Определение характеристик изнашивания пар трения методом электрической проводимости

В основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1981;1965 годы и на период до 1990 года перед техническими науками поставлены задачи повышения качества, надежности, экономичности машин и оборудования и других изделий машиностроения, снижение их материалоемкости и энергопотребления / I /.

Успешное решение этих задач тесно связано с проблемой износостойкости материалов в узлах трения машин и механизмов. Однако, несмотря на успехи в развитии теоретических представлений о механизмах изнашивания материалов при трении и смазочного действия, в области оценки характеристик изнашивания имеется серьезное отставание, котрое замедляет решение задач повышения качества машин.

Характеристики изнашивания определяют, как правило, традиционными методами путем прямого измерения износа деталей, что связано с длительными и трудоемкими испытаниями, особенно в условиях нормального изнашивания. Эти методы не позволяют определять мгновенную скорость изнашивания деталей, необходимую для целей диагностики и прогнозирования ресурса машин в процессе эксплуатации. Ускоренные методы испытаний, основанные на искусственной интенсификации процесса изнашивания не Есег-да применимы.

Недостатки традиционных методов связаны с тем, что при непосредственном измерении величины износа невозможно отразить структурно-энергетические процессы, лежащие в соответствии с современными представлениями в основе трения и изнашивания.

В последние годы Еедутся исследования по определению трибо технических характеристик с помощью кинетических методов путем контроля вторичных физических процессов (тепловых, акустических, электрических и др.), сопровождающих трение и изнашивание сопряженных деталей.

Кинетические методы обладают важным преимуществом по сравнению с традиционными методами — возможностью непрерывного контроля изнашивания без разборки сопряжений. При этом особый интерес представляют методы контроля, в которых используются явления электрической проводимости фрикционного контакта.

К настоящему времени накоплен значительный экспериментальный материал при изучении проводимости фрикционного контакта. Однако результаты, полученные при изучении этих явлений, часто противоречивы. Нет и единой точки зрения на механизмы наблюдаемых эффектов. Недостаточно изучены взаимосвязи между электрической проводимостью фрикционного контакта и процессами изнашивания деталей пары трения.

Прогресс в развитии кинетических методов определения характеристик изнашивания может быть, очевидно, достигнут при изучении электрических свойств контакта пары трения во взаимосвязи с процессами трения и изнашивания, с взаимодействиями на участках фактического контакта и со структурно-энергетическими процессами при трении.

В связи с этой целью настоящей работы является систематическое исследование взаимосвязей между явлениями электрической проводимости и характеристиками изнашивания пар трения и разработка рекомендаций по использованию электрических явлений для контроля изнашивания пар трения.

Экспериментальные исследования выполнялись путем воспроизведения процессов трения на специально созданной для этой цели лабораторной установке. Применялись также металлографические методы исследования. Анализ результатов исследований выполнялся с учетом существующих представлений о природе внешнего трения и с использованием положений смежных дисциплин: физики твердого тела, неравновесной термодинамики открытых систем, физики полупроводников и диэлектриков, электротехники.

На защиту выносятся следующие основные положения диссертационной работы.

I. Закономерности возникновения вентильного эффекта в паре трения и связь вентильного эффекта с процессами трения и изнашивания.

2о Зависимости между характеристиками проводимости фрикционного контакта и характеристиками изнашивания пары трения с учетом иерархии взаимодействий в системе трения.

3. Структурный, структурно-кинетический и энергетический принципы непрерывного контроля изнашивания пар трения и разработанные на основе этих принципов способы контроля, защищенные четырьмя авторскими свидетельствами.

4. Закономерности влияния механических примесей в смазочном масле на изнашивание пар трения с дифференциацией механизмов абразивного изнашивания.

Научная новизна заключается в следующем.

1. Создана прецизионная экспериментальная установка, позволяющая с высокой точностью измерять комплекс триботехнических и электрических показателей.

