Неровностей поверхностей

Взаимное внедрение неровностей контактирующих поверхностей обусловлено не только технологией их обработки, но и неоднородностью механических свойств. Поликристаллическому чистому металлу и сплавам свойственна неоднородность кристаллического строения и структурных составляющих, которые могут иметь различную твердость и разную ориентацию кристаллических зерен, выходящих на поверхность. Вследствие этого на отдельных площадках фактического контакта, начиная с малых нагрузок, происходит взаимное внедрение твердых составляющих и кристаллов, обращенных к поверхности "сильными" гранями, в менее твердые структурные составляющие.

Связь износовых и внезапных отказов авиационных двигателей с неровностями поверхности. Исследования надежности и, в частности, физической природы отказов некоторых авиационных двигателей показали, что износовые отказы устройства типа узла центрирования форсунки под воздействием вибрационно-динамических импульсов и внезапные отказы пар, подобных паре якорь—втулка клапана пускового топлива, в значительной степени зависят от неровностей контактирующих поверхностей 1111.

Связь термического и электрического контактных сопротивлений с неровностями поверхности. Термическое и электрическое контактные сопротивления можно рассматривать совместно, поскольку между электропроводностью металлов и их теплопроводностью существует тесная физическая связь, а явления, протекающие на указанных двух видах контактов, в ряде случаев могут быть одинаково математически описаны [3, 13]. Контактирующие тела благодаря неровностям поверхности имеют лишь дискретные точки фактического соприкосновения, группирующиеся в ограниченных районах номинальной поверхности контакта. И когда тепловой поток (или электрический ток) встречает в вакууме контактную поверхность, разграничивающую два тела, по нормали к ней, то тепловая энергия стягивается в уплотненные линии для того, чтобы пройти через микроконтакты. Сопротивление такого типа при протекании теплового потока через граничную поверхность называют стягивающим контактным сопротивлением. Очевидно, что величина данного сопротивления определяется величиной и формой неровностей контактирующих поверхностей.

Связь статической и динамической непроницаемости с нероз-ностями поверхности. Во многих технических устройствах важное значение имеет герметичность стыков и соединений перемещающихся тел, характеризующаяся статической и динамической непроницаемостью. Величина утечки жидкости или газа в поперечном сечении контактирующих поверхностей в обоих случаях зависит от величины зоны утечки, образующейся при контактировании поверхностей [3, 14]. В свою очередь эта зона определяется величиной, формой и взаимным расположением неровностей контактирующих поверхностей, а также податливостью неровностей.

Из формул (3.95) и (3.96) видно, что на толщину масляной пленки основное влияние оказывает вязкость масла и суммарная тангенциальная скорость профилей зубьев. Если расчетная величина масляного слоя окажется меньше суммы высот неровностей контактирующих поверхностей, то необходимо увеличить р, Vs и 140. Эти же параметры оказывают решающее влияние на величину коэффициента трения:

Kai, Raz — среднеквадратические отклонения неровностей контактирующих тел, мк.

Из формул (3.95) и (3.96) видно, что на толщину масляной пленки основное влияние оказывает вязкость масла и суммарная тангенциальная скорость профилей зубьев. Если расчетная величина масляного слоя окажется меньше суммы высот неровностей контактирующих поверхностей, то необходимо увеличить р, Vz и ц0. Эти же параметры оказывают решающее влияние на величину коэффициента трения:

Характер технологии изготовления клеевых соединений с прессовой посадкой предрасполагает к протеканию упругой деформации неровностей контактирующих поверхностей субстратов. Для сферической модели упру-годеформированных выступов неровностей относительная площадь фактического контакта и относительное сближение шероховатой и гладкой поверхностей описываются [Л. 11] уравнениями вида

