Введение к работе
Актуальность работы. Средства триботехнических испытаний насчитывают десятки известных машин, таких как: 7М-1, ИМ-58, KEWAT-1, АЕ-5 и других. Но к настоящему времени не решена проблема мониторинга качества обрабатываемых поверхностей, не смотря на то, что за последние годы в исследовательских лабораториях были разработаны высокоточные трибометры, снабжённые чувствительной и анализирующей аппаратурой. Применение этих трибометров полезно, в основном, для исследования изменений свойств деталей машин и приборов под влиянием процессов изнашивания. Как известно, эти свойства оцениваются такими трибохарактеристиками, как износостойкость и способность к сопротивлению движению, что определяется коэффициентами трения.
Объективная оценка этих характеристик может быть получена путем расчета и испытаний. Однако методы расчета в настоящее время не доведены до уровня, позволяющего исключить испытания. Износостойкость можно достоверно оценить только после нескольких лет эксплуатации серийно выпускаемых машин.
Ценность такой информации для управления качеством создаваемых конструкций значительно ниже оценок, полученных в результате специальных испытаний. При решении научных, инженерных и производственных задач возникает необходимость в получении объективной количественной и качественной информации о состоянии сопряжения поверхностей, в том числе и в реальном режиме времени. Это основная задача мониторинга.
Вопросам трения и износа посвящена энциклопедия -монография под редакцией А.В. Чичинадзе, где содержатся основные сведения по триботехнике. В области проблем износа и анализа взаимодействия рельс-колесо посвящены работы К.Н. Воинова. Синтезу механики разрушения и теории контактного взаимодействия твердых тел посвящена книга Морозова Е.М., Колесникова Ю.В. и монография Горячевой И.Г. В настоящее время издана оригинальная книга Р.А. Engel, в которой систематически исследуется проблема изнашивания материала при ударе.
Актуальной является системная проблема: мониторинг качества трущихся поверхностей и процессов, происходящих в зонах трибосопряжений. В монографии Мусалимова В.М. и Валетова В.А., посвященной рассмотрению вопросов динамики фрикционного взаимодействия твердых тел, намечены пути решения поставленных задач с использованием динамических характеристик. Это связано с кругом вопросов диссертационной работы, включающей подходы теории автоматического регулирования, теории катастроф, проблемы идентификации модельных систем с использованием компьютерных технологий. Здесь следует отметить фундаментальные работы Бесекерского В.А., Арнольда В.И., Гилмора Р., что определило пути использования эффективных средств анализа системы "трибопара" с помощью динамических характеристик.
А проблема создания устройства для оперативного исследования динамических характеристик узла трения, с одновременным контролем качества трущихся поверхности является доминирующей.
Целью работы является создание устройства и методики, позволяющих получать динамические характеристики узла трения с одновременным оперативным контролем качества трущихся поверхностей.
Для достижения этой цели в диссертации рассмотрены следующие задачи:
Разработать устройство, позволяющее в реальном режиме времени получать оценку качества обрабатываемой поверхности.
Разработать систему регистрации позволяющую передавать данные в компьютер.
Разработать программу для оцифровки и визуализации данных с датчиков.
Разработать методику оперативного определения динамических характеристик, а так же сопоставления их с классом шероховатости трущихся поверхностей.
Создать банк данных сопоставленных динамических характеристик и класса шероховатости трущихся поверхностей.
Исследовать на примере физической модели изменение во времени параметров идентификации, полученных при анализе
сопоставленных динамических характеристик, и мер шероховатости.
Научная новизна, научная и практическая значимость работы. В диссертации представлены оригинальная установка «ТРИБАЛ-2» для испытания материалов на трение и методика, позволяющая получать динамические характеристики узла трения с одновременным оперативным контролем качества трущихся поверхностей. Установка позволяет в реальном масштабе времени сопоставлять динамические характеристики с классом шероховатости трущихся поверхностей. Таким образом, решена системная проблема мониторинга качества поверхности. Показано, что физически обоснованными параметрами идентификации являются коэффициенты демпфирования и приведенные частоты собственных колебаний физической модели. При этом эволюция процесса взаимодействия трибопары сопровождается изменением во времени этих параметров. Представленная установка была использована при проведении работ по оптимизации чеканного процесса. На данную установку получено 2 патента.
Внедрения. Санкт-Петербургский монетный двор - филиал Федерального государственного унитарного предприятия «Гознак». Материалы диссертационной работы использованы в практических занятиях учебной деятельности кафедры Мехатроники СПбГУ ИТМО.
Основные положения, выносимые на защиту:
установка для испытания материалов на трение;
метод исследования материалов с помощью установки для испытания материалов на трение;
закономерности изменения во времени параметров идентификации.
Обоснованность научных положений, рекомендаций, достоверность результатов проведенных в диссертации исследований подтверждена:
применением современных средств измерений и обработки данных;
результатами испытаний, полученных с разработанной установки;
корректным использованием аналитических методов теории автоматического регулирования, классических методов трибологии, а также широким использованием компьютерных технологий.
Апробация работы. Основные положения диссертационной
работы докладывались: на научно-технической конференции
«Фундаментальные и прикладные проблемы теории точности
процессов, машин и систем» (СПбГУ ИТМО 2004 г.); на II
межвузовской конференции молодых ученых (СПбГУ ИТМО 2005
г.); на седьмой сессии международной научной школы
«Фундаментальные и прикладные проблемы надежности и
диагностики машин и механизмов» (СПбГУ ИТМО 2005 г.); на
всероссийской научно-технической конференции с
международным участием «Механика, автоматизация, управление» (Уфимский государственный авиационный технический университет 2005 г.); на III межвузовской конференции молодых ученых (СПбГУ ИТМО 2006 г.); на третьей студенческой научно-учебной конференции «Моделирование явлений в технических и гуманитарных науках» (СПб ГМТУ 2006 г.); на IX всероссийском съезде по теоретической и прикладной механике (Нижегородский ГУ им. Н.И. Лобачевского, 2006 г.); на семинарах в СПбГУ ИТМО 2005-2008 г., на семинаре в ПГУПС 2008 г.
Публикации. Основное содержание диссертационной работы отражено в 15 печатных работах, в том числе рецензированных ВАК журналах в 2 печатных работах.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, списка литературы из 79 наименований и 3-х приложений. Она содержит: 166 страниц машинописного текста, 61 страница из которых приложения; 2 таблицы; 119 рисунков, включая 79 рисунков в приложениях.
