Виброакустические испытания образцов трибосопряжений на износостойкость

DOI: 10.24143/2073-1574-2017-2-69-76 УДК 921.01

Л. В. Ефремов, Л. С. Баева, А. В. Тикалов

ВИБРОАКУСТИЧЕСКИЕ ИСПЫТАНИЯ ОБРАЗЦОВ ТРИБОСОПРЯЖЕНИЙ

НА ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ

Для разработки нормативов сроков и объемов технического обслуживания и ремонта судовой техники большое значение имеет изучение и совершенствование теории и практики оценки износостойкости таких пар трения машин, как подшипники скольжения. При диагностировании подшипников качения широко используются виброакустические методы, но для подшипников скольжения данные методы находятся на стадии научных исследований о трении. В этой связи проводились исследования при испытаниях образцов три-босопряжений разных типов на машинах трения. Выполнены измерения вибрации при заданных условиях и режимах (скорости вращения и нагрузки), где в качестве основного диагностического параметра использовались среднеквадратичные значения (СКЗ) вибрационного ускорения а в м/с2 или децибелы по ускорению. Изучены зависимости уровней вибрации на каждой полосе трехдиапазонного спектра от частоты вращения, нагрузки, условий смазки, шероховатости с учетом температуры, коэффициента трения и износостойкости. Доказано, что источником вибрации высокочастотного диапазона СКЗ является трение в сопряжении в зависимости от состояния поверхностей и вида смазки пары трения. Подтверждена зависимость уровня СКЗ ускорения от скорости вращения и нагрузки образца. Полученные результаты позволяют сделать заключение об эффективности применения предлагаемой трехдиапазонной виброакустической характеристики трибосопря-жений для оценки состояния трибосопряжений с помощью виброметра СМ-21. Этот способ может найти применение при диагностике подшипников скольжения, что потребует стандартизации режимов и условий измерения и установления зон предельно-допустимых уровней состояний объекта.

Ключевые слова: виброметр, износостойкость, трение, измерение, образец, машина трения, трибосопряжение.

Введение

При разработке нормативов сроков и объемов технического обслуживания и ремонта судовой техники большую роль играет изучение и совершенствование теории и практики оценки износостойкости таких пар трения машин, как подшипники скольжения. Известно, что при диагностировании подшипников качения широко используются виброакустические методы [1], но для подшипников скольжения они еще находятся на стадии научных исследований о трении. Возможность решить такую проблему появилась при испытаниях образцов трибосопряжений некоторых типов на машинах трения СМЦ-2 [2, 3, 4], после приобретения у поставщика фирмы «ВАСТ»1 виброметра СМ-21. При выполнении измерений вибрации при заданных условиях и режимах (скорости и нагрузках) в качестве основного диагностического параметра использовались среднеквадратичные значения (СКЗ) вибрационного ускорения а, м/с2 [5], или децибелы по ускорению.

Материалы и методы исследования

Испытанию были подвергнуты следующие объекты и образцы трибосопряжений со стальным диском диаметром 50 мм, а также латунный подшипник диаметром 60 мм на другой машине трения (рис. 1):

Вариант 1. Крепление СМЦ-2 без пары трения при работе на холостом ходу. Вариант 2. Пара трения гладких поверхностей стальной колодки и диска при работе со смазкой (рис. 2, а).

1 ВАСТ - виброакустические системы и технологии.

Рис. 1. Латунный подшипник на машине трения

а

б

в

Рис. 2. Варианты образцов трибосопряжений

Вариант 3. Пара трения с колодкой из керамики по стальной поверхности диска (рис. 2, а) в процессе быстрого износа керамики из положения на рис. 2, б.

Вариант 4. Пара трения с плоской колодкой из напильника по стальной поверхности диска при работе со смазкой (рис. 2, б).

Вариант 5. Пара трения с вкладышем подшипника по стальной поверхности диска при работе со смазкой (рис. 2, в).

Вариант 6. Пара трения с вкладышем подшипника по стальной поверхности диска при работе без смазки (рис. 2, в).

Вариант 7.1. Опытный латунный подшипник на машине трения при включенной обильной проточной смазке (рис. 2, г и рис. 1).

