Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы и современное состояние трибодиагностики технического состояния авиационных двигателей и агрегатов 18
1.1 Теоретические основы трибодиагностики технического состояния авиационных двигателей и агрегатов 18
1.1.1 . Уравнение связи концентрации частиц износа в масле и скорости изнашивания поверхностей трения без учета эффективности фильтрации 19
1.1.2. Классификация частиц износа, образующихся при изнашивании смазываемых узлов трения 36
1.1.2.1. Нормальное изнашивание - изнашивание отслаиванием 37
1.1.2.2. Образование частиц изнашивания при микрорезании 40
1.1.2.3. Частицы износа, образующиеся в результате усталостного выкрашивания при трении качения 43
1.1.2.4. Частицы износа, образующиеся при задире 48
1.1.2.5. Распределение размеров частиц износа - один из возможных критериев оценки технического состояния смазываемых узлов трения 51
1.2. Методы и средства лабораторной трибодиагностики смазываемых узлов трения 52
1.2.1. Спектральные методы исследования продуктов износа в смазочных маслах 53
1.2.1.1 Методы калибровки спектральных средств лабораторной трибодиагностики 58
1.2.2. Феррографический метод исследования продуктов износа в смазочных маслах 61
1.3. Встроенные системы предупреждения аварийного износа 73
1.3.1. Магнитные пробки и фильтры сигнализаторы - простейшие системы предупреждения аварийного износа 73
1.3.2. Электронные системы предупреждения аварийного износа смазываемых узлов трения 79
1.4 Методы исследования смазывающей способности авиационных масел 95
1.5 Цель и задачи исследования 99
Глава 2. Некоторые теоретические аспекты прооессов изнашивания и трибодиагностики смазываемых узлов трения авиаыионных двигателей и агрегатов 101
2.1. Уравнение динамики загрязнения маслосистемы ГТД продуктами износа,.101
2.2. Уравнение связи концентрации и скорости образования частиц износа для авиационных агрегатов с фитильной системой смазки 106
2.3. Гипотетическая модель образования сферических частиц износа в усталостных микротрещинах 114
2.4. Кавитационная модель развития усталостного изнашивания смазываемых поверхностей трения авиационных двигателей и агрегатов 120
Глава 3. Развитие средств и методов лабораторной трибодкагностики 144
3.1. Испытание первых опытных образцов модифицированного для целей трибодиагностики рентгено-флуоресцентного анализатора БАРС-ЗД 144
3.2. Испытания рентгено-флуоресцентного спектрометра «Спектроскан» 151
3.3. Методика приготовления градуировочных образцов для рентгено-флуоресцентного анализа 159
3.4. Развитие средств феррографического анализа масла. Методика оценки интенсивности износа 166
3.5. Обоснование необходимости комплексного подхода к трибодиагностике..,176
Глава 4. Разработка и испитания элекоронной системы предупреждения аварийного износа с магнитоуправляемым контактным датчиком СПАИ-2 180
4.1. Анализ особенностей работы датчика 182
4.2. Расчет датчика и оценка сил магнитного притяжения частиц 189
4.3. Лабораторные испытания первоначального вартанта СПАИ 198
4.4. Разработка конструкции системы предупреждения аварийного износа СПАИ по результатам предварительных испытаний 211
Глава 5. Опыт применения трибодиагностики для оценки технического состояния авиационных двигателей и агрегатов 229
5.1. Резутьтаты оценки технического состояния подшипника КВД двигателя ПС-90А методами трибодиагностики при его ресурсных испытаниях 229
5.2. Применение трибодиагностики при доводке механизма перестановки стабилизатора самолета ЯК-42 244
5.3. Применение методов трибодиагностики для оценки технического состояния авиационных турбохолодильников 253
5.4. Комплексная трибодиагностика авиационных двигателей 260
Глава 6. Применение методов трибодиагностики для оценки смазевающей способности авиационных месел 265
6.1. Мдтоды и сревства исслеиования смазывающей способности масел 265
6.2.Сущность комплексного метода оценки смазывающей способности авиационных масел, использующего припципы трибодиагностики 271
6.3.Мдтоды оценки противоизносных и противозадирных свойств масел на приборе ПТВР 273
6.3.1.Прибор трения валик-ролик ПТВР 278
6.3.2.Контактные напряжения в зоне трения прибора ПТВР 285
6.4. Сущность метода сравнительной оценки способности авиационных месел противостоять кавитационной эризии поверхностей трения в тонкой смазочной пленке 292
6.5. Метод оценки противоизносных и противозадирных свойств масел на редукторной установке Ш-3 296
6.6. Резутьтаты экспериментальных исследований 305
6.6.1 .Результаты исследования маеел на приборе трения валик-ролик ПВВР 306
6.6.2. Резутьтаты экспериментальных исследований способности масел противостоять кавитационной эризии поверхностей трения в тонких смазочных пленках 316
6.6.3. Результаты экспериментальных исследований смазывающих свойств масел на редукторной установке Ш-3 по концентрации продуктов износа в масле 321
6.6.4. Анализ результатов оценки смазывающей способности масел по комплексному методу 329
Основные выводы 332
Литература 335
- Уравнение связи концентрации частиц износа в масле и скорости изнашивания поверхностей трения без учета эффективности фильтрации
- Гипотетическая модель образования сферических частиц износа в усталостных микротрещинах
- Методика приготовления градуировочных образцов для рентгено-флуоресцентного анализа
- Разработка конструкции системы предупреждения аварийного износа СПАИ по результатам предварительных испытаний
Введение к работе
Актуальності», Безопасность полетов авиационной техники в значиоельной стенени определяется уровнем надежности, заложенной при ее проектировании и производстве, а также эффективностью средств и методов диагностики ее технического состояния, обеспеиивающих раннее обнаружение дефектов, возникающих в процессе эксплуатации.
