Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Обзор литературы и постановка задачи
1.1 Введение 10
1.2 Виды трения скольжения 12
1.3 Современные аспекты износостойкости полимерных композитов 13
1.4 Влияние наполнителя и особенностей технологического процесса изготовления композитов на надмолекулярную структуру полимерной матрицы 17
1.5 Роль пленок переноса в повышении износостойкости полимерных композитов 21
1.6 Распределение контактной нагрузки между структурными составляющими композита 25
1.7 Физическое и математическое моделирование
трибопроцессов 28
1.8 Заключение и постановка задачи 33
Глава 2. Методы и техника проведения экспериментальных исследований
2.1 Введение 36
2.2 Объекты исследований 37
2.3 Выбор режима трения 41
2.4 Испытания материалов на прочность при растяжении 42
2.5 Экспериментальная установка для исследования износа материалов 43
2.6 Исследование температуры в зоне трения 47
2.7 Метод ускоренных испытаний на износ 48
2.8 Комплекс для изучения акустической эмиссии (АЭ) 49
2.9 Измерительный комплекс для морфологического анализа частиц износа «Видеолаб 2.2»
2.9.1 Краткое описание комплекса 52
2.9.2 Работа с меню системы «Видеолаб 2.2» 53
2.9.3 Анализ морфологических характеристик частиц износа 54
2.10 Заключение 55
Глава 3. Применение акустической эмиссии в трибологических исследованиях полимерных композитов
3.1 Введение 57
3.2. Акустическая эмиссия при трении 58
3.3 Особенности акустической эмиссии при трении полимеров 61
3.4 Применение метода акустической эмиссии для оценки изнашивания полимерных композитов по величине среднейэнергии сигналов АЭ
3.5 Способ непрерывного контроля износа фрикционной пары, основанный на корреляционном анализе среднеквадратичного отклонения последовательности амплитуд сигналов АЭ 72
3.6 Диагностика износа с применением дискретного преобразования Фурье к сложным автокорреляционным функциям сигналов АЭ 78
3.7 Заключение и выводы по главе 83
Глава 4. Эмпирический закон изнашивания
4.1 Введение 85.
4.2 Анализ экспериментальных данных триботехнических испытаний полимерных и композиционных материалов,
приведенных в литературных источниках 85
4.3 Обоснование необходимости выбора многофакторной универсальной функции, связывающей износ материала с внешними условиями на примере исследования износа углеродных антифрикционных материалов 90
4.4 Обоснование с позиции неравновесной термодинамики наличия участка обратной зависимости коэффициента износа от совместной нагрузки 97
4.5 Температурные явления в зоне трибоконтакта 102
4.6 Математическое выражение эмпирического закона изнашивания 104
4.7 Анализ механизмов изнашивания с применением эмпирического закона изнашивания 109
4.8 Заключение и выводы по главе 111
Глава 5. Физическая модель износа полимерных композитов со случайным распределением дисперсного наполнителя
5.1. Введение 115
5.2. Общие вопросы влияния дисперсных наполнителей.
5.2.1 Распределение контактного давления на поверхности композита, наполненного короткими волокнами 116
5.2.2 Распределение контактного давления в композите, наполненном дисперсными частицами 122
5.3. Влияние процесса направленной агрегации дисперсных частиц на триботехнические характеристики полимерных композитов
5.3.1 Физическая модель композитов с учетом направленной агрегации дисперсных частиц наполнителя 126
5.3.2 Влияние агрегации дисперсных частиц на распределение контактного давления между матрицей и наполнителем 130
5.3.3 Сводная таблица параметров, определяющих нагруженность матрицы, при случайном распределении дисперсного наполнителя 133
5.3.4 Определение доли немодифицированного полимера в композите при наличии сорбирования на границе полимер - нанонаполнитель 134
5.4 Экспериментальная проверка разработанной физической модели композитов, учитывающей направленную агрегацию дисперсных частиц наполнителя..
5.4.1 Условия проведения экспериментальных исследований 136
5.4.2 Определение объемной концентрации наполнителя по заданной величине его массовой концентрации 138
5.4.3 Определение величины нагруженности матрицы композита по размерам частиц износа 139
5.5 Уравнение для определения относительной интенсивности линейного изнашивания композита по отношению к матрицекак физическая модель относительного износа композита 140
5.6 Анализ применимости нагруженности матрицы в качестве структурного параметра физической модели износа композита со случайным распределением дисперсного наполнителя 144
5.7 Заключение и выводы по главе 150
Глава 6. Физическая модель износа полимерных композитов с пространственной структурой дисперсного наполнителя
6.1. Введение 155
6.2. Особенности композитов с однослойной пространственной структурой дисперсного наполнителя 157
6.3 Физическая модель композитов триботехнического назначения на основе полимеров с однослойной пространственной структурой дисперсного наполнителя.
