CC BY
24
Математические методы. Моделирование. Экспериментальные исследования -►
Вып. 611.— 1974.— С. 74-96.
3. Rao, Y. An Experimental Study of Transitional Flow Friction and Heat Transfer Performance of a cannel With Staggered Arrays of Mini-Scale Short Pin Fins [Текст] / Y. Rao, C. Wan, S. Zang // ASME Paper GT— 200959341.— 2009.
4. Калинин, Э.К. Интенсификация теплообмена в каналах [Текст] / Э.К. Калинин, Г.А. Дрейцер, С.А. Ярхо.— М.: Машиностроение, 1990.— 208 с.
5. Лебедев, А.С. Разработка отечественной энергетической газотурбинной установки среднего класса мощности с применением комплекса современных ра-счетно-экспериментальных методов [Текст]: Автореф. дисс. ... докт. техн. наук / А.С. Лебедев.— СПб., 2007.
6. Розенберг, Г.С. Экологическое прогнозирование (Функциональные предикторы временных рядов) [Текст] / Г.С. Розенберг, В.К. Шитиков, П.М. Бруси-ловский.— Тольятти, 1994.— 182 с.
7. Ануров, Ю.М. Эффективные методы интенсификации теплообмена в системах охлаждения лопа-
точных аппаратов высокотемпературных газовых турбин [Текст]: Автореф. дисс. ... докт. техн. наук / Ю.М. Ануров.— СПб., 2005.
8. Нагога, Г.П. Эффективные способы охлаждения лопаток высокотемпературных газовых турбин [Текст]: Учебное пособие / Г.П. Нагога.— М.: МАИ, 1996.
9. Галкин, М.Н. Исследование и расчет гидравлических и тепловых характеристик охлаждаемых конструкций с компланарными каналами [Текст] / М.Н. Галкин, В.Г. Попов, Н.Л. Ярославцев // Известия вузов. Машиностроение.— 1985. № 3.— С. 56-60.
10. Андреев, К.Д. Исследование теплообмена и гидравлических сопротивлений в канале прямоугольного сечения со взаимно пересекающимися и скрещивающимся оребрением [Текст] / К.Д. Андреев, Л.В. Арсеньев, В.Г Полищук, Н.П. Соколов // Промышленная теплотехника.— 1998. Т. 20, № 3.— С. 70-75.
УДК 620.178
С.В. Сычёв, О.С. Кузнецова, Ю.А. Фадин, С.Г. Чулкин
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПРИРАБОТКИ ПОВЕРХНОСТИ ИЗНОСОСТОЙКИХ КЕРАМИК
В каждой паре трения в начальный период процесса контактного взаимодействия происходит изменение геометрических параметров поверхностей трения. Этот процесс называется приработкой [1]. Повсеместная практика показывает, что эксплуатация пары трения начинается только после завершения приработки. Поэтому информация о завершении приработки — важнейшая характеристика этого процесса. Как правило, данные об окончании процесса приработки могут быть получены после проведения испытаний на трение, разборки узла трения и последующего лабораторного анализа состояния поверхностных слоев контактирующих материалов. Информация об окончании процесса приработки в процессе самого трения может быть получена только при проведении лабораторных испытаний, например по данным о стабилизации коэффициента трения или стабилизации температуры в области контакта.
Все реальные объекты, сделанные из новых деталей, проходят приработку, ее время можно указать только приблизительно. Стандартные методы определения приработки еще не разработаны. Существует насущная потребность в разработке методов непосредственного определения времени приработки на работающем объекте. Одним из них может быть метод акустической эмиссии. Связь между акустической эмиссией и шероховатостью поверхности была уставлена уже в ранних работах [2]. Следует сказать, что механизм приработки изучен недостаточно, всегда в первую очередь обращают внимание на ее прикладное значение. Однако очевидно, что, только зная причины явления, можно подобрать способы его контроля во времени. Использование в современных узлах трения керамических материалов еще более усиливает актуальность изучения приработки. Дело в том, что керамики, обладая такими весьма
полезными свойствами, как прочность, твердость, высокая износостойкость, способность работать при высокой температуре и в агрессивной среде, имеют существенно отрицательное свойство — хрупкость. Склонность керамик к неожиданному разрушению требует организации непрерывного контроля их свойств во время эксплуатации. Поэтому и приработка таких материалов должна проходить под непрерывным контролем.
