РЕШЕНИЕ КОНТАКТНЫХ ЗАДАЧ С УЧЕТОМ ШЕРОХОВАТОСТИ ПОВЕРХНОСТЕЙ
11.1. ПАРАМЕТРЫ, ХАРАКТЕРИЗУЮЩИЕ ШЕРОХОВАТОСТЬ ПОВЕРХНОСТЕЙ
Теория решения контактных задач развивалась как один из разделов теории упругости. В расчетных схемах контактирующие тела характеризовались макроразмерами, их материалы - характеристиками упругости, а поверхности контакта считались гладкими даже при решении задач с трением. Реальные поверхности тел не являются гладкими. Качество поверхности детали определяется геометрическими и физико-механическими характеристиками поверхностного слоя. К группе геометрических характеристик поверхности относятся шероховатость, волнистость и отклонения формы. Если последний фактор оказывает влияние на распределение контактных напряжений в такой же мере как макроформы тел, то учет шероховатости может значительно изменить представления о реальном распределении контактных напряжений, повлиять на значения таких макрохарактеристик контакта, как размер пятна контакта, значение максимального давления.
Рельеф поверхности исследуется с помощью профилометра. Его действие основано на ощупывании контролируемого профиля поверхности алмазной иглой измерительного щупа по мере перемещения его по поверхности и преобразовании отклонений щупа в вертикальной плоскости в электрические сигналы, пропорциональные этим отклонениям. Микропрофиль поверхности записывается в виде профилограммы. Профилометр оцифровывает след щупа через подходящий интервал отсчета, эта информация поступает в ЭВМ, которая хранит, обрабатывает данные измерений и проводит их анализ.
На профилограмме реальный профиль поверхности воспроизводится в сильно искаженном виде вследствие того, что отклонение профиля на ней изображается в значительно большем масштабе, чем базовая длина (рис. 11.1).
Рис. 11.1. Профилограмма поверхности
Для характеристики шероховатости используются следующие параметры [103]:
базовая длина I - длина базовой линии, используемой для выделения неровностей;
отклонение профиля у - расстояние между точкой профиля и базовой линией;
средняя линия профиля - базовая линия, имеющая форму номинального профиля и проходящая так, что в пределах базовой длины среднее квадратическое отклонение профиля от этой линии минимальное;
выступ профиля - часть профиля, соединяющая две соседние точки пересечения его со средней линией профиля, направленная из тела;
впадина профиля, в отличие от выступа, направлена в тело; неровность профиля - выступ и сопряженная с ним впадина профиля; шероховатость поверхности - совокупность неровностей поверхности с относительно малыми шагами, выделенная с помощью базовой длины;
линии выступов и впадин профиля эквидистантны средней линии, проходят через высшую и низшую точки профиля;
уровень сечения профиля р - расстояние между линией выступов и эквидистантной ей, пересекающей профиль.
высота выступа урт - расстояние от средней линии профиля до высшей точки выступа;
глубина впадины yvm - то же, до низшей точки впадины.
Высотные свойства неровностей характеризуются следующими основными параметрами:
наибольшей высотой профиля Rмах, которая равна расстоянию между линией выступов и линией впадин;
высотой неровностей профиля по десяти точкам Rz (по пяти наибольшим выступам и пяти наибольшим впадинам);
Более тонкая структура реальной поверхности, имеющая нанометрический масштаб и влияющая на формирование физического рельефа, называется субшероховатостью. Она проявляется как случайное и несовершенное расположение кристаллографических плоскостей, хаотическое расположение на поверхности зерен, островковых пленок.
Разработаны методы исследования поверхностей субшероховатостей. Одним из них является метод сканирующей туннельной микроскопии [86], обладающий разрешающей способностью до нескольких нанометров.
Статистические характеристики распределений параметров шероховатости необходимы при решении контактных задач с учетом реальных поверхностей тел.