2. Результаты экспериментов

Для определения перспективности применения метода АЭ для оценки трибологических свойств смазочных материалов, прежде всего, требовалось выяснить, насколько сопоставимы друг с другом результаты, получаемые методом АЭ и по стандартной методике [9].

В ряде работ [1,2,4] для оценки работоспособности трибосопряжений использовали такие параметры АЭ, как общее число импульсов, суммарный счёт, скорость счёта и др. Однако результаты регистрации указанных параметров в существенной мере зависят от задаваемого уровня дискриминации. Поэтому для мониторинга процесса трения, на наш взгляд, более целесообразно использовать параметр «огибающая АЭ». Этот параметр позволяет: без излишних подробностей отслеживать общие тенденции изменения активности АЭ, исключить проблему «порога», оценивать энергию акустического излучения по площади под ее временной зависимости.

Параметр «огибающая сигналов АЭ» (envelope) в определённой мере является «искусственным» параметром и измеряется на аппаратном уровне как:

, (1)

где Т – время осреднения, u_AE – средневыпрямленное значение электрического сигнала на выходе преобразователя.

Недостатком данного параметра отмечают некоторое «сглаживание» процесса по времени осреднения. Указанный недостаток устраняется регулированием времени осреднения (ширины сглаживающего окна).

Вид огибающей АЭ при сопровождении испытаний по стандартным методикам приведён на рисунках 5 - 7.

Рисунок 5. Вид огибающей АЭ при испытании моторного масла на нагрузки Рк и Рс по [5].

а) - запись всего испытания, б) – фрагмент испытания (10 сек.).

Рисунок 6. Вид огибающей АЭ при испытании консистентной смазки на нагрузки Рк и Рс

по [5]. а) - запись всего испытания, б) – фрагмент испытания (10 сек.).

Рисунок 7. Вид огибающей АЭ при испытании моторного масла (а - нормальный износ, б - задир), консистентной смазки (в – нормальный износ) при определении Dи, нагрузка 40 кгс.

На рисунках 8 и 9 огибающая АЭ при испытаниях с отклонениями от стандарта:

Рисунок 8. Вид огибающей АЭ при испытании моторного масла (а), консистентной

смазки (б) (при определении нагрузок Рк и Рс непрерывным нагружением, узел

трения и смазка не менялись).

Рисунок 9. Изменение уровня огибающей АЭ при циклическом нагружении узла трения (узел трения и смазка не менялись): а) – после задира, б) – без задира, в) – без задира, при длительном испытании.

3. Обсуждение результатов

На основании приведенных выше результатов и с учетом данных работы [4], можно придти к следующим заключениям.

До задира уровень огибающей АЭ приблизительно постоянен (происходит преимущественно адгезионное изнашивание), и его величина зависит только от площади контакта. По мере увеличения нагрузки активизируется процесс абразивного изнашивания, т.е. растёт пятно контакта и, соответственно, повышается уровень огибающей АЭ. При нагрузке задира смазка перестает выполнять свои защитные функции, процесс абразивного износа становится превалирующим и уровень огибающей АЭ резко (в несколько раз) увеличивается. Поскольку при этом возрастает фактическая площадь контакта, то интенсивность износа уменьшается (снижается удельное давление в контакте), и уровень огибающей АЭ снова снижается. Однако из-за увеличившегося пятна контакта он выше первоначального (до задира) и процесс опять переходит преимущественно к адгезионному изнашиванию (рис. 5, 6, 7б.). Задир сопровождается повышением температуры и при скорости её нарастания, превышающей скорость теплоотвода, происходит быстрый разогрев и сваривание поверхностей трения.

Наличие задира в момент резкого возрастания уровня огибающей АЭ в 100% случаях подтверждалось результатами, полученными согласно [9]. Т.е. нагрузки задира, определенные стандартным способом (Рк) и с помощью АЭ-методики ( ), полностью совпадали. При определении Dи (рис. 7) вышеуказанная связь огибающей АЭ с процессом трения также сохраняется.

Основным недостатком методики [9] является её громоздкость, т.к. в процессе перемещения по стандартному ряду нагрузок, постоянно приходится заменять шарики и исследуемую смазку на новые. Кроме того, по стандартной методике для идентификации задира приходится проводить замеры износа не в процессе испытания, а после остановки и разборки узла.

Для снижения трудоемкости испытаний нами была предпринята попытка исключить межоперационные переходы, т.е. провести ступенчатое изменение нагрузки без замены шариков и порции смазки. При испытаниях моторных масел выдержки на ступенях нагрузки осуществляли в течение:10, 5, 3 и 2 секунд, а пластичных смазок – 10 и 5 секунд (рис. 8).

