Техническая документация

Общая характеристика методов. Используемые на практике ускоренные испытания на износостойкость могут быть разделены на сокращенные, проводимые в нормальных эксплуатационных режимах, не изменяющих интенсивность изнашивания, и форсированные, основанные на применении режимов с повышенной (по сравнению с эксплуатационной) интенсивностью изнашивания.
Основными исходными данными при выборе рабочего метода и режимов ускоренных испытаний являются: условия работы испытываемых изделий в эксплуатации, предельный износ, диапазон допустимых значений коэффициента ускорения, нормативы по ресурсу, нормальные значения параметров режима работы (нагрузки, скорости, температуры), по отношению к которым контролируют- износостойкость (ресурс). При этом также используют данные об условиях, механизме и результатах изнашивания (виде изнашивания), о статистических закономерностях накопления износа и показателях безотказности, полученных на основе результатов эксплуатационных наблюдений за изделиями испытываемого вида или их аналогами.
Для максимального сокращения продолжительности испытаний метод измерения износа должен обладать высокими чувствительностью и точностью, а также низким порогом чувствительности.
Сокращенные испытания. Сокращение календарной продолжительности испытаний путем устранения перерывов в накоплении наработки или снижения их длительности — наиболее простой принцип ускоренных испытаний, эффективность которого высока, если для нормальной эксплуатации изделия характерны длительные простои или периодичность работы связана со спецификой условий эксплуатации (например, для сельхозмашины, используемой сезонно, насоса с резервуаром-накопителем, используемого для водоснабжения и т. п.).
Реализация принципа обеспечивается проведением круглосуточных испытаний; сокращением перерывов, связанных с измерением износа, с ремонтом и профилактическим обслуживанием испытываемых изделий и испытательного оборудования и автоматизацией контроля рабочих параметров режима испытаний и др.
Ограничения его применения связаны с наличием процессов разрушения (иногда и самовосстановления) в период простоев, например, вследствие коррозионных явлений.
Пример 1. Насос в системе водоснабжения включается для заполнения накопительного резервуара периодически так, что среднегодовая наработка его составляет 2028 ч. В условиях 20-часовой суточной продолжительности стендовых испытаний эта наработка может быть достигнута за 5 месяцев. Коэффициент ускорения по календарной продолжительности в этом случае.
Пример 2. Сенокосилка имеет средний ресурс «400 ч. В эксплуатационных условиях она может работать только в летний период (наличие травы), в течение определенного времени суток (наличие росы и др.). При стендовых испытаниях с суточной производительностью 20 ч, имитирующих эксплуатационные нагрузочные воздействия, наработка 400 ч, соответствующая обычной календарной продолжительности эксплуатации в 2 года (т. е. 24 месяца), будет выработана за один месяц.
Коэффициент ускорения по календарной продолжительности
Использование принципа исключения из эксплуатационного спектра нагружающих воздействий, не оказывающих существенного влияния на изнашивание, целесообразно, когда эксплуатационный режим характеризуется последовательным (ступенчатым или плавным) чередованием нагрузок, скоростей скольжения и температур, изменяющихся в достаточно широком диапазоне. В общем случае, изменение уровня того или иного параметра нагружающих воздействий — случайный процесс. Эффективность принципа выше, если режимы, практически не приводящие к изнашиванию (режим гидродинамической смазки и др.), составляют во времени значительную часть общего эксплуатационного спектра рабочих режимов.
Пример 3. Испытывается радиальный подшипник скольжения (пара трения бронза—сталь) при постоянной скорости скольжения. Известно эксплуатационное распределение нагрузок на подшипник по продолжительности. На стадии предварительных исследований методом ступенчатого возрастающего нагружения в диапазоне эксплуатационных нагрузок и измерением электрического сопротивления контакта взаимно трущихся поверхностей определяется минимальное значение сопротивления выше которого наблюдается гидродинамический характер смазки, а также регистрируется соответствующее значение нагрузки.
Считая, что такой режим практически не приводит к ощутимому износу за срок службы изделия (незначительное влияние загрязнений в смазочном масле н др.), принимают, что ресурс определяется только режимами.
