Жесткость, прочность и диссипативные свойства пластического контакта тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.06 ВАК РФ

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

1. ВВЕДЕНИЕ.

2. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ И ПОСТАНОВКА ОСНОВНЫХ ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ.

2.1. Краткий обзор исследований контактной жесткости.

2.2. Анализ современных взглядов на природу предварительного смещения при пластическом контактировании шероховатых тел.

2.3. Задачи исследования.

3. КОНТАКТ УПРУГО-ПЛАСТИЧЕСКОГО СФЕРИЧЕСКОГО СЕГМЕНТА С ЖЕСТКИМ ШТАМПОМ ПРИ ДЕЙСТВИИ НОРМАЛЬНОЙ И ТАНГЕНЦИАЛЬНОЙ СИЛ.

3.1. Контактная задача о смятии упруго-пластического сферического сегмента под действием нормальной нагрузки.

3.2. Сдвиг пластически смятого сферического сегмента.

3.3. Знакопеременное сдвиговое нагружение пластически смятого сферического сегмента.

3.4. Экспериментальная проверка расчета параметров контактного взаимодействия сферического сегмента с жестким штампом.

3.5. Результаты и выводы.

4. ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЕ СМЕЩЕНИЕ ПЛАСТИЧЕСКИ КОНТАКТИРУЮЩИХ ШЕРОХОВАТЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ.

4.1. Расчет предварительного смещения и сопровождающего его дополнительного сближения.

4.2. Плотность стыка и объем зазора между контактирующими поверхностями.

4.3. Тангенциальные перемещения в пластическом контакте при циклических знакопеременных изменениях сдвигающей силы.

4.4. Диссипация энергии в пластическом контакте.

4.5. Экспериментальная проверка расчета контактного взаимодействия шероховатых поверхностей.

4.6. Результаты и выводы.

5. ИССЛЕДОВАНИЕ ПЛАСТИЧЕСКОГО КОНТАКТА ПРИМЕНИТЕЛЬНО К РЕАЛЬНЫМ КОНСТРУКЦИЯМ.

5.1. Пластическая контактная деформация в разъемном коническом соединении.

5.2. Повышение герметичности.разъемных соединений.

5.3. Повышение прочности соединений с натягом путем кругового смещения.

5.4. Результаты и выводы.

В "Основных направлениях экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года" указывается на необходимость "повысить уровень и качество продукции машиностроения, средств автоматизации и приборов, значительно поднять экономичность и производительность выпускаемой техники, ее надежность и долговечность" [55] .

Все эти характеристики зависят не только от качества деталей, но и от надежной работы сочленений всех элементов конструкций. Так, жесткость и рассеяние энергии в контакте оказывает значительное, а порой и решающее влияние на виброустойчивость и динамическую прочность конструкций. Жесткость сочленений, в совокупности с жесткостью деталей, определяет в целом точность работы прецезионного оборудования и различной технологической оснастки.

Вопросам контактирования деталей машин посвящено большое количество работ. Многие из них относятся к неподвижному контакту, а преобладающее большинство из них к контакту при нормальном его нагружении. Существенное развитие к настоящему времени получили и вопросы тангенциальной контактной жесткости. Однако, в большинстве случаев, они относятся к упругому контакту. Пластический же контакт изучен менее всего, хотя пластическая деформация в контакте определяет его сдвиговую прочность. Например, в резьбовых соединениях и соединениях с гарантированным натягом. Во многих случаях пластической деформацией в контакте сопровождается переход от трения покоя к скольжению. От этого перехода зависит плавность перемещения и точность позиционирования в различных механических измерительных приборах и технологической оснастке. За счет пластической контактной деформации обеспечивается герметичность разъемных соединений, что необходимо в вакуумной технике и химической промышленности. С пластической деформацией в контакте связаны многие технологические процессы.

Все это говорит о необходимости дальнейшего изучения пластического контактирования твердых тел. В связи с чем, пластический контакт шероховатых поверхностей и был выбран главным объектом исследования в данной работе.

