автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.04, диссертация на тему:Виброакустическая диагностика эволюционных процессов при трении

^ О.

Г"-

^ -к V- 11а пиавах рукописи.

#

Усиков Игорь Владимирович

ВИБРОАКУСТИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА ЭВОЛЮЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ТРЕНИИ.

Специальность 05.02.04 - Трение и износ в машинах.

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ростов-на-Дону 1998

Работа выполнена на кафедре: "Автоматизация

производственных процессов" Донского государственного технического университета (Россия) и в институте: "Эксплуатация средств передвижения и машин" Радомской политехники (Польша).

Научные руководители - Доктор технических наук, профессор

В.Л.Заковоротный (Россия); Доктор технических наук М.Марчак (Польша)

Официальные оппоненты Доктор технических наук, профессор

Кужаров A.C.

Кандидат технических наук, доцент Мирошниченко В.Г.

Ведущее предприятие АО "Ростсельмаш"

Защита состоится "24" ноября 1998 г. в 10 часов на заседании I диссертационного совета ДО63.27.03 в Донском государственном техническом университете по адресу : 344010, г.Ростов-на-Дону, пл.Гагарина, 1, ауд.252.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке ДГТУ. Отзыв в двух экземплярах, заверенных печатью, просим высылать в специализированный совет по указанному адресу.

Автореферат разослан " " 1998 года.

Ученый секретарь диссертационного совета, д.т.н., проф.

Чукарин А.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность темы. Узлы трения, как правило, являются неотъемлемой частью машин и приборов. Поэтому качество их функционирования, то есть способность выполнять свой функции в требуемых рамках точности и надежности, связано с качеством трибосопряжений. В связи с этим исследования и разработки, направленные на повышение и поддержания качества машины в целом и трибосопряжений в частности на заданном уровне, всегда актуальны для машиностроения.

Один из путей повышения эффективности функционирования машин, сформировавшийся в последнее десятилетие, связан с созданием систем диагностики состояния узлов трения как элементов в большинстве случаев лимитирующих надежность машин. Разработка систем диагностики позволяет не только оценивать. текущее состояние трибоузлов в ходе эксплуатации машины, но и улучшить вероятностные характеристики прогнозирования остаточного ресурса машины и на этой основе обеспечивать оперативную замену деталей, износ которых может привести к отказу машины в целом.

Одним из направлений развития систем диагностики трибосопряжений является использование в них сигнала виброакустической эмиссии процесса трения. Значительный вклад в создание систем виброакустической диагностики внесли отечественные научные школы ИМАШ АН, МГТУ им. Баумана, ДГТУ и др. В настоящей работе ставится задача выяснения связи эволюционных процессов в трибосопряжении (как традиционных так и приводящих к возникновению безизносности) с изменениями динамической системы, в которой процесс трения формирует некоторую динамическую связь. Эти изменения отображаются в эволюции корней характеристического полинома динамической системы. Для оценивания этих корней предлагается методика обработки виброакустического сигнала, направленная на построение авторегрессионной модели и на определение корней характеристического полинома этой модели.

В качестве источника информационного сигнала могут использоваться различные параметры трибосопряжения (например, виброакустическая эмиссия, момент трения, износ, температура, переходное сопротивление и др.). Достоинством сигнала виброакустической эмиссии является отсутствие необходимости разрывать трибоконтакт и легкость встраивания датчиков в машину.

Все работы в области диагностирования опираются на самый первый уровень моделирования случайных процессов- на корреляционно спектральный анализ. Следующим этапом развития исследований в области динамической диагностики должно быть как предметное систематическое изучение динамики процесса трения, так и создание или использование современных методов анализа многомерных временных рядов для целей диагностирования.

Известны исследования в области динамики

трибосопряжений (ИМАД1 АН, МГТУ им. Баумана, Нижегородского и Саратовского технических университетов, ДГТУ, РГУПС). Развивая эти исследования, в работе предлагаются математические модели динамики трибосистем, полученные из общих принципов аналитической механики на основе рассмотрения потенциальных и диссипативных свойств трибосопряжения. Такой подход позволяет выявить неизвестные ранее свойства трибосопряжений и определяет новую информационную базу для исследований и совершенствования трибосопряжений.

Отдельные фрагменты работы выполнены по 'следующим научно-техническим программам России: "Технические

университеты России", "Конверсия и высокие технологии", "Механика, машиноведение и процессы управления". Сама же работа выполнена в рамках договора о международном сотрудничестве между Донским государственным техническим университетом (Россия) и Радомской политехникой (Польша).

Цель работы : повышение эффективности функционирования машин на основе виброакустической диагностики состояния

трибосопряжений с помощью построения авторегрессионных моделей виброакустического сигнала процесса трения.

Научная новизна работы состоит в том, что : Теоретически обоснована связь изменения динамической характеристики трибосопряжения с параметрами его виброакустической эмиссии. - Построена обобщенная динамическая модель трибосопряжения на базе Лагранжевых представлений на основе раскрытия качественной картины формирования потенциальных и диссипативных реакций трибосопряжения на динамику машины. Разработаны математические алгоритмы и программы обработки сигнала виброакустической эмиссии, заключающейся в построении авторегрессионной модели и определении ее параметров.

