Методы диагностики изнашивания

В настоящее время для диагностики изнашивания используют различные физические и физико-химические методы. Классификация этих методов может быть выполнена в соответствии с областью применения, типом исследуемой характеристики и способами ее оценки (рис 1).

Нейтронно-активационный метод нашел применение при проведении стендовых и натурных испытаний. В основе метода лежит радиоактивная активация элементов трибосистемы. По изменению их радиоактивности можно осуществлять непрерывный контроль изнашивания с точностью до микрометра. Другое направление развития этого метода связано с анализом концентрации радионуклидов в смазочной среде.

Несмотря на положительные результаты, полученные при оценке технического состояния газоперекачивающих агрегатов на компрессорных станциях магистральных газопроводов, этот метод не получил распространения из-за большой трудоемкости и высокой стоимости аналитического оборудования.

Электро-физические методы привлекают в последнее время внимание возможностью использования их для непрерывного контроля характера трения, изнашивания. Они позволяют определить повреждаемость и степень износа поверхностей, а также моменты перехода к катастрофическому разрушению без разборки трибосистемы. Ряд этих методов основан на анализе собственных возмущений электрической природы при фрикционном контакте, другие же связаны с применением сигналов от внешних источников тока или напряжения и последующей оценкой переходного сопротивления контакта, его частных характеристик. Эти методы позволяют оценить фактическую площадь касания, толщину смазочного слоя или вероятность его нарушения на контакте и, следовательно, вероятность задира. Изменение работы выхода электрона трущейся поверхности дает возможность изучать структурные превращения в поверхностном слое материале при трении.

Большое распространение в диагностике смазываемых трибосопряжений получили электрофизические методы, которые могут быть использованы для определения парамагнитных и ферромагнитных компонентов продуктов изнашивания, находящихся в масле. Эти методы основаны на взаимодействии магнитного поля с пробой масла, и их весьма условно можно разделить на ряд групп.

Феррография используется для исследования дисперсного состава ферро- и парамагнитных, находящихся в работавшем масле частиц изнашивания, и нашла применение как средство прогнозирования повреждений и предупреждения выхода механизмов из строя из-за преждевременного износа в таких областях техники, как авиационные двигатели, дизели, гидравлические системы. Метод включает осаждение частиц в магнитном поле (получение феррограммы) и получение количественной информации (анализ феррограммы). Осаждение ферро- и парамагнитных частиц из потока смазки осуществляется под влиянием высокого градиента магнитного поля, направленного вертикально вниз. Сила, действующая на частицу, пропорциональна объему частицы изнашивания и ее магнитной проницательности, поэтому большие частицы располагаются на входе, малые – на выходе устройства.

Анализ феррограмм осуществляется различными методами: измерением оптической плотности феррограмм, полученных на стекле; прямым считыванием под микроскопом ил при помощи системы анали фракции позволяет проводить их морфологический анализ с целью однозначной классификации типа развивающегося отказа трибосистемы. Метод феррографии, за изображений. Использование ЭЫВМ расширяет возможности феррографии и помимо определения количества частиц той или иной

Разработанный первоначально для изучения частиц изнашивания металлов, в настоящее время начинает применяться, для всех материалов. При этом используется совместное воздействие на пробу масла магнитного и неоднородного электростатического полей, градиенты которых не совпадают. Имеющая место в настоящее время тенденция уменьшения габаритов ЭВМ позволяет создать феррографы, встроенные в масляную магистраль того или иного устройства. Причем затраты на создание такой системы компенсируются снижением потерь, связанных с аварийным выходом из строя всего механизма в целом.

Магнитометрия используется в основном для определения концентрации магнитных частиц в масле. Работа магнитометрических устройств основана на регистрации изменения величины приложенного магнитного поля при его взаимодействии с магнитным моментом анализируемой пробы или некоторым объемом потока масла в магистрали.

Для измерения напряженности магнитного поля возможно использование датчика Холла. Ряд устройств, основанных на явлении индукции, может быть использован в качестве датчика оценки текущего состояния механизма путем размещения непосредственно в масляной магистрали.

Метод ядерного магнитного резонанса (ЯМР) обладает высокой чувствительностью к малым концентрациям ферромагнитных частиц (10^-7 об. %), находящихся в отработанных маслах. Основан на обусловленном магнетизмом резонансном поглощении электромагнитной энергии в веществах. Определение концентрации частиц изнашивания проводится сравнением относительного изменения линии спектра чистого масла с отработанным. Чувствительность метода при определении диа- и парамагнетизма составляет соответственно 10^-3, 10^-5 об. %. К достоинствам метода следует отнести возможность проведения анализа на ранней стадии изнашивания практически любых пар трения и относительно малое время анализа. Однако сложность аналитического оборудования сдерживает широкое использование метода на практике.