Ускоренные испытания проводят при воспроизведении нагрузок, превышающих Ркр, с сохранением эксплуатационной относительной продолжительности работы на каждой из них.
Пусть в эксплуатационном спектре доля нагрузок Р, отвечающих условию Р > РКр, составляет 20 %. Тогда коэффициент ускорения равен 5.
Пример 4. Предварительными экспериментами показано, что сцепная фрикционная муфта центробежного сепаратора очистки масел и топлива работает только в период пуска сепаратора до достижения ротором очистного барабана номинальной частоты вращения. Средняя эксплуатационная частота пусков сепаратора — 6 пусков в сутки (1/4 пуска в час). Поскольку проскальзывание в муфте в периоды стационарной работы незначительно, то при испытаниях воспроизводят только переходные режимы, связанные с пусками. Контролируют, превышает ли срок службы муфты 5000 ч. При разработке режима испытаний учитывают, что при эксплуатации в перерывах между очередными пусками детали муфты успевают охладиться до температуры окружающей среды. Исходя из этого, а также продолжительности разгона и выбега ротора, принята частота пусков 5 ч-1. Количество пусков, соответствующее 5000 ч эксплуатации, в этих условиях может быть воспроизведено за время / = = 5000/5 — 1000 ч. Коэффициент ускорения.
Принцип учащения рабочих циклов или ускоренного воспроизведения эксплуатационного спектра нагрузочных воздействий целесообразно использовать только при одновременном и пропорциональном повышении скорости скольжения трущегося сопряжения. В этом случае его путь трения, соответствующий работе при любой данной нагрузке или любом заданном диапазоне нагрузок, будет таким же, как в эксплуатационных условиях.
Если интенсивности изнашивания в эксплуатации и при испытаниях с теми же нагрузками равны, то скорость изнашивания при испытаниях увеличивается пропорционально снижению продолжительности работы сопряжения при данной нагрузке (при заданном диапазоне нагрузок) в процессе испытаний в сравнении с соответствующей продолжительностью в эксплуатации- Это обеспечит пропорциональное повышению скорости скольжения сокращение продолжи-тельности испытаний.
Пример 5., Работа радиального подшипника скольжения характеризуется периодическим чередованием действующих нагрузок. Относительная продолжительность приложения нагрузок отражена в табл. 3.
Требуется установить, превысит ли износ предельно допустимое значение при эксплуатационной наработке 1000 ч.
Специальным охлаждением обеспечена неизменность поверхностных температур при повышении скорости скольжения в 2 раза. Предварительными исследованиями установлено, что интенсивность изнашивания от такого повышения скоростей не изменяется.
Коэффициент ускорения по наработке
Пример 6. Не смазываемый подшипник шарнирного е в этом случае равен 2.
Суммарная продолжительность испытаний 500 ч. Продолжительность приложения каждой нагрузки приведена в табл. 3. механизма работает в условиях возвратно-вращательного движения с частотой 5 мин-1. Работа подшипника . характеризуется циклическим непрерывным изменением действующих нагрузок. Установлено, что увеличение частоты в 2 раза при той же амплитуде колебаний не приводит к существенному повышению температуры и интенсивности изнашивания. При удвоенной частоте в единицу времени вдвое повышается путь трения, соответствующий каждому значению нагрузки, и, соответственно,, должна повышаться скорость изнашивания. Следовательно, общий коэффициент ускорения по наработке равен 2.
Принцип экстраполяции по времени (наработке) состоит в том, что на основе изучения статистических характеристик кинетики- накопления износа на начальных этапах установившегося процесса (после завершения приработки) экстраполяцией функций изменения износа и (или) скорости изнашивания во времени прогнозируется изменение их вне изучаемого интервала времени (времени испытаний) вплоть до достижения предельного износа. Предполагается, что функции сохраняются неизменными в течение всего процесса изнашивания, вплоть, до достижения предельного износа, и что на всем этом интервале они монотонны и имеют производные. Практический способ экстраполяции зависит от принятых физической и математической моделей изнашивания и от метода выравнивания эмпирических данных к теоретическому виду (метод наименьших квадратов, экспоненциальное сглаживание и др.).