6.3.1 Распределение контактного давления в композите с однослойной пространственной структурой наполнителя 163
6.3.2 Расчет нагруженности матрицы на примере модельного композита 167
6.4 Экспериментальная проверка физической модели композитов, с однослойной пространственной структурой наполнителя.
6.4.1 Оценка величины сопротивления деформированию дисперсной среды по результатам сравнительного анализа частиц износа на примере композита Ф4К15М5 168
6.4.2 Условия проведения экспериментальных исследований 169
6.5 Зависимость величины нагруженности матрицы от концентрации и размера частиц наполнителя 172
6.6 Физическая модель нанокомпозитов триботехнического назначения на основе полимеров с многослойной пространственной структурой дисперсного наполнителя
6.6.1 Распределение контактного давления в композите с многослойной пространственной структурой наполнителя 176
6.6.2 Определение масштабного эффекта и постоянной числа слоев для многослойной структуры нанонаполнителя 181
6.7 Сводная таблица параметров, определяющих нагруженность матрицы, для случая распределения дисперсного наполнителя в виде пространственной структуры 183
6.8 Анализ применимости нагруженности матрицы в качестве структурного параметра физической модели износа композита с пространственной структурой наполнителя 184
6.8 Заключение и выводы по главе 187
Глава 7. Применение эмпирического закона изнашивания для прогнозирования износа полимерных композитов
7.1 Введение 192
7.2 Способ определения допускаемой совместной нагрузки при трении 193
7.3. Анализ вклада составляющих изнашивания в общий износ материалов 197
7.4 Примеры представления справочной информации триботехнических параметров материалов на основе эмпирического закона изнашивания..
7.4.1 Допускаемые величины контактных давлений и скоростей скольжения 205
7.4.2 Интенсивность линейного изнашивания в диапазонах контактных давлений или скоростей скольжения 209
7.4.3 Номограммы для определения триботехнических характеристик материалов 215
7.5 Определение нормативного ресурса узла трения 218
7.6 Приложение эмпирического закона изнашивания к вопросам разработки композитов 221
7.7. Заключение и выводы по главе 230
Заключение 234
Литература
- Влияние наполнителя и особенностей технологического процесса изготовления композитов на надмолекулярную структуру полимерной матрицы
- Экспериментальная установка для исследования износа материалов
- Способ непрерывного контроля износа фрикционной пары, основанный на корреляционном анализе среднеквадратичного отклонения последовательности амплитуд сигналов АЭ
- Обоснование необходимости выбора многофакторной универсальной функции, связывающей износ материала с внешними условиями на примере исследования износа углеродных антифрикционных материалов
Введение к работе
Актуальность проблемы. Статистический анализ отказов показывает, что более 80% подвижных сопряжений машин выходят из строя вследствие их повышенного износа. Поэтому для увеличения срока службы машин, оборудования и приборов необходимо проведение дальнейших исследований, приводящих к разработке мер для повышения износостойкости материалов пар трения. В современных условиях это приходиться реализовывать при резком возрастании требований к нагрузочно-скоростным параметрам трибосистем и окружающим условиям их эксплуатации. Трудность решения поставленной проблемы объясняется тем, что трение и изнашивание представляет собой сложный процесс, в котором тесно переплетены интересы разных фундаментальных и прикладных наук: механики, физики, физической химии, материаловедения. В настоящее время развитие потенциала фундаментальных и прикладных знаний в области трения и изнашивания и, в том числе, в области разработки антифрикционных материалов во многих случаях отстает от потребностей современного машиностроения.
В последние десятилетия полимерные материалы и особенно композиты на их основе с различными мелкодисперсными наполнителями находят широкое применение в трибосопряжениях. Они обладают целым рядом высоких триботехнических характеристик и, особенно, способностью работать как в присутствии смазочного материала, так и при его отсутствии. Несмотря на перспективность этого направления, можно отметить недостаток теоретических разработок, направленных на оптимизацию свойств композитов. Существующая практика создания новых антифрикционных полимерных композитов основывается на некотором перечне эмпирических знаний, полученном из анализа экспериментальных исследований. Подобный подход не может учесть многообразие факторов, приводящих к созданию материалов с различной дисперсностью и пространственной структурой наполнителя, а также к созданию композиций наиболее подходящих к условиям их эксплуатации по заданной износостойкости в сочетании с требуемой теплопроводностью и нагрузочной способностью.
