Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор Мерсон Дмитрий Львович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Громаковский Дмитрий Григорьевич

· Впервые показано, что наличие газовой фазы в смазочном материале не оказывает критического влияния на вид кривой спектральной плотности акустических сигналов, пропускаемых через смазочный материал.

· Экспериментально установлено, что вид кривой спектральной плотности идентичных акустических сигналов, прошедших через различные смазочные материалы, отличен и отражает их различную способность к поглощению механической энергии. Изменение кривой спектральной плотности акустических сигналов со временем в процессе испытания одного смазочного материала амплитудно-теневым способом связанно с изменением его качеств (состояния).

· В модельных экспериментах, выполненных на ЧШМ, установлено, что основным механизмам изнашивания поверхностей трения соответствуют акустические сигналы специфического спектрального состава, регистрируемые в определенной временной области процесса износа.

· Показано, что повышение масштабного уровня происходящих процессов изнашивания сопровождается увеличением энергетических характеристик акустических сигналов с одновременным снижением их медианной частоты.

· Впервые выявлена связь между характерным видом кривой огибающей акустических сигналов и формированием рельефа поверхностей трения при смене механизмов изнашивания.

Достоверность полученных результатов подтверждается значительным объемом экспериментальных данных, полученных в результате применения комплекса стандартизированных и апробированных исследовательских методов; использованием современных методов измерения и статистических методов обработки экспериментальных данных; согласием полученных результатов между собой и с результатами, полученными другими авторами.

Практическая значимость работы.

Усовершенствованная в работе методика исследования диссипативных свойств смазочных материалов может стать эффективным инструментом для идентификации смазочных материалов или других веществ.

Найденные подходы для автоматической классификации высокоподобных акустических сигналов, регистрируемых при трении, могут быть использованы для анализа других непрерывных процессов, например, аэродинамических или кавитационных.

Полученные представления о связи процессов изнашивания поверхностей трения с параметрами акустических сигналов позволяют решить задачи по снижению трудоёмкости, расширению информативности и эффективности существующих и новых методик подбора пар трения, смазочных материалов и испытания узлов трения.

Разработанные критерии и методы оценки предельного состояния смазочных материалов и трибоузлов машин и механизмов по параметрам акустических сигналов могут быть применены для входного контроля, мониторинга и диагностики их состояния во время эксплуатации.

Разработанная АЭ-методика определения критических нагрузок на четырёхшариковой машине трения позволила снизить трудоемкость испытаний смазочных материалов по сравнению со стандартной методикой на порядок. акустический смазочный трибологический трение

Разработанные методики и АЭ-установка «ЭЯ-1» прошли апробацию в лаборатории трения и смазочных материалов ОАО «АвтоВАЗ». По результатам проделанной работы подана заявка на патент (№ 2008108634) и создана модернизированная установка «ЭЯ-2», удостоенная медалью на 6-й международной специализированной выставке «ЛабораторияЭкспо-2008».

Положения, выносимые на защиту:

Усовершенствованный амплитудно-теневой способ исследования диссипативных свойств смазочных материалов на основе спектрального и кластерного анализа акустических сигналов.

Результаты исследования спектральных особенностей акустических сигналов, регистрируемых при испытании смазочных материалов, по амплитудно-теневому способу.

Закономерности проявления акустических сигналов при смене и действии различных доминирующих механизмов изнашивания.

Способ идентификации смены механизмов изнашивания от нормального к интенсивному в режиме реального времени, основанный на анализе поведения энергетических характеристик акустических сигналов и их медианных частот.

Результаты применения параметра «огибающая акустических сигналов» для мониторинга, идентификации задира и ускорения трибологических испытаний на четырёхшариковой машине трения.

Работа выполнялась в рамках грантов: № 07-08-96621-р_поволжье_а, РФФИ «Оценка состояния работы трибосопряжений на основе спектрального анализа сигналов акустической эмиссии»; № А 04-3.18-239 поддержка НИР аспирантов гоу впо РФ «Разработка критериев оценки работы узлов трения методом акустической эмиссии»; № 122Т3.3К III областного конкурса грантов Самарской области «Разработка методики оценки работы трибосопряжений на основе метода акустической эмиссии».