Акустический анализ. Среди представленных на рис. 1 методов контроля состояния трибосистемы важное место занимают акустические, которые весьма интенсивно развиваются в последнее время. Акустический анализ относится к неразрушающим методам контроля, при которых узел трения не подвергается разработке. Преимущество этого метода заключается в том, что он позволяет диагностировать практически все виды дефектов изготовления, сборки и эксплуатации трибосистемы.

Все акустические методы подразделяются на активные и пассивные. Активные методы основаны на возбуждении и приемке акустических и ультразвуковых волн с помощью специальных преобразователей. При этом о состоянии контролируемой системы судят по параметрам упругих волн прошедших через исследуемый объект. Этот метод для контроля состояния трибосистемы практически не применяется из-за больших искажений сигнала вследствие отражения упругих волн от внутренних полостей, поверхностей раздела, дефектов и т.д. Как правило, контроль изнашивания трибосистемы осуществляется пассивными (основанными на приеме колебаний) акустическими методами: акустической эмиссии, вибрационно- и шумодиагностическим.

Первый основан на регистрации упругих волн напряжения, возникающих вследствие внутренней перестройки структуры материала трибосистемы, при образовании и развитии трещин с помощью пьезоэлектрических преобразователей. При этом источником акустической эмиссии является сам дефект. Второй и третий методы основаны на анализе вибраций или шумов какой-либо отдельной детали (подшипника, лопатки, турбины, ротора) или узла трибосистемы. В процессе анализа изнашивания этими методами измеряются различные параметры акустического сигнала: его амплитудные и частотные характеристики. Причем эти характеристики зависят от многих причин: давления в контакте, скорости относительного перемещения, наличия смазки и т.д. степень износа того или иного узла трибосистемы определяется изменением целого ряда ее структурных параметров. Основная трудность состоит в определении функции параметров трибосистемы (диагностического признака), которая характеризовала бы износ.

Анализ публикаций по данному вопросу показывает, что наибольший прогресс наблюдается в развитии метода акустической эмиссии, что, как уже отмечалось, связано прежде всего с возможностью обнаружения появления и развития дефектов на самой ранней стадии функционирования трибосистемы.

Широкое применение среди оптических методов для диагностики изнашивания смазанных трибосистем нашли методы атомной и молекулярной спектроскопии.

Эмиссионная спектроскопия используется как метод диагностики состояния двигателей внутреннего сгорания. Интенсивность изнашивания трущихся сопряжений можно оценить, измеряя в масле концентрацию элементов, попадающих туда в результате износа деталей пары трения. Спектральный анализ позволяет дифференцированно оценивать суммарный износ нескольких групп. При этом достаточно знать химический состав изнашиваемых деталей. Эмиссионный спектральный анализ проводится по спектрам испускания атомов и ионов, возбужденных электромагнитным излучением (обычно электрическим источником света, электрической дугой, искрой). В основу эмиссионных спектрофотометрических установок положен известный в спектроскопии метод внутреннего стандарта, заключающийся в измерении отношения интенсивности линии анализируемого элемента к линии сравнения.

Повышения точности анализа этим методом можно достичь путем построения для каждого анализируемого элемента тарировочной кривой, не зависящей от характеристик базового масла.

Создание многоканальных эмиссионных спектрофотометрических установок позволяет выполнить многокомпонентный анализ масел в процессе их эксплуатации. Чувствительность анализа при этом достигает (103)*10^-4 мас.%. Благодаря своей информативности этот метод получил наибольшее распространение для диагностирования изнашивания двигателей в лабораторных условиях. На практике широко используется фотометры типа МФС-3, ДФС-36.

Атомно-абсорбционная спектроскопия основана на испарении исследуемой пробы в анализаторе (в пламени, плазме) и измерении интенсивности света от источника дискретного излучения, проходящего через пар исследуемой пробы. По степени ослабления интенсивностей линий определяемого элемента судят о концентрации его в пробе. Достоверность результатов атомно-абсорбционного анализа зависит от постоянства равновесных концентраций атомов определяемых элементов аналитической зоне, а также от идентичности химического состава эталонов анализируемым растворам проб. Анализ эффективности определения содержания продуктов изнашивания в масле методом атомно-абсорбционной спектроскопии показывает, что данный метод обеспечивает учет преимущественно мелких частиц размером свыше 10 мкм.

