Исследование акустической эмиссии в системе «тормозной диск – тормозная колодка» - Профессия «дефектоскопист» как она есть | Дефектоскопист.ру
Профессия «дефектоскопист» как она есть | Дефектоскопист.ру
Вернуться   Профессия «дефектоскопист» как она есть | Дефектоскопист.ру > Форум Дефектоскопист > Акустическая эмиссия


Старый 28.03.2019, 08:26   #1
admin
Администратор
 
Аватар для admin
 
Регистрация: 16.04.2012
Сообщений: 4,160
Благодарил(а): 71 раз(а)
Поблагодарили: 480 раз(а)
Репутация: 438
По умолчанию Исследование акустической эмиссии в системе «тормозной диск – тормозная колодка»

Исследование акустической эмиссии в системе «тормозной диск – тормозная колодка»

С.А. Сметанин, к.т.н., инспектор-приемщик Центра технического аудита ОАО «РЖД» ПАО «Лугансктепловоз»


В.А. Войтенко, к.т.н, доцент, зав. кафедрой микрои наноэлектроники Луганского национального университета им. Владимира Даля


Для новых перспективных конструкций дисковых тормозов пассажирских поездов необходимо проведение исследований спектров мощности акустической эмиссии для различных стадий процесса образования волнообразных температурных деформаций поверхности тормозного диска, отражающих закономерности периодических процессов его теплового расширения для случаев простого и сложного относительного движения фрикционных поверхностей.

Акустическая эмиссия дисковых тормозов пассажирских поездов
Закономерный рост скоростей движения пассажирских поездов сопровождается увеличением мощности сопутствующей акустической эмиссии, которая оказывает сильное влияние на комфортабельность перевозок.

В связи с этим вместе с задачами повышения эффективности и надежности тормозов для высокоскоростного пассажирского движения ставится задача уменьшения уровня неприятного для человека скрипа тормозов. Применение дисковых тормозов на скоростных поездах вместо колодочных в значительной степени снизило мощность акустической эмиссии, сопровождающей процесс нестационарного взаимодействия колодки с тормозным диском [1].

Использование фрикционных накладок из материалов на основе металлокерамических композитов с содержанием частиц твердой смазки также в некоторой степени снизило мощность акустической эмиссии и позволило сместить максимум мощности в область более низких частот, что с точки зрения восприятия человеком скрипа тормозов является позитивным изменением [2, 3].

Предварительные исследования,проведенные авторами, показывают, что существует значительный резерв для дальнейшего уменьшения мощности акустической эмиссии дисковых тормозов за счет изменения кинематической схемы взаимодействия тормозной колодки с тормозным диском. Существующая кинематическая схема неподвижной тормозной колодки в форме сектора и вращающегося тормозного диска реализует простое относительное движение точек взаимодействующих фрикционных поверхностей по окружностям. Такая конструкция обеспечивает значительную неравномерность распределения работы силы трения по площади фрикционных поверхностей, а также похожие распределения температур, внутренних напряжений и поверхностных деформаций. В результате этого в процессе торможения происходит изменение коэффициента трения по поверхности тормозного диска и тормозной колодки, неравномерный радиальный износ, образование борозд и значительная акустическая эмиссия [4].

Изменение кинематической схемы дисковых тормозов позволит реализовать сложное относительное движение точек взаимодействующих фрикционных поверхностей, что улучшит равномерность распределения работы силы трения, энерговыделения, температуры, напряжений и деформаций по поверхности тормозной колодки и тормозного диска. Вполне ожидаемо, что это приведет к дальнейшему снижению мощности акустической эмиссии, сопровождающей работу дискового тормоза. Реализовать сложное относительное движение точек взаимодействующих поверхностей возможно путем обеспечения вращения тормозной колодки в форме диска вокруг своей оси под действием результирующего момента сил трения, приложенного к вращающейся колодке. Для этого достаточно обеспечить передачу силы прижатия от клещевого механизма к вращающейся колодке через радиально-упорный подшипник [5].

Однако следует отметить, что такое кардинальное изменение конструкции дискового тормоза требует проведения углубленных исследований, которые могут быть проведены с использованием адекватных математических моделей, описывающих нестационарное фрикционное взаимодействие, сопровождаемое акустической эмиссией.

