Содержание к диссертации
Введение
1. Акустические методы оценки свойств смазочных и контактирующих материалов 9
1.1. Применение акустических методов при трибологических испытаниях 9
1.1.1. 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 акустического воздействия 77
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 81
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 A3 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
- Источники акустических сигналов, регистрируемых при испытании смазочных и контактирующих материалов
- Трибологические методы исследования свойств смазочных материалов
- Спектральный анализ импульсов прошедших через смазочный материал с применением методики обработки сигналов АЭ
- Идентификация механизмов разрушения поверхностей трения на основе спектрального анализа сигналов акустической эмиссии
Введение к работе
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 [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 триболопш в США направляется только на стимулирование работ по смазочным материалам.
Несмотря 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 лет [1]. 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.
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.
Установить связь между параметрами регистрируемых акустических сигналов и предельным состоянием смазочного материала или узла трения для выбранных схем трибологических испытаний.
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 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 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:
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.
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».
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.
Источники акустических сигналов, регистрируемых при испытании смазочных и контактирующих материалов
Калиброванные акустические колебания возбуждаются в объекте контроля посредством использования излучателей. Излучатели вырабатывают калиброванные сигналы неразрушающими и разрушающими методами. Неразрушающие методы реализуются преобразованием электрических или механических импульсов (колебаний) от генерирующих устройств, а разрушающие - излом излучателя. В настоящее время используют следующие основные методы возбуждения колебаний: механические, радиационные, лазерные, магнитные, магнитострикционнйе и пьезоэлектрические. Из-за относительной простоты конструкции, малой себестоимости при высокой эффективности наибольшее распространение получили пьезоэлектрические, преобразователи сигналов, магнитострикционные и механические (ударник, вибрация, излом излучателей и др.). Рассмотрим кратко основные виды задающих (испытательных) сигналов использующиеся в акустических методах контроля и способы их возбуждения. - Непрерывные периодические сигналы. Основными видами непрерывных периодических сигналов являются синусоидальный и треугольный. Общий принцип применения заключается в оценке степени схожести откликов системы на вынужденные колебания по амплитудным резонансам или затуханиям путём переборки частот вынужденных колебаний заданной амплитуды.
Используются главным образом в методах собственных частот для определения дефектных мест материалов (см. п. 1.1.1), в методах определения диссипации механической энергии объектом исследования, в вибродиагностике и при настройке и калибровке акустической аппаратуры. В зависимости, от излучателя задаются непрерывные периодические сигналы генераторами электрических сигналов или работающими по циклу механизмами. - Импульсные сигналы. Также могут быть периодическими, но период следования сигналов обычно разнесён, чтобы обеспечить затухание всех процессов, вызванных предыдущим воздействием. Наибольшее распространение среди импульсных сигналов в практике нашёл короткий прямоугольный или треугольный импульс т.е. резкий удар (Д-функция). Возникающие при ударе упругие деформации распространяются от места удара в виде упругих волн с широким частотным спектром. При использовании исследуют: наличие/отсутствие сигнала, время или скорость его прохождения, уменьшение амплитуды импульса и отклик системы на импульс. Применяется в теневых методах, эхо-методах, методах собственных частот и пассивных методах дефектоскопии, методах оценки диссипации механической энергии, вибродиагностике и при настройке и калибровке акустической аппаратуры. В качестве импульсных излучателей в акустических методах в основном используют: - широкополосный пьезоэлектрический преобразователь (ПЭП), возбуждается электрическим импульсом длительностью не более 0,1 мкс, вырабатываемым импульсным генератором. Метод возбуждения акустических импульсов ПЭП получил широкое распространение из-за возможности использования штатных преобразователей акустических методов контроля, обратимости пьезоэффекта (один и тот же ПЭП излучатель и приёмник), малых размеров ПЭП при обеспечении широкого диапазона рабочих частот. К недостаткам относят необходимость непосредственного контакта с исследуемым объектом, сильную зависимость эффективности возбуждения от качества и стабильности контакта.
