ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение..................................................................4
1. Акустические методы оценки свойств смазочных и контактирующих материалов................................................9
1.1. Применение акустических методов при трибологических испытаниях...........................................................9
1.1. /. Акустические методы контроля материалов.....................9
1.1.2. Известные способы применения акустических методов при трибологических испытаниях.....................................16
1.2. Источники акустических сигналов, регистрируемых при испытании смазочных и контактирующих материалов.....................21
1.2.1. Калиброванные источники акустических сигналов...............21
1.2.2. Случайные источники акустических сигналов...................24
1.2.2.1. Основные понятия и представления о процессах в зоне фрикционного взаимодействия.....................................24
1.2.2.2. Особенность акустических явлений при фрикционном взаимодействии..................................................29
1.3. Параметры акустических сигналов и их информативность.............35
1.4. Выводы и постановка задачи исследования..........................55
2. Материалы и методы исследования......................................57
2.1. Метод акустической эмиссии.......................................57
2.2. Трибологические методы исследования свойств смазочных материалов..........................................................67
2.2.1. Ультразвуковой метод исследования диссипативных (демпфирующих) свойств смазочных материалов....................67
2.2.2. Метод определения трибологических характеристик смазочных материалов на четырёхшариковой машине трения.........69
2.3. Методы микроскопического исследования............................72
2.4. Материалы и образцы..............................................73
3. Применение спектрального анализа акустических сигналов для исследования диссипации механической энергии смазочным
слоем...................................................................74
3.1. Общие закономерности.............................................74
3.2. Влияние акустического тракта на параметры регистрируемых сигналов............................................................76
3.3. Влияние режима акустическою воздействия..........................77
2
3.3.1. Влияние амплитуды акустического воздействия....................78
3.3.2. Влияние длительности акустического воздействия.................79
3.3.3. Влияние периода следования импульсов...........................80
3.3.4. Влияние количества пропущенных импульсов.......................81
3.4. Влияние других факторов эксперимента............................
3.5. Спектральный анализ импульсов прошедших через смазочный материал с применением методики обработки сигналов АЭ..............82
3.5.1. Спектральные особенности регистрируемых сигналов...............82
3.5.2. Сопоставление результатов испытаний различных смазочных материалов с применением методики спектрального анализа сигналов АЭ...................................................87
3.5.3. Дополнительные критерии оценки диссипативных свойств смазочных материалов акустическим способом.........................91
3.6. Выводы...........................................................95
4. Применение энергетических параметров акустических сигналов для оценки свойств смазочных материалов в режиме работы узлов трения.....................................................97
4.1. Мониторинг и оценка состояния поверхностей трения по огибающей сигналов акустической эмиссии............................98
4.1.1. Общие закономерности изменения, огибающей акустической эмиссии при испытаниях на четырёхшариковой машине трения...........98
4.1.2. Ускорение трибологических испытаний с помощью огибающей сигналов акустической эмиссии...........................103
4.1.3. Оценка предельного состояния узлов трения по огибающей сигналов акустической эмиссии.....................................107
4.1.4. Мониторинг формирования рельефа поверхности трения по огибающей сигналов акустической эмиссии...........................109
4.2. Идентификация механизмов разрушения поверхностей трения на основе спектрального анализа сигналов акустической эмиссии........123
4.2.1. Спектральный состав и энергия отдельных сигналов акустической эмиссии..............................................123
4.2.2. Применение спектрального анализа сигналов акустической эмиссии для идентификации механизмов разрушения поверхностей трения...............................................................131
4.3. Выводы..........................................................156
Заключение.............................................................157
Библиографический список использованной литературы.....................159
3
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы. Подсчитано, что материальные потери от трения и износа в развитых государствах достигают 4...5 % национального дохода, а преодоление сопротивления зрения поглощает во всём мире 20...25 % вырабатываемой за год энергии [1]. Одним из главных направлений снижения этих потерь является совершенствование смазочных материалов. Поэтому исследованию свойств смазочных материалов во всём мире уделяется самое пристальное внимание. Например [2], около 20% объёма финансирования работ по трибологии в США направляется только на стимулирование работ по смазочным материалам.
Нссмогря на то, что во всём мире исследование смазочных материалов является приоритетным направлением трибологии, например, в настоящее время только в химмотологии смазочных материалов насчитывается порядка 600 различных методик испытания [3], принципиально новые смазочные материалы создаются один раз в 10-15 лег [1]. Во многом это объясняется несовершенством приборного и методического обеспечения, необходимого для оценки изменения качества смазочного материала, обнаружения момент потери несущей способности и отслеживания динамики процесса изнашивания непосредственно в режиме испытания. Существующие методики и средства оценки критического состояния смазочных материалов, как правило, основаны не на контроле физических процессов, происходящих в трибосопряжении, и поэтому для принятия решений требуют остановки испытаний и разборки узла трения.
