Введение к работе
Актуальность работы. Статистика отказов н нарушений работоспособности механизмов свидетельствует, что значительная их доля связана с износом. Чтобы оценить остроту проблемы, достаточно отметить, что по оценкам экспертов потерн в .машиностроительных отраслях высокоразвитых стран из-за износа и трения к середине 80-х годов достигли 8% национального дохода. Этот колоссальный ущерб обусловил необходимость проведения широкомасштабных исследовании в области трибологии.
По общепризнанному мнению к настоящему моменту п трибологии сформировались шесть направлении: трпбоанализ (теоретические исследования в области механики, физики и химии трпбосопряженпй); трнбомате-рпаловеденпе (матерпаловедческне аспекты трения); трпботехнологня (технологические методы управления фрикционными свойствами подвижных соединении); триботехника (конструкции узлов трения): трпбомоннторннг (методы и средства диагностики и контроля трпбосистом); трпбопнформатпка (обработка и анализ диагностической информации). Несмотря на некоторую условность разделения, и взаимозависимость направлений, зта классификация отражает круг вопросов, с которыми приходится сталкиваться при изучении трения, а также связь трибологии с другими областями науки п техники.
В развитие фундаментальных основ указанных направлений существенный вклад внесли отечественные ученые А.С.Ахматов. В.А.Белый. Н.Б.Демкпн.' Б.В.Дерягин, М.Н.Добычнн, Ю.Н.Дроздов. Ю.А.Евдокимов. А.В./Карин. А.Ю.Пшлннскнй. В.Н.Кащеев, В.И.Колесников. Ю.М.Коробов. И.В.Крагольскпй, Н.М.Мнхнн, Н.К.Мышкнн, П.А.Ребпндер, С.Н.Постников. А.В.Чнчннадле, Л.С.Цоснек и др.. а также научные коллективы ІІМАШ РАН. ИПМ РАН. ИММС АН Белоруссии. МГТУ им. Н.Э.Баумана. Рыбинского авнашюнно- технологического университета. Брянского государственного технического университета и ряда других научных- учреждений, успешно работающих в области трибологии.
Несмотря на известные успехи науки о трении и износе, многие вопросы, связанные с повышением износостойкости и снижением потерь па трение еще далеки от окончательного решения. Это связано со сложностью одновременно протекающих явлении в контактной зоне трущихся поверхностей. Поэтому для обеспечения безаварийности работы машин и механизмов особое значение приобретают диагностика п эксплуатационный контроль трпбологпчеекпх узлов, то есть вопросы триботехники, трнбомониторпнга и трпбопнформатпкп. Особо актуальна диагностика узлов трепня ooopv-
:3
довашія таких потенциально опасных объектов, как ядерно-энергетические установки. главных циркуляционных насосов, приводов систем управления и зашиты, газодувок, турбин и т.д. От безотказности этих агрегатов зависит безопасность функционирования всеіі энергетической системы, причем вопросы надежности в зтом случае имеют не только экономическое, но и социально-политическое значение.
К методам и средствам контроля, реализующим функциональную диагностику узлов трОння. предъявляются весьма жесткие требования. Анализ состояния поверхностей деталей и контроль их износа должны осуществляться без разборки узла трения и прерывания его функционирования. Время сбора диагностической информации и выделение информативных параметров сигналов должно быть минимально. Методы; должны быть по возможности простыми, а средства, их реализующие. компактными, со встроенными алгоритмами обработки информации и принятия решении, не требующими высокой квалификации персонала. Для сведения к минимуму субъективного фактора при интерпретации информации необходимо, чтобы контроль был автоматизированным.
В значительной степени указанным требованиям соответствуют эмиссионные методы, основанные на регистрации излучении разноіі физической природы, сопровождающих структурные изменения в твердых телах и на их поверхности, в том числе и фрикционное взаимодействие. К эмиссионным методам относится п метод акустической эмиссии (АЭ). Преимущества АЭ метода хорошо известны, и он с успехом используется для контроля состояния материала и разрушения энергонапряженных технических объектов. Достижения в развитии и внедрении АЭ метода связаны с работами наших соотечественников В.М.Баранова. В.С.Бойко. А.П.Брагинского, К.Б.Бакара. Ю.Б.Дробота, В.И.Иванова. А.М.Лазарева, А.М.Лексовского, В.Д.Шишка. В.В.Панасюка. В.А.Стрпжало, И.А.Тутнова, К.А.Чишко, а также зарубежных исследователей И.Аттлейна. С.Вахавиолоса. П.Тайера, М.Шайвона. Б.Шульца и других ученых. В конце 70-х годов были предприняты первые попытки применения АЭ для контроля узлов трения.
