Построение опорной кривой профиля шероховатой поверхности узлов трения путевых и строительных машин

РОСЖЕЛДОР

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Ростовский государственный университет путей сообщения»

(РГУПС)

Н. В. Вершинина, Д. С. Зайкин

ПОСТРОЕНИЕ ОПОРНОЙ КРИВОЙ ПРОФИЛЯ

ШЕРОХОВАТОЙ ПОВЕРХНОСТИ УЗЛОВ ТРЕНИЯ

ПУТЕВЫХ И СТРОИТЕЛЬНЫХ МАШИН

Методические указания к лабораторной работе

по дисциплинам специальности «Триботехника»

Ростов-на-Дону

2005

УДК 620.179

Вершинина, Н. В.

Построение опорной кривой профиля шероховатой поверхности узлов трения путевых и строительных машин : методические указания к лабораторной работе по дисциплинам специальности «Триботехника» / Н. В. Вершинина, Д. С. Зайкин ; Рост. гос. ун-т путей сообщения. – Ростов н/Д, 2005. – 16 с. : ил.

Дается кратная характеристика основных параметров шероховатости поверхности и описание метода построение опорной кривой профиля шероховатой поверхности. Изложен порядок выполнения лабораторной работы и оформления отчета.

Одобрены к изданию кафедрой «Путевые и строительные машины» РГУПС и предназначены студентам III-IV курсов специальности «071200- Триботехника».

Рецензент д-р техн. наук, проф. П. Н. Щербак (РГУПС)

Учебное издание

Вершинина Наталия Викторовна

Зайкин Денис Сергеевич

Построение опорной кривой профиля шероховатой поверхности узлов трения путевых и строительных машин

Методические указания к лабораторной работе по дисциплинам специальности «Триботехника»

И. Гончаров

Техническое редактирование и корректура А. И. Гончаров

Подписано в печать 14.06.05. Формат 60х84/16

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

Бумага офсетная. Ризография. Усл. печ. л. 0,93.

Уч.-изд. л. 0,88. Тираж 60 экз. Изд. № 000. Заказ № .

Ростовский государственный университет путей сообщения.

Ризография РГУПС.

Адрес университета: 344038, Ростов н /Д, пл. Народного ополчения, 2.

Содержание

1. Основные параметры шероховатой поверхности

2. Построение опорной кривой профиля шероховатой поверхности

3. Порядок выполнения работы и оформления отчета

Рекомендуемая литература

Приложение

ПОСТРОЕНИЕ ОПОРНОЙ КРИВОЙ ПРОФИЛЯ ШЕРОХОВАТОЙ

ПОВЕРХНОСТИ УЗЛОВ ТРЕНИЯ ПУТЕВЫХ И СТРОИТЕЛЬНЫХ МАШИН

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Построение опорной кривой профиля шероховатой поверхности исследуемого материала.

1. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ШЕРОХОВАТОЙ ПОВЕРХНОСТИ

Известно, что для осуществления процесса трения двух твердых тел необходимым условием является соприкосновение их поверхностей или взаимодействие этих тел через смазочный материал. Характер явлений, происходящих при контакте поверхностей, определяется механическими и физико-химическими свойствами этих поверхностей, а также их микрогеометрией. Поэтому на процессы взаимодействия твердых тел существенное влияние оказывают не только свойства поверхностных слоев деталей, сильно отличающиеся от объемных свойств материала, но и вид, геометрическое очертание поверхности, её неровности, размеры и распределение материала в шероховатом поверхностном слое, которые сильно зависят от характера обработки детали [1-6].

Шероховатость поверхности образует некоторый микрорельеф. Для измерения микрогеометрии этого рельефа широко используются контактные методы. Один из которых – щуповой метод – основан на том, что по поверхности скользит игла (щуп) с радиусом закругления 2-10 мкм, значительно меньшим, чем радиус закругления вершин микронеровностей. При перемещении иглы по поверхности она совершает вертикальные колебания за счет скольжения по микровыступам и микровпадинам шероховатой поверхности. Далее колебания иглы преобразуются в электрические сигналы, которые после усиления и преобразования попадают на самописец либо поступают в микропроцессор, позволяющий выдавать характеристики шероховатости в цифровом виде.

Для оценки шероховатости поверхности используют её профиль (рис. 1, а), который представляет собой сечение шероховатой поверхности плоскостью, перпендикулярной к поверхности и ориентированной в некотором заданном направлении. Геометрическое очертание этого профиля и представляет собой шероховатость поверхности. Графическое изображение профиля поверхности показано на рис. 1, б.

Рис. 1. Участок профиля шероховатой

поверхности [7]:

а – сечение шероховатой поверхности плоскостью, перпендикулярной

к поверхности;б – графическое изображение профиля

б)

а)

мкм

Вид профиля шероховатой поверхности, записанный с помощью профилометра (профилографа), называется профилограммой. Обычно на профилограммах вертикальное увеличение значительно больше горизонтального, что приводит к некоторому искажению формы профиля (рис. 2).

При обработке материала режущим или абразивным инструментом на поверхности детали образуется зона пластической деформации, приводящая к значительному упрочнению (наклепу) поверхностных слоев [1-6].

Рис. 2. Профилограмма шероховатой поверхности детали из

незакаленной стали Ст. 45 [8]

Кроме того, механическое воздействие режущего инструмента с учетом влияния среды, в частности смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ), вызывает фрагментацию зерен, растрескивание материала внутри зерен и на их границе, повышение плотности дислокаций в поверхностном слое, появление остаточных макро - и микронапряжений разного знака. Так, точение и шлифование вызывают, как правило, появление остаточных растягивающих напряжений, в то время как фрезерование приводит к появлению как растягивающих, так и сжимающих напряжений в поверхностных слоях [4, 5].

Шероховатость поверхности, полученная после технологической обработки поверхности детали, называется технологической шероховатостью. Обычно технологическая шероховатость имеет направленный характер, отражающий траекторию движения обрабатывающего инструмента. Шероховатость для поверхностей