Акустоемісійний аналіз перехідних режимів роботи машини тертя Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2015, № 1 6 Заспа Ю.П., Шалапко Ю.І., Возняк А.Л. Хмельницький національний університет, м. Хмельницький, Україна E-m ail: shalapko@yahoo.com АКУСТОЕМІСІЙНИЙ АНАЛІЗ ПЕРЕХІДНИХ РЕЖИМІВ РОБОТИ МАШИНИ ТЕРТЯ УДК 534.134:621.891 М етодом спектр ального аналізу аку стичної емісії до сліджені пер ехідні р ежими р оботи експериментальної машини тер тя. Виявлені су ттєві відмінно сті так их р ежимів від встановлених р ежимів ек сплу атації машини – як за спектр альним складо м вібр оаку стичного поля, так і за напр ямом каскадних пр оцесів пер едачі енер гії в динамічній системі. Відмічений максимальний р івень інер ційних навантажень в пу скових р ежимах машин і механізмів, що створ ює р изики виникнення авар ійних ситу ацій. Клю чові слова: машина тер тя, пере хідний режим, акустична емісія, спектр, енергетичний каска д, збурення. Вступ Пере хідн і режими експ луатац ії машин і ме ханізмів (увімкненн я, вимкненн я, зміна робочих па - раметрів) є авар ійно-небезпечними в зв’язку із значно ви щим рівнем інерцій ни х наван тажень – в порів- нянні з вс тановленими режимами [1, 2]. Висо кий рівень а кустичної еміс ії, характерний для пере хідни х режимів [2, 3], може бути ви користаний з метою їх безкон тактно ї діагности ки в реальному масштабі ча- су. В роботі таким способом досліджується е кспериментальна машина тертя [4], що включає електрома- гнітни й привід, трансмісію , вузол тертя та ста торну частину. Завданням роботи є встановле ння фізични х механ ізмів і закономірностей пере хідни х режимів роботи машини і ме хан ізмів, ви хо дячи з даного експе- риментального при кла ду. Технічне обладнання та методика екс пе риме нту Кінематична с хема дослідної машини тертя показана на рис. 1. 142221 12 10 11 9 16 58 6 4 2 20 3 151314 171 9 1 8 6 3 7 1 Рис. 1 – Кі не матична схема установки: 1 – вал електродвигуна; 2 – направляючі; 3 – гвинтова пара; 4 – повзун; 5 – вал ; 6 – гвинт; 7 – корпус; 8 – шатун; 9 – кривошип; 10, 11 – зразкотримачі; 12 – затискач; 13 – вал ; 14 – датчик пе ремі щення; 15 – важіль навантаже ння; 16 – роз’ємна камера; 17 – головка; 18 – направляючі ; 19 – колони; 20 – основа; 21 – пружний елемент; 22 – гвинтова пара Акустоемісійний аналіз перехідних режимів роботи машини тертя Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2015, № 1 7 Установка розроблена для досліджень номінально неру хомих фрикц ійни х з’є днань в умова х фретингу та реверсивного тер тя. Оберта льний ру х ва ла еле ктро двигуна змінного струму за допомогою ступінчас тої пасово ї передач і та кривошипно -ша тунного ме ханізму перетворювався у зворотно- поступальний ру х зразко тримача нижнього зразка. Номіна льно неру хомий вер хн ій кон трзразок був за- кріп лений у самовстановлююч ій головц і, здатній ру ха тись вздовж колон с та тора. Нормальне наван та- ження в дослідному контакті зада валось важ ільною системою, амплітуда ко ливань ниж нього зразка ре- гулюва лась зміною ексцен трисите ту кривошип но-ша тунного механ ізму. Використовува лась кон тактна пара типу плоска смуга-торець ци ліндра з номіна льним конта ктним тис ком близько 30 МПа та з номіна- льною частотою коли вань ≈ 28 Гц. Увімкнення е лектроприводу здійснюва лось прямою подачею напруги живлен ня без ви користанн я спец іальни х пус кови х с хем. Акус тична емісія машини реєструвалась пор та- тивн им комп’ютером з виносним мікрофоном. Подальша обробка записани х осцило грам акустичної ем і- сії (А Е) здійснюва лась з ви користанням ста ндар тного програмного забезпечення – у т.