В данной работе рассматриваются актуальные проблемы науки о трении и изнашивании, связанные с определением триботехнических характеристик полимерных композитов, и вопросы триботехнического материаловедения, связанные с и оптимизацией состава композитов на стадии их разработки путем создания физических моделей износа, учитывающих комплексы параметров внутренних структурных характеристик композитов. В представляемой работе физические модели износа созданы как на основе традиционного уравнения износа, так и на основе оригинального уравнения износа с включением в них соответствующих физических структурных комплексов. Разработка универсального уравнения износа позволила создать метод ускоренного определения характеристик износа, что важно для оперативного внедрения новых композиционных материалов.
Цель работы состоит в разработке, теоретическом обосновании и практической реализации универсального уравнения износа, а также физических моделей износа, служащих для определения характеристик износостойкости полимерных композиционных материалов с учетом различных механизмов износа.
Задачи исследований:
-разработка и обоснование универсального уравнения износа полимерных композиционных материалов в диапазоне рабочих нагрузок с привлечением методов термодинамики и акустической эмиссии;
-создание физических моделей композитов с дисперсным наполнителем;
-разработка уравнений для расчета распределения контактного давления в композитах с различной структурой дисперсного наполнителя;
-разработка физической модели износа для прогнозирования триботехнических свойств композитов;
-синтез алгоритма, позволяющего определять среднюю длину случайных агрегатов частиц наполнителя в зависимости от концентрации;
-разработка системы диагностики износа композитов с использованием величин среднеквадратичных отклонений сигналов акустической эмиссии.
Методы исследований. В работе применены как стандартизованные методы исследований физико-механических характеристик, так и специально разработанное оборудование для испытаний на износ, а также оригинальные методы обработки экспериментальных данных. Все испытания на износ проводили на специально разработанной установке, которая реализует схему трения кольцо по плоскости или палец по диску. Используемая установка отличается тем, что позволяет варьировать величину нагрузки, перекрывая весь диапазон возможных значений рабочих нагрузок полимерных композиционных материалов. Физико-механические свойства материалов определялись на разрывной машине «Инстрон». Для изучения морфологии частиц износа использовалась система “Видеолаб 2.2”. Регистрация сигналов акустической эмиссии АЭ производилась с применением стандартной установки AФ-15, с последующим использованием запатентованного автором метода анализа сигналов АЭ.
Новые научные результаты
-
Разработан и физически обоснован эмпирический закон изнашивания (ЭЗИ), описывающий износ полимерных композитов в диапазоне нагрузок от нуля до допустимых значений. Отличительная особенность ЭЗИ состоит в одновременном учете действующих составляющих изнашивания и их температурных зависимостей в рассматриваемом диапазоне нагрузок. Использование математического выражения ЭЗИ позволяет получить уточненные величины износостойкости композитов в области малых и средних нагрузок, что существенно для слабонагруженных узлов трения.
-
На основании исследования взаимосвязи структурных и физических характеристик составляющих композита получены математические выражения для определения структурного параметра - “нагруженность матрицы”. Величина нагруженности матрицы характеризует распределение давления между матрицей и наполнителем на поверхности трибоконтакта, что оказывает влияние на общую износостойкость композита.
-
Разработан критерий для оценки триботехнической эффективности наполнения композитов на стадии их разработки, который представляет собой величину износа композита по отношению к матрице. При выводе выражения для критерия использовались как стандартное степенное уравнение износа, так и математическое выражение ЭЗИ, преобразованные в физические модели износа за счет включения в них разработанного структурного параметра - “нагруженность матрицы”.
-
Разработана физическая модель износа композитов на основе предложенного способа объединения коэффициентов ЭЗИ для матрицы и наполнителя в эквивалентные коэффициенты композита. Модель дает возможность прогнозирования износостойкости разрабатываемых модельных композиционных материалов.
-
Рассчитан диапазон оптимальных концентраций наполнителя при введении в полимерную матрицу порошков металлов, обладающих низкой износостойкостью, но высокой теплопроводностью.
