АНАЛИЗ СОВРЕМЕННЫХ МЕТОДОВ ДИАГНОСТИКИ СОСТОЯНИЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ ТРУЩИХСЯ ЭЛЕМЕНТОВ УЗЛОВ ТРЕНИЯ МАШИН

 

Маленко П.И. (ТулГУ, г.Тула, РФ)

 

In clause the questions of the analysis of modern methods of diagnostics of a condition of surfaces of friction of elements of units of friction of machines are considered.

 

Одним из методов технической диагностики является проверка работоспособности узлов трения машин, определяемой процессами изнашивания их трущихся элементов. Это предусматривает непрерывный или периодический контроль и измерение с помощью диагностических средств определенных обобщенных параметров.

С позиций диагностики триботехнической работоспособности материалов можно определить три принципиально отличающихся метода [1].

1. Диагностика через разработку количественных моделей, отражающих наиболее существенные стороны реального процесса изнашивания, избавляет от необходимости проводить полнофакторный эксперимент. С другой стороны, данный принцип требует для получения информации о скорости изнашивания пассивного производственного или лабораторного эксперимента. Этому направлению изучения способов прогнозирования на базе лабораторных испытаний посвящен ряд отечественных и зарубежных публикаций и исследований. Однако корректность таких подходов можно считать приемлемой только в случае, если будет учитываться стохастический характер процесса изнашивания.

2.  Диагностика, основывающаяся на косвенном или прямом контроле состояния поверхности трущихся материалов по уровню повреждаемости обеспечивает получение информации о моменте, месте и причине отказа. Среди известных способов измерения параметрических характеристик виброакустические методы, вследствие их точности, экспрессности и универсальности, следует считать предпочтительными. Для диагностики состояния материалов по уровню повреждаемости возможно использование амплитудно-частотных спектров вибраций и акустических колебаний.

3.  Диагностика по продуктам изнашивания помимо текущего контроля за кинетикой и механизмами разрушения контактных поверхностей позволяет анализировать химические и физические свойства непосредственно материала по частицам износа. Это позволяет иметь прямую информацию о его поведении в заданных условиях изнашивания.

Метод виброакустической диагностики в качестве первичных сигналов использует различные характеристики колебательных процессов. Для диагностирования кинематической пары выделяют импульсный сигнал из результирующего, оценивают в сопоставлении с эталонным и дают ему количественную характеристику по частоте и амплитуде. Так как ускорения частиц упругой среды при распространении волн значительны, для диагностирования вибраций обычно используют высокоэффективные пьезоэлектрические датчики ускорений.

Важным вопросом в задачах виброакустической диагностики является выбор типа анализируемой информации, в качестве которой традиционно используют частотные характеристики. В зависимости от вида источника сигнала это могут быть накопленные, гармонические, зубцовые или циклические частоты. Более информативной и избирательной при выделении в сигнале периодической составляющей низкого уровня на фоне существующих помех является так называемая автокорреляционная функция. Период этой функции используют для локализации дефектных элементов диагностического объекта, а амплитуду функции и ее затухание - для оценки характера и степени глубины развития этого дефекта [1,2].

Установление видов связей повреждающегося объекта с виброакустическими сигналами требует большого массива данных. По этой причине данный метод можно корректно применять только для простых по структуре диагностических объектов, где существует возможность описания акустических сигналов детерминированными периодическими функциями, а связи могут быть установлены на основании априорных данных.

Анализ работ по акустической эмиссии позволяет сделать вывод о том, что данный способ может быть использован в качестве прецизионного для изучения кинетики повреждаемости структур поверхностных слоев в процессе изнашивания согласно как усталостному, так и адгезионному механизмам. В первом случае, в применении к высокопрочным материалам необходимо иметь методику отфильтровывания эмиссионных сигналов в диапазоне частот 6 кГц - 50 кГц. Параллельное использование в схемах измерения анализаторов энергии позволяет, кроме кинетических характеристик, изучать и идентифицировать различные физические процессы, обусловленные эффектами трещинообразования и отраженные эмиссионным спектром. При изменении макромеханизма повреждаемости амплитуда и длительность сигналов акустической эмиссии будут сильно отличаться. При адгезионной поверхностной повреждаемости закономерности проявления акустических сигналов изменяются. В результате протекания многократных полиморфных превращений в поверхностных слоях формируются глубинные вырывы, размер которых предопределяется траекторией подслойной магистральной трещины. В ряде случаев отмечается существование физической, а также количественной корреляции размеров «адгезионных треков» разрушения и амплитудно-частотных характеристик акустической эмиссии в килогерцевом диапазоне частот [1].

Диагностика триботехнической работоспособности по продуктам изнашивания позволяет проводить прямой контроль частиц износа, несущих информацию о механизмах и кинетике разрушения поверхностного слоя. Среди существующих методов феррография является наиболее перспективной, так как помимо качественной позволяет получать также и количественную информацию о повреждаемости на различных стадиях ее развития.