Можно предположить существование другой физической природы падающей характеристики силы трения по скорости. В условиях граничной смазки при отсутствии гидродинамического эффекта такую характеристику предложено объяснять нормальными к поверхности скольжения колебаниями, вызванными взаимодействием неровностей контактирующих тел, усиливающимися с ростом скорости скольжения. Применительно к малым скоростям скольжения, характерным для механизмов подач металлорежущих станков, рассматриваемая модель усложняется необходимостью учета нелинейности силы трения при изменении знака скорости и остановке перемещаемою тела. Сила трения покоя, возрастающая со временем неподвижного контакта, больше силы трения движения. Сложный переходный процесс, происходящий в нелинейной системе двух контактирующих тел при приложении внешней тангенциальной силы, моделируется скачком силы трения при переходе от покоя к скольжению. Колебания системы при этом сопровождаются остановками, становятся релаксационными. Их иногда называют «скачками» при трении скольжения. Основная трудность при практическом пользовании описанной моделью заключается в отсутствии достоверных данных о величине скачка силы трения и о закономерностях ее изменении в различных условиях.

Схема действия покрытия при трении такова. Вначале сила трения фосфатированной поверхности по фасфатированной либо по любой другой значительна. Однако кристаллы фосфата на выступах неровностей контактирующих поверхностей быстро срабатываются и начинают действовать как абразив. Коэффициент трения уже в начале движения резко убывает и продолжает снижаться по мере приработки. Кристаллы фосфата в начальной стадии работы пары предохраняют ее от заедания.

Взаимное внедрение неровностей контактирующих поверхностей обусловлено не только технологией их обработки, но и неоднородностью механических свойств. Поликристаллическому чистому металлу и сплавам свойственна неоднородность кристаллического строения и структурных составляющих, которые могут иметь различную твердость и разную ориентацию кристаллических зерен, выходящих на поверхность. Вследствие этого на отдельных площадках фактического контакта, начиная с малых нагрузок, происходит взаимное внедрение твердых составляющих и кристаллов, обращенных к поверхности "сильными" гранями, в менее твердые структурные составляющие.

При выборе параметров шероховатости и направления неровностей поверхностей можно руководствоваться табл. П32, а при назначении значений параметра Ra (с учетом типа изделия, намеченной точности размеров и вида обработки изделия) -табл. П26, ПЗЗ. Значения параметров Rz я Я max можно принимать следующим путем: по табл. П26, ПЗЗ намечают значения параметра Ra и по приведенным выше соотношениям Ra, Rz и R max выбирают значение Rz или R max.

неровностей поверхностей ;

В настоящее время можно считать достаточно освоенным диапазон частот до 10... 15 МГц. Здесь не потребовалось применять существенно новых технических решений. В то же время на этих частотах возможен контроль тонких изделий, например, сварных соединений толщиной 2...3 мм. Методика контроля остается такой же, как при контроле толщин 10...30 мм на частотах 2...5 МГц. Высокая разрешающая способность позволила разделить сигналы от возможных дефектов и неровностей поверхностей сварного соединения при малых расстояниях между ними.

Из приведенного описания процесса деформирования элементов неровностей поверхностей становится понятным, что площадь фактического контакта зависит от микро- и макрогеометрии поверхностей, волнистости, физико-механических свойств поверхностного слоя и величины нагрузки. При небольшой нагрузке повышение ее вызывает увеличение размеров площадок контакта. С дальнейшим ростом нагрузки увеличивается число площадок контакта при сохранении их размеров почти неизменными.

Площадь физического контакта возрастает с увеличением нагруз ки, при уменьшении шероховатости поверхности и увеличении радиуса кривизны (закругления) вершин ее микронеровностей. Длительное действие постоянной нагрузки вызывает незначительное увеличение площадок фактического контакта. Эта площадь уменьшается с увеличением упругих характеристик, предела текучести материала и высоты неровностей поверхностей. При сопряжении двух различных материалов площадь фактического контакта определяется физико-механическими свойствами более мягкого и геометрией поверхности более твердого материала.

