На правах рукописи

ТЮРИН АНДРЕЙ ЕВГЕНЬЕВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ТОЧНОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ

ТРИБОТЕХНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК

Специальность: 05.11.01 – Приборы и методы измерения

(механические величины)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2013

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «СанктПетербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики» на кафедре мехатроники (НИУ ИТМО).

Мусалимов Виктор Михайлович, д.т.н., профес

Научный руководитель сор кафедры мехатроники НИУ ИТМО Фадин Юрий Александрович, доктор техниче

Официальные оппоненты:

ских наук, профессор, зав. лабораторией «Трение и износ» Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем машиноведения Российской академии наук.

Иванов Евгений Константинович, кандидат технических наук., инженер-конструктор ЗАО "Орион Медик" Федеральное государственное бюджетное обра

Ведущая организация зовательное учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет»

Защита состоится «19» ноября 2013 г. в 16:00 на заседании диссертационного совета Д 212.227.04 при Санкт-Петербургском государственном национальном исследовательском университете информационных технологий, механики и оптики по адресу: 197101, Санкт-Петербург, пр. Кронверкский, 45, 206 ауд., зал заседаний Ученого совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИУ ИТМО

Автореферат разослан «18» октября 2013 г.

Ваши отзывы и замечания по автореферату (в двух экземплярах), заверенные печатью, просим направлять по адресу Университета: 197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр., д. 49, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.227.04.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.227. кандидат технических наук, доцент С.С. Киселев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Возможности применения достижений триботехники обширны. Внедрение результатов исследований позволяет производить современные машины, снижать расход топлива всех видов. Для успешного решения этих задач необходимо совершенствовать методики исследований, что, в свою очередь, требует новой испытательной и исследовательской техники, повышения точности и разрешающей способности проводимых измерений. Модернизация испытательной базы за счет применения современных методов и алгоритмов позволяет выявлять характерные особенности процессов, происходящих в трибоконтакте.

Для исследования процессов трения, износа и фрикционного взаимодействия спроектировано и создано множество лабораторных установок и устройств. Важной характеристикой таких систем является их адаптивность под конкретный технологический узел и соответствующую кинематическую пару механизма. Совершенствование оборудования для изучения трибосопряжений требует внедрения новых методов измерений и обработки данных, а также расширения диапазонов измерений. В данном направлении проводится исследования, описанные в работах Ю.Г. Шнейдера, А.В. Чичинадзе, В.М. Мусалимова, В.А. Валетова, И.В. Крагельского и др.

Для прогнозирования работоспособности, долговечности трибосопряжений приборов, машин, механизмов и их успешного проектирования необходимо корректное описание свойств трибосопряжений с помощью различных количественных триботехнических характеристик, к которым относятся коэффициент трения, динамический коэффициент трения, коэффициент полезного действия, температура в зоне контакта, параметры износа поверхности. С целью измерения данных характеристик необходимо проводить различные экспериментальные исследования, а для этого, в свою очередь, требуются высокоточные устройства регистрации в режиме реального времени сразу нескольких характеристик процесса.

Ключевая задача настоящей работы состоит в создании аппаратнопрограммных средств контроля триботехнических характеристик трибологических процессов. Для решения поставленных задач созданы трибометрические установки «ТрибалТ», «Индентор по диску», разработаны методики измерений и обработки данных для оценки характеристик исследуемых процессов. Предложен подход обработки данных профиля поверхностей, основанный на применении теории обработки случайных процессов, спектральном и вейвлет-анализе.

Цель диссертационной работы – создание высокоточных измерительных устройств и разработка аппаратно-программных средств регистрации и контроля триботехнических характеристик.

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели необходимо разработать:

1) аппаратно-программные средства для высокоточной регистрации триботехнических характеристик в режиме реального времени;

2) методику оценки погрешностей для измеряемых и расчетных трибологических характеристик;

3) алгоритмы и программы оценки параметров действия на основе измеренной шероховатости поверхности.

