авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 |

Применение методики спектрального анализа акустических сигналов для исследования трибологических свойств смазочных и контактирующих материалов

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

РАСТЕГАЕВ ИГОРЬ АНАТОЛЬЕВИЧ

Применение методики спектрального анализа акустических сигналов для исследования трибологических свойств смазочных и контактирующих материалов

Специальность: 01.04.01 – Приборы и методы экспериментальной физики

Автореферат диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Тольятти 2009

Работа выполнена на кафедре «Материаловедение и механика материалов»

Тольяттинского государственного университета

Научный руководитель: доктор физико-математических

наук, профессор

Мерсон Дмитрий Львович

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор

Громаковский Дмитрий

Григорьевич

кандидат физико-математических наук, доцент

Надточий Михаил Юрьевич

Ведущая организация: ОАО «Волгабурмаш», г. Самара

Защита диссертации состоится 23 апреля 2009 г. в 15.00 часов в аудитории Г-208 на заседании диссертационного совета Д212.264.03 при Тольяттинском государственном университете по адресу: Россия, Самарская обл., г. Тольятти, ул. Белорусская, 14.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тольяттинского государственного университета.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять по адресу: Россия, 445667, Самарская обл., г. Тольятти, ул. Белорусская, 14, учёный совет Д212.264.03. Факс (8482) 54-64-44.

Автореферат разослан 20 марта 2009 года.

Ученый секретарь диссертационного

совета Д212.264.03, Пивнева Светлана

кандидат педагогических наук ____________________ Валентиновна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Подсчитано, что материальные потери от трения и износа в развитых государствах достигают 4…5 % национального дохода, а преодоление сопротивления трения поглощает во всём мире 20…25 % вырабатываемой за год энергии. Одним из главных направлений снижения этих потерь является совершенствование смазочных материалов. Поэтому исследованию свойств смазочных материалов во всём мире уделяется самое пристальное внимание. Например, около 20% объёма финансирования работ по трибологии в США направляется только на стимулирование работ по смазочным материалам.

Несмотря на то, что во всём мире исследование смазочных материалов является приоритетным направлением трибологии, принципиально новые смазочные материалы создаются один раз в 10-15 лет. Во многом это объясняется несовершенством приборного и методического обеспечения, необходимого для оценки изменения качества смазочного материала, обнаружения момента 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 трибоиспытаний 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 трения без его остановки и разборки).

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.

Без решения указанных вопросов невозможно в полной мере использовать заложенный в акустических методах потенциал для решения трибологических задач, в том числе для научно обоснованного подбора смазочных и контактирующих материалов трибосопряжений, а также для создания автоматизированных систем мониторинга и управления работой узлов трения во время эксплуатации.

Цель работы и основные задачи исследования. 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.

Предмет и объект исследования. Предметом исследований являются акустические методы трибологических испытаний смазочных материалов. Объектами исследований являются жидкие и консистентные смазочные материалы, а также шарикоподшипниковая сталь, выбор которых диктовался практическими и методологическими целями.

Методология и методы проведения исследований. Основными методами, применяющимися в работе, являются активный метод амплитудно-теневой дефектоскопии, пассивный метод акустической эмиссии, метод определения трибологических характеристик смазочных материалов на четырёхшариковой машине трения (ЧШМ) по методике ГОСТ 9490-75 и метод оптической микроскопии. При анализе полученных результатов использованы методики статистической обработки результатов, теории погрешностей, методы временного, спектрального и кластерного анализа акустических сигналов.

Научная новизна.

  • 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.

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:

  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 амплитудно-теневому 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.

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.1) 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 ИЗ. При наличии в нормативно-технической документации дополнительных требований на смазочный материал определяют диаметр пятна износа DИ 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



Pages:   || 2 | 3 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.