2. Впервые выполнено систематическое исследование вентильного эффекта в связи с процессом нормального механохимического изнашивания.

3. Установлены связи проводимости фрикционного контакта с процессами изнашивания, а тленно: а/ связь вентильного эффекта с диапазоном нормального ме-ханохимического изнашивания и сочетанием двух типов вторичных структур на сопряженных поверхностях трения — б/ корреляционная зависимость между контактным электросопротивлением и удельной работой износав/ связь периодических колебаний структурно-чувствительных характеристик пары трения с периодичностью образования и разрушения вторичных структур.

Эти закономерности послужили основой для создания четырех изобретений на способы непрерывного контроля изнашивания пар трения.

4. Изучены закономерности влияния механических примесей в смазочном масле на изнашивание пар трения с дифференциацией по процессам трибоактивации, образования и разрушения вторичных структур.

Практическое значение работы заключается в установлении зависимостей между характеристиками изнашивания и характеристиками проводимости, в разработке методов непрерывного контроля изнашивания пар трения и в установлении закономерностей изнашивания пар трения под влиянием механических примесей в смазочном масле.

Диссертация состоит из 5-ти глав.

В первой главе выполнен анализ литературных данных о механизмах изнашивания, смазочного действия, методах определения характеристик изнашивания и электрических явлениях, сопровождающих процесс трения. Поставлены задачи исследования.

Во второй главе изложена методика исследований и описана экспериментальная установка.

В третьей главе приведены результаты экспериментальных исследований зависимости характеристик электрической проводимости фрикционного контакта от процессов трения и изнашивания пар трения, выполнен анализ полученных результатов и приведены физические модели фрикционного контакта и механизмов изнашивания пар трения.

В четвертой главе изложены результаты исследования изнашивания деталей под влиянием механических примесей в масле. В исследовании применялись электрические методы контроля. Предложены модели влияния механических примесей различной природы на взаимодействие поверхностей трения.

В пятой главе описаны разработанные методы контроля изнашивания пар трения и приведены рекомендации по их использованию при решении различных триботехнических задач. Диссертация заканчивается выводами, в которых подытожены основные результаты работы.

Выполнение диссертационной работы связано с планами научных исследований Украинской сельскохозяйственной академии /гос. № регистрации 79 004 984/ и отделения нефтехимии института физико-органической химии и углехимии АН УССР /гос. № регистрации 79 040 901/. Результаты работы используются-в отделении нефтехимии при выполнении Республиканской программы PH.03.0I «Создать и освоить производство новых видов пластичных смазок, смазочно-охлаждающих жидкостей и присадок к ним, обеспечивающих сокращение их расхода на 20 — 30 процентов и повышение производительности труда в 1,5 раза» .

Опубликованные работы, в которых изложены основные результаты исследований, приведены в общем списке литературы под номерами 14 — 16, 22, 23, 44, 71, 75 — 77, 81 — 85, 115.

основные вывода.

1. Разработана методика и экспериментальная установка для комплексного изучения процессов трения, изнашивания и смазочного действия и электрических свойств контакта трущихся поверхностей.

2. Экспериментально установлено, что вентильный эффект в паре трения возникает в диапазоне нормального механохимического изнашивания и обусловлен совместным действием структурного и динамического факторов. Структурным фактором является сочетание вторичных структур I и П типа на сопряженных поверхностях трения. Динамический фактор заключается в резкой активации вещества в зоне микроконтактов и асимметрии процессов деформирования и активации по отношению к сопряженным поверхностям трения.

3. В исследованном диапазоне граничного трения установлены зависимости между проводимостью и характеристиками изнашивания пар трения: а/ зависимость направления выпрямления тока от относительного износа элементов пары трения — выпрямленный ток протекает от элемента с большей интенсивностью изнашивания — б/ корреляционная зависимость между контактным электрическим сопротивлением и удельной работой износа /коэффициент корреляции > 0,9/. Уравнение регрессии между удельной работой износа, А и и сопротивлением пары трения для стали 45 при надежности доверительных интервалов 0,99 имеет вид прямой:

35⁰ ± 450)11.) (5< 20 000 Ом).