Целью нашей работы было исследование механизма приработки при трении хрупких керамических материалов и определение информативных параметров, характеризующих степень ее завершенности непосредственно в процессе самого трения.
В работе использовалась керамика твердофазного спекания из карбида кремния. Этот материал часто используется в упорных подшипниках различных насосов. Трение проводилось по схеме «палец — диск» в паре между одинаковыми материалами в условиях смазки водой. Исходная шероховатость поверхности неподвижного образца до и после трения изучалась на профилометре TR-200 производства фирмы Qualitest.
Для регистрации акустической эмиссии использовался аппаратурный комплекс, включающий в себя контактные пьезопреобразователи типа П 113 из пьезокерамики ЦТС-19, рассчитанные на работу в диапазоне 0,2—1 МГц, усилительный тракт от прибора АФ-15, многофункциональную плату 6023Е производства компании National Instruments (USA), обеспечивающую преобразование аналоговых измерительных сигналов в цифровые, и персональный компьютер. Аппаратурный комплекс позволяет регистрировать время появления АЭ события, его максимальную амплитуду A и длительность (количество осцилляций — S). Общий коэффициент усиления системы составлял 60 дБ. Акустическая эмиссия изучалась способом, описанным ранее в [3]. Полученные результаты анализировались в программе МАТЛАБ.
При трении во время взаимодействия шероховатостей контактирующих плоскостей возникают различные волновые явления, охватывающие большой диапазон частот, начиная от инфразвуковых и кончая ультразвуковыми. Ана-
лиз этих частот может дать информацию о размерах источников эмиссии волн и тем самым прояснить механизм взаимодействия поверхностных шероховатостей. Для экспериментальной регистрации волновых явлений можно воспользоваться стандартной акустоэмиссионной аппаратурой, которая в промышленном исполнении предусматривает регистрацию частот в диапазоне от 20 кГц до 2 МГц. Обычно при использовании АЭ для исследования разрушения конструкционных материалов стараются избежать шумов испытательного оборудования и ставят фильтры нижних частот. Если же из усилительного тракта убрать фильтры нижних частот, то можно существенно расширить диапазон в сторону нижних частот. В случае исследования разрушения поверхностных слоев материалов при трении низкочастотные взаимодействия являются основными. Можно предположить, что при трении будут иметь место не только волновые явления, связанные с взаимодействием отдельных шероховатостей (пятна контакта), но и более масштабные явления, связанные с волнистостью самих поверхностей. Все это имеет непосредственное отношение к приработке поверхностей.
Детальная картина волновых процессов, протекающих в поверхностных слоях материалов при трении, может быть проанализирована с помощью современного подхода на основе вейвлет—преобразования [4]. Специальные пакеты программ позволяют сразу увидеть не только разложение исходного сигнала по частотным составляющим, но и определить моменты появления и исчезновения той или иной частотной составляющей.
На рисунке приведены результаты вейвлет-анализа акустической эмиссии, возникающей в поверхностных слоях материалов при трении пары SiC/SiC в воде. В верхней части рисунка показана зависимость коэффициента трения от времени. Ниже приведены графики детализирующих коэффициентов для разных частот разложения. На рисунке видно, что начальная стадия трения (первые десять секунд) связана с низкочастотными колебаниями, которые близки к частоте вращения мотора трибометра и, по-видимому, обусловлены волнистостью трущихся поверхностей. При истирании неровностей, об-
Математические методы. Моделирование. Экспериментальные исследования
а) Коэффициент трения 0,35
0,25
б) Амплитуда усл. ед. |
в)
Амплитуда усл. ед.
г)
Амплитуда усл. ед.
,нД | Ук к^Л^лАи.ХьА Ы
г, с
г, с
г, с
д)
г, с
Амплитуда усл. ед.