Опыт эксплуатации газотурбинных двигателей (ГДД) в России показывает, что до 31%, а по данным фмрмы Роллс-Ройс до 55%, от общего числа отказов двигателей приходится на уллы триния и диагностируется методами трибодиагностики по параметрам продуктов износа в масле.*
Это обстоятельство обуславливает важную роль, которую должна играть трибодиагностика (контроль параметров продуктов износа в масле) в общей системе диагностики ГДД.
Трибодиагностику условно можно разделить на две составные части -бортовую и лабораторную. Бортовая трибодиагностика необходима для предупреждения о дефекте узлов трения во время работы двигателя за небольшой пеоиод времени до возникновения опасности их разрушения, тее. является средством контроля состояния.
Лабораторная трибодиагностика предназначена для долгосрочного прогнозирования дефекта и определения его местонихождения в системе смазки,
В качестве бортовых средств трибодиагностики в основном используются сигнализаторы стружки в масле, фильтры сигнализаторы и магнитные пробки, которые не обеспечивают достаточной достоверности информации о состоянии смазываемых узлов триния из-за накопительного припципа действия, выбранного при их разработке.
* далее пртсто трибодиагностика.
'С
в последнее время в качестве бортовых средств трибодиагностики находят все большее распространение автоматизированные системы предупреждения аварийного износа, основанные на различных физических принципах. Наибольший интерес представляют исследования и разработки фирм Vikers (Tedeco), GasTOPS, НПО «Сатурн», ГННГ им. И.МиГубкина.
До недавнего времени для лабороторной трибодиагностики в эксплуатации авиационной техники применялся только спектральный анилиз масла. В качестве критерия оценки технического состояния смазываемых узлов трения используется концентрация металлов в масле, для которой устанавливаются значения повышенной концентрации (П)), при достижении которой двигатель ставится на осыбый контроль, и предельно-допустимая концентрация (П)К), при которой двигатель снимается с эксплуатации.
Большой вклад в развитие спектрального анализа для трибодиагностики смазываемых узлов трения в России внесли работы, проведенные во ВНИИЖТ, 13-м институте ВСС, ЦИАМ им. П.И.Баранова, ГННГ им. Й.М.Губкина, ГОСНИИГА, НИИ ВСС, НПО «Сатурн», ОАО «Авиадвигатель», ОАО «Аэрофлот».
Однако, при применении для трибодиагностики только спектрального анализа, из-за ограниченности информации, имеют место случаи необоснованного съема двигателя иии, наоборот, пропуска неисправности.
Можно привести следующий пример, когда применение только спектрального анализа может привести к необоснованному съему двигателя. При попадании в маслосистему песка возрестает интенсивность гидроабразивного износа, что естественно приводит к быстрому росту концентраций металлов в масле, значения которых могут достигать предельно-допустимых. Если исслеиование пооб масла проводится на спектральных приборах, не определяющих содержание кремния (рентгеновские), то двигатель межет бтть сяят с эксплуатации, хття его уллы трения находятся в удовлетворительном
^e
техническом состоянии. В этом случае для дальнейшей эксплуатации двигателя достаточно осуществить промывку маслосистемы и смену масла.
Случай пропуска неисправности из-за недостатка информации при применении для трибодиагностики только спектрального анализа можно продемонстрировать на следующем примере.
Одним из самых распространенных и опасных видов износа узлов трения при качении является питтинг (усталостное выкрашивание) контактных поверхностей. Началом процесса питтинга является пластическая деформация поверхности и образование на поверхностях трения усталостных микротрещин. При этом, вплоть до появления первой каверны усталостного выкрашивания, единственным видом образующихся частиц износа, попадающим в масло, являются сферические частицы размером 2-5 мкм, весовой вклад которых в общую массу образующихся при нормальном износе частиц составляет несколько процентов, что соизмеримо с ошибкой измерения используемого при диагностике спектрального оборудования поэтому процесс образования на поверхностях трения усталостных микротрещин не может контролироваться спектральным анализом.
Дальнейшее неконтролируемое развитие усталостных микротрещин приводит к усталостному выкрашиванию поверхностей , которое может быстро привести к разрушению подшипников качения. Причем период времени между моментом образования первой язвины усталостного выкрашивания и разрушением подшипника может быть меньше периода между отборами проб масла для трибодиагностики, установленного регламентом, и, следовательно, такое разрушение в некоторых случаях не диагностируется спектральным анализом. Это, в частности, относится к межвальному подшипнику двигателя типа Д-ЗОКУ.