Основными причинами, препятствующими развитию методов и средств трибологических испытаний, являются: сложность и недостаточная изученность самого процесса трения, малые размеры и недоступность для исследования трибоконтакта, адекватное изучение которого возможно только в системе «тело -смазочный материал - контр тело».
Многими авторами показано, что одними из наиболее эффективных средств обеспечения трибоиепытаний являются акустические методы. Они позволяют определять состав, дефектность и свойства исследуемого объекта, инвариантны к материалу объекта исследования, дают возможность получать информацию об объекте исследования в режиме реального времени (в случае узла фения без его остановки и разборки).
4
Для эффективного применения акустических методов контроля при решении трибологических задач необходимо на новом уровне решить ряд вопросов по фильтрации, сортировке и обработке большого количества данных, повышению помехоустойчивости, и, самое главное, по поиску связей между регистрируемыми акустическими сигналами и протекающими процессами, явлениями, сопровождающими или приводящими к критическому состоянию объекта исследования.
Цель работы. Повышение информативности и эффективности применения акустических методов для исследования трибологических свойств смазочных и контактирующих материалов.
Для достижения этой цели требовалось решить следующие задачи.
1. Выбрать трибологические методы испытания смазочных материалов, позволяющие
обеспечить максимальную воспроизводимость результатов экспериментов, высокую надёжность распознавания и категорирования происходящих процессов.
2. Для выбранных трибологических методов испытаний смазочных материалов выявить влияние условий проведения экспериментов на параметры акустических сигналов и выбрать оптимальные режимы испытания.
3. Проанализировать энергетические и спектральные характеристики регистрируемых
акустических сигналов во время испытания смазочных материалов и выбрать наиболее чувствительные параметры для их оценки.
4. Установить связь между параметрами регистрируемых акустических сигналов и предельным состоянием смазочного материала или узла трения для выбранных схем трибологических испытаний.
5. Установить связь между параметрами регистрируемых акустических сигналов и формированием рельефа поверхностей трения.
Научная новизна.
• Впервые показано, что наличие газовой фазы в смазочном материале не оказывает критического влияния на вид кривой спекгральной плотности акустических сигналов, пропускаемых через смазочный материал.
• Экспериментально установлено, что вид кривой спекгральной 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 четырёхшариковой машине трения, 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.
Положения, выносимые на защиту:
1. Усовершенствованный амплитудно-теневой способ исследования диссипативных свойств смазочных материалов на основе спектрального и кластерного анализа акустических сигналов.
2. Результаты исследования спектральных особенностей акустических сигналов, регистрируемых при испытании смазочных материалов, по амплитуднотеневому способу.
3. Закономерности проявления акустических сигналов при смене и действии различных доминирующих механизмов изнашивания.
4. 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.
5. Результаты применения параметра «огибающая акустических сигналов» для мониторинга, идентификации задира и ускорения трибологических испытаний на четырёхшариковой машине трения.
6
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 высокоподобпых 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 но сравнению со стандартной методикой на порядок.
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 медалыо на 6-й международной специализированной выставке «ЛабораторияЭкспо-2008».
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы доклады вались на Всероссийской научно-технической конференции «Современные тенденции развития автомобилестроения в России» (Тольятти, 2004); I Международной школе «Физическое материаловедение» (Тольятти, 2004); И Международной школе «Физическое материаловедение», XVIII и XIX Уральской школах металл оведов-тсрмистов «Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов» (Тольятти, 2006; Екатеринбург, 2008); 111 Евразийской научно-практической конференции «Прочность неоднородных
7
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.
8
ГЛАВА 1. АКУСТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОЦЕНКИ СВОЙСТВ СМАЗОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ
1.1. Применение акустических методов при трибологических испытаниях.
1.1.1. Акустические методы контроля материалов.
Физические основания широкого применения акустики в технике можно свести к трём первичным явлениям [4, 5]:
1). Акустические волны возникают каждый раз, когда колеблющееся тело приводится в соприкосновение с упругой средой.
2). Акустические колебания в процессе своего распространения обладают всеми свойствами и явлениями волнового движения (интерференция, дифракция, реверберация, рассеяние и т.д.) и скорость распространения колебаний тем больше, чем выше отношение упругости среды к её плотности.
