Спосіб визначення початкової стадії виникнення задирок у фрикційних вузлах

Реферат: UA 94186 U UA 94186 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до контролю виробів та їх фізико-механічних властивостей, а саме визначення початкової стадії виникнення задирок (заїдання) у фрикційних вузлах в процесі їх роботи, попередження необоротних пошкоджень поверхонь фрикційного контакту, запобігання утворенню продуктів зношування, пошкодження інших елементів фрикційних вузлів та підвищення термінів їх експлуатації. Відомий найбільш близький аналог є спосіб визначення моменту виникнення задирок у фрикційних вузлах (див. Пат. № 65019, Україна, МПК G01N 29/04, G01N 3/56. Спосіб визначення моменту виникнення задирок у фрикційних вузлах /Філоненко С.Ф., Космач О.П., Косицька Т.М.; заявник та патентовласник Нац. авіац. ун-т. - № u201105007; заявл. 20.04.2011; опубл. 25.11.2011, Бюл. № 22), який включає навантаження вузла тертя з одночасною реєстрацією акустичної емісії, за характеристиками якої роблять висновки про момент виникнення задирок в фрикційному вузлі. Як вищезгадані характеристики визначають дисперсію сумарної енергії сигналів акустичної емісії і за різким її зростанням або швидкістю її зростання визначають момент виникнення задирок в фрикційному вузлі. Недоліки аналога витікають з того, що при його реалізації, не зважаючи на те, що реєстрація акустичного випромінювання відбувається на мікрорівні процесів руйнування поверхонь фрикційного контакту, фіксація моменту виникнення задирок за дисперсією сумарної енергії сигналів акустичної емісії або швидкістю її зростання відбувається на стадії, близької до стадії розвитку процесу катастрофічного зношування поверхонь фрикційного контакту. За проміжок часу між фіксацією моменту виникнення задирок і катастрофічним зношуванням відбувається поступовий перехід з мікрорівня на макрорівень руйнування поверхонь фрикційного контакту. У багатьох випадках, наприклад при значних швидкостях обертання поверхонь вузлів тертя, значної інерційності окремих їх елементів до повної зупинки тощо, цей час не є достатнім для виведення вузла тертя з роботи, що призводить до необоротного катастрофічного пошкодження поверхонь фрикційного контакту та не можливості їх відновлення. За таких умов достовірність відомого способу визначення моменту виникнення задирок у фрикційних вузлах значно зменшується або є незначною. Крім того, в залежності від типу матеріалів поверхонь фрикційного контакту, наприклад, крихких матеріалів, за деякі малі проміжки часу після визначення виникнення задирок за відомим способом можуть відбуватися і достатньо швидкі макропроцеси руйнування з додатковим утворенням різних макропродуктів зношування. Їх поява може приводити не тільки до пошкодження поверхонь, що контактують, але й до значного пошкодження інших елементів фрикційних вузлів, як конструкцій в цілому, що є фактором зменшення ймовірності подовження терміну його експлуатації. Використання відомого способу хоча і дозволяє запобігти повному руйнуванню фрикційного вузла, але для відновлення його поверхонь і збільшення термінів експлуатації потрібні додаткові фінансові, матеріальні та часові витрати. В основу корисної моделі поставлена задача вдосконалення способу визначення моменту виникнення задирок у фрикційних вузлах на його ранніх або початкових стадіях, при якому за рахунок вимірювання коефіцієнта ексцесу середнього рівня амплітуди або середнього рівня енергії сигналів акустичної емісії забезпечується підвищення достовірності визначення початкової стадії виникнення задирок, чутливості і розрізнювальної здатності, знижується ймовірність необоротних пошкоджень поверхонь фрикційного контакту і вузла тертя в цілому. При цьому момент виникнення задирок визначається на рівні, який передує мікрорівню стабільного розвитку процесу руйнування поверхневих шарів вузлів тертя, що збільшує ймовірність відновлення поверхонь і подовження термінів експлуатації вузлів тертя, зменшення фінансових, матеріальних і часових витрат на їх відновлення