Из приведенных примеров следует, что частицы износа, находящиеся в смазочном масле, несут гораздо больше информации о процессах износа в узлах
трения, чем ее используется при применении для трибодиагностики только спектрального анализа масла.
К параметрам, несущим эту информацию, относятся распределение размеров частиц износа, форма, соотношение размеров и состав отдельных частиц, состояние их поверхностей, наличие в масле различных механических примесей неметаллического происхождения, образующихся в процессе работы узла трения или попадающих в маслосистему из вее.
Решение проблемы повышения надежности двигателей и агрегатов путем наиболее полной регистрации и анализа веех этих параметров, заложенное в комплексном подходе к трибодиагностике, позволит значительно повысить достоверность результатов оценки технического состояния смазываемых узлов триния ГТД и приоеретает особую важность и актуальность при переходе к эксплуатации авиационной техники по техническому состоянию.
Большое влияние на долговечность смазываемых узлов триния оказывает
качество смазочных материалов, применяемых в авиационных двигателях и
агрегатах, особенно его смазочные свойства. Автором решена проблема
v численной оценки смазывающей способности масел путем разработки методов с
применением опыта трибодиагностики.
Разркботка методов и средств комплексной трибодиагностики технического состояния смазываемых узлов триния и численной оценки смазывающей способности масел вемьма актуальна.
Актуальность тммы диссертации подтверждается тем, что она связана с выпоенением планов работ по:
1. Программе развития Гражданской авиации до 2000 г., утвержденной Правительством РФ 1.1.06.92 г. >ЇГ4-Ш4-4-756.
2. Цеоевой комплексной программе по разработке и внедрению отраслевой
системы диагностического обслуживания газотранспортного оборудования
v компрессорных станций РАО "ГАМПРОМ" до 2000 г.
Научной новизной обладают следующие результаты, полуденные в диссертации:
1. Математическая модель, устанавливающая соотношение между
интенсивностью изнашивания смазываемых узлов трения двигателя и
концентрацией частиц износа в масле, учитывающая эффективность
фильтрации, параметры маслосистемы и ее тип.
Получено выражение для равновесной концентрации частиц износа в масле. Указанная модель является основополагающей при разработке методов трибодиагностики для различных систем смазки.
2. Модель процесса образования сферических частиц износа в усталостных
микротрещинах. Появление сферических частиц размером 2-Ю мкм в масле -
первый признак образования усталостных микротрещин на поверхностях трения
при качении. Экспериментально установлено, что сферические частицы
образуются не только при развитии усталостных микротрещин в подшипниках
качения, но и в зубчатых зацеплениях в области делительной окружности
шестерен. Диаметр этих частиц в зубчатых зацеплениях составляет 5-15 мкм, в
4 то время, как в подшипниках качения диаметр сферических частиц,
появляющихся в масле при образовании на телах качения усталостных микротрещин, не превышает 5 мкм.
3. Модель, объясняющая влияние кавитации в зоне контакта трущихся пар
на усталостное выкрашивание поверхностей, а также влияние кавитационных
явлений в усталостных микротрещинах на расклинивающее действие смазочных
масел.
4. Принцип действия системы предупреждения аварийного износа
смазываемых узлов ірения ГТД с самосбрасывающим датчиком, исключающая
«ложные срабатывания», на котором была разработана система СПАИ-2 (Патент
№ 2131552 от 10.06.99).
Ч^
Способ подачи масла на предметное стекло в аналитической феррографии (А.А. № 1691714 от 15.07.91), исключающий потерю информации из-за неполного поступления частиц износа на феррограмму или их разрушения в процессе подачи масла, позволивший разработать аналитические феррографы ОМ-1 и ФАН-1.
Метод сканирования феррограмм, позволяющий оценивать изменение интенсивности изнашивания узлов трения, на базе которого разработано устройство анализа феррограмм ДКС-1.
7. Методы оценки противоизносных, противозадирных и
противопиттинговых свойств масел с применением принципов
трибодиагностики, позволяющих проводить инструментальную, количественную
оценку смазывающей способности масел (А.С. № 422112 от 08.05.88, А.С. №
635068 от 15.11.90), для реализации которых разработано, изготовлено и
испытано соответствующее оборудование.