Личный вклад автора состоит в выборе объектов для исследования, подготовке и проведении всей экспериментальной части, обработке результатов экспериментов и их анализе совместно с научным руководителем, а также подготовке статей к опубликованию, формулировке основных положений и выводов диссертационной работы.

Испытания смазочных материалов ультразвуковым способом выполнены при содействии Криштала М.М., противозадирные и противоизносные испытания смазочных материалов проведены в лаборатории ЛТиСМ ОАО «АвтоВАЗ» при содействии Полунина В.И., Чудинова Б.А. Спектральный анализ акустических сигналов проводился с помощью программного обеспечения, разработанного Разуваевым А.А. и Патланем В.В. (ТГУ, г. Тольятти).

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на Всероссийской научно-технической конференции «Современные тенденции развития автомобилестроения в России» (Тольятти, 2004); I Международной школе «Физическое материаловедение» (Тольятти, 2004); II Международной школе «Физическое материаловедение», XVIII и XIX Уральской школах металловедов-термистов «Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов» (Тольятти, 2006; Екатеринбург, 2008); III Евразийской научно-практической конференции «Прочность неоднородных структур» ПРОСТ 2006 (Москва, 2006); XVI Международной конференции «Физика прочности и пластичности материалов» (Самара, 2006); Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы трибологии» (Самара, 2007).

Публикация результатов. Содержание диссертации изложено в 9 публикациях, в том числе 2-х изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка использованной литературы, включающего 109 наименование отечественных и зарубежных авторов. Объём диссертации - 167 страниц машинописного текста, включая 102 рисунка и 15 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении описаны актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследований, научная новизна, практическая значимость работы и основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава обзорная и состоит из трёх основных разделов и выводов. В главе изложены литературные данные об акустических методах неразрушающего контроля, наиболее известных способах их применения в трибологических испытаниях. Проведён подробный анализ процессов, протекающих при фрикционном взаимодействии, с позиции возможных источников акустических сигналов, рассмотрены типы и характеристики регистрируемых акустических сигналов при действии возможных источников. Особое внимание уделено достоинствам и ограничениям применения существующих информационных параметров оценки сигналов, регистрируемых в акустических методах, и их связи с процессами разрушения.

В конце главы обозначен круг вопросов, которые сдерживают применение акустических методов при трибологических испытаниях. Это: сложность самого процесса трения, несопоставимость условий экспериментов и отсутствие устойчивых критериев оценки работы узлов трения по акустическим сигналам. Кроме этого, практически не исследованы вопросы, связанные с расширением возможностей и ускорением существующих методик исследования трибологических свойств смазочных материалов за счёт применения акустических методов.

Сформулирована цель и поставлены задачи исследования. Ключевым выводом первой главы является решение об использовании в активных и пассивных акустических методах при трибологических испытаниях универсального комплекса, реализованного на базе аппаратуры метода акустической эмиссии с применением методики спектральной обработки акустической информации.

Вторая глава содержит описание методов исследования и использованных материалов и включает в себя четыре раздела. Для решения поставленных задач были выбраны два принципиально разных метода трибологических испытаний: активный и пассивный.

В качестве первого (глава 3) использован активный ультразвуковой (УЗ) метод исследования диссипативных свойств смазочных материалов предложенный Чудиновым Б.А. и Кришталом М.М. Чудинов Б.А. Новые методы испытания пластичных смазок при пульсирующей нагрузке и с применением акустического воздействия / Б.А. Чудинов, М.М. Криштал // Материалы международного научно-практического симпозиума: «Славянтрибо-5 Наземная и космическая трибология - 2000: проблемы и достижения». - С.-Петербург. - 2000. - С. 97-99.⁾ Способ заключается в том, что при пропускании через макрослой смазки, размещаемой в специальной ячейке, непрерывным излучением УЗ колебаний при заданной амплитуде и частоте входных импульсов, выходные (прошедшие через макрослой смазки) регистрируются по «теневому» методу УЗ дефектоскопии, а диссипативные свойства смазочных материалов определяются путём сравнения амплитуды входных и выходных импульсов. В процессе проведения работы методика и аппаратура указанного способа определения диссипативных свойств смазочных материалов были усовершенствованы. В качестве нагружающего устройства применён генератор калиброванных импульсов, в качестве приёмного устройства - акустико-эмиссионный комплекс с широкополосным диапазоном работы (рисунок 1), что в сочетании позволило наиболее полно использовать преимущества спектрального анализа акустических сигналов.