3). Кинетическая энергия передаётся колеблющимися частицами среды в каждой точке соприкосновения контактирующих тел без переноса вещества, что при применении надлежаще устроенного прибора может служить детектором или измеренным показателем акустической энергии.
Акустические явления сразу же заинтересовали многих исследователей в разных областях науки и техники, так как акустические колебания: имея различную физическую природу, сопровождают почти все известные физико-химические процессы; коррелируют с их характеристиками и кинетикой их развития; распространяются в виде механических волн в различных средах и на большие расстояния. Тем самым акустические колебания открывают заманчивую перспективу оценить структурные преобразования и процессы, происходящие в материалах по параметрам регистрируемых акустических сигналов и на этой основе прогнозировать поведение, определять свойства и остаточный ресурс материалов, изделий, конструкций. Что, в зависимости ог цели, нашло отражение в различных акустических методах исследования материалов.
В настоящее время акустические методы нашли широкое применение и их классификация, термины и техническое применение регламентированы многими нормативно-техническими документами, базовыми из которых являются [6, 7, 8].
Анализ нормативной документации показал, что наибольшее распространение и развитие получили акустические методы при неразрушающем контроле различных материалов (дефектоскопии). Основными акустическими методами дефектоскопии выделяют следующие [9]:
Рисунок 1.1. Классификация акустических методов контроля [9]
Из рисунка 1.1 видно, что акустические методы разделяются на две большие группы - активные и пассивные. Активные методы основаны на излучении упругих волн и их приёме, пассивные - только на приёме волн, источником которых служат явления и процессы, возникающие в контролируемом объекте. Активные методы в основном применяются для обнаружения статических (неактивных) несплошностей и отклонений свойств материалов без какого-либо нагружения объекта исследования. Пассивные методы используются при провоцировании источников акустических сигналов различными способами с целью обнаружения нестабильных несплошностей и слежения за их развитием, оценки происходящих процессов и выявления отклонений в режиме работы, испытания контролируемого объекта. Рекомендуется совместное применение активных и пассивных акустических методов в различных вариациях, что позволяет получить наиболее полную картину, как о «стабильных», так и о «нестабильных» дефектах, свойствах и процессах, происходящих в объекте исследования.
10
В рамках данной работы нет необходимости рассматривать все виды акустических методов неразрушающего контроля, поэтому остановимся лишь на тех, которые но литературным данным в том или ином виде адаптированы для исследования трибологических материалов и рассмотрим их подробнее.
- Методы прохождения основаны на излучении и приёме волн, однократно прошедших через объект контроля в любом направлении и анализе га параметров
[7]. Исторически методы прохождения применялись только для обнаружения нссплошностей, меняющих параметры сквозного сигнала вследствие образования за дефектом акустической тени. Затем эти методы начали использоваться для контроля прочности, пористости, структуры и других параметров материала, не связанных с наличием акустической тени [9].
К методам прохождения относятся:
Рисунок 1.2. Методы прохождения [9]: а) - теневой, б) - временной теневой, в) - велосиметрический, 1 - генератор, 2 - излучатель, 3 -объект контроля, 4- приёмник, 5 -усилитель, 6 - измеритель амплитуды, 1 - измеритель времени
пробега, 8 - измеритель фазы
Амплитудный теневой метод, основанный на регистрации уменьшения амплитуды волны, прошедшей через контролируемый объект, вследствие наличия в нём дефекта (рисунок 1.2а).
Временной теневой метод, основан на анализе увеличения времени прохождения упругих колебаний, обусловленного наличием дефекта в объекте контроля (рисунок 1.26).
и
Велосгшетрический метод, основан на анализе изменения скорости упругих колебаний, обусловленного наличием дефекта в объекте контроля (рисунок 1.2в).
- Методы отражения основаны на излучении акустических колебаний, отражении их от поверхности раздела двух сред и анализе параметров отраженных ішпульсов [7]. Наиболее широкое применение в исследовании свойств материалов, здесь нашли эхо-метод и реверберациоиный метод.
Эхо импульсный акустический метод (эхо-метод) основан на анализе параметров акустических импульсов, отражённых от дефектов и поверхностей объектов контроля (рисунок 1.3а).
Реверберациоиный метод основан на анализе времени объёмной реверберации в объекте контроля т.е. используется влияние дефекта на время затухання многократно отражённых импульсов в контролируемом объекте (рисунок 1.36).
