2. Пояснения к работе

Для проведения испытаний на фреттинг-износ была спроектирована и изготовлена установка УИФ-2, конструкция которой приведена на рис. 3. Колебательное (возвратно-вращательное) движение контр образца 1, производящего фреттинг-износ образца 2, осуществляется от электродвигателя 3 через ременную передачу 4. Изменением положения ремня между парами шкивов, изменяют частоту фреттинга. Далее, движение преобразуется в возвратно-вращательное кривошипно-шатунным механизмом 5, 6 и передается через рычаг 7 и муфту 8 на контр образец. Муфта 8 обеспечивает самоустановку рабочей поверхности контр образца 1 относительно образца 2, закрепляемого на столе 9. Регулирование амплитуды относительного проскальзывания _ выполняется изменением эксцентриситета кривошипа 5.

Измерение числа циклов фреттинга производится с помощью модернизированного тахометра ТЭМП-4 посредством датчика, состоящего из диска 10 и фотоэлемента 11. Нормальная нагрузка в контакте образцов 1 и 2 создается грузами 12 через систему рычагов 13, 14, 15. Для регулирования горизонтального положения рычага 15 используется гайка 16. Ролик 17, устанавливаемый на рычаг 7 катается по направляющей, что позволяет избежать перекосов. Для проведения испытаний при повышенных температурах, в столе 9 имеется нагревательный элемент. Требуемая температура нагрева образца регистрируется и поддерживается самопишущим потенциометром ЭПВ2-10А посредством хромель-алюмелевой термопары. Установка обеспечивает проведение испытаний при амплитудах фреттинга _ = 2 - 150 мкм, нормальных нагрузках P = 100 - 30000 Н, частотах 24, 12 и 6 Гц, температурах до 500º C.

Рис. 3. Кинематическая схема установки для испытаний на фреттинг-коррозию. 1 – контр-образец; 2 – испытываемый образец; 3 – электродвигатель; 4 – ременная передача; 5 – кривошип; 6 – шатун; 7 –рычаг; 8 –муфта самоустановки контр-образца; 9 – стол; 10 – диск счетчика числа циклов; 11 – фотоэлемент; 12 – грузы; 13, 14, 15 – рычаги; 16 - гайка; 17 – ролик.

На рис. 4. приведена схема измерения силы трения. Измерение производится с помощью тензорезисторов, включенных по полумостовой схеме. Тензорезисторы наклеиваются с противоположных сторон рычага 7, который при работе установки передает движение на контр-образец. Сигнал от тензорезисторов усиливается посредством тензоусилителя и направляется на шлейфовый (светолучевой) осциллограф.

Рис. 4. Схема измерения силы трения.

Характер разрушения от фреттинга, в зависимости от сопрягаемых материалов, покрытий, технологий отделки и упрочнения, существенно различается. В связи с этим отличаются и способы оценки фреттингостойкости. Критериями фреттингостойкости могут служить:

1. количества изношенных материалов сопрягаемых элементов;

2. размеры образующихся задиров и каверн;

3. площадь поврежденной поверхности;

4. число циклов фреттинга до возникновения недопустимого повреждения, например, число циклов фреттинга до разрушения защитного покрытия;

5. критическое нормальное давление, выше которого, при заданной базе испытания, возникает недопустимая повреждаемость поверхности;

6. сопротивление усталостному разрушению поврежденных фреттинг-коррозией образцов.

Выбор того или иного критерия фреттингостойкости обусловлен условиями работы сопряжения, применительно к которому проводятся испытания, требований к состоянию рабочих поверхностей сопрягаемых деталей, уровню усталостной прочности, статической прочности соединений с натягом и др.

а) Применительно к деталям пар трения, важнейшим фактором нормальной эксплуатации является отсутствие задиров, схватывания, частиц износа, которые могут возникнуть в результате фреттинг-коррозии и привести к заклиниванию, перекосам, повышенному износу, снижению антифрикционных свойств. Наиболее пригодны в этом случае критерии 2, 5, 1, 3 (номера расположены по степени значимости).

