СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТРИБОТЕХНИЧЕСКИХ СОСТАВЛЯЮЩИХ ВИБРОАКУСТИЧЕСКИХ СПЕКТРОВ ТРИБОСОПРЯЖЕНИЙ
METHOD FOR DETERMINING TRIBOTECHNICAL COMPONENTS OF VIBROACOUSTIC SPECTRA OF TRIBOCONJUGATIONS

Изобретение относится к области виброакустики машин, более конкретно - к способам идентификации в общем спектре вибраций и шума составляющих, обусловленных процессами трения в трибосопряжениях, и может быть использовано для оптимизации конструкций узлов трения машин по виброакустическим характеристикам.
Колебательные процессы в механических системах и, как следствие, внешний шум узлов и агрегатов машин и оборудования обусловлены несовершенством конструкций и используемых в них материалов. Механические системы, имеющие вращающиеся элементы, всегда испытывают периодические нагрузки под действием возникающих при вращении динамических сил. При измерении вибрации и шума в таких системах возникновение этих сил сопровождается увеличением амплитуды периодических составляющих сигнала, т.е. виброакустические сигналы содержат информацию о вращательной (оборотной) частоте, включая ее гармоники. Известным приемом выделения (идентификации) в измеряемом сигнале его гармонических составляющих, соответствующих частоте вращения, является порядковый анализ [1]. Наиболее опасны резонансные колебания, когда совпадают частоты собственных и вынужденных колебаний системы. Частота резонансных колебаний не зависит от частоты вынуждающей силы и определяется свойствами конструкции системы.
Проблема вибрации и шума для фрикционных узлов машин и механизмов имеет особую актуальность, поскольку Европейской экономической комиссией ООН для технических средств введены определенные ограничения по уровню виброакустической активности. Вибрация и шум, возникающие при работе фрикционных трибосопряжений, обусловлены не только их конструкцией, но и триботехническими особенностями трения. Фрикционные узлы трения предназначены для передачи (трансмиссии) или диссипации (тормозные устройства) механической энергии. Фрикционные углы машин работают либо в разомкнутом состоянии (режим холостого хода), при котором трение между сопрягаемыми элементами отсутствует, либо в режиме передачи или диссипации механической энергии (режим трения).
В системах с трением, помимо колебательных процессов различной природы, обусловленных, например, дисбалансом, эксцентричностью валов и резонансными явлениями, могут иметь место также фрикционные автоколебания. Под системой с трением (трибосопряжением) понимают трущиеся элементы и комплекс связанных с каждым из них деталей, характеризующихся определенными величинами жесткости и частоты собственных колебаний. В зависимости от свойств трибосопряжения (тип конструкции, используемые материалы) и условий работы фрикционные автоколебания могут проявляться по-разному: резкими дерганиями, частота которых составляет 5-10 Гц, как это наблюдается, например, в автомобильном сцеплении, или вибрацией и шумом в широком диапазоне частот, как в тормозных системах различных транспортных средств, металлообрабатывающих станках и др. Идентификация составляющих обусловленных структурой и топографией поверхностей трущихся твердых тел, необходимая для оптимизации материалов пары трения по виброакустической активности трибосопряжений, существенно затруднена и не проводится.
Известен способ измерения внешнего шума машин, описанный в патенте [2], который может быть использован для определения виброакустических спектров взаимоперемещающихся объектов, заключающийся в последовательном подключении различных агрегатов машин и измерении шума по величине разности с подсоединенным агрегатом и без него. Данный способ позволяет получить вклад исследуемого агрегата в увеличение общего внешнего шума и при необходимости вибрации, но не позволяет определение вклада других источников и проведение их идентификации. Кроме того, способ обладает недостаточной точностью из-за существенных инструментальных и методических погрешностей измерений.
