УДК 539:620.179.16
ДИАГНОСТИКА ОСОБЫХ ТОЧЕК КОЭФФИЦИЕНТА ТРЕНИЯ МНОГОСЛОЙНОГО НАНОМОДИФИЦИРОВАННОГО АНТИФРИКЦИОННОГО ПОКРЫТИЯ МЕТОДОМ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ
С.И. Буйло, П.Г. Иваночкин, Н.А. Мясникова
Рассмотрена динамика изменения параметров акустической эмиссии (АЭ) в процессе испытания многослойного наномодифицированного антифрикционного покрытия. Приведены результаты исследования формы и спектров сигналов АЭ на разных участках экспериментальной кривой зависимости коэффициента трения от времени испытаний. Предложен метод определения точек перехода от стационарной стадии к стадиям разрушения и трения без покрытия по интенсивности восстановленного потока актов АЭ, спектральному составу и амплитуде сопутствующего акустического излучения в у. з. диапазоне частот.
Ключевые слова: акустическая эмиссия, диагностика, жидкие среды, кинетика, контроль, смазка, трение, трибология, физико-химические процессы.
Метод акустической эмиссии (АЭ) в последнее время находит все большее применение в решении задач диагностики изделий железнодорожного транспорта, но в основном для контроля трещин в литых конструкциях и определения координат растущих дефектов [1—3].
Цель настоящей работы — изучение применимости метода АЭ для исследования и отработки технологии трения, в частности, диагностики стадий разрушения принципиально нового типа антифрикционного покрытия пары "колесо - рельс".
Традиционно применяемые способы лубрикации (смазки) железнодорожного пути основаны, как правило, на использовании материалов на основе углеводородов, которые оказывают отрицательное воздействие на свойства конструкции железнодорожного пути и загрязняют окружающую среду. В настоящий момент в пробной эксплуатации находится система лубри-кации, основанная на создании на боковой поверхности рельса нового многослойного антифрикционного наномодифицированного покрытия, обладающего блокировкой сегрегационных явлений [4].
Новое покрытие состоит из подложки (силового каркаса), представляющей собой слой с высокой шероховатостью, и антифрикционного слоя из на-ноструктурированного полимерного композиционного материала. Нанесение антифрикционной компоненты на силовой каркас обеспечивает низкие значения коэффициента трения при относительно высокой износостойкости пары трения. Силовой каркас представляет собой нанесенный на поверхность рельса методом электроискрового легирования слой металла толщиной (100—200) мкм. В качестве антифрикционного слоя многослойного покрытия использованы композиции на основе политетрафторэтилена, наполненного наноразмерными наполнителями на основе магния, хрома, марганца.
Такое покрытие испытывается впервые, поэтому были применены различные методы диагностики антифрикционных свойств предлагаемых типов покрытий. Для оценки особенностей фрикционного взаимодействия пары "колесо - рельс с покрытием" нами был использован метод АЭ-диагностики.
Сергей Иванович Буйло, доктор физ.-мат. наук, заведующий отделом акустики твердого тела, руководитель лаборатории АЭ-диагностики НИИ механики и прикладной математики Южного федерального университета. Тел. (863) 2434377. E-mail: bsi@math.sfedu.ru
Павел Григорьевич Иваночкин, доктор техн. наук, ведущий научный сотрудник Южного научного центра РАН. Тел. (863) 2726349. E-mail: ivanochkin_p_g@mail.ru
Нина Алексеевна Мясникова, канд. физ.-мат. наук, доцент Ростовского государственного университета путей сообщения. Тел. (863) 2595348. E-mail: myasnikova@rgups.ru
Следует отметить, что АЭ-диагностику трибосистемы " колесо - рельс" в России и странах ближнего зарубежья до сих пор в основном проводят в низкочастотном диапазоне частот [5]. В США и европейских странах для этих целей в последнее время все более широкое применение находит цифровой диагностический комплекс TADS (Trackside Acoustic Detection System) американской фирмы TTCI, работающий в звуковом диапазоне частот.
К сожалению, низкочастотный анализ имеет свои ограничения и не позволяет проводить тонкие фундаментальные исследования взаимодействия трибосистемы "колесо - рельс", так как реальное излучение, сопутствующее деформации вершин неоднородностей и тем более таким тонким механизмам, как разрыв адгезионных связей, сосредоточено в основном в у. з. диапазоне частот. АЭ-контроль и диагностику в у. з. диапазоне частот до настоящего времени чаще всего применяют в задачах диагностики узлов трения ядерных энергетических установок [6].
На машине трения СМТ-1 нами исследована связь параметров АЭ в широком (30—500) кГц диапазоне частот с особенностями фрикционного взаимодействия пары "ролик - колодка" с многослойным наноструктурирован-ным антифрикционным покрытием. Испытываемое покрытие наносили на вращающийся с постоянной скоростью металлический ролик диаметром до 60 мм, к которому с постоянным калиброванным усилием прижимали металлическую колодку. Приемный датчик АЭ через слой контактной жидкости с помощью "магнитной присоски" прижимали к хвостовой части колодки. Принятые датчиком сигналы АЭ усиливали предусилителем и далее по кабелю подавали на вход цифрового измерительного комплекса A-Line 32D фирмы Интерюнис.
