13.2. Типы весов

Соответственно указанным выше принципам взвешивания известные типы весов могут быть разделены на следующие группы:

13.2.1. Рычажные весы с уравновешиванием масс. Неизвестная масса взвешиваемого груза определяется уравниванием крутящих моментов, развиваемых, с одной стороны, силой тяжести неизвестной массы (груза), с другой – силой тяжести известной массы (гирь), приложенными к соответствующим плечам рычага. Возможны четыре способа уравновешивания, а, следовательно, четыре весоизмерительных устройства, не считая их комбинаций:

• Взвешивание при помощи гирь, не связанных с весами. Равновесное положение весов постоянно;

• Устройство с переключаемыми гирями. Встроенные в весы гири, механически устанавливаемые или снимаемые, воздействуют на постоянное плечо рычага. Равновесное положение весов постоянно;

• Весоизмерительное устройство с передвижными гирями. Жестко связанные с весами гири перемещаются вдоль плеча рычага. Равновесное положение весов постоянно;

• Маятниковые весы. При взвешивании изменяются угол отклонения жестко связанной с весами гири маятникового груза и расстояние от ее центра тяжести до центра опоры. Показания устанавливаются автоматически. Каждому значению массы взвешиваемого тела соответствуют определенное положение равновесия. Число равновесных положений бесконечно.

13.2.2. Пружинные весы.Неизвестная масса взвешиваемого груза определяется по деформации пружины. Часто с помощью рычажного механизма осуществляется преобразование развиваемого грузом усилия в соответствии с характеристикой используемой пружины.

Применяют пружинные весы: с механическим указателем; с электрическим измерением деформации; с электрическим измерением собственной частоты натянутых струн, нагружаемых взвешиваемым грузом.

13.2.3. Гидравлические весы.Усилие, развиваемое взвешиваемым грузом, определяется измерением давления, развиваемого этим грузом.

13.2.4. Электромагнитные весы.Усилие, развиваемое взвешиваемым грузом, определяется по электромагнитной уравновешивающей силе.

3. Способы измерения износа режущих инструментов и поверхностей деталей машин

Около 85…90% изделий машиностроения выходят из строя в результате изнашивания и только 10…15% по другим причинам.

Различают изнашивание механическое (абразивное, эрозионное, гидроабразивное, газоабразивное, усталостное и др.), коррозионно-механическое (окислительное, фреттинг-коррозия), изнашивание при «заедании» сопряженных пар.

Применительно к инструментам различают абразивное изнашивание, адгезионное изнашивание (схватывание и последующее вырывание частиц и блоков), диффузионное изнашивание (при t⁰С = 800…850⁰) – деформационное растворение инструмента материала в обрабатываемом, окислительное изнашивание (твердых сплавов) – образуются окислы Со₃О₄ и СоО, которые имеют низкую твердость и нарушают монолитность твердого сплава.

Измерение износа по потере массы или объема детали используется, как правило, при исследовании образцов и непригодно для большинства деталей машин.

Оценка износа по изменению выходных параметров сопряжения дает лишь косвенное представление об износе вследствие того, что выходные параметры сопряжения зависят от большого числа факторов, которые не представляется возможным оценить полностью.

13.3.1. Определение износа по содержанию продуктов изнаши­вания в смазочном масле. Способ основан на взятии пробы отработавшего масла, где накопились продукты изнашивания, представляющие собой металлические частицы, окислы металлов и продукты химического взаимодействия металлов с активными компонентами смазочных материалов. Этот способ позволяет избежать необходимости разборки машин и их узлов. Он применяется в лабораторных и эксплуатационных условиях для измерения интегрального износа узлов различных машин, например технологического оборудования, транспортных машин, двигателей внутреннего сгорания, зубчатых передач и т. п. Точность метода определяется чувствительностью приборов к содержанию в масле металлических примесей (10^-6...10^-8 г в 1 см³ масла). Необходимо, чтобы проба характеризовала среднее содержание продуктов изнашивания в масле. Для этого, например, при взятии пробы из картера двигателя масло сливают и тщательно перемешивают.

Анализ проб масла на содержание железа и других составляющих производится различными методами.

Химический метод основан на определении содержания железа и других продуктов изнашивания в золе сожженной масляной пробы.

Спектральным методом определяют содержание металлических примесей в масле посредством спектрального анализа состава пламени при сжигании его пробы.

Радиометрический методсвязан с измерением радиоактивности продуктов изнашивания, содержащихся в смазочном масле, накапливающихся в масляном фильтре. Радиоактивность материала деталей создается введением радиоактивных изотопов в металл при плавке или с помощью покрытия деталей слоем из радиоактивных веществ.

Активационный анализ имеет общие черты со спектральным и радиометрическим методами. Содержание продуктов изнашивания в масле определяется по их радиоактивности посредством анализа спектров гамма-излучения пробы после облучения ее нейтронами.