Применение пьезокерамики также ограничено сравнительно низкими значениями температуры Кюри; - отскок ударника, для возбуждения колебаний ударник сбрасывается на поверхность образца с некоторой высоты. Данный метод обеспечивает возбуждение широкого спектра колебаний большой амплитуды при простоте метода и малым временем контакта с объектом контроля, что немаловажно при исследовании высокотемпературных объектов. В качестве ударников наиболее часто применяется стальной шарик. Материал и размеры шарика подбирается из условия уменьшения продолжительности контакта (увеличения скорости соударения) при обеспечении энергии удара сопоставимого с имитирующим им процессом; - излом излучателя, применяется при калибровке пьезоэлектрических преобразователей и при выборе расстояния между ПЭП при многоканальной локации в акустико-эмиссионном методе контроля. В качестве источника возбуждения акустического сигнала в основном применяется излом графитового стержня цангового карандаша (источник Су-Нильсена) и излом стеклянной капиллярной трубочки [9, 18, 23]. При этом отклик возмущения имеет форму в виде функции Хэвисайда (ступенчатой функции). - Калиброванный шум применяется для имитации стохастических непрерывных широкополосных акустических источников определённой среднестатистической амплитуды (белый шум). Используют при настройке и калибровке акустической аппаратуры, исследовании диссипации механической энергии объектом контроля. Возбудителями подобного вида акустических сигналов являются периодические удары с большой частотой соударений. Для этого применяют песчинки или частицы песка или порошка направляемые на объект контроля струёй воздуха. Так как частицы песка (порошка) разных размеров, то для обеспечения большей стабильности характеристик калиброванного шума, шум возбуждают струёй гелия направленной на объект контроля через трубочку диаметром 0,8 мм под давлением 145 кПа. Кроме этого, для возбуждения калиброванного шума также широко используются магнитострикционные преобразователи. Среди излучателей калиброванных импульсов по показателям применяемость / простота / эффективность наиболее предпочтительно использование пьезоэлектрических преобразователей. Случайными источниками акустических сигналов является множество физико-химических процессов и явлений протекающих при работе в системе «тело — смазочный материал - контр тело» и под действием внешних провоцирующих факторов. Кратко рассмотрим основные процессы, протекающие в зоне фрикционного взаимодействия, и особенности сопровождающих их акустических явлений. 1.2.2.1. Основные понятия и представления о процессах в зоне фрикционного взаимодействия. Трением (или внешним трением) в настоящее время принято называть комплекс явлений, протекающих в зоне контакта перемещающихся относительно друг друга тел, в результате которого между ними возникают силы контактного взаимодействия [53, 54]. Сама природа фрикционного взаимодействия до конца не ясна, а под комплексом явлений понимают несколько одновременно протекающих физико-химических процессов сопутствующих трём условным этапам трения и изнашивания, а именно [1, 12,55,5 6]: - контактное взаимодействие поверхностей с учётом влияния среды; - изменения в поверхностных и приповерхностных слоях (структурные и химические) с учётом влияния окружающей среды; - разрушения поверхностей трения (износ). Установлено, что при трении все протекающие одновременно явления взаимосвязаны и взаимозависимы, это приводит к нетрадиционным (если рассматривать их отдельно) проявлениям, поэтому при изучении явления трения нельзя рассматривать процессы в отрыве друг от друга. Ввиду указанной взаимосвязанности - трение является самоорганизующимся процессом [54, 56], а
Трибологические методы исследования свойств смазочных материалов
Для исследования диссипации механической энергии смазочным материалом был собран оригинальный испытательный комплекс представляющий собой по [82] многопараметрический акустический анализатор. Способ основан на применении высокочастотного акустического (ультразвукового) воздействия [51] и, по сути, представляет собой метод измерения внутреннего трения [39, 50] (по [83] объёмной вязкости) с использованием схемы теневого метода ультразвуковой дефектоскопии [5, 9, 84, 85]. Отличается тем, что регистрация экспериментальных данных проводится с помощью метода и оригинальной аппаратуры акустической эмиссии (АЭ). Внешний вид и блок-схема испытательного комплекса представлена на рисунке 2.7. Данная схема испытания позволяет выделить смазочный материал в качестве объекта исследования отдельно от узла трения и расширить возможности существующего метода [51] за счёт применения методик спектрального анализа сигналов АЭ. Испытательный комплекс состоит из (рисунок 2.7 и 2.8.): а) б) Рисунок 2.7. Общий вид (а) и принципиальная схема (б) испытательного комплекса - задающего устройства, представляющий собой генератор калиброванных электрических импульсов Г 5-60 (1) и прямой пьезоэлектрический преобразователь (ПЭП) с резонансной частотой 5 МГц (2), амплитудно-частотная характеристика которого обеспечивала относительно равномерный спектр в диапазоне 50 кГц - 1 МГц. Задающим является электрический импульс прямоугольной формы (глава 3, рисунок 3.36); средней из которых вырезано круглое отверстие для размещения исследуемой среды.