Атомно-флуоресцентная спектрофотометрия. Этот метод заключается в том, что пары исследуемой пробы облучают резонансным для искомого элемента излучением и регистрируют его флуоресценцию. Обычно для облучения пробы используют рентгеновское излучение. Этот методе накладывает ограничений на размер частиц изнашивания, находящихся в пробе, поэтому можно быстро определить присутствие в смазке крупных частиц, характеризующих катастрофический режим изнашивания.

Атомно-флуоресцентная спектрофотометрия пригодна лишь для тех металлов, которые обладают регистрируемым резонансным излучением. Метод рентгеновской флуоресценции близок по своим возможностям, к методу атомно-абсорбционной спектрометрии, за исключением определения таких металлов, как литий и магний. Однако, несмотря на свои достоинства, данный метод не нашел широкого применения в практике диагностирования.

ИК-и УФ-спектроскопия Эти методы качественного и количественного молекулярного спектрального анализа устанавливают молекулярный состав исследуемого образца и используются для определения содержания продуктов окисления масла, солей карбоновых кислот, сульфатов и неорганических нитритов. С этой целью проводят сравнение ИК - или УФ-спектров масла до и после эксплуатации. По изменению интенсивности полос поглощения судят о степени загрязненности масла. Для регистрации ИК-спектров могут быть использованы приборы типа ИКС и СФ-26.

Абсорбционная спектрофотометрия.Этот метод количественного молекулярного анализа основан на использовании закона Бугера-Ламберга-Бера, устанавливающего связь между интенсивностями падающего и прошедшего через вещество света в зависимости от толщины поглощающего слоя и концентрации вещества.

Перед проведением анализа готовят растворы отработанного и свежего масел в бензине с целью увеличения прозрачности пробы. По измеренной оптической плотности (в ограниченной области оптического спектра) раствора работавшего масла и эталонного раствора определяют концентрацию нерастворимых примесей в масле.

Однако применительно к маслам закон Бугера-Ламберга-Бера необходимо рассматривать как полуэмпирический. Этот метод позволяет оценить эффективность работы масляных фильтров и качество рабочего процесса двигателя. Использование светофильтров с различной длиной волны пропускания позволяет оценить среднюю дисперсность частиц.

Наряду с перечисленными методами спектрального анализа получили распространение и другие разновидности оптических методов.

Прямое фотометрирование. Здесь в качестве показателя, характеризующего пригодность масла к работе, принимается степень его загрязненности. Последняя определяется оптической плотностью масла измеряемой фотометрированием его пробы. К сожалению, по этой методике невозможно с достаточной точностью дифференцировано оценивать характер загрязненности масла, а именно наличие нерастворимых примесей. Для определения ферро- и парамагнитных частиц на исследуемую пробу масла накладывают пульсирующее магнитное поле и определяют разницу оптической плотности до и после наложения магнитного поля.

На основании исследуемой особенностей взаимодействия теплового лучистого потока с пробой масла разработан экспресс-метод определения загрязненности моторных масел.

Локальное действие теплового лучистого потока вызывает возникновение градиента поверхностного натяжения, приводящего к искривлению межфазной границы масло-воздух. Происходящее при этом изменение толщины слоя масла связано с концентрацией механических примесей. Было установлено, что между интенсивностью оптического излучения, определяемой по току на выходе фотоприемника, и концентрацией примесей существует эмпирическая зависимость, аппроксимируемая линейной функцией. При оптимальных значениях толщины слоя масла и интенсивности оптического излучения ошибка измерения концентрации механических частиц превышает 5%.

Электрооптический методоснован на явлении релаксации оптической анизотропии после снятия ориентирующих дисперсию электрических полей. Через пробу, ориентированную до состояния насыщения синусоидальным электрическим полем, пропускается монохроматическое поляризованное оптическое излучение. После снятия электрического поля интенсивность светового потока уменьшается. Экспериментально получив кривую релаксацию, можно рассчитать функцию распределения частиц изнашивания по размерам и определить их средний размер. Чувствительность метода составляет 10^-3 мас. %. В настоящее время метод используется только в лабораторных условиях.

Микроскопия позволяет вести подсчет количества частиц изнашивания, а также определять их дисперсионный состав и количество смазки, уносимое из зоны трения.