13.3.2. Метод микрометрических измерений. Размеры детали до и после изнашивания измеряются при помощи микрометра, индикатора или других приборов, точность которых обычно находится в пределах 1...10 мкм. Точность измерений зависит от условий контакта исследуемой поверхности с измерительным наконечником прибора, а также качества очистки детали от загрязнений.

В большинстве случаев применяются те же универсальные и специальные средства, которые используются для контроля точности поверхности детали при ее изготовлении. Например, многомерное приспособление для контроля размеров поршней двигателя внутреннего сгорания может быть использовано и для измерения параметров изношенного поршня. При небольших размерах детали и возможности ее демонтажа измерения износа можно производить с помощью инструментального или универсального микроскопов, оптиметра, проектора, измерительной машины и других приборов. Для деталей больших размеров, измерение износа которых необходимо проводить без разборки машины, часто разрабатывают специальные приспособления с применением универсальных измерительных приборов.

Недостатками метода микрометрирования являются: невозможность осуществления измерения износа в процессе работы машины; необходимость, как правило, частичной разборки узла или его демонтажа; громоздкость приспособлений для непосредственных измерений; невозможность при отсутствии измерительной базы оценки износа, а в ряде случаев и формы изношенной поверхности.

Разновидностью микрометрического метода измерения износа является профилографирование. О малых износах судят по профилограмме, снятой с исходной и изношенной поверхностей. При этом могут использоваться два варианта этого метода. Первый из них применяется, когда на детали или образце имеется неизношенный участок. При снятии профилограммы этих двух участков по высоте «уступа» можно оценить износ, а также изменение шероховатости поверхности. Когда изнашиваются лишь выступы микронеровностей, применяют способ наложения профилограмм, снятых с одного и того же участка, до и после изнашивания. Для точного совмещения профилограмм на поверхности наносят контрольную риску. При этом можно судить не только о средней величине износа, но и о росте площади опорной поверхности. Точность измерения зависит от условий касания и погрешности повторной установки измерительного наконечника относительно исследуемой поверхности, а также погрешности совмещения профилограмм.

Поиск иных способов определения линейного износа поверхностей деталей машин привел к созданию таких методов и приборов, в которых базой для измерения служит сама изнашивающаяся поверхность.

13.3.3. Метод искусственных баз. Он заключается в том, что на поверхность детали наносят углубление строго определенной формы (в виде конуса, пирамиды и т. п.) и по уменьшению размеров углубления (отпечатка) судят об ее износе. Таким путем определяют местный линейный износ поверхности в тех местах, где нанесены базы, и выявляют форму изношенной поверхности. Метод искусственных баз может быть использован для измерения износа только тех деталей, на поверхности которых допускается нанесение углублений. Находят применение различные варианты рассматриваемого метода: метод отпечатков, метод вырезанных лунок и метод слепков.

При методе отпечатков для образования углубления на исследуемой поверхности используют алмазную четырехгранную пирамиду с квадратным основанием и углом при вершине между противолежащими гранями в 136° (такая пирамида применяется в приборах для определения твердости по методу Виккерса и микротвердости). После вдавливания пирамиды под нагрузкой измеряется диагональ отпечатка. После изнашивания размер отпечатка d₀ уменьшается до d₁, и по разности d₀-d₁ оценивают износ U=h₀-h₁. Длину диагонали измеряют при помощи оптического измерительного устройства.

Рассматриваемый метод имеет ряд недостатков: при вдавливании пирамиды вокруг отпечатка происходит выпучивание материала, в результате чего искажается форма отпечатка; после снятия нагрузки происходит некоторое восстановление углубления, оно изменяет свою начальную форму. Если выпуклости можно удалить полированием, то упругого восстановления отпечатка устранить нельзя, что обусловливает погрешность измерения износа. Этот метод неудобен также и тем, что размеры отпечатка малы и для нанесения его требуются большие усилия.

Широкое распространение получил метод вырезанных лунок (ГОСТ 17534 - 72), заключающийся в том, что на исследуемой поверхности вращающимся резцом вырезается лунка, по уменьшению размеров которой при изнашивании определяют местный износ (рис.13.1). Глубина лунки h и ее длина l связаны зависимостью h=l²/8(1/r  1/R),

где r - радиус дуги окружности, описываемой вершиной резца;

R- радиус цилиндрической поверхности, на которой наносится лунка; знак «минус» - для вогнутой поверхности, «плюс» - для выпуклой. При этом ,h_л=(1-cos),=h_л-h_ли. Точность метода лунок находится в пределах ±1...2 мкм, и в отдельных случаях может достигать ±0,5 мкм.

