Трибодиагностика рабочего состояния неразъемных пар трения машин и техники

Размещено на http://allbest.ru

Хмельницкий национальный университет

Акустические методы анализа и контроля процессов трения широко используются в триботехнике [1-5]. Наибольшее распространение получили акустоэмиссионные методы ультразвукового частотного диапазона с применением специальных датчиков контактного типа [1,3,4]. Ранее трибоакустичекие методы использовались преимущественно к подвижным функциональным соединениям [2,5].

Процессы фретинга в номинально-неподвижных соединениях, на первый взгляд, трудно услышать в общем рабочем шуме установки, механизма, либо машины.

Однако, в силу взаимоувязанности динамических процессов в сложной технической системе, нарушение целостности любого такого соединения неизбежно отразится на амплитудном уровне и спектральном составе рабочего шума. Ввиду относительно низких скоростей проскальзывания в режимах фреттинга характерные частоты акустической эмиссии попадают именно в звуковой и ближний инфразвуковой диапазон спектра, что позволяет использовать обычную звукозаписывающую аппаратуру и стандартное компьютерное обеспечение.

В работе ставится задача проведения бесконтактного трибоакустического контроля целостности номинально-неподвижного фрикционного соединения в условиях фреттинга, а также определение характера и направление ведущих волновых процессов переноса энергии и импульса в реальном масштабе времени.

Для исследований использовалась установка по испытаниям на фреттинг, не содержащая вращающихся элементов, создающих повышенный уровень контактного шума рис. 1, 2.

Фреттинг осуществлялся по схеме плоскость-шарик в контакте незакаленной стали 30 ХГСА (ведущий верхний образец 1 на схеме рис. 1) и шарика подшипника из стали ШХ-15 диаметром 12 мм (нижнее ведомое контртело 14 на схеме рис.1).

Поверхность образца предварительно обрабатывалась шлифованием и последующим полированием по 9-му классу шероховатости. Возвратно-поступательное движение ведущего образца обеспечивалось электромагнитом и системой пружин. Амплитуда его виброперемещений составляла 20 мкм. Нормальная контактная нагрузка в соединении (?50 Н) обеспечивалась на две трети весом привода и на треть - дожимным гаечным усилием (рис. 1), постепенно ослабевавшем в процессе фреттинга. Основная рабочая частота вибраций составляла 100 Гц.

Для записи акустического сигнала использовался выносной микрофон марки Media-tech SFX microfone MT 383, устанавливаемый на расстоянии в несколько дециметров от узла трения. Компьютерная обработка данных осуществлялась программой Audasity 2.0.4.

В качестве дополнительного информативного канала использовалось автоматизированное компьютерное построение петли контактного гистерезиса в координатах: смещение ведомого контртела - тангенциальное усилие. Последние измерялись соответственно посредством индуктивного датчика микроперемещений и моста тензорезисторов на балке.

Акустограммы предварительно записывались в холостом режиме работы установки - с почти вертикальным положением направляющих привода. Затем в их горизонтальном положении устанавливался начальный зажим соединения и производились испытания в режиме фреттинга: от начального процесса приработки до нарушения целостности соединения, выраженного в качественном изменении амплитудного уровня и спектрального состава акустического сигнала.

На рис. 2 приведены акустограммы, записанные в течение одной минуты каждая по мере развития процесса испытаний. Они дают общее представление о процессе фреттинга. Низкочастотная нестабильность, характерная для начального этапа приработки (рис. 3а) значительно уменьшается более длительным периодом оптимальной работы соединения (?5?10⁵ циклов - рис. 3б).

Наибольший интерес представляют в данном случае спектры Фурье вышеуказанных акустограмм - рис. 3. На них доминируют две основные частоты накачки возмущений - 50 Гц и 100 Гц, а также их гармоники, возникающие вследствие нелинейности в динамической системе и соответствующей негармоничности колебаний.

Эти гармоники на начальном этапе приработки (рис. 3а) формируют хорошо выраженный прямой энергетический каскад в сторону высоких частот с максимумом на частотах 1-5 кГц. Возникновение этого максимума обусловлено квазинормальными контактными колебаниями, наведенными процессами микропластических деформаций на этапе приработки.

бесконтактный контроль трибоакустический фрикционный

Другой - обратный энергетический каскад направлен от мод накачки в низкочастотную ближнюю инфразвуковую область спектра (рис. 3а). Его происхождение связано с наведением медленных угловых движений направляющих привода, что оказывает прямое влияние на быстрые виброперемещения ведущего образца трения, и, соответственно, на процессы контактного взаимодействия в зоне фреттинга.

В данном случае подобная цикличность есть следствием, а не причиной автомодуляции, возникающей в результате активации имеющихся степеней свободы и обратных связей в общей динамической системе трения. Таким образом, трение выступает как глобальный (в масштабе системы), а не только локальный (мезофизический) процесс. В приработанном режиме работы соединения (рис. 3 б, в) характерно существенное ослабление высокочастотных и среднечастотных составляющих акустического спектра, свидетельствующее о снижении начального темпа микропластических деформаций. Качественное изменение спектрального состава акустической эмиссии трения, связанное с нарушением целостности соединения, хорошо видно на спектре рис. 3 г.

Таким образом, использование общедоступного звукозаписывающего оборудования и стандартного компьютерного обеспечения позволяет, по крайней мере, применительно к малошумящим экспериментальным установкам, проводить бесконтактный акустический контроль целостности номинально-неподвижных фрикционных соединений в условиях фреттинга. Нарушение целостности таких соединений фиксируется как изменением общей формы акустограмм рабочего шума, так и (более надежно) - характерными изменениями в спектре звучания - появлением сильных среднечастотных составляющих спектра, обусловленных возникновением контактных зазоров.

Список литературы

1. Свириденок А.И., Мышкин Н.К., Калмыкова Т.Ф., Холодилов О.В. Акустические и электрические методы в триботехнике / Под ред. В.А. Белого. - Мн.: Наука и техника. - 1987.

2. Akay A. Acoustics of Friction // J.Acoust. Soc. Am. - 2002 (111), №4, 1525-1548.

3. Власов В.М., Мельниченко Н.В., Рейзер Е.С. Диагностика методом акустической эмиссии процессов разрушения мостиков схватывания при трении сталей без смазочного материала // Трение и износ. - 1989 (10), №2, 257-261 с.

4. Фадин Ю.А., Лексовский А.М., Гинзбург Б.М., Булатов В.П. Периодичность акустической эмисси при сухом трении пары сталь-латунь // Письма в ЖТФ. - 1993 (19), вып. 5, 10-13.

5. Гриценко Б. П. Роль акустических колебаний, генерируемых при трении, в разрушении материалов трибосистемы // Трение и износ. - 2005 (26), №5, 481-488.

Размещено на Allbest.ru