

Диапазон регулирования частоты вращения 1 ... 600    1... 333

Усилие прижима образцов, Н.........      75 . . . 3000       100...4500

Погрешность измерения усилия, %.....±2,5      %.....±2,5      

Пределы  допустимый момент трения, Н-м        9        330                                                                                                                                                                                  

Погрешность измерения момента трения, % .              ±5       ±5

Мощность привода, кВт...........              14             11,8

Радиус трения, мм..............              24      60...150

Машина МПТ-1 предназначена для изучения процессов трения материалов при нормальных и повышенных температурах. Основ­ным узлом машины является ползун 10 (рис. 7.8), на котором крепится нижний образец 9, имеющий форму пластины. Ползун совершает возвратно-поступательное движение, передаваемое от электродвигателя постоянного тока 17 через двухскоростной   редуктор 18 и винтовую передачу 15 со скоростью 0,0001—0,01 м/с. Три верхних контробразца 8 крепятся в державке 5, жестко за­крепленной в седле 6. Нагрузка на образцы в пределах 15—200 создается сменными грузами 7, устанавливаемыми на седло 6, Седло 6 с верхними образцами неподвижно относительно машины .я соединено двумя тягами 4 при помощи   призм 2  со  сменным упругим элементом 1 (в виде кольца), на котором наклеены тензодатчики. Сила трения, возникающая при движении ползуна, деформирует упругий элемент. Эта деформация через усилитель передается на показывающий прибор (миллиамперметр) или за­писывается осциллографом. Поступательная скорость ползуна, плавно изменяемая в пределах 1...100 при помощи регулируемого электропривода с магнитными усилителями ПМУ-1 и коробки скоростей, контролируется тахогенератором 16.

Рис. 9.8. Маши­на МПТ-1: а-принципиальная схема; б-размеще­ние образцов.

         Предусмотрено два режима работы машины: непрерывный я периодический. Величина возвратно-поступательного движения ползуна задается настройкой подвижных упоров 12 я 13 в преде­лах 30...100 мм. Перед началом испытаний приводится тарировка упругих элементов. Контробразцы 8 в державке притираются (для создания единой плоскости трения) на специальном приспособле­нии, которое поставляется в комплекте с машиной.

Машина комплектуется набором сменных упругих элементов, держателей образцов, а также сменными грузами, снабжена термокамерой 11 для испытания образцов при температуре до 200°С.

{/spoilers}