В наиболее универсальном феррографическом методе принципиальным является вопрос отделения частиц. Существуют рекомендации по оптимальным способам перемешивания ингредиентов пробы из смазывающей жидкой среды перед анализом и выбору оптимальной массы пробы. Установлено также, что скорость течения жидкой пробы по стеклянной пластинке феррограммы и снижение ее вязкости за счет большей массы продуктов изнашивания оказывает сильное влияние на распределение частиц особенно на начальных этапах феррографического анализа, когда фиксируются невысокие плотности осадков. Все это должно негативно сказываться на универсальности метода и сопоставимости его результатов.

Феррографический микроскоп использует отраженный красный и пропускаемый через феррограмму зеленый цвета. Металлические частицы, отражая красный цвет и задерживая зеленый, фиксируются в окуляре красными. Сложные по составу частицы пропускают в основном зеленый цвет и проявляются зелеными при малой их толщине и желтыми или розовыми при большей.

Форме частиц изнашивания уделяется достаточно много внимания в связи с механизмами изнашивания. Предлагаются новые приборы для распознания формы частиц по их магнитным свойствам, а также измерения количества ферромагнитных частиц в продуктах изнашивания.

Дополнительную информацию о видах износа можно получать в связи с привлечением для исследования феррограмм физических методов: оптической и электронной микроскопии, рентгеноструктурного анализа. С их помощью анализируются помимо формы, также физические свойства и химический состав частиц, что значительно расширяет качественные возможности метода феррографической диагностики. В последнее время успешно используется топографический метод идентификации феррограмм, позволяющий по характерным цветам побежалости при нагреве до определенных температур устанавливать вид продуктов от триботехнических реакций на поверхности трения [1,2].

Вопросы диагностики могут быть связаны с проблемой прогнозирования состояния трибосистем как по реализации изменения значений параметров системы, так и по среднестатистическим показателям. Это является новым направлением при создании и эксплуатации технологического оборудования. Среднестатистическое прогнозирование исходит из статистической обработки и анализа результатов, полученных в процессе эксплуатации трибосистем и последующего установления единых допустимых значений параметров их состояния по всем исследуемым видам диагностик. При этом исходят из необходимости обеспечения допустимого уровня безотказной работы и минимума суммарных удельных затрат на техническое обслуживание. Применение статистического прогнозирования требует, с другой стороны, установления единой периодичности планового технического обслуживания и ремонта. Прогнозирование по реализации основано на выявлении скоростей изменения значений диагностических параметров, характеризующих состояние систем, путем непосредственных их измерений и последующего моделирования результатов с учетом характера изменения.

Однако приведенные подходы по определению периода диагностирования триботехнических систем являются по своему содержанию больше частными решениями, нежели универсальными. Это обусловлено тем, что в них не учитывается влияние показателей, характеризующих безотказность, контроль и ремонтопригодность самого объекта, а также технических средств диагностики. Эти показатели тесно связаны с параметрами, характеризующими организацию процесса диагностирования.

Важным в задачах нормирования триботехнической работоспособности триботехнических систем является соотношение категорий диагностики и профилактики. Наиболее корректным, с позиций обеспечения гарантированной работоспособности системы, является условие равенства периода профилактики оптимальному периоду диагностирования. Рациональная организация профилактического обслуживания позволяет заметно увеличивать работоспособность и долговечность систем, а также уменьшать длительность их простоев на проведение диагностики и ремонт.

Наиболее надежным методом исследования изнашивающихся систем является производственный эксперимент. Анализ информации, полученной в результате постановки такого эксперимента, может дать наиболее объективные сведения о системе профилактики. Однако, этот путь не всегда приемлем, так как требует больших затрат времени, что накладывает ограничения на число вариантов, которые можно проверить. С другой стороны, моделирование реальных процессов дает большие возможности для экспериментирования. Наиболее ответственный этап при этом заключается в построении количественной модели, достоверно отражающей наиболее существенные стороны реального процесса. В то же время модель не должна быть перегружена второстепенными деталями, чтобы быть обозримой. Моделирование не избавляет от необходимости пассивного производственного эксперимента, сводящегося к наблюдению за реальным процессом. В случае, если анализируются более сложные по структуре триботехнические системы, то при решении вопроса о профилактике рекомендуется использовать модели профилактики с запланированными осмотрами и заменами элементов, а также заменами по мере отказа. Далее необходимо решать вопросы об определении критического и максимального значения диагностируемого параметра.

 

Литература

1. Власов В.М., Нечаев Л.М. Работоспособность высокопрочных термодиффузионных покрытий в узлах трения машин. - Тула: Приокское книжное изд-во, 1994. - 237 с.

2. Решетов Д.Н., Иванов А.С., Фадеев В.З. Надежность машин - М.: Высшая школа, 1988. - 237 с.