2.4. Акустические свойства фрикционного контакта в условиях автоколебаний

Рассмотренные выше акустические свойства фрикционного контакта относятся к равномерному относительному движению контактирующих тел при равномерном распределении точек контакта по трущимся поверхностям и во времени. Рекомбинация точек контакта в этой ситуации обеспечивает постоянное количество адгезионных мостиков и соударяющихся неровностей в единицу времени. Такая идеальная модель на практике реализуется редко. Обычно приходится сталкиваться с тем, что сухое трение сопровождается процессами, формирующими кооперативное соударение неровностей и кооперативный разрыв адгезионных мостиков. Эти процессы принципиально меняют картину акустических свойств стационарного фрикционного контакта. К таким процессам надо отнести регулярные и близкие к регулярным дефекты поверхности или следы обработки, наложенные извне вынужденные колебания контактирующих поверхностей и фрикционные автоколебания. Эти процессы меняют соотношение между f_возм и f_а в пользу f_возм.

К регулярным дефектам поверхностей надо отнести следы механической или другой обработки поверхностей. Вынужденные колебания могут быть связаны с работой приводов, обеспечивающих кинематику работы фрикционной пары, или с работой других рядом расположенных механизмов, создающих периодическое возмущение, влияющее на работу пары трения.

Автоколебания являются наиболее сложным механизмом воздействия на фрикционный контакт, но в приложении к процессу резания наиболее распространенным. Результаты воздействия всех перечисленных механизмов на ВА сигнал при трении похожи между собой. Во всех случаях генерируемый при трении ВА сигнал модулируется по амплитуде с частотой, свойственной возмущающему воздействию. Подобная модуляция может сопровождаться значительным ростом мощности ВА сигнала в широком диапазоне частот.

Для примера, на рис. 11 показаны записи контура ВА сигнала, зафиксированного при вынужденном воздействии на пару трения. В качестве пары трения выступала упругая стальная пластина, прижатая к вращающейся оправке, закрепленной в шпинделе фрезерного станка. На оправку накладывались вынужденные колебания с помощью электромагнитного вибратора, позволявшего менять частоту и амплитуду колебаний оправки в направлении нормали к поверхности пластины. В качестве ВА сигнала фиксировался сигнал виброускорения в октавной полосе 16 кГц. Собственная частота пластины была в районе 465 Гц, амплитуда колебаний оправки составляла 5 мкм. На рис. 11а показан вид ВА сигнала при частоте возмущающего воздействия 420 Гц, а на рис. 11б – на частоте 465 Гц. При возмущениях на резонансной частоте сигнал вырос в несколько раз. Это связано с тем, что резонансном режиме резко увеличилась интенсивность соударений оправки и пластины. Аналогичная картина возникает и при других видах возмущений, накладываемых на фрикционный контакт по нормали к поверхности трения. На основании сказанного можно заключить, что в пространстве условий работы фрикционной пары существуют области, где система плохо обусловлена. В этих областях достаточно малых изменений условий работы пары для больших изменений амплитуды ВА сигналов, сопровождающих трение.

Рис. 11. Изменения ВА сигнала в октавной полосе с СГЧ 16 кГц при трении с относительными колебаниями по нормали к контактной поверхности. Частота относительных колебаний 420 Гц (а) и 465 Гц (б)

Фрикционные автоколебания при сухом трении чаще объясняются разностью между силами трения покоя и скольжения и падающей зависимостью силы трения от скорости. Поскольку в этой работе трение рассматривается в приложении к резанию, то в качестве основной причины автоколебаний при трении, например, задней поверхности резца по поверхности резания можно указать координатную связь. В рамках этой концепции движение ползуна по поверхности надо рассматривать по двум или более координатным осям. Деформация упругой системы под действием сил трения происходит не только по направлению скорости трения, но и в перпендикулярном направлении. Т. о., возникает реакция, стремящаяся оторвать ползун от поверхности трения. Когда это происходит, разрываются все мостики адгезионных связей почти единовременно, и происходит выброс запасенной потенциальной энергии в виде колебаний. На рис. 12 показана схема колебательных движений ползуна при автоколебаниях и пример автоколебаний режущего инструмента при переходе от резания к трению за счет выключения подачи.

