СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КИНЕТИКИ ИЗНОСА ПОВЕРХНОСТЕЙ ДЕТАЛЕЙ МАШИН
METHOD FOR DETERMINING WEAR KINETICS OF SURFACES OF MACHINE PARTS

Изобретение относится к машиностроению, в частности к способам изучения процесса износа поверхностей деталей машин.
Известен следующий аналог - способ, основанный на регулярном взвешивании деталей для определения момента начала установившегося износа и определении времени от начала работы трущейся пары до момента начала установившегося износа (Ю.Г. Шнейдер. Эксплуатационные свойства деталей с регулярным микрорельефом. - Ленинград, Машиностроение, 1982 г. - стр.136 [1]).
К недостаткам данного способа можно отнести недостаточную точность измерений и принципиальную невозможность его использования в случаях неразборных конструкций.
Наиболее близким по технической сущности к способу определения кинетики износа поверхностей деталей машин, является способ определения момента окончания приработки, суть которого заключается в том, что контактирующие поверхности электрически связаны с сигнальным устройством (лампа) и регистрирующим прибором (электрочасы). Образцы эксплуатируются в условиях обильной подачи нетокопроводящей смазывающей жидкости в зону контакта. Считается, что в начальный момент контакты поверхностей замкнуты, загорается лампа, включаются электрочасы. В момент окончания этапа приработки опорные контактирующие поверхности настолько возрастают, что исходное давление оказывается недостаточным, чтобы прорвать образовавшуюся масляную пленку, контакт между поверхностями нарушается и выключается регистрирующая аппаратура (лампа и электрочасы) [Авторское свидетельство СССР №110825].
Недостатком наиболее близкого аналога, является вынужденное наличие нетокопроводящего смазочного слоя между контактирующими деталями, что значительно ограничивает область его практического применения, так как существует большое количество контактирующих деталей машин циклической автоматики, работающих в режиме сухого трения (например, детали автоматики стрелково-пушечного вооружения). Кроме того, наличие нетокопроводящей смазывающей жидкости, оказывающей существенное влияние на текущие параметры электрической цепи (габаритные параметры пленки соизмеримы с габаритами микронеровности), значительно снижает точность и достоверность полученных результатов. А также данный способ не позволяет регистрировать изменение параметров микрорельефа поверхности во времени, что необходимо для анализа особенностей эксплуатации контактирующих деталей на этапе приработки с целью выбора предпочтительного профиля микрогеометрии.
Технической задачей настоящего изобретения является определение кинетики износа поверхностей деталей машин, с выявлением этапов эксплуатации в реальных условиях работы контактирующих поверхностей.
Сущность способа определения кинетики износа поверхностей деталей машин заключается в подаче тока на контактирующие детали, нагруженные в соответствии с реальными условиями эксплуатации, и регистрации тока в цепи, при этом сначала регистрируют изменение силы тока в цепи во времени, затем рассчитывают текущее значение общего сопротивления электрической цепи, используя зависимость для текущего изменения опорной контактной площади микронеровности, являющейся функцией изменения величины контактного сближения поверхностей, и определяют текущее значение силы тока по высоте микрорельефа, затем задаются рядом значений моментов времени и определяют изменение величины контактного сближения поверхностей от времени (эксплуатационного износа) и изменение опорной контактной площади микронеровности от времени.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен график зависимости изменения электрического тока в цепи от времени, на фиг.2 - график зависимости изменения опорной площади поверхности по высоте микрорельефа, на фиг.3 - график зависимости изменения сопротивления по высоте микрорельефа, на фиг.4 - график зависимости изменения силы тока по высоте микрорельефа, на фиг.5 - график зависимости изменения контактного сближения поверхностей по времени, на фиг.6 - график зависимости опорной контактной площади поверхности по времени.
Способ определения кинетики износа контактирующих поверхностей заключается в следующем: через контактную пару подают электрический ток, после чего контактирующие поверхности нагружают в соответствии с режимом работы в реальных условиях, регистрируют изменение силы тока и строят экспериментальную зависимость силы тока от времени:
<mrow><mi>I</mi><mo>=</mo><mi>I</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mtext>                                                  (1)</mtext></mrow>
Затем используя расчетную зависимость изменения опорной контактной площади микронеровности S=S(z(t)), структура которой определяется геометрией профиля микрорельефа (в зависимости от вида обработки):
- для протяженного сегмента
<mrow><mi>S</mi><mo>=</mo><mi>n</mi><mo>⋅</mo><mi>l</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>z</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>⋅</mo><mi>H</mi><mtext>                                        (2)</mtext></mrow>
где Н - длина сегмента;
l(z) - опорная длина профиля, регламентированная ГОСТ 2789-73;
n - количество участков базовой длины на поверхности;
- для сегмента, «полученного» вращением образующей вокруг вертикальной оси:
<mrow><mi>S</mi><mo>=</mo><mi>n</mi><mo>⋅</mo><mi>π</mi><mo>⋅</mo><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><mi>l</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>z</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mn>2</mn></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup><mtext>                                   (3)</mtext></mrow>
где l(z) - опорная длина профиля, регламентированная ГОСТ 2789-73;
n - количество участков базовой длинны на поверхности, и выражение для текущего значения электрического тока в цепи:
