CC BY
18
УДК 921.01
DOI: 10.17586/0021-3454-2018-61-2-106-111
ВИБРОАКУСТИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ ИЗНАШИВАНИЯ ОБРАЗЦОВ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ПАР ТРЕНИЯ
Л. В. Ефремов1, А. В. Тикалов2
1 Институт проблем машиноведения РАН, 199178, Санкт-Петербург, Россия
2Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, 195251, Санкт-Петербург, Россия E-mail: tikalov2010@mail.ru
Рассмотрена задача определения времени приработки узла трения „вал— вкладыш подшипника скольжения" в зависимости от показателя виброускорения низкой, средней и высокой частот трехдиапазонного спектра, полученных при помощи виброметра СМ-21. В результате ряда опытов на машине трения удалось установить зависимость между временем приработки узла трения и виброакустической составляющей. Предложен способ прогнозирования периода приработки цилиндрической пары трения путем контроля виброакустической составляющей с учетом ее износа.
Ключевые слова: виброметр, цифровой микроскоп, износ, лунка, измерение, образец, машина трения, виброускорение, приработка
При выполнении предыдущих этапов исследований на машине трения был решен ряд актуальных задач совершенствования методов искусственных баз (МИБ) и виброакустического контроля (ВАК) с помощью виброметра СМ-21 [1]. В частности, в рамках изучения МИБ [2—4] было установлено, что наиболее качественные круглые лунки (рис. 1) диаметром d получаются с помощью стандартного сверла по металлу с углом резания ф = 118° при глубине сверления
ф 118° h = 0,5d ctg — = 0,5d ctg-= 0,3 d .
Рис. 1
Наиболее интересные для науки и практики результаты были получены на этапе освоения методов ВАК с помощью аппаратуры ООО „ВАСТ" [1]. Был опробован самый простой и относительно недорогой виброметр СМ-21 (рис. 2), который, в отличие от спектрометров типа СД-21 или СД-12М, не имеет программы для узко- или широкополосного анализа вибрации с использованием третьоктавных фильтров.
Ш 1316/124 32,2* эв-заагц нус.'
е.ее яге* 1.вк-1в1< е.ав мл;' НвИвХВврт.
Рис. 2
Однако такой подход трудно применить для решения поставленной задачи из-за большой нестабильности сигнала, а также необходимости его статистической обработки, что приводит к увеличению времени испытаний. Этого недостатка лишен виброметр СМ-21, который оснащен упрощенным фильтром, состоящим из трех диапазонов: низкочастотного (НЧ) — 50—300 Гц, среднечастотного (СЧ) — 300—1800 Гц и высокочастотного (ВЧ) — 1,8—10 КГц (см. рис. 2). Для демонстрации эффективности этого способа на рис. 3 приведен пример трех гистограмм среднеквадратичных значений ускорения а [м/с ], каждая состоит из трех столбцов: 1 — НЧ, 2 — СЧ и 3 — ВЧ.
а)
а, м/с2
0,4 0,2 0
1_ 1 2 3
б) а, м/с2
1,4 1,2 1 0,
1
1 2 3 ■
_■
в) а, м/с2 8
4 0
1 2 3
Рис. 3
Проведен большой объем испытаний образцов трибосопряжений разного вида [5]: при граничной смазке и без смазки, при разной шероховатости (от гладких колодок до напильника), при изменении скорости вращения и давления. В результате был сделан однозначный вывод о том, что трение и процесс изнашивания образцов характеризуются в основном высокочастотной составляющей (столбец 3), рис. 3 убедительно подтверждает этот вывод. На рис. 3, а приведен пример измерений а при демонтированном узле трения, при ВЧ а«0; атах =9 м/с для ВЧ наблюдается на рис. 3, в при испытаниях напильника, а значение 1,5 м/с соответствует испытаниям гладкого образца при граничной смазке на рис. 3, б [5].
