1.9 Триботехнические исследования

Современное состояние трибологии и триботехники – двух китов, определяющих прогресс практически во всех отраслях машиностроения, не позволяет в настоящее время получить однозначные ответы на целый ряд чисто практических вопросов на основании одной лишь теории.

Отсюда с неизбежностью вытекает необходимость экспериментальных исследований на лабораторном и стендовом оборудовании, предваряющих натурные испытания. Остановимся подробнее на триботехнических исследованиях и на сопутствующих этому вопросах.

1.9.1 Методы испытаний материалов пар трения

В настоящее время триботехника использует более 150 различных методов для испытания материалов, пар трения и целых узлов. Большинство из них регламентировано стандартами: ГОСТ, ASTM, SAE, ISO, DIN и др.

В этих стандартах оговорена конкретная программа испытаний, тип и размеры образцов, их подготовка, температурно-скоростные параметры и способ нагружения, метод математической обработки и интерпретации результатов. Общей конечной целью всех триботехнических испытаний является прогнозирование поведения испытуемого объекта в реальных эксплуатационных условиях, т.е. любые испытания являются частной феноменологической моделью технической действительности.

Стандартизированные триботехнические испытания входят как неотъемлемая часть в трибологические исследования. Последние включают гораздо меньше прикладной конкретики, но характеризуются значительно большей глубиной и степенью обобщения.

Трибологические испытания – это определение известных параметров трибосистем по стандартным методикам и на стандартизованном или типовом оборудовании.

Особенностью транспортных машин являются весьма значительные габариты, препятствующие испытаниям пар трения их агрегатов в реальном масштабе 1:1. Выход находится в испытаниях уменьшенных моделей этих трибосистем с последующим переносом полученных закономерностей на пары трения реальных габаритов.

Расчет размерных, прочностных, температурных, динамических и других параметров экспериментальных образцов осуществляется на основе теории подобия и моделирования. В результате определяют масштабные коэффициенты перехода от модели к натуре по всем моделируемым характеристикам. Без использования теории моделирования корректное проведение модельных испытаний невозможно. При моделировании стараются учитывать реальные условия эксплуатации и возможности контролировать как переменные факторы, так и выходные параметры. Все их можно разделить на четыре группы.

1. Конструкционные параметры:

– габариты, конфигурация и масса сопряженных деталей;

– коэффициент взаимного перекрытия;

– исходные (монтажные) и предельно допустимые зазоры;

– тип смазывания и способ подачи смазки;

– способ и величина теплоотдачи в окружающую среду;

– демпфирующая способность узла.

2. Параметры контактной зоны:

– исходная и равновесная шероховатость поверхностей;

– физико-механические свойства контактирующих поверхностей;

– наличие и характер промежуточных модифицированных слоев.

3. Эксплуатационные параметры:

– спектр нагружения и его характеристики (эффективное значение, дисперсия, динамическая составляющая и скорость нарастания нагрузки, продолжительность нагружения);

– вид движения, скорость, ускорение, количество пусков и остановов;

– температура окружающей среды;

– вид и воздействие окружающей среды.

4. Выходные параметры;

– сила (коэффициент) трения;

– интенсивность изнашивания и топография изношенной поверхности;

– средняя температура номинальной поверхности и объемная температура трибосистемы;

– акустическое излучение (уровень шума);

– характеристики приработки.

Следует иметь в виду, что установленные в результате триботехнических испытаний нормативные границы применимости трибосопряжения должны быть откорректированы по определяющему (лимитирующему) параметру с учетом допустимых вариаций свойств используемых материалов и вероятностного разброса термосилового нагружения при эксплуатации.

Общая структура триботехнических исследований сможет быть разделена на два типа задач: оптимизационные и интерполяционные. В результате решения первых находится оптимум состава или структуры материала, протекания процесса (трения, изнашивания и т. п.); можно минимизировать затраты на эксплуатацию трибосистем или добиться максимального ресурса пары.

Решение задач второго типа позволяет получить в исследованном диапазоне параметров модели трибосистем, компактирующие информацию и необходимые для расчетов на уровне конструирования, изготовления и эксплуатации узлов трения.

Независимо от типа решаемых задач общая схема исследований включает:

– анализ априорной информации;

– постановку многофакторных экспериментов;

– интерпретацию и анализ полученных результатов.

Существенный эффект дает объединение результатов моделирования в виде обобщающих критериев и симплексов и использования их как переменных факторов для последующей реализации многофакторных экспериментов. Нелинейные монотонные зависимости можно линеаризовать.

Основой современных экспериментальных исследований с целью определения качества трибосопряжений является трибомониторинг – система диагностики и прогнозирования работоспособности трибосистем.

Трибомониторинг охватывает всю совокупность методов и средств испытаний, непрерывного отслеживания и регулирования параметров подвижных сопряжений.

В трибомониторинге можно выделить два направления: трибометрия и трибодиагностика.

Трибометрия включает методы и средства измерения основных параметров фрикционного контакта в исходном состоянии, в процессе трения и после фрикционного взаимодействия.

Трибодиагностика – это обеспечения непрерывного текущего оценивания состояния подвижных соединений в процессе работы машины. Например, в результате анализа продуктов износа, акустической эмиссии, емкостных характеристик зазоров и т. п.

Итогом мониторинга является трибопрогнозирование – вероятностная оценка параметров сопряжения (несущей способности, ресурса) при временной экстраполяции.

Проблемы диагностики и прогнозирования неразрывно связаны: диагностика учитывает текущую информацию, прогнозирование опирается на априорную.

Следует отметить, что поскольку в настоящее время отсутствует строгая обобщающая научная теория, позволяющая априорно рассчитать требуемые параметры трибросистем чисто теоретически, настоящий раздел освещает, в основном, вопросы экспериментальных исследований и испытаний.