Практически любую функцию накопления износа Т) во времени (наработке) I путем соответствующего преобразования координат можно отображать в линеаризованном виде.
Выравнивание методом наименьших квадратов в этом случае сводится к отысканию коэффициентов аир уравнения.
Если значения а22 в пределах изучаемого интервала времени незначительны по сравнению с ах(, то последним слагаемым при экстраполяции дисперсии можно пренебречь (процесс с сильным перемешиванием реализаций, эргодический процесс). Если аг( <С < а2Р, то можно пренебречь случайными колебаниями качественного состояния объекта в процессе испытаний, связанными со случайными нерегулируемыми колебаниями режима трения и изнашивания (процесс детерминирующего начального качества).
Для процесса с сильным перемешиванием реализаций оценка ресурса может быть получена экстраполяцией результатов испытаний даже одного образца, но достаточно большой продолжительности. В этом случае возрастание во времени ( математического ожидания износа и дисперсии отражается следующими функциями: где к и Н — параметры, оцениваемые на основе результатов испытаний по формулам.
Здесь л — общее количество последовательных по наработке измерений износа на изученном отрезке времени; | (^) — среднее значение скорости изнашивания на 1-м интервале между очередными замерами; А, а — параметры автокорреляционной функции случайного эргодического процесса изменения скорости изнашивания, имеющей вид (Д/ — интервал между двумя моментами времени, для которых определялись скорости изнашивания).
Формальное изучение статистических реализаций требует информации по нескольким десяткам реализаций при нескольких десятках последовательных измерений износа на каждой из них. Учитывая возможности современных методов измерения износа для типовых значений предельных износов, экстраполяция по времени возможна при коэффициентах ускорения по наработке, равных 2—2,5 (не более). В связи с этим такую экстраполяцию рекомендуется применять для ориентировочного сопоставления износостойкости объектов, характер изнашивания которых хорошо изучен в результате наблюдения за изнашиванием данных объектов или их аналогов в заданных условиях для всего срока службы.
Форсированные испытания. Часто используемым в практике испытаний на износостойкость является принцип сравнения, когда для испытываемых объектов устанавливается связь (коэффициент пересчета) между ресурсами в нормальном (эксплуатационном) и форсированном режимах. Затем определяется ресурс в форсированном режиме, который используют для контроля ресурса в нормальном режиме. Недостатки принципа— высокая трудоемкость, большие затраты времени и образцов для достоверного установления коэффициента пересчета, значение которого не может использоваться для изделий измененной конструкции.
Результаты испытаний до предельного износа при различных уровнях того или иного форсируемого параметра Р режима испытаний могут использоваться для оценки ресурса при эксплуатационном значении Р = Рн этого параметра путем применения принципа экстраполяции по форсируемому параметру, т. е. экстраполяции закономерностей X = X (Р) изменения ресурса х в функции Р (рис. 13). В этом случае проводят некоторое количество испытаний при формированных значениях параметра: Р = Ртп ... Р = Ртах и оценивают параметры функции х = т (Р), значение которой х = хц при Р = Рн соответствует эксплуатационному ресурсу.
К недостаткам использования этого принципа, кроме необходимости наличия большого количества образцов, испытанных до предельного состояния, относится невозможность одновременного форсирования по нескольким составляющим режима, а также оценки или контроля индивидуальной долговечности испытанного экземпляра объекта в эксплуатационном режиме (результат может быть отнесен только к совокупности однородных объектов).
Использовать этот принцип рекомендуется, когда нужна информация о долговечности как при тяжелых, так и при более легких режимах работы, а также когда уже имеется априорная информация о долговечности при тяжелых режимах.
Пример 7. Проводят испытания с целью контроля среднего ресурса при нагрузке Рн = 400 Н резино-металлического упорного подшипника, работающего в водной среде при температуре 45 °С. Связь ресурса х и нагрузки Р описывается зависимостью, где Рпр — нагрузка, приводящая к отказу сразу же после нагружения; Я — постоянный параметр в принятых условиях.
