akustyka, hamulce, docieranie, symptom,
degradacja, pomiar, -widmo akustyczne,
cykle hamowania


Franciszek W. PRZYSTUPA*

DIAGNOSTYKA PROCESÓW TRIBOLOGICZNYCH W ELEMENTACH MASZYN


Intensywne drgania samowzbudne typu „stick-slip” w hamulcach przyspieszają degradację zespołów poprzez powrotne wprowadzenie energii wzbudzeń zgodnie z mechanizmem sprzężenia zwrotnego, jednocześnie są często przyczyną nieprzyjemnych zjawisk akustycznych, emitowanych do otoczenia. Emitowany sygnał akustyczny można potraktować jako symptom stanu obserwowanego obiektu. W pracy przedstawiono przykład diagnozowania takiego procesu tribologicznego.

  
„ Przy stałej prędkości ruchu względnego trących się ciał, w zakresie małych wartości tych prędkości, rzeczywista prędkość ślizgania może zmieniać się w sposób skokowy. Taki ruch skokowo-poślizgowy nazywany jest stick-slip (przyleganie-poslizg). W systemach tribomechanicznych o takim ruchu powstają mechaniczne drgania relaksacyjne, które mogą w wielu przypadkach zakłócić pracę urządzeń. W systemach hamulców pojazdów mogą przejawiać się w postaci drgań o częstotliwości 4-5kHz”[l]
Z. Lawrowski, „TR1BOLOGIA”, PWN, Warszawa, 1993, str. 87.


* Politechnika Wrocławska, Instytut Konstrukcji i Eksploatacji Maszyn, ul. Łukasiewicza 7/9, 50-370 Wrocław.


Przedstawiony cytat ilustruje wagę zjawiska, które musi być eliminowane z procesu hamowania pojazdów oraz innych procesów, w których występuje. Intensywne drgania elementów składowych przyspieszają degradację zespołów poprzez powrotne wprowadzenie energii wzbudzeń zgodnie z mechanizmem sprzężenia zwrotnego, jednocześnie są często przyczyną nieprzyjemnych zjawisk akustycznych, emitowanych do otoczenia. Emitowany sygnał akustyczny jest w tym przypadku syndromem niewłaściwego stanu zespołu. Można jednak sygnał ten potraktować jako symptom stanu obserwowanego obiektu. Niezbędna dla procesów eksploatacji diagnostyka procesów tribologicznych w elementach maszyn jest nieco odmienna od typowego procesu diagnozowania, gdyż dość trudno o łatwo analizowalny, zawsze obowiązujący model zjawisk. Precyzyjna diagnoza zapobiegawcza wymaga powiązania obserwowanego zjawiska z jego obrazem symptomowym. Problemy pojawiają się przy dużej ilości obserwowanych diagnostycznie obiektów i przy braku możliwości zastosowania drogich technik indywidualnych, wykorzystujących np. obserwacje produktów zużycia lub stanu czynnika smarnego. Upowszechnione szeroko techniki wykorzystania w diagnozowaniu procesów wibroakustycznych są tanie, wymagaj ą jednak w tym wypadku poszukiwania najkorzystniejszego - indywidualnego - symptomu obserwowanego zjawiska, z wykorzystaniem modelu procesu diagnozowania zgodnie z rys. l [6 ].


Rys. l. Prosta postać modelu diagnozowania, według [6] zawiera tylko zasadnicze elementy i relacje

Fig. 1. Simple diagnosis process model with the main elements and relations [6]

    Jako przykład posłużyć może obserwacja diagnostyczna zjawiska docierania hamulca bębnowego autobusu miejskiego. Symptom wibroakustyczny w zakresie słyszalnym zależy od charakterystyk współpracy pary ciernej - w tym wypadku szczęki hamulcowej z okładziną cierną oraz bębna hamulca. Próba utworzenia wiarygodnego modelu dynamicznego takiej pary ciernej wymaga uwzględnienia wielu powiązanych ze sobą parametrów i zjawisk tribologicznych, uzależnionych od poniższych czynników (co zostało uwypuklone między innymi w pracach Z. Lawrowskigo [1,2]):
  • materiałów wszystkich elementów, ich mas oraz makrogeometrii,
  • mikrogeometrii materiałów par ciernych,
  • prędkości chwilowych pojazdu i kół, charakteru hamowania i historii eksploatacji.
  • chwilowych momentów hamowania, ich charakterystyk czasowych,
  • sztywności szczęki hamulcowej z okładziną cierną oraz bębna hamulca,
  • sztywności zawieszenia szczęk oraz kinematyki zawieszenia,
  • charakterystyk wszelkich tłumień,
  • temperatur, dynamiki termicznej,
  • charakterystyk nacisków, zużycia, intensywności i wartości chwilowych procesów, współczynnika tarcia itd.
Uproszczony model fizyczny hamulca przedstawiono na rys. 2, gdzie uwzględniono masy (m, M, E), sztywności (c), tłumienia (b, k), prędkości względne (V) oraz prędkości elementów (v1, v2), naciski (N), temperaturę (T) oraz współczynnik tarcia (µ). Problem rozwiązano doświadczalnie, poszukując zależności pomiędzy stanem pary ciernej a postulowanym - wyraźnym symptomem wibroakustycznym [3,4,5].