Таким образом, разработка адекватной модели нестационарного фрикционного взаимодействия тормозной колодки с тормозным диском и проведение сравнительных исследований напряжений, деформаций и акустической эмиссии при разных кинематических схемах дисковых тормозов является актуальной научно-технической задачей.

Математическая модель нестационарного фрикционного взаимодействия
В трибологии известен метод описания упругого взаимодействия фрикционных поверхностей, разработанный на основе контактной теории Герца для случая, когда микрорельеф поверхностей подчиняется распределению Гаусса. Для этого обычно поверхности взаимодействующих тел задаются случайными непрерывными функциями, а взаимодействие поверхностей рассматривается в пределах множества площадок контакта, размер которых имеет тот же порядок, что и расстояние между ними [6]. В большинстве случаев контактные площадки и отдельные выступы задаются путем аппроксимации сферами. В дальнейшем с учетом силы прижатия поверхностей определяются распределения давлений, действующих на каждую из площадок, которые имеют вид распределения Гаусса. Аналогичный вид имеет распределение износа площадей контакта. С учетом распределения относительных скоростей площадей контакта проводится расчет величины деформаций. Процесс образования и снятия деформаций сопровождается дискретными импульсами акустической эмиссии, амплитуда которых пропорциональна корню квадратному из относительной энергии импульса, равной отношению энергии к длительности импульса. Таким образом,распределение амплитуд импульсов акустической эмиссии будет иметь форму распределения Гаусса.

Указанный метод описания процесса образования акустической эмиссии применим для случаев, когда рабочие температуры и градиенты температур фрикционного взаимодействияповерхностейневелики. Однако применительно к решаемой задаче, где при взаимодействии фрикционных поверхностей тормозной колодки и тормозного диска возникают значительные градиенты температур и заметные изменения геометрии поверхностей в результате их линейного расширения, указанный метод неадекватно описывает акустическую эмиссию. Для того чтобы повысить адекватность метода, необходимо дополнительно учесть спектральные составляющие акустической эмиссии, вызванные линейным расширением и последующим сужением материала при его нагреве при взаимодействии. В связи с этим предлагается модель, описывающая акустическую эмиссию, которая сопровождает нестационарные деформации поверхности вследствиенестационарныхтепловыхпроцессов.

Математическая модель нестационарного фрикционного взаимодействия в системе «тормозной диск – вращающаяся тормозная колодка», полученная с использованием [6-12],содержит следующие основные уравнения.

1. Уравнение для работы силы трения,совершаемой элементом поверхности тормозного диска (тормозной колодки) вдоль траектории движения:


2. Уравнение для энерговыделения в системе «тормозной диск – вращающаяся тормозная колодка»:


3.Уравнение теплопроводности:


4. Уравнение для теплового расширения поверхностного слоя:


5. Уравнение дискретного преобразования Фурье:


Результаты исследований
При помощи предложенной математической модели, реализованной в программной среде MATLAB 6.0, в текущем году авторами исследован процесс образования акустической эмиссии в результате теплового расширения взаимодействующих фрикционных поверхностей. Учитывалось образование и перемещение площадей контакта тормозной колодки с тормозным диском, возникающие в результате температурного расширения поверхностей с последующим их износом и относительным движением. Указанный подход не противоречит тому, что площади контакта могут состоять из большого количества малых площадей контакта, связанных с шероховатостью поверхности. Таким образом, полученные путем компьютерного моделирования спектры мощности
акустической эмиссии, возникающей в результате температурных микро-деформаций поверхностей, могут быть просуммированы со спектрами мощности,которые получены путем моделирования нагружения и отпуска случайного микрорельефа поверхностей и его фрикционного разрушения. Поскольку процесс термического расширения материала, сопровождающий фрикционное взаимодействие тормозной колодки и тормозного диска, является нестационарным и имеет периодичность, пропорциональную угловой частоте вращения тормозного диска, то спектр акустической эмиссии фрикционного взаимодействия в рассматриваемом случае будет обогащен низкочастотными гармониками.