В результате испытаний пяти образцов со ступенчато-возрастающей нагрузкой при поддержании температуры воды 45 °С получены следующие значения Рпр (Н) 7000 , 9000 , 8000, 8500, 7500. Среднее значение Рпр = = 8000 Н. Значения т при испытаниях на форсированной нагрузке Рф =
Принцип двойной последовательной экстраполяции используют, если даже на форсированных режимах достижение предельного износа ведет к недопустимо большой продолжительности испытаний, а износ на нормальном режиме при максимально допустимой продолжительности практически не ощутим.
Осуществляют испытания при нескольких уровнях форсирующего воздействия (например, нескольких форсированных нагрузках) и регистрируют износы, соответствующие последовательному ряду наработок, по которым экстраполяцией по наработке оценивают значения ресурса, соответствующие каждому уровню форсирующего воздействия. На основе этого Экстраполяцией по уровню форсирующего воздействия оценивают ресурс в нормальном режиме.
Испытания по принципу запросов проводят при последовательном ступенчатом чередовании нормального (эксплуатационного) и форсированного (по одному или нескольким параметрам) режимов для каждого испытанного образца.
При этом на ступенях с нормальным режимом (на нормальных ступенях) устанавливают зависимость скорости изнашивания от уровня накопленного износа, а различные значения этого износа достигают на форсированных ступенях.
Износ испытываемого образца, соответствующий заданной наработке ^8» получают, решая относительно уравнение, где (П, Т)п — соответственно продолжительность начальной приработки и приработочный износ (износ, накопленный на начальном, приработочном этапе).
Нормальным может быть любой режим (постоянный, режим с циклическим или непрерывным случайным изменением уровня внешних нагружающих воздействий и др.), применительно к которому проводят контроль долговечности. Форсированный режим должен быть таким, чтобы после его применения скорость изнашивания была бы такой, как после достижения того же износа в нормальном режиме. Применение форсированного режима не должно приводить к изменению относительного распределения скорости изнашивания между отдельными деталями и узлами испытываемого объекта, в том числе между взаимно трущимися поверхностями сопряжения, между отдельными участками одной и той же поверхности трения и т. п.
Испытания начинают (после приработки) и заканчивают на ступенях с нормальным режимом, минимальная продолжительность которых определяется условием накопления минимального износа Дт] ГП1П * который может быть достаточно достоверно измерен. Эту продолжительность увеличивают или уменьшают от ступени к ступени в зависимости от изменения математического ожидания скорости изнашивания по мере накопления износа. Для исключения влияния повторной приработки измерение износа должно производиться, по возможности, без прекращения трения. Пересчет результатов возможен на основе не требующих разборки трущихся сопряжений измерений любых параметров, связанных линейной зависимостью с выходным параметром, по которому задается предельный износ (например, работоспособность зубчатого зацепления определяется уровнем линейного износа шестерен, а в процессе испытаний измеряют люфт в зацеплении).
Рациональным подбором контролируемого параметра можно повысить порог чувствительности метода и тем сократить продолжительность испытаний и (или) повысить их точность.
Число нормальных ступеней ограничивается условием, а также максимально допустимой продолжительностью испытаний (она, в основном, определяется суммарной продолжительностью нормальных ступеней).
Целесообразно на каждой форсированной ступени проводить испытания с износом
Если отсутствует возможность непрерывного в процессе испытаний контроля износа, то требуемую продолжительность Д/ф* (см. рис. 14) очередной форсированной ступени определяют в процессе испытаний в зависимости от результатов по предыдущим ступеням: где Дг\Н7- — износ, накопленный на данной нормальной ступени; Д/н^ — продолжительность ступени.
Затем выравнивают зависимость изменения скорости изнашивания в нормальном режиме от уровня накопленного износа методом наименьших квадратов, принимая в качестве аргумента средний износ и в качестве функции среднюю скорость изнашивания на соответствующей нормальной ступени. По результатам выравнивания определяют количественные параметры функции I — Ь, (г)). Если априорно вид этой функции неизвестен, то по результатам испытаний возможен подбор функции, наилучшим образом соответствующей опытным данным.