По результатам исследований реализованы:
бортовая система предупреждения аварийного износа узлов трения ГТД; прошла испытания в АО «Авиадвигатель» и ЛИИ им. М.М.Громова;
аналитический феррограф ОМ-1; внедрен в АО «Аэрофлот»,
АО «Авиадвигатель», НИИ ВВС, НПО им. В.Я.Климова, МВЗ им.М.Л.Миля, ИТЦ «Оргтехдиагностика» РАО «ГАЗПРОМ»;
- аналитический феррограф ФАН-1; внедрен в а/к «Внуковские
авиалинии»;
- автоматическое устройство считывания феррограмм ДКС-1; внедрено в
АО «Авиадвигатель», АО «Аэрофлот», а/к «Внуковские авиалинии», ИТЦ
«Оргтехдиагностика» РАО ГАЗПРОМ;
- атласы частиц износа для двигателей АЛ-31, ПС-90А, Д-30-КУ, КП;
- методика расшифровки феррограмм с помощью автоматического
считывающего устройства;
методика МЦ-22-87 сравнительной оценки способности авиационных масел противостоять кавитационной эризии поверхностей триния в тонкой смазочной пленке;
методика оцкнки противоизносных свойств масел на установке Ш-3 с применением комслекса приборов "Феррограф";
методика оценки противоизносных свойств авиационных масел на приборе триния валик-ролик (ГГГВР).
По результатам работы опубликовано 24 печатных ратот, получено 3 авторских свидетельства, оиин патент. Аотор награжден сереоряной медалью ВДНХ СССР (1990 г.).
Работа содержит 6 глвв.
В первой глвве представлен обзор литературы и анализ современного состояния трибодиагностики смазываемых узлов триния авиационных двигателей и агрегатов, сформулированы цлль и задачи исследования.
Во второй глвве приведена математическая модель, описывающая связь мджду интенсивностью изнашивания поверхностей триния и концентрацией частиц износа в масле.
Рассмотрены оснывные критерии оценки технического состояния смазываемых узлов триния ГДД.
Рассматривается предложенная автором гипотеза образования сферических частиц износа, являющихся критерием появления и развития усталостных микротрещин на контактных поверхностях при тринии качяния.
Устанывленные во второй главе дополнительные критерии определяют состав комплексной системы трибодиагностики.
Третья глава посвящена комплексной лабороторной системе раннего обнаружения дефектов узлов триния двигателя.
V.
Определен и обоснован состав комплексной лабораторной, системы трибодиагностики. Разработаны аналитические феррографы ОМ-1 и ФАН-1, автоматическое устройство считывания феррограмм, разработано методическое обеспечение для указанных приборов, представлены результаты испытаний феррографического и спектрального оборудования комплексной лабораторной системы трибодиагностики.
Четвертая глава посвящена вопросам разработки бортовых систем предупреждения аварийного износа смазываемых узлов трения ГТД. Показано, что разработанная в настоящей работе система СПАИ-2 не уступает или превосходит все существующие аналоги по чувствительности и достоверности получаемой информации.
В пятой главе представлены некоторые результаты применения комплексной лабораторной системы трибодиагностики при эксплуатации и испытаниях авиационной техники.
Представлены результаты применения комплексной системы трибодиагностики при испытаниях подшипника КВД двигателя ПС-90А, механизма перестановки стабилизатора самолета ЯК-42, оценки технического состояния авиационных турбохолодильников. Также представлен опыт трибодиагностики двигателей ПС-90А и Д-ЗОКУДП в эксплуатации,
Шестая глава посвящена прикладному применению комплексной лабораторной системы трибодиагностики для исследования эксплуатационных свойств авиационных масел. Приведены разработанные автором методы оценки противоизносных, противопиттинговых и противозадирных свойств масел.
Уравнение связи концентрации частиц износа в масле и скорости изнашивания поверхностей трения без учета эффективности фильтрации
Случай пропуска неисправности из-за недостатка информации при применении для трибодиагностики только спектрального анализа можно продемонстрировать на следующем примере.
Одним из самых распространенных и опасных видов износа узлов трения при качении является питтинг (усталостное выкрашивание) контактных поверхностей. Началом процесса питтинга является пластическая деформация поверхности и образование на поверхностях трения усталостных микротрещин. При этом, вплоть до появления первой каверны усталостного выкрашивания, единственным видом образующихся частиц износа, попадающим в масло, являются сферические частицы размером 2-5 мкм, весовой вклад которых в общую массу образующихся при нормальном износе частиц составляет несколько процентов, что соизмеримо с ошибкой измерения используемого при диагностике спектрального оборудования поэтому процесс образования на поверхностях трения усталостных микротрещин не может контролироваться спектральным анализом.
Дальнейшее неконтролируемое развитие усталостных микротрещин приводит к усталостному выкрашиванию поверхностей , которое может быстро привести к разрушению подшипников качения. Причем период времени между моментом образования первой язвины усталостного выкрашивания и разрушением подшипника может быть меньше периода между отборами проб масла для трибодиагностики, установленного регламентом, и, следовательно, такое разрушение в некоторых случаях не диагностируется спектральным анализом. Это, в частности, относится к межвальному подшипнику двигателя типа Д-ЗОКУ.
Из приведенных примеров следует, что частицы износа, находящиеся в смазочном масле, несут гораздо больше информации о процессах износа в узлах трения, чем ее используется при применении для трибодиагностики только спектрального анализа масла.
К параметрам, несущим эту информацию, относятся распределение размеров частиц износа, форма, соотношение размеров и состав отдельных частиц, состояние их поверхностей, наличие в масле различных механических примесей неметаллического происхождения, образующихся в процессе работы узла трения или попадающих в маслосистему из вее.