Как показали эксперименты, нагрузку можно определить при любом времени выдержки (2, 3, 5 или 10 сек). Найденные таким способом нагрузки оказываются несколько выше чем , определяемые согласно [9] (таблица), что является следствием начала формирования пятна контакта еще на предварительном этапе, т.е. при выдержках на предыдущих весах.

Таблица. Значение критических нагрузок

Объект испытания	средняя критическая нагрузка с доверительной вероятностью 0,95, полученная:
	по ГОСТ 9490-75 [9]		по экспериментальной методике (рис. 8)
	(кгс)	(кгс)	(кгс)	(кгс)
Моторное масло	130±11	206±18	140±10	-
Консистентная смазка	75±10	172±15	88±18	177±23

По-видимому, различие между значениями и можно существенно снизить, если увеличение нагрузки производить непрерывно, а не ступенями, как это предусмотрено в конструкции ЧШМ. Но даже при такой методике общее время испытания можно снизить на порядок, если на одном узле трения (без замены шариков и смазки) предварительно определить величину , а затем по стандартной методике уточнить по 2 ряду нагрузок.

К сожалению, в условиях ступенчатого способа приращения нагрузки, из-за быстрого теплоотвода и малого прироста пятна контакта, нагрузку сваривания удалось получить только для пластичных смазок с временами выдержек 5 сек, хотя попытки схватывания трущихся поверхностей и при испытании моторного масла наблюдались (рис.7в), но полного сваривания не происходило. Величина , найденная таким способом, также несколько выше значения, получаемого по стандартной методике (таблица).

Таким образом, чтобы максимально приблизить значения нагрузок и соответственно к и целесообразно в конструкции ЧШМ предусмотреть возможность проведения испытания узла трения в условиях непрерывно возрастающей нагрузки.

Немногочисленные работы по исследованию связи между износом и параметрами АЭ указывают на возможность проводить с помощью метода АЭ, помимо мониторинга, оценку величины износа. Например, в работе [4] установлено, что зависимость скорости счёта АЭ ( ) от времени совпадает с зависимостью от времени интенсивности изнашивания:

i = Δh/Δt, (2)

где Δh – средняя по трём шарам глубина изношенного слоя, Δt – время наблюдения.

Кроме того, в ряде работ найдена линейная связь между амплитудой (или энергией) сигналов АЭ и износом. Так, согласно [1] наилучшая связь прослеживается между интенсивностью изнашивания и суммой амплитуд зарегистрированных импульсов АЭ, для которой с коэффициентом корреляции r = 0,999 и уровнем значимости α = 0,001 сформулирована следующая зависимость:

, (3)

где В – константа, зависящая от физико-механических свойств образцов, Т – время испытания, А – средняя амплитуда импульсов АЭ.

В работе [8] исходя из того, что энергия сигналов АЭ при трении пропорциональна той части работы сил трения, которая идёт на разрушение поверхности, сделан вывод о связи массового износа (m) с энергией АЭ, выделяемой в процессе образования трещин, и предложена формула:

m = m₀ + k_ME·E_АЭ, (4)

где параметры m₀ и k_ME устанавливаются в предварительных лабораторных испытаниях на трение для используемых в паре трения материалов, E_АЭ – суммарная энергия сигналов АЭ. Критерием отбора сигналов, которые принимаются во внимание, является соотношение S/A>B мВ^-1, где А – максимальное значение амплитуды сигнала АЭ в мВ, S – безразмерная величина пропорциональная его длительности, В – некоторая постоянная величина, характерная для каждого материала.

Поскольку уровень огибающей АЭ и произведение в формуле (3) фактически пропорциональны друг другу, то по величине огибающей можно судить об интенсивности износа.

Очевидно, что мониторинг процесса трения с помощью измерения огибающей АЭ применим для различных узлов и машин трения. Например, режим простейшей диагностики может быть основан на периодической регистрации уровня огибающей АЭ. Такая возможность проиллюстрирована на рис. 9. При отсутствии задира (рис. 9б,в) уровень огибающей АЭ практически пропорционален нагрузке на узел трения и поэтому, независимо от графика нагружения, одинаков при одних и тех же нагрузках. В случае задира (рис. 9а) при одной и той же нагрузке уровень огибающей АЭ после задира намного выше, чем до него. То есть, если периодически записывать значение уровня огибающей АЭ ( например, при 72 кгс на рис. 9а,б) и сравнивать эти значения между собой, то по изменению уровня огибающей АЭ (в данном случае с 0,3 до 0,8 В) можно судить о произошедшем задире.

Таким образом, зная уровень огибающей АЭ и соответствующий ему предельный износ, можно принимать решение о дальнейшей эксплуатации трибоузла.