СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИЗНОСА ВКЛАДЫША ПОДШИПНИКА СКОЛЬЖЕНИЯ Российский патент 2003 года по МПК G01N3/56 G01N29/14 

Изобретение относится к области диагностики узлов трения в процессе их эксплуатации и может быть использовано для определения величины износа вкладышей подшипников скольжения и непрерывного контроля за уровнем износа без остановки и разборки узла трения.

Существующие методы непрерывной диагностики работающих узлов трения часто связаны с контролем за появлением частиц износа в смазочной среде, с анализом их концентрации, формы и состава. Отбор частиц для исследования осуществляется методом феррографии и требует использования специальных достаточно сложных устройств (Трение и износ, 1988, т.9, 6, с.1109-1118).

Недостатки этого метода связаны с обязательным наличием смазочной среды, транспортирующей частицы износа, поэтому он не годится для диагностики узлов сухого трения и износа немагнитных материалов. Для метода феррографии характерно значительное время анализа, связанное с операциями отбора частиц на фильтрах и методами их исследования. Часто при наличии общей масляной магистрали приходится решать сложную задачу разделения частиц износа от различных трибообъектов.

Поскольку образование частиц износа связано с зарождением и ростом микротрещин в поверхностных слоях трущихся материалов, а следовательно - с сильным акустическим излучением, характерным для этих процессов, то перспективным методом диагностики работающих трибологических узлов является регистрация сигналов акустической эмиссии (АЭ), которая использована в ряде случаев для оценки степени изнашивания контактирующих поверхностей (А.с. СССР 1594379, МКИ G 01 N 3/56, заявленное 30.08.88 и опубликованное 23.09.90).

Общим недостатком таких работ является отсутствие разделения полученных сигналов АЭ по природе вызывающих их процессов, так как акустический сигнал может быть связан не только с процессами разрушения, но и с другими причинами (пластическая деформация поверхностных слоев материала, образование вторичных структур, фазовые превращения и т.п.). В известных способах этот принципиальный момент никак не оговорен и акустическими параметрами являются, как правило, общее количество акустических сигналов и величины их амплитуд без какого-либо отбора.

Наиболее близким по технической сущности является подход, реализованный в способе (Трение и износ, 1999, т. 20, 2, с.193-196), основанный на принципе пропорциональности массового износа трущихся поверхностей только той части АЭ, которая связана с работой сил трения по разрушению материала, т.е. с ростом микротрещин и отделением частиц износа. При обработке данных по формуле m=k_МЕE_АЭ коэффициент k_МЕ определяют в предварительных испытаниях на трение материалов при той же скорости скольжения, как и в подшипнике скольжения. При этом величина энергии акустической эмиссии Е_АЭ берется в виде суммы низкоэнергетической (непрерывной) части распределения сигналов АЭ по энергии за рассматриваемый промежуток времени с отсечением высокоэнергетических дискретных сигналов.

Недостатком этого метода является достаточно громоздкий алгоритм работы, заключающийся в регистрации АЭ сигналов, в расчете по этим данным энергии каждого сигнала, в построении распределения сигналов АЭ по энергии и в анализе этого распределения.

Задача, решаемая изобретением, - упрощение критерия отбора сигналов акустической эмиссии, связанных с разрушением и изнашиванием поверхностей трения, и следовательно - ускорение анализа величины износа и повышение его достоверности.

Поставленная задача решается тем, что износ вкладыша подшипника по формуле m=m₀+k_МЕЕ_АЭ, коэффициенты которой m₀ и k_ме определяются в предварительных испытаниях на трение материалов при скорости скольжения равной эксплуатационной, а вместо сложной обработки распределения сигналов АЭ по энергии, используемой в прототипе (Трение и износ, 1999, т. 20, 2, с.193-196), предполагается в качестве параметров для каждого сигнала АЭ регистрировать максимальное значение амплитуды А на выходе усилителя (в триботехнике общепринято амплитуду сигналов акустической эмиссии на выходе усилителя измерять в "мВ", см. например, книгу Свириденка А.И. и др. "Акустические и электрические методы в триботехнике", Минск: "Наука и техника", 1987, с.135-136) и его длительность, выраженную числом зарегистрированных осцилляции S, а отбор полезных сигналов осуществлять в соответствии с критерием S/A>0,2 мВ^-1. Как следует из эксперимента, это соотношение не зависит от уровня усиления, но каждый физический процесс может характеризоваться своим диапазоном соотношений S/A.