Толщиной средней пластины задаётся толщина исследуемого слоя. В данной работе применялась средняя пластина толщиной 1,5 мм. Для уменьшения числа разъёмов средняя пластина склеивалась с одной внешней, другая притягивалась по углам болтами. Стык ячейки герметизировался изоляционной лентой, для исключения потери материала за счёт активизации капиллярных процессов под действием ультразвука [21, 48, 52, 86, 87]. Пластины выполнены из прозрачного материала (оргстекла) для визуальных наблюдений; - регистрирующего устройства, представляющего собой акустико-эмиссионную систему «ЭЯ-1» (поз. 4, 5, 6, 7 рисунок 2.7), описание которой приведено в п. 2.1. Способ реализуется следующим образом. В полость ячейки 3 вводят образец смазочного материала. Пакет пластин стягивается болтами. Напротив друг друга, соосно по обе стороны ячейки 3, устанавливаются ПЭП - излучатель 2 и ПЭП -приёмник 4. Соосность установки ПЭП 2 и 4 обеспечивается специальными выемками в пластинах ячейки для точного позиционирования преобразователей. Генератор импульсов 1 имитирует вибрационную (ударную) нагрузку путём формирования выходных электрических сигналов с заданными амплитудами, длительностью и периодом следования. ПЭП-излучатель 2 преобразует электрические сигналы генератора импульсов 1 в силовые ультразвуковые импульсы, которые, проходя через макрослой смазочного материала, помещённого в ячейку 3, с помощью ПЭП-приёмника 4 снова преобразуются в электрический сигнал, и после усиления, записываются и обрабатываются АЭ-системой «ЭЯ-1». Настройки аппаратуры при испытаниях приведены по ходу изложения материала в главе 3. Диссипативные свойства смазочных материалов определялись при комнатной температуре +20 ± 5 С. Испытуемый материал имел температуру окружающей среды. В главе 4 при исследовании влияния основных характеристик смазочных материалов по условиям работы пар трения на параметры и спектральные особенности сигналов акустической эмиссии использовалась четырёхшариковая машина трения (в литературе принято сокращение ЧШМ или ЧМТ).
Исследования проведены в лаборатории трения и смазочных материалов ОАО «АвтоВАЗ» на установке ЧМТ-1, изготовленной НПО «Нефтехимавтоматика», г.Рязань (рисунок 2.9). Краткие технические характеристики установки ЧМТ-1: - скорость вращения шпинделя: 1460 ± 70 об/мин.; - предельное отклонение осевых нагрузок в узле трения от номинальных: ± 1%; - порог чувствительности системы нагружения: 0,5 кг к оси нагрузок; - автоматическое отключение при моменте трения: 120кгссм ± 4%; - радиальное и осевое биение верхнего шарика закреплённого в цанге: не превышает 0,05 мм на расстоянии 2 мм кверху по вертикали от его нижней точки. Методика испытания на ЧМТ стандартизована [88] и заключается в определении несущей способности по критической нагрузке (Рк) и нагрузке сваривания (Рс), противоизносных свойств по диаметру пятна износа (Dlt) и противозадирных свойств по индексу задира (И3). Суть методики в следующем. Узел трения представляет собой пирамиду из четырёх контактирующих между собой шариков (рисунок 2.10). Три нижних шарика закреплены неподвижно в чашке с испытуемым смазочным материалом, а верхний вращается относительно них при заданных нагрузке и частоте вращения. Проворачивание трёх нижних шариков в процессе испытания не допускается. При определении Рк проводят ряд последовательных измерений диаметра пятна контакта шариков с дискретным возрастанием нагрузки Р (каждый раз с новыми шариками и порцией смазки), а критерием служит увеличение диаметра пятна контакта. Пятно контакта определяется с помощью градуированного микроскопа после разборки узла трения на каждой весовой нагрузке. Характер износа определяется путём сравнения фактического размера пятна контакта с нормативным значением по таблицам [88]. Время испытания при каждой нагрузке составляет 10 секунд.
