CC BY
11для решения выражения (2), определяем как среднее суммы математических ожиданий М[Ат0(1)] амплитуды по п сечениям функции Ат0(1).
А^^МДА^)]. (11)
Полученные значения высоты периодических погрешностей данной го ня первом обороте заготовки (инструмента) служит исходными данными для расчета установившейся амплитуды автоколебаний е процессе резания и прогнозирования на основе этого динамической жесткости упругой системы станка в частотном спектре колебаний внешних источников, а также ожидаемой величины периодических погрешностей обрабатываемой поверхности [3], [4].
Литература
1. Жарков И.Г. Вибрации при обработке лезвийным инструментом.-Л.: Машиностроение, 1986.- 184с.
2. Д.Н. Решетов, З.М. Левина Возбуждение и демпфирование колебаний в станках. В кн. Исследование колебаний металлорежущих станков при резании металлов/ Под ред. В.И. Дикушина и Д.Н. Решетова.- М.: Гос. науч.-тех-нич. изд-ёо машиностроительной литературы, 1985.-292с.
3. В.В Агафонов Теоретическое определение установившегося колебательного процесса упругой системы станка энергетическим методом// Обработка металлов.- 2004 -№3(24).-С.8-12.
4. В.В. Агафонов Расчет динамической жесткости упругой системы станка на основе теории координатной связи/ / СТИН.- 2004.-№9.
Метод диагностики триОосопряжений по частицам износа
Л. И. ТУШИНСКИЙ, засл. деятель науки РФ,доктор техн. наук, профессор,
A.B. ПЛОХОВ, канд. техн. наук, профессор, В. И. КАПЛИН, канд. техн. наук, доцент, НГТУ, г. Новосибирск
В результате фрикционного взаимодействия металлических и порошковых деталей образуются частицы износа (продукты изнашивания), отличающиеся друг от друга размерами и формой.
Диагностика и прогнозирование работы трибообьектов по частицам износа основывается на двух взаимосвязанных и дополняющих друг друга анализах: измерение продуктов изнашивания (построение кривой - функции распределения размеров частиц) и исследование формы частиц [1-3].
Отечественных публикаций, посвященных диагностике по анализу частиц износа, очень мало (4-5] и они носят обзорный характер. В то же время с начала семидесятых годов за рубежом ведутся интересные работы по изучению продуктов изнашивания. В настоящее время анализ масла с частицами признан эффективным средством для изучения и контроля событий, происходящих в зоне фрикционного контакта.
Целью настоящих исследований является апробация достаточно простого метода диагностирования металлических и порошковых узлов трения по продуктам изнашивания на недорогих и широко распространенных оптических микроскопах.
Сущность исследования трибосистемы по размерам продуктов изнашивания заключается в следующем. На стадии равномерного изнашивания распределение частиц по эазмерам можно описать полигоном 1 (рис. 1). Проводя периодический отбор проб масла и регулярно сравнивая кривые, можно выявить изменение функции распределения. Особенно важна та часть полигона, которая интенсив но "мигрирует". Это происходит на стадии ускоренного изнашивания и служит диагностическим признаком неблагополучия в системе (полигон 3).
Методика подготовки объекта для исследования и последовательность обработки результатов состоит в следующем. Масло с частицами в объеме 10-15мл последовательно разбавляется петролейным эфиром до тех пор, пока оно не рэстворится (жидкость становится прозрачной). Петролейный эфир сливается и осадок в виде
Рис. 1 Распределение размеров частиц износа: 1 - стадия равномерного изнашивания;
2 - переходная стадия;
3 - стадия ускоренного изнашивания
продуктов изнашивания промывается в ацетоне для раствс-рения органических частиц, которые могли попасть в масло. Ацетон испаряется, после чего в чашке остается несколько миллиграммов осадка.
Часть полученной пробы переносится на предметное стекло для микропрепаратов, добавляется одна капля диспергирующей жидкости иммерсионного (кедрового) масла, и проба осторожно размазывается по поверхности стекла.
Препарат рассматривается под микроскопом при малом увеличении и при необходимости частицы вновь раздвигаются, добиваясь отсутствия конгломератов. Для исследования используется биологический микроскоп, работающий на просвет с применением покровного стекла. Второе стекло при этом не используется для получения большого увеличения при хорошем качестве микроскопического изображения.