В качестве примеров на рисунках 1, 2 показаны зависимости нестационарных полей температуры в приповерхностном слое поверхности тормозного диска на 5-й сек. с момента начала взаимодействия тормозной колодки с тормозным диском, вращающимся с угловой скоростью 30 с-1, а также температурное расширение поверхности и спектр мощности акустической эмиссии, сопровождающий его, для разных стадий процесса фрикционного взаимодействия. На рисунке 1 приведены графические зависимости для стадии формирования площади взаимодействия с одним контактным пятном, на рисунке 2 – зависимости для случая образования нескольких площадей контакта тормозной колодки с тормозным диском вследствие волнообразного износа поверхностей при фрикционном взаимодействии.

Как известно, волнообразность микрорельефа является довольно распространенным явлением при фрикционном взаимодействии, включающем в себе фазы ударного нагружения и отпуска участков микрорельефа, их повышенного износа. Таким образом, в ряде случаев может быть вполне оправданно применение реальных волнообразных рельефов поверхностей, описанных периодическими непрерывными функциями со статистической составляющей, описывающей случайные выбросы при моделировании акустической эмиссии методом Герца и его модификациями. Анализ спектров мощности акустической эмиссии для различных стадий процесса образования волнообразных температурных деформаций поверхности тормозного диска (рис. 1, 2) показывает, что спектр мощности является линейным и содержит большое количество гармоник, что является следствием периодичности процессов теплового расширения поверхности тормозного диска, в отличие от непрерывного спектра мощности акустической эмиссии, сопровождающей стохастический процесс ударного нагружения и отпуска микронеровностей, а также их фрикционного разрушения.

Рис. 1. Зависимости нестационарных полей температуры (а),
температурное расширение (б) и спектр мощности акустической
эмиссии (в) поверхности тормозного диска на стадии формирования
площади взаимодействия с одним контактным пятном








Основная часть мощности спектров для разных стадий нестационарного процесса фрикционного взаимодействия находится в низкочастотной области до 500 Гц, причем для одиночной площади контакта средняя мощность акустической эмиссии больше, чем для стадий процесса с двумя и более пятнами контакта различной площади. С ростом угловой скорости вращения тормозного диска медианная частота, которая делит спектр мощности по плотности мощности на две равные части, смещается в область более высоких частот. Таким образом, результаты моделирования объясняют повышение мощности шума дисковых тормозов при высоких скоростях торможения в сравнении с такими скоростями в области частот до 500 Гц. Также при помощи модели объяснено наличие периодических составляющих акустической эмиссии в области низких частот.

Рис. 2. Зависимости нестационарных полей температуры (а),
температурное расширение (б) и спектр мощности акустической
эмиссии (в) поверхности тормозного диска для случая образования
нескольких площадей контакта вследствие волнообразного износа







Согласно предложенной модели основная часть мощности акустической эмиссии, излучаемой в результате возникновения периодических температурных деформаций поверхности тормозного диска, приходится на частоты до 15 Гц. Причем максимальная мощность излучается на частоте вращения тормозного диска в текущий момент времени. Также в спектре акустической эмиссии присутствуют группы гармоник, которые в процессе фрикционного взаимодействия сохраняют свое местоположение на спектре мощности, меняя лишь амплитудные значения. Эти группы гармоник отражают акустическую эмиссию, связанную с формой фронтов роста и спада поверхностных деформаций тормозного диска, возникающих вследствие тепловых процессов взаимодействия с тормозной колодкой. При увеличении частоты вращения тормозного диска фронт роста и фронт спада поверхностных деформаций становятся более резкими, в особенности это касается спада, когда контактная температура быстро изменяется от температуры поверхности тормозной колодки, которая всегда выше температуры поверхности тормозного диска (до температуры окружающего тормозной диск воздуха).

Таким образом, с ростом частоты вращения тормозного диска группы гармоник смещаются в область более высоких частот, при этом амплитуды мощности гармоник также возрастают. При наличии одной большой площади фрикционного контакта (рис. 1), а также двух и более (рис. 2) площадей контакта наблюдается изменение амплитуд групп гармоник. Наибольшая мощность акустической эмиссии в низкочастотном диапазоне длин волн, сопровождающая температурные деформации поверхности тормозного диска, излучается при наличии одной площади контакта. Поскольку процесс фрикционного взаимодействия тормозного диска и тормозной колодки носит случайно-периодический характер, при котором площадь контакта с течением времени изменяется и количество площадей контакта тоже изменяется, то мощность излучаемой акустической эмиссии также носит случайно-периодический флуктуационный характер, при этом основные группы гармоник остаются неизменными.