Вариант 7.2. Опытный латунный подшипник на машине трения при отключенной обильной проточной смазке (рис. 2, г и рис. 1).

Перед испытаниями измерялись твердость и шероховатость исследуемых поверхностей. Измерения вибрации на СМЦ-2 выполнялись при нагрузках 2, 15 и 35 кгс. Для каждой нагрузки уровни вибрации измерялась при 4-х вариантах частоты вращения: 100, 200, 350 и 500 об/мин. Одновременно с записью вибрации прослушивался шум от нее с помощью наушников, а также запи-

сывались показания температуры и коэффициента трения. Кроме того, для некоторых вариантов испытаний была выполнена выборочная оценка износостойкости с размерностью «км пути трения на мм износа» (км/мм). При этом применялся метод искусственных баз, разработанный в трудах [2, 3, 4], с использованием стандартного сверла с углом заточки 118° для нарезания лунок.

Оригинальность исследования заключается в том, что программная среда виброметра СМ-21 содержит упрощенный спектр вибрации, состоящий из 3-х участков частотного диапазона: низкочастотный (НЧ, 50-300 Гц), среднечастотный (СЧ, 300-1800 Гц) и высокочастотный (ВЧ, 1,8-10 кГц). На рис. 3 и в табл. 1 приведены примеры таких трехполосных спектров, образованных в результате испытаний указанных выше вариантов трибосопряжений. Их можно назвать трехдиапазонными виброакустическими характеристиками трибосопряжений (3ДВАХ), поскольку, как будет показано далее, они позволяют оценивать структуру и физическую особенность каждого варианта пары трения. Примеры ЗДВАХ для каждого (из восьми) варианта трибосопряжения изображены на рис. 3 в виде 3-х столбиков, соответствующих СКЗ низкочастотного ^1), среднечастотного ^2) и высокочастотного ^3) диапазона при максимальной частоте вращения образца. Для более наглядного сравнения результатов измерения используются относительные безразмерные уровни СКЗ, как отношения ускорений м/с на каждой полосе спектра к базовому значению, за который принята величина L2 для среднего диапазона частот. Тогда столбцы ЗДВАХ будут соответствовать относительным величинам a1 = L1/L2, a2 = L2/L2 = 1 и a3 = L3/L2.

Вариант 1 при 500 об/мин

Вариант 2 при 500 об/мин

Вариант 3 при 500 об/мин

1,5 1,25 1

0,75 0,5 0,25 0

1 2 3 4

Логарифмы диапазона частоты

1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0

1 2 3 4

Логарифмы диапазона частоты

1,5 1,25 1

0,75 0,5 0,25 0

1

2

3

4

Логарифмы диапазона частоты

нч Ь2 = 0,5 сч i вч

нч Ь2 = 2,17

сч

вч

нч Ь2 = 2,24

сч

вч

Вариант 4 при 500 об/мин

Вариант 5 при 500 об/мин

Вариант 6 при 500 об/мин

1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0

1

2

3

4

1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0

Логарифмы диапазона частоты

1 2 3 4

Логарифмы диапазона частоты

2,00 1,67 1,33 1,00 0,67 0,33 0,00

1 2 3 4

Логарифмы диапазона частоты

нч сч вч

Ь2 = 7,7

нч сч вч

Ь2 = 2,22

нч Ь2 = 2,818

сч

вч

Рис. 3. Графики зависимости уровней вибрации на каждой полосе спектра

б

а

в

д

г

е

Рис. 3. Графики зависимости уровней вибрации на каждой полосе спектра

Таблица 1

Трехдиапазонные виброакустические характеристики трибосопряжений

Вариант L2 Диапазон частот

а1

1 0,5 1,1 1 0,02

2 2,17 0,32 1 0,38

3 2,24 0,37 1 1,25

4 7,7 0,65 1 1,17

5 2,22 0,31 1 0,50

6 2,82 0,28 1 1,78

7.1 0,379 1,14 1 0,40

7.2 0,31 4,10 1 0,87

Обсуждение результатов

В ходе исследования тщательно изучались зависимости уровней вибрации на каждой полосе спектра от частоты вращения, нагрузки, условий смазки, шероховатости с учетом температуры, коэффициента трения и износостойкости.