В качестве второго (глава 4) использован стандартизированный (ГОСТ 9490-75) метод определения трибологических характеристик (противозадирных и противоизносных свойств) смазочных материалов на четырёхшариковой машине трения. Выбор четырёхшариковой машины трения (ЧШМ) обусловлен тем, что она позволяет спровоцировать задир и сваривание поверхностей трения, обеспечивает постоянство начальных условий трения, методика испытаний имеет чёткую систему распознавания задира, высокую повторяемость и достоверность результатов. Таким образом, использование ЧШМ на этапе выявления связи условий работы пар трения с особенностями регистрируемых акустических сигналов позволяет свести к минимуму погрешность испытаний, а также имитировать различные механизмы изнашивания и предельные состояния узла трения. При этом установленные на ЧШМ закономерности о связи процесса трения с параметрами акустических сигналов, теоретически, должны быть выполнимы и для других типов машин трения.

Суть методики заключается в испытании узла трения со смазочным материалом при определённых дискретных нагрузках (каждый раз с новым узлом трения и порцией смазки) последовательно в порядке возрастания по ряду, оговоренному методикой. При этом фиксируются: нагрузка, соответствующая задиру, путём сравнения фактического пятна контакта с нормативным (критическая нагрузка Рк); нагрузка, при которой происходит сваривание поверхностей трения при достижении момента трения 120 кгс·см и более (нагрузка сваривания Рс); и по ряду нагрузок и диаметрам пятен износа, выработанных при них, рассчитывается индекс задира И_З. При наличии в нормативно-технической документации дополнительных требований на смазочный материал определяют диаметр пятна износа D_И на основе длительного испытания (30-60 мин) при постоянной нагрузке (10-40 кгс).

Узел трения представляет собой пирамиду из четырёх контактирующих между собой шариков (рисунок 2). Три нижних шарика закреплены неподвижно в чашке с испытуемым смазочным материалом, а верхний вращается относи-

Рисунок 1 Общий вид и принципиальная схема испытательного комплекса

Рисунок 2 Схема четырёхшариковой машины трения, узла трения и корпуса-чашки с установленным преобразователем АЭ

а) б)

Рисунок 3 Типичное изменение амплитуды регистрируемых сигналов за время испытания (а). Изменение амплитуды регистрируемых сигналов в зависимости от уровня задающего воздействия (б)

Рисунок 4 Наложение кривых спектральной плотности сигналов, прошедших через: слева - консистентные смазочные материалы, справа - жидкие среды

Рисунок 5 Кластеризация УЗ сигналов в поле различных информационных признаков

а) б)

Рисунок 6 Вид огибающей АЭ при испытании моторного масла на нагрузки Рк и Рс по ГОСТ 9490-75 (а) и по нестандартной АЭ-методике испытания (б)

а) б)

Рисунок 7 Изменение уровня огибающей АЭ при циклическом нагружении узла трения (без разборки узла трения): а) - при наличие задира, б) - без задира

Рисунок 8 Вид огибающих АЭ и поверхности пятен износа после испытаний по оригинальной методике непрерывного нагружения

Рисунок 9 Пример эволюции спектральной Рисунок 10. Усредненные спектры групп плотности регистрируемых сигналов АЭ при основных групп сигналов АЭ испытании на ЧШМ

Рисунок 11 Кластеризация основных групп в координатах энергия - медианная частота энергии и медианной частоты сигналов АЭ

Рисунок 13 Изменение средних значений за время испытания

Рисунок 12 Типичное распределение основных групп сигналов АЭ по времени приходательно них под заданной нагрузкой с частотой вращения 1460 ± 70 об/мин. Проворачивание трёх нижних шариков в процессе испытания не допускается

Для исследования в обоих трибологических методах использовались: консистентные смазки «Литол-24» ГОСТ 21150-87, «Шрус-4М» ТУ 38.401-58-128-95, «Renolit IP 1619», «Фиол-1», «Unirex-3»; моторное масло «Лукойл-Стандарт» с индексом вязкости SAE10W-40 ТУ 0253-072-00148636-95; дистиллированная вода ГОСТ 6709-72, а также водопроводная и кипячёная вода. Узел трения ЧШМ, состоит из четырёх шариков Ш12,7 мм, сталь ШХ-15 ГОСТ 801-78 (размеры и материал стандартизированы ГОСТ 9490-75).