Рис. 12. Схема автоколебаний при трении и пример автоколебаний при переходе от резания к трению

На рис. 12 можно наблюдать, что при переходе от резания к трению исчезло силовое замыкание со стороны стружки, удерживавшее заднюю поверхность резца у поверхности резания, появилась возможность отрываться от поверхности трения, создавая ударные импульсы, вызывающие рост ВА сигналов. Ударные импульсы создают вибрационный след на поверхности, что ведет к постепенному росту амплитуды колебаний при повторном прохождении следа.

Все виды возмущений, способствующие кооперативному разрыву адгезионных мостиков и ударному взаимодействию поверхностей трения при вступлении в контакт, создают похожий эффект относительно значительного роста мощности ВА излучения. Заранее оценить размер этого увеличения не представляется возможным, поскольку он зависит от множества параметров, включающих динамические, реологические. адгезионные и т.п. характеристики, которые не отличаются постоянством. Большое влияние на рост мощности ВА излучения и его частотный спектр оказывает время соударения. Наибольший прирост мощности ВА излучения вызывают кратковременные соударения. Кратковременность означает, что процесс нагружения заканчивается значительно раньше, чем выполняется полный цикл свободных колебаний системы на собственной частоте. Поскольку собственных частот в упругой системе много, то колебания на собственных частотах, для которых выполняется условие кратковременности имеют относительно большее приращение мощности. Для более высокочастотных колебаний это приращение может быть значительно меньшим за счет поглощения упругой энергии в зоне контакта при соударении. На рис. 13 показаны примеры 1/3 октавных спектров ВА сигналов при ударах стальным лезвием острым и затупленным по деревянной заготовке. Кинетическая энергия лезвия перед ударом была одинаковой, но при использовании острого лезвия длительность ударов была значительно дольше из-за врезания лезвия в материал заготовки. Контакт острого лезвия с материалом заготовки формировал адгезионные связи, которые и обеспечивали падение мощности сигнала. Существенное отличие в спектрах ВА сигнала наблюдается на частотах выше 1 кГц. Это объясняется тем, что при врезании в материал часть энергии удара и последующих колебаний расходуется на трение лезвия о материал заготовки.

Этот пример подчеркивает сложность формализации зависимостей параметров ВА излучения от различных сочетаний множества факторов. При реализации диагностических процедур интерес представляет не только общая мощность ВА сигнала, но и дифференциация этой мощности по различным частотным диапазонам.

Рис. 13. Треть октавные спектры при ударах острого (1) и затупленного (2) лезвия по деревянной заготовке

Похожая картина возникает и при ударах долбяка на гравировальном станке. Долбяк изготовлен из сапфира в виде многогранной пирамиды, вершина которой и является рабочим инструментом. На рис. 14 показаны фотографии вершин острого и тупого долбяков.

а б

Рис. 14. Фотографии вершин острого (а) и тупого (б) долбяков.

На рис. 15 показан спектр (непрерывный и октавный) ВА сигнала, зафиксированного на заготовке при работе острым инструментом. Велась обработка мрамора, острый инструмент при каждом ударе оставлял на заготовке глубокий след. Изношенный долбяк при ударе следов на заготовке почти не оставлял. Его спектры показаны на рис. 16. Сравнивая эти спектры, можно отметить, что на высоких частотах амплитуда ВА сигналов в десятки раз превышает амплитуду при работе острым инструментом. Например, в октаве 4 кГц амплитуда ВА сигнала выросла более чем в 20 раз.

Рис. 15. Спектр ВА сигнала при работе острым долбяком (вверху показан октавный спектр)

Рис. 16. Спектр ВА сигнала при работе тупым долбяком (вверху показан октавный спектр)

Здесь можно отметить, что колебания (вынужденные и автоколебания) в паре трения по направлению скорости трения влияют на мощность ВА излучения значительно меньше, поскольку в определенных пределах не создают кооперативного разрыва связей. Они модулируют скорость трения, но это мало сказывается на мощности излучения относительно рассмотренных выше колебаний по нормали к поверхности трения.