4. Выполнен анализ зависимости характеристик проводимости фрикционного контакта от процессов, происходящих в основных уровнях структурно-функциональной организации трибосистем: с взаимодействием микроконтактов трущихся тел /микроуровень/ и взаимодействием тел по номинальной поверхности трения /макроуровень/.

5.В результате анализа экспериментальных данных показано, что характеристики проводимости пары трения зависят от распределения пассивныхи активных микроконтактов.

Пассивные микроконтакты, т. е. участки с гидродинамическим трением в слое смазки и участки с упругим взаимодействием вторичных структур и граничных смазочных слоев, имеют высокое электрическое сопротивление и практически не проводят ток.

При импульсах пластической деформации и активации вследствии возникновения активированных неравновесных состояний вещества, включая вероятное плазменное состояние, проводимость микроконтакта резко возрастает, а при асимметрии активационных процессов реализуется односторонняя проводимость.

6. Показано, что макроскопические характеристики изнашивания определяются распределением взаимодействий трущихся тел на микроуровне, а также толщиной вторичных структур и кинетикой их образования и разрушения. С помощью электрических методов контроля осуществлено прямое наблюдение образования и разрушения вторичных структур.

7. На основе установленных свойств электрической проводимости фрикционного контакта разработаны методы непрерывного контроля изнашивания пар трения: а/ по виду трения /A.c. 462 109/- б/ по структурному критерию /A.c. 532 788/ - в/ по структурно-кинетическому критерию /A.c. 460 487/ - г/ по энергетическому критерию /A.c. 888 017/ ;

8. С использованием предложенных методов из^ено влияние механических примесей в масле на изнашивание пар трения с дифференциацией по видам взаимодействий поверхностей трения. Абразивные примеси приводят к резкой активации поверхностей трения и уменьшению длительности цикла образования и разрушения вторичных структур.

Глава 5. ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ИСПОЛЬЗОВАНИЮ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОВОДИМОСТИ ДЛЯ КОНТРОЛЯ ИЗНАШИВАНИЯ ПАР ТРЕНИЯ.

5.1. Критерии изностойкости пар трения и методы контроля.

Результаты исследований, выполненных в настоящей работе, позволяют разрабатывать кинетические методы контроля изнашивания пар трения с использованием электрической проводимости и известных критериев изностойкости, в частности, критерия износостойкости по режиму трения / 27,101 /, структурного / 135 /, структурно-кинетического / 67 / и энергетического / 141,159 / критериев.

При контроле износостойкости по режиму трения известным правилом / 101 / является необходимость обеспечения работы сопряжения в режиме граничного трения, по возможности жидкостного трения, не допуская схватывания. При контроле электрических параметров условием граничного трения является наличие выпрямленного тока и повышение коэффициента выпрямления,.

Кв = ^ а условием жидкостного режима трения является непроводящее состояние фрикционного контакта, т. е.

77 ал / О (?2).

В режиме схватывания электросопротивление контакта понижается до нуля и отсутствует выпрямленный ток.

Для контроля режима трения разработан способ / 14 /, заключающийся в том, что через контакт деталей пропускают асимметрический переменный ток и измеряют результирующую постоянную составляющую тока в цепи. Измерительная схема приведена на рис. 5.1. Узел трения I включен в электрическую цепь, содержащую токосъемник 2, источник переменного тока 3 и источник постоянного тока 4, образующие в совокупности источник асмметричного переменного тока, и прибор 5, регистрирующий постоянную составляющую тока в цепи. Рекомендуемые параметры измерительной схемы следующие: напряжение источника переменного тока 50−200 мВ, напряжение источника постоянного тока 10−30 мВ, сопротивление измерительной цепи 50−200 Ом.