Если спектр мощности акустической эмиссии, сопровождающей макротемпературные деформации тормозного диска, слабо изменяется в процессе торможения, то нагрузочно-разгрузочный механизм микронеровностей и их износ способен меняться в большей степени. Таким образом, с точки зрения восприятия скрипа тормозов человеком последний механизм имеет большее значение, а также связан с частотой вращения тормозного диска (определяет скорость процессов ударного нагружения и разгружения элементов микрорельефа поверхностей), шероховатостью поверхностей (определяет величину и распределение давления по микронеровностям), прочностью материалов (определяет скорость износа микроплощадок фрикционного взаимодействия).

Следует также отметить, что согласно предложенной модели и моделей на основе статистического подхода Герца на мощность акустической эмиссии в низкочастотной и высокочастотной областях оказывает влияние поверхностная температура, а также градиент температуры в зоне фрикционного взаимодействия.Так, с ростом средней температуры тормозного диска снижается градиент температур в приповерхностном слое и, как следствие,уменьшается величина поверхностной деформации, что приводит к уменьшению средней мощности акустической эмиссии в области частот до 500 Гц. Аналогичный процесс,связанный с изменением кривой разрушения при высоких температурах, наблюдается согласно методу Герца. Таким образом, мощность акустической эмиссии и частотный состав в процессе торможениябудутизменятьсяотмаксимума (в начале торможения), когда температура тормозного диска начинает увеличиваться и наблюдается значительный градиент температуры – до минимума (ближе к концу торможения), с последующим некоторым ростом в конце торможения,когда градиент температуры меняет знак в связи с уменьшением энерговыделения при фрикционном взаимодействии.

При помощи предложенной модели нестационарного фрикционного взаимодействия также была исследована деформация поверхности тормозного диска и связанная с ней низкочастотная акустическая эмиссия для дискового тормоза с вращающейся вокруг своей оси под действием результирующего момента сил трения тормозной колодкой в форме сплошного диска. В рассматриваемом случае точки взаимодействующих фрикционных поверхностей совершали сложное относительное движение, что приводило к значительному уменьшению градиента температур и уменьшению величины контактной температуры. Более равномерные в сравнении со случаем неподвижной тормозной колодки в форме скругленного сектора температурные поля в приповерхностном слое тормозного диска приводили к уменьшению до 20% температурной деформации и соответствующей мощности низкочастотной акустической эмиссии. Распределение мощности акустической эмиссии и наличие групп гармоник при этом несколько изменялось. По-прежнему максимум мощности приходился на частоту, равную текущей частоте вращения тормозного диска. Остальные группы гармоник также определялись скоростью нарастания и спада поверхностной деформации, а их частоты зависели от частоты вращения тормозного диска и частоты вращения тормозной колодки. Поскольку вращающаяся тормозная колодка имела форму диска, то радиальное распределение деформаций по поверхности тормозного диска имело сложную форму. Одновременно присутствовали зоны контакта разной протяженности, поэтому время нарастания и спада деформации поверхности также было различным. Это приводилокобогащениюспектрамощности новыми гармониками и одновременному уменьшению мощности каждой из них. Таким образом, суммарная мощность низкочастотной акустической эмиссии уменьшалась в случае вращающейся тормозной колодки в форме сплошного диска, при этом количество спектральных линий увеличивалось, а их амплитуда уменьшалась. Реальное восприятие человеком низкочастотной эмиссии будет в разы слабее, несмотря на то что суммарная мощность эмиссии уменьшилась не более чем на 20%. Это доказывает, что сложное относительное движение точек фрикционных поверхностей в случае применения вращающейся тормозной колодки в форме сплошного диска позволяет существенно снизить уровень воспринимаемой человеком акустической эмиссии при торможении. Также позитивным является снижение величины и градиента контактных температур в случае сложного относительного движения точек взаимодействующих поверхностей тормозного диска и тормозной колодки.