і ремонт. Поставлена задача вирішується тим, що у способі визначення початкової стадії виникнення задирок у фрикційних вузлах, що включає навантаження фрикційного вузла з одночасною реєстрацією акустичної емісії, за характеристиками якої роблять висновок про момент виникнення задирок у фрикційному вузлі, згідно з корисною моделлю, як вищезгадані характеристики визначають коефіцієнт ексцесу середнього рівня амплітуди або середнього рівня енергії результуючого сигналу акустичної емісії, а момент виникнення початкової стадії задирок визначають при перевищенні коефіцієнтом ексцесу середнього рівня амплітуди або середнього рівня енергії результуючого сигналу акустичної емісії нульового рівня та різкого його зростання. Причинно-наслідковий зв'язок між сукупністю ознак, що заявляються, і технічними результатами, що досягаються, полягає у наступному. При роботі фрикційного вузла на його поверхнях контактної взаємодії відбуваються процеси, які пов'язані з формуванням та порушенням фрикційних зв'язків, тобто відбувається руйнування поверхонь фрикційного контакту. При цьому розвиток процесів руйнування поступово розвивається на субмікро-, мікро 1 UA 94186 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 та макрорівнях і супроводжуються акустичним випромінюванням, тобто випромінюванням сигналів акустичної емісії. Зміна їх параметрів у часі є відображенням кінетики процесів, що розвиваються на поверхнях фрикційного контакту. Працездатність фрикційного вузла, як відомо, визначається досить тривалою стадією сталого зношування, для якої характерним є стабілізація інтенсивності зношування з поступовим її зростанням протягом досить тривалого часу і наступним переходом до стадії катастрофічного зношування з виникненням задирок поверхонь фрикційного контакту. Експериментальні дослідження показують, що в цілому зростання параметрів акустичного випромінювання відповідає даним уявленням - фіксується поступове зростання, наприклад, середнього рівня амплітуди, енергії або сумарної енергії результуючих сигналів АЕ та величин їх дисперсій, тобто розкиду (етап 1’, фіг. 1). Такий процес відбувається до моменту початку виникнення катастрофічного руйнування поверхонь фрикційного контакту (точка А, фіг. 1), який фіксується на етапі сталого зношування (етап 1, фіг. 1), коли спостерігається різка зміна величини дисперсії сумарної енергії сигналу акустичної емісії або швидкості її зростання, що і покладено в основу відомого способу визначення моменту виникнення задирок фрикційних вузлах. При цьому існує деякий час (етап 2', фіг. 1) між початком виникнення катастрофічного руйнування поверхонь фрикційного контакту (точка А, фіг. 1) і моментом виникнення задирання (точка В, фіг. 1). Однак, як показують дослідження, при терті поверхонь, наприклад, із композиційних матеріалів або матеріалів із зміцненням поверхневих шарів, тобто матеріалів схильних до крихкого руйнування, цей час (етап 2', фіг. 1) може бути обмеженим, тобто початок виникнення катастрофічного руйнування достатньо швидко переходить в катастрофічне руйнування з виникненням задирок у фрикційних вузлах і їх виходом з роботи. За таких умов практично не можливо проводити відновлювання поверхонь фрикційного контакту, тобто відбувається втрата працездатності вузлів тертя. Це обумовлено наступним. Процеси руйнування фрикційних контактів відбуваються на різних рівнях (субмікро-, мікро- і макрорівнях), що приводить до формування окремих імпульсних сигналів акустичної емісії з різними значеннями параметрів, які, в свою чергу, вносять різний вклад в результуючий сигнал акустичної емісії. При цьому в процесі роботи пари тертя відбувається поступовий перехід к переважному рівню руйнування поверхонь фрикційного контакту. Фіксація стрибкоподібного зростання величини дисперсії сумарної енергії результуючого сигналу акустичної емісії або швидкості її зростання, за відомим способом, що відповідає точці А на фіг. 1, свідчить про початок виникнення катастрофічного руйнування, тобто про перехід до стабільного мікрорівня