С развитием ядерной энергетики возникли новые задачи в области трибологии. Это изучение фрикционного взаимодействия ядерного топлива и оболочки твэла (проблема ВТО), создание материалов и антифрикционных покрытии, работоспособных в экстремальных условиях, разработка методов и средств диагностики подшипниковых узлов оборудования ядерно энергетических установок. Решение этих задач невозможно без привлечения методов радиационной физики твердого тела и реакторного, материаловедения.
а для проведения исследовании необходимы особые методики и измерительные средства. Специфика изучаемых явлении, применение новых методов и средств исследований позволяет говорить о формировании нового направления — радиационной трибологии. В решении этих проблем, как показывают наши исследования, существенную помощь может оказать применение метода акустической эмиссии.
Несмотря на то, что первые теоретические работы, посвященные определению взаимосвязи параметров акустического излучения с характеристиками трущихся поверхностей, появились примерно полстолетия назад, до настоящего времени не существует общепризнанных теоретических представлении о связи характеристик акустического излучения с процессами, протекающими в узлах трения. Отсутствнеудовлетворнтельныхтеоретических разработок н созданных на их основе методик контроля сдерживает широкое практическое использование АЭ- метода для диагностики трнбосогфяженш'і.
Анализ данных о применении АЭ -метода убеждает в том, что для его успешного внедрения в трибологию необходимо развитие физико-математических основ явления, в первую очередь изучение характеристик акустических сигналов, возникающих при трнбологнческом взаимодействии твердых тел и разработка методов распознавания протекающих физических процессов. Не менее важной является задача создания диагностической аппаратуры, способной реализовать большие потенциальные возможности АЭ-метода.
Цель и задачи исследований. Целью настоящей работы является повышение информативного содержания метода АЭ в трибологии за счет развития теоретических основ метода и создание на этой базе новых методик, устройств и измерительных средств для исследования процесса трения и контроля состояния трпбосопряженнй оборудования, в том числе работающего в экстремальных условиях.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
исследовать основные источники и проанализировать информативное содержание параметров АЭ при трении;
разработать математические модели, устанавливающие взаимосвязь информативных параметроз акустической эмиссии с условиями трения, геометрическими и физическими характеристиками поверхностей твердых тел, образующих фрикционную пару;
провести экспериментальные исследования, проанализировать получен-
ные результаты, сопоставить их с выводами теоретических моделей и установить общие закономерности изменения параметров АЭ в зависимости от условии трения, свойств материалов и характеристик поверхностей трения:
на базе установленных закономерностей и созданных теоретических молелен разработать методики для исследования фрикционного взаимодействия материалов в различных условиях, в том числе при воздействии реакторного облучения:
разработать методики эксплуатационного контроля и диагностики состояния узлов трения машин и механизмов, включая технологическое оборудование ядерно энергетических установок;
в создать комплекс экспериментальных устройств, оборудования и акустико-эмиссионных контрольно-измерительных приборов различного на-. значения для реализации предложенных методик.
Новизна и практическая значимость работы. В ходе решения поставленных задач в работе
развита теория АЭ при тренпп, разработаны статическая и динамиче
ская модели для расчета основных информативных параметров АЭ при
трибологнческом взаимодействии твердых тел, на основании которых
установлены зависимости параметров АЭ от фнзнко-механических свойств твердых тел, составляющих пару трения;
установлены основные геометрические факторы поверхностей трения, определяющие параметры высокочастотного акустического излучения;
определена взаимосвязь параметров АЭ со статистическими характеристиками формы контактирующих поверхностен твердых тел:
установлены основные закономерности изменения параметров АЭ при смене режимов и условий трения;
разработаны методики исследования фрикционных свойств материалов
и определения характеристик разрушения антифрикционных покрытий
по результатам анализа параметров АЭ. сопровождающей трение;
разработан комплекс лабораторных установок с широкими функциональными возможностями для проведения акуетнко-эмиссионных трпбо-логичсскнх исследовании материалов н защитных поі<і)ьітпіі в широком диапазоне температур, разных газообразных средах и вакууме:
на широком круге материалов, составляющих пару трения, и различных вариантах защитных покрытий экспериментально изучены основные закономерности проявления акустической'эмиссии в зависимости от условии и режимов трения:
предложены принципы построения и разработана серия акустико эмиссионных контрольно измерительных приборов, предназначенных как для проведения исследовательских работ, так и для эксплуатационного контроля подшипниковых узлов машин н механизмов, включая технологическое оборудование исследовательских п энергетических ядерных реакторов, подготовлена техническая документация для серийного производства приборов.