ч. шви дкого пере- творення Фур’є. Експе риме нтальні резуль тати та їх обговорення На рис. 2 показан і зага льн і осцилограми АЕ, записан і в процесі роботи машини тертя в р ізни х режимах. Коротко тривалі максимуми сигналу акустичної емісії відповідаю ть моментам увімкнення та вимкнення ус тановки . М ін імуми на осцилограмах пов’язан і із спеціа льним знаттям нормального на ван- таження у дос лідному фрикційному контакті. Довго трива лі спа дн і ділянки осцилограм характеризую ть рух машини «за інерцією»піс ля вимкнення еле ктроприводу. На рис. 3 наведен і більш де тальні та різномасштабн і за часом осцилограми сигналу АЕ, що хара- ктеризую ть пусковий режим машини. а б в г Рис. 2 – Осцилограми сигналі в акустичної емі сії , записані для значе нь амплітуди встановле них коливань рухомого зразка: а - б – 300 мкм; в - г – 150 мкм Як ви дно, спостерігаю ться ін тенсивн і каска дн і процеси передачі енергії між збуреннями різни х часових (і часто тни х) масштаб ів, пов’язан і з шви дким увімкненням електроприводу та відповідн ими іне- рційними наван таженнями. Нес тац іонарний процес пуску в ц ілому триває ~ 0,30 сек. і завершується пе- рехо дом у встановлений режим роботи машини. Акустоемісійний аналіз перехідних режимів роботи машини тертя Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2015, № 1 8 Рис. 3 – Рі зномасштабні осцилограми акустичної емі сії, що характе ризують пусковий режим машини Нестац іонарний процес вимкнення електроприводу машини у порівнянні з увімкнен ням є значно спокійн ішим та коротшим (~0,15 сек) – рис. 4. Піс ля вимкнен ня електроживлення машина, я к уже від- значалось, ще три валий час працює «за інерцією» (рис. 2), що значною мірою зн імає величину інерцій- ни х переван тажень . Рис. 4 – Осцилограми акустичної емісії , що характе ризують проце с вимкне ння еле ктромагнітного приводу машини Окремий ін терес становить ви явлення напрямів каска дної передач і енергії ви хоре-хви льови х збурень в процесі зупинки машини піс ля вимкнення еле ктроприводу. На рис. 5 показан і отримані з цією метою Фур’є – спектри си гна лів А Е в різни х режима х роботи машини. Ана ліз спе ктр ів показує, що на- прям каскадного транспорту енергії суттєво за лежи ть від значення дисбалансу роторної частини ус тано- вки, тобто ексцен триси те ту кривошипно-шатунно го механ ізму. При малому дисбаланс і п ісля вимкнення електроприводу спостер ігає ться си льно виражений турбулентн ий зворотний каска д, направлен ий в ін- фразвукову частину спектру збурень – рис. 5, б. Навпа ки, збільшення дисбалансу роторної части ни, сприяючи посиленню нелін ійни х акус тични х (ударни х) процесів, перенаправляє потік енергії в б ік в и- щи х часто т – рис. 5, г. При цьому спектр збурень дещо звужується – у порівнянн і з відповідним робочим режимом (рис. 5, в). У пере хідни х режима х роботи машини також су ттєво перерозподіляється роль домінуючи х час- тот у спектрі збурень – т.