Практическая ценность работы. Результаты исследований, изложенные в диссертации, позволяют оптимизировать подбор полимерных композиционных материалов для узлов трения и минимизировать энергетические и материальные затраты при разработке новых композиций. С этой целью:
- на основе ЭЗИ построены номограммы для определения интенсивности линейного изнашивания композитов в зависимости от контактного давления и скорости скольжения;
- показана применимость физических моделей износа для сравнительного анализа созданных композитов и для прогнозирования свойств композитов на стадии их разработки;
- разработан способ определения диапазона оптимальных рабочих нагрузок на основе ЭЗИ, признанный патентом на изобретение № 2338178 от 10.11.2008;
- разработан способ неразрушающего контроля износа композитов, основанный на анализе амплитуды среднеквадратичного отклонения сигналов АЭ, признанный патентом на изобретение №2263891 от 05.04.2005.
Апробация работы. Основное содержание работы и ее отдельные положения доложены на международных и отраслевых конференциях и семинарах: «Энергодиагностика», г. Москва, 1995, первая международная конференция; «Разработка и внедрение новых нетрадиционных методов контроля состояния турбо- и гидрогенераторов», г. Санкт-Петербург, 1996, семинар; «Второй международный симпозиум по трибофатике», г. Москва, 1996; «Износостойкость машин» II международная конференция; г. Брянск, 1996; «Metrology and Properties of Engineering Properties», Goteborg, 1997, Sweden; «Проблемы машиноведения», посвященная 10-летию Нф ИМАШ РАН г. Нижний Новгород, 1997; «О природе трения твердых тел» международный симпозиум г. Гомель, 2002; «МЕХТРИБОТРАНС 2003», международный конгресс г. Ростов-на-Дону, 2003; «Моделирование акустической эмиссии гетерогенных материалов» международная научная конференция г. Санкт-Петербург, 2004; «Полимерные композиты в триботехнике. Проблемы создания и применения. Опыт эксплуатации» 3-5 международные научно-технические конференции г. Санкт-Петербург, 2005, 2008, 2012; «Городской семинар по механике» г. Санкт-Петербург, 2012; «Трибология и проблемы МЧС РФ» III международный научно-практический семинар г. Иваново, 2012; «Современное машиностроение. Наука и образование» 3-я Международная научно-практическая конференция г. Санкт-Петербург, 2013.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы из 291 наименований и приложения (пакет разработанных компьютерных программ, патенты на изобретения (на 2 страницах), акты внедрения на 2 страницах). Работа изложена на страницах текста, содержит рисунок и таблиц.
Влияние наполнителя и особенностей технологического процесса изготовления композитов на надмолекулярную структуру полимерной матрицы
В соответствии с определением, композиционным является материал, состоящий из одной или более непрерывной фазы однородного континиума, матрицы, с одной или более дисперсной фазой. В связи с этим надежная работа полимерных композитов зависит в первую очередь от структурно-морфологического фактора, который оказывает влияние и на физико -14-механические и на триботехнические характеристики материалов [5, 6, 97, 98, 107, 123, 134, 136, 153].
Принцип получения полимерных композиционных материалов заключается в создании заранее заданной комбинации двух различных фаз (наполнителя и матрицы) с помощью определенных технологических приемов. Получаемый материал может быть либо изотропным, либо анизотропным в зависимости от того, в какой форме применен в них наполнитель. В результате наполнения получают материалы, основные физические и механические свойства которых отличаются от свойств матрицы. Механизм упрочнения зависит как от типа наполнителя, так и собственных свойств наполнителя и матрицы [36, 237].
Выбор наполнителей полимерных материалов зависит от назначения материала, необходимости изменения определенных физико-механических характеристик и типа полимерной матрицы. В качестве наполнителей для производства полимерных композитов можно использовать практически все существующие в природе материалы после придания им определенной формы и размеров. Обычно полимерные композиционные материалы разделяют на три группы. К первой группе относят дисперсно-упрочненные композиты. Ко второй группе относят композиционные материалы, армированные непрерывными волокнами, тканями различного переплетения и пластинами. К третьей группе относят композиты на основе смесей полимеров, не способных к взаимному растворению друг в друге, характеризующиеся определенным распределением частиц полимера одной природы в матрице другого полимера.
В данной работе рассматриваются вопросы, связанные с триботехническим применением полимеров с дисперсными наполнителями, которые используются в виде порошков с частицами нерегулярной формы и различным фракционным составом, в виде чешуек и коротких волокон, распределенных случайным образом и в различных соотношениях с матрицей.
