Файл: Износа и смазки.pdf

110
5. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ИЗНОСА
5.1. Классификация методов измерения износа
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 под- готовки, осуществления и обработки результатов измерения.
Для измерения износа применяются интегральные и дифферен- циальные методы оценки повреждений.
Наиболее целесообразны дифференциальные методы, позво- ляющие определить распределение износа по всей поверхности тре- ния и оценить влияние износа на выходные параметры изделия. Ино- гда применяются методы оценки износа по выходным параметрам изделия или сопряжения. Классификация методов измерения износа приведена в таблице 5.1.
Таблица 5.1
Классификация методов измерения износа
поверхностей трения
Метод измерения
Разновидности метода
1 2
Интегральный
Оценка суммарного износа
- по изменению массы образца;
- по изменению объема образца;
- измерение зазора сопряжения
Продукты износа в смазке
- химический анализ;
- спектральный анализ;
- при помощи радиоактивных изотопов

111
Окончание табл. 5.1 1
2
Дифференциальный
Микрометрирования
- измерение размеров;
- профилографирование
Метод искусственных баз
- метод отпечатка;
- метод лунок;
- метод слепков
Метод поверхност- ной активации
- активация участка;
- применение вставок
Изменение выходных параметров сопряжения
Изменение: коэффициента трения, утечек или расходов смазки, температуры
Измерение износа по потере веса или объема детали применяет- ся, как правило, при исследовании образцов и непригодно для боль- шинства деталей машин. Оценка износа по изменению выходных па- раметром сопряжения дает лишь косвенное представление о величине износа.
Рассмотрим основные методы измерения и оценки износа по- верхностей трения при работе различных сопряжений в условиях их эксплуатации или испытаний.
5.2. Метод микрометрических измерений
Наиболее распространенным и доступным методом определения величины износа деталей является метод микрометрических измере- ний. Этот метод чаще всего используется при условии больших абсо- лютных величин износа деталей. Он основан на измерении детали при помощи механических контактных или каких-либо других при- боров до и после проведения испытаний на изнашивание.
Оценку износа методом микрометрирования производят с по- мощью микрометров, концевых мер длины, инструментальных и универсальных микроскопов, индикаторных нутромеров, рычажно- механических приборов или других приборов, точность которых обычно находится в пределах от 1 до 10 мкм. Точность измерений за- висит от условий контакта исследуемой поверхности с измеритель- ным наконечником прибора, а также качества очистки детали от за- грязнений.
В большинстве случаев применяются те же универсальные и специальные средства, которые используются для контроля точности

112 поверхности детали при ее изготовлении. Например, многомерное приспособление для контроля размеров поршней двигателя внутрен- него сгорания может быть использовано и для измерения параметров изношенного поршня. При небольших размерах детали и возможно- сти ее демонтажа измерения износа можно производить с помощью инструментального или универсального микроскопов, оптиметра, проектора, измерительной машины и других приборов. Для деталей больших размеров, измерение износа которых необходимо проводить без разборки машины, часто разрабатывают специальные приспособ- ления с применением универсальных измерительных приборов.
Метод микрометрирования относится к традиционным методам измерения размеров и не учитывает специфику износа. Недостатками данного метода являются невозможность осуществления измерения износа в процессе работы машины, необходимость, как правило, час- тичной разборки узла или демонтажа измеряемой детали, громозд- кость приспособлений при измерении непосредственно на машине, трудность измерения исследуемой поверхности в одном и том же месте до и после испытаний.
5.3. Определение износа по потере веса
Весовой метод обычно применяют для определения износа не- больших деталей. Их взвешивают до и после испытаний. Перед взве- шиванием детали должны быть тщательно промыты и просушены.
После проведения испытаний с них необходимо смыть продукты из- носа, смазки и т.п.
Точность этого метода зависит от точности весов и находится в пределах (0,05…5)·10
-6
г. В качестве средств измерения используют различные весы: приборные ПР-500, аналитические ВА-200,
АДВ-200М, технические, настольные, закрытые ВНЗ-3 и др.
Определение величины линейного износа по потере веса осу- ществляется путем вычислений, основанных на предположении, что износ происходит равномерно по поверхности трения. Линейная ха- рактеристика износа представляет собой высоту изношенного слоя, приходящуюся на единицу пути трения, Весовой износ пересчитыва- ется в линейный по следующей зависимости:
,
(5.1)