11 I
а)
Рисунок 1.3. Методы отражения [9]: а) - эхо-метод, б) - реверберациоиный, 1 - генератор, 2 - излучатель, 3 - объект контроля, 4-приемник, 5-усилитель, б - синхронизатор, 7 - индикатор
- В комбинированных.методах используют принципы, как прохождения, так и отражения акустических волн. Здесь можно выделить:
Метод акустоупругости, основан на измерении скорости распространения упругих колебаний, зависящей от физико-мсханических свойств или напряжённо-деформированного состояния объекта контроля [7]. Может быть выполнен как по схеме методов прохождения, так и отражения.
- Методы собственных частот основаны на измерении собственных частот или спектров колебаний контролируемого объекта [9]. Собственные частоты
12
измеряют при возбуждении в изделиях как вынужденных, так и собственных колебании. Свободные колебания обычно возбуждают механическим ударом, вынужденные - воздействием гармонической силы меняющейся частоты. Суть методов сводится к следующему, если собственная частота некоторой зоны с дефектом попадает в диапазон задающих частот, колебания этой зоны усиливаются, выделяя дефектную зону, или наоборот колебания зон с наличием дефектов уменьшают колебания по сравнению с бездефектными зонами.
- Пассивные методы. Пассивные акустические методы разделяются по типу регистрируемых волн и рабочему частотному диапазону (рисунок 1.1). Вибрационно-диагностический и шумодиагностический методы, основаны на исследовании стоячих волн или колебаний объекта контроля. В первом случае анализируют параметры вибраций какой-либо отдельной детали (ротора, подшипника и др.) с помощью приёмника контактного типа, при втором изучают спектр шумов работающего механизма, обычно с помощью микрофонных приёмников. Эти методы применяются для диагностики работающих механизмов.
Метод акустической эмиссии (АЭ) основан на анализе зарегистрированных с помощью высокочувствительных датчиков параметров механических колебаний поверхности материала, как следствие действия источников АЭ и позволяющий классифицировать их по степени опасности. В настоящее время установлено, что источники излучаемых звуковых волн материалом (акустическая эмиссия) находятся на микроуровне и являются следствием локальной и динамической перестройки внутренней структуры материала [10]. Обычно причиной этих явлений служит внешнее воздействие на поверхность тела, например, температура, все, давление, удар, облучение лазером...
Наиболее известными примерами ЛЭ является слышимый треск при разрушении хрупких материалов (дерево, стекло и т.п.) и щелчки при деформации олова («крик олова»). Но в подавляющем большинстве случаев акустические сигналы, излучаемые материалом, невозможно обнаружить на слух, поскольку их частотный диапазон лежит в области десятков и сотен кГц, а амплитуды смещений -чрезвычайно малы. Поэтому фундаментальное изучение данного явления началось с 50-х годов, когда был достигнут необходимый уровень развития техники для
13
регистрации слабых колебаний поверхности (если не учитывать процессы изучения разрушения и подвижек горных пород).
Все многообразие процессов, при которых происходит акустическая эмиссия, условно можно разделить на следующие группы [11 - 16J:
1. Механизмы, ответственные за пластическое деформирование: Процессы, связанные с движением дислокаций (скольжение, аннигиляция, отрыв, размножение дислокаций и т.д.); зериограничное скольжение; двойникование.
2. Механизмы, связанные с фазовыми превращениями и переходами первого и второго рода: Превращения полиморфного типа, в том числе мартснситные; образование частиц второй фазы при распаде пересыщенных твёрдых растворов; фазовые переходы в магнетиках и сверхпроводниках; магнитомеханические эффекты из-за смещения границ и переориентации магнитных доменов при изменении величины внешнего намагничивающего поля.
3. Механизмы, связанные с разрушением: образование и накопление микроповреждений: образование и развитие трещин; коррозионное разрушение, включая коррозионное растрескивание.
Кроме этого к акустической эмиссии в последнее время относят испускание акустических волн, вызванных зрением поверхнос гей твёрдых тел [12, 17, 18], гидродинамическими и (или) аэродинамическими явлениями при протекании жидкости или газа [13, 18, 19, 20, 21], а также излучение звука при
электрохимических процессах [18, 22]. Особенность этих случаев состоит в том, что излучение звука связано преимущественно с внешними по отношению к материалу процессами. Поэтому в настоящее время явление АЭ принято трактовать более широко - как возникновение в среде упругих воли, вызванных изменением ее состояния под действием внешних и внутренних факторов [5].
С начала 90 годов XX столетия явление АЭ получило новый виток в развитии в связи с совершенствованием компьютерной техники. Что наряду с высокой надёжностью позволило накапливать большие объемы информации и осуществлять их высокоскоростную обработку. В настоящее время метод АЭ является самым перспективным из акустических методов контроля т.к. позволяет получать информацию об объекте исследования как в режиме реального времени (in situ), так и
14
- Київ+380960830922