Дисперсные наполнители используются для большой группы полимерных антифрикционных материалов, которые обладают способностью к достаточно эффективной модификации, приводящей к созданию композитов, перспективных для применения в узлах трения. К таким материалам относятся материалы из группы термопластов такие, как политетрафторэтилен и сополимеры тетрафторэтилена, полиамиды, поликарбонаты, полифениленоксиды, полифениленсульфиды, полиэфирэфиркетоны, полиуретаны [12, 16, 38]. Особое место среди них занимают композиты на основе политетрафторэтилена (ПТФЭ) и сополимеров ПТФЭ. Низкие значения коэффициента трения, теплостойкость, водо- и химическая стойкость более высокие, чем у всех остальных полимеров способствуют их широкому применению в легко и средненагруженных узлах трения. В связи с этим большая часть настоящего обзора посвящена анализу работ по исследованию износа композитов на основе ПТФЭ и в меньшей степени композитов на основе других полимеров.
В настоящее время установлено [5, 95, 107, 182-185, 201], что на износостойкость композитов с дисперсным наполнителем оказывают влияние три главных фактора: - структурная организация материала на надмолекулярном уровне; - поддерживающая функция наполнителя; - наличие слоев, разделяющих контактирующие поверхности и играющих роль твердой смазки.
Выбор дисперсных наполнителей в первую очередь определяется размерами частиц и распределением их по размерам. Эффективность действия таких наполнителей во многих случаях зависит от удельной поверхности, особенно в тех случаях, когда на поверхности наполнителя адсорбируются поверхностно-активные вещества и диспергирующие агенты. Существенное значение имеет характер упаковки частиц наполнителя. При подборе фракций наполнителя учитывают тот факт, что упаковка наиболее крупных частиц определяет общий объем системы. Более мелкие частицы занимают пустоты между более крупными, и при этом суммарный объем практически не увеличивается [84, 83].
Роль матрицы в композите заключается в придании ему необходимой формы и создания монолитного объема. Матрица позволяет композиту воспринимать внешние нагрузки и участвует в формировании несущей способности композиции, передавая усилия на наполнитель. Обычно полимерная матрица обладает вязкоупругими свойствами. Поэтому она может стеснять пластическую деформацию наполнителя, при этом он способен выдерживать большую нагрузку [22].
Основными недостатками всех полимерных материалов являются низкая теплопроводность и невысокие механические свойства. Поэтому в условиях повышенных скоростей скольжения без смазки и охлаждения в зоне трения значительно повышается температура в области контакта, инициируя изменения надмолекулярной структуры, снижение прочности и разрушение (изнашивание) поверхностного слоя. Чем более термостойкий полимер, тем шире диапазон рабочих нагрузок при трении. ПТФЭ имеет наиболее высокую, по сравнению с другими термопластичными полимерами, величину температуры размягчения, 250-280С [127]. Уменьшение коэффициента трения с повышением температуры [98] выгодно отличает ПТФЭ от других полимеров, у которых этот эффект прекращается при более низких температурах и далее значительно увеличивается и без того более высокий коэффициент трения. Износ полимерных материалов существенно увеличивается при достижении в зоне контакта температуры размягчения. В отличие от скорости скольжения, увеличение нагрузки, например, в случае ПТФЭ до 0,4 МПа, вызывает существенное снижение коэффициента трения [98], а дальнейшее увеличение нагрузки очень мало влияет на величину коэффициента трения. Такая зависимость характерна при малых скоростях скольжения, увеличение скорости скольжения уменьшает степень влияния контактного давления на коэффициент трения. Однако низкий теплоотвод из -зоны трения накладывает существенные ограничения на ширину диапазонов рабочих нагрузок полимерных материалов [98].
Экспериментальная установка для исследования износа материалов
Известно, что существуют три основных вида трения скольжения: трение без смазочного материала (сухое трение), граничное трение и трение со смазочным материалом (жидкостное трение). Практика экспериментальных исследований показала, что сухое трение можно изучать на относительно простых и дешевых установках с применением несложных методик экспериментальных исследований [60]. Поэтому изучение трения в лабораторных условиях проводят в режиме сухого трения. В этом случае довольно легко обеспечить стабильность и воспроизводимость условий трения. Если нет каких либо дополнительных требований эксперименты проводят в воздушной среде в условиях, когда окружающая температура может легко поддерживаться в пределах 20-25С, а относительная влажность составляеь 30-60%. Переход к исследованиям в условиях граничного трения, например, в воде и, тем более, в условиях смазки требует установку по изучению трения, относящуюся к классу стендовых. При этом появляется необходимомть, как герметизации установки, так и применения системы контроля интенсивности подвода среды, и содержания в ней примесей, наличия системы регенерации. Таким образом, при исследовании граничного или жидкостного трения требуется фактический переход к натурным испытаниям. Такой переход не всегда бывает оправдан. Так, при сухом трении полимерных композитов по стали износ матрицы по отношению к износу композита может достигать величины 2-х порядков и более [66, 15]. В тех же условиях относительный износ при смазывании водой может изменяться в 2-4 раза [46, 70, 91]. Поэтому в настоящей работе все исследования проводились в режиме сухого трения, который рассматривался как первый этап разработки износостойких полимерных композитов. В дальнейшем для наиболее перспективных материалов и конкретных узлов трения возможно проведение исследований при смазывании водой и другими веществами, режим трения которых близок к режиму граничного трения.