Акустические сигналы регистрировали с помощью широкополосного пьезоэлектрического преобразователя. Сбор данных в процессе испытаний проводился с помощью АЭ-комплекса «ЭЯ-1» (рисунок 1), разработанного в Тольяттинском государственном университете, по двум синхронизированным каналам в диапазоне частот 50кГцч1МГц при общем усилении 10². В одном из них с помощью 14-разрядного АЦП с частотой 1000 Гц осуществляли оцифровку и запись огибающей акустических сигналов, во втором с помощью 12-разрядного АЦП с частотой выборки 6,25 МГц обрабатывались мгновенные значения отдельных акустических сигналов.

Для каждого акустического сигнала выполнялось дискретное преобразование Фурье (по алгоритму БПФ Кули-Тьюки) и вычислялись: спектр мощности, сглаживаемый скользящим окном, энергия, амплитуда, медианная частота (частота, делящая площадь под кривой спектральной плотности на две равные части), центральная частота (частота при максимуме спектральной плотности) и др. параметры. Далее проводили сортировку всех сигналов на группы на основании критерия подобия кривых спектральной плотности. В качестве меры подобия спектрограмм применялся коэффициент аппроксимации (R²) используемый в математической статистике для оценки достоверности аппроксимации двух кривых. Мерсон Д.Л. Применение методики анализа спектральных образов сигналов акустической эмиссии для исследования повреждаемости покрытий TiN на стальной подложке / Д.Л. Мерсон, А.А. Разуваев, А.Ю. Виноградов // Дефектоскопия. - 2002. - №7. - С. 37-46.⁾

Размеры пятна контакта и состояние поверхностей трения изучали с помощью микроскопов фирмы Zeiss модели Stemi-2000C и Axiovert 40 MAT с увеличением от 1 до 100 раз.

Третья глава посвящена изложению результатов исследования диссипации механической энергии слоем смазочного материала, на основе анализа изменения амплитуды и искажения спектра задающего механического воздействия в виде акустических импульсов с применением универсального аппаратно-программного комплекса.

Оценка влияния акустического тракта и режимов акустического воздействия на устойчивость (стабильность) параметров регистрируемых акустических сигналов показала, что наиболее устойчивыми параметрами являются: амплитуда, медианная частота и форма кривой спектральной плотности; при сравнении выходных сигналов разных смазочных материалов - дополнительно: энергия, среднеквадратичное значение сигнала, эффективная ширина спектра, центральная частота. Установлено, что искажения, вносимые акустическим трактом, можно считать постоянными при условии одинакового акустического воздействия, что обеспечивалось стабильностью выходных характеристик задающего тракта установки.

При разных амплитудах акустического воздействия, неизменного в течение одного эксперимента, выявлено критическое значение задающего воздействия, при котором и выше, происходит изменение характера кривой «амплитуда-время» регистрируемых сигналов с возрастающей (рисунки 3а и 3б) на убывающую (рисунок 3б). Возрастающий характер кривой амплитуда-время, связан со снижением затухания импульсов в «чистом» от газовой фазы смазочном материале или с минимальным её количеством, т.к. под действием задающего воздействия наблюдается выделение газовой фазы из смазочного материала, её коагуляция и перераспределение к краям ёмкости. В качестве оценочного критерия диссипативных свойств смазочных материалов применяли пиковую амплитуду сигналов (рисунок 3а). Убывающий характер кривой «амплитуда-время» сопровождается превращением смазочного материала во вспененную однородную массу, что согласно литературным данным и нашим наблюдениям, связано: с возникновением кавитации, изменением физико-химических свойств (качества) исследуемого материала, капиллярными эффектами.