Целью работы является выяснение характерных закономерностей пластического деформирования контакта и путей эффективного использования их в практике; разработка методики расчета жест-костных и диссипативных характеристик пластического контакта, разработка расчета изменения фактической площади касания, плотности контакта и объема воздушного зазора в контакте в процессе предварительного смещения; разработка методики расчета жест-костных и диссипативных характеристик пластического контакта, взаимных перемещений контактирующих деталей при знакопеременном нагружении сдвигающей силой.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов основной части, выводов по работе и списка литературных источников .

6. ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. На основании анализа литературных данных по пластическому контактированию твердых тел выбрана модель единичной неровности в виде упруго-пластического упрочняющегося сферического сегмента, которая позволяет наиболее полно учитывать механические и геометрические характеристики неровности.

2. Анализ литературных данных показал, что вопросы тангенциальной прочности, жесткости и диссипации энергии в пластическом контакте разработаны недостаточно для теоретического описания процессов и практического применения.

3. На основании проведенного анализа, а также, исходя из теоретических и практических нужд, определена цель работы и сформулированы актуальные вопросы. Сформулированные задачи исследования соответствуют поставленной цели.

4. Решены контактные задачи о смятии и о смятии со сдвигом упруго-пластического упрочняющегося сегмента под действием нормальной и тангенциальной сил, приложенных со стороны жесткого штампа.

5. Применение метода переменных параметров упругости и обоснование их расчета только в критической точке сферического сегмента, в которой максимальные касательные напряжения достигают наибольшего.значения позволило получить удобные для дальнейшего использования расчетные зависимости для пластического смятия сферического сегмента нормальной сжимающей силой и его пластического сдвига тангенциальной силой.

6. Предложенная методика позволяет непосредственно переходить от расчета упругого контактирования к расчету пластического контактирования без введения дополнительных критериев перехода от упругой деформации к пластической.

7. Использование обобщенного принципа Мазинга позволило с помощью экспериментальных масштабных коэффициентов, которые меняются от цикла к циклу, аналитически описать сдвиг пластически смятого сферического сегмента циклической знакопеременной сдвигающей силой, действующей со стороны жесткого штампа.

8. Разработанные приспособление и методика эксперимента позволили с достаточной достоверностью экспериментально проверить основные теоретические зависимости.

9. Теоретические зависимости и расчетные формулы оказались в удовлетворительном соответствии не только с экспериментальными данными полученными в работе, но также с теми отдельными экспериментальными данными, которые приведены в проанализированной литературе.

10. Соответствие теории и эксперимента подтвердило обоснованность теоретической модели и позволило использовать ее для описания пластического контактирования шероховатых поверхностей в условиях смятия микронеровностей.

11. Хорошее соответствие расчетного и экспериментального значений среднего контактного давления с величиной С^ , которая широко используется многими авторами, приводит и к широкому применению расчетных формул, полученных в данной работе.

12. Экспериментально показано, что сдвиг пластически контактирующих поверхностей сопровождается дополнительным их сближением. Учет в теоретических зависимостях дополнительного сближения контактирующих тел в процессе пластического сдвига делает эти зависимости практически важными. Эффект увеличения сближения наиболее высоким оказывается в условиях повышенной адгезии. Полученные расчетные формулы дополнительного сближения и сопровождающих его увеличения плотности стыка, уменьшения объема воздушного зазора, перераспределения объема материала в шероховатом слое достаточно полно учитывают механические характеристики материала, микрогеометрические характеристики поверхности и фрикционные - контакта.

13. Экспериментально показано, что наличие в контакте поверхностно-активных веществ приводит к более значительному сближению сопрягаемых элементов соединения. В процессе сдвига в соединении с пластифицированным поверхностным слоем эффект дополнительного сближения оказался более значительным, что позволило использовать поверхностно-активные вещества для повышения герметичности разъемных металлических соединений камер высокого давления.