б) Для деталей, к которым предъявляются повышенные требования по усталостной прочности, важнейшим последствием фреттинг-коррозии является ее снижение. В этом случае целесообразно использовать критерии 6, 2, 4, 5.

в) Если повреждаемость базового материала не допускается вовсе, используют защитные, например, неметаллические (твердосмазочные) покрытия, эффективность которых целесообразно оценивать критерием 4. Для номинально неподвижных сопряжений (с натягом), в случаях, когда фреттинг-коррозия приводит к нарушению (ослаблению) посадки, оценка фреттингостойкости производится по критериям 1 и 3.

г) Для объективной оценки фреттинг-повреждаемости иногда целесообразно использовать несколько критериев или комплексные критерии на их основе. В настоящей работе использовались следующие методики определения критериев фреттингостойкости:

1. Критерий количества изношенного материала. В качестве него целесообразно применять:

1.1. объемы изношенных материалов элементов сопряжения на заданной базе испытания для образца V_o и контр образца V_ко;

1.2. удельные объемы изношенных материалов сопряжения, приходящиеся на один цикл фреттинга:

(2.1)

где N - число циклов. Величины V_o и V_ко могут определяться взвешиванием образца и контр-образца на аналитических весах или профилограммированием повреждений в нескольких сечениях. В последнем случае V_o и V_ко рассчитываются по формулам:

; (2.2)

, (2.3)

где h_i - глубина каверны или выступа в i-ом сечении профилограммы (рис.5). Значения h_i выступов берутся со знаком минус; j - число сечений профилограммы .

Рис. 5. Параметры измеряемые на профилограмме при оценке фреттингостойкости.

Точность расчета зависит от количества сечений сделанных с шагом t ; A_п -площадь поверхности занятая повреждением. Если повреждением занята вся номинальная площадь контакта A_a, то A_п = A_a. Часто наблюдается лишь частичное разрушение номинальной поверхности контакта, в виде отдельных зон. В этом случае A_п может быть определена фотометрированием или подсчитывается на бинокулярном микроскопе с помощью сетки на стекле, устанавливаемом в окуляр. Такая сетка, например, имеется в комплекте микроскопа МБС-9. Фотометрирование производится по фотографиям поврежденных зон, либо посредством эпидиаскопа. В последнем случае образец устанавливается на предметный столик эпидиаскопа и изображение фокусируется на экране, к которому крепится миллиметровая бумага. Карандашом обводятся повреждённые зоны и затем, подсчитывается их площадь. Для более точного определения A_п может использоваться способ взвешивания, когда из фотографии или рисунка с эпидиаскопа вырезают изображение повреждённых зон и проводят их взвешивание. Дополнительно определяется вес бумаги, соответствующий номинальной площади контакта в выбранном масштабе. Затем рассчитывается площадь повреждения:

(2.4)

где Gп - вес бумаги, соответствующей зонам повреждения; Ga -вес бумаги, соответствующей номинальной площади контакта

(2.5)

Здесь d_н и d_в - наружный и внутренний диаметры кольца контакта.

1.3. Средние значения линейных износов образца и контр образца h_ср.о и h_срко целесообразно использовать в тех случаях, когда фреттинг-износ приводит к ослаблению посадки или ресурс сопряжения зависит от величины износа материала в результате фреттинг-коррозии. При этом, удобно применять следующую методику их определения:

- снимаются профилограммы в 8 радиальных сечениях зоны повреждения с периодическим поворотом образца на 45 (рис. 6.);

• профили профилограмм переносятся карандашом на кальку;

• проводятся средние линии профиля исходной поверхности; вырезаются участки бумаги, соответствующие образовавшимся выступам и кавернам;

- производится раздельное взвешивание участков бумаги, соответствующих выступам и впадинам;

• рассчитывается среднее значение величины линейного износа h_ср

(2.6)

где ΔG_x - разность весов вырезанных участков впадин и выступов; _s - вес единицы площади бумаги; ℓ - протяженность участка повреждения измеряемая на профилограмме; ВУ - вертикальное увеличение профилограммы; ГУ - горизонтальное увеличение профилограммы.

Рис. 6. Схема снятия профилограмм с поврежденного участка поверхности образца.