В настоящей работе наряду с параметром а [м/с ] будем определять уровень вибрации по ускорению а' в децибелах [6]:
а' = 120 + 201о§ а. (1)
На рис. 4 схематично показано, как в процессе ВАК узла трения период его приработки
характеризуется снижением уровня вибрации от 105 дБА (0,178 м/с ) до некоторого стабиль-
2
ного значения 80 дБА (0,01 м/с ).
95 95
▲
ремонт
приработка
нормальная развтге работа дефекта
■—- * -►
январь февраль март апрель Рис. 4
май
июнь июль Дата
Таким образом, цель настоящей работы — определить зависимость интенсивности изнашивания V от ВЧ-вибрации а
Я = 106 И / Vкёп [мин], (2)
где И — износ [мм], ё — диаметр вала [м], п — частота вращения вала [об/мин], Я — время приработки узлов трения.
Испытания на машине трения выполнялись при нагрузке 3 кгс и частоте вращения п =300 об/мин по схеме „вал—вкладыш подшипника" со смазкой (ё = 0,05 м). Был спроектирован специальный узел трения (рис. 5) для крепления вкладыша 4. Этот узел состоит из держателя 2, закрепленного на неподвижном валу нажимного устройства 1. Выходной вал 3 приводится в движение приводом машины трения СМЦ-2 со скоростью п, моделируя тем самым трение между поверхностью вкладыша подшипника 4 и валом 3.
Рис. 5
Объектом исследования выступал вкладыш подшипника автомобильного двигателя (рис. 5, б). Он имеет трехслойное антифрикционное покрытие с твердостью менее 60НВ (такая твердость позволила снизить время приработки [5]). Для периодического измерения износа на поверхность трения с помощью сверла были нанесены девять лунок d = 2,5—3 мм (рис. 5, б).
Было проведено пять сеансов испытаний продолжительностью от 15 до 40 мин. Перед началом первого сеанса при помощи электронного микроскопа был измерен начальный диаметр лунок d0 и вычислена их глубина h0 = 0,3d0. Затем такая же операция выполнялась по завершении каждого /-го сеанса, что позволило оценить износ Ahi = hi - hi-1 за время ti. За время сеанса путь трения для каждой лунки составит Si = ttndn/1000 км, что позволяет получить искомую формулу для скорости изнашивания:
Vt = 103h / S = 106h{ / ndnti [мм/1000км]. (3)
Расчет указанных параметров по результатам измерения лунок для каждого сеанса выполнялся по программе в редакторе EXCEL (рис. 6).
Исходные данные ролик D —QJJ5 m
Частоты вращени
время работы мин •-е —*-id -*-в -*-в км
лунка инструм параметр d h dl hi % 4м/1000к*
16 05 17 нов под 1кг 1 сверло •из— •2.183— »«G57342 «2,18— ^.100263
2 сверло
3 сверло •-нз— —»2:235- <..412 -$24.6896
4 сверло ■1.070- ¿^,92809
5 сверло — -—J- _ „ _ ,. _ ___„ \\ w
6 сверло
7 сверло • ГУ ________ ________ it,
8 сверло •И8- •1.976— ^.59365 ^.02103 ^4.6273
9 сверло
Средняя 70,12862
СКО 60.57569
кв 0.86378
Рис. 6
Высокое качество измерений вибрации обеспечивалось за счет установки магнитного акселерометра непосредственно на держатель 2 узла трения (рис. 5, а).
В табл. 1 представлены экспериментальные данные виброускорения (значения виброускорения получены при ВЧ). Эти величины представляют собой первичные исходные данные для корреляционного анализа результатов испытаний.
Таблица 1
Экспериментальная зависимость скорости изнашивания от а_
Параметр Время сеанса, мин
15 20 20 40 35
V, мм/1000 км 61,061 33,364 7,969 5,702 1,437
а, мм/с2 0,6 0,4 0,2 0,1 0,08
а', дБА 116 112 106 100 98
Параметры, необходимые для обоснования искомых зависимостей времени приработки (n = 300 об/мин) от виброускорения, представлены в табл. 2 (значения n, t, V — опытные; S, Lh — расчетные; h — опытные и расчетные: K = V/h 1/1000 км).