Спектральный анализ импульсов прошедших через смазочный материал с применением методики обработки сигналов АЭ
Для всех смазочных материалов условия проведения эксперимента были одинаковы, при следующих настройках аппаратуры: - задающие импульсы: амплитуда - 1В, длительности сигнала - 10,9-10"1 мс, период следования импульсов - 9 сек.; - регистрация: усиление предварительное - 60 дБ, основное - 2 дБ; - запись формы импульсов: частота выборки - 6,25 МГц, длина кадра - 8192 точки (1,311 мс) с предысторией Ул кадра. Продолжительность каждого эксперимента -2 часа; - спектральная обработка: форма кривой спектральной плотности сглаживалась плавающим окном 40 кГц. Экспериментально установлено, что форма кривой спектральной плотности для каждого смазочного материала имеет «свой» характерный вид, что подтверждает факт неодинаковых способностей в «пропускании» внешнего механического воздействия различными смазочными материалами. Кривые спектральной плотности имеют удовлетворительную повторяемость внутри серии испытаний с одним смазочным материалом (рисунок 3.8). Небольшое расхождение, скорее всего, является следствием влияния количества газовой фазы, закладываемой в ячейку вместе со смазкой, что само по себе носит вероятностный характер. Внутри каждого эксперимента форма кривой в целом остаётся постоянной, имея незначительные смещения по оси ординат т.е. энергии (что связанно с постепенным возрастанием амплитуды импульсов, а следовательно энергии), являясь показателем, того что качество смазочного материала при выдержке под акустическим воздействием до удаления газовой фазы и после не изменилось (рисунок 3.9). Последнее подтверждается серией экспериментов, в которых применялся режим акустического воздействия носящий «ударный» характер (при котором наблюдается убывающий характер кривой «амплитуда-время»).
Для этого применяли следующие настройки аппаратуры: - задающие импульсы: амплитуда - 10,11В, длительности сигнала - 1-Ю"5 мс, период следования импульсов - 5 сек.; - регистрация: усиление предварительное - 40 дБ, основное - 0 дБ; - запись формы импульсов: частота выборки - 6,25 МГц, длина кадра - 4096 точки (0,655 мс) с предысторией Ул кадра. Продолжительность каждого эксперимента -2 часа; - спектральная обработка: форма кривой спектральной плотности не сглаживалась плавающим окном. Как видно, амплитуда задающих импульсов была увеличена в 10 раз, при сокращении длительности в 1"104 раз, период между импульсами был уменьшен в 1,8 раза (что соответствует увеличению количества пропущенных импульсов через смазку в 1,8 раз). Подобное нагружение привело к изменению качества смазочного материала, о чём свидетельствует видоизменение формы кривой спектральной плотности регистрируемых импульсов между первой и последующими минутами записи (рисунок ЗЛО). По-видимому, в процессе "ударного" нагружения происходит разрыв молекулярных цепочек углеводородов и активное перемешивание газовой фазы со смазочным материалом, что приводит к выделению жидкой фазы (в нормальном состоянии загущенное мылами) и «вспениванию» смазочного материала. Это косвенно подтверждается тем, что при визуальном наблюдении смазочных материалов через прозрачную ячейку после окончания эксперимента, у её краёв не выделалась газовая фаза в виде макроскоплений и при осмотре на просвет, смазка имела однородный «вспененный» вид. Грань по линии разъёма ячейки, вытиравшаяся насухо и герметизировавшаяся до начала эксперимента, была влажной по всему периметру после эксперимента, что говорит о выходе малой части наиболее жидкой фракции смазки из ячейки.
Это же отмечают исследования в области изучения капиллярных процессов при воздействии ультразвука [20, 86, 87]. По литературным данным ультразвук способствует изменению физико-химических параметров путём интенсификации смешивания и, как следствие, изменению давления. Кроме этого, отмечается, что при амплитуде ультразвуковой волны, принимающей значения от порога кавитации (Апор) до 8-Ч0Апор, ультразвук интенсифицирует извлечение жидкости из капиллярных каналов; в нашем случае капиллярным каналом является плоскость разъёма ячейки. Таким образом, вследствие указанных выше причин, изменение кривой спектральной плотности акустических сигналов со временем в процессе испытания одного смазочного материала амплитудно-теневым способом связано с изменением его качеств (состояния).