113 где Q – весовой износ, мг;
S – площадь поверхности трения, см
2
;
v – удельный вес материала, г/см
3
;
L – путь трения, м.
Величину износа весовым методом не рекомендуется опреде- лять в тех случаях, когда изменение размеров детали произошло не только вследствие отделения частиц, но и по причине пластического деформирования. Весовой метод оказывается неприемлемым и при определении величины износа деталей из пористых материалов, про- питанных маслом. В этом случае невозможно установить, было ли одинаково количество масла в порах при взвешивании до и после ис- пытания.
5.4. Метод профилографирования
В ряде случаев при малых значениях износа применяют метод профилографирования. Этот метод является разновидностью микро- метрического метода измерения износа.
На профилографе измеряется величина так называемого «пер- вичного износа», за которую принимается разница в высоте микроне- ровностей от линии впадин до гребешка, замеренная на одном и том же участке в различные моменты испытания. Для измерения износа методом профилографирования используют профилограф- профилометры (рис. 5.1).
Данный метод заключается в следующем. С одного и того же микроучастка исследуемой поверхности (6) снимаются профило- граммы до начала испытания и после.
На профилограммах контуры одних и тех же впадин остаются постоянными, а выступы, вследствие износа, меняют свою высоту.
Определяя общее уменьшение выступов от линии впадин, получаем величину первичного износа. В случае, если она превышает высоту неровностей в качестве постоянной базы, от которой производится измерение, выбирается нерабочий участок исследуемой поверхности.
Постоянной базой может служить дно специально нанесенной на исследуемой поверхности царапины или углубления (2) и (3), глу- бина которой превышает величину измеряемого износа. Снятие про- филограммы производится в направлении, перпендикулярном на- правлению царапины.

114
10
1
9
7
3 5 6
8
2
4
Рис. 5.1. Определение износа на профилограф-профилометре:
1 – деталь; 2 и 3 – отпечатки; 4 и 5 – низшие точки отпечатков;
6 – трасса профилографирования; 7 – предметный столик; 8 – щуп;
9 и 10 – микровинты
После нанесения отпечатков (2) и (3) деталь или образец (1) ус- танавливают на предметный столик (7), который может перемещаться в горизонтальной плоскости поперек движения иглы (8) щупа. Обра- зец (1) микровинтами (9) и (10) устанавливают относительно трассы профилографирования (6) таким образом, чтобы острие иглы (8) про- ходило через низшие точки (4) и (5) отпечатков (2) и (3). Глубину от- печатков контролируют по отклонению пера самописца.
На рисунке 5.2 показаны современные модели профилограф- профилометров.
а)
б)
Рис. 5.2. Профилограф-профилометры:
а – модель БВ-7669; б – модель «HOMMEL TESTER T1000 basic»
а б

115
Недостатком метода является невозможность снятия профило- граммы до и после испытания с одного и того же сечения, что приво- дит к появлению погрешности в определении величины линейного износа. Эта погрешность тем больше, чем меньше сама величина из- носа по сравнению с величиной неровностей поверхности.
Поиск иных способов определения линейного износа поверх- ностей деталей машин привел к созданию таких методов и прибо- ров, в которых базой для измерения служит сама изнашивающаяся поверхность.
5.5. Метод искусственных баз
Метод искусственных баз заключается в том, что на изнаши- вающейся поверхности наносят углубление строго определенной формы в виде конуса, пирамиды и т.п. и по уменьшению размеров углубления (отпечатка) судят о величине износа. Это метод позволяет определить местный линейный износ поверхности в тех местах, где нанесены базы, поэтому возможно оценить формы изношенной по- верхности.
Метод искусственных баз в зависимости от способа нанесения углублении подразделяется на метод отпечатков, метод высверлен- ных углублении, метод вырезанных лунок.
При методе отпечатков (рис. 5.3, а) для образования углубления применяют алмазную четырехгранную пирамиду с квадратным осно- ванием и углом при вершине между противолежащими гранями в
136°. Такая пирамида применяется в приборах для определения твер- дости типа ПМТ-3 и Виккерс.
d
2
d
2
d
1
d
1
Δ
h
Δ
h
h
1
h
2
d
1
d
2
а)
б)
Рис. 5.3. Схема измерения величины износа:
а – методом отпечатков; б – методом высверленных углублений
а б