Таблица 2
i t, мин S, км V, мм/1000 км а, мм/с2 LS, км Lh, мм h, мм K
НЧ СЧ ВЧ
1 15 0,707 61 0,7 1,061 0,62 0,707 0,043 0,043 1414,7
2 20 0,942 33 0,64 1,066 0,43 2,356 0,098 0,054 606,3
3 20 0,942 7,97 0,55 1,066 0,25 4,948 0,118 0,021 385,8
4 40 1,881 5,7 0,44 1,05 0,1 9,425 0,144 0,026 223,4
5 35 1,65 1,4 0,4 1 0,08 15,551 0,152 0,009 163,2
В табл. 2 приведены все данные, необходимые для определения зависимости времени приработки от значения а при ВЧ вида (2) путем корреляционного анализа [2]. Поскольку все параметры табл. 2 взаимосвязаны, формулу (2) можно нескольких упростить
Я = 106/Кт!п [мин]. (4)
При этом возможны различные варианты решения этой задачи с применением метода наименьших квадратов. В редакторе МАТНСАО экспериментально получена функция Яэ для расчета времени приработки путем перевода логарифмической функции в степенную:
Яэ = 101'02/а0'996 -10/а , (5)
Рассчитанный коэффициент корреляции кс подтверждает хорошее согласие полученной функции с опытом:
кс = еогг( Яэ, г) = 0,992. (6)
Для прогнозирования периода приработки Яр от формулы (5) перейдем к следующим выражениям:
К = Яэж1п = 106 а /10я0,05 • 300 - 2000а, Яр = 106/2000агаП = 500/ агаП [мин], а = 500/ г■Шп [см/с ].
Результаты выполненного корреляционного анализа представлены в табл. 3, а также на рис. 7 (1 — результаты эксперимента, 2 — расчет).
На рис. 7 приведены зависимости а от времени приработки — в декартовых (а) и логарифмических (б) координатах.
Если за допустимую норму минимального уровня вибрации принять 80 дБА (0,01 м/с ), то прогнозируемый период приработки составит по формуле Яэ = 10/0,01 = 1000 мин, или около 17 ч, что подтверждается линейной логарифмической функцией на рис. 7, б.
а', дБА
115
110
105
100
95
90
б) а', дБА 140
120
100
80
60
Е 1 2
У . /
ч Чч /
1
н
0
20
40
60
80
100
120 г, мин
10
Рис. 7
100 г, 1од, мин
Таблица 3
Дополнительные сведения корреляционного анализа
а, мм/с2 Кэ Кр У* К Нэ Нр г, мин Яр
0,6 1415 1152 61 61,5 0,043 0,053 15 17
0,4 606,3 778,9 33 31,5 0,054 0,04 35 27
0,2 385,8 399,1 7,97 9,9 0,021 0,025 55 53
0,1 223,4 204,5 5,7 3,12 0,026 0,015 95 106
0,08 163,2 164,9 1,4 2,15 0,009 0,013 130 132
кс 0,965 0,997 0,825 0,992
1
2
0
Проведенные исследования триботехнических свойств цилиндрических образцов на машине трения позволяют сформулировать следующие выводы:
1) полностью подтверждена эффективность предложенного метода ВАК изнашивания трибосопряжений с помощью высокочастотной полосы трехдиапазонного фильтра виброметра СМ-21. В частности, доказана возможность решать с его помощью актуальную задачу прогнозирования времени приработки пары трения в сочетании с МИБ;
2) анализ подтвердил линейную зависимость высокочастотной составляющей вибрации от времени приработки (рис. 3) [7];
3) установлено, что окончание процесса приработки характеризуется достижением минимальной величины чувствительности прибора, например, 70—80 дБА (0,003—0,01 м/с ). Поэтому постоянное наблюдение за износом после приработки не требуется;
4) описанные в статье результаты ВАК относятся к конкретным условиям испытаний и состояний объекта исследований.
