Методы трибологических испытаний

Для ускоренной экспериментальной оценки работоспособности и фрикционно-износных характеристик по результатам, полученным на малогабаритных образцах и в натурных трибосопряжениях, ком­плексно применяют ряд методов, существенно отличающихся друг от друга и не позволяющих порознь получить полное представление о работоспособности пары трения.

Наиболее эффективным является комплексное применение мо­дельных и натурных испытаний, объединенных в общую, иерархиче­скую структуру, получившую название рационального цикла испытаний (табл. 11.4). Следует иметь в виду, что типовые узлы трения представ­ляют собой также сложную иерархическую систему. При испытании та­кой системы и выборе показателей ее эффективности необходимо ха­рактеризовать не какую-либо часть системы или отдельные элементы, а именно систему как единое целое и обеспечить возможность получе­ния количественной оценки с требуемой достоверностью.

Последняя обеспечивается использованием материалов одной партии на всех этапах рационального цикла испытаний (РЦИ), назна­чением объема контролируемой выборки, погрешности измерения в соответствии с рекомендациями математической статистики для того или иного вида распределения (как правило, нормального).

Элементы пары трения контактируют друг с другом, рабочей и окружающими средами, причем некоторые из этих сред могут быть химически активными или проявлять свойства катализаторов хими­ческих процессов.

Пригодность материалов для работы в условиях взаимного кон­такта без задиров, схватывания и т.п. называют совместимостью. При хорошей совместимости изменение свойств материалов вследствие контакта со средами за период расчетного ресурса должно происхо­дить в заданных пределах. Совместимость оценивается на основании комплекса физико-механических испытаний, в число которых входит и РЦИ. В некоторых отраслях триботехники принята оценка в баллах, в других - в виде классов износостойкости.

Таблица 11.4 Рациональный цикл испытаний пар трения для трибосопряжений

_________ Продолжение табл. 11.4

Испытания на фрикционную теплостойкость. Обязательным этапом РЦИ является выявление границ совместимости пары трения, оценка ее фрикционно-износных характеристик применительно к режи­мам эксплуатации исследуемого узла трения в лабораторных условиях и определение на основании этих испытаний критических точек. Обычно в качестве определяющего параметра назначается либо нагрузка, либо температура трения в сочетании с нагрузкой. Так, метод эксперимен­тальной оценки коэффициента трения и интенсивности изнашивания материалов при их фрикционном разогреве получил название фрикци­онной теплостойкости. Сущность этого стандартизированного метода

заключается в том, что вращающийся и неподвижный кольцевые образ­цы (наружный диаметр образца 28 мм, внутренний 20 мм, высота 15 мм) исследуемого сочетания материалом устанавливают соосно, прижима­ют друг к другу торцовыми рабочими поверхностями с заданным осевым усилием, ступенчато изменяют температуру фрикционного разогрева путем дискретного изменения частоты вращения подвижного образца и определяют значения интенсивности изнашивания и коэффициента трения для каждой ступени температуры фрикционного разогрева, а о фрикционной теплостойкости материалов судят по зависимости значе­ний этих величин от температуры.

Модельные испытания на малогабаритных образцах. Этим испы­таниям предшествует определение масштабного фактора или расчет масштабных коэффициентов перехода (МКП) от модели к натуре для ка­ждого параметра триботехнической системы. При этом значения сомно­жителей в формуле МКП зависят от дополнительных условий (например, тождественности значений температуры у модели и натуры). Такие усло­вия позволяют применять сжатый, растянутый или нормальный масшта­бы времени и выполнять моделирование при ускоренных испытаниях. После расчета МКП обязательно выполняется анализ возможности их реализации при испытаниях на лабораторных установках по параметрам режима испытаний: скорости, нагрузке и температуре. В ходе анализа ис­пользуется симплекс геометрических размеров

А „ • А „ о ., • о „

0 _ ам1 ам2 . н1 н2

А ,-А ₀ 5 ,-5 ₀

ан1 ан2 м1 м2

где А_ам1 и А_ам2 - номинальные площади контакта элементов пары тре­ния модели; А_ан1 и А_ан2 -номинальные площади контакта элементов пары трения в натуральную величину; 5,- - характерные размеры эле­ментов в виде отношения свободной поверхности к объему.

Для нестационарных процессов учитывается только часть эле­мента пары трения, ограниченная эффективной глубиной проникно­вения тепла Ь_эф. Из формулы видно, что значения С₃ можно варьиро­вать, изменяя размеры модельных образцов.