14. Для контакта с реализованными в эксперименте фрикционными и механическими параметрами контактирующих поверхностей процесс знакопеременных тангенциальных перемещений при увеличении числа циклов сдвигающих нагружений с постоянной амплитудой является стабилизирующимся, то есть контакт обладает свойством приспособляемости. Предельная же амплитуда сдвигающей силы, то есть величина полной силы трения покоя, увеличивается от цикла к циклу. Процесс этот также затухающий.

15. Расчетные зависимости рассеяния энергии в пластическом контакте при циклическом сдвиговом нагружении, удовлетворительно согласующиеся с экспериментом, могут быть использованы для оценки малоцикловой прочности контактирующих поверхностей.

16. Полученные в работе формулы для расчета изменения фактической площади касания и дополнительного сближения позволили перейти к оценке повышения сдвиговой прочности контакта и, в частности, соединения с гарантированным натягом. Показано, что дополнительное сближение контактирующих поверхностей не вызывает сколь-либо значительного изменения натяга в соединениях по сравнению с увеличением их прочности.

Реализация в производстве разработанных рекомендаций повышения этой прочности подтверждают их практическое значение.

1. Айнбиндер С.Б. О вычислении площади контакта между трущимися телами.- Изв. АН Латвийской ССР. Серия "Физические и технические науки", 1965, № 4, с. 60-64.

2. Айнбиндер С.Б., Тюнина Э.Л. Введение в теорию трения полимеров,- Рига: Зинатне, 1978.- 224 с.

3. Алексеев Н.М. Закономерности пластического течения и разрушения металлов при заедании трущихся поверхностей.: Автореф. Дис. . д.техн.наук.- Москва, 1983.- 31 с.

4. Алисин В.В. 0 влиянии молекулярного взаимодействия на деформационную составляющую силы трения при пластическом контакте.

5. В сб.: Расчетно-экспериментальные<методы оценки трения и износа. М.: Наука, 1980, с. 23-27.

6. Белый А.В., Мышкин Н.К. К вопросу о размере отделяющихся частиц при изнашивании.- Доклады АН БССР, 1981, т.25, № I, с. 25-27.

7. Безухов Н.И. Основы теории упругости, пластичности и ползучести.- М.: "Высшая школа", 1968. 512 с.

8. Биргер И.А. Некоторые общие методы решения задач теории пластичности.- ПММ, 1951, т.15, № 6, с. 765-770.

9. Биргер И.А. Расчет на прочность деталей машин,- М.: Машиностроение, 1979 702 с.

10. Бобровников Г.А. Прочность посадок, осуществляемых с применением холода.- М.: Машиностроение, 1971.- 95 с.

11. Боуден Ф.П., Табор Д. Трение и смазка твердых тел.- Пер. сангл. М.: Машиностроение, 1968.- 543 с.

12. Верховский А.В. Явление предварительного смещения при тро-гании несмазанных поверхностей с места.- Журнал прикладной физики, 1926, вып. 3-4, № 3, с. 72-74.

13. Галин Л.А. Контактные задачи теории упругости и вязкоупру-гости.- М.: Наука, 1980.- 302 с.

14. Гусенков А.П., Паршинцева Т.С., Шнейдерович P.M. Некоторые свойства кривых повторного деформирования при симметричном цикле.- Изв. АН СССР, Механика и машиностроение, I960, № 5, с. 108112.

15. Гусенков А.П., Москвитин Г.В. Анализ некоторых подходов к описанию циклических диаграмм деформирования.- Машиноведение, 1973, № 4, с. 59-67.

16. Демкин Н.Б. Фактическая площадь касания твердых поверхностей.- М.: Изд-во АН СССР, 1962.- 610 с.

17. Демкин Н.Б. Контактирование шероховатых поверхностей,- М.: Наука, 1970.- 227 с.

18. Демкин Н.Б., Крагельский И.В. Предварительное смещение при упругом контакте твердых тел.- ДАН СССР, т.186, № 4, 1969, с.882.

19. Демкин Н.Б., Коротков М.А., Шевченко А.С. Формирование силы трения покоя при пластическом контакте.- В сб.: Технология машиностроения и вопросы прочности.- Томск: изд-во Томск, политехи, ин-т, 1977, с. 106-109.

