Способ определения зоны контакта

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЗОНЫ КОНТАКТА(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт механики металлополимерных систем имени В.А.Белого Национальной академии наук Беларуси(72) Автор Шилько Сергей Викторович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт механики металлополимерных систем имени В.А.Белого Национальной академии наук Беларуси(57) 1. Способ определения зоны контакта между телами сопряжения, выполненными в виде узла трения, согласно которому осуществляют нагружение узла трения сжимающей нагрузкой, отличающийся тем, что определяют зависимость сближения тел сопряжения от сжимающей нагрузки при отсутствии прокладки в контакте, затем в зазор между телами сопряжения вводят прокладку, определяют зависимость сближения тел сопряжения от сжимающей нагрузки при наличии прокладки в контакте, регистрируют размеры пластического отпечатка на извлеченной из контакта деформированной прокладке в диапазоне нагрузок, обеспечивающих равенство контактной жесткости узла трения при наличии и в отсутствие прокладки в контакте, а о размере зоны контакта судят по пластическому отпечатку на прокладке, причем прокладку изготавливают из упругопластичного двухфазного материала с выполнением следующих условий( где 3) - предел текучести материала прокладки 3)(ТФ - модуль упругости более жесткой фазы прокладки(1) , (2 ) - пределы текучести материалов тел сопряжения(1) - модуль упругости материала более жесткого тела сопряжения( 2) - модуль упругости материала менее жесткого тела сопряжения(3) - модуль упругости прокладки. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что прокладку выполняют в виде металлополимерного ламината. Изобретение относится к механике и трибологии и может быть использовано для определения параметров контактного взаимодействия в узлах трения. Известны способы определения зоны контакта, основанные на регистрации необратимых изменений физико-механических свойств прокладки, вводимой в узел трения и испытывающей воздействие сопряженных тел при нагружении 1-8. Однако использование прокладок в соответствии с известными способами вносит в измерение систематическую погрешность, меняя условия контактирования, поскольку деформационные свойства материалов прокладки и тел сопряжения, как правило, существенно различаются. Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ определения зон контактирования поверхностей трения 8, основанный на регистрации разрушения окисной пленки. Однако прототип может быть применен для ограниченного числа материалов. Кроме того, невозможность отделения окисной пленки от тел сопряжения затрудняет измерение зоны контакта. Задачей изобретения является расширение области применимости, снижение трудоемкости и повышение точности определения зоны контакта. Решение указанной задачи достигается тем, что для определения зоны контакта между телами сопряжения, выполненными в виде узла трения, осуществляют нагружение узла трения сжимающей нагрузкой, причем определяют зависимость сближения телами сопряжения от сжимающей нагрузки при отсутствии прокладки в контакте, регистрируют размеры пластического отпечатка на извлеченной из контакта деформированной прокладке в диапазоне нагрузок, обеспечивающих равенство контактной жесткости узла трения при наличии и в отсутствие прокладки в контакте, а о размере зоны контакта судят по пластическому отпечатку на прокладке, причем прокладку изготавливают из упругопластичного двухфазного материала с выполнением следующих условий(3)ТФ ,ТФ,где(Т 3) - предел текучести материала прокладки 3)(ТФ - модуль упругости более жесткой фазы прокладки(Т 1) , (Т 2) - пределы текучести материалов тел сопряжения Е(1) - модуль упругости материала более жесткого тела сопряжения Е(2) - модуль упругости материала менее жесткого тела сопряжения Е(3) - модуль упругости прокладки. Решение указанных задач достигается также тем, что прокладку выполняют в виде металлополимерного ламината. На фиг. 1 показано размещение прокладки в контакте на фиг. 2 показано локальное уплотнение прокладки при контактном деформировании на фиг. 3 приведены диаграммы деформирования сопряжения при сжатии в случае цилиндрического индентора без про 2 9026 1 2007.04.30 кладки (штриховая линия) и с прокладкой из листов алюминиевой фольги (сплошная линия) на фиг. 4 приведены диаграммы деформирования сопряжения при сжатии в случае сферического индентора без прокладки (штриховая линия) и с прокладкой из листов алюминиевой фольги (сплошная линия) на фиг. 5 приведены диаграммы деформирования сопряжения при сжатии в случае цилиндрического индентора без прокладки (штриховая линия) и с прокладкой из металлополимерного ламината (сплошная линия) на фиг. 6 приведены диаграммы деформирования сопряжения при сжатии в случае сферического индентора без прокладки (штриховая линия) и с прокладкой из металлополимерного ламината (сплошная линия). Определение зоны контакта производится следующим образом. Определяют диаграмму деформирования тел сопряжения при сжатии, т.