Заключение
Модели, описывающие процесс образования акустической эмиссии при фрикционном взаимодействии, основанные на различных модификациях метода Герца, не объясняют повышение мощности и наличие гармонических составляющих низкочастотной акустической эмиссии в системе «тормозной диск – колодка». Авторами установлено, что на процессы генерации низкочастотной акустической эмиссии в области частот до 500 Гц оказывают влияние нестационарные температурные деформации поверхности тормозного диска. Предложенная модель процесса нестационарного фрикционного взаимодействия дополняет модели, построенные на основе метода Герца, и позволяет получить более адекватные результаты расчетов акустической эмиссии в области частот до 500 Гц. Установлено, что замена простого на сложное относительное движение точек взаимодействующих фрикционных поверхностей путем обеспечения вращения под действием результирующего момента сил трения тормозной колодки в форме сплошного диска позволит существенно снизить уровень акустической эмиссии, воспринимаемой человеком при торможении. Это объясняется увеличением числа спектральных линий при одновременном уменьшении их мощности, связанным с меньшими градиентами температур поверхности тормозного диска и формой вращающейся колодки. Суммарная мощность в области низких частот до 500 Гц по сравнению со случаем неподвижной тормозной колодки в форме скругленного сектора меньше до 20%.

Список использованной литературы
1. Подуст С.Ф. Экспериментальные исследования шума и вибрации при движении пассажирских и скоростных поездов / С.Ф. Подуст // Вестник РГУПС. – 2015. – № 2. – С. 30–35.
2. Карпычев В.А и др. Устранение клинового износа фрикционных накладок в клещевом механизме тормозного блока дискового тормоза для железнодорожного транспорта / В.А. Карпычев, В.Я. Солодилов, А.А. Курочкин, А.А. Мошков // Научно-технический вестник Поволжья. – 2013. – № 4. – С. 181–185.
3. Использование акустической эмиссии для анализа процессов изнашивания при трении скольжения / В.Е. Рубцов и др. // Письма в ЖТФ. – 2013. – Т. 39. – Вып. 4. – С. 79–86.
4. Федоров С.В. К исследованию совместимости трущихся поверхностей / С.В. Федоров // ВНИИЖТ. – 2016. – № 5. – С. 283–288.
5. Рунов А.С., Курилкин А.С. К вопросу определения коэффициента трения для дисковых тормозов скоростного подвижного состава / А.С. Рунов, Д.Н. Курилкин // Матер. науч.-техн. конф. «Эксплуатационная надежность локомотивного парка и повышение эффективности тяги поездов». – Омск, 2016. – С. 190–197.
6. Асадченко В.Р. Автоматические тормоза подвижного состава: учеб. пособие. – М. : Маршрут, 2006. – 392 с.
7. Баранов В.М. и др. Акустическая эмиссия при трении. – М. : Энергоатомиздат, 1998. – 254 с.
8. Грешников В.А., Грешников В.А., Дробот Ю.Б. Акустическая эмиссия. – М. : Изд-во стандартов, 1976. – 276 с.
9. Работнов Ю.Н. Механика деформируемого твердого тела: учеб. пособие. – М. : Наука, 1988. – 712 с.
10. Гаврилов В.Р., Иванова Е.Е., Морозова В.Д. Кратные и криволинейные интегралы. Элементы теории поля. – М. : МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2003. – 496 с. 11. Маркеев А.П. Теоретическая механика: учебник. – М. : ЧеРо, 1999. – 572 с.
12. Кузнецов А.В. Методы математической физики: учеб. пособие. – Ярославль : Изд-во Яросл. гос. ун-та, 2004. – 200 с.
13. Сергиенко А.Б. Цифровая обработка сигналов. – СПб. : Питер, 2002. – 608 с.
Изображения
Тип файла: png 3.png (54.5 Кб, 41 просмотров)
Тип файла: png 4.png (45.6 Кб, 40 просмотров)
Тип файла: png 5.png (69.4 Кб, 41 просмотров)
Тип файла: png 6.png (24.8 Кб, 40 просмотров)
Тип файла: png 7.png (48.6 Кб, 39 просмотров)
Тип файла: png 8.png (25.6 Кб, 39 просмотров)
Тип файла: png 9.png (16.2 Кб, 40 просмотров)
Тип файла: png 10.png (18.3 Кб, 40 просмотров)
Тип файла: png 11.png (27.5 Кб, 39 просмотров)
Тип файла: png 12.png (17.4 Кб, 39 просмотров)
Тип файла: png 13.png (18.0 Кб, 39 просмотров)
Тип файла: png 1.png (122.4 Кб, 40 просмотров)
Тип файла: png 2.png (113.1 Кб, 41 просмотров)
admin на форуме   Ответить с цитированием
Старый 28.03.2019, 08:34   #2
admin
Администратор
 