20. Динник А.Н. Удар и сжатие упругих тел. Избранные труды.-Киев: Изд-во АН УССР, т.1, 1952.- 152 с.

21. Дроздов Ю.Н., Смирнов В.И. Исследование коэффициента скольжения при высоких параметрах контакта.- "Вестник машиностроения',' 1977, № 6, с. 19-23.

22. Зайдель А.Н. Ошибки измерений физических величин.- М.: Наука, 1974.- 520 с.

23. Ишлинский А.Ю. Осесимметричеекая задача теории пластичности и проба по Бринелю. ПММ, вып. 3, т.8, 1944, с. 201-224.

24. Коняхин И.Р. Микросмещение. Метод исследования механических свойств соприкасающихся поверхностей. : Автореф. Дис. . канд.техн.наук, Томск, 1951,- 8 с.

25. Коняхин И.Р. Теория предварительных смещений применительно к вопросам контактирования деталей.- Томск.: Изд-во Томского университета, 1965.- 112 с.

26. Коросько Н.М., Лернер Ю.Н. Измерение контактного сопротивления и приближенная оценка на его основе площади контакта в режиме предварительного смещения и при скольжении.- Машино<веде -ние, 1973, № 3, с. II6-I2I.

27. Коротков М.А. Влияние трения при сдвиге на механические и электрические свойства контакта.: Автореф. Дис. . канд.техн. наук.- Калинин, 1973,- II с.

28. Костецкий Б.И. Трение, смазка и износ в машинах.- Киев: Техника, 1970.- 231 с.

29. Крагельский И.В., Добычин М.Н., Комбалов B.C. Основы расчетов на трение и износ.- М.: Машиностроение, 1977.- 526 с.

30. Крагельский И.В. Трение и износ.- М.: Машиностроение, 1968.480 с.

31. Крагельский И.В., Михин Н.М. 0 природе контактного предварительного смещения твердых тел. ДАН СССР, т.153, № I, 1963, с. 78-81.

32. Левина З.М., Решетов Д.Н. Контактная жесткость машин.

33. М.: Машиностроение, 1971,- 205 с.

34. Лернер Ю.Н. Исследование изменений фактической площади касания пластического контакта двух тел при циклическом изменении тангенциальной силы.- В сб.: Проблемы трения и изнашивания. Киев: Техника, 1980, вып. 17, с. 19-21.

35. Лернер Ю.Н., Крагельский И.В. Исследование пластического контакта деформированных и отожженных образцов при предварительном смещении методом измерения электрического контактного сопротивления.- Трение и Износ, 1981, т.2, № 2, с. 226-230.

36. Лихтман В.И., Щукин Б.Ф., Ребиндер П.А. Физико-химическая механика металлов.- М.: Изд-во АН СССР, 1962.- 303 с.

37. Лурье А.И. Пространственные задачи теории упругости,- М.: Гостехиздат, 1955.- 452 с.

38. Максак В.И. Основные закономерности предварительного смещения упругого контакта. Машиноведение, 1971, № 2, с. II2-II4.

39. Максак В.И. Контактные задачи в инженерной и исследователь-' ской практике.- Томск: Изд-во Томск.политехи.ин-т, 1978.- 95 с.

40. Максак В.И. Предварительное смещение и жесткость механического контакта.- М.: Наука, 1975.- 59 с.

41. Максак В.И., Советченко Б.Ф., Чернышева Т.В. Рассеяние энергии в пластическом контакте.- Томск, 1983.- 6 е.- Рукопись представлена Томским политехи.ин-том. Деп. в НИИмаш, 13.07.83,238 мш 83.

42. Максак В.И., Советченко Б.Ф., Чернышева Т.В. Предварительное смещение при пластическом контактировании шероховатых поверхностей.- Межвуз.сб.науч.тр.: "Вопросы динамики и прочности в машиностроении", Омск, изд-во ОмПИ, 1983, с. 45-49.