список литературы
1. Барков А. В., Баркова Н. А. Вибрационная диагностика машин и оборудования. Анализ вибрации: Учеб. пособие. СПб: Севзапучцентр, 2013. 152 с.
2. Ефремов Л. В. Проблемы управления надежностно-ориентированной технической эксплуатацией машин. СПб: Art-Xpress, 2015. 206 с.
3. Ефремов Л. В., Тикалов А. В. Измерение износов деталей машин в полевых условиях на основе метода искусственных баз // Изв. вузов. Приборостроение. 2016. Т. 59, № 3. С. 237—242.
4. Ефремов Л. В., Тикалов А. В., Бреки А. Д. Ускоренные испытания стальных образцов на износостойкость методом искусственных баз // Изв. вузов. Приборостроение. 2016. Т. 59, № 8. С. 671—676.
5. Ефремов Л. В., Баева Л. С., Тикалов А. В. Виброакустические испытания образцов трибосопряжений на износостойкость // Вестн. Астраханского государственного технического университета. Сер. Морская техника и технология. 2017. № 2. С. 69—76.
6. Ефремов Л. В., Черняховский Э. Р. Надежность и вибрация дизельных установок промысловых судов. М.: Пищевая промышленность, 1980. 232 с.
7. Заковоротный В. Л., Семенова Н. С. Виброакустическая диагностика трибосопряжений // Вестн. ДГТУ. 2005. Т. 5, № 1(23).
Сведения об авторах
Леонид Владимирович Ефремов — д-р техн. наук, профессор; Институт проблем машиноведения РАН,
лаборатория трения и износа; E-mail: levlefre@ya.ru Андрей Владимирович Тикалов — аспирант; Санкт-Петербургский политехнический университет, ка-
федра машиноведения и основ конструирования; E-mail: tikalov2010@mail.ru
Поступила в редакцию 21.11.17 г.
Ссылка для цитирования: Ефремов Л. В., Тикалов А. В. Виброакустический контроль изнашивания образцов цилиндрических пар трения // Изв. вузов. Приборостроение. 2018. Т. 61, № 2. С. 106—111.
VIBROACOUSTIC CONTROL OF WEARING OF SAMPLES OF CYLINDRICAL FRICTION COUPLE
L. V. Efremov1, A. V. Tikalov2
1 Institute of Problems of Mechanical Engineering of the RAS, 199178, St. Petersburg, Russia E-mail: fadinspb@yandex.ru 2 Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University, 195251, St. Petersburg, Russia E-mail: tikalov2010@mail.ru
The problem of determining the running-in time of the friction unit shaft - liner of plane bearing is considered depending on the vibration acceleration index of the low, medium, and high frequencies in the tri-band spectrum obtained with the SM-21 vibrometer. On the base of results of experiments carried out with the use of a friction machine, a relationship between the running-in time of the friction unit and the vi-bro-acoustic component is established. A method is proposed for predicting the running-in period of a cylindrical friction pair not only by controlling the vibroacoustic component, but also by the amount of wear.
Keywords: vibrometer, digital microscope, wear, hole, measurement, sample, friction machine, vibro-acceleration, running-in
Data on authors
Leonid V. Efremov — Dr. Sci., Professor; Institute of Problems of Mechanical Engineering of the
RAS, Laboratory of Friction and Wear; E-mail: levlefre@ya.ru Andrey V. Tikalov — Post-Graduate Student; St. Petersburg Polytechnic University, Department
of Mechanical Engineering and Design Basics; E-mail: tikalov2010@mail.ru
For citation: Efremov L. V., Tikalov А. V. Vibroacoustic control of wearing of samples of cylindrical friction couple. Journal of Instrument Engineering. 2018. Vol. 61, N 2. P. 106—111 (in Russian).
DOI: 10.17586/0021-3454-2018-61-2-106-111
