Эту ламповую «кофеварку» вы можете встретить на машиностроительном заводе, а чтобы ей грамотно пользоваться, придется восстановить нейронные связи, заложенные еще школьной физикой. Начнем мы издалека, так что пора бы сделать перекур, и пока гудят станки, я вам расскажу, где в обычных насосах можно случайно наткнуться на оптические явления.
Есть такой зверь среди деталей — торцевое уплотнение называется. Если вращающийся вал проходит сквозь неподвижный корпус, в котором работают жидкость или газ, то у вас возникнет проблема герметизации стыка. Будь это неподвижная труба, торчащая из стенки, ее можно было бы намертво загерметить чем-нибудь клейким, но вам-то надо, чтобы вал успешно вращался, а среда успешно не убегала из корпуса. Для этого и существуют торцевые уплотнения.
Чтобы уплотнение работало по назначению также необходимо придумать, с помощью чего кольца будут прижиматься друг к другу, причем с определенной силой, иначе что-нибудь куда-нибудь обязательно вытечет. Например, у нас на предприятии используют два вида торцевых уплотнений: магнитные и пружинные, они либо притягиваются друг к другу силой магнитного поля, либо поджимаются силой упругости пружины.
А есть еще уплотнения сильфонные, гидравлические, — множество их…
Торцевые уплотнения — это подвид целого класса устройств, собственно, обычных уплотнений. У них есть четкая задача: не давать перетекать среде, куда не хотелось бы, чтобы она перетекала.Базовый пример — резиновое уплотнение в душе для предотвращения протечек воды.
Пример чуть менее базовый — поршневые кольца двигателя. Они перекрывают зазор между поршнем и стенкой цилиндра, ограничивая прорыв газов из камеры сгорания в картер. Без них давление над поршнем быстро падало бы, а двигатель терял бы мощность и эффективность.
Ну и для гурманов — лабиринтное уплотнение в газотурбинных двигателях, где снижается перетекание воздуха, но при этом не перекрывается полностью.
Но не суть. Зоопарк деталей на самом деле можно перечислять бесконечно, это ведь почти эволюционное древо. Едем дальше.
Логично, что условием для эффективной работы торцевых уплотнений является хорошее прилегание двух поверхностей: нужно грамотно подобрать не только материалы пары трения и поджимающий элемент, но и обеспечить гладкие и плоские торцы у колец. Поэтому в перечень работ по оценке торцевых уплотнений входит проверка упругости пружины (или силы магнита) и проверка чистоты и плоскостности поверхности сопрягаемых пар.
Так вот, чисто на глаз можно определить сколы, царапины или излишнюю шероховатость, но точно не отклонение от плоскости. Для этого иногда используют высокоточную метрологию — например, интерферометрию, профилометрию, но в цеховой практике часто применяют как раз метод оптической плоскости, на заморском — optical flat.
Для начала я вам расскажу, как пользоваться этим прибором «в тупую», то есть, не вникая в принцип работы. А уже затем попробуем разобраться глубже.
В темном помещении включается лампа когерентного света (например, как в нашем случае гелиевая неонка. Важно, чтоб свет был строго одной длины волны) и «разогревается до теплого оранжевого света». Поверхность, которую нам необходимо проверить (в нашем частном случае — кольцо уплотнения), располагается по центру.
Деталь тщательно протирают полотном без ворса, затем на нее кладут еще более тщательно протертую эталонную плоскость. Эталонная оптическая плоскость — это просто чрезвычайно гладкий и ровный кусок кварцевого стекла, он выглядит, как линза, но на самом деле никакой оптической силы/кривизны он не имеет.
И вот сквозь нее становятся отчетливо видны темные полосы на поверхности:
Задача посчитать, сколько таких темных полос пересекают воображаемую контрольную линию. Чтобы вам не мучиться, на лампе обычно уже нарисована темная ось, которая отражается в стекле, и вам можно просто сориентировать деталь удобным способом.
Чем больше полос, пересекающих ось — то есть полос с некоторой кривизной — тем печальнее состояние детали. В идеальном случае они должны быть параллельны друг другу и контрольной линии. Так что в допустимых ограничениях в документации буквально так и пишут «поверхность считается недопустимой, если контрольная линия пересекает более двух полос».
Собственно, вот и вся процедура без вникания. Думаю, вы уже догадались, что чтобы пользоваться таким способом не «в тупую», нужно вспомнить главу из учебника школьной физики для 9 класса, что про оптику, а в частности — интерференцию. Так что теперь давайте немного поговорим про матчасть.
Напомню, что свет наполовину идентифицирует себя как волну. Волны — это очень широкое понятие, в которое входят и морские волны, и акустические, и световые (то есть электромагнитные). Им присуще такое интересное свойство, как интерференция, что по-простому обозначает сложение волн одной частоты, приводящее к их усилению или угасанию, как сложение положительных и отрицательных чисел.
Тут вы наверняка припомните, как учитель рассказывал про эксперимент Юнга с двумя щелями и полосками на экране — эксперимент, наглядно демонстрирующий это явление. Еще один классический пример из школы — тонкие пленки, когда свет отражается и от верхней, и от нижней границы пленки, две волны накладываются и мы получаем разводы на мыльных пузырях, а также следы побежалости металла:
Пример интерференции в тонких пленках нам особенно интересен, потому что на нем основан и метод оценки плоскостности детали.
Лампа на самой первой картинке — это источник света одной частоты (в данном случае гелиевый — отсюда и теплый оранжевый свет), для более четкой картины. Монохроматический свет попадает на эталонную плоскость стекла и проверяемую поверхность. Фокус заключается в том, между ними в любом случае останется прослойка из воздуха — тонкий воздушный клин. Толщина этого зазора меняется от точки к точке, а отраженные лучи где-то дают светлую полосу, где-то темную, складываясь в интерференционную картину.
Каждая соседняя темная полоса соответствует очень малому изменению зазора. Для таких приборов одна полоса на детали обычно принимается за 0,000295 мм. Поэтому по форме и числу полос можно судить о плоскостности торца. И дальше мы уже будем оценивать рисунок из них.
Частые полосы означают более крутой клин, широкие полосы — более пологий клин, но если наша плоскость в порядке, то мы увидим прямые, параллельные и равномерные линии. Кстати, поэтому если в зазор попала паль, ворсинка с вашей салфетки или частичка грязи — полосы могут стать мелкими частыми и практически не заметными, так как воздушный клин получился слишком крутым.
Если же где-то что-то кривое, то воздушный клин не будет иметь ровного угла наклона и мы обнаружим закругленные линии. А вот в совсем печальных случаях, полосы на детали будут не слегка скривлены, а волнообразны, как разводы на луже, и для выравнивания поверхности потребуется долгая притирка.
Узоры на поверхности вообще могут быть разными, поэтому на приборе и в инструкции есть примеры возможных изображений и правила их интерпретации: например, от того, как двигаются полоски при надавливании на стекло, можно определить характер искривления поверхности.
В общем, вещь и простая, и полезная, и интересная. Наверное, самое крутое в данном методе то, что с помощью стекла и света мы по сути создаем топографическую картину поверхности — как на картах — соединяя области с одинаковым значением высоты воздушного клина одной линией. А истоки метода оптической эталонной плоскости лежат где-то среди наблюдений колец Ньютона и в схемах типа интерферометра Физо.
Вот так, если внезапно задушниться на перерыве, можно к черту сломать весь производственный процесс всякими этими волнами, Юнгами и пузырями.
Автор: Александр Грибоедов
ссылка на оригинал статьи https://habr.com/ru/articles/1068278/