Решение проблемы повышения надежности двигателей и агрегатов путем наиболее полной регистрации и анализа веех этих параметров, заложенное в комплексном подходе к трибодиагностике, позволит значительно повысить достоверность результатов оценки технического состояния смазываемых узлов триния ГТД и приоеретает особую важность и актуальность при переходе к эксплуатации авиационной техники по техническому состоянию.
Большое влияние на долговечность смазываемых узлов триния оказывает качество смазочных материалов, применяемых в авиационных двигателях и агрегатах, особенно его смазочные свойства. Автором решена проблема v численной оценки смазывающей способности масел путем разработки методов с применением опыта трибодиагностики. Разркботка методов и средств комплексной трибодиагностики технического состояния смазываемых узлов триния и численной оценки смазывающей способности масел вемьма актуальна. Актуальность тммы диссертации подтверждается тем, что она связана с выпоенением планов работ по: 1. Программе развития Гражданской авиации до 2000 г., утвержденной Правительством РФ 1.1.06.92 г. ЇГ4-Ш4-4-756. 2. Цеоевой комплексной программе по разработке и внедрению отраслевой системы диагностического обслуживания газотранспортного оборудования v компрессорных станций РАО "ГАМПРОМ" до 2000 г. Научной новизной обладают следующие результаты, полуденные в диссертации: 1. Математическая модель, устанавливающая соотношение между интенсивностью изнашивания смазываемых узлов трения двигателя и концентрацией частиц износа в масле, учитывающая эффективность фильтрации, параметры маслосистемы и ее тип. Получено выражение для равновесной концентрации частиц износа в масле. Указанная модель является основополагающей при разработке методов трибодиагностики для различных систем смазки. 2. Модель процесса образования сферических частиц износа в усталостных микротрещинах. Появление сферических частиц размером 2-Ю мкм в масле первый признак образования усталостных микротрещин на поверхностях трения при качении. Экспериментально установлено, что сферические частицы образуются не только при развитии усталостных микротрещин в подшипниках качения, но и в зубчатых зацеплениях в области делительной окружности шестерен. Диаметр этих частиц в зубчатых зацеплениях составляет 5-15 мкм, в 4 то время, как в подшипниках качения диаметр сферических частиц, появляющихся в масле при образовании на телах качения усталостных микротрещин, не превышает 5 мкм. 3. Модель, объясняющая влияние кавитации в зоне контакта трущихся пар на усталостное выкрашивание поверхностей, а также влияние кавитационных явлений в усталостных микротрещинах на расклинивающее действие смазочных масел. 4. Принцип действия системы предупреждения аварийного износа смазываемых узлов ірения ГТД с самосбрасывающим датчиком, исключающая «ложные срабатывания», на котором была разработана система СПАИ-2 (Патент № 2131552 от 10.06.99). 5. Способ подачи масла на предметное стекло в аналитической феррографии (А.А. № 1691714 от 15.07.91), исключающий потерю информации из-за неполного поступления частиц износа на феррограмму или их разрушения в процессе подачи масла, позволивший разработать аналитические феррографы ОМ-1 и ФАН-1. 6. Метод сканирования феррограмм, позволяющий оценивать изменение интенсивности изнашивания узлов трения, на базе которого разработано устройство анализа феррограмм ДКС-1. 7. Методы оценки противоизносных, противозадирных и противопиттинговых свойств масел с применением принципов трибодиагностики, позволяющих проводить инструментальную, количественную оценку смазывающей способности масел (А.С. № 422112 от 08.05.88, А.С. № 635068 от 15.11.90), для реализации которых разработано, изготовлено и испытано соответствующее оборудование. По результатам исследований реализованы: - бортовая система предупреждения аварийного износа узлов трения ГТД; прошла испытания в АО «Авиадвигатель» и ЛИИ им. М.М.Громова; - аналитический феррограф ОМ-1; внедрен в АО «Аэрофлот», АО «Авиадвигатель», НИИ ВВС, НПО им. В.Я.Климова, МВЗ им.М.Л.Миля, ИТЦ «Оргтехдиагностика» РАО «ГАЗПРОМ»; - аналитический феррограф ФАН-1; внедрен в а/к «Внуковские авиалинии».
Гипотетическая модель образования сферических частиц износа в усталостных микротрещинах
Это вырижение определяет величину равновесной концентрации частиц изнашивания в двигателе, которая достигается окончательно при одних и тех же условиях работы двигателя. Равновесная концентрация зависит от теех факторов.
Из величин, определяющих равновесную концентрацию, известной является токько одна, а именно, расход масла через двигатель. Величина равновесной концентрации частиц изнашивания для работающего при постоянной скорости и нагкузке двигателя является функцией как скорости образования частиц, так и полной эффективности фильтра.
Тиким образом, теоретически установлено, что для любого двигателя или агрегата при одинаковых режимах работы и при нормальном режиме изнашивания существует вполне определенная равновесная концентрация, которая остается постоянной все время его работы. Ее же повышение указывает на ненормальный режим изнашивания и, в эоом случае, техническое состояние двигателя или агрегата может бтть признано неудовлетворительным. Увеличения же концентрации частиц изнашивания для нормально изнашиваемого улла не проитходит.