Методы исследования. В работе использовался расчетноэкспериментальный метод определения динамических триботехнических характеристик. В качестве основной экспериментальной базы для исследований трибосопряжений использовались две различные измерительные системы «ТрибалТ», «Индентор по диску», применяемые на кафедре Мехатроники.

Научная новизна работы 1. Введена и обоснована новая интегральная характеристика шероховатости поверхности трибосопряжений – параметр действия, – определяющая возможность передачи действия (энергии) для разных частотных составляющих профилограммы профиля поверхности.

2. Применены научно обоснованные конструктивные решения построения триботехнических систем, повышающие точность измерений: перемещений, вибраций, температуры, усилий.

Основные положения, выносимые на защиту:

1) аппаратно-программные средства, позволяющие в режиме реального времени с высокой точностью регистрировать триботехнические характеристики;

2) методика корректировки погрешностей измеряемых и расчетных триботехнических характеристик;

3) алгоритмы и программы оценки параметров действия по измеренной шероховатости поверхности.

Достоверность научных результатов. Измерения проводились на лабораторном оборудовании кафедры Мехатроники. Теоретические исследования проводились с использованием методов обработки аналогового и цифрового сигнала и методов математической статистики. Для моделирования и обработки данных применялось специализированное программное обеспечение.

Практическая ценность и реализация результатов работы. Теоретическими, методологическими и практическими результатами исследований дополнены курсы лекций «Основы трибоники», читаемые на кафедре мехатроники НИУ ИТМО. Подготовлено к печати методическое пособие «Основы экспериментальной трибоники».

Апробация работы. Основные положения, результаты, выводы и рекомендации, сформулированные в диссертационном исследовании, изложены в тезисах докладов на межрегиональных научно-практических конференциях НИУ ИТМО (Санкт-Петербург, 2009–2013); всероссийских научно-практических конференциях (Санкт-Петербург, 2010); международных научно-практических конференциях (Пермь 2011, Украина 2012);

международных научных школах «Фундаментальные и прикладные проблемы надежности и диагностики машин и механизмов» (2011–2013). Работа представлена на кафедре Машиноведения и основ конструирования СПбГПУ, на кафедре Мехатроники НИУ ИТМО получены стипендии Леонарда Эйлера ТУ Ильменау (2009), (2010). Проект «Трибометрическая установка исследования передачи действия» поддержан по результатам конкурса проектных предложений НИУ ИТМО (2011).

Публикации. Результаты исследования представлены в 9 публикациях, в том числе в 6 статьях в журналах, рекомендуемых ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, приложений. Основное содержание работы

изложено на 101 странице, в том числе 40 рисунков, таблиц, 3 приложения, список литературы включает 99 источников.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследования; охарактеризована степень разработанности поставленных проблем; определена цель работы, в соответствии с которой обозначены основные задачи исследования; определены объект и предмет исследования, рассмотрена методологическая и информационная базы исследований.

Первая глава посвящена анализу проблем, связанных с формированием и развитием испытаний материалов трибосопряжений, обеспечением требуемой точности измерения параметров трения и износа. Рассмотрен современный уровень развития измерительных систем исследования трибологических процессов.

Приведены основные сведения по методам исследований трибологических процессов. При взаимодействии двух поверхностей в процессе трения и износа происходит множество процессов, общая тенденция которых – перераспределение энергии в контакте. Происходит формирование структуры (прежде всего, геометрической), оптимальной с энергетической точки зрения. При измерении микрорельефа поверхности наиболее широко используются профилометры и интерферометры. Функциональные свойства поверхности оцениваются с помощью характеристик (от двух до пяти), описывающих рельеф поверхности критериев, их выбор осуществляется отдельно для каждого конкретного случая. Свойства поверхности необходимо определять не только методами математической статистики, но и с энергетической точки зрения, при помощи параметров действия – интегральной характеристики зависимости энергии по частоты.

Важной составляющей трибологических исследований является повышение точности измерений, минимизация погрешностей, компенсация паразитных влияний. Подробно отражены вопросы проектирования аналоговых и цифровых измерительных систем, приведенные в работах У. Хилла, А.Б. Сергиенко, С. Л. мл. Марпла. Существующее оборудование имеет недостатки по точности, быстродействию, ширине динамического диапазона, также актуальна задача создания программного обеспечения. В целом вопрос проектирования высокоточных измерительных систем для решения задач трибологических исследований остается открытым.