руйнування поверхонь фрикційного контакту. Однак для матеріалів, які схильні до крихкого руйнування, наприклад, композиційних матеріалів та матеріалів із зміцненням поверхневих шарів, виникнення перших осередків мікроруйнування може бути спусковим механізмом миттєвого розвитку макропроцесів руйнування. За таких умов практично є відсутнім або достатньо малим в часі перехідний етап (етап 2', фіг. 1) між початком виникнення катастрофічного руйнування і необоротним виникненням задирок у фрикційних вузлах, тобто початок виникнення катастрофічного руйнування миттєво переходить в необоротне виникнення задирок фрикційного вузла (точки А і В на фіг. 1 практично співпадають) з відповідними наслідками - не можливістю відновлення поверхонь фрикційного вузла або його повним руйнуванням. В той же час, як показали результати експериментальних досліджень, зміна параметрів акустичної емісії в часі (сумарної енергії або амплітуди або енергії) при тривалих випробуваннях характеризується не тільки зростанням їх середніх рівнів і дисперсій (розкиду) (фіг. 1) але і зміною розподілів їх значень. Такі розподіли характеризуються коефіцієнтом ексцесу, тобто мірою гостроти піку розподілу, який визначається за виразом n Ex  50 55  x i  x  4 i1  3 ,(1) n 4 де xi - поточне значення амплітуди або енергії сигналу акустичної емісії; x - середній рівень амплітуди або енергії результуючого сигналу акустичної емісії на довжині вибірки n ;  стандартне відхилення. При цьому зростання параметрів результуючих сигналів акустичної емісії супроводжується і зростанням коефіцієнтів їх ексцесу. Експериментальні дані показують, що, наприклад, зростання коефіцієнтів ексцесу середнього рівня амплітуди та середнього рівня енергії результуючого сигналу акустичної емісії в часі мають стійкий лінійний зв'язок, що підтверджується високими значеннями розрахованого коефіцієнта кореляції Спірмена КC=0,9825 та коефіцієнта кореляції Кендалла КК=0,903. 2 UA 94186 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 В той же час, зростання коефіцієнта ексцесу середнього рівня амплітуди та середнього рівня енергії результуючого сигналу акустичної емісії при роботі пари тертя має особливості. Як показують результати експериментальних досліджень, на стадії сталого зношування пари тертя (1, фіг. 1; S, фіг.2) не доходячи до початку виникнення катастрофічного руйнування (точка А, фіг. 1) коефіцієнти ексцесу середнього рівня амплітуди та середнього рівня енергії результуючого сигналу акустичної емісії поступово зростають але мають від'ємні значення (до точки М, фіг. 2). Перехід з від'ємного до позитивного значення коефіцієнта ексцесу (точка М, фіг. 2) відбувається стрибкоподібно. При цьому цей перехід (точка М, фіг. 2) передує в часі початок виникнення катастрофічного руйнування, якій фіксується за відомим способом (точка А, фіг. 1). Далі, на етапі, який передує моменту виникнення задирок (S', фіг. 2), що включає і етап 2' (фіг. 1), тобто перехідній стадії, коефіцієнти ексцесу середнього рівня амплітуди та середнього рівня енергії результуючого сигналу акустичної емісії мають вже стабільно позитивне значення. Така зміна коефіцієнта ексцесу свідчить про початок переходу до зміни механізму тертя або початок зміни рівня руйнування поверхонь фрикційного контакту. При цьому стабільність розвитку нового рівня процесу руйнування поверхонь фрикційного контакту фіксується за допомогою відомого способу але пізніше, ніж за способом, що заявляється. Як показують результати експериментальних досліджень, в момент часу, який відповідає переходу з від'ємного до позитивного значення коефіцієнта ексцесу (точка М, фіг. 2), зростання дисперсії сумарної енергії результуючого сигналу акустичної емісії не перевищує 9 %…15 %, а зростання значення коефіцієнта ексцесу для середнього рівня амплітуди та середнього рівня енергії перевищує 200 %…250 %. При цьому цей перехід, тобто фіксація початкової стадії переходу до розвитку катастрофічного руйнування поверхонь фрикційного контакту за коефіцієнтом ексцесу середнього