Увеличение длительности задающих импульсов приводит к уменьшению «активности» акустического воздействия, поэтому на изменение качеств смазочного материала не влияет (при амплитудах ниже критического значения), при этом кривая амплитуда-время «выпрямляется» и время выхода на постоянный уровень увеличивается.

Уменьшение периода задающих импульсов приводит к увеличению частоты воздействия, что при постоянной амплитуде (ниже критического значения) также приводит к изменению характера кривой амплитуды регистрируемых импульсов с возрастающей на убывающую и изменению качества исследуемого материала.

Определение диссипативных свойств смазочных материалов данным способом может быть сокращено до времени следующее сразу после точки выхода на насыщение, т.к. уровень амплитуды регистрируемых сигналов далее не меняется.

Исследование изменения спектральных характеристик акустических сигналов, регистрируемых через смазочный материал, проведено на двух фиксированных (по амплитуде, частоте и длительности) режимах нагружения: до критическом, при котором наблюдается возрастающий характер кривой амплитуда-время и после критическом («ударный»), при котором наблюдается убывающий характер кривой «амплитуда-время».

Установлено, что форма кривой спектральной плотности для каждого смазочного материала имеет «свой» характерный вид, что отражает их неодинаковую способность рассеивать энергию механических колебаний на разных частотах.

Основное расхождение кривых спектральной плотности лежит в диапазоне частот выше 300 кГц - для консистентных и выше 200 кГц - для жидких смазочных материалов, отличие между консистентными и жидкими смазочными материалами наблюдается уже с 50 кГц (рисунок 4). Сигналы, прошедшие через пластичные смазочные материалы имеют спектр с приблизительно совпадающей по величинам центральной и медианной частотой. У импульсов, зарегистрированных через жидкие материалы, центральная и медианная частоты смещены в область низких частот. Поэтому применение кластерного анализа позволяет надёжно выявить зоны (кластеры), занимаемые пластичными и жидкими смазочными материалами, в пространстве признаков: энергия-медианная частота, медианная-центральная частота, энергия-среднее значение амплитуды сигнала и др. (рисунок 5).

При «ударном» режиме нагружения за время эксперимента происходит искажение спектра регистрируемых сигналов, что является показателем изменения качества испытуемого материала за время испытания.

Полученные результаты позволили усовершенствовать существующий УЗ способ исследования диссипативных свойств смазочных материалов за счёт применением спектрального анализа акустических сигналов. Результаты кластерного анализа могут быть положены в основу разработки нового способа идентификации различных материалов по параметрам акустических сигналов.

Четвертая глава посвящена исследованию противоизносных и противозадирных свойств смазочных материалов на четырёхшариковой машине трения (ЧШМ) с применением пассивного метода акустического контроля - метода акустической эмиссии (АЭ). Анализ литературных данных показал, что наиболее перспективным в данном направлении является совместное применение интегрального параметра (огибающая АЭ) и спектрального анализа отдельных акустических сигналов по методике распознавания спектральных образов. В результате проведённых экспериментов установлено следующее.

Общие закономерности изменения огибающей АЭ. Наличие задира по стандартизированной методике ГОСТ 9490-75 в 100% случаев подтверждается резким (в несколько раз) возрастанием уровня огибающей АЭ (рисунок 6а). Уровень огибающей АЭ до задира, при неизменной нагрузке, всегда ниже, чем после задира, что связано с изменением пятна контакта и рельефа контактных поверхностей. При длительных испытаниях (определение D_И) вышеуказанная связь огибающей АЭ с процессом трения также сохраняется.

Возможности ускорения трибологических испытаний с помощью огибающей АЭ. В работе показано, что оценка критической нагрузки - Р_к и нагрузки сваривания - Р_с в ходе испытаний по параметрам АЭ (Р_к^аэ и Р_с^аэ) возможна путём непрерывного или ступенчатого изменения нагрузки без замены шариков и порции смазки (рисунок 6б). Эксперименты проводились при ступенчатом режиме непрерывного нагружения с выдержками между ступенями 10, 5, 3 и 2 секунды при испытании моторных масел; 5 и 10 секунд при испытаниях пластичных смазочных материалов.