При работе узла трения в режиме граничного трения постоянная составляющая тока в цепи складывается из заданного постоянного тока асимметрии и выпрямленной в трущемся контакте части переменного тока (рис. 5.2, участок Ау При жидкостном трении обе постоянные составляющие тока полностью отсутствуют (рис. 5.2, участок Б). При трении, сопровождающемся схватыванием и катастрофическим износом рабочих поверхностей, постоянная составляющая равна постоянному току асимметрии (рис. 5.2, участок В).

Возможности описанного выше способа контроля режима трения состоят в индикации предельных состояний процесса изнашивания: нормальный износ" при устойчивом граничном или жидкостном трении и «повышенный износ» при повреждаемости схватыванием.

Структурный критерииизносостойкости / 135 / заключается в необходимости определенного сочетания типов вторичных структур на сопряженных поверхностях трения (I тип на валу и П тип на подшипнике). Сочетание типов вторичных структур в процессе трения можно контролировать путем определения направления выпрямления тока в фрикционном контакте, поскольку выпрямленный ток протекает от поверхности трения с I типом вторичных структур к поверхности со П типом вторичных структур.

Измерительная схема для контроля изнашивания / 15 / по сочетанию типов Еторичных структур приведена на рис. 5.3. Пару трения, А 6 иый *метрии.

Постоян^ ток асил.

Рис. 5.1. Схема включения узла трения в электрическую цепь для контроля режима трения.

Рис. 5.2. Диаграммы постоянной составляющей тока в цепи при различных режимах трения: А — гранично.©трениеБ — жидкостное трениеВ — схватывание. о о.

Рис. 5.3. Электрическая схема для контроля изнашивания по сочетанию типов вторичных структур. образованную подшипником I и валом 2, Биоэлектрическую цепь, содержащую прибор 3 для регистрации тока и конденсатор 4, сглаживающий постоянную составляющую тока, проходящую через прибор 3. Напряжение источника питания переменного тока от 50 до 200 мВ, частота — 50 Гц, сопротивление цепи от 50 до 200 Ом.

При включении электрической цепи через пару трения протекает ток. Вентильный эффект в контакте трущихся поверхностей приводит к частичному выпрямлению переменного тока, а возникающая постоянная составляющая тока проходит через контакт от элемента с большей интенсивностью иннашивания.

Возможности этого метода состоят в индикации оптимального сочетания вторичных структур на поверхностях трения. При нормальном изнашивании выпрямленный ток протекает от стали к антифрикционному материалу. При изменении условий трения, например при перегрузках может измениться сочетание типов вторичных структур и увеличиться скорость изнашивания, что будет выявлено по изменению направления протекания выпрямленного тока.

В соответствии с моделью нормального механохимического изнашивания структурно-кинетическим критерием износостойкости является увеличение длительности цикла образования и разрушения вторичных структур и уменьшение толщины материала, разрушившегося за время одного цикла (толщины вторичных структур) / 67 /. Длительность цикла контролируется непосредственно по периоду колебаний структурно-чувствительных кинетических параметров, а толщина вторичных структур по амплитуде колебаний кинетических параметров. Поэтому структурно-кинетическими критериями износостойкости в этом случае яеляются условия.

7~ тахА ^¿-п) з).

Ч> ' где % - длительность цикла (период) колебаний кинетических характеристикА — амплитуда колебаний кинетических характеристик.

Для использования структурно-кинетического критерия износостойкости при непрерывном контроле изнашивания разработан способ оценки износа пар трения / 13 / путем определения характеристик периодических колебаний структурно-чувствительных параметров фрикционного контакта (силы трения, трибо-ЭДС, вып* рямленного тока). Скорость изнашивания с определяется по отношению толщины к вторичных структур к длительности цикла их образования и разрушения:

Описанный способ контроля изнашивания, основанный использовании структурно-кинетического критерия износостойкости, позволяет оценивать скорость изнашивания за короткий промежуток времени, соизмеримый с временем одного или нескольких циклов образования и разрушения вторичных структур, которое обычно составляет порядка нескольких минут.