Форма и спектральный состав сигналов АЭ на разных стадиях фрикционного взаимодействия пары "ролик - колодка" с многослойным наномоди-фицированным покрытием приведены на рис. 1. Исследование структуры поверхности образцов показало, что параметры сигналов АЭ на рис. 1а соответствуют стационарной стадии взаимодействия пары "ролик - колодка", а на рис. 16 — стадии перехода от катастрофического разрушения покрытия к началу стадии трения уже без защитного покрытия. Видно, что трение на стадии разрушения покрытия сопровождается значительным (до 100 раз и более) повышением амплитуды сигналов АЭ и появлением в спектре АЭ большого количества дискретных частот. Таким образом, становится возможной диагностика точки перехода от стадии разрушения покрытия к стадии трения без покрытия по возрастанию амплитуды и появлению большого количества дискретных частот в широком диапазоне сопутствующей АЭ.
Механизм излучения самих импульсов АЭ в процессах трения имеет междисциплинарный характер, сложную физико-химико-механическую природу, которую, по нашему мнению, можно представить следующим образом. Известно, что в процессах трения между непосредственно соприкасающимися неровностями контактирующих поверхностей образуются и разрываются адгезионные связи, коллективный разрыв которых является актом физико-химического взаимодействия, сопровождается излучением упругого импульса и может рассматриваться как некоторый акт АЭ. При наличии смазки молекулы смазочного материала принимают участие в адгезионном взаимодействии, однако это не меняет саму природу физико-химического акта АЭ. Установлено, что в ходе широкого класса физико-химических процессов действительно излучаются сигналы АЭ регистрируемого уровня и имеются хорошие перспективы создания количественных методов оценки кинетики исследуемых процессов по параметрам сопутствующего акустического излучения [7].
При отсутствии смазки следует ожидать излучения АЭ намного более высокого уровня вследствие преобладания физико-механического механиз-
ма АЭ в процессе деформации самого материала неровностей. Известно, что реальный контакт между металлами осуществляется только по вершинам неровностей, площадь контакта которых составляет малую часть от номинальной площади. Поэтому уже под влиянием малых нагрузок вершины
и, мкВ а
Рис. 1. Форма и спектральный состав сигналов АЭ на начальных (а) и конечных (б) стадиях фрикционного взаимодействия пары "ролик -колодка" с многослойным наномодифицированным покрытием.
неоднородностей деформируются, что тоже неизбежно должно приводить к излучению актов АЭ достаточно высокого уровня вследствие изменения внутренней структуры деформируемого объема материала.
Из анализа принимаемых сигналов следует, что процессы фрикционного взаимодействия сопровождаются настолько большим количеством излучаемых актов АЭ, что это приводит к почти полному перекрытию регистрируемых сигналов АЭ (см., например, рис. 1). Исследования показывают, что
практически все отечественные и зарубежные АЭ-диагностические комплексы, включая и такие известные системы, как Spartan и A-Line 32D, теряют из-за перекрытия более 90 % событий АЭ при высокой интенсивности источников АЭ внутри тела [8, 9].
Для устранения этого недостатка нами предложен и разработан междисциплинарный подход, позволяющий восстановление истинного (излученного внутри тела) потока актов АЭ по их регистрируемым сигналам [8, 9]. Такой подход ранее был уже использован нами при разработке АЭ-методов диагностики механической прочности ответственных изделий и позволил заметно повысить достоверность результатов их диагностики [9]. Суть подхода состоит в определении требуемых характеристик исследуемого процесса по плотностям (или функциям распределения) данных параметров, общий вид которых устанавливается исходя из физической природы эффекта АЭ. При этом параметры конкретного распределения оценивают по еще непере-крывшимся импульсам, а затем распределение экстраполируется и в область сильного искажения и перекрытия принимаемых сигналов эмиссии.
К сожалению, в процессе исследования пар трения обнаружилось настолько сильное искажение и перекрытие сигналов АЭ, что непосредственное применение такого подхода не обеспечило необходимую точность и достоверность процедуры восстановления. Вследствие этого метод пришлось модифицировать и процедуру восстановления проводить не по интенсивности импульсов, а по интенсивности потока осцилляций регистрируемых сигналов на поверхности исследуемой пары трения. Такая задача восстановления потока излученных актов АЭ также была нами ранее рассмотрена. Для случая восстановления по осцилляциям получено следующее соотношение [8, 9]:
N = N/( f - N) xL (m,D), (1)
здесь Na — интенсивность (количество в единицу времени) излученного (восстановленного) внутри материала потока актов АЭ; N — скорость счета (количество в единицу времени) осцилляций регистрируемых сигналов АЭ [10]; f — частота заполнения сигналов АЭ (близка к резонансу дат
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.