Магнитные методы
УДК 620.179.14
О ВОЗМОЖНОСТИ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННОГО НАГРЕВА КОНТАКТНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ПОДШИПНИКОВ КАЧЕНИЯ
Э. С. Горкунов, В. П. Табачник, JI. X. Коган, Г. С. Чернова, Н. П. Антенорова
Показана связь между изменением параметров неразрушающего контроля и нагревом роликовых подшипников, обусловленным режимом их эксплуатации в редукторе вертолета. Рассмотрены коэрцитиметрический и вихретоковый методы контроля наружных колец подшипников, изготовленных из стали ШХ15.
Исследование влияния режима работы подшипника качения в редукторе вертолета на срок его безаварийной эксплуатации и возможность неразрушающего контроля подшипников при проведении ремонтных работ представляют большой практический интерес. Характерным повреждением катящихся под нагрузкой металлических поверхностей является усталостное разрушение, обусловленное пластической деформацией, повышением температуры и химическим действием среды [1]. Циклические нагрузки приводят к образованию трещин и выкрашиванию частиц металла с поверхности колец и роликов даже в том случае, если максимально действующее напряжение меньше предела текучести ат.
При интенсивном локальном повышении температуры контактной поверхности и последующем резком охлаждении путем теплоотвода нижележащей холодной массой металла могут образоваться закалочные и промежуточные структуры. Этому способствует высокое давление, снижающее температуру, при которой происходят структурные превращения. О поверхностном нагреве можно судить по цветам побежалости, возникающим в результате появления тонкого слоя окислов на поверхности углеродистой стали при нагреве в интервале температур 150—350° и на легированной стали при более высоких температурах. Например, соломенные цвета характерны для углеродистой стали при 220—240°, темно-синий — при 310° [2].
Нагрев контактных поверхностей деталей подшипника, закаленных от температур 830—850 °С и отпущенных при 160^—170°, можно отождествить с дополнительным, вторичным отпуском. При отпуске закаленной стали изменяется коэрцитивная сила Нс, начальная проницаемость цн и удельное электросопротивление р [3], от которых зависит величина размагничивающего тока 1рс коэрцитиметра и значение обобщенного вихре-токового параметра ßM [4] накладного вихретокового преобразователя. На рис. 1 для объемнозакаленной стали П1Х15 показано в относительных единицах изменение с ростом температуры двухчасового отпуска предела текучести ст02 [5], коэрцитивной силы Нс и а-показаний вихретокового прибора [6]. Несмотря на отличие режима закалки стали ШХ15 [6] от принятого для подшипников, существенной разницы в зависимости Нс от температуры отпуска не обнаружено. При использованной нами дифференциальной схеме измерений величина а, в отличие от данных, приведенных в работе [6], обратно пропорциональна значению параметра ßM= R^j 2л/(10Л/ l/(lHp, где/? — средний радиус преобразователя;/—
частота; р0 — магнитная постоянная. При данной частоте зависимость ßM, и, следовательно, а от температуры отпуска определяется изменением рн и р. Известно [3], что в диапазоне 200—450° р стали ШХ15 монотонно уменьшается на 17 %. Основываясь на зависимостях цн и р от температуры отпуска для стали У10 [7], можно утверждать, что вид
кривой а(/отп) для ШХ15 (см. рис. 1) в основном определяется начальной проницаемостью. За единицу при /отп = 200 °С принято а02 = 208 кГ/мм2, Нс = 26,2 А/см и а = 52,5 дел. Видно, что с ростом температуры отпуска а проходит через максимум в районе 300°, в то время как Нс и 0О 2 плавно уменьшаются. Отметим, что при нагреве от 200 до 350° предел текучести уменьшается на 30 %, а при нагреве до пятисот градусов — в два раза. Снижение предела текучести, обусловленное вторичным отпуском, приводит к уменьшению уровня допустимых нагрузок и утрате работоспособности подшипника. Высокая чувствительность коэрцитивной силы к изменению температуры отпуска на начальном участке перегрева до 250° дает возможность обнаружить уменьшение стт, применяя двухпараметровый контроль по коэрцитивной силе и сигналам вихретокового преобразователя, способным
Рис. 1. Зависимость о02 (х), Нс (О) и а (•) от температуры отпуска для закаленной стали ШХ15 [5, 6].
обеспечить эффективный контроль поверхностных слоев малой глубины.
Известно использование накладных вихретоковых преобразователей для оценки контактной усталости подшипников качения из стали ШХ15 [8] и определения износа поверхностей трибосопряжений стальных узлов трения (ст. 40, 20ХНЗА) [9] в зависимости от продолжительности работы на лабораторных установках. Можно предположить, что в работах [8, 9] нагрев контактных поверхностей не превышал температур, соответствующих атах (см. рис. 1).
На заводе Гражданской авиации (г. Екатеринбург), взято сто роликовых подшипников 42408 114, забракованных при проведении ремонтных работ. Измерения размагничивающего тока /рс. коэрцитиметра и показаний а вихретокового прибора проводили на внутренней (беговой дорожке), наружной и торцевой поверхностях наружных колец диаметром 110 мм.