Учитывая объемность подробного отчета о выполняемых исследованиях, в данной статье мы приводим только их наиболее важные результаты. Прежде всего, следует обратить внимание на вариант 1 узла крепления образцов при их отсутствии (рис. 3, а и строка 1 табл. 1). Здесь зафиксирован низкий базовый уровень СКЗ (Ь2 = 0,5 м/с2) и практически нулевой уровень а3 = 0,02 при ВЧ, в то время как во всех остальных вариантах трибосопряжений составляющая а3 имеет более ощутимое значение (рис. 3, б—з). Отсюда следует важнейшее заключение о том, что источником вибрации высокочастотного диапазона ВЧ является трение в сопряжении в зависимости от микрорельефа поверхности. При этом варианты 3ДВАХ можно условно разделить на две группы. К первой относятся варианты 2 и 5, когда уровень а3 < 1, что соответствует испытаниям гладкой колодки и вкладыша подшипника в условиях смазки (граничное трение). Во вторую группу входят варианты 3, 4 и 6 при а3 > 1, что характеризует повышение трения либо из-за испытаний подшипников без смазки (вариант 6), либо по причине грубого макрорельефа поверхности колодки. Самый большой шум наблюдается у варианта 4 с напильником, когда уровень L2 достигает 7,7 м/с2 и а3 = 1,17. Высокое трение в этом случае подтверждается повышенной температурой, образованием окисной пленки на диске и низкой износостойкостью [4]. Если износостойкость для варианта с напильником составляет 2-4 км/мм, то этот показатель для варианта 5 с подшипником при смазке составил более 100 км/мм. Возникновение повышенного трения и соответствующей ему вибрации вызвано не только режимом резанья напильника, но и очень высоким удельным давлением из-за малой площади пятна контакта с плоской поверхностью (около 2,5 МПа).

Причину вибрации в диапазоне СЧ можно условно объяснить макрорельефом шероховатости, а при НЧ - конструктивно-технологическими импульсами, кратными частоте вращения привода машины трения. Это подтверждается сравнением уровней а1 всех спектров со спектрами для первого варианта испытаний (рис. 3, а), где шум может возникать только от работы самой машины трения.

Особо следует рассмотреть варианты 7.1 и 7.2 для второй машины трения с проточной системой смазки подшипника (см. рис. 1 и 2, г, табл. 1). Вероятно, благодаря обильной гидродинамической смазке происходит потеря соприкосновения микрорельефа поверхностей пары трения, что создает минимальный уровень вибрации при ВЧ и СЧ (меньше 0,38 м/с2). Наибольший уровень в этом случае наблюдается в диапазоне НЧ, который кратен частоте вращения вала и повышается при отключении потока масла в 4 раза.

В ходе исследования разработаны некоторые зависимости, полученные при анализе параметров 3ДВАХ в математическом редакторе Mathcad. При этом в качестве диагностического параметра использовалась не только СКЗ ускорения а, но и зависящие от нее уровни вибрации в децибелах La:

La = 120 + 20 log а.

Рассмотрим пример исследований варианта 2 трибосопряжений по схеме рис. 2, а. Основные результаты этих испытаний приведены в табл. 2.

Таблица 2

Результаты испытаний варианта 2 трибосопряжений

Об/мин НЧ СЧ ВЧ НЧ СЧ ВЧ НЧ СЧ ВЧ

м/с2 при нагрузке 2 Н м/с2 при нагрузке 15 Н м/с2 при нагрузке 35 Н

100 0,244 0,246 0,129 0,235 0,36 0,17 0,3 0,4 0,25

200 0,305 0,62 0,23 0,35 0,66 0,44 0,35 0,7 0,50

350 0,46 1,27 0,5 0,47 1,3 0,7 0,5 1,37 1,1

500 0,7 2,17 0,82 0,7 2,2 1,2 0,7 2,2 1,7

Были рассмотрены различные варианты функциональных зависимостей, указанных в табл. 2. Во-первых, здесь, как и при всех других результатах испытаний, наблюдается возрастающая зависимость СКЗ от частоты вращения. Однако зависимость СКЗ от нагрузки оказалась не столь однозначной. Так, например, из графиков на рис. 4 следует, что уровни вибрации при НЧ и СЧ практически совпали, т. е. они не зависят он нагрузки, а при ВЧ кривые явно зависят от нагрузки: чем она больше, тем более круто возрастает ускорение.