Таблица 1

Найденные методом АЭ значения нагрузки Р_к^аэ и Р_с^аэ оказываются несколько выше, чем Р_к и Р_с, определяемые согласно ГОСТ 9490-75 (таблица 1), что связано с формированием пятна контакта на предыдущих этапах (нагрузках) испытания. По этой же причине нагрузку Р_с^аэ удалось определить не для всех смазочных материалов. Указанные недостатки могут быть устранены путём применения непрерывного нагружения по нелинейному закону и/или введением поправочных коэффициентов. Использованная АЭ-методика позволила сократить общее время испытания по оценке нагрузок Р_к и Р_с более чем в 50 раз.

Оценка предельного состояния узлов трения по огибающей АЭ основана на периодической регистрации уровня огибающей АЭ и постоянном сопоставлении значений между собой (рисунок 7). Установлено, что после задира уровень огибающей АЭ даже при снижении нагрузки на узел трения выше своего предзадирного значения не менее чем на 30 %. Это позволяет выявить произошедший задир или другой ускоренный режим изнашивания, связанный с резким ростом пятна контакта.

Мониторинг формирования рельефа поверхности трения по огибающей АЭ осуществляется на основе непрерывной регистрации уровня и характера изменения огибающей АЭ. Установлено, что при непрерывном ступенчатом нагружении узла трения ЧШМ до нагрузки выше критической кривая огибающей АЭ для каждого смазочного материала имеет свой характерный вид на участках: приработка, предзадирное состояние, задир, приработка после задира. По серии испытаний были сформулированы закономерности изменения вида кривой огибающей АЭ с формированием рельефа пятна контакта, в частности, если при задире имеет место пикообразное изменение уровня огибающей АЭ - пятно контакта имеет вид равномерно оттеснённого по всей поверхности контакта слоя материала с неглубокими частыми царапинами; если задир сопровождается кривой огибающей АЭ в виде отрезка с осцилляциями уровня - на пятне контакта наблюдается пластическое оттеснение макрообъёмов материала в виде глубоких борозд (рисунок 8).

Спектральный состав и энергия сигналов АЭ при трении. При трении регистрируется множество акустических сигналов в виде непрерывной АЭ, основную долю спектра которых составляют источники установившихся одновременно протекающих «несущих процессов». Большинство сигналов АЭ имеет близкий спектральный состав, при этом незначительные отличия между сигналами АЭ связаны с действием доминирующего механизма изнашивания в каждый конкретный момент времени, что отражается в перераспределении энергии по частотным областям спектра регистрируемых сигналов (рисунок 9).

Для разделения на группы регистрируемых высокоподобных акустических сигналов использовался коэффициент аппроксимации - R² (степень подобия кривой спектральной плотности). Экспериментально установлено, что надёжное разделение сигналов АЭ на группы происходит при значении R² = 85%* Заметим, что для разделения сигналов АЭ от различных механизмов пластической деформации, при механических испытаниях материалов, достаточно R² = 30…40%.*. При этом стабильно формируются 4 основные группы сигналов АЭ со степенью схожести между группами 45 ч 75 %, усреднённые спектры которых представлены на рисунке 10.

Установлено, что сигналы, образующие группу 1 (74ч77% от общего количества сигналов), в координатах энергия - медианная частота кластеризуются в полосе частот 65-78 кГц и значительно различаются между собой по энергии. Сигналы 2-й группы (11ч16 %) имеют меньшие значения медианных частот и кластеризуются в интервале 50-65 кГц. Сигналы группы 3 (4ч7 %) и 4 (1ч4%) характеризуются малыми энергиями и большим разбросом медианных частот (50ч220 кГц). Типичное разделение сигналов АЭ на кластеры в координатах энергия - медианная частота показано на рисунке 11.

Анализ сигналов АЭ по времени прихода (рисунок 12) в сопоставлении с металлографическими исследованиями позволил установить следующее. При нагрузке, не превышающей критическую Р_к, формирование пятна контакта начинается с текстурирования поверхности в направлении вращения. Одновременно наблюдаются точки с очагами высокотемпературного схватывания и области с «синевой перегрева». При указанных нагрузках в основном регистрируются сигналы групп 1 и 3. Однако, если сигналы 1-й группы сопровождают процесс трения и при более высоких нагрузках, то сигналы 3-й группы существуют только до момента задира.