Необходимо отметить, что существует достаточное количество механизмов, трибосопряжения которых предназначены для работы в условиях трения без смазки [24, 27, 79, 85, 94, 99, 120, 142, 148, 168, 171, 178]. В таких узлах полимерные композиционные материалы широко востребованы, так как они имеют невысокий коэффициент трения и показывают существенно более высокую износостойкость по сравнению с антифрикционными металлами. При разработке композитов триботехнического назначения для таких узлов режим трения без смазки осуществляется как на стадии лабораторных испытаний, так и, естественно, на стадии натурных испытаний.
Основываясь на сказанном, при экспериментальных исследованиях полимерных, полимерных композиционных, углеродных материалов, а так же антифрикционных металлов, порошки которых используют в качестве минеральных наполнителей, реализовался режим трения без смазки.
Испытания композитных материалов при растяжении [25, 116] проводили на машине Instron 5982. При этом были определены величины разрушающего напряжения при растяжении ар и относительного удлинения при разрыве єр . Образцы изготавливались в форме лопаток длиной 100 мм. Характеристики испытательной машины: - точность измерения нагрузки ± 0,5 %; -скорости движения траверсы от 10"5 до 1016 мм/мин; - автоматическое распознавание датчиков нагрузки и экстензометров; -частота одновременной регистрации данных до 1 кГц по каналам нагрузки, удлинения и деформации. Испытания проводились при различной объемной концентрации наполнителей. За пороговую концентрацию принималась концентрация, при которой происходило резкое снижение прочности композитов.
Для реализации поставленных задач по исследованию износостойкости полимеров и полимерных композиционных материалов необходимо проводить экспериментальные исследования на износ в широком диапазоне нагрузок и скоростей скольжения. Так при испытании чистых полимеров минимальная нагрузка на узел трения не должна превышать 5 Н, а скорость скольжения 0,05 м/с [201]. Таких параметров нельзя достигнуть в стандартных машинах трения. Поэтому для исследования трения применялась специальная экспериментальная установка. Схема этой установки приведена на рис. 2.1 [269, 272, 284].
Как известно, частоту вращения двигателей постоянного тока можно регулировать в широких пределах за счет изменения питающего напряжения, величина которого регистрируется вольтметром V. Так как крутящий момент двигателя относительно высок, то при диаметрах контртел до 10 мм можно проводить исследования при числе оборотов двигателя 100 об/мин. Максимальное число оборотов используемого двигателя достигает 6000 об/мин. Для измерения числа оборотов и соответствующей скорости вращения контртела в двигатель встроен тахогенератор. Тахогенератор постоянного тока - это машина постоянного тока с независимым возбуждением или возбуждением постоянными магнитами, работающая в генераторном режиме. По конструкции он почти не отличается от машин постоянного тока. Тахогенераторы постоянного тока служат для измерения частоты вращения по значению выходного напряжения, а также для получения электрических сигналов, пропорциональных частоте вращения вала в схемах автоматического регулирования.
Способ непрерывного контроля износа фрикционной пары, основанный на корреляционном анализе среднеквадратичного отклонения последовательности амплитуд сигналов АЭ
Таким образом, по-видимому, скорость счета формируется из АЭ сигналов, генерация которых происходит при отделении частиц износа. Трение ПТФЭ [187, 193, 206, 208] обычно сопровождается фрикционным переносом и отделением больших частиц, до нескольких миллиметров в длину, имеющих слоистую структуру и неправильную форму. Причем толщина частиц намного меньше, чем длина и ширина. В то же время при износе композитов на основе ПТФЭ размеры образующихся частиц существенно меньше [5, 208]. В результате при более высокой скорости счета суммарный износ материала может быть меньше из-за небольших размеров частиц износа. Кроме того, если зависимости рис. 3.3 аппроксимировать функциональной зависимостью типа эмпирического закона изнашивания, предложенного в Главе 4, то можно показать, что импульсы АЭ приходят от различных механизмов износа. До выхода на пологие зависимости импульсы АЭ характеризуют механо-химическую составляющую изнашивания. В конце диапазона импульсы АЭ генерируются в основном механической составляющей изнашивания. Сравнение формы импульсов АЭ может дать дополнительную информацию о физических процессах при трении и износе полимерных материалов и композитов.