Рис. 4. Зависимость СКЗ от нагрузки

На рис. 5 приведены результаты анализа зависимости уровней вибрации в децибелах от частоты вращения при минимальной нагрузке с целью оценки влияния вклада вибрации от ма-

шины в спектр вибрации при испытаниях трибосопряжений. Очевидно, что при ВЧ шум от машины (La = 80 дБ) практически не влияет на шум от трения (100-150 дБ), а при НЧ он соизмерим с шумом от трения (для керамики и гладких поверхностей).

W

Средняя частота

Низкая частота

4,5 5 5,5 6 6,5 Логарифм частоты вращения

Напильник

W

4,5 5 5,5 6 6,5 Логарифм частоты вращения + -»Кфашиса !

L0

Без узла

4,5 5 5,5 6 6,5 Логарифм частоты вращения • • - Гладкие

Рис. 5. Результаты анализа зависимости уровней вибрации в децибелах от логарифма частоты вращения

Для оценки различия А суммарного уровня вибрации при испытаниях пары трения Ls и минимальной составляющей вибрации самой машины при отсутствии пары трения Lm можно применить формулу из [5]:

'1 +

А = 10 log [l + (10^710Ls/10)] .

Например, при Ls = 120 дБ и Lm = 80 дБ величина А составит всего 0,0 004. Однако при Ls = 108 дБ и Lm = 109 дБ разница А составляет 2,55 дБ, что требует корректировки измеренной величины: 109 - 2,55 = 106,45.

Заключение

В ходе исследования однозначно подтверждена зависимость уровня СКЗ от вида трения. При сухом трении (без смазки) СКЗ всегда больше на соответствующей полосе частот. При граничном трении со смазкой наблюдаются умеренные значения СКЗ в диапазоне ВЧ, которые меньше, чем при СЧ. По-особому образуется 3ДВАХ при обильной гидродинамической смазке, когда основным диапазоном следует считать НЧ с максимальной амплитудой. Это вполне соответствует логике образования масляного слоя, который предотвращает непосредственный контакт шероховатостей поверхностей пары трения.

Выявлена четкая зависимость уровня вибрации от состояния поверхностей пары трения. Максимальная вибрация, СКЗ ускорения которой превышает предел 9,81 м/с2, наблюдалась для колодки из напильника.

Таким образом, результаты исследования позволяют сделать заключение об эффективности применения предлагаемой трехдиапазонной виброакустической характеристики 3ДВАХ для оценки состояния трибосопряжений с помощью виброметра СМ-21. В частности, этот способ может найти применение для диагностики подшипников скольжения, что потребует стандартизации режимов и условий измерения и установления зон предельно допустимых уровней состояний объекта.

СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ

1. Барков А. В., Баркова Н. А. Вибрационная диагностика машин и оборудования. Анализ вибрации: учеб. пособ. 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. высш. учебн. заведений. 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. высш. учебн. заведений. Приборостроение. 2016. Т. 59, № 8. С. 671-676.

5. Ефремов Л. В., Черняховский Э. Р. Надежность и вибрация дизельных установок промысловых судов. М.: Пищевая промышленность, 1980. 232 с.

Статья поступила в редакцию 21.02.2017

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ

Ефремов Леонид Владимирович - Россия, 199178, Санкт-Петербург; Институт проблем машиноведения Российской академии наук; д-р техн. наук, профессор; главный научный сотрудник лаборатории трения и износа; levlefre@ya.ru.

Баева Людмила Сандуовна — Россия, 183010, Мурманск; Мурманский государственный технический университет; канд. техн. наук, доцент; профессор кафедры технологии металлов и судоремонта; baevals@mstu.edu.ru.