Рассматриваемый нами процесс изнашивания путем образования и роста микротрещин и отделения частиц износа может быть связан с двумя типами разрушения: отрывом и сдвигом в зависимости от ориентации силы трения по отношению к микротрещине. При нормальной ориентации микротрещины отрыва связаны с мощным излучением и характеризуются сигналами с большой амплитудой и малой длительностью, тогда как при касательном воздействии силы трения на трещину сдвиг материала сопровождается длительными сигналами меньшей амплитуды, которые могут не разделяться используемой аппаратурой и сливаться в достаточно длительные сигналы, включающие сотни осцилляций. Количественно разница в процессах отрыва и сдвига может быть оценена по величине соотношения S/A. В специальных экспериментах по трению, где величина износа рассчитывалась по формуле m= m₀+k_МЕE_АЭ устанавливались корреляционные связи между m и Е_АЭ при разных соотношениях S/A и оказалось, что степень корреляции максимальна и составляет 0,98 при соотношении S/А>0,2 мВ^-1. Параметр S/А>0,2 мВ^-1 был выбран на основе предварительного изучения кинетики изнашивания алюминия или меди при скольжении по стальному контртелу с характерной для подшипника скоростью. Оказалось, что для указанных материалов существуют временные области, в которых значительная АЭ почти не сопровождается отделением частиц. В этих областях 80% сигналов АЭ удовлетворяют соотношению S/А<0,1 мВ^-1. Во всех остальных временных интервалах наблюдается значительный износ и большинство значимых сигналов АЭ (80%) соответствуют соотношению S/A>0,2 мB^-1. Возможно, для других сочетаний материалов пар трения величина этого соотношения может варьироваться и должна быть подтверждена экспериментально.

Пример конкретной реализации способа
Для определения коэффициентов в формуле m=m₀+k_МЕE_АЭ проводились предварительные эксперименты при трении пальцев, сделанных из алюминиевых сплавов АМЦ, по диску из стали 45 при нормальном давлении 1МПа и постоянной скорости скольжения 0,5 м/с. Трение проводилось на торцевом трибометре конструкции ИПМАШ РАН. Дискретная акустическая эмиссия регистрировалась модернизированным прибором АФ-15 с ЭВМ на линии. При разных временах изнашивания регистрировались сигналы АЭ, затем определялся весовой износ на весах АДВ-200.

Энергия акустической эмиссии вычислялась с учетом критерия S/A>0,2 мВ^-1 по формуле Е_АЭ=kА²S, где k - размерный коэффициент. Далее методом наименьших квадратов определялась величина m₀ и коэффициент k_МЕ из формулы. В общем случае величина износа зависит от ряда неконтролируемых условий, которые возникают на контакте, но АЭ адекватно реагирует на изменения условий трения. Исходные данные показаны в табл. 1.

После вычислений формула приобретает вид m=5,6+0,0025Е_АЭ.

Теперь можно перейти к оценке износа без остановки трения по этой формуле при различных нагрузках, но при той же постоянной скорости, при которой была сделана калибровка. Экспериментальные данные приведены в табл. 2.

В табл. 2 приведено расхождение между истинным износом и износом, определенным по данным АЭ, которое не превышает 2-12%.

Использованная литература
1. Маркова Л.В., Мышкин Н.К. Диагностика трибосопряжений по частицам износа // Трение и износ, 1988, т.9, 6, с.1109-1118.

2. А. с. СССР 1594379, МКИ G 01 N 3/56, заявленное 30.08.88 и опубликованное 23.09.90.

3. Фадин Ю.А., Козырев Ю.П., Булатов В.П. Оценка потери массы при абразивном изнашивании по данным акустической эмиссии//Трение и износ. 1999. Т. 20. 2. С.193-196 - прототип.

Изобретение относится к области диагностики узлов трения, в частности подшипников скольжения, на износ в процессе их эксплуатации. Способ определения износа вкладыша подшипника скольжения заключается в том, что при постоянной скорости вращения вала в процессе трения регистрируют амплитуду А, измеренную в мВ, и длительность S дискретных сигналов акустической эмиссии, выраженную числом осцилляции, и по этим параметрам определяют износ вкладыша по формуле m=m₀+k_МЕЕ_АЭ, где m₀ и k_МЕ - параметры, определяемые в предварительных лабораторных испытаниях на трение со скоростью, соответствующей скорости скольжения контактирующих поверхностей в подшипнике, а Е_АЭ - энергия акустической эмиссии, связанной с процессом отделения частиц износа. При этом значение энергии акустической эмиссии Е_АЭ определяют как суммарную энергию только тех сигналов акустической эмиссии, которые удовлетворяют условию S/A>0,2 мB^-1, с обеспечением максимальной корреляции суммарной энергии акустической эмиссии с величиной износа. Данное изобретение направлено на упрощение критерия отбора сигналов акустической эмиссии, связанных с разрушением и изнашиванием поверхностей трения, а также ускорение анализа величины износа и повышение его достоверности. 2 табл.

Способ определения износа вкладыша подшипника скольжения, заключающийся в том, что при постоянной скорости вращения вала в процессе трения регистрируют амплитуду А и длительность S дискретных сигналов акустической эмиссии и по этим параметрам определяют износ вкладыша по формуле
m = m₀ + k_MEE_АЭ,
где m₀ и k_МЕ - параметры, определяемые в предварительных лабораторных испытаниях на трение со скоростью, соответствующей скорости скольжения контактирующих поверхностей в подшипнике;
Е_АЭ - энергия акустической эмиссии, связанной с процессом отделения частиц износа,
отличающийся тем, что значение энергии акустической эмиссии E_АЭ определяют как суммарную энергию только тех сигналов акустической эмиссии, которые удовлетворяют условию S/A>0,2, что обеспечивает максимальную корреляцию суммарной энергии акустической эмиссии с величиной износа.