Таким образом, для прогнозирования износа по данным АЭ недостаточно информации только о скорости счета сигналов. Необходим определенный набор параметров АЭ [7]. В [149] предложен оригинальный способ оценки износа материалов с использованием ряда параметров АЭ, который заключается в следующем. Примем, что энергия WA3 одного сигнала АЭ находится из соотношения WA3 =S ААЭ , где ААЭ - амплитуда первого колебания, SAj- число осцилляции. Процесс изнашивания связан с образованием в поверхностном слое трещин, ориентированных различным образом. Возникновение трещин отрыва сопровождается относительно короткими сигналами АЭ с большой амплитудой. В то же время при образовании трещин сдвига формируются относительно длинные сигналы с небольшими амплитудами. Предполагается, что появление нормальных к поверхности контакта трещин отрыва ответственно за размеры и форму будущих частиц износа, а сдвигообразование - за процесс отделения частиц. Таким образом, для прогнозирования износа необходимо решить задачу отбора из общего числа импульсов АЭ тех сигналов, которые генерируются при образовании трещин отрыва. В качестве критериев отбора таких сигналов используются два соотношения: ААЭ А0 и 8АЭ/ААЭ алэ- Величина А0 ограничивает область амплитуд сигналов, принимаемых в расчет со стороны относительно малых сигналов, а величина SA AA3 имеет смысл относительной длительности сигнала, при этом аАэ - некоторая постоянная для данного материала величина. Если проводить отбор сигналов АЭ по приведенной методике, то удается получить хорошую корреляцию (до 0,96) между износом некоторых материалов в широком диапазоне нагрузок и суммарной энергией АЭ отобранных сигналов. Расчет массового износа материалов проводится по формуле [149] Am = Am0 + kMEWA3 t (ЗЛ) где Ат0 и кМЕ определяются в предварительных лабораторных испытаниях на трение тех же материалов при скорости, соответствующей скорости контактной поверхности ; Ат0 - масса деградированного слоя; кМЕ -размерный коэффициент; WA3 -суммарная энергия сигналов АЭ, соответствующая максимальному значению коэффициента корреляции износа и энергии АЭ.
Однако рассмотренный способ имеет ряд недостатков. Выбор диапазонов амплитуд и величин аАЭ является достаточно трудоемким процессом. Кроме того требуется большая точность опытов. Так, например, при исследовании пары трения сапфир сталь общая энергия сигналов АЭ более чем на 3 порядка выше, чем энергия выбранных сигналов. Такая малая часть энергии трения, идущая на разрушение не совсем понятна. Если это так, то сигналы АЭ в своем большинстве характеризуют процессы диссипации энергии при трении, не связанные с износом. Вызывает также некоторые вопросы соотношение (3.1). Оценка износа по массе характеризует сравнительный износ материалов при испытаниях в одинаковых условиях. Более универсальными характеристиками износа являются такие как коэффициент износа и интенсивность линейного изнашивания. В первом случае можно проводить дополнительный анализ по влиянию нагрузки, а во втором случае оценивать важный для узлов трения линейный износ по всей контактной поверхности. .
Основным источником диссипации энергии при трении полимеров является работа, затрачиваемая на формирование и разрушение адгезионных связей в точках фактического контакта [78]. Причем, одновременно с разрушением связей, идет их восстановление и рекомбинация. В результате этого в полимерах образуется слой с более низкой молекулярной массой. Этот слой имеет различные названия, например, такие как третье тело и вторичная структура. За счет разрушения такой структуры в дальнейшем и образуются частицы износа. Таким образом, разрушение адгезионных связей, в конечном счете, ведет к нарушению сплошности приповерхностного слоя.
