СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФАКТИЧЕСКОЙ ПЛОЩАДИ КОНТАКТИРУЮЩИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ
METHOD OF DETERMINING ACTUAL AREA OF CONTACT SURFACES

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для исследования контакта взаимодействующих поверхностей, например плоских опор скольжения, электрических и тепловых контактов, а также тел с эластичным покрытием.
Известен способ определения фактической площади контакта поверхностей взаимодействующих тел (SU №846994, кл. G01B 5/26, 1979 г.), состоящий в том, что термопластическую пленку помещают между поверхностями, нагревают до температуры, превышающей температуру стеклования на 10-15С°, прикладывают давление к взаимодействующим телам и охлаждают пленку до ее стеклования и после извлечения пленки осуществляют планиметрирование полученного отпечатка.
Недостатком данного способа является недостаточная его информативность в связи с тем, что на прозрачной пленке после замера остаются разводы границ контакта и нет информации об изменении величины зазора в каждой его точке. Кроме того, нагрев до температуры стеклования термопластической пленки ограничивает возможности способа, т.к. невозможно замерять зазор для материалов, у которых температура плавления ниже температуры стеклования термопластической пленки, а нагрев поверхностей взаимодействующих тел ведет к увеличению площади контакта за счет увеличения общей площади в результате термической деформации поверхностей.
Известен также способ измерения контурной площади касания двух тел (SU №1035415, кл. G01B 7/32, 1982 г.), состоящий в том, что между телами размещают электропроводный слой, выполненный в виде параллельных изолированных одна от другой полос. После чего вводят тела в соприкосновение и контролируют параметр электропроводного слоя. Положение границ касания определяют путем поочередного измерения величины электрического сопротивления участков полос между их концами и одним из приведенных в соприкосновение тел. Изменяют также направление параллельных полос электропроводного слоя относительно вводимых в соприкосновение тел и повторяют измерения.
Недостатком данного способа является относительно малая точность, так как неровности могут попадать на неэлектропроводный слой и необходимо изменять направление параллельных полос электропроводного слоя, что вводит дополнительные погрешности измерения. Кроме этого между телами размещается электропроводный слой, который не дает возможность измерения зазоров менее 2-3 мкм.
Задачей данного изобретения является упрощение проведения процесса с одновременным повышением точности измерения фактической площади контакта взаимодействующих поверхностей.
Техническим результатом являются повышение достоверности при определении площади контакта и дополнительная возможность определения площади контакта тел с эластичным покрытием.
Поставленная задача и указанный технический результат достигаются тем, что в способе определения фактической площади контакта взаимодействующих поверхностей, включающем взаимодействие друг с другом определяемых поверхностей образцов, измерение параметров контакта с последующим расчетом фактической площади контакта, согласно изобретению на образцы предварительно создают сжимающую нагрузку, после чего помещают их в камеру с неэлектропроводной жидкостью, в камере создают всестороннее гидростатическое давление, соответствующее 0,1 величины твердости испытуемого материала, выдерживают образцы и далее определяют величину силы взаимодействия между образцами по показанию электромагнитного датчика при действии всестороннего гидростатического давления, расчет фактической площади контакта взаимодействующих поверхностей определяют по формуле:
, где
1
N - сжимающая нагрузка, Н;
2
N - нагрузка, зафиксированная при действии всестороннего гидростатического давления, Н;
Р - величина всестороннего гидростатического давления, соответствующая 0,1 твердости испытуемого материала по методу Бринелля, МПа.
2
S - площадь фактического контакта взаимодействующих поверхностей, мм.
2
3
При этом в качестве неэлектропроводной жидкости используют жидкость со следующими характеристиками: кинематическая вязкость 0,62÷4,5 мм/с и плотность 0,7÷96 г/см. А образцы в камере выдерживают в течение 5-20 мин.
Создание между образцами сжимающей нагрузки позволяет ввести взаимодействующие поверхности в контакт и, тем самым, имитировать соединение, в котором работают детали. Помещение образцов в камеру с неэлектропроводной жидкостью, в которой создано давление, соответствующее 0,1 величины твердости испытуемого материала по методу Бринелля, позволяет жидкости заполнить пространство микронеровностей между образцами. Использование в камере неэлектропроводной жидкости позволяет снимать электрические сигналы с электромагнитного датчика. При всестороннем гидростатическом давлении больше 0,1 величины твердости испытуемого материала происходит увеличение фактической площади контактирующих поверхностей за счет деформации выступов микронеровностей, что не позволит получить достоверный результат, а при всестороннем гидростатическом давлении меньше 0,1 величины твердости испытуемого материала происходит незначительное изменение показаний электромагнитного датчика, что также не обеспечит достоверности определения фактической площади контакта. При времени выдержке больше 20 минут происходит увеличение фактической площади контактирующих поверхностей, а при времени выдержки меньше 5 минут показания электромагнитного датчика нестабильны. Использование электромагнитного датчика дает возможность фиксировать изменение приложенной нагрузки при действии всестороннего гидростатического давления. Это необходимо для расчета фактической площади контактирующих поверхностей по формуле 1. Параметрам неэлектропроводной жидкости могут, например, соответствовать: жидкость ПЭС-1 по ГОСТ 13004-77 - полиэтилсилоксановая жидкость, масло ИПМ-10 ТУ 38.101299-90 - синтетическое углеводородное масло с комплексом высокоэффективных присадок, керосин, очищенный ГОСТ 11128-65.