рівня амплітуди та середнього рівня енергії результуючих сигналів акустичної емісії фіксується у часі на 5 %…10 % раніше ніж за дисперсією сумарної енергії результуючих сигналів акустичної емісії і на 30 %…38 % раніше, ніж за моментом тертя. Таким чином, не викликає сумнівів, що використання контролю зростання значень коефіцієнта ексцесу середнього рівня амплітуди або середнього рівня енергії сигналу акустичної емісії є ефективним способом визначення початкової стадії виникнення задирання у фрикційних вузлах на ранніх стадіях наближення до виникнення задирок. При цьому використання контролю зростання значень коефіцієнта ексцесу середнього рівня амплітуди або середнього рівня енергії сигналу акустичної емісії дозволяє здійснювати визначення початкової стадії виникнення задирок раніше, ніж за контролем зростання дисперсії сумарної енергії сигналів акустичної емісії, що безумовно, забезпечує підвищення його достовірності, чутливості і розрізнювальної здатності. Крім того, це дозволяє раніше попередити необоротне пошкоджування поверхонь фрикційного контакту, запобігти утворенню макропродуктів зношування, які впливають на пошкодження інших елементів фрикційного вузла, як конструкції в цілому, і, як наслідок, збільшити ймовірність відновлення спряжених поверхонь та подовження строків експлуатації фрикційних вузлів, тобто своєчасно вилучати їх з роботи. При цьому значно зменшуються фінансові, матеріальні та часові витрати на відновлення та ремонт вузлів тертя. Спосіб проілюстровано на фіг. 1, фіг. 2, фіг. 3, де на фіг. 1 показано залежність зміни сумарної енергії сигналів акустичної емісії в часі на стадіях сталого та катастрофічного зношування при випробуванні фрикційного вузла за конструктивною схемою „диск-диск", нерухомий зразок якого виготовлено зі сталі 30ХГСА, а рухомий зразок - зі сплаву Д16 з твердосплавним покриттям ВК6: 1 - стадія сталого зношування; 1’ - етап на стадії сталого зношування, на якому спостерігається стале зростання середнього рівня сумарної енергії результуючого сигналу АЕ та величини його дисперсії; 2' - етап на стадії сталого зношування, який передує стадії необоротного зношування; А - початок виникнення катастрофічного руйнування поверхонь фрикційного контакту або момент початку виникнення задирок поверхонь фрикційного контакту; В - момент виникнення задирок у фрикційному вузлі; на фіг. 2 показано залежності зміни коефіцієнтів ексцесу середнього рівня амплітуди та середнього рівня енергії результуючого сигналу акустичної емісії в часі на стадіях сталого та катастрофічного зношування поверхонь при випробуванні фрикційного вузла за конструктивною схемою „дискдиск", нерухомий зразок якого виготовлений зі сталі 30ХГСА, а рухомий зразок - зі сплаву Д16 з твердосплавним покриттям ВК6: S - стадія сталого зношування; Z - стадія необоротного (катастрофічного) зношування; М - точка, яка відповідає початку виникнення катастрофічного руйнування поверхонь фрикційного контакту за зміною коефіцієнта ексцесу середнього рівня амплітуди або середнього рівня енергії результуючого сигналу акустичної емісії або початку виникнення задирок поверхонь фрикційного контакту; S’ - етап на стадії сталого зношування, який відповідає перехідній стадії до катастрофічного зношування і виникнення задирок фрикційного вузла; D - момент виникнення задирок у фрикційному вузлі; на фіг. 3 показано 3 UA 94186 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 залежність зміни дисперсії сумарної енергії результуючого сигналу акустичної емісії в часі на стадіях сталого та катастрофічного зношування при випробуванні фрикційного вузла за конструктивною схемою „диск-диск", нерухомий зразок якого виготовлений зі сталі 30ХГСА, а рухомий зразок - зі сплаву Д16 з твердосплавним покриттям ВК6: I’ - стадія сталого зношування; ІI’ - стадія необоротного (катастрофічного) зношування; А1 - точка, яка відповідає моменту початку виникнення катастрофічного руйнування поверхонь фрикційного контакту за зміною дисперсії сумарної енергії результуючого сигналу акустичної