Частицы измерялись по их проекции с негатива на фотоувеличителе. Интервал размеров частиц разбивался на
ТРЕНИЕ И ИЗНОС
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
шесть частей (классов). Частицы измерялись в поле зрения, ограниченном прямоугольником, причем частица считалась принадлежащей к рассматриваемому полю, если одна из половинок ее находилась на левой вертикальной и верхней горизонтальной сторонах. Частицы измерялись линейкой, предварительно проградуированной с помощью объект микрометра.
Увеличение подбирались ¡ак, чюбы изображение частицы имело размер не менее 1 мм. Измерялась максимальная хорда частиц в горизонтальном направлении. Для построения гистограмм и полигонов частот использовались результаты замеров 625 частиц.
Б. эоуланс и Г. Покок показали, что в большинстве случаев для описания гранулометрического состава продуктов изнашивания может быть использовано распределение Вейбупла [6-8].
По размерам стальные частицы можно разделить на особо мелкие, мелкие, средние и крупные. Превалирование особо мелких (меньше 5 мкм) частиц говорит о слабой интенсивности изнашивания и нормальной работе оборудования. Рост количества мелких частиц (5-25 мкм) может быть обусловлен пиковыми нагрузками, скачкообразными движениями при трении и пока еще не является признаком ухудшения работы оборудования. Резкое увеличение числа частиц (25-60 мкм) уже предупреждает об ускорении процесса разрушения поверхностных слоев. Интенсивное выкрашивание крупных (более 60 мкм) частиц присуще активному механическому изнашиванию и говорит о неудовлетворительной работе оборудования. В общем случае. чем крупнее образуются частицы, тем значителэнее повреждения, тем выше интенсивность изнашивания и быстрее достигается предельный износ. Наличие визуально различимых частиц почти всегда свидетельствует о далеко зашедшем процессе изнашивания и развитии вызванных им хрупких и усталостных повреждений.
В зоне фрикционного контакта частицы приобретают цвета побежалости, г.е. при нагревании до определенных температур они окрашиваются из-за окисления. Бледно-желтый цвет соответствует нагреву до 220 °С, золотисто-желтый - 245 °С. пурпурный - 250 °С, фиолетовый - 265 °С, темно-пурпурный - 280 °С, голубой - 300 °С, синий - 315°С, черный - 420 °С.
Наличие цветов побежалости свидетельствует об отсутствии или недостаточной смазке. Частицы, не испытывающие перегрева, имеют характерный металлический блеск. Частицы латуни распознаются по интенсивному желтому
цвету, неправильной форме и особенностям поверхности. Бороздки и риски на частицах латуни обычно расположены беспорядочно, тогда как на частицах стали, окрашенных в желтые тона, риски параллельны друг другу. Частицы бронзы имеют розовую окраску.
Рассматриваемый метод диагностики показал удовлетворительные результаты при испытании металлических и порошковых композиционных образцов "диск-колодка" на машине трения СМТ-3 при ступенчатом увеличении нагрузки.*
Результаты испытаний стальных образцов при разных контактных напряжениях приведены на рис. 2.
Р,%+
40
30 -
20 -
10 -
0
50 5, мкм
Рис. 2 Гистограммы и полигоны частот размеров стальных частиц износа при контактных напряжениях о,=1 Мпа. о2=5 Мпа
Для выявления подлинной картины изнашивания и выяснения особенностей разрушения необходима совместная комплексная оценка не только размеров, но и формы частиц.
Классифицированы три формы стальных частиц: пластинки или чешуйки, спиральки или стружки, обломки или осколки. Пластинки или чешуйки (рис.За) возникают при проскальзывании сопряженных поверхностей. Такие частицы обычно имеют бороздки или параллельные риски.
Ж
Рис.3. Пластинки или чешуйки (а), сгиральки или стружки (б), сбломки или осколки (в)
№ 1 (26)2005
35
Рис.4. Частица износа порошковой композиции «алюминий - Т» А13».
которые указывают на направление движения, ставшего причиной их образования. Спиральки или стружки (рис.36) являются следствием врезания твердой частицы или выступающего профиля в более мягкую поверхность контртела. Обломки или осколки (рис.Зв) значительно толще чешуек и возникают при выкрашивании или хрупком разрушении поверхностных слоев. Они могут появляться, в частности, в процессе возникновения и распространения трещин на поверхностях качения или скольжения [9].