Линейный износ контробразца можно измерить на вертикальном оптиметре и других приборах (с точностью не более 1 мкм) в 8 радиальных сечениях с последующим осреднением результатов.

2. Критерий размеров, образовавшихся в результате фретинга выступов и каверн. Их можно определить профилографированием зон повреждения.

2.1. Если фреттинговые повреждения приводят к заклиниванию подвижных сопряжений, нормируют высоту образовавшихся наростов h_в, определяя её относительно средней линии исходного профиля неповреждённой поверхности (рис. 5.).

2.2. Если оценивается влияние фреттинг-коррозии на усталостную прочность, необходимо принимать во внимание, что каверны являются концентраторами напряжений, хотя и не определяют однозначно уровня усталостной прочности. В данном случае, в качестве критерия, целесообразно использовать глубину каверн относительно средней линии исходного профиля и радиус r_к каверн. Профилограммы снимаются с наиболее повреждённых зон и измеряются параметры h_{в max} и h_{к max}, т.е. максимальные значения h_в и h_к. Дополнительно рассчитывается радиус каверны.

3. Площадь повреждённой поверхности.

Определение площади поврежденной фреттингом поверхности рассмотрено выше. Следует учитывать, что на поврежденной поверхности можно выделить участки с различным характером разрушения (в результате схватывания, абразивного износа, окисления и т.д.). Площади этих участков могут использоваться для оценки характера и интенсивности повреждений в совокупности с другими параметрами.

4. Число циклов фреттинга до разрушения покрытия (N_кр).

Этот параметр пригоден для определения эффективности защитных покрытий, в первую очередь твердосмазочных. Наработка до разрушения покрытия определяется косвенно, с определенной степенью точности, по появлению продуктов фреттинг-коррозии защищаемого материала, увеличению коэффициента трения, изменению электрического сопротивления контакта. Погрешность в определении N_кр, в этих случаях, может составлять 10 и более %.

5. Критерий критического номинального давления p_ак, при котором на заданной базе испытаний не возникают недопустимые повреждения поверхности (задиры, наволакивания, абразивный износ). Критерий p_ак является удобным при оценке фреттингостойкости подвижных сопряжений. В частности, его целесообразно использовать для прецизионных пар трения, при выборе оптимальных условий упрочнения и отделки поверхностей, оценки несущей способности металлопокрытий. Его значения могут быть использованы для конструкторских расчетов при проектировании узлов. Для определения p_ак применялась методика ступенчатых испытаний. При заданной базе испытаний и амплитуде относительного проскальзывания образцов проводят испытание с определенной контактной нагрузкой p_a. После этого испытания анализируется повреждение и делается вывод о том, достигнуто или нет допустимое разрушение поверхностей (высота образовавшихся задиров, появление следов схватывания и др.). Если допустимое разрушение не достигнуто, проводят следующее испытание при большем контактном давлении, выбираемом интуитивно, на основе практического опыта в зависимости от состояния поверхностей контакта после предыдущего испытания. Если при новом испытании недопустимое разрушение произошло, - снижают величину контактного давления для следующего испытания. Таким образом, после нескольких испытаний (обычно 5-7) находят значение критического контактного давления p_ак. Аналогичным способом может быть определена предельная наработка Nк до возникновения недопустимого разрушения поверхностей контакта. На основе определения предельных наработок при различных контактных давлениях, могут быть построены графические зависимости p_ак = f(Nк) в логарифмических или полулогарифмических координатах. В некоторых случаях на таких зависимостях наблюдается своеобразный предел фреттингостойкости – значение p_а ниже которого недопустимого разрушения, например, схватывания контактирующих поверхностей, не происходит.

6. Критерии усталостной прочности поврежденных фреттинг-коррозией образцов. Они могут использоваться для прогнозирования прочностных свойств деталей, подвергаемых вибронагружению. В этом случае, при заданных условиях испытаний, посредством установки для фреттинг-износа, на усталостных образцах формируется повреждение, а затем эти образцы испытывают на усталость с определением соответствующих характеристик усталостной прочности и оценкой влияния на них повреждений от фреттинг-коррозии.