емісії або початку виникнення задирок фрикційного вузла. Приклад конкретної реалізації способу, що заявляється Визначався момент виникнення задирок фрикційного вузла, який працює за конструктивною схемою „диск-диск". У відповідності до схеми випробувань, один із зразків фрикційного вузла був нерухомим, а другий зразок встановлювався в патрон на шпинделі машини тертя СМТ-1, який обертався із заданою постійною швидкістю. Зразки представляли собою втулки з тертям по плоских торцевих поверхнях. Контактна взаємодія зразків тертя забезпечувалася важільним механізмом навантаження вагового типу. Рухомий зразок був виготовлений зі сплаву Діб з твердосплавним покриттям ВК6, а нерухомий зразок - зі сталі 30ХГСА. Випробувальні зразки мали наступні розміри: зовнішній діаметр 28 мм; внутрішній діаметр 20 мм; товщина стінки 4 мм; -1 висота 22 мм. Швидкість обертання приводного вала машини тертя СМТ-1 складала 500 хв . Осьове робоче навантаження на фрикційний вузол складало 450 Н. Як мастильне середовище використовувалося мастило М10Г2К, витрати якого складали 1,2 л/год. При випробуваннях проводилась реєстрація результуючого сигналу акустичної емісії. Для цього було застосовано перетворювач, який виготовлено із п'єзокераміки ЦТС-19. Первинний перетворювач встановлювався на нерухомому зразку фрикційного вузла тертя. Сигнали з виходу перетворювача підсилювалися, а потім вимірювалися та оброблялися з використанням акустично-емісійного діагностичного комплексу. Результати вимірювання параметрів реєстрованого результуючого сигналу акустичної емісії представлялися у вигляді графічних залежностей зміни коефіцієнтів ексцесу середнього рівня амплітуди та середнього рівня енергії, а також дисперсії сумарної енергії результуючого сигналу акустичної емісії в часі. Інтервал дискретизації аналого-цифрового перетворювача при реєстрації сигналів акустичної емісії складав 11,4 мкс. За результатами вимірювань проводилося порівняння даних визначення моменту виникнення задирок в фрикційному вузлі за відомим способом і способом, що пропонується. Результати проведених випробувань наведено на фіг. 2, фіг. 3, де на фіг. 2 показано залежності зміни коефіцієнтів ексцесу середнього рівня амплітуди та середнього рівня енергії результуючого сигналу акустичної емісії в часі на стадіях сталого та катастрофічного зношування поверхонь при випробуванні фрикційного вузла за конструктивною схемою „дискдиск", нерухомий зразок якого виготовлений зі сталі 30ХГСА, а рухомий зразок - зі сплаву Д16 з твердосплавним покриттям ВК6: S - стадія сталого зношування; Z - стадія необоротного (катастрофічного) зношування; М - точка, яка відповідає початку виникнення катастрофічного руйнування поверхонь фрикційного контакту за зміною коефіцієнта ексцесу середнього рівня амплітуди або середнього рівня енергії результуючого сигналу акустичної емісії або початку виникнення задирок поверхонь фрикційного контакту; S' - етап на стадії сталого зношування, який відповідає перехідній стадії до катастрофічного зношування і виникнення задирання фрикційного вузла; D - момент виникнення задирок у фрикційному вузлі; на фіг. 3 показано залежність зміни дисперсії сумарної енергії результуючого сигналу акустичної емісії в часі на стадіях сталого та катастрофічного зношування при випробуванні фрикційного вузла за конструктивною схемою „диск-диск", нерухомий зразок якого виготовлений зі сталі 30ХГСА, а рухомий зразок - зі сплаву Д16 з твердосплавним покриттям ВК6: I’ - стадія сталого зношування; ІI’ - стадія необоротного (катастрофічного) зношування; А1 - точка, яка відповідає моменту початку виникнення катастрофічного руйнування поверхонь фрикційного контакту за зміною дисперсії сумарної енергії результуючого сигналу акустичної емісії або початку виникнення задирок фрикційного вузла. Результати проведених випробувань показали, що перехід фрикційного вузла зі стадії сталого зношування на стадію катастрофічного зношування з виникненням задирок характеризується як різкою зміною коефіцієнтів ексцесу середнього