<mrow><mi>I</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>z</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mfrac><mi>U</mi><mrow><msub><mi>R</mi><mi>Σ</mi></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>z</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo stretchy="false">)</mo></mrow></mfrac><mtext>                                 (4)</mtext></mrow>
где z(t) - текущая величина контактного сближения поверхностей, рассчитывают текущее значение общего сопротивления электрической цепи:
<mrow><msub><mi>R</mi><mi>Σ</mi></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>z</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><msub><mi>R</mi><mn>1</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>R</mi><mn>2</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>R</mi><mn>3</mn></msub><mo>+</mo><mfrac><mi>ρ</mi><mi>n</mi></mfrac><mstyle displaystyle="true"><mrow><munderover><mo>∫</mo><mn>0</mn><mrow><mi>z</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow></munderover><mrow><mfrac><mrow><mi>d</mi><mi>ξ</mi></mrow><mrow><mi>S</mi><mi>ξ</mi></mrow></mfrac></mrow></mrow></mstyle><mo>,</mo><mtext>                              (5)</mtext></mrow>
1
2
где R, R - интегральные сопротивления контактирующих деталей;
3
R - коммутационное сопротивление электрической цепи;
ρ - удельное сопротивление материала микронеровностей;
n - количество микронеровностей на контактирующих поверхностях;
ξ∈[0;z(t)],
и текущее значения электрического тока в цепи:
<mrow><mi>I</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>z</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mfrac><mi>U</mi><mrow><msub><mi>R</mi><mi>Σ</mi></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>z</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo stretchy="false">)</mo></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mi>U</mi><mrow><msub><mi>R</mi><mn>1</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>R</mi><mn>2</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>R</mi><mn>3</mn></msub><mo>+</mo><mfrac><mi>ρ</mi><mi>n</mi></mfrac><mstyle displaystyle="true"><mrow><munderover><mo>∫</mo><mn>0</mn><mrow><mi>z</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow></munderover><mrow><mfrac><mrow><mi>d</mi><mi>ξ</mi></mrow><mrow><mi>S</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>ξ</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow></mfrac></mrow></mrow></mstyle></mrow></mfrac><mo>,</mo><mtext>                   (6)</mtext></mrow>
где U - напряжение в электрической цепи,
*
*
приравнивая правые части выражений (1) и (6) и последовательно задаваясь рядом значений моментов времени t, определяем соответствующие им значения контактного сближения поверхностей z(t) как первые положительные корни уравнений вида:
<mrow><mi>I</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>z</mi><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>t</mi><mo>*</mo></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mfrac><mi>U</mi><mrow><msub><mi>R</mi><mn>1</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>R</mi><mn>2</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>R</mi><mn>3</mn></msub><mo>+</mo><mfrac><mi>ρ</mi><mi>n</mi></mfrac><mstyle displaystyle="true"><mrow><munderover><mo>∫</mo><mn>0</mn><mrow><mi>z</mi><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>t</mi><mo>*</mo></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow></munderover><mrow><mfrac><mrow><mi>d</mi><mi>ξ</mi></mrow><mrow><mi>S</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>ξ</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow></mfrac></mrow></mrow></mstyle></mrow></mfrac><mo>.</mo><mtext>                                    (7)</mtext></mrow>
В результате получаем искомые зависимости z=z(t) и S=S(t), описывающие кинетику приработки контактирующих деталей.
-8
-8
Примером реализации данного способа может послужить определение кинетики приработки алюминиевой пластины с габаритными размерами 10×50×50 мм, контактирующей в течение трех часов с вольфрамовой пластиной с теми же габаритами. Удельное сопротивление алюминия 2,7·10 Ом·м, вольфрама - 5,5·10 Ом·м. Микрорельеф поверхности алюминиевой пластины регулярный, выпуклый, микронеровности сферические. Через контактную пару подают электрический ток и нагружают ее в соответствии с режимом эксплуатации в реальных условиях, регистрируют изменение силы тока и получают зависимость электрического тока в цепи от времени I(t) (фиг.1). Используя расчетную зависимость изменения опорной площади поверхности по высоте микрорельефа (фиг.2)
<mrow><mi>S</mi><mo>=</mo><mi>n</mi><mo>⋅</mo><mi>π</mi><mfrac><mrow><msup><mi>l</mi><mn>2</mn></msup></mrow><mn>4</mn></mfrac><mo>=</mo><mi>n</mi><mo>⋅</mo><mi>π</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msup><mi>R</mi><mn>2</mn></msup><mo>−</mo><msup><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>z</mi><mo>+</mo><mi>a</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mn>2</mn></msup></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
где R - радиус сегмента;
а
- смещение центра сегмента относительно поверхности;
z - высота сегмента;
n - количество сегментов на поверхности,
зависимость для сопротивления
<mrow><mi>R</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>ρ</mi><mi>z</mi></mrow><mi>S</mi></mfrac></mrow>
где ρ - удельное сопротивление материала;
z - высота сегмента;
S - опорная площадь сегмента,
и зависимость для силы тока
<mrow><mi>I</mi><mo>=</mo><mfrac><mi>U</mi><mi>R</mi></mfrac></mrow>
где U - напряжение;
R - сопротивление
получаем зависимость изменения сопротивления по высоте микрорельефа (фиг.3), и зависимость изменения силы тока по высоте микрорельефа (фиг.4). Применяя зависимость изменения электрического тока в цепи от времени, получим зависимость изменения контактного сближения поверхностей по времени (фиг.5) и зависимость опорной контактной площади поверхности по времени (фиг.6).
Таким образом, предложенный способ позволяет расширить возможности исследования микрогеометрии поверхностей, прогнозировать кинетику изменения микрорельефа в реальных условиях эксплуатации, а также сделать выводы о предпочтительности применения того или иного микрорельефа в реальных условиях эксплуатации.