43. Максак В.И., Советченко Б.Ф., Чернышева Т.В. Повышение герметичности разъемных конических соединений.- В сб.: Тез.докл. Всесоюз.конф. "Современные машины и аппараты химических производств, Навои, 1983, с. 51-53.

44. Максак В.И., Советченко Б.Ф., Чернышева Т.В. Пластическая контактная деформация при предварительном смещении.- В сб. : Тез.докл. УШ Всесоюз.конф. по прочности и пластичности, Пермь, 1983, с. 113—114.

45. Марочкин В.Н. Предельное пластическое состояние при вдавливании и сжатии конуса.- Сб.: Трение и износ в машинах, М.: Изд-во АН СССР, 1959, т.13, с. 84-135.

46. Митрофанов Б.П. Природа упругого предварительного смещения.-В сб.: Теория трения и износа. М.: Наука, 1965, с. Ill—114.

47. Михин Н.М. О связи площади касания и сближения при неподвижном и скользящем контактах.- В сб.: Трение твердых тел, М.: Наука, 1964, с. 62-64.

48. Михин Н.М. Трение в условиях пластического контакта.- М.: Наука, 1968.- 104 с.

49. Михин Н.М. Внешнее трение твердых тел. М.: Наука, 1977.221 с.

50. Москвитин В.В. Циклические нагружения элементов конструкций.- М.: Наука, 1981.- 334 с.

51. Москвитин В.В. Пластичность при переменных нагружениях.-М.: Изд-во МГУ, 1965.- 264 с.

52. Мур Д. Основы и применения трибоники,- Пер. с англ., М.: "Мир", 1978.- 486 с.

53. Найак П.Р. Применение модели случайного поля для исследования шероховатых поверхностей.- Проблемы трения и смазки. М.: Мир, 1971, № 3, с. 85-95.

54. Основные направления экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года: Постановление ХХУ1 съезда КПСС по проекту ЦК КПСС.- М.: Политиздат, 1981, 3.183 с.

55. Петрусевич А.И. Контактная прочность деталей машин.- М.: Машиностроение, 1970.- 64 с.

56. Пипко А.И., Плисковский В.Я., Пенчко Е.А. Конструирование и расчет вакуумных систем.- М.: Энергия, 1979.- 504 с.

57. Пранч А.С. Пластическая деформация одноименных металлических тел в зоне фактического контакта при трении.- Изв. АН Латв. ССР. Сер.физич. и техн. наук, 1973, № 2, с. 68-71.

58. Работнов Ю.Н. Механика деформируемого твердого тела.- М.: Наука, 1979.- 744 с.

59. Расчеты на прочность в машиностроении. Под ред. Пономарева С.Д., Бидермана В.Л., Лихарева К.К. и др.- М.: Машгиз, т.2, 1958.- 974 с.

60. Рот А. Вакуумные уплотнения.- М.: Энергия, 1971.- 464 с.

61. Рудзит Я.А. Микрогеометрия и контактное взаимодействие поверхностей.- Рига: Зинатне, 1975.- 210 с.

62. Рыжов Э.В. Контактная жесткость деталей машин.- М.: Машиностроение, 1966.- 305 с.

63. Рыжов Э.В., Демкин Н.Б. Качество поверхности и контакт деталей машин.- М.: Машиностроение, 1981.- 224 с.

64. Советченко Б.Ф. Исследование предварительного смещения и рассеяния энергии механического контакта применительно к соединениям с натягом. Дис. . канд. техн. наук. Томск, 1973.166 с.

65. Соколовский В.В. Теория пластичности.- М.: Высшая школа, 1969.- 608 с.

66. Термопрочность деталей машин. Под ред. Биргера И.А. и Шор-ра Б.Ф. М.: Машиностроение, 1975.- 455 с.

67. Томленов А.Д. Теория пластического деформирования металлов.-М.: Металлургия, 1972.- 408 с.

68. Трение, изнашивание и смазка. Справочник. В 2-х кн.- М.: Машиностроение. Кн. I, 1978.- 400 е., Кн. 2, 1979.- 358 с.