Взаимодействии поверхностей трения может быть механическим и молекулярным. Механическое взаимодействие выражается во взаимном внедрении и зацеплении неровностей поверхностей в совокупности с их соударением в случае скольжения грубых поверхностей. Молекулярное взаимодействие проявляется в виде адгезии и схватывания. Адгезия не только обусловливает необходимость приложения касательной силы для относительного сдвига поверхностей, но и может привести к вырывам материала. Схватывание возникает только при взаимодействии металлических материалов и отличается от адгезии более прочными связями. Оно наблюдается при разрушении масляной пленки и взаимном внедрении поверхностей.

Взаимодействие микровыступов при трении происходит в течение очень короткого времени (10~7-10~8 с), за которое к контакту подводится большое количество энергии. Для таких условий законы классической термодинамики не выполняются; материал тонкого поверхностного слоя преобразуется, в результате в зоне соударения неровностей поверхностей образуется магма-плазма. Этот процесс сопровождается эмиссией электронов.

Разрушение поверхностей трения при изнашивании может происходить в субмикроскопических масштабах, когда вместе со смазочным материалом или воздухом уносятся обломки кристаллических образований, зерен. Размер частиц продуктов износа может изменяться от неразличимых газом пылинок до нескольких миллиметров. Чистые (ювенильные) поверхности в процессе их образования при отделении частиц износа окисляются, сами частицы износа в дальнейшем дробятся, слипаются, прилипают и впрессовываются в сопряженные поверхности. Продукты износа участвуют в процессе изнашивания в качестве промежуточной среды между поверхностями трения. Взаимное внедрение неровностей поверхностей, глубинное вырывание материала, адгезия и спрессовывание продуктов износа предопределяют перенос материала с одной поверхности на другую.

Пример. Требуется проверить, установится ли режим жидкостного трения в подшипнике электрического генератора при следующих данных (см. рис. 13.1, a): FR = 5000 Н, п = 3000 мин"1, d = 85 мм = 0,085 м, / = 42 мм = = 0,042 м, l/d = 0,5, А = 0,305 мм = 0,000305 м, высота неровностей поверхностей шипа и подшипника Яг1 = RZ2 — 3,2 мкм, подшипник самоустанавливающийся (hi = О), смазка — турбинное масло 22.

ния поверхности детали. Износ является причиной выхода из строя подавляющего большинства деталей машин. В машинах наблюдаются следующие виды изнашивания: абразивный износ,' износ при заедании и износ при коррозии. Абразивный износ происходит вследствие истирающего действия неровностей поверхностей или твердых посторонних час-тиЦ (песка, пыли). Заедание преимущественно наблюдается при высоких скоростях и давлениях в связи с выдавливанием разъединяющей трущиеся поверхности масляной пленки. В результате тепло не успевает отводиться, и происходит схватывание (сварка) частиц металла контактирующих поверхностей с дальнейшим отрывом их от более мягкой поверхности и прочным соединением с более твердой. Образовавшиеся неровности царапают рабочие поверхности деталей с более мягкой поверхностью, что приводит к выходу их из строя. Коррозионный износ заключается в том, что продукты коррозии срываются механическим путем.

Сборку любого соединения с натягом выполняют одним из трех способов: прессованием, нагревом втулки, охлаждением вала. Прессование - наиболее дешевый и простой способ сборки. Однако при этом происходит смятие и частичное срезание неровностей контактных поверхностей, что приводит к ослаблению прочности соединения. Срезание неровностей поверхностей контакта устраняют при сборке нагреванием втулки (до 470 — 670 К) или охлаждением вала (твердая углекислота — 194 К, жидкий воздух — 77 К). Недостатком метода нагревания является возможность изменения структуры металла, коробление и появление окалины. Способ охлаждения не имеет этих недостатков, и поэтому с развитием холодильной техники он получает все более широкое распространение. Разность температур нагрева втулки или охлаждения вала должны обеспечить свободную сборку.