е. зависимость сжимающей нагрузки от сближения при отсутствии прокладки в контакте. Затем, согласно фиг. 1, в зазоре между телами сопряжения 1 и 2 размещают прокладку 3, материал которой состоит из двух фаз 4 и 5, обеспечивая выполнение условий (1)-(3), и проводят повторное нагружение сопряжения. В соответствии с условиями (1) пластическое течение реализуется только в материале прокладки и отсутствует в телах сопряжения, что исключает необратимые изменения геометрии узла трения. В исходном пластически недеформированном состоянии контактная жесткость прокладки меньше контактной жесткости узла трения в соответствии с заданным соотношением модулей упругости (2). Нагружение прокладки в области пластических деформаций вызывает необратимое уплотнение пористого материала в приконтактной области 6, что приводит к увеличению локальной жесткости прокладки. При определенной степени уплотнения контактная жесткость узла трения с установленной прокладкой становится близкой по величине ранее измеренной контактной жесткости узла трения без прокладки. Это соответствие сохраняется в определенном диапазоне нагрузок. В частности, в качестве прокладочного материала могут быть использованы ламинаты, образованные адгезионно связанными слоями металлической фольги и полимерной пленки. Металлополимерные ламинаты обладают хорошей уплотняемостью полимерной фазы в результате значительного свободного объема полимера и его стесненного деформирования между относительно жесткими (при растяжении) металлическими слоями. Так как модуль упругости полимерных материалов, как правило, на два порядка меньше модуля упругости упругопластичных конструкционных металлов (алюминия, меди, никеля и т.д.),измерение зоны контакта по заявляемому способу может проводиться в достаточно широком диапазоне нагрузок. При этом обеспечивается низкая, по сравнению с контактной, изгибная жесткость прокладки, что способствует сохранению исходного напряженного состояния узла трения. Для расширения диапазона нагрузок проводят дополнительные испытания по заяв( 3) ляемому способу, используя прокладки с иными параметрами(Т 3) , Е ТФ и Е (3) , удовлетворяющими условиям (1)-(3). Обеспечение равенства контактной жесткости узла трения в отсутствие и при наличии прокладки позволяет судить о размере зоны упругого контакта тел сопряжения по пластическому отпечатку на прокладке, извлеченной из контакта после проведения испытаний. Для этого применяют известные способы регистрации размеров пластического отпечатка. Заявляемый способ был реализован в лабораторных условиях при определении зоны контакта в сопряжениях типа цилиндр-плоскость и сфера-плоскость. В первом случае использовали алюминиевый цилиндрический индентор диаметром 26 мм и высотой 30 мм, во втором - сферический индентор из стали ШХ-15 диаметром 25,4 мм. Контртелом служил диск из резины диаметром 60 мм и толщиной 20,5 мм. Использование резины мотивировалось возможностью получения значительных деформаций и контактных давлений без проявления заметной текучести. 9026 1 2007.04.30 В качестве прокладочных материалов использовали пакет из 16 листов алюминиевой фольги толщиной 60 мкм и металлополимерный ламинат, состоящий из двух листов алюминиевой фольги толщиной 10 мкм и внутреннего слоя поливинилхлорида толщиной 39 мкм. Определение механических характеристик используемых материалов (таблица), нагружение узла трения и определение контактной жесткости производили на автоматизированном испытательном стенде 5567 (, 2001). Упругопластические характеристики материалов Модуль упругости стали Е(1), МПа Модуль упругости резины Е(2), МПа Модуль упругости материала прокладки при сжатии Е 3), МПа 3) Модуль упругости твердой фазы прокладки (алюминий)(ТФ , МПа Предел текучести алюминия(Т 1) , МПа Предел текучести стали, МПа Предел текучести материала прокладки, МПа Размер пластического отпечатка с точностью 10 мкм регистрировали на измерительном микроскопе БИ-1. Сопоставление диаграмм деформирования контактных сопряжений при наличии и отсутствии пластичной прокладки показывает различную эффективность прокладочных материалов (фиг. 3-6). Систематическая погрешность, обусловленная несовпадением диаграмм деформирования прокладки из алюминиевой фольги, заметна при нагружении сопряжения цилиндр-плоскость (фиг. 3). Эффект уплотнения пакета фольги за счет вытеснения воздуха имеет место в сосредоточенном контакте (при вдавливании сферического индентора) на начальном и конечном участках деформирования (фиг. 4). Лучшие результаты дает использование в качестве прокладки металлополимерного ламината (фиг. 5, 6). В этом случае имеет место быстрое уплотнение прокладки и близость кривых деформирования в достаточно широком диапазоне нагрузок как для цилиндрического, так и для сферического индентора. Применение способа позволяет определить зону контакта в определенном диапазоне нагрузок без систематической погрешности, обусловленной различием упругих свойств материала деформируемого тела сопряжения и прокладочного материала. Таким образом, заявляемый способ позволяет повысить точность определения зоны контакта и может использоваться для диагностики работоспособности узлов трения. Источники информации 1. Белый В.А., Свириденок А.И., Петроковец М.И., Савкин В.Г. Трение и износ материалов на основе полимеров. - Мн. Наука и техника, 1976. - С. 432, 88-92. 2. А.с. СССР 928177, МПК 01 1/124, 1982. 3. А.с. СССР 657234, МПК 01 В 5/26, 1979. 4. Патент России 2036411, МПК 601 В 5/20, 1995. 5.,,-//. - 1987. -3. - . 99-107. 6. Марченко В.Л., Шамарин Ю.Е. Экспериментальные исследования контактных давлений в многослойных осесимметричных конструкциях // Вестник машиностроения. 1999. -3 - С. 59-60. 7. А.с. СССР 1262342, МПК 01 3/56, 1986. 8. А.с. СССР 911215,01 3/56, 1982 (прототип). 4 Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5