Идентификация механизмов разрушения поверхностей трения на основе спектрального анализа сигналов акустической эмиссии
В настоящем разделе представлен анализ спектральных и энергетических характеристик сигналов АЭ, оцифрованных параллельно с регистрацией огибающей АЭ. Отметим, что речь идёт о сигналах непрерывной АЭ преимущественно низкой и средней амплитуды, поскольку длительность немногочисленных импульсов высокой амплитуды обычно превышала размер кадра, выделенного на программном уровне для записи формы сигнала. Высокоамплитудные сигналы АЭ, соответствующие пику уровня огибающей АЭ во время задира, были слышны на слух, т.е. имеет место резкое различие сигналов по энергии и частотному составу. В связи с тем, что масштабный уровень протекающих процессов во время задира более высок, сигналы обладают большей энергией, а их частотный спектр смещён в область более низких (звуковых) частот. Все зарегистрированные сигналы АЭ с помощью методики, описанной в п. 2.1, были разделены на группы по принципу подобия формы спектра. Для корректного разделения сигналов на группы, предварительно была проведена работа по выбору оптимального значения Rl. Для этого на первом этапе обработки для формирования групп задавался коэффициент аппроксимации Rl в диапазоне от 30 до 95%. Согласно полученным результатам, оптимальное разделение сигналов АЭ на группы по количеству и степени схожести между группами достигается при 80 R.I 90%, что значительно больше значений, чем это требуется при обработке результатов регистрации сигналов АЭ при механических испытаниях (30 Л 60%). Такая высокая подобность сигналов АЭ при трении объясняется наличием постоянно действующих быстропротекающих процессов, которые играют роль фона и являются «несущим частотным процессом». При Rl -85% стабильно формируются 4 основные группы (рисунок 4.19 и 4.20). Схожесть кривых спектральной плотности R?nm между группами 1 и 2 составляет 63- 74%; 1 и 3 - 67 -68%; 2 и 4 - 45 -75%, критерий подобия R2 между остальными группами не превышает 30%.
После разделения сигналов АЭ на группы, исключающей возможность ошибки кластеризации сигналов с различной формой кривой спектра, но одинаковыми спектральными параметрами {см. п. 1.3), применялся кластерный анализ в пространстве «энергия- медианная частота» [74, 76] (рисунок4.21-4.32). Установлено, что сигналы, образующие группу 1 (74- 77% 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 (11+16 %) имеют меньшие значения медианных частот и кластеризуются в интервале 50-65 кГц. Сигналы группы 3 (4+7 %) и 4 (1+4%) характеризуются малыми энергиями и большим разбросом медианных частот (50+220 кГц). Типичное разделение сигналов АЭ на кластеры в координатах энергия - медианная частота показано на рисунках 4.21- 4.32. Разделение сигналов АЭ на установленные выше группы происходит как при различных испытаниях одного вида смазочного материала, так и при испытаниях различных смазочных материалов (что выявлено совместной обработкой экспериментальных данных). Это позволяет обобщить все результаты на основе: анализа времён прихода сигналов различных групп (рисунки 4.34 - 4.49); результатов изложенных в п. 4.1, а также работ [31, 99, 100, 101, 102, 106] и сделать предположение о природе происхождения сигналов АЭ [103]. При испытаниях по методике [88] на нагрузках, не превышающей критическую (Рк), в основном регистрируются сигналы групп 1 и 3 независимо от испытательной среды (рисунки 4.34а-4.41а). В указанном случае формируется пятно контакта в виде царапин в направлении вращения, через которые проглядывается исходная поверхность с незначительными областями с «синевой перегрева» (рисунки 4.12, 4.14-4.16, 4.37, 4.39-4.41). Хотя соотношение между 1 и 3 группами по количеству сигналов различно даже внутри серии испытаний с одним смазочным материалом, тем не менее, можно отметить следующие закономерности. Преимущественная регистрация сигналов 1 группы происходит при нагрузках намного ниже Рк и сопровождается постепенным уменьшением количества сигналов 3 группы (вплоть до полного исчезновения), при этом уровень огибающей АЭ в основном стабилизируется и выходит на некий постоянный уровень. Отличительной особенностью пятна контакта является его «зеркальный» вид и наличие множества мелких и частых царапин.
Среди приведённых примеров наиболее типичным для описанного случая является рисунок 4.16 и соответствующий ему рисунок 4.41. При преимущественной регистрации сигналов 3 группы огибающая АЭ имеет «неустойчивый» уровень (в основном возрастающий), который изменяется в небольших пределах. Пятно контакта формируется из более крупных царапин, например, рисунки 4.12, 4.14, 4.15 и соответствующие им рисунки 4.37, 4.39, 4.40. В любом из перечисленных случаев размер пятна контакта в 1,2-1,5 раз меньше предельного по [88].
Похожие диссертации на Применение методики спектрального анализа акустических сигналов для исследования трибологических свойств смазочных и контактирующих материалов