Внедрение результатов работы. Разработанные методики, установки, измерительные средства и приборы для исследований п эксплуатационного контроля подшипниковых узлов машин и агрегатов различного назначения, а также результаты исследований внедрены в следующих научно исследовательских организациях и на промышленных предприятиях: ПО "Коломенский завод", НПО "Рсмдеталь", ЧМЗАП, предприятиях п/я В-2190. п/я В 8721, ІШАІП РАН. ИПМ РАН. НІЩТЛ РАН, ВНИННМ, ИММС АН Белоруссии. ВНШІГАЗ.
За разработку н внедрение методов п средств акустико-эмиссионного контроля в атомное реакторостроенне и реакторное материаловедение авто]).;" в составе творческого коллектива присуждена Государственная премия РФ в области науки и техники.
Апробация работы. Начиная с 1981 г., основные положения диссертации и отдельные ее результаты докладывались п обсуждались более чем на двадцати Международных. Всесоюзных. Всероссийских научно технических конференциях, выставках, семинарах и совещаниях по профилю работы, среди них Сессия научных советов РАН "Физическая и техническая акустика" и "Ультразвук" (Суздаль. 1981 г.). "Надежность и качество машин: испытание, диагностика, прогнозирование " (Москва. 1981 г.). Динамика опор скольжения" (Челябинск. 1981 г.). "Триботехника---машиностроению " (Путино на Оке. 1981 г.). "Трение и изнашивание композиционных
материалов" (Гомель, 1982 г.), симпозиум IMEKO "Техническая диагностика" (Москва, 1983 г.), "Акустическая эмиссия материалов и конструкции" (Ростов-на-Дону, 1984 г.) "Износ в машинах и методы защиты от него" (Брянск, 1985 г.), "Норазрушающии контроль энергооборудовання н трубопроводов АЭС" (п.Полярные зори. Кольская АЭС. 1985 г.). "Трение, износ и смазочные материалы" (Ташкент. 1985 г.).
За последние пять лет различные разделы работы докладывались, а измерительные -средства демонстрировались на Седьмой Азиатско-Тихоокеанской Конференции по неразрушающему контролю (Китай, Шанхай. 1993 г.). Российской с международным участием научно-технической конференции п выставке "Нсразрушающнн контроль в науке и индустрии -94" (Москва, 1994 г.), Всероссийских научно-технических конференциях с международным участием "Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управлення" (Гурзуф, 1994, 1995, 199G г.г.), Международной конференции "Безопасность трубопроводов11-(Москва, 1995 г.). Научно-технических выставках достижений Высшей школы РФ в Египте (Египет, Kaii]>, 199G г.), Аргентине (Аргентина, Буэнос-Айрес. 199G г.) и Индии (Индия, Дели, 199G г.).
Публикации. Основные материалы диссертации опубликованы в монографии, выпущенной в соавторстве (один соавтор), изложены в 82 научных трудах, из которых G1 опубликован, п 14 изобретений.
Структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Материал диссертации содержит 81 рисунок н 21 таблицу.
-На защитулыносятся:
развитие теоретических основ применения метода акустической эмиссии в трибологии, включающее
- анализ основных источников АЭ при трении твердых тел:
методы расчета распределения давлення на площадках фактнческо-то контакта твердых тел со стохастической формой поверхностен;
статическую и динамическую модели расчета статистических параметров АЭ-снгналов н их зависимостей от физических свойств материалов, геометрических характеристик контактирующих поверхностей н условий трения;
общие закономерности изменений информативных параметров АЭ при смене режимов и условий трения;
методики исследования фрикционных свойств материалов и опредсле-
. ння характеристик разрушения антифрикционных покрытий по резуль-
' татам анализа параметров АЭ, сопровождающей трение;
комплекс лабораторных установок с широкими функциональными возможностями для проведения акустико эмиссионных трнбологпческпх исследований материалов и защитных покрытий в широком диапазоне температур, различных газообразных средах и вакууме;
функциональные схемы акустико-эмиссионных контрольно-измерительных приборов для проведения исследований и эксплуатационного кон-
троля подшипниковых узлов машин и механизмов, в том числе технологического оборудования исследовательских и энергетических ядерных реакторов:
результаты исследовании акустической эмиссии при фрикционном взаимодействии материалов атомной техники, включая новые данные о трнбологпческпх свойствах конструкционных и топливных материалов и барьерных защитных покрытий твэлов энергетических ядерных реакторов;
результаты применения разработанных методик, оборудования и АЭ-аппаратуры при контроле и эксплуатационной диагностике объектов атомной, энергетики и машиностроения.