При испытаниях под нагрузкой Р_к и выше в основном регистрируются сигналы групп 1 и 2. Причём сигналы 2-й группы имеют меньшие значения медианных частот, что говорит о более высоком масштабном уровне событий. Сигналы группа 4 присутствуют не во всех испытаниях и кластеризуется в области малых энергий. При этом на пятнах контакта наблюдаются: пластическое оттеснение металла, трещины скалывания оттеснённого металла различных размеров, места схватывания в виде точек и областей с «синевой перегрева».

Обобщение всех результатов, включая литературные данные, позволило сделать следующие предположения о природе происхождения сигналов АЭ: сигналы 1 группы, регистрируются при любых условиях нагружения и связаны с упругопластическим взаимодействием микронеровностей. Сигналы 3 группы связанны с микрорезанием (царапанием) поверхностей и отделением частиц износа. При смене режима изнашивания сигналы АЭ 3-й группы заменяются сигналами 2-й группы. Сигналы 2 группы наиболее многочисленны во время задира и, очевидно, связаны с процессами интенсивной пластической деформации материала. Об этом же свидетельствует снижение медианной частоты (переход процесса износа на более высокий масштабный уровень). Регистрируемые в переходный момент сигналы АЭ, отнесенные к 4-й группе, характеризуются большим разбросом по медианной частоте и связаны с процессами повреждаемости материала и отделением продуктов износа различных размеров.

На основании проведенных исследований, в данной главе, сделан следующий основной вывод: смена режимов трения, т.е. переход от нормального режима изнашивания к катастрофическому (задиру), сопровождается резким увеличением энергии (амплитуды) сигналов в сочетании с уменьшением их медианной частоты. Такое поведение характеристик акустической эмиссии позволяет создать алгоритм стабильной (исключающей влияние помех) идентификации задира в процессе мониторинга узла трения (рисунок 13), а сортировка сигналов АЭ по подобию кривых спектральной плотности - идентифицировать доминирующие механизмы износа (рисунок 12).

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

Показана эффективность применения при трибологических испытаниях в режиме реального времени следующих параметров акустических сигналов: для характеристики процесса в целом - огибающей акустических сигналов и средней медианной частоты, для детализации процессов - амплитуда (пиковая, средняя), энергия, медианная и центральная частоты, форма кривой спектральной плотности.

Для каждого смазочного материала спектральный состав прошедших через него акустических сигналов (при идентичном воздействии на входе) индивидуален, при этом наличие газовой фазы в смазочном материале существенного влияния на вид кривой спектральной плотности не оказывает.

Применение методики разделения сигналов в поле различных информационных признаков, например, «энергия - медианная частота» или «энергия - среднее значение амплитуды сигнала», позволяет надежно классифицировать смазочные материалы амплитудно-теневым способом.

С увеличением амплитуды и/или частоты следования задающих импульсов уменьшается время выхода на насыщение оценочных параметров диссипации механической энергии смазочным слоем. Изменение кривой спектральной плотности акустических сигналов со временем в процессе испытания одного смазочного материала амплитудно-теневым способом связано с изменением его качеств (состояния).

Установлено, что характерный вид кривой огибающей сигналов АЭ определяется особенностями формирования рельефа поверхностей трения. Резкое изменение величины (в несколько раз) уровня огибающей сигналов АЭ отражает смену доминирующего механизма изнашивания поверхностей трения. При нормальном изнашивании величина уровня огибающей АЭ связанна с размером пятна контакта.

При трибологических испытаниях регистрируется непрерывная АЭ, спектральный состав сигналов которой в целом однороден. Наблюдаемые значимые изменения в спектральном составе сигналов АЭ свидетельствуют о включении в работу нового механизма изнашивания. Выявлено наличие четырёх основных типов сигналов АЭ и установлено, что сигналы первого типа связаны с упругопластическим контактированием, второго - с пластическим оттеснением металла, третьего - с микрорезанием и отделением частиц износа, четвёртого - с процессами повреждаемости материала и отделением продуктов износа различных размеров.