Во второй главе рассмотрены динамические характеристики, применяемые при оценке трибологических свойств на основе идентификационных моделей вход-выход. Представлены методики испытаний созданных систем, требования к входным и выходным данным. Проведен анализ конструктивных решений, повышающие точность измерений в системах «ТрибалТ» и «Индентор по диску».

Трибосопряжения оценивались качественно и количественно последующим характеристикам:

1) динамический коэффициент трения – величина, определяемая как отношение входного значения сигналов к выходному k d 20 log10. ОтAвхода ношение выходной амплитуды Авыхода к входной Авхода определяет динамический коэффициент трения (рис.1);

2) коэффициент демпфирования – соотношение между значением силы и относительной скорости [1];

3) параметр действия – интегральная величина, определяющая отношение накопленной энергии С к интервалу частот, на котором происходило это накопление f1-f2, на каждом частотном масштабном уровне Параметр h1 определяет связь между уровнем максимального накопления энергии сигнала, отнесенного к частоте, соответствующей максимальному значению спектральной плотности энергии, и интервалом частот, на котором накоплена энергия. Параметр h2 описывает отношение максимального значения спектральной плотности энергии к соответствующему значению частоты. Для выделения масштабных уровней использована технология вейвлет-разложения и восстановления без фильтрации с последующей оценкой спектральных составляющих.

Моделирование трибологической системы осуществлялось по динамической модели для системы второго порядка:

– коэффициент демпфирования (зависит от скорости нагружения); f (t ) – внешнее воздействие на систему; 0 – частота собственных колебаний.

Динамические свойства системы определялись при решении разностного уравнения (аналог дифференциального для дискретных данных) в системе Matlab [2], далее находились параметры передаточной функции (табл. 1) и примере (рис.1) графике амплитудно-частотной характеристики.

Для количественного расчета триботехнических характеристик написаны программы в среде Matlab, позволяющие обрабатывать данные, непосредственно после проведения эксперимента.

Рис. 1. Диаграмма Боде (ЛАФЧХ) системы по данным выход-вход Таблица 1. Пример полученных динамических характеристик трибосопряжений Повышение точности измерений триботехнических характеристик Основные приведенные характеристики получены с помощью системы Трибал-2, в конструкции которой были выявлены недостатки. Основным являются линейные направляющие (рис. 2 а), непосредственно на которых размещаются испытываемые образцы. Основные требования, предъявляемые к механической системе (направляющим перемещения), – высокая точность позиционирования, отсутствие вибрации, мертвого хода. Применение направляющих с подшипниковой дорожкой из перекрестных роликов в твердом сепараторе типа NVT 3080 (рис. 2 а). Именно применение роликов, позволило повысить уровень прилагаемых нагрузок, уменьшить влияние вибраций в нормальном направлении (рис. 2 б,в) на результаты измерений.

Рис. 2. Внешний вид направляющих линейных перемещений ТрибалТ Измерения проводились с одинаковой нагрузкой, частотой и амплитудой колебаний. В качестве акселерометра использовался трехосевой ADXL327 с частотой дискретизации 1 кГц, измеряемым диапазоном мм/с2.

Таблица 2. Сравнение направляющих линейных перемещений Характеристика Трибал2, платформы ТрибалТ, NVT Среднеквадратичное отклонение виброускорения (по 20 периодам) Применение направляющих типа NVT 3080 позволило в 10 раз увеличить точность позиционирования и в 5 раз снизить влияние вибрации, влияющую на регистрацию характеристик трибосопряжений.

Вторым направлением совершенствования измерительной системы стало применение датчиков линейных перемещений ЛДТ (линейнорегулируемый дифференциальный трансформатор) вместо индикаторных головок с оптопарой. Датчики, основанные на индуктивном принципе, имеют встроенную систему формирования аналогового сигнала, пропорционального перемещению штока (рис. 3 б). Они более компактны и удобны для интеграции в существующую систему.