Энергетическим критерием повышения износостойкости является повышение удельной работы износа / 114 /. Кроме того, по этому же критерию можно определять вид изнашивания. Например, при достижении режима нормального механохимического изнашивания удельная работа износа повышается до значений, превышающих Ю6 дж/мм3.

Связь удельной работы износа с электросопротивлением при граничном трении определяется выражениями (3.9) и (4.4). Отсюда критерием повышения износостойкости при граничном трении является повышение электрического сопротивления фрикционного контакта:

В разработанном способе контроля изнашивания по энергетическому критерию / 22 / используется зависимость между удельной работой износа и электросопротивлением контакта. При использовании этого способа измеряют мощность трения и электросопротивление в контакте.

Схема для измерения электросопротивления методом Еольтмет-ра показана на рис. 1.6,б. Сопротивление цепи составляет 50−200 Ом, напряжение источника питания 10−100 мВ.

Для получения количественной оценки скорости изнашивания необходимы тарировка зависимости удельной работы износа от электросопротивления контакта на эталонной паре трения путем специальных испытаний.

В настоящей работе получена зависимость между удельной работой износа и электросопротивлением контакта при трении стали 45 в смазочной среде (масло МЮГ) с различными видами механических примесей и при изменении скорости скольжения. Эта зависимость выражается уравнением прямой регрессии (4.4).

Скорость изнашивания определяют по отношению мощности трения к удельной работе износа.

Рассмотренные критерии повышения износостойкости и методы контроля связаны с различивши уровнями структурно-функциональной самоорганизации трибосистем.

Конкретные варианты использования разработанных способов зависят от задач по повышению надежности и долговечности узлоЕ трения. р —^ техх.

5.2. Области применения методов контроля изнашивания пар трения по электрической проводимости фрикционного контакта.

С помощью характеристик электрической проводимости фрикционного контакта в настоящей работе получены новые научные результаты о механизмах нормального механохимического изнашивания: изучены явления трибоактивирования и пассивации поверхностей трения, образования и разрушения вторичных структур и закономерности изнашивания пар трения под влиянием механических примесей в масле. Поэтому можно сделать заключение, что методы исследования, б которых используются параметры электрической проводимости, яеляются. весьма ценными при исследовании трения, изнашивания и смазочного действия.

Ниже обсуждены возможности практического использования разработанных способов контроля изнашивания при решении различных триботехнических задач: испытаниях конструкционных материалов, смазок и узлов трения машин, диагностики и прогнозирования ресурса узлов трения в процессе эксплуатации машин.

При разработке конструкционных и смазочных материалов, износостойких покрытий одним из этапов является определение износостойкости путем моделирования процесса трения на лабораторных установках (машинах трения). Известно, что скорость изнашивания, определенная в лабораторных условиях, не может быть использована для прогнозирования износостойкости и ресурса реальных узлов машин е эксплуатации. При испытании на машинах трения не могут быть учтены многие конструкционные и эксплуатационные факторы, влияющие на износ. Поэтому в лабораторных условиях проводят, в основном, сравнительные испытания, при которых получают относительные характеристики износостойкости / 25, 150 /.

Абсолютная величина износостойкости в наибольшей степени необходима для прогнозирования ресурса узлов трения перед началом эксплуатации новой машины / 120 /. При этом необходимо иметь данные о спектре эксплуатационных нагрузок, тлеющих случайный характер, и влиянии этих нагрузок на износ деталей, а также учесть влияние переходных режимов трения, временных и других факторов. В подавляющем большинстве случаев информация, необходимая для прогнозирования ресурса, неизвестна перед началом эксплуатации новой машины / 120 /.

В процессе эксплуатации механизмов текущее прогнозирование выполняют путем диагностирования узлов трения / 107 /, при котором оценивается скорость изменения контролируемого параметра, необходимая для прогнозирования работоспособности узлов трения и назначения профилактических мероприятий. Срок прогноза и периодичность диагностирования зависит от контролируемого параметра.