116
Пирамида вдавливается под нагрузкой в испытуемую поверх- ность и измеряется диагональ отпечатка d. Глубина отпечатка вычис- ляется по формуле
h= d /
7,
(5.2) где d – диагональ отпечатка, мм.
Величина линейного износа плоской поверхности определяется как разность глубин отпечатка до начала изнашивания и после окон- чания
h= h
1
-h
2
= (d
1
–d
2
)/7,
(5.3) где h
1
– глубин отпечатка до начала изнашивания, мм;
h
2
– глубин отпечатка после изнашивания, мм;
d
1
– диагональ отпечатка до начала изнашивания, мм;
d
2
– диагональ отпечатка после изнашивания, мм.
Такой метод имеет ряд недостатков. При вдавливании пирамиды вокруг отпечатка происходит вспучивание материала, в результате чего искажается форма отпечатка, после снятия нагрузки происходит некоторое восстановление углубления, оно изменяет свою начальную форму. В тех случаях, когда износ сопровождается пластическим де- формированием поверхностного слоя, края отпечатка заплывают и теряют отчетливую форму.
Метод отпечатков является одним из немногих видов, имею- щихся в распоряжении исследователей, позволяющих установить действительную величину линейного износа в заранее выбранном месте и точную картину его распределения по поверхности трения.
Большим преимуществом данного метода является высокая точность измерения, позволяющая измерять величины линейного износа по- рядка долей микрона.
Иногда применяется метод высверленных углублений. На ри- сунке 5.3, б представлена схема высверленных конических углубле- ний. Этот метод аналогичен методу отпечатков.
Широкое распространение получил метод вырезанных лунок, заключающийся в том, что на исследуемой поверхности вращающим- ся резцом вырезается углубление (см. рис. 5.4, а).
Дно углубления является постоянной базой. Разность расстоя- ний от исследуемой поверхности трения до дна лунки, определенных

117 до начала и после испытания, представляет величину линейного из- носа. Длина лунки определяется при помощи микроскопа. Лунки на- носятся вращающимся алмазным резцом, заточенным в виде трех- гранной пирамиды с отрицательным передним углом.
h
1
h
2
h
l
2
l
1
а)
P
P
h
h
h
2
4 1
2 3
б)
Рис. 5.4. Схема измерения величины износа: а – методом вырезанных
лунок; б – методом негативных оттисков (1 – изнашиваемая
поверхность детали; 2 – первичный оттиск; 3 – пуансон;
4 – вторичный оттиск)
Точность измерения методом вырезанных лунок выше, чем ме- тодом отпечатков, так как соотношение между глубиной лунки и длиной ее находится в пределах 1:50 – 1:80, вместо 1:7 при методе отпечатков.
При исследовании малых величин износа, порядка нескольких микрон, применение метода вырезанных лунок затруднительно, в этом случае следует отдать предпочтение методу отпечатков. Возни- кают трудности и при определении износа поверхностей, имеющих риски, совпадающие по направлению с длиной лунки, так как при этом очень сложно определить длину лунки. В общем случае выре- занная лунка должна располагаться перпендикулярно к направлению трения данной детали, чтобы концы лунки не сливались с рисками, возникшими на поверхности в процессе трения. Вследствие глубины лунки этот метод невозможно применить для определения износа грубо обработанных поверхностей.
В случае, когда непосредственный замер лунки или отпечатка при помощи микроскопа затруднен либо вообще невозможен (труд- нодоступное место, отверстие слишком малого диаметра и т.п.), глу- бину лунки определяют по слепку. Эта разновидность метода искус- ственных баз заключается в следующем.
а б

118
С исследуемой поверхности, на которой сделано искусственное углубление, снимают слепок при помощи самотвердеющей массы, или оттиск на пластичном металле или пластмассе (рис. 5.4, б). Затем измеряют при помощи микроскопа высоту h отпечатка углубления, которое может не иметь закономерного соотношения между глуби- ной и поперечными размерами. По разности двух измерений до и по- сле испытаний определяют величину износа
(5.4)
Определение износа по слепкам не требует специального обо- рудования, может производиться как в лабораторных, так и в про- изводственных условиях.
5.6. Определение износа по содержанию
продуктов износа в масле
Данный метод основан на взятии пробы в отработанном масле, где накопились продукты износа, представляющие собой металличе- ские частицы, окислы металлов и продукты химического взаимодей- ствия металлов с активными компонентами смазки.
Применение этого метода позволяет избежать разборки машин и их узлов. Метод применяется в лабораторных условиях и при экс- плуатации для измерения интегрального износа различных узлов ма- шин. Точность метода характеризуется чувствительностью приборов к содержанию металлических примесей в масле, которая составляет
10
-6
…10
-8
г на 1 см
3
масла. Линейный износ данным методом оценить затруднительно.
При отборе пробы необходимо, чтобы она характеризовала среднее содержание продуктов износа в смазке.
Для анализа проб масла на содержание железа и других состав- ляющих применяются химические, спектральные и радиометриче- ские методы.
Химический метод основан на определении содержания железа и других продуктов изнашивания в золе сожженной масляной пробы.
Непосредственный анализ пробы сложен и длителен.
Спектральный метод основан на определении содержания ме- таллических примесей в смазке посредством спектрального состава пламени при сжигании пробы масла.