В работах [59, 78] предложена зависимость, устанавливающая связь сдвигового напряжения г при трении с фактическим контактным давлением р,.. При относительно малых нагрузках можно пренебречь деформационной составляющей трения и тогда напряжение сдвига на контактной поверхности будет иметь вид
Обоснование необходимости выбора многофакторной универсальной функции, связывающей износ материала с внешними условиями на примере исследования износа углеродных антифрикционных материалов
Наиболее верный подход к анализу АЭ сигналов базируется, как показано выше, на некоторых энергетических критериях. Одним из такихкритериев может являться среднеквадратическое значение Аско амплитуд сигналов АЭ [19, 209]. Измерение Аско позволяет оценить энергоемкость сигнала. Это связано с тем, что АСко изменяющегося во времени сигнала равно величине постоянного сигнала, обладающего той же энергией. Выражение для определения АСко имеет вид [287]: ско АТ — JAA3\t)dt , (3.15) где ААэ (t) - реализация сигнала; AT- время усреднения (длительность реализации).
В ряде исследований [208, 209] была установлена связь величины АСко с параметрами износа. Вместе с тем корреляционный и спектральный анализ Аско сигнала не проводился. Но именно такой анализ позволяет выявить внутреннюю структуру случайного процесса и оценить перераспределение энергии в частотном диапазоне. Это важно, как для понимания механизмов изнашивания, так и для более точного контроля самого процесса.
Если уменьшать время усреднения AT в выражении (3.15), то его минимальное значение будет равно длительности паузы Тп между соседними сигналами АЭ. Именно такая величина AT наиболее подходит для корреляционного и спектрального анализа, так как при этом не вносится искажений в исследуемый процесс за счет операций усреднения. Величина АСко в этом случае будет определяться по приближенной зависимости [282]: А -А /і- - А ГАЭ+1 , , і Л-СКО - /ХАЭЛ\Т АЭ-Лг.г т , (3.16) где ААЭ- амплитуда первого колебания АЭ сигнала; tu - длительность сигнала АЭ; БАЗ - число осцилляции; Тп -длительность паузы; /АЭ -частота заполнения импульса АЭ.
Таким образом, сигнал АЭ с амплитудой ААЭ можно в пределах паузы заменить эквивалентным ему по энергоемкости постоянным сигналом равным АСко- Такая возможность основана на определенной эквивалентности электрических и акустических процессов. Как известно, пъезодатчик АЭ формирует электрический сигнал, амплитуда которого пропорциональна величине напряжений в поверхностном слое т, возникающих в материале от сигнала АЭ, регистрируемого датчиком на поверхности. В то же время известно, что мощность непрерывной волны в твердом теле определяется соотношением: 1- рс кА Э, (3.17) где р- плотность материала; с- скорость звука; F- площадь поверхности датчика. Для дискретной АЭ соотношение (3.17) при учете (3.16) можно записать в виде: 1 т (3-18) ±П
Соотношения (3.17) и (3.18) полностью идентичны формулам электрической мощности выделяющейся на сопротивлении. В результате последовательность сигналов АЭ заменяется ступенчатой случайной функцией, амплитуда которой в пределах каждой паузы изменяется согласно соотношению (3.16). Вид построенной таким образом случайной реализации последовательности сигналов АЭ, приведен на рис.3.5 [282, 286, 287]. Для того чтобы эта случайная функция соответствовала реальному диапазону частот необходимо соблюдать определенные требования к скорости счета сигналов АЭ. Эта скорость должна зависеть от выполнения закономерностей дискретизации непрерывных процессов [48]. Оптимальная величина интервала At между соседними импульсами зависит от наивысшей частоты в спектре функции, связанной с процессом изнашивания: чем больше эта частота, тем меньше должен быть интервал. Если наивысшая частота в спектре равна fm , то интервал At не должен превышать величину 1/2 /т. Тогда при полной длительности времени испытаний на износ число NA3 регистрируемых сигналов АЭ должно быть не менее NA3&kK 2 fm Тп, где кк 1 - поправочный коэффициент, учитывающий случайный характер генерации сигналов АЭ. Информация о частотном спектре процесса изнашивания крайне ограничена. Так по данным работы [161] периоды колебаний фрикционных характеристик составляют десятки секунд. Тогда с некоторым запасом можно принять, что/я 0,1 Гц. Поэтому при измерении сигналов АЭ необходимо установить такой режим регистрирующей аппаратуры, чтобы число сигналов ИАЭ кК 0,2 Тп. Если принять к/с=\,5, а время испытаний выбрать в пределах 600 секунд, то величина NA3 должна быть не менее 180. При этом средняя скорость счета N АЭ « 3,3 с"1.