В общем случае контроль ресурса осуществляют на основе зависимости (7). Для ориентировочной оперативной оценки эквивалентных наработок нормального режима в процессе испытаний используют графическое выравнивание. Такая оценка может быть уточнена расчетным путем.
При выравнивании зависимости “П (0 степенной функцией находят эквивалентную наработку соответствующую окончанию 1-й ступени, экстраполяцией результатов на интервалах форсирования: для форсированной ступени при четном.
При отсутствии предварительной информации о виде функции эквивалентная наработка, нормального режима, соответствующая 1-й ступени форсированного режима: где Ат — износ, накопленный на данной форсированной ступени; 1г_1, ^+1 — скорость изнашивания соответственно на предшествующей и последующей нормальных ступенях.
По результатам пересчета эквивалентных наработок и известным продолжительностям испытаний на нормальных ступенях оценивают эквивалентную наработку нормального режима на любой момент испытаний и, в частности, на конец испытаний:
Методы форсирования режима. Режим при испытаниях на износостойкость в общем случае характеризует комплекс механических, температурных, химических и иных воздействий, обуславливающих изнашивание испытываемого объекта. Форсирование режима, в общем случае, понимается как увеличение действующей нагрузки, скорости, повышение уровня разрушающего воздействия рабочей среды (химической агрессивности, абразивности и т. д.). В зависимости от конкретных условий может выбираться один из методов форсирования или комбинация из нескольких методов.
Изнашивание связано со сложным взаимодействием разнородных процессов: пластической деформацией, упрочнением, возникновением и разрушением адгезионных связей, явлениями адсорбции из окружающей среды и смазочного масла, диффузии, образованием химических соединений, изменением первоначальных свойств поверхностных слоев материалов в результате этих процессов. Однако при работе конкретных трущихся сопряжений в определенных условиях обычно четко выражен основной (определяющий) вид изнашивания и, кроме того, наблюдаются сопутствующие виды, мало влияющие на протекание процесса. Обычно по определяющему виду изнашивания и осуществляется форсирование режима.
Наиболее существенного ускорения испытаний добиваются путем повышения интенсивности абразивного изнашивания, определяющего износостойкость большинства машин и механизмов.
Для идентификации условий работы сопряжения по абразивным частицам недостаточно указать только их концентрацию; необходима также информация о фракционном составе (размерах частиц и их распределении), химическом и физическом составе, форме частиц и др. Наиболее важно относительное содержание частиц С твердостью, превышающей твердость материалов деталей изнашиваемого сопряжения, поскольку только они практически вызывают абразивное действие. При этом режущее действие обусловливают частицы, твердость которых превышает твердость детали не менее чем в 1,5 раза. При прочих равных условиях интенсивность изнашивания повышается пропорционально концентрации частиц, приводящих к абразивному действию, а не общей концентрации твердого загрязнителя. Наилучшим способом воспроизведения натурных условий при форсировании является использование концентрированного загрязнителя, собранного в местах эксплуатации. Так, для испытаний судовых насосов используют продукты очистки сепараторами топлива и масла. Эти продукты содержат до 1 % 5Ю2, до 0,3 % А1203> до 6 % Ре203. Указанные составляющие имеют повышенную твердость и главным образом обусловливают абразивное изнашивание насоса.
Близка по составу к абразиву, содержащемуся в нефтепродуктах, кварцевая пыль с удельной поверхностью 10 600 см®/г, применяющаяся при ускоренных испытаниях автотракторных двигателей и гидроаппаратуры. В состав продуктов загрязнения топлив и масел входят органическая (10—30 %) и неорганическая (70—90 %) составляющие. Последняя состоит из продуктов коррозии металлов трубопроводов и емкостей (2п, Ре) и из загрязнений, проникающих извне во время транспортировки и хранения (5?).
Поскольку для большинства трущихся сопряжений интенсивность изнашивания гораздо выше в переходном режиме, чем в установившемся, то в качестве форсирующего фактора можно использовать повышение частоты пусков-остановок. Эта частота характеризует фактически скорость Накопления наработки или же является просто фактором, ускоряющим накопление износа (например, при испытаниях по ГОСТ 23.205—79).