г, с
Анализ приработки трибопары $1С/$1С в воде (нагрузка 75 Н; скорость скольжения 0,4 м/с), коэффициент трения (а) и детализирующие коэффициенты (их амплитуды) для частот разложения 10 (б), 20 (в), 40 (г), 80 (д) и 160 (е) Гц для вейвлет-преобразования
условленных волнистостью, поверхности становятся все более ровными и в работу вступают более мелкие выступы. Эти выступы обеспечивают более высокую частоту генерации АЭ. Интересно, что момент времени 20 с, соответствующий окончанию генерации АЭ на частоте 20 Гц, уже выходит за стадию резкого изменения коэффициента трения (10 с). Можно даже гово-
рить о том, что коэффициент трения уже перешел в стабильную стадию, и это соответствует традиционным представлениям о завершении приработки [1].
На самом деле процесс приработки продолжается на более высоком структурном уровне и в конце концов, для данного конкретного примера, заканчивается на 70-й секунде, на частоте
Данные о шероховатости поверхности трения
Вид поверхности Яа, мкм Я2, мкм Частота соударений шероховатостей, Гц
Исходная 1,6 4,9 50-100
После приработки 0,12 0,74 150-300
в в воде
160 Гц. Далее детализирующий коэффициент принимает стабильное значение.
Посмотрим, как изменилась шероховатость поверхности в результате приработки. Данные об исходной шероховатости и шероховатости после приработки в воде приведены в таблице. Можно предположить, что исходная шероховатость останется примерно на сопоставимом уровне в первые 10 секунд трения. Считаем, что шероховатость поверхности SiC после приработки (по нашим данным — после 70 секунд) и далее остается постоянной. Параметры исследованных про-филограмм показаны в таблице.
Шаг наиболее выступающих шероховатостей может быть определен, если известна опорная кривая. В нашей работе он определялся по верхней части опорной кривой, как это описано в статье [5]. Весьма вероятно, что при трении наиболее выступающие шероховатости обеспечивают частоту генерации АЭ. Эта частота может быть оценена, если известны шаг больших шероховатостей, длина дорожки трения и скорость скольжения. Все эти величины известны. Данные расчета приведены в таблице.
Оказалось, что частоты соударений шероховатостей очень близки к частотам разложения детализирующих коэффициентов, показанных на рисунке. Поэтому вейвлет-анализ процесса приработки может давать информацию о кинетике взаимодействия шероховатостей разных уровней в разные моменты времени. По-видимому, детальная картина процесса приработки материалов может быть получена только таким способом.
Использование акустической эмиссии с последующим вейвлет-анализом результатов дает детальную картину процесса приработки на уровне отдельных шероховатостей.
Время приработки, оцененное таким способом, значительно превышает значение, полученное по традиционному способу оценки времени приработки по стабилизации коэффициента трения.
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект 10-08-00966-а) и Научной про граммы РАН под руководством академика И.Г. Горячевой.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Комбалов, В.С. Влияние шероховатости твердых тел на трение и износ[Текст] / В.С. Комбалов.— М.: Наука. 1974.— 112 с.
2. Крагельский, И.В. Возможность применения метода акустической эмиссии для оптимизации микрорельефа поверхностей трения [Текст] / И.В. Крагельский, В.М. Щавелин, Н.В. Гитис [и др.] // Трение и износ. —1984. Т. 5, № 5.— С. 773-778.
3. Фадин, Ю.А. Применение акустической эмис-
сии для оценки массового износа [Текст]/ Ю.А. Фадин // Трение и износ.— 2008.— Т. 29, № 1.— С. 29-32.
4. Смоленцев, Н.К. Основы теории вейвлетов. Вейвлеты в MATLAB [Текст] / Н.К. Смоленцев. — М.: ДМК Пресс, 2005.— 304 с.
5. Фадин, Ю.А. Начальная стадия контакта хрупких тел при трении [Текст] / Ю.А. Фадин, О.Ф. Ки-реенко, О.С.Кузнецова [и др.] // Трение и износ.— 2011.— Т. 32, № 3.—С. 30-33.