Повышение масштабного уровня происходящих процессов при трении сопровождается увеличением энергии в сочетании со снижением средней медианной частоты сигналов АЭ. Параллельная регистрация данных параметров позволит существенно повысить эффективность и надежность систем контроля и диагностики работы узлов трения.

Разработанная на основе метода АЭ методика испытания смазочных материалов позволила снизить трудоемкость определения критических нагрузок на четырёхшариковой машине трения, как минимум в 50 раз.

Публикации автора по теме диссертации

1. Криштал М.М. Ультразвуковой способ исследования диссипативных (демпфирующих) свойств консистентных смазок на основе метода и аппаратуры акустической эмиссии / М.М. Криштал, Д.Л. Мерсон, И.А. Растегаев // Сборник трудов Всероссийской научно-технической конференции «Современные тенденции развития автомобилестроения в России». Тольятти: ТГУ, 2004. Т.4. С. 128-131.

2. Мерсон Д.Л. Применение ультразвукового способа исследования диссипативных (демпфирующих) свойств консистентных смазок / Д.Л. Мерсон, М.М. Криштал, И.А. Растегаев // Тезисы докладов I Международной школы «Физическое материаловедение». Тольятти: ТГУ, 2004. С. 56.

3. Мерсон Д.Л. Способ исследования диссипативных (демпфирующих) свойств смазочных материалов / Д.Л. Мерсон, М.М. Криштал, И.А. Растегаев // Тезисы докладов II Международной школы «Физическое материаловедение», XVIII Уральской школы металловедов-термистов «Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов». Тольятти: ТГУ, 2006. С. 23.

4. Мерсон Д.Л. Определение трибологических характеристик смазочных материалов с применением метода акустической эмиссии / Д.Л. Мерсон, И.А. Растегаев // Тезисы докладов III Евразийской научно-практической конференции «Прочность неоднородных структур». Москва: МИСиС, 2006. С. 198.

5. Мерсон Д.Л. Мониторинг формирования рельефа поверхности трения по огибающей сигналов акустической эмиссии / Д.Л. Мерсон, И.А. Растегаев // Сборник трудов международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы трибологии» - Москва: Машиностроение, 2007. Т.3. С. 401-413.

6. Растегаев И.А. Способ исследования диссипативных свойств жидких сред на основе регистрации ультразвуковых волн аппаратными средствами акустической эмиссии / И.А. Растегаев, М.М. Криштал, Д.Л. Мерсон // Сборник трудов международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы трибологии» - Москва: Машиностроение, 2007. Т.3. С. 511-525.

7. Мерсон Д.Л. Изучение процессов разрушения поверхностей, деформируемых трением, методом акустической эмиссии / Д.Л. Мерсон, В.И. Полунин, Б.А. Чудинов, И.А. Растегаев, А.А. Разуваев // Трение и смазка в машинах и механизмах - 2007. №8. С. 9-13. Рекомендовано в ВАК.

8. Растегаев И.А. Исследование связи параметров акустической эмиссии с процессами износа при трибологических испытаниях / И.А. Растегаев, Д.Л. Мерсон, Е.В. Мезенцева // XIX Уральская школа металловедов-термистов «Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов», посвящённая 100-летию со дня рождения академика В.Д. Садовского. Сборник материалов - Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2008. С. 280.

9. Растегаев И.А. Экспресс-методика испытаний смазочных материалов на четырёхшариковой машине трения с применением метода акустической эмиссии / И.А. Растегаев, Д.Л. Мерсон // Известия Самарского научного центра РАН, специальный выпуск «Технологии управления организацией. Качество продукции и услуг» - Самара: Издательство Самарского научного центра РАН, 2008. Выпуск 8. С. 101-105. Рекомендовано в ВАК.

10. Способ идентификации динамики переходных процессов и разрушения при трении по спектральным параметрам сигналов акустической эмиссии / Д.Л. Мерсон, И.А. Растегаев; заявитель и правообладатель Тольяттинский государственный университет - заявка на изобретение зарегистрирована за № 2008108634 приоритет от 05.03.2008г.

Размещено на Allbest.ru