Аватар для admin
 
Регистрация: 16.04.2012
Сообщений: 4,160
Благодарил(а): 71 раз(а)
Поблагодарили: 480 раз(а)
Репутация: 438
По умолчанию

Сметанин С.А., Войтенко В.А. Исследование акустической эмиссии
в системе «тормозной диск – тормозная колодка» / С.А. Сметанин, В.А. Войтенко // Техника железных дорог. - Февраль 2019 г. - 1 (45). - С. 68—74.

Статья любезно предоставлена редакцией журнала "Техника железных дорог". Наиболее точная версия доступна во вложении.
Вложения
Тип файла: pdf Исследование акустической эмиссии.pdf (1.23 Мб, 3 просмотров)
admin на форуме   Ответить с цитированием
Старый 28.03.2019, 08:54   #3
admin
Администратор
 
Аватар для admin
 
Регистрация: 16.04.2012
Сообщений: 4,160
Благодарил(а): 71 раз(а)
Поблагодарили: 480 раз(а)
Репутация: 438
По умолчанию

Техника железных дорог - ведущий отраслевой журнал России, посвященный производству и эксплуатации подвижного состава для железнодорожного и городского рельсового транспорта

В каждом номере:
  • подробное описание новых конструкторских решений с оценкой экономической эффективности и перспектив эксплуатации
  • обзоры изменений в процессах проектирования, производства и эксплуатации подвижного состава
  • анализ состояния и перспектив развития отрасли в России и за рубежом
  • оценка влияния важнейших регуляторных решений на отрасль, ее поставщиков и заказчиков
  • статистическая информация о выпуске подвижного состава с разбивкой по типам железнодорожной техники и предприятиям-производителям



Статьи о различных технологиях диагностики и неразрушающего контроля также публикуются почти в каждом номере. С архивом журналов можно ознакомиться по ссылке: http://ipem.ru/editions/tzd/

Оформить подписку на журнал возможно по ссылке, по каталогу Почты России (индекс 41560) или в редакции (e-mail - vestnik@ipem.ru, на него можно также обратиться с предложением статьи)
Изображения
Тип файла: jpg ТЖД-лого.jpg (36.4 Кб, 18 просмотров)
admin на форуме   Ответить с цитированием
Ответ
Похожие темы
Тема Автор Раздел Ответов Последнее сообщение
Современная аппаратура для УЗК металлоконструкций admin Статьи о дефектоскопии 4 03.04.2014 09:57
НК как компонент стратегии минимизации рисков и затрат admin Статьи о дефектоскопии 3 28.01.2014 20:45
Комплексный тепловой контроль зданий строительных сооружений admin Статьи о дефектоскопии 3 28.01.2014 14:45
Автоматический ультразвуковой контроль сварных стыков при ст admin Статьи о дефектоскопии 3 28.01.2014 13:30
Степень объективности регистрируемых результатов ультразвуко admin Статьи о дефектоскопии 1 17.11.2012 19:14


Опции темы
Опции просмотра

Ваши права в разделе
Вы не можете создавать новые темы
Вы не можете отвечать в темах
Вы не можете прикреплять вложения
Вы не можете редактировать свои сообщения

BB коды Вкл.
Смайлы Вкл.
[IMG] код Вкл.
HTML код Выкл.

Быстрый переход

VK Defektoskopist OK Defektoskopist Facebook Defektoskopist Instagram Defektoskopist YouTube Defektoskopist


Текущее время: 08:38. Часовой пояс GMT +3. Copyright ©2000 - 2020. Перевод: zCarot.
Внимание, коллеги! В целях нормальной работы форума администрация оставляет за собой право на обработку персональных данных зарегистрированных пользователей. В случае вашего несогласия просьба написать жалобу на defektoskopist.ru@gmail.com