При анализе частиц износа в трибосопряжении "контробразец (сталь) - порошковый образец (алюминий Т\ А13)"с помощью магнита отделялись стальные частицы. Небольшое количество частиц износа от стального контробразца не позволяет построить гистограмму. Следует отметить, что стальные частицы имели простую форму чешуек и малые размеры (не выше 10 мкм), что говорит о слабом изнашивании стали. Иная картина наблюдается при анализе частиц порошкового материала. Отличие состоит в форме и размерах частиц. Прежде всего присутствуют исключительно осколки, никаких других частиц, классифицированных в Атласе [9] не обнаружено. Осколки имеют округлую форму со сглаженными краями без острых углов и уступов (рис. 4). Размеры частиц от порошковой композиции значительно превышают размеры от цельнометаллического аналога. Максимум на гистограмме (рис.5) наблюдается в интервале 40 - 80 мкм (для сравнения у стальных частиц - 0-10 мкм).
200 d, мкм
Рис. 5 Функция распределения размеров частиц износа композиции «алюминий - И А13».
Природа появления таких крупных частиц, вероятно, обусловлена не усталостным механизмом изнашивания [10], а структурой порошковой композиции. При изнашивании отдельные частицы, спеченные в порошковый конгломерат, отделяются по их контактной границе и превращаются в продукты изнашивания. Такому механизму блочного разрушения порошкового образца соответствует, в частности, факт отсутствия стружек и чешуек. Блочному, фрагментарному разрушению в зоне фрикционного контакта способствует также масляный клин, сформировавшийся в порах порошкового образца.
Анализ продуктов изнашивания целесообразно делать параллельно с исследованиями поверхностей трения. Обычно первая методика оказьвается более простой и полезной, так как изучение зон фрикционного контакта предусматривает остановку и возможно разборку испытательной установки или узла трения, а исследование частиц износа этого не требует.
Рассматриваемая методика позволяет: определить интенсивность изнашивания; про_нозировать остаточньй ресурс деталей машин; уточнять вид изнашивания; устанавливать соответствие исследовательских испытаний (особенно ускоренных) процессам при трении и изнашивании в реальных изделиях; оценивать истирающую способность поверхностей.
Литература
1. Пгохов А.В, Каплин В.И, Синдеев В.И. Способ прогнозирования трибосоединений по частицам износа // Про-блемы техники и технологии XXI века. Тез. докл. Научно-техн. конф. с международным участием. Красноярск. Издание КГТУ.1994. с.111-113.
2. Каплин В.И., Синдеев В.И., Троицкий Я.Н. и др. Фер-рографический анализ масла для диагностики трибообъ-ектов // Направление развития методологии и средств испытания и диагностики трибообъектов: Расш. тез. докл. сем. "Триболог-9М" с международным участием, Москва, 27-30 апр. 1992г. -Рыбинск: Ростов. 1992.-е. 41-44.
3. Дандзе К. Технология диагностирования оборудования по состоянию масла в системе смазки.-Пуранто эн-дзиний, 1987, Т.1, N5, с. 65-72.
4. Мышкин Н.К.. Холодилов О.В., Маркова Л.В. и др. Диагностика изнашивания смазанных подвижных сопря-жений.-Трение и износ, 1986. N6, с.1091-1102.
5. Маркова Л.В., Мышкин Н.К. Диагностика трибосоп-ряжения по частицам износа.-Трение и износ, 1988, N6, с. 1109-1118.
6. Pocock G. Wear Débris analysis for Machinery Health Monitoring. - British J. of Non Destructive Testing, 1979, V.21, N3, p.125-130.
7. Roylance B.J., Pocock G. Wear studies though particle distribution. I: Application of the Weibull distribution to ferrography. - Wear, 1983, V.90, N1, p. 113-136.
8. Roylance B.J., Vaudhan D.A. Wear studies through particle size distribution. Il ¡Multiple field analysis inferrography. - Wear, 1983, V.90, N1, p.137-147.
9. Wear particle atlas.-Great Britain National Coal Board. Mining Research and Development Establishment. 1984,-15p.
Ю.Тушинский Л.И., Плохое А.В., Токарев А.О., Синдеев В.И. Методы исследования материалов. Структура, свойства и процессы нанесения неорганических покрытий. М.: Мир. 2004-384С.