Рис. 3. Внешний вид и устройство датчиков линейного перемещения; (а) линейно-регулируемый дифференциальный трансформатор (б) схема подключения К основным преимуществам индуктивных датчиков следует отнести стабильный измеряемый сигнал во времени и высокую частоту дискретизации, что напрямую влияет качество получаемых данных. Минимизация дополнительной цифровой обработки сигнала сохраняет особенности исследуемого процесса (рис. 4), устранены операции: удаление среднего значения (команда «detrend» в системе Matlab) и использование низкочастотных фильтров.

L, мм L, мм L, мм L, мм Рис. 4. Графики вход-выход сигналов с датчиков перемещений и их спектры, Несмотря на одинаковые показатели точности (10 мкм в обоих случаях), осуществить при помощи индикаторной головки возможно однократные, стабильные, низкочастотных измерения до 1 Гц. В случае быстрого изменения измеряемой величины фиксация моментов движения и выделения особенностей по измеренной реализации не всегда возможна.

Таблица 3. Характеристики датчиков линейного перемещения На основе измерений с помощью новых датчиков получена уточненная (особенно в области высоких частот) форма кривой амплитудночастотной характеристики (рис. 1),.

В третьей главе рассмотрена методика измерения шероховатости поверхностей. Для каждой отдельной поверхности производится комплексная проверка выбранных свойств, например волнистости, шероховатости и др.

На функциональные свойства пар трения, как при сухом, так и при смешанном трении, наибольшее влияние оказывает именно шероховатость поверхности. Для ее измерения в основном применяются методы профилометрии, распространенные из-за Начало Частота дискретизации Ввод данных, профиль поверхности на каждом частотном уровне действие по различным масштабным уровням этого рельефа. ВыдеПреобразование Фурье Вычисление кумуляты Нахождние параметра действия требуется обработка профиля методами вейвлет- и спектрального анализа.

Внедрение методики многоуровневого анализа шероховатости поверхности (рис. 5) на различных частотных уровнях, позволяет находить многоуровневые изменения поверхности, например, в процессе приработки.

Рис. 5. Исходный профиль исследуемой поверхности При дискретном вейвлет-разложении анализируемый сигнал раскладывается на сумму сглаженной компоненты последнего уровня (A6) и деталей всех уровней (D6,…, D1). В качестве материнского был использован вейвлет Добеши db4 с центральной частотой f r =0,7143 Гц. Частота, соответствующая каждому уровню разложения, вычислялась по формуле:

j =0,..,6 – порядок разложения. На (рис. 6 а) представлены два уровня разложения, на каждом получены восстановленные сигналы.

Рис. 6. Исходный сигнал раскладывался и восстанавливается (а) на группы частот 714 и 357 Гц, далее вычисляется спектральная плотность мощности (б) и накопление энергии на каждом уровне разложения (в).

Для сигнала на каждом уровне производится преобразование Фурье (рис. 6 б) и накопление энергии (рис. 6 в). В качестве количественной энергетической оценки энергии сигнала выступает параметр действия (1).

Получена новая характеристика передачи действия между взаимодействующими поверхностями, позволяющая анализировать энергетические процессы передачи энергии на частотных масштабных уровнях.

Рис. 7. Пример использования параметров действия для оценки эволюции качества поверхностей, длительность эксперимента 120 мин Полученные величины передачи действия (h1) сравниваются со среднеарифметическими отклонениями (Ra) профиля поверхности в разные промежутки времени (рис. 7). На графиках прослеживаются аналогия между ними, а также корреляция между масштабными уровнями, что свидетельствует о едином механизме изменения неровностей каждого частотного масштабного уровня.

В четвертой главе рассматривается измерительная база трибологических исследований, спроектированные установки «ТрибалТ» и «Индентор по диску», а также компоненты систем: датчики линейного перемещения, акселерометры, тензодатчики, аналоговая электроника и система сбора данных.