Известен способ измерения акустических спектров машин, описанный в патенте [3], заключающийся в серии двусторонних измерений уровней шума движущегося автотранспортного средства относительно неподвижного датчика, из которых выбирают максимальное значение уровней акустического сигнала, затем расчетным путем в диапазоне частот вращения определяют оборотную частоту агрегатов, их гармоники и частоты дополнительных источников шума, после чего получают спектрограмму, наносят расчетные значения оборотных частот, а также частот, характерных для работы отдельных агрегатов и узлов, и их гармоник на интенсивно окрашенные участки спектрограммы и идентифицируют источники внешнего шума машины. Приведенный способ имеет ограниченное приложение, поскольку не определяются уровни вибрации, являющейся источником шума и дискомфорта, а также не позволяет идентифицировать составляющие виброакустических спектров, обусловленных трением взаимоперемещающихся объектов.
Задачей изобретения является расширение технических возможностей идентификации источников вибрации и шума за счет определения в виброакустических спектрах трибосопряжений составляющих, обусловленных процессами трения (триботехнических составляющих).
Поставленная задача решается тем, что после определения оборотных частот конструкции трибосопряжения и измерения уровней шума по известному способу дополнительно для трибосопряжений осуществляют построение виброакустических трехмерных спектров в координатах «Ох - частота шума или вибрации, Оу - уровень шума или вибрации, Oz - основная оборотная частота механизма или скорость скольжения» в режиме трения и в режиме холостого хода, а в качестве триботехнических составляющих принимают составляющие спектров, характеризующихся постоянной не зависящей от скорости скольжения частотой, проявляющиеся только в режиме трения и отсутствующие в режиме холостого хода, т.е. при разомкнутом фрикционном контакте.
Построение трехмерного частотного спектра позволяет установить зависимость виброакустических спектральных (амплитудно-частотных) характеристик от основной оборотной частоты механизма (скорости скольжения в узле трения) путем пересчета угловой скорости скольжения в линейную по известным соотношениям. Полученные по результатам измерений шума или вибрации в реальных трибосопряжениях трехмерные спектры содержат, как правило, большое количество составляющих, которые несут информацию о совокупности различных колебательных процессов, имеющих место в данном узле. Наряду с оборотными составляющими и их гармониками в трехмерных частотных спектрах наблюдаются составляющие, характеризующиеся независящей от скорости скольжения частотой. Такие составляющие возникают в любых трибосопряжениях и характеризуют резонансные явления в системе. Резонансная амплитуда возрастает при совпадении частот вынуждающей силы и собственных частот механической системы. Следует отметить, что заявляемый способ применим только для узлов нестационарного трения. Определение триботехнических составляющих в спектрах шума и вибрации включает одинаковые операции. Различие заключается лишь в том, какой сигнал (шумовой или вибрационный) используется для анализа. Как правило, современные технические средства измерений имеют несколько независимых каналов, что позволяет осуществлять измерения и анализ вибрационных и шумовых сигналов одновременно.
Частоты, на которых проявляются триботехнические составляющие в режиме установившихся фрикционных автоколебаний, так же, как и в случае резонансных составляющих, не зависят от скорости скольжения (частоты вращения), что накладывает дополнительную неопределенность при их идентификации. Для того чтобы достоверно выявить колебательные процессы, обусловленные трением, дополнительно проводят испытания на холостом ходу (при разомкнутом фрикционном контакте), после чего путем сопоставления полученных спектров определяют составляющие, проявляющиеся в спектрах трибосопряжения только в режиме трения и отсутствующие в режиме холостого хода, а их частота не зависит от скорости вращения (скольжения).
Эффект от использования заявляемого технического решения не является следствием уже известных изобретений и обнаружен самими авторами. Авторам не известно техническое решение, предусматривающее использование в качестве составляющих виброакустических спектров, характеризующих вклад процесса трения в общую вибрацию и шум трибосопряжений, составляющих с постоянной независимой от скорости трения частотой, и проявляющихся в спектрах трибосопряжений только при трении.
3
a
Реализацию заявляемого способа измерения триботехнических составляющих в виброакустических спектрах трибосопряжений осуществляли следующим образом. Виброакустические и фрикционно-износные испытания при нестационарных режимах трения проводили на лабораторном трибометре СМЦ-2 по схеме вал - частичный вкладыш. Испытания проводили на воздухе без смазочного материала. Материалы, используемые в трибосопряжении: фрикционный материал, изготовленный на основе каучук-полимерных совмещенных связующих, дисперсных минеральных наполнителей, армирующих базальтовых волокон и различных модифицирующих добавок (ТУ BY 400084698. 162-2005); материал контртела - высокоуглеродистая сталь 65Г (ГОСТ 14959-79) с твердостью HRC 35-37 и шероховатостью поверхности R≤1,25 мкм. Нестационарный режим трения воспроизводили путем принудительного изменения частоты вращения вала испытательной машины.
