Контакт поверхностей тел

Для осуществления процесса трения твёрдых тел необходимым условием является контакт их поверхностей или взаимодействие этих тел. Характер явлений, происходящих при контакте поверхностей твёрдых тел, определяется физико-механическими, химическими свойствами и микрогеометрией этих поверхностей.

Взаимный контакт деталей происходит по вершинам и выступам шероховатости, которая деформируется под действием внешней нагрузки.

Возможны следующие виды деформации выступов: упругие; упруго пластические без упрочнения; упруго пластические с упрочнением.

При изучении контакта поверхностей И.В. Крагельский выделил номинальную, контурную и фактическую площади контакта.

Номинальная площадь контакта А_а соответствует номинальным сопрягаемым размерам деталей. Это справедливо для деталей с идеально гладкой поверхностью.

Однако, контакт твёрдых тел дискретен и пятна фактического контакта Аr неравномерно распределены по поверхности. Это связано с шероховатостью контактирующих поверхностей. Площадь фактического контакта поверхностей состоит из множества дискретных малых площадок, расположенных на различных высотах пятна касания в местах наиболее полного сближения поверхностей. Между площадками касания тел имеются соединенные между собой или закрытые микрополости, заполненные воздухом или другой газовой средой, смазочным материалом, продуктами изнашивания и т.п. Она зависит от микро- и макрогеометрии поверхностей, волнистости, физико-механических свойств поверхностного слоя, а также от нагрузки.

Площадь фактического контакта составляет от 0,0001 до 0,1 номинальной площади касания. Даже с учетом высоких нагрузок площадь фактического контакта не превышает 40 % номинальной площади.

Фактическая площадь контакта возрастает при увеличении нагрузки, радиуса закругления вершин ее неровностей, уменьшении шероховатости поверхности; кроме того, она несколько увеличивается при длительном действии нагрузки. С увеличением упругих характеристик, предела текучести материала и высоты неровностей поверхностей фактическая площадь контакта уменьшается.

При взаимодействии двух разных материалов – физические свойства более мягкого и геометрия поверхности более твердого из тел определяют фактический контакт.

При наличии между поверхностями трения тонкой пленки меди площадь фактического контакта увеличивается в 10…100 раз, при этом снижая износ трущихся поверхностей.

Вследствие волнистости контактирующих поверхностей фактические пятна контакта будут возникать преимущественно на вершинах волн. Каждая такая область, ограниченная контуром, в пределах которого существуют фактические пятна контакта, представляет собой элементарную контурную площадку. Сумма элементарных площадок представляет контурную площадь контакта А_К.

От размера пятен контакта зависят размер частиц износа, время взаимодействия на единичном контакте и температура, развиваемая при трении. Среднее расстояние между пятнами фактического контакта влияет на частоту взаимодействия пятен при трении.

Схема контакта поверхностей двух тел показана на рисунке 2.2.

Рис. 2.2. Схема контакта поверхностей тел:

А_а - номинальная площадь контакта (А_а = а · в); А_к - контурная

площадь (А_к = 5…15 % от А_а); А_r - фактическая площадь единичного пятна контакта (А_r = 0,0001…0,1 % от А_а).

Давления, возникающие в силовом контакте двух тел, рассчитываются по следующим зависимостям.

Номинальное давление

P_h=P_a=N/A_a, (2.4)

где N – нормальное давление, Н.

Контурное давление

P_k=N/A_k, (2.5)

Фактическое давление

P_r=N/A_r, (2.6)

От размера пятен контакта зависят размер частиц износа, время взаимодействия на единичном контакте и температура, развиваемая при трении. Среднее расстояние между пятнами фактического контакта влияет на частоту взаимодействия пятен при трении.

Фактическое давление , на контакте очень велико. Это часто приводит к пластической деформации выступов. В ряде случаев в зоне контакта возникает ползучесть, вследствие чего характеристики контакта во времени могут изменяться при неизменности прилагаемой внешней нагрузки. Эти свойства контакта особенно сильно проявляются с повышением температуры в зоне контакта

Дата добавления: 2014-12-26