Установка испытаний трибосопряжений ТрибалТ разработана специально для нахождения динамических параметров трибосопряжений, позволяет измерять входные и выходные параметры трибопроцесса, по которым определяются динамический коэффициент трения (точностью до 5 %) и коэффициент демпфирования (точностью 5 %). На основе полученных данных строится динамическая модель трибоконтакта и прослеживается эволюция параметров во времени.

Рис. 8. Внешний вид установки трибометрической «ТрибалТ»

Установка состоит из следующих элементов:

1) платформа для закрепления образцов (1) и быстрой установки на направляющие линейного перемещения (5);

2) датчики линейного перемещения (2) нижней и верхней платформ;

3) датчики усилия нагружения (3) и усилия сжатия поджимающих пружин (4);

4) блок управления приводами (6,7) возвратно-поступательного движения (8) и приводом нагружения (9).

Установка трибометрическая «ТрибалТ» обладает следующими техническими характеристиками:

1) движение возвратно-поступательное, циклическое;

2) проводятся исследования трения: сухого, со смазкой, при локальном нагреве;

3) трех-, четырехточечные схемы контакта;

4) диапазон линейных перемещений: 0,1–5,0 мм с частотой: 0,3–5,0 Гц;

5) скорость нагружения образцов: 2,5 мм/с;

6) используемое напряжение ~220 В, 50 Гц/ +12 В, 1,5 А;

7) габариты, см. (длина/ширина/высота): 612130;

8) усилие нагружения: 1–50 Н.

Для проведения трибологических исследований в расширенном диапазоне скоростей и нагрузки создана трибометрическая установка, по схеме индентор по диску (рис. 9). Привод установки состоит из асинхронного двигателя, вращающего диск через последовательную ременную передачу.

Регулировка скорости вращения производится дискретно использованием роликов разных диаметров, со скоростью 250, 500, 1000, 2000 об/мин. Скорость вращения измерялась с помощью оптического датчика числа оборотов с пересчетом частоты на выходе. Контрпара трения – индентор закреплен на специальном держателе и может перемещаться по двум координатным осям.

Рис. 9. Схема установки по исследованию износа по схеме «Индентор по диску» (а), внешний вид установки с блоком обработки данных (б) Составные части установки «Индентор по диску»

1. Асинхронный привод (1) приводит в действие редуктор (6) и вращает диск (4), регулировка осуществляется фиксированно в 4 различных диапазонах.

2. На инденторе неподвижно закреплен акселерометр (2), индентор относительно станины может двигаться в двух плоскостях с помощью специального устройства (5)(рис. 9 б);

объединены в силоизмерительный элемент (3,4) (рис. 9 а);, измеряют нормальную и касательную составляющие силы трения.

2. Сбор данных осуществляется внешним модулем АЦП (3) и блоком аналоговой обработки (8) (рис. 9 б).

Таблица 4. Информационно-измерительные каналы системы «Индентор по диску»

На базе установки исследовались сочетания различных материалов приведенные в 3,4 главах диссертации. Нужно отметить, что система легко модернизируется и адаптируется под различные виды испытаний.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Разработаны новые аппаратно-программные средства, позволяющие с высокой точностью регистрировать триботехнические характеристики в режиме реального времени, на базе измерительных устройств Трибал-Т, Индентор по диску.

Разработаны методики оценки погрешностей для измеряемых и расчетных триботехнических характеристик. За счет использования высокоточных датчиков и направляющих, а также применения новых схемотехнических решений на порядок повышена точность измерений.

Предложена новая триботехническая характеристика – параметр действия, – позволяющая анализировать энергетические процессы передачи энергии на различных частотных масштабных уровнях за счет применения вейвлет- и спектрального анализа. Создана методика расчета передачи действия в трибоконтакте как интегральная характеристика, определяемая на каждом частотном уровне.

В установке для испытаний индентор по диску применены подходы исследования систем вход-выход, с применением дополнительных измерительных каналов, по которым оценивалась динамика процессов трения и износа.

Измерение износа поверхностей производилось, как непосредственно по измерению профилей поверхности, взвешиванию образцов, так и косвенно по эволюции динамических характеристик в разные интервалы времени.