Измерение вибрации и шума бесконтактным методом в узлах трения при стационарных и нестационарных режимах проводили лазерным доплеровским виброметром VH-1000-D (Ometron) и акустическим интенсиметром 3599 (Bruel&Kjaer) с применением обработки сигналов методами узкополосного спектрального анализа. Для обработки сигналов использовали специальное программное обеспечение и анализатор спектров Pulse 3560B (Bruel&Kjaer). Измерения проводили в отделе «Фрикционное материаловедение» ИММС НАН Беларуси, аккредитованном в Госстандарте Республики Беларусь на соответствие требованиям СТБ ИСО/МЭК 17025 в области виброакустических измерений.
Примеры осуществления способа.
Проводили виброакустические испытания узла трения лабораторного трибометра. На фиг.1 представлены результаты измерений в узле трения трибометра в режиме трения. Вибрационный сигнал снят с поверхности трения вращающегося ролика. На фиг.2 представлены результаты измерений в режиме холостого хода, т.е. когда фрикционный контакт отсутствует.
Анализируя представленные на фиг.1 и 2 данные, выбираем составляющие, имеющие постоянную не зависящую от скорости скольжения частоту вибрации, например линия A (фиг.1) В качестве триботехнической составляющей спектров принимаем составляющую, появляющуюся при трении (фиг.1) и отсутствующую на графике, построенном для режима холостого хода трибометра (фиг.2). В данном случае триботехническая составляющая соответствует частоте 100 Гц. Найденная составляющая не зависит от скорости скольжения, следовательно, она характеризует колебательные процессы, обусловленные трением. Таким образом, составляющая спектров, соответствующая фиксированной частоте 100 Гц, характеризует основной вклад процесса трения в общий вибрационный и акустический спектр, поскольку проявляется только при трении и не зависит от скорости скольжения.
Смещение триботехнических составляющих по частотной шкале определяется главным образом свойствами конкретной конструкции. Изменения структуры и свойств материалов трущихся элементов также оказывают существенное влияние на амплитудно-частотные характеристики вибрации и шума трибосистемы. Спектральный состав вибрации и шума в механической системе, включающей узел трения, при изменении характеристик используемых в нем материалов, может варьироваться в широких пределах, вследствие увеличения уровней одних триботехнических составляющих (на фиксированных дискретных частотах) и уменьшения других, т.е. некоторые из числа возможных триботехнических составляющих оказываются в той или иной степени «задемпфированными» структурой материала,
Таким образом, указанный параметр, используемый в качестве характеристики вклада процесса трения в общий уровень вибрации и шума, является структурно-зависимой характеристикой. Это обстоятельство позволяет использовать триботехническую составляющую спектров при проектировании шумовибропоглощающих структур материалов триботехнического назначения, т.е. материалов, способных демпфировать определенные собственные частоты трибосопряжений, например, фрикционных узлов трения.
Таким образом, задача, поставленная при создании изобретения, решена. Способ определения триботехнических составляющих виброакустических спектров трибосопряжений найдет применение в виброакустике технических систем и машиностроении при создании материалов триботехнического назначения с улучшенными виброакустическими характеристиками, а также при оптимизации конструкции трибосопряжений для снижения уровня вибрации и шума, вызванных процессами трения твердых тел.
Источники информации
1. Vold H., Deel J. Vold-Kalman Order Tracking: New Methods for Vehicle Sound Quality and Drive Train NVH Applications // SAE Paper 972033, 1997.
2. Патент РФ №2262085, МПК 7 G01H 17/00, G01M 17/007, опубл. 10.10.2005 г.
3. Патент РФ №2334969, МПК 7 G01M 17/007, G01M 15/00, опубл. 10.11.2007 г.