Метод лунок имеет ряд существенных преимуществ перед методом отпечатков. Во-первых, здесь лунка образуется резанием, а не вдавливанием, поэтому явления вспучивания и упругого восстановления сведены к минимуму. Во-вторых соотношения между длиной лунки и ее глубиной таковы (при r=8,5 ммl=2,5 мм,h= 100 мкм), что уменьшение длины

лунки легко определить даже при незначительном износе. В-третьих, усилия, необходимые для вырезания лунки, невелики, что позволяет создавать малогабаритные приборы для измерения износа плоских, цилиндрических, наружных и внутренних, а также фасонных поверхностей деталей в производственных и лабораторных условиях. Если измерить износ непосредственно на детали трудно, используютметод негативных отпечатков (слепков). С поверхности детали в том месте, где нане­сено углубление (обычно отпечаток или специальная риска), снимают слепок из самотвердеющей массы или оттиск на пластичном металле или пластмассе. Высоту отпечатка измеряют обычными способами и сравнивают с размером, снятым при вторичном оттиске изношенной поверхности.

13.3.4. Способ поверхностной активации. Основой способа является измерение снижения радиоактивности при изнашивании поверхности детали, в которой на заданном участке создан радиоактивный слой глубиной 0,05...0,4 мм путем облучения участка поверхности или вставки в нее заря­женными частицами (дейтронами, протонами, альфа-частицами). Износ детали определяется по тарировочному графику путем сопоставления снижения ее радиоактивности со снижением радиоактивности образцов, активированных в одинаковых условиях с деталью. Тарировочный график строится при моделировании процесса изнашивания на образцах. При этом измеряют радиоактивность образца, с которого последовательно удаляют (сошлифовывают) слои материала.

Рассматриваемый способ пригоден для определения износа поверхностей деталей при стендовых и эксплуатационных испытаниях без разборки и остановки машин. Он позволяет оценивать малые износы, сокращать продолжительность испытаний, исследовать динамику процесса изнашивания, организовывать автоматизированный и дистанционный контроль качества изделий.

Перед началом исследований участок детали активируется в течение 20...40 мин обычно дейтронами с энергией Е_d = 11,2...13,2 МэВ «на воздухе» или в вакууме на специальном ускорителе (циклотроне) до активности 3710 Бк. Толщина активированного слоя (обычно 130...260 мм), зависящая от энергий дейтронов и ряда других факторов, устанавливается исследователем, который заранее оценивает возможную величину износа поверхности с учетом условий эксплуатации изделия.

Определение радиоактивности деталей основано на измерении гамма-излучения различными методами.

При измерении износа крупногабаритных деталей находят применение специальные вставки, которые проходят поверхностную активацию, а затем устанавливаются на изнашивающуюся поверхность. Материал вставок может отличаться от основного, так как изнашивание рабочей поверхности и вставки происходит одновременно. Применение вставок из специальных сплавов, например кобальта и меди, позволяет довести общую продолжительность действия радиоактивности, достаточной для точного измерения величины износа, до 2...2,5 лет, что важно при натурных испытаниях.

13.3.5. Особенности измерения износа режущих инструментов. Режущие инструменты изнашиваются более интенсивно по сравнению с изнашиванием большинства деталей машин в процессе их эксплуатации. Схема износа поверхностей резца показана на рис. 13.2.

Независимо от геометрии износа (рис.13.2), мерой износа инструмента является линейный и массовый износ. При чистовой обработке в качестве критерия затупления выбирают линейный износ. Об изношенности задней поверхности судят по максимальной ширине площадки износа . Это хорошая характеристика для определения норм расхода инструмента на переточки. Для исследования физической природы износа инструментов используют массовый износ – масса изношенной части инструмента, который пропорционален работе сил трения, затраченной на превращение инструментального материала в продукты изнашивания. Масса изношенной части инструмента

.

В сечении главной секущей плоскости площадь сечения истираемой части режущего клина

, ,,.

Известно (Г.И. Грановский), что линейный износ вдоль главного лезвия переменный, т. е.

, тогда ,

Проинтегрировав и подставив плотность в зависимость, получим

Если износ вдоль лезвия постоянен, то с=0, n=0

.

Масса изношенной части передней поверхности (лунки) определяется при помощи схемы (рис.13.3): , гдеl_л – длина лунки вдоль главного лезвия.

Измерение фаски износа производят при помощи индикаторных устройств или на микроскопе. Износ по передней поверхности (лунку износа) измеряют с помощью микроскопа, индикаторными щупами, а также профилографированием передней поверхности на профилометрах-профилографах.

Размерный износ определяют путем регистрации потока изучения (рис. 13.4), изменяющего свою мощность при уменьшении профиля режущей кромки (а.с. 982852, 1982 г). При исследовании износа режущего инструмента износ чаще всего представляют в виде эмпирических формул вида =С_Т^рV^mSⁿt^q.

158