рівня амплітуди та середнього рівня енергії результуючого сигналу акустичної емісії, так і різкою зміною дисперсії сумарної енергії сигналу акустичної емісії (фіг. 2, фіг. 3). Для способу, що пропонується зростання значень коефіцієнтів ексцесу середнього рівня амплітуди та середнього рівня енергії сигналу акустичної емісії при переході на стадію катастрофічного зношування відбувається стрибкоподібно. Для відомого способу зростання дисперсії сумарної енергії сигналу акустичної 4 UA 94186 U 5 10 15 20 25 30 емісії при переході на стадію катастрофічного зношування відбувається також стрибкоподібно. Однак момент початку виникнення катастрофічного руйнування поверхонь фрикційного контакту за зміною дисперсії сумарної енергії результуючого сигналу акустичної емісії або початку виникнення задирок фрикційного вузла (А 1, фіг. 3) фіксується пізніше, ніж за зростанням коефіцієнтів ексцесу середнього рівня амплітуди та середнього рівня енергії сигналу акустичної емісії. Згідно з отриманими даними, в момент переходу коефіцієнтів ексцесу середнього рівня амплітуди або середнього рівня енергії результуючого сигналу акустичної емісії з від'ємного до позитивного значення, тобто на інтервалі часу 1170 с - 1200 с, і стрібкоподібне їх зростання становить 204,48 %, а зростання дисперсії сумарної енергії результуючого сигналу АЕ на цьому інтервалі часу становить лише 9,39 %. При цьому момент початку виникнення катастрофічного руйнування поверхонь фрикційного контакту за зміною коефіцієнту ексцесу середнього рівня амплітуди або середнього рівня енергії результуючого сигналу акустичної емісії або початку виникнення задирок поверхонь фрикційного контакту за способом, що пропонується, зафіксований на 1200-ій с випробувань (М, фіг. 2). Момент початку виникнення катастрофічного руйнування поверхонь фрикційного контакту за зміною дисперсії сумарної енергії результуючого сигналу акустичної емісії або початку виникнення задирок фрикційного вузла за відомим способом зафіксований на 1250-ій с випробувань (А1, фіг. 3). З отриманих результатів видно, що фіксація моменту початку виникнення катастрофічного руйнування поверхонь фрикційного контакту за зміною коефіцієнтів ексцесу середнього рівня амплітуди або середнього рівня енергії результуючого сигналу акустичної емісії або початку виникнення задирок поверхонь фрикційного контакту визначається на 50 с раніше, ніж за відомим способом, тобто на 4 % раніше. Таким чином, не викликає сумнівів, що використання визначення коефіцієнтів ексцесу середнього рівня амплітуди або середнього рівня енергії результуючого сигналу акустичної та слідкування за його перевищенням нульового рівня та різким його зростанням є ефективним способом визначення моменту початку виникнення катастрофічного руйнування поверхонь фрикційного контакту або початку виникнення задирок поверхонь фрикційного контакту. Це забезпечує підвищення достовірності визначення моменту виникнення задирання, дозволяє попередити необоротне пошкоджування поверхонь фрикційного контакту, запобігти утворенню макропродуктів зношування та пошкодження інших елементів фрикційного вузла, і як наслідок, проводити його ремонт та подовжити строки експлуатації. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 35 40 Спосіб визначення початкової стадії виникнення задирок у фрикційних вузлах, що включає навантаження фрикційного вузла з одночасною реєстрацією акустичної емісії, за характеристиками якої роблять висновок про момент виникнення задирок у фрикційному вузлі, який відрізняється тим, що як характеристику визначають коефіцієнт ексцесу середнього рівня амплітуди або середнього рівня енергії результуючого сигналу акустичної емісії, а момент виникнення початкової стадії задирок визначають при перевищенні коефіцієнтом ексцесу середнього рівня амплітуди або середнього рівня енергії результуючого сигналу акустичної емісії нульового рівня та значного його зростання. 5 UA 94186 U 6 UA 94186 U Комп’ютерна верстка А. Крулевський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 7