В узлах триния машин, в том числе авиационных двигателей, можно разделить следующие вдды изнашивания рабочих поверхностей контактирующих деталей[9,18,19,21,28,31,42,52,114]: изнашивание отслаиванием - обычное (нормельное) изнашивание поверхностей при скольжении, износ микрорезанием - изнашивание, обусловленное взаимным проникновением микронеровностей скользящих поверхностей дууг в друга или изнашивание под дейетвием абразивных частиц, усталостное выкрашивание при качинии, задир, при эоом каждому вдду износа соответствуют частицы определенной фмрмы и размера.
При нормальных условиях работы улла трения большинство частиц изнашивания имеет фмрму пластин различной толщины и размера. Известно [30,74,205], что при трении скольжения максимум напряжений, приводящий к образованию и развитию трещин, лежит не на поверхности, а на некотором расстоянии от нее, определяемом условиями триния и свойствами материала. Теория изнашивания отслаиванием указывает на ряд явлйний, приводящих к образованию частиц изнашивания [66,190,191,192]: - при контактировании двух скользящих поверхностей неровности более мягкой поверхности деформируются, частично разрушаются и удаляются при повторном действии нагрузки, в результате поверхность становится более гладкой и вместо контакта "неровность-неровность" переходит в контакт "неровность-плоскость"; - тангенциальные сиыы, обусловленные движением твердой поверхности, вызювают в более мягкой поверхности пластическую деформацию среза, которая накапливается при повторном нагружении; - поверхностная деформация вызывает образование трещин, однако не на самой поверхности, а на некотором расстоянии от нее; образование трищин на поверхности менее вероятно из-за состояния сильного трехосного сжятия; - если трещины уже существуют (например, в результате механической обработки поверхности), то повторное воздействие приводит к их расширению, в результате чгго отдельные трещины могут соединяться; трещины распространяются преимущественно параллельно поверхности на глубине, определяемой свойствами материала и силой трения; - когда трещины приводят к отделению металла, то в наиболее слобом сечении образуются длинные и тонкие пластинки; глубина, на которой происходит преимущественное распространение трещин, увеличивается с увеличением сил триния и, таким образом, увеличение интенсивности изнашивания связано с увеличением толщины отслаивающихся частиц. Увеличение количества и размера плоских частиц изнашивания свидетельствует о повышении интенсивности изнашивания. Теория изнашивания "отслаиванием" объясняет, почему в прре трения изнашивается не только мягкий металл, но и твердый. Это явление рассматривается в категориях микропластичности и процесса накопления напряжений. Хотя в такой прре предельное контактное напряжение межет бтть меньше предела текучести более твердого материала, однако в местах фактического контакта напряжения могут бтть очень высокими вследствие локализованного генерирования напряжений. Критическая велнчина напряжений приводит к образованию трещин, но из-за небольших сдвиговых деформаций более твердого материала величина напряжения для образования частицы изнашивания должна бтть достаточно велика. Отсюда - меньшее изнашивание твердого материала по сравнению с более мямким. Такой же механизм образования частиц изнашивания имеет место в условиях гидродиоамической смазки. Однако, при этом уровень напряжений на поверхностях и в подповерхностном слое трущихся тел будет значительно V меньше, чем в условиях граничной смазки и сугого трения, чем и объясняется значительно меньшее изнашивание в услявиях гидродинамического трения. Интенсивность изнашивания отслаиванием в значительной степени зависит от свойств смазгчного материала. На рсс. 1.8 принедены микрофотографии частиц нормального изнашивания отслаиванием, полученные на электронном сканирующем микроскопе [144]. Частицы выделены из масла с помощью аналитической феррографии, о которой будет сканано в главе 3. На рсс. 1.9 представлены микрофотографии частиц износа, образующихся в узлах триния при приработке в начальный период работы улла трения. Частицы также выделены из млсла с помощью аналитической феррографии. Свева микрофотография получена на оптическом микроскопе, спвава на электронном сканирующем [200]..