Способ определения фактической площади контактирующих поверхностей может быть осуществлен в приборе, представленном на чертеже. Прибор состоит из камеры 1, сжимающего устройства 2 с электромагнитным датчиком 3 и датчика давления 4, который установлен в камере 1.
Способ реализуется следующим образом. Соприкасаемые поверхности образцов 5 и 6 обезжиривали ацетоном или другим средством. Между образцами 5 и 6 создавали сжимающую нагрузку при помощи устройства 2, контролируемую электромагнитным датчиком 3. Электромагнитный датчик 3 предварительно калибровали под нагрузкой при действии всестороннего гидростатического давления. Образцы 5 и 6 с датчиком 3 помещали в камеру 1, заполненную неэлектропроводной жидкостью. Жидкость попадает между образцами 5 и 6 и заполняет пространство между микронеровностями. Далее создавали всестороннее гидростатическое давление, соответствующее 0,1 величины твердости испытуемого материала по методу Бринелля. Всестороннее гидростатическое давление контролировали по датчику 4 давления. Для вывода сигнала с электромагнитного датчика 3 предусмотрен электрический мост 7. На площадках контакта всестороннее гидростатическое давление не действует, поэтому возникает разница давлений снаружи образцов 5 и 6 и по плоскости контакта. Из-за разницы давлений возникает дополнительная сила, которая будет уменьшать показания на электромагнитном датчике 3. Изменение сигналов электромагнитного датчика 3 фиксировали при действии всестороннего гидростатического давления.
Определение фактической площади контакта поверхностей взаимодействующих тел рассчитывали по формуле:
1
где N - сжимающая нагрузка образцов, Н;
2
N - нагрузка, зафиксированная электромагнитным датчиком, при действии всестороннего гидростатического давления, Н;
Р - величина всестороннего гидростатического давления, соответствующего 0,1 твердости испытуемого материала по методу Бринелля, МПа;
2
S - площадь фактического контакта взаимодействующих поверхностей, мм.
Способ иллюстрируется следующими примерами.
Пример 1
В образец из сплава алюминия Д16Т были вдавлены 5 стальных шариков диаметром 4.5 мм. Твердость образца по методу Бринелля составляла 558,6÷568,4 МПа. Твердость шариков по методу Роквелла HRC 62÷65. Образец и шарики обезжиривали ацетоном и сжимали нагрузкой 1960 Н при помощи сжимающего устройства 2. Нагрузку фиксировали по электромагнитному датчику 3. Собранный узел из образцов 5 и 6 со сжимающим устройством 2 помещали в камеру 1. Камеру наполняли неэлектропроводной жидкостью - маслом ИПМ-10. Создавали всестороннее гидростатическое давление, равное 56 МПа, что составляет 0,1 от твердости испытуемого образца. Выдержку под давлением осуществляли 15 минут. Электромагнитным датчиком фиксировали нагрузку, которая составила 1820,73 Н.
Далее образец извлекали из камеры и замеряли диаметры каждого отпечатка. Диаметры отпечатков измеряли при помощи отсчетного микроскопа (лупы Бринелля), на окуляре которого имеется шкала с делениями, соответствующими десятым долям миллиметра. Измерения проводились с точностью до 0,05 мм в двух взаимно перпендикулярных направлениях, принималось среднее из полученных величин.
Диаметры отпечатков приведены в таблице.
Таблица диаметров отпечатков
№ вдавливаемых шариков
1
2
3
4
5
Диаметры отпечатков, мм
0.85
0.85
0.80
0.80
0.85
2
Общая площадь отпечатков S=2.706 мм.
Фактическая площадь контактирующих поверхностей отпечатков рассчитывалась по формуле:
Из примера видно, что значения измеренной и рассчитанной площади по формуле близки. Точность и информативность повышаются при использовании электромагнитного датчика внутри камеры при действии всестороннего гидростатического давления.
Пример 2
Данный пример осуществлялся аналогично первому, но в качестве образца был выбран стальной образец с покрытием из полиамида ПА-6 (толщина покрытия 0,6÷0,8 мм), сжимали со стальным образцом из стали 30ХГСА. Твердость покрытия по методу Бринелля 127÷147 МПа. Твердость стального образца по методу Роквелла HRC 28÷32. Образцы обезжиривали ацетоном и сжимали нагрузкой 147 Н при помощи сжимающего устройства. Нагрузка фиксировалась по электромагнитному датчику. Собранный узел помещали в камеру. Камеру наполняли неэлектропроводной жидкостью - маслом ИПМ-10. Создавали всестороннее гидростатическое давление 14 МПа, что составляет 0,1 от твердости испытуемого образца. Выдержку под давлением осуществляли 15 минут. Электромагнитным датчиком фиксировали нагрузку, которая составила 129,26 Н.
Фактическая площадь контактирующих поверхностей согласно формуле:
Подготовка и осуществление способа просты и не требуют больших временных затрат и высокой квалификации специалистов, с одновременной высокой точностью и достоверностью результатов, что позволяет его использование как в лабораторных, так и в производственных условиях.
В настоящее время способ находится на стадии опытно-лабораторных испытаний.