з. часто т енерге тичної на качки [2]. Так при малому дисбала нсі ро тора машини після вимкнення е лектроприводу домінан тною с тає частота 75 - 80Гц – рис. 5, б. В робочому режимі цю роль виконува ла номіна льна часто та колива нь кри вошипно-ша тунного ме хан ізму (≈ 28 Гц ) – рис. 5, а. Акустоемісійний аналіз перехідних режимів роботи машини тертя Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2015, № 1 9 а б в г Рис. 5 – С пектри сигналів АЕ у встановле них режимах роботи машини (а, в) та в проце сі її руху «за і не рці єю» пі сля вимкне ння еле ктроживле ння (б, г). Амплітуда встановле них віброколивань рухомого зразка: а - б – 150 мкм; в - г – 300 мкм Висновки Таким чином, вихо дячи з даного експеримента льного прикладу, с лід зробити висновок про те , що перехідн і режими роботи машин і ме ханізмів су ттєво відрізняю ться від вс тановлен и х робочи х режи- мів як за характером спектру збурень поля шви дкос тей і поля ме хан ічни х напружень, так і за напрямом каска дни х процесів передачі енергії в динамічн ій сис темі. Максимальний рівень інерційн и х вібронаван тажень в пере хідни х режима х створює ризики ви - никнення авар ійни х ситуац ій. Ці ризики можуть бути су ттєво зменшен і за ра хунок оп тимізац ії дисба ла- нсу роторної частини машини, або ж механізму. Зокрема, підтримання дисбалансу на допустимому рівні блокує інверсний енерге тичний каска д збурень, направлений в інфразвукову частину спектру при змен- шенні робочого навантаження , або ж відключенні приво ду машини. Це сприяє збереженню цілісності динамічної сис теми у та ки х пере хідни х режима х. Літе ратура 1. Заспа Ю.П., Разуваева М.А., Ша лапко Ю.И. Динамическая автоподс тройка под внешнее си ло- вое воздействие в номинально неподвижном фрикционном соединении // Трение и износ. – 2011, т. 32, №4, 375-380. 2. Заспа Ю.П. Когерентная трибо динамика // Трение и износ. – 2012, т. 33, №6, 656-673. 3. A kay A. Acoustics of Friction // J. Acoust. Soc.Am. – v. 111, №4, 1525-1548. 4. Пат. 69559А Україн и, МПК 7G01N3/ 00. Ус тановка для дослідження матеріа лів та покриттів в умовах фретин г-процесів / Гончар В.В., Шалап ко Ю.І., Кап лун В.Г . / Опубл. 11.08.2003, Бюл. №9. Поступи ла в редакц ію 22.12.2014 Акустоемісійний аналіз перехідних режимів роботи машини тертя Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2015, № 1 10 Yu.P. Zasp a, Yu.I. Shalap ko, A.L. Vozny ak. The acoustic-emissive analysis of transient operation of the fric- tion machine. The transitional modes of exp erimental friction mach ine are inv estigated by the method of the sp ectral analy sis of the acoustic emission. Sign ificant differences between such mod es and the established modes of the op eration of the mach ine – both as for the sp ectral comp osition of the vibroacoustic field and the dir ection of the cascad e ener gy transfer p rocesses in a dy namic sy stem were revealed. The maximum level of the inertial loads in the starting mod es of the mach ine and mecha- nisms that creates the risk of accidents was marked. Keywords: friction mach ine, transitional regime, acoustic emission, sp ectrum, the energetic cascade, d isturbance. References 1. Zaspa YU.P., Ra zuvaeva M.A., Shalapko YU.I. Dyna mycheskaya avtopodstroyka pod vneshneye si- lovoye vozdeystvie v nominalno nepodvizhnom frikc ionnom soedineniy. Trenye i iznos. 2011, vol. 32, №4, 375-380. 2. Zaspa YU.P. Koherentnaya trybodynamyka. Trenye i iznos . 2012, vol. 33, №6, 656-673. 3. Akay A. Acoustics of Friction. J. Acoust. Soc.Am. - V. 111, №4, 1525-1548. 4.Pat. Ukraine 69559A, IPC 7G01N3 / 00. Installat ion for study materials and coatings under fretting processes . Gonchar V.V., Shalapko YU.I., Kaplun V.G. Publish. 11.08.2003, Bull. №9.