Методика приготовления градуировочных образцов для рентгено-флуоресцентного анализа
Присутствие сферических металлических частиц в системах качения и скольжения первоначально относилось токько за счет посторонних материалов, таких, как осколки от сварочных стержней или стружки при высокоскоростной обработке поверхности. Однако в работах [60,189,197,198,199,200,207,208] показано, что сферические частицы могут образовываться в результате различных трибологических процессов: 1. Взаимодействия смкзки и поверхностных трещин, которые непрерывно , открываются и закрываются [199]. 2. Плавления в результате мгновенного повышения температуры при скольжении [208]. Чаще всего встречаются в период приработки при попидании 3. Скатывания плоских частиц износа [83]. 4. Субповерхностного развития усталостных трещин [201]. Усталостная трещина на шарике или на дорожке триния шарикового подшипника может образосываться или под поверхностью и распространяться наружу, или на поверхности и распространяться вглубь. Это определяется прежде всего условиями трения, в частности свойствами смкзки [39]. При отсутствии в смкзке поверхностно-активных веществ зарождение трещин происходит на поверхности, так как современные стлли содержат много включений, препятствующих подповерхностному течению. Трещина распространяется в глубь материала под небольшим углом к поверхности, а заеем параллельно последней. При тяжелых режимах нагрижения давиение в зоне контакта подшипника межет достигать очень больших значений. Образующиеся на поверхности трещины попеременно по мрре прохождения шарика подвергаются действию очень высоких и очень низких давлений. Попадающая в трещины смкзка также подвергается действию очень высоких давлений и попеременно то попадает в трещин, то выбрасывается из нее. Многократное повторение этгго процесса полирует сткнки трещины образуя слой Бейльби который разрушается с образеванием тонких чешуек. Чешуйки сформировавшиеся в трещине или занесенные в нее смазкой, образуют сферы. Детальный механизм этгго явления до конца еще не изучен.
Анализируя черыре предполагаемых механизма образования сферических частиц, автор [189] считает маловероятным, что оиин и тот же эффект вызывается таким большим количеством причин, не исключая, однако, возможности, что каждая из теирий может бтть справедлива в той или иоой ситуации. Он предлагает пятую гипотезу, а именно: для получения сферических частиц необходимо, чтобы часть частиц износа блла сформирована в результате адгезионного процесса изнашивания. Полученные таким образом частицы заеем начинают обкатываться до сфер с гладкой поверхностью в результате взаимного перемещения контакщирующих поверхностей.
Образование сферических частиц происходит следующим образом. Предполагается, что частица, образованная в результате адгезигнного износа, каким-то образом попедает в трещину на поверхности. Затем при некоторых обстоятельствах, возможно при фретинге, она буеет совершать слооное движение - скольжение по стеакам тренины и перекатывание по поверхности контртела. Такого рдда движение приводит к износу выпуклых участков, в результате получается шарооаразная частица с хорошо отполированной поверхюостью. Для оценки возможного разрера сферических частиц в работе [60] предполагается, что изнашивание острых углов происходит пуеем полирования. В работе [60] указывается, что на практике сферические частицы очннь редко встречаются в системах скольжения с однонаправленным движением, так как в этих условиях всегда етть возможность тооо, что попавшая в раковину частица рнно или поздно будет из нее выбита. Достаточное количество сферических частиц образуется лшшь при фретинге и в подшипниках качения при раскрытии и закрытии усталостных трещин. На рсс. 1.12 представлены микрофотографии сферических частиц износа, обнаруженных авторами [144,200] при исследовании процесса образования усталостных микротрещин в подшипниках качения. Микрофотографии получены на электронном сканирующем микроскопе, частицы выделены из масла при феррографическом анализе. Хлопьевидные и пластинчатые чацтицы усталостного выкрашивания После достаточно интенсивного процесса образования и развития усталостных микротрещин наступает период усталостного выкрашивания, при котором происходит отделение частиц износа с поверхностей трения. Мнмент отделения такой частицы показан на рсс. 2.9 [90]. На поверхности частицы видны трещины, проходящие через всю часуицу, и очевидно при отделении частица разделится на ряд более мелких фрагментов. Такие частицы появляются при разрушении материала деталей качения с образеванием на их поверхностях раковин. Размер хлопьевидных частиц межет достигать 100 ммм. Но когда растреикивание материала становится макроскмпическим, то частицы этгго тппа мугут достигать и больших размеров. О начале развития усталгстного изнашивания можно судить по увеличению количества частиц размером более 10 ммм. Внешний вид таких частиц - плоские пластины в вдде хлопьев при отношении максимального размера к толщине порядка 10:1. Поверхность частиц гладкая, фмрма случайная - неправильная, поверхность имеет также участки микровыкрашивания. Пластынчатые частицы - это очень тонкие частицы размером 20-50 мкм при отношении наибольшего размера к толщине 30:1. Образуются таиие частицы из плоских частиц при прохождении их через контакт тел качения и дорожек колец, но возможно тажже в результате прилипания плоских частиц к теаам качения при усталостном выкраиивании и адгезионном изнашивании. На рсс. 1.13 представлены характерные хлопьевидные (слева) и пластинчатые (справа) частицы, образующиеся при усталостном выкрашивании в подшипниках качения. Частицы усталостного выкрашивания, образующиеся в условиях качения со скольжением, при работе зубчатых зацеплений имеют много общего с частицами, образующимися в подшипниках качения.