69. Тритенко А.Н. Исследование упругих предварительных смещений и рассеяния энергии в механическом контакте при сложном нагружении.- Дис. . канд.техн.наук. Томск, 1975.- 225 с.

70. Хольм Р. Электрические контакты. М.: Изд-во иностр.лит., 1961.- 464 с.

71. Хохлов В.А. Исследование контактного взаимодействия тел и рассеяния энергии в условиях сцепления.- Дис. . канд.техн.наук. Томск, 1972.- 234 с.

72. Чернышева Т.В. Повышение прочности соединений с натягом.

73. В сб.: "Молодые ученые и специалисты народному хозяйству", Томск, изд-во Томского университета, 1983, с. 73-74.

74. Чернышева Т.В. Сдвиг пластически смятого сферического сегмента в контакте с жестким штампом.- Томск, 1983.- 5 е.- Рукопись представлена Томским политехи, ин-том. Деп. в НИИмаш 30.06.83, № 211-83.

75. Шварц А.Е. Расчет условно неподвижных соединений с учетом предварительного смещения.- Дис. . канд.техн.наук, Томск, 1978. 104 с.

76. Шевченко К.Н. Основы математических методов в теории обработки металлов давлением.- М.: Высшая школа, 1970.- 351 с.

77. Шевченко А.С. Исследование трения при переходе от покоя к скольжению с учетом свойств окисных пленок.: Автореф. Дис. .канд. техн. наук, Калинин, 1979. -14 с.

78. Шевченко А.С. Зависимость внедрения микронеровности от ее смещения при пластическом контакте.- В сб.: Механика и физика контактного взаимодействия, Калинин, изд-во КГУ, 1981, с. 139-146.

79. Шлыков Ю.П., Ганин Е.А., Царевский С.Н. Контактное термическое сопротивление.- М.: Энергия, 1977.- 328 с.

80. Чайлдс Д.Т.- В кн.: О природе трения твердых тел. Минск: Наука и техника, 1971, с. 366-369.

81. Cartwright D.B., Longuet-Higgins M.S. The statistical distribution of the maxima of a random function. Proceedings of the Royal Society, 1956, v. 237, N 1209, p. 212-232.

82. Courtney-Pratt I.S., Eisner E. The Effect of Tangential Force on Contact of Metallic Bodies. Proc. Roy. Soc., 1957, vol. 238, N 1215, p. 529-550.

83. Greenwood I.A., Williamson I.B.P. Contact of nominally flat surfaces. Proceedings of the Royal Society, Ser. A, v. 295, 1966, p. 300-319.

84. Mindlin R.D., Mason W.F., Oswer P.F., Deresiewiecz H. Effect of on oscillating tangential force on the contact surfaces of elastic spheres. Proc. First U.S., Nat. Congr. Appl. Mech., Pybl. Amer. Soc. Mech. Engrs. N I, 1952, p. 203.

85. Mindlin R.D., Deresiewicz H. Elastic Spheres in Contact

86. Under Varying Oblique Forces. Journal of Applied Mechanics, 1953, vol. 20, N 3, P. 327.88• Mindlin R.D. Compliance of Elastic Bodies in Contact. Journal of Applied Mechanics, vol. 16, N 3, 194-9, p. 259-268.

87. Rankin I.S. The Elastic Range of Friction. Phil. Magaz., v. (8) 2, 1926, p. 806.

88. Rigney D.A., Hirth J.P. Plastic deformation and sliding friction of metals. Wear, 1979 , 53, N 2, p. 34-5-370.

89. Tsukada Tadao, Anno Y. On the Approach between a Sphere and a Rough Surface in Contact. J. Jap. Soc. Preces. Eng., 1979, vol. 45, N 4-, p. 4-73-4-78.

90. Whitehouse D.I., Archard I.F. The proportion of random surfaces of significance in their contact. Proceedings of the Royal Society, Ser. A, 1970, v. 316, p. 97-121.