Если в качестве контролируемого параметра используется величина износа (зазора) в сопряжении, то вследствие низкой средней скорости изнашивания периодичность диагностики и срок прогноза обычно составляет сотни часов работы. Однако надежность прогнозирования в этом случае низкая, а повышение частоты диагностирования неэффективно. По результатам такого типа диагностики можно определять лишь потребность в ремонте или замене узлоЕ трения / 120 /.

Несмотря на постоянство средней скорости изнашивания деталей на большом промежутке времени, в отдельные периоды из-за влияния неблагоприятных факторов скорость изнашивания может увеличиться по сравнению со средним значением в десятки раз. Это может привести к внезапному Еыходу из строя, или значительному сокращению ресурса сопряжения.

Непрерывный контроль процесса изнашивания узлов трения эффективен только с использованием тех параметров состояния, которые существенно изменяются при кратковременном повышении скорости изнашивания. При этом отклонения от нормальной работы узлов трения могут быть своевременно обнаружены и устранены.

Как показано в настоящей работе, электрические параметры контакта поверхностей в узлах существенно изменяются при изменении характеристик изнашивания трущихся деталей. Поэтому характеристики электрической проводимости фрикционного контакта можно использовать в качестве параметров состояния при непрерывном диагностировании трущихся сопряжений в эксплуатации.

При непрерывном контроле нет необходимости измерять абсолютное значение скорости изнашивания, а допустимо определять только относительное отклонение ее от предельного заданного значения. На основе непрерывного контроля скорости изнашивания возможна реализация принципов адаптации и саморегулирования путем создания автоматических систем, специально предназначенных для сохранения качественных показателей работы узлов машин / 120 /.

Одним из эффективных методов диагностирования технического состояния узлов трения в машинах является контроль изменения качества смазочных материалов / 42,91,161 /.

Определение изменения, противоизносных свойств смазочных материалов для целей диагностики возможно при наличии экспресс-методик. Для этих целей могут быть использованы электрические методы контроля изнашивания.

Таким образом, при решении основных триботехнических задач достаточно определять относительную износостойкость (характеристика по ГОСТ 23.002−78) — отношение износостойкостей испытуемого материала и материала, принятого за эталон в одинаковых условиях.

При контроле изнашивания по структурно-кинетическому критерию с учетом формул (5.3) и (5.4) относительная износостойкость, А где — длительность цикла образования и разрушения вторичных структурА — амплитуда колебаний величин кинетических характеристикиндекс I относится к эталоным, а индекс 2 — к испытуемым условиям трения.

При контроле изнашивания по мощности трения и электросопротивлению (энергетический критерий) относительная износостойкость определится по отношению:

Л/пЪЪг. (5.7) л/ri вы где //гмощность тренияэлектросопротивление фрикционного контактаК — коэффициент регрессии зависимости удельной работы износа от электросопротивленияиндекс I относится к эталоным, а индекс 2 — к испытуемым условиям трения.

При условии Kj ~ К2 ~ ^^, (f.e).

С учетом погрешности эмпирической зависимости между удельной работой износа и электросопротивлением фрикционного контакта, полученной в разд.4.6 (см. формулу 4.4), погрешность определения износостойкости по формуле (5.8) составляет порядка +20%.

Для определния относительной износостойкости не требуется определение тарировочной зависимости между электросопротивлением контакта и удельной работой износа. Например, при использовании энергетического критерия (формула 5.8) достаточно измерить мощность трения и электросопротивление контакта в процессе работы сопряжения.

При постоянных нагрузке, и скорости скольжения можно ограничиться только измерением электросопротивления, поскольку последнее изменяется в значительно больших пределах чем сила трения, т. е.

Таким образом, определение характеристик изнашивания с помощью параметров электрической проводимости фрикционного контакта может быть использовано как в научных целях, так и при решении широкого круга триботехнических задач.