Основные положения диссертации изложены в следующих из перечня ВАК:

1. Мусалимов В.М., Дик О.Е., Тюрин А.Е. Энергетические характеристики дискретного вейвлет-преобразования: применение к трибологическим и физиологическим сигналам // Науч.-техн. вестн. информационных технологий механики и оптики. 2009. С. 27–34.

2. Мусалимов В.М., Дик О.Е., Тюрин А.Е. Параметры действия энергетического спектра вейвлет-преобразования // Изв. вузов. Приборостроение. 2009. № 5. С. 10–15.

3. Тюрин А.Е., Исмаилов Г.М. Вибродиагностика автоколебательных процессов в трибоконтакте фторопласт–сплавы // Конструкции из композиционных материалов. 2013. № 2. С. 58–64.

4. Исмаилов Г.М., Павлов М.С., Тюрин А.Е. Определение сдвигающих усилий элементов кабеля при деформациях изгиба // Конструкции из композиционных материалов. 2012. № 4. С. 39–44.

5. Тюрин А.Е., Исмаилов Г.М., Мусалимов В.М., Ларин М.С. Использование технологий захвата изображений для оценки кинематических параметров трибопар // Научное обозрение. 2013. № 3. С. 114–122.

публикации в других изданиях:

6. Тюрин А.Е. Исследование тепловых процессов в трибоконтакте при изнашивании // Сб. межрегиональной науч.-практ. конф. «Перспективные инновации в науке, образовании, производстве и транспорте 2012».

Одесса, 2012. Т. 7, вып. 2. С. 60–67.

8. Исмаилов Г.М., Павлов М.С., Тюрин А.Е. Оценка сдвигающих усилий элементов многожильного кабеля при деформациях изгиба // Изв.

Томского политехнического университета. Математика и механика. Физика. 2013. Т. 322, № 2. С. 64–67.

9. Тюрин А.Е. Параметры действия в трибологических процессах // VI Всеросс. межвузовская конф. молодых ученых. СПб: НИУ ИТМО, 2009.

10. Тюрин А.Е. Трибометрическая установка для исследования передачи действия контактируемых материалов // XVII Зимняя школа по механике сплошных сред. 2010. С. 21.

11. Тюрин А.Е. Мониторинг изменения объемной температуры трущихся элементов механизмов // I Всеросс. конгресс молодых ученых. СПб:

НИУ ИТМО, 2012. C. 308–309.

12. Тюрин А.Е. Экспериментальное изучение процессов изнашивания деталей машин в условиях сухого трения // I Всеросс. конгресс молодых ученых. СПб: НИУ ИТМО, 2012. C. 309–310.

13. Тюрин А.Е. Вибродиагностика автоколебательных процессов в трибоконтакте фторопласт–металлы // II Всеросс. конгресс молодых ученых. СПб: НИУ ИТМО, 2013. C. 405–406.

14. Тюрин А.Е. Основы применения регулярного микрорельефа на поверхности деталей при диффузионной сварке // 39-я неделя науки СПбГПУ: Всеросс. науч.-практ. конф. СПб, 2010. С. 428.

15. А.Тюрин, И.Калапышина, М.Вьюгин Акселерометры Analog Devices – исследование вибраций в трибоконтакте // Электроника НТБ научно –технический журнал В. 4, 2013. С.116-120.

Список цитируемой литературы 1. Бендат Дж., Пирсол А. Применение корреляционного и спектрального анализа. М.: Мир, 1983. 312 с.

взаимодействия. СПб: СПбГУ ИТМО, 2006. 212 с.

3. Бесекерский В. А., Попов Е. П. Теория систем автоматического управления. СПб: Изд-во «Профессия», 2003. 752 с.

Корректор Л.Г. Позднякова Подписано в печать 16.10.2013. Формат 6090 1/16 Усл. печ. л. 1. Тираж 100 экз. Заказ № 210.

Учреждение «Университетские Телекоммуникации», 199034, СПб, В.О., Биржевая линия, д. 14-16, тел. +7 (812) 915-14-54, e-mail: [email protected], www.TiBir.ru