Rys. 2. Model fizyczny hamulca

Fig. 2. Physical model of the brake

Dla identyfikacji sygnału akustycznego oraz budowy modelu symptomowego zrealizowano pomiar na obiekcie rzeczywistym w warunkach laboratoryjnych i drogowych [7,8]. Przykładowe wyniki analizy pomiaru przedstawiono na rys. 3. Na zależnościach opisujących gęstość widmową mocy sygnału akustycznego wyróżniono najmocniejszą składową, która wraz ze zmianami stanu pary ciernej zmieniała swe położenie oraz w mniejszym stopniu wartość. Tę składową, zależną bezpośrednio od ilości cykli hamowania, potraktowano jako postulowany symptom docierania i dotarcia hamulca.


Rys. 3. Widmowa gęstość mocy wybranego procesu hamowania

Fig. 3. Frequency analysis of the breaking process

Szczegółowe wyniki analiz pozwoliły na budowę zależności wytypowanej częstości widma akustycznego od ilości cyklów hamowania (rys.4). Po lewej stronie przedstawiono szczegółowy obraz zależności doświadczalnej z wykładniczą linią trendu, po stronie prawej obraz uproszczony, wskazujący wyraźnie na okres dotarcia, gdy nastąpiła stabilizacja symptomu. Uzyskany kształt zależności wskazał na możliwość obserwacji okresu dotarcia hamulca w oparciu o diagnozowanie poprzez sygnał wibroakustyczny. Wynik eksperymentu wskazuje na istnienie powiązań pomiędzy stanem zespołu hamulca, w tym stanu powierzchni pary ciernej a mierzalnym sygnałem akustycznym.

Rys. 4. Zależność podstawowej częstości widma akustycznego od ilości cyklów hamowania

Fig. 4. Frequencies of the breaking process acoustics vs breaking cycles

Przedstawiona analiza zjawiska wibroakustycznego w hamulcu może być wykorzystana jako narzędzie budowy diagnozera procesów tribologicznych w sytuacjach braku fizycznego dostępu do analizowanych par ciernych lub w przypadku realizacji eksperymentu typu biernego lub czynno-biemego. Emitowany sygnał akustyczny może być syndromem niewłaściwego stanu zespołu. Można jednak sygnał ten potraktować jako symptom stanu obserwowanego obiektu i par ciernych.

    
LITERATURA
[l]
LAWROWSKI Z., Tribologia, PWN, Warszawa, 1993.
[2]
LAWROWSKI Z., Technika smarowania, PWN, Warszawa, 1996.
[3]
PRZYSTUPA F., Diagnostyka akustyczna hamulców w okresie docierania. W: VIII Sympozjum Techniki Wibracyjnej i Wibroakustyki. AGH, Kraków, Wyd. AGH, 1987, s. 229-233.
[4]
PRZYSTUPA F., Identyfikacja akustyki hamulca jako narzędzie obniżenia jego halaśliwości.W: Proceedings Noise Control 88, Kraków, AGH, 1988, s. 649-652.
[5]
PRZYSTUPA F., Akustyczne badania hamulców autobusu. W: Hamulce pojazdów drogowych. X Konferencja Hamulcowa 91, patron. FISITA, Instytut Pojazdów P. Łódz., Łódź, 1991, s. 152-161.
[6]
PRZYSTUPA F., Valuation of diagnostic information. Ocena informacji diagnostycznej. Systems 1997, vol.2 nr 2, s. 43-49.
[7]
SZYMANKIEWICZ F., PRZYSTUPA F., BOCHMAN J., WŁODARSK1 W., Nowe aspekty wytrzymałości i zagadnienia drgań samowzbudnych w hamulcach. Rap. IKEM PWr 1981, SPR nr 60.
[8]
SZYMANKIEWICZ F., PRZYSTUPA F., Badania trwałościowe i określenie wpływu zastosowania szczęk spawanych wersji „b” na przebieg hamowania. Raporty IKEM PWr 1982, SPR nr 68.

DIAGNOSIS OF THE MACH1NERY ELEMENTS

In the paper the method of drum brakes acoustic noise identification and diagnosis are presented, Based on the results obtained by the author it has been shown that acoustic energy of braking process is the degradation factor of the brakes but simultaneousły is an diagnose signal for the brakes state assessment. The paper is based on the tribology books of Professor Zbigniew Lawrowski [1,2], where the stick-slip process was described and explained.