Методы контроля износа. Основные, применяемые при ускоренных испытаниях методы приведены в табл. 4.
Метод вырезанных лунок предназначен для измерения местного (на определенном участке поверхности трения) линейного износа, определяемого по I уменьшению глубины лунки, предварительно нарезанной на заданном участке поверхности. Линейный износ связан с уменьшением глубины лунки. Метод обеспечивается специально выпускаемыми по ГОСТ 23.301—78 приборами, с помощью которых нарезают лунки и измеряют их длины. Минимальный порог чувствительности метода 0,015 мм.
Метод поверхностной активации по ГОСТ 23.209—79 пригоден при всех видах испытаний (включая эксплуатационные). Его применяют для измерения износа деталей из железа, меди или их сплавов и композиций. Метод обеспечивает непрерывное или периодическое измерение местного или интегрального износа по уменьшению интенсивности гамма-излучения, связанному с изменением при изнашивании толщины предварительно активированного в месте измерения поверхностного слоя детали или вставки.
Метод по ГОСТ 23.217—84 основан на измерении массового содержания элемента индикатора в пробе масла по спектру гамма-излучения после облучения ее потоком тепловых нейтронов. Порог чувствительности метода 10-12— 10_6 г с погрешностью не более 5 %. При этом обычно износ стальных и чугунных деталей оценивают по содержанию Ре, Мп; бронзовых и баббитовых — по Си, 5Ь; хромовых покрытий — по Сг.
Метод по ГОСТ 23.206—79 также основан на анализе и отборе проб масла, смазывающего поверхности трения. Оценка износа проводится по уменьшению интенсивности сцинтилляций (свечения) масла, находящегося под действием источника ионизирующего излучения, по мере увеличения количества продуктов изнашивания в анализируемых пробах масла равного объема. Чувствительность метода составляет 10“3 % при погрешности не более 5 %.
Для ускоренных испытаний, требующих повторных измерений износа при разных его уровнях, предпочтение следует отдавать методам, не требующим перерыва в работе испытываемого изделия и его разборки. Повторная сборка вследствие вторичной приработки может привести к износу, превышающему значение, которое наблюдалось бы на той или иной ступени испытаний без предшествующей остановки и разборки.
Естественно, для контроля износа при ресурсных испытаниях предпочтительнее использовать тот изменяющийся при накоплении износа параметр, для которого задано значение, определяющее предельное состояние (параметрический отказ). При этом, учитывая потребности контроля долговечности методами ускоренных испытаний, целесообразно соответствующие нормы по предельным значениям параметров задавать применительно к условиям, обеспечивающим максимальную чувствительность и точность измерений (например, применительно к температуре, которая обеспечивает наименьшее влияние ее колебаний на колебания производительности насоса и т. п.).
Радиометрические методы практически обеспечивают близкие значения предельной систематической погрешности измерений линейного износа, поскольку для тарировки при этом используются весовой метод или микро-метрирование.
Несколько более высокую чувствительность обеспечивает профилографирование и метод вырезанных лунок. Однако у всех методов разрешающая способность на практике лимитируется также уровнем помех, обусловленных тепловым расширением, остаточной загрязненностью, царапанием поверхности ощупывающей иглой профилографа, шумовым фоном при радиометрических измерениях и др.
Для исключения влияния систематических погрешностей все повторные измерения при разных уровнях износа для оценки интенсивности изнашивания рекомендуется проводить, используя одни и те же приборы. Случайная погрешность снижается при этом рациональным увеличением количества повторных замеров при одном и том же уровне износа.
При постановке задачи о сравнительной оценке или контроле износостойкости, ресурса, не требующих проведения тарировочных операций, увеличиваются возможности методов по чувствительности. Так метод по ГОСТ 23.217—84 позволяет улавливать очень малые значения массового износа по концентрации элемента-индикатора в смазочном масле. Пересчет результатов измерений к линейному износу, в принципе, может быть осуществлен с учетом геометрии соответствующей детали и содержания элемента-индикатора в поверхностном слое изнашивающейся детали. Однако наблюдаемое на практике переменное содержание элементов по глубине поверхностного слоя затрудняет такой пересчет.