Для измерения ос использован лабораторный макет вихретокового прибора, содержащего два дифференциально включенных преобразователя трансформаторного типа с броневыми сердечниками диаметром 5 мм. Контакт с поверхностью изделия осуществляли при использовании закругленного конца центрального стержня (диаметром 2,6 мм), выступавшего на 1,5 мм от нижнего края обмоток преобразователя. Измерения, проведенные на частотах 10,5; 72; 100 и 130 кГц, соответствовали расчетной глубине контролируемого слоя 0,55; 0,18; 0,15 и 0,13 мм.
Для контроля по Нс использован коэрцитиметр с Н-образным электромагнитом [10], размагничивающие ампер-витки \VpIp. которого в случае перемагничивания изделия по предельной петле гистерезиса равны произведению #с/и, где /н — длина испытуемого участка изделия; н>р — количество витков. При контроле по /^ массивного изделия глубина исследуемого поверхностного слоя, согласно [11], равна 0,6-у 5П, где 5П — площадь полюса электромагнита.
11
Рис. 2. Продольное сечение наружного кольца подшипника (размеры в мм):
а, 6, в — положение полюса электромагнита (вид сбоку).
27
_П
17
б
Электромагнит с площадью полюсов 3x3 и 3x12 мм и одинаковым расстоянием 14 мм между полюсами Н-образного сердечника располагался вдоль окружности кольца. Плоская поверхность полюсов электромагнита создавала различие значений /рс при измерениях на поверхностях различной кривизны. Величина /рс при установке на внутреннюю поверхность кольца примерно на 10 % превышает значение /рс, измеренное на наружной поверхности, за счет соответственного увеличения длины /и испытуемого участка. На рис. 2 показано продольное сечение кольца и расположение полюса электромагнита. При измерениях на торцевой поверхности (а, см. рис. 2) площадь полюса 3x3 мм; на наружной (б) и внутренней (в) поверхности площадь полюса 3x12 мм;
= 888.
Торцевую поверхность колец принимали в качестве неработающей. Значения размагничивающего тока на этой поверхности отложены по горизонтальной оси на рис. 3; по вертикали — значения /рсв и /рсн, соответствующие внутренней и наружной поверхностям колец. Десять колец, показанных на рисунке, выбраны из имевшихся ста колец во всем диапазоне изменения /рст и с максимальным разбросом по /рсв и Видно, что экспериментальные точки зависимостей /рсн и /рсв от достаточно хорошо ложатся на прямые, наклоненные к оси X под углом 45° за исключением двух колец (83 и 87), отличающихся от остальных более свет-
лой наружной поверхностью по всей окружности колец. Номерами 34, 68 отмечены кольца с минимальной и максимальной коэрцитивной силой. Измерения 1рс на торцевой поверхности колец 34 и 68 с использованием полюсов 3x12 показали, что диапазон изменения Нс соответствует температурам отпуска 160—180° для стали И1Х15 с исходной структурой однородного зернистого перлита [3]. Номерами 7 и 3 на рис. 3 отмечены кольца подшипников, проработавших в редукторе вертолета соответственно 1600 и 605 часов.
Рис. 3.Зависимость /„„ (•) и /рсв (О) от /р1Т. Цифры у точек (•, О) соответствуют номерам колец.
Отклонение /рсн для колец 83 и 87 от линейной зависимости /рсн (/рСТ) в сторону уменьшения можно объяснить только нагревом наружной поверхности колец (см. рис. 1), так как с увеличением степени пластической деформации и уровня остаточных механических напряжений коэрцитивная сила растет [12]. На примере колец 83 и 87 видно, что электромагнит с полюсами 3x12 мм позволяет замечать различие по Нс внутренней и наружной поверхности колец. Согласно [11], для массивного тела глубина контролируемого поверхностного слоя при 5П = 3 х 12 равна 3,6 мм; в данном случае площадь продольного сечения кольца превышает площадь полюса примерно в 5 раз.
На рис. 4 для частот 10,5 и 100 кГц, аналогично рис. 3, по горизонтальной оси отложены значения оц., измеренные на торцевой поверхности, а по вертикали — оц и ан, соответственно на внутренней и наружной поверхностях. Ввиду того, что значения а при отсутствии изменений в по-
5 Дефектоскопия, № 6, 2003
верхностном слое колец должны зависеть, так же как при измерениях /рс, только от качества контакта преобразователя с изделием, линии, соответствующие средним значениям ос, проведены под углом 45° градусов к осям координат. Видно, что значения оц, измеренные на наружной поверхности колец 83 и 87, значительно отклоняются от линейной зависимости ос^а,.) в сторону увеличения, составляя 180—190 делений шкалы рис. 4 на частоте 10,5 кГц и 540—550 делений на частоте 100 кГц, что говорит об изменении магнитных свойств на глубину, сравнимую с 0,5 мм. Измеренные на внутренней поверхности колец 83 и 87 при частоте 10,5 кГц значения ав достаточно хорошо ложатся на линейную зависимость схв(схт) и отклоняются в сторону уменьшения при частоте 100 кГц для колец 83, 87 и 68, имеющих на беговой дорожке сине-фиолетовые цвета побежалости. Можно предположить, что беговая дорожка колец 83, 87, 68 подвергалась поверхностному нагреву на глубину порядка 0,2 мм до температур, превышающих 300° (см. рис. 1). Отметим особенно неблагоприятный н
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.