Тикалов Андрей Владимирович — Россия, 195251, Санкт-Петербург; Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого; аспирант кафедры машиноведения и основ конструирования; tikalov2010@mail.ru.

L. V. Efremov, L. S. Baeva, A. V. Tikalov VIBROACOUSTIC TESTING OF TRIBOUNITS ENDURANCE

Abstract. For the development of standards of timing and amount of shipboard equipment maintenance and repair it is important to study and improve the theory and practice of evaluation of endurance of such friction pairs as sliding bearings. In the diagnosis of rolling bearings vi-broacoustic methods are widely used, but, as for sliding bearings, these methods are still at the stage of research with respect to friction. Thereby, the results of testing different types of tribounit samples on friction test machines have been studied. There have been done vibration measurements for given conditions (rotation speed and load), where the root mean square values (RMS) of vibrational acceleration a in m/s2 or dB for acceleration were used as main diagnostic parameters. The authors have investigated dependencies of vibration levels for each band of tri-band spectrum on rotational speed, load, lubrication, surface roughness with respect to temperature, coefficient of friction and wear resistance. It has been proved that the source of VHF vibration of RMS is friction in coupling, depending on the surface condition and lubrication type of the friction pair. Dependency of acceleration RMS level on rotational speed and load of the sample has been stated. The results allow to infer about the effectiveness of the proposed tri-band vibroacoustic characteristics of the tribounits using vibrometer CM-21. This method can be used for diagnostics of sliding bearings, which can require standardization of modes and conditions of measurement and the establishment of zones of maximum permitted levels of the object state.

Key words: vibrometer, wear resistance, friction, measurement, sample, friction machine, tribounit.

REFERENCES

1. Barkov A. V., Barkova N. A. Vibratsionnaia diagnostika mashin i oborudovaniia. Analiz vibratsii: uchebnoeposobie [Vibration diagnostics of machines and equipment. Vibration analysis: training manual]. Saint-Petersburg, SEVZAPUChTsENTR Publ., 2013. 152 p.

2. Efremov L. V. Problemy upravleniia nadezhnostno-orientirovannoi tekhnicheskoi ekspluatatsiei mashin [Problems of management nadejnosti-oriented technical usage of-her machines]. Saint-Petersburg, Art-Xpress, 2015. 206 p.

3. Efremov L. V., Tikalov A. V. Izmerenie iznosov detalei mashin v polevykh usloviiakh na osnove metoda iskusstvennykh baz [Measurement of the wear of machine parts in the field based on the method of artificial bases]. Izvestiia vysshikh uchebnykh zavedenii. Priborostroenie, 2016, vol. 59, no. 3, pp. 237-242.

4. Efremov L. V., Tikalov A. V., Breki A. D. Uskorennye ispytaniia stal'nykh obraztsov na iznosostoikost' metodom iskusstvennykh baz [Accelerated corrosion testing of steel samples for abrasion resistance by the method of artificial bases]. Izvestiia vysshikh uchebnykh zavedenii. Priborostroenie, 2016, vol. 59, no. 8, pp. 671-676.

5. Efremov L. V., Cherniakhovskii E. R. Nadezhnost' i vibratsiia dizel'nykh ustanovokpromyslovykh sudov [Reliability and vibration in diesel installations of fishing vessels]. Moscow, Pishchevaia promyshlennost' Publ., 1980. 232 p.

The article submitted to the editors 21.02.2017

INFORMATION ABOUT THE AUTHORS

Efremov Leonid Vladimirovich — Russia, 199178, Saint-Petersburg; Institute of Problems of Mechanical Engineering of the Russian Academy of Sciences; Doctor of Engineering Science, Professor; Chief Researcher of the Laboratory of Friction and Wear; levlefre@ya.ru.

Baeva Lyudmila Sanduovna - Russia, 183010, Murmansk; Murmansk State Technical University; Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor; Professor of the Department of Technology of Metals and Ship-repairs; baevals@mstu.edu.ru.

Tikalov Andrey Vladimirovich - Russia, 195251, Saint-Petersburg; Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University; Postgraduate Student of the Department of Mechanical Engineering and Design Principles; tikalov2010@mail.ru.