Разработка конструкции системы предупреждения аварийного износа СПАИ по результатам предварительных испытаний
Рентгено-флуоресцентный метод анализа состава твердых и жидких веществ основан на возбуждении и измерении интенсивности К-, L- и других линий характеристического спектра рентгеговского излучения, испускаемого ионизированным атомом облучаемого материала. При ионизации К-оболочки, т.е. при удалении К-электрона, на освободившееся место переходят электроны с внешних оболочек атама. Переходы на К-оболочку сопровождаются испусканием К-серии рентгеновского спектра, переходы на L-оболочку - испусканием L-серии излучения и т.д. [2,53,58,79,91]. Энергия рентгеновских линий равна разности энергий свезей электронов уровней, мджду которыми происходит переход. Каждому разрешенному переходу соответствует определенная линия рентгеновского спектра. Каждый элемент периодической системы химических элементов имеет индивидуальный сптктр рентгеновского излучения. Цо эиим спектрам мнжно идентифицировать элементы, входящие в соатав любого вещества. Интенсивность типов рентгеновских спектров характеризует концентрацию элементов в анализируемом веществе. Таким образом рентгено-флуоресцентный анилиз позволяет получать информацию о количественном составе вещества. Рентгено-флуоресцентный спектральный анилиз не позволяет определять состав продуктов износа непосредственно в масле при концентрациях, наблюдаемых в большинстве реальных узлов трения. С.И.Калашниковым блла разранотана методика выдиления частиц износа из пооб масла путем их фильтрования через лавсыновые фильтры с получением "образца излучателя 1, тее. фильтра с осажденными на нем частицами износа. Элементный состав частиц износа, находящихся в пробе масла, определяется путем рентгено-флуоресцентного спектрального анализа остатка на фильтре. Концентрация элементов в масле определяется по известным значениям объема пробы масла, пропущенной через фильтр, и весовым количествам металлов на фильтре [91,96]. Калибровка анализаторов осуществляется с помощью эталонных "фильтров излучателей", полученных путем фильтрования пооб масел с извемтными концентрациями металлов, внесенных в масло в вдде солей и окислов. При таком подеоде, рентгено-флуоресцентный анилиз позволяет определять концентрации металлов в часаицах разоером от 1 до 40 ммм. При этом из величины концентрации исключается длля раствыренных металлов, содержащихся в масле и не дающих информации об износе узлов трения. Первым типом рентгено-флуоресцентного анализатора, который был использован в нашей стране для трибодиагностики смазываемых узлов трения ГТД, был дешевый, портативный, безкристальный рентгено-флуоресцентный анализатор БАРС-3, который успешно эксплуатируется и в настоящее врямя. [93,98,103]. В последнее время появились рентгено-флуоресцентные спектрометры, имиющие лучшие технические характеристики, чем анализатор БАРС-ЗД. Это анализатор «Спектроскан»[53]. Но рентгено-флуоресцентный спектральный анилиз при концентрациях металлов в масле , наблюдаемых в подавляющем большинстве узлов трения, не позволяет проводить измерение их значений непосредственно в пробе масла без предварительной пробоподготовки. Несмотря на лучшие аналитические возможности новых приборов принципиальная освова применения рентгено-флуоресцентного анализа в трибодиагностике для них осталась прейней, разработанной еще для анализатора БАРС-3, - осаждение частиц износа на лавсыновых фильтрах. Используемые при этом методы трибодиагностики и градуировки приборов имеют ряд существенных недостатков. Во-пхрвых: при работе масел в высоконагруженных узлах триния в условиях - высоких температур происходит образование полимеров триния и продуктов окисления масла, затрудняющих его прокачку через лавсановые фильтры, а порой делиющих ее невозможной. При этом резко возрастает время проведения анализа масла, что межет затруднять эксплуатацию смазываемых узлов триния и увеличивает эксплуатационные расходы. Во-вторых: если в пробе масла присутствуют частицы износа разоером больше 25-30 ммм, то результаты анализа могут сущентвенно зависеть от размера и ориентации частиц на фильтре. В-трхтьих: градуировочные образцы для калибровки приборов изготавливаются из суспензий частиц окислов и соеей металлов в масле, которые не моделируют параметры реальных частиц износа. При получении образцов масла с различными концентрациями металлов для калибровки. приборов используется метод разбавления первоночальной пробы с максимальной концентрацией чистым маслом, что приводит к большим погрешностям, тем болмшим, чем больше стенень разбавления, так как мы имеем длло с суспеизиями, а не с растворами. Это обстоятельство, в соою очередь, приводит к погрешностям при измерении концентраций в реальных пробах масла, осоненно при низких концентрациях. И эти погрешности не могут бтть устранены использованием для анализа приборов с лучшими аналитическими характеристиками.
То етть при существующих методах пробоподготовки и калибровки улучшение аналитических характеристик приборов не приводит к повышению качества трибодиагностики.
Указанные недостатки делают применение метода рентгено-флуоресцентного анализа в трибодиагностике малоперспективным по сравнению с другими методами спектрального анализа, на чоо, в частности, указывает то обстоятельство, что он не нашел применения за рубежом для трибодиагностики любых узлов трения, несмотря на его значительную дешевизну по сравнению с другими методами трибодиагностики.
По причине значиоельной длли пропуска неисправностей и большой длительности анализа от рентгено-флуоресцентного анализа отказались такие крупные отечественные авиакомпании, как АО «Аэрофлот», АК «Внуковские авиалинии» и др., отдав предпочтение атомно-эмиссионному спектральному и феррографическому анализу.