В качестве примера рассмотрим один из стандартных методов модельных испытаний - теплоимпульсный метод экспериментальной оценки триботехнических характеристик материалов фрикционных уст-

ройств (фрикционных муфт и тормозов) одностороннего трения. Этот метод моделирует условия нагружения данных устройств в режиме им­пульсного теплофрикционного воздействия. Сущность метода заключа­ется в том, что на валу испытательного прибора устанавливают кольце­вой образец и маховые массы с определенным по расчету моментом инерции, вал приводят во вращение с определенной частотой, отклю­чают привод вала, прижимают с заданным усилием к торцевой поверх­ности вращающегося образца неподвижно установленный кольцевой образец, осуществляя торможение. В процессе торможения непрерывно регистрируют момент сил трения, продолжительность торможения, тем­пературу в зоне фрикционного контакта, количество оборотов вала, а после торможения - износ образцов, по значениям которых судят о три-ботехнических характеристиках испытуемых материалов. Параметры режима испытаний задают исходя из условий эксплуатации фрикцион­ного устройства, для которого предназначены испытуемые материалы.

Стендовые и натурные испытания. Для определения влияния конструктивного оформления пары трения в заданном диапазоне ре­жимов силового, теплового и скоростного нагружения на работоспо­собность трибосопряжения применяют стендовые и натурные испыта­ния. Простейшим способом проведения натурных испытаний является использование машины с установленным в ней трибосопряжением. Однако в этом случае через некоторое время после начала испытаний можно фиксировать лишь немногие показатели работы конструкции - в основном износ. Машина во время этих испытаний работает в лабора­тории при усредненных значениях режимов, иногда существенно отли­чающихся от их экстремальных значений в эксплуатации. Поэтому та­кие натурные испытания непосредственно на машине малоэффектив­ны и должны применяться сравнительно редко. Обычно имеет место натурное моделирование, выполняемое на специальных стендах, по­зволяющих воспроизводить и регистрировать режимы нагружения при большей вариации значений контрольных параметров, непрерывно замерять и регистрировать значения момента сил трения, коэффици­ента трения, температуры, расхода смазочного материала, а периоди­чески - изменение качества и размеров контактирующих поверхностей и износа. Стендовые испытания часто управляются ЭВМ по специаль­ным программам. При стендовых испытаниях выявляется, каким обра-

зом конструктивное оформление трибосопряжения оказывает влияние на фрикционно-износные характеристики пары трения и соответствие этих характеристик техническим условиям на пару трения.

Эксплуатационные испытания. Как известно, эксплуатационны­ми испытаниями (ЭИ) называют испытания объектов, проводимые при эксплуатации. По назначению, условиям эксплуатации и конструктив­ному оформлению объекты испытаний весьма разнообразны. Их при­меняют в шахтах, под водой, на большой высоте при вакууме, в агрес­сивных средах, при высоких и низких температурах, различных значе­ниях влажности и запыленности. На объекты оказывают влияние маг­нитные поля, вибрации, случайные перегрузки, перегрузки вследствие деформации сопряженных элементов и др. Особенностью ЭИ является стохастический характер большинства действующих параметров на-гружения. Как правило, при испытаниях, предшествующих ЭИ (в тер­минологии теории надежности это автономные лабораторные, иссле­довательские, доводочные, натурные испытания), в полной мере не удается учесть этот характер, особенно если рассматривать совокуп­ность параметров. Вместе с тем, учитывая значительное количество узлов трения в большинстве машин, малые габариты и стесненную компоновку этих узлов, не представляется, как правило, возможным выполнять при ЭИ замеры силы трения и температуры каждого из уз­лов, а замеры износа, как правило, требуют периодической разборки трибосопряжения. Управление испытанием во многих отраслях техники автоматизировано и включает в себя операции, связанные с обработ­кой информации, получаемой при испытании, расчетом показателей качества и их оптимизацией. Этот процесс является, по существу, про­цессом управления автоматизированным экспериментом, поэтому при проведении ЭИ используют ЭВМ с комплектом прикладных программ. Статистическая обработка экспериментальной информации позволяет оценить износные характеристики, а также вычислить математическое ожидание и дисперсию полученных величин, составить уравнение рег­рессии для ввода информации в базу данных.

После завершения рационального цикла испытаний анализиру­ют результаты всех этапов. После введения коэффициентов запаса полученная информация применяется для прогнозирования надежно­сти отдельных узлов и машины в целом.

Рассмотренный РЦИ наиболее эффективен при разработке прин­ципиально новых конструкций машин и модернизации крупных машин. В первом случае на стадии проектирования машины удается разработать трибосоп ряжения, обеспечивающие заданный ресурс. Во втором случае возможны существенная экономия материалов за счет того, что мо­дельные образцы малогабаритны и сокращение времени, необходимого для подготовки эксперимента, связанного с монтажом и демонтажем уз­ла трения. В результате экономический эффект при сопоставлении ва­риантов, когда в качестве основных испытаний назначаются лаборатор­ные или эксплуатационные, слагается из экономии материалов, сокра­щения затрат на монтаж и демонтаж трибосопряжения, уменьшения численности обслуживающего персонала и, самое главное, простоев машины в период эксплуатации в связи с ремонтами.