Проведены систематические экспериментальные исследования эволюции трибосистем и проанализированы отображения этой эволюции в параметрах авторегрессионных моделей виброакустического сигнала.

Дополнены исследования преобразования микрорельефа трибоповерхностей при выходе на режим равновесной шероховатости и на режим катастрофического изнашивания в части раскрытия взаимосвязи эволюции микрорельефа и статистических оценок сигнала виброакустической эмиссии.

Практическая ценность работы заключается в : разработаны методики и алгоритмы, позволившие идентифицировать параметры характеристического полинома динамической системы трения как основы для диагностирования текущих характеристик узлов трения машин и исследования эволюционных процессов при трении; разработаны и доведены до практической реализации отдельные подсистемы автоматической системы динамической диагностики процесса трения на базе процессора обработки сигналов АОЗР-2Ю5 и портативной микроЭВМ.

Апробация работы.

Основные положения работы докладывались на совещании "Проблемы теории проектирования и производства инструмента", Тула, 1995; а так же на семинарах и конференциях в ДГТУ.

Реализация результатов работы. Результаты работы внедрены на ОАО "Строймаш", АО "Красный аксай", а также в Радомской Политехнике (Польша).

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 5 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, общих выводов по работе, списка использованной литературы, приложений. Диссертация изложена на страницах, содержит 60 рисунков, 2 таблицы, список

литературы из 17 6 источников, 3 приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении содержится обоснование актуальности работы, основные научные положения, составляющие предмет работы.

В первой главе работы проанализированы научные труды современных ученых в области динамики и динамических моделей процесса трения, силовой эмиссии процесса трения, процессов самоорганизации трибосистемы и виброакустической диагностики процесса трения и изнашивания. При анализе динамических моделей выделены существующие уровни моделирования динамической системы, все множество используемых моделей разбито на группы и описаны методы анализа этих моделей.

Анализ литературы, основу которой составляют работы Авдеева Д.Т., Амосова А.П., Боудена Ф.П., Брокли С.А., Вейца В.Л., Верховского A.B., Вульфсона И.И., Геккера Ф.Р., Гитиса Н.В., Дерягина Б.В., Заковоротного В.Л., Ишлинского А.Ю. , Кайдановского Н.Л., Като К, Кононенко В.О., Костерина Ю.И., Котелевского В.И., Кочинева H.A., Крагельского И.В., Кудинова В. А., Куртеля Р., Левина А.И., Мурашкина Л.С., Марчака М., Писаренко Г.С., Пуша В.Э., Рабиновича Е., Раввы Ж. С., Решетова Д.Н., Шаповалова В.В., Эльясберга М.Е. и др.

показал, что при исследовании динамической системы трения необходимо учитывать, что сам процесс трения формирует сложную динамическую связь и сопровождается виброакустической эмиссией. Причем параметры этой эмиссии и характеристики связи зависят от эволюционизиругощих свойств трибосопряжения. Именно поэтому имеется потенциальная возможность диагностирования состояния трибосопряжений в ходе их естественного функционирования (без разборки узлов трения).

Продолжая эти исследования в работе отмечается необходимость :

• построения обобщенной модели динамики трибосистем на основе изучения потенциальных и диссипативных свойств трибосопряжений;

• совершенствования алгоритмов обработки виброакустического сигнала с целью более качественного выделения в нем отображения изменений динамической характеристики процесса трения;

• изучения эволюции динамических характеристик трибосистемы в ходе ее функционирования.

На основе вышеизложенного анализа были определены следующие задачи диссертационной работы:

Построение обобщенной динамической модели трибосопряжения в рамках Лагранжевых представлений и теоретическое обоснование взаимосвязи изменения динамических

характеристик трибосопряжений ■ с параметрами

виброколебаний, сопровождающих функционирование машины. Проведение исследований отображения процессов эволюции в трибосистемах Сталь - Парафиновое масло - Сталь, Сталь -Парафиновое масло - Латунь, Сталь - Глицерин 80% - Латунь в смещениях корней характеристического полинома авторегрессионной модели виброакустического сигнала и в изменениях амплитуд основных частотных составляющих. Дополнение известных исследований преобразования микрорельефа контактирующих поверхностей в части изучения изменения статистических функционалов.

Разработка математических алгоритмов и программ обработки сигнала виброакустической эмиссии для построения его авторегрессионной модели как дискретной- - модели дифференциального уравнения, формирующего этот ¡сигнал. Создание принципов построения систем виброакустической диагностики трибосопряжений на основе использования специального процессора цифровой обработки сигналов типа А03Р-2Ю5 и индустриальной ЭВМ. Проведение промышленных испытаний и внедрение • отдельных подсистем в промышленности.

Вторая глава посвящена построению и анализу обобщенной динамической модели трибосистемы.

При раскрытии динамической модели рассматриваются два уровня временного усреднения, причем эти .усреднения определяются не существом протекающих процессов, а особенностями их преобразования динамическими системами. Этим уровням поставлены в соответствие следующие движения машины:

1. "Медленные" движения, раскрывающие особенности рабочих управляемых движений элементов машины ■ (например, характеристики скоростей относительного скольжения и перемещений контактируемых поверхностей). Это - рабочие движения, формируемые различными двигателями и поэтому лежащие в пределах полосы их пропускания. Обычно частотный диапазон таких движений ограничен 30-50-ю Гц.

2. "Быстрые" движения есть относительные колебательные смещения контактируемых поверхностей и соответствующие им силы. Они отсчитываются относительно . равновесия динамической системы трения, задаваемого "медленными" движениями. Уравнения "быстрых" и "медленных", движений в нелинейной модели системы трения являются взаимосвязанными и они формируют общее равновесие, получаемое исходя из минимума потенциальной энергии системы. В свою очередь потенциальная функция определяется на основе суммирования характеристики поля сил .упругости машины, приведённой к трибоконтакту, и поля сил контактного взаимодействия.

Траектория равновесия, если оно устойчиво, в пространстве состояний динамической системы определяет притягивающее интегральное многообразие, характеризующее эволюционные процессы.

Таким образом, "медленные" движения фактически задают изменяющуюся во времени функцию положения равновесия системы в инерциальной системе координат, которая за счет нелинейных эффектов может смещаться в зависимости от "быстрых" движений. Если в точке положения равновесия построить новую систему координат, движущуюся вместе с движением точки положения равновесия, то новая система координат будет подвижной. В этой подвижной системе координат и задаются "быстрые" движения системы трения.

Выполненный качественный анализ динамики трибосистемы базируется на введенных: • потенциальной функции системы:

-3 \

1! ёХ\ 2! № ) где функции зависимости сил контактного взаимодействия

от сближения; Х°-смещение положения равновесия; с коэффициент матрицы жесткости; х ~ суммарные колебательные смещения;

• диссипативной функции системы:

■V,

1 ц»^ ^ ^ &ЬЯ А, сЬс„

2 ы М л л ы о ¿¡^Л ч М Л

Л

А А _</<5Зл ¿Л <й ¿1 '

к л'

где - коэффициент матрицы диссипации; - эквивалентный

зазор в трибоконтакте.

Анализ потенциальных, диссипативных и инерционных свойств системы после линеаризации позволяет получить уравнение движения системы в виде:

где *,(0 = {*щ(0.^2(').*о,з(0,*,(0.*1(0,*з(0>Г ~ вектор колебаний образца и индентора;

= - вектор силовой

эмиссии трибосопряжения;

[/иИ'1гИс1] ~ суммарные матрицы масс, диссипации, и жесткости, в которые входят и линеаризованные параметры динамической характеристики процесса трения.

Наиболее важными результатами этой части исследований являются:

динамическая характеристика процесса трения не является инвариантной к параметрам улруго-диссипативной, системы машины, приведенной к трибосопряжению. Поэтому даже такая характеристика как коэффициент трения меняется при варьировании динамической характеристики машины; варьирование параметров динамической характеристики процесса трения, связанное с эволюционными процессами, отображается в смещении корней характеристического полинома динамической модели системы трения и приводит к перераспределению вынужденных реакций на силовой шум.

Все это в совокупности отображается в сигнале виброакустической эмиссии. Предложенная методика разделения

информации о структурных динамических изменениях трибосистемы и ее вынужденных реакциях позволяет специфицировать характеристики силовой эмиссии.

Третья глава посвящена экспериментальным исследованиям эволюционных процессов в трибосопряжениях. Были получены данные по эволюции трех трибосистем: сталь - парафиновое масло - сталь, сталь - парафиновое масло - латунь (исследовалась эволюция шероховатости поверхности и эволюция корней характеристического полинома авторегрессионной модели) и сталь - глицерин (80%) - латунь (исследовались только корни характеристического полинома).

В ходе экспериментов измерялись две группы параметров, характеризующие состояние трибосопряжения. Первая группа включает в себя медленноменяющиеся процессы: момент трения, износ й скорость относительного скольжения. Вторая группа параметров представляет собой быстроменяющийся сигнал виброакустической эмиссии процесса трения, который регистрировался с частотой 50кГц.

Идентификация коэффициентов характеристических

полиномов осуществлялась с помощью построения

авторегрессионных моделей сигнала виброакустической эмиссии, который измерялся в непосредственной близости от зоны трения при помощи виброакселерометров.

Центры группирования корней . характеристического полинома, области доверительного интервала вычислены на основе методов кластерного анализа, а для классификации использовалась методика построения разделяющих

гиперповерхностей, основанная на байесовском

классификационном правиле.

Эволюция коэффициента трения и износа для трибосистемы сталь - парафиновое масло - латунь приведены на рис. 1.

Рис.1. Эволюция интегральных параметров трения системы сталь-латунь в смазке «Парафиновое масло».

На первой стадии имеет место монотонное | уменьшение шероховатости поверхности и искажение ее формы, проявляющееся в развитии асимметрии функции распределения высоты микрорельефа. Второй стадии соответствует установление равновесной шероховатости. Упомянутая выше ; асимметрия становится стационарной. Третья стадия характеризуется увеличением шероховатости контактирующих поверхностей, что свидетельствует о наступлении этапа ее микроразрушения. При этом функция распределения высоты микрорельефа вновь приближается к Гауссовской. I

Главное внимание уделялось анализу отображения эволюции трибосистем в корнях характеристического полинома авторегрессионной модели виброакустического сигнала процесса трения. При этом анализировалась преемственность полиномов Р0(Д)=^2(Д)=>О,(Я)» и изменение корней полиномов <3(Д) и 0,(2) в ходе эволюции процесса трения. Здесь полином Р0(Л) соответствует упруго диссипативной подсистеме индентора в отсутствии процесса трения, <2№ соответствует

характеристическому полиному, идентифицируемому при

импульсном воздействии на систему трения, а 0ц(.Л) соответствует расширенному характеристическому полиному с

учетом эмиссионной составляющей колебаний. Этот подход позволил разделить корни на относящиеся к упруго-диссипативной системе машины, на корни, отвечающие за силовую эмиссию процесса трения и на корни, которые определяются динамической характеристикой процесса трения. Эволюция центров группирования корней представлена на рис.2.

Рис.2.. Эволюция корней характеристического полинома, соответствующая рис.1. □ - расположение корней полинома динамической системы индентора (без трибосопряжения); х -эволюция первого корня полинома Q; + - эволюция второго корня полинома Q; о - эволюция третьего корня полинома Qo; А -эволюция четвертого корня полинома Qo.

В кривых эволюции в случае формирования избирательного переноса можно выделить четыре стадии. Первая стадия -возрастание хаоса, вторая - стадия трения с относительно стабильными значениями коэффициента трения и величины износа, третья стадия - вновь возрастание хаоса и, наконец, четвертая стадия - выход на режим избирательного переноса. Последняя характеризуется резким снижением коэффициента трения до величин 0,0008 и интенсивности изнашивания практически до нуля.

Отмеченные выше стадии эволюции трибосистемы сталь -глицерин (80%) - латунь находят отражение в параметрах

авторегрессионных моделей (рис.3.), то есть в корнях характеристического полинома, а так же в амплитудах основных частотных составляющих.

Рис.3. Смещение кластеров и центров группирования корней Р1 по критерию времени в процессе установления избирательного переноса.

Экспериментальные исследования позволили заключить, что корни характеристического полинома авторегрессионной модели виброакустического сигнала процесса трения изменяются в зависимости от эволюции трибосопряжения, выражающейся внешне в изменении коэффициента трения и износа. Последние параметры измеряются только в лабораторных условиях, в то время как сигнал виброакустической эмиссии < доступен практически без изменения конструкции машины. В связи с этим появляется возможность сформировать следующие диагностические признаки, которые отражают эволюционные процессы в трибосопряжении:

Значение корней характеристического полинома

авгорегрессионной модели виброакустического сигнала. Следует отметить, что традиционные корреляционно-спектральные характеристики не дают таких точных результатов. Это связано с тем, что сама процедура получения автокорреляционной функции, а затем ее Фурье-

изображения в виде автоспектра, основана на большом уровне статистического усреднения.

В качестве дополнительных диагностических признаках могут быть использованы амплитуды основных частотных составляющих.

В четвертой главе изложены принципы функционирования автоматизированной системы динамической диагностики состояния процесса трения, работающей в реальном масштабе времени на основе использования процессоров цифровой обработки сигналов типа А03Р-2Ю5. Принципы положены в основу созданной системы виброакустической диагностики состояния трибосопряжений, которая прошла промышленную апробацию на ОАО "Строймаш" и на АО "Красный аксай" в составе диагностического комплекса для определения износа (зазора) в подшипниках коленчатых валов двигателей внутреннего сгорания.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ.

1. Динамическая система трения в полной мере может быть раскрыта, если рассмотреть иерархически взаимосвязанные системы дифференциальных уравнений "медленных" и "быстрых" движений. Причём, сами уравнения "быстрых" движений могут формировать свою иерархию взаимосвязанных динамических описаний по мере роста частоты всё на более локализованном уровне.

Первая система раскрывает большие (рабочие) движения, стационарный режим в которых, как правило, определяется в фазовой плоскости прямой, которая задаёт положение равновесия, в окрестности которого формируются "быстрые" движения. Последние описываются уравнениями в вариациях относительно этого положения равновесия системы трения.

2. Выполненный анализ уравнений "быстрых" движений показал, что они в общем случае являются нелинейными и с переменными параметрами. Условие постоянства параметров уравнений "быстрых" движений определяется изменением во

времени положения равновесия уравнений "быстрых" движений. Показано, что для большого класса трибосистем уравнения "быстрых" движений можно рассматривать как уравнения с квазипостоянными, но медленно меняющимися в связи с эволюционными процессами, параметрами.

3. Для процесса трения имеет место отображение изменения элементов матриц жёсткости и диссипации трибоконтакта в параметрах и корнях характеристического полинома системы в целом. Поэтому • правомерна постановка вопроса о диагностировании текущего состояния трибосистемы по изменениям параметров и в смещениях корней характеристического полинома динамической трибосистемы.

4. Предложенные математические алгоритмы и программы для обработки сигнала виброакустической эмиссии позволили выявить, что при идентификации авторегрессионной модели удается оценить параметры и корни характеристического полинома динамической модели системы трения. В ходе эволюции трибосистем меняются корни характеристического полинома авторегрессионной модели виброакустического сигнала и они являются более информативными, чем методы кореляционно-спектрального анализа и позволяют надежно определить малые смещения частот колебаний.

5. В ходе исследования эволюции трибосистем сталь -парафиновое масло - сталь и сталь - парафиновое масло -латунь обнаружено, что в корнях характеристического полинома авторегрессионной модели виброакустического сигнала отображается эволюция этого класса трибосистем.

6. В кривых эволюции системы сталь - глицерин (80%) - латунь можно выделить четыре стадии. Первая стадия - ¡возрастание хаоса, вторая - стадия трения с относительно ¡стабильными значениями коэффициента трения и величины износа, третья стадия - вновь возрастание хаоса и, наконец, четвертая стадия - выход на режим избирательного переноса, которая характеризуется резким снижением коэффициента трения до величин 0,0008 и интенсивности изнашивания практически до

нуля. Отмеченные выше стадии эволюции трибосистемы находят отражение в параметрах авторегрессионных моделей (корни характеристического полинома, частоты корней, коэффициенты затухания, амплитуды основных частотных составляющих).

7. Построение авторегрессионных моделей и эволюция корней ее характеристического полинома дает информационную базу для построения систем динамической диагностики состояния трибосистем и позволяет оценить динамическую структурную перестройку системы трения непосредственно в ходе ее функционирования. Важно отметить, что для таких систем диагностики в качестве исходных данных для принятия решения используется сигнал виброакустической эмиссии, который может быть получен практически без изменения конструкции диагностируемой машины.

8. Приведенные в диссертации материалы, а так же созданные программы, определяют направление совершенствования машин, в содержание которого входит встраивание в современные машины высоко интегрированных микро ЭВМ, обеспечивающих управление параметрами машины в ходе ее эксплуатации на базе обработки текущей информации о состоянии элементов машины. Разработанные системы виброакустической диагностики прошли опытно - промышленные испытания ОАО "Строймаш" и на АО "Красный аксай" и в Радомской Политехнике (Польша) на машине трения МТ-2, выпускаемой Радомской Политехникой для проведения трибологических испытаний.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах :

1. Усиков И.В., Лукьянов А.Д., Потравко 0.0. Динамическая диагностика состояния режущего инструмента. Проблемы теории проектирования и производства инструмента: Тез. докл. совещ., 15-17 нояб. -Тула, 1995. -с. 36-38.

2. В.Л.Заковоротный, М.Марчак, И.В.Усиков., А.Д.Лукьянов Динамический мониторинг эволюции поверхностей трибосопряжений

// Известия СКНЦ ВШ. Сер. Техн. науки, 1997. - № 4. -с 27-37.

3. Усиков И.В., Лукьянов А.Д., Потравко 0.0. Динамическая диагностика состояния режущего инструмента. : Межвуз. сб. науч. тр. - Ростов н/Д, 1997. - с. 128-132. :

4. Усиков И.В., Афанасьев A.B., Рязанов В.В. Автоматизированный комплекс для исследования динамических характеристик механических систем . Тезисы второй Всеросийской научной студенческой конференции "Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления". Таганрог, 1994.-с.165-166.

5. Марчак М., Заковоротный В.Л., Бордачев Е.В., Усиков И.В. Особенности динамики трибосопряжения / Безызносность: Межвуз. сб. науч. ст. Вып. 4. - Ростов н/Д: Издательский центр ДГТУ, 1996. - с.116-124.

ЛР № 020639 от 26.04.96г. В набор 15.10.98г. В печать 20.10.98г. Объем 1,0 усл. п.л., 0.9 уч.-пчд.л. Офсет.Формат 60x84/16

Бумага Тип №3. Закач № 424. Тираж 100_

Издательский центр ДГТУ

Адрес университета и полиграфического предприятия: 344038, г.Ростов-на-Дону, пл.Гагарина. 1

ДОНСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ (ДГТУ)

УДК 621.891:620.179.18 (043.3) На правах рукописи

Специальность 05.02.04 - Трение и износ в машинах.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата

технических наук

Научный руководитель, доктор технических наук, профессор В.Л.Заковоротный

Научный руководитель, доктор технических наук М.Марчак

Ростов-на-Дону, 1998 г.

Содержание.

Введение. 4

1. Состояние вопроса. Цель и задачи исследований. 8

1.1. Динамические модели процесса терения. 9

1.2. Силовая эмиссия процесса трения. .............. 14

1.3. Процесс трения как нелинейная система динамической самоорганизации. ........ 16

1.4. Виброакустическая диагностика процесса трения и изнашивания. _ ........... 19

1.5. Цель и задачи исследований. .............. 23

2. Исследование динамики процесса трения. 25

2.1. Обобщенная динамическая модель процесса трения. ___ 25

2.2. Исследование состояния равновесия динамической системы трения. _ ................. 37

2.1.1.Зависимость сил контактного взаимодействия от сближения поверхностей при их относительном скольжении. ___ 38 2.2.2.Потенциальная функция динамической системы. Свойства состояния равновесия в подвижной системе координат. _ .................... 45

2.3. Уравнения "быстрых" движений. ........................................ 52

2.4. Эволюция корней характеристического полинома, обусловленная изменениями параметров динамической характеристики процесса трения как динамической связи. 63

2.5. Постановка задачи диагностирования эволюции трибосистемы по смещениям корней характеристического полинома. .......................................................................... 7 7

2.6. Выводы. , ................................................................. 83

3. Исследование эволюции трибосопряжений во

взаимосвязи с виброакустической эмиссией. 86

3.1. Методика проведения исследований.

Экспериментальная установка. ....................................:......; 87

3.1.1.Механическая часть. 91

3.1.2.Материал контактирующих пар. Смазочные материалы. _ _ 94

3.1.3.Прибор для записи и анализа виброспектральных

характеристик PL302. _ ........... 94

3 ,1, 4 . Интерфейсная плата ввода-вывода LI2ЮМ. ....... 97

3.1.5.Программное обеспечение. _ ..........• 99

3.2. Эволюция шероховатости поверхности при граничном трении. ....... 101

3.3. Эволюция корней характеристического полинома авторегрессионых моделей в ходе эволюции трибосистем сталь - парафиновое масло - сталь и сталь - парафиновое масло - латунь. _ _ _ ............................ 119

3.4. Эволюция корней характеристического полинома авторегрессионых моделей в случае избирательного переноса. __ ............. 127

3.5. Выводы. ..... 137

4. Особенности физической реализации систем виброакустической диагностики трибосопряжений. 142

4.1. Общие принципы построения систем динамической диагностики и мониторинга функционирования машин. ___ 142

4.2. Принцип. построения системы диагностики трибоконтакта. _ ............................... 14 6

4.3. Опыт промышленных испытаний системы диагностики эволюции износа. _ ......................................... 155

4.4. Выводы. ............................................................................................. 158

Заключение. Основные выводы................................................................... 160

Список использованной литературы.................................................... 164

Приложение 1. Тексты программ на MATLAB................................ 178

Приложение 2. Акт принятия к внедрению АО"Строймаш" 191 Приложение 3. Акт принятия к внедрению ОАО "Красный Аксай. 192

Введение.

В машинах самого различного назначения нашли широкое применение элементы, имеющие узлы трения. В качестве примера можно привести подшипники скольжения, направляющие, тормозные колодки и др. Не вызывает сомнения тот факт, что состояние трибоузлов машины оказывает влияние на качество ее функционирования. Под качеством функционирования понимается способность машины выполнять свой функции в требуемых рамках точности и надежности. Поэтому исследования и разработки, направленные на повышение и поддержания качества на заданном уровне, всегда актуальны для машиностроения.

Получение информации о состоянии трибоконтакта в ходе его функционирования является важной задачей, особенно в случаях машин с большим количеством трибоузлов или машин, работа которых не прерывается в течении длительного периода времени. Своевременная диагностика возможных критических состояний трибоконтактов направлена на повышение эффективности работы машины на основе определения неисправностей и серьезных поломок в трибосопряжении, на поиск именно того трибозвена, износ или неудовлетворительная работа которого приводит к снижению качества функционирования машины в целом или к возможным ее отказам. Диагностика узлов трения может быть также полезна при проведении научных трибологических экспериментов.

В качестве источника информационного сигнала могут использоваться различные параметры трибосопряжения (например, виброакустическая эмиссия, момент трения, износ, температура, переходное сопротивление и др.). Безусловным достоинством сигнала виброакустической эмиссии является отсутствие необходимости разрывать трибоконтакт и легкость встраивания датчиков в машину.

Рассматривая проблему динамической диагностики необходимо учитывать, что диагностирование состояния трибосопряжений определяет важное направление совершенствования техники и

повышения ее надежности как единой системы функционирования и эксплуатации.

Все работы в области диагностирования опираются на самый первый уровень моделирования случайных процессов - корреляционно спектральный анализ. Видимо, следующим этапом развития исследований в области динамической диагностики должно быть как систематическое изучение динамики процесса трения, так и создание или использование современных методов анализа многомерных временных рядов для целей диагностирования.

Актуальность исследований в области динамики процесса трения определяется прежде всего тем, что динамическая характеристика процесса трения определяет новую систему знаний о процессе трения, которая позволит не только дополнить имеющиеся представления о процессе трения,. но. и раскрыть и объяснить ряд необъяснимых на основе традиционных представлений явлений при трении и в ходе его эволюции.

В диссертации рассматриваются проблемы повышения эффективности функционирования машин за счет диагностики состояния их трибосопряжений на основе анализа

виброакустического сигнала. Новизна результатов, представленных в работе, заключается в следующем:

1. Теоретически обоснована связь изменения динамической характеристики трибосопряжения с параметрами его виброакустической эмиссии.

2. Построена обобщенная динамическая модель трибосопряжения на базе Лагранжевых представлений на основе раскрытия качественной картины формирования потенциальных и диссипативных свойств трибосопряжения.

3. Разработаны математические алгоритмы и программы обработки сигнала виброакустической эмиссии, заключающейся в построении авторегрессионной модели и определении ее параметров, в том числе корней характеристического полинома, отражающих общую перестройку динамической системы трения, а так же несущих информацию о стационарных периодических реакциях на силовую эмиссию трибоконтакта.

4. Проведены экспериментальные исследования эволюции трибосистем •и проанализированы отображения этой эволюции в параметрах авторегрессионных моделей виброакустического сигнала.

5. Дополнены исследования преобразования микрорельефа трибоповерхностей в части изучения изменения его статистических функционалов.

6. Описаны принципы построения системы виброакустической диагностики трибосопряжений.

Диссертационная работа изложена на страницах

машинописного текста. Состоит из введения, четырех глав основной части, заключения, списка литературы и приложений.

Работа выполнена на кафедре "Автоматизация производственных процессов и производств" - Донского Государственного Технического Университета и в Институте эксплуатации средств передвижения и машин в Радомской политехнике (Польша) по договору о международном сотрудничестве.

Организация работы по диссертации была построена таким образом, что . основные экспериментальные результаты в виде цифровых файлов с данными были получены в Радомской политехнике. Обработка же полученных файлов, составление математических моделей и написание программ были выполнены в Донском Государственном Техническом Университете.

Отдельные фрагменты работы выполнены по научно-техническим программам России: "Технические университеты России", "Конверсия и высокие технологии", "Механика, машиноведение и процессы управления".

По теме диссертации опубликовано пять научных работ, в том числе одна в центральной печати.

Первая глава содержит анализ исследований в области моделирования динамики трибосопряжений и виброакустической динамической диагностики, а так же формулировку цели и задач работы.

Вторая глава посвящена раскрытию динамических особенностей процесса трения на базе анализа взаимосвязи сил контактного

взаимодействия сопрягаемых поверхностей, обуславливающих движения, с пространственными относительными движениями сопрягаемых поверхностей. При этом рассматриваются два вида движений системы: "медленные" движения точки положения равновесия в ходе эволюции трибосистемы и "быстрые" движения относительно этой точки.

В третьей главе рассматривается экспериментальная установка, методика проведения экспериментов, собственно данные, полученные в ходе исследований и их анализ.

Четвертая глава описывает принципы построения системы многофункциональной динамической системы диагностики

трибосопряжения.

1. Состояние вопроса. Цель и задачи исследований.

Динамика и динамические модели процесса трения, в той или иной мере раскрывающие взаимосвязь сил контактного взаимодействия при трении с координатами движения сопрягаемых поверхностей, являлись предметом исследований многих учёных. Среди исследователей, внёсших вклад в решение этой проблемы, необходимо прежде всего отметить работы Авдеева Д.Т., Амосова А.П., Андронова A.A., Ахматова A.C., Влехмана И.И., Боудена Ф.П., Брокли С.А., ■ Бусарова Ю.П., Вейца B.JI., Верховского A.B., Вульфсона И.И., Геккера Ф.Р., Гитиса Н.В., Дерягина Б.В., Дроздова Ю.Н., Запорожца В.И.,- Заковоротного В.Л., Ишлинского

A.Ю., Кайдановского H.JI., Като К, Коловского М.З., Кононенко

B.О., Костерина Ю.И., - Котелевского В.И., Кочинева H.A., Крагельского И.В., Кудинова В.А., Куртеля Р., Лазаренко Ю.А., Лапидуса A.C., Левина А.И., Максака В.И., Мурашкина Л.С., Марчака М. , Пановко Я.Г., Писаренко Г.С., Пуша В.Э., Рабиновича Е., Раввы Ж.С., Решетова Д.Н., Рыжова Э.В., Стокера Д., Толстого Д.М., Хаяси Т, Чичинадзе A.B., Шаповалова В.В., Эльясберга М.Е. и др. [1-3, 7-17, 22, 23, 25, 32-37, 39, 40, 43, 45, 47-54, 57, 58, 63-66, 68, 69, 71, 72, 79-81, 83, 91, 173] .

Причиной, послужившей толчком к исследованию проблемы динамики механических систем с трением является, прежде всего, необходимость обеспечения заданной точности и надёжности функционирования машин и механизмов [13, 22, 23, 71]. При этом основное внимание уделялось вопросам, связанным с потерей устойчивости движения и с развитием устойчивых предельных циклов (автоколебаний) в динамической системе [3, 9, 35, 43, 64, 91, 164] . Более того, именно такой подход привёл к созданию теории фрикционных автоколебаний трибосистем. Он объясняется требованиями практики обеспечивать заданные траектории движений исполнительных элементов машин и механизмов, которые дополнительно взаимодействуют и с другими средами (например, технологическими). Показано, что по отношению к трению проблема обеспечения заданных траекторий особенно актуальна при малых скоростях относительного скольжения.

1.1. Динамические модели процесса трения.

При моделировании трибосистем во всех случаях декларировалась модель упруго-диссипативной подсистемы (назовём её преобразующей системой, приведённой к процессу трения), взаимодействующая с процессом трения, и независимо от неё модель самого процесса трения, которые во всех известных нам работах считались независимыми. Другими словами во всех случаях считается, что динамическая модель процесса трения инвариантна к упруго-диссипативным характеристикам преобразующей системы трения [2, 33, 36, 47, 53, 83, 133] .

При анализе динамической системы рассматривается несколько уровней моделирования:

- вся сложная пространственная динамическая система машины аппроксимируется консервативной или консервативно-диссипативной линейной системой с одной степенью свободы и с постоянными параметрами. Другими словами вся машина заменяется одним колебательным звеном [2, 35, 71, 68, 133];

- преобразующая система машины моделируется двумя колебательными звеньями, расположенными ортогонально в плоскости, проходящей через ось, перпендикулярную к поверхности контакта, и через ось, проходящей по направлению скорости относительного скольжения. Такая модель позволяет учесть важные вопросы пространственных колебаний и раскрыть эффекты взаимодействия ортогональных составляющих колебаний через узел трения [53, 54] ;

- наконец, в последние годы появились работы, в которых преобразующая система рассматривается как упруго-диссипативная конечномерная динамическая структура с постоянными параметрами, имеющая "п" степеней свободы [137, 159] .

При рассмотрении трибосистем необходимо учитывать, что главная специфика динамики, все сложные нелинейные эффекты в той или иной мере могут быть раскрыты в зависимости от используемой динамической модели процесса трения, которая во всех случаях

раскрывает зависимость сил трения от координат смещений, скоростей или ускорений индентора относительно контробразца.

Всё множество используемых моделей можно разбить на следующие группы:

- одни учитывают отличие сил трения покоя и сил трения движения. В результате изменение силы трения при движении координат состояния системы в точку, в которой скорость равна нулю осуществляется по одной траектории, а выход из этой точки- по другой. Тем самым моделируются гистерезисные явления при трении, которые потенциально способствуют формированию в фазовом пространстве устойчивых предельных циклов [1, 11, 25, 61, 62, 69];

- принимается во внимание падающий участок зависимости силы трения от скорости относительного скольжения. Это так называемая кинетическая характеристика процесса трения. В результате создаётся эффект "отрицательного трения", что способствует потере устойчивости, а нелинейность падающего участка и имеющие место переходы от падающего участка к участкам подъема (в областях малых и больших скоростей) способствуют формированию предельного цикла, который, естественно, в этих условиях будет устойчив [2, 16, 28, 43, 44, 66, 71, 128, 133, 134];

- принимается во внимание гистерезис изменения сил по отношению к смещениям индентора относительно контробразца, в том числе гистерезис, обусловленный закономерностями предварительного смещения. Использование гистерезисных характеристик позволяет одновременно учесть диссипативное влияние процесса трения [1, 15, 24, 62];

- учитывается взаимосвязь нормальных и тангенциальных составляющих колебаний индентора относительно контробразца [51 -54]. При этом показывается существование запаздывания тангенциальных сил по отношению к нормальным смещениям.

Последние, в свою очередь, обусловлены силами нормального давления. Аналогичные запаздывания обнаружены и в случае сухого трения. Моделирование же запаздывания осуществляется либо звеном частого запаздывания, либо инерционным звеном первого порядка.

Естественно, что привлечение разнообразных по своей природе и математическому описанию моделей не может не иметь противоречивых интерпретаций результатов их применения. Они просто описывают различные явления при трении. Например, в работе [54] на падающем участке кинетической характеристики (зависимости сил трения от скорости относительного скольжения) фрикционные автоколебания, как правило, не возникают, в то время как они развиваются на возрастающем участке этой характеристики.

Анализ методов моделирования динамики процесса трения необходимо дополнить применяемыми при исследованиях методами получения решения нелинейных дифференциальных уравнений и используемыми при этом методами анализа устойчивости этих решений. Дело в том, что во всех случаях после моделирования исходя из его цели - определения автоколебаний - требуется найти периодические решения (выявить предельные циклы) и проанализировать устойчивость этих периодических решений (предельных циклов). Только после этого можно судить о формировании автоколебаний.

Коротко проанализируем используемые при анализе рассмотренных выше динамических явлений методы теории нелинейных дифференциальных уравнений:

- большинство полученных выше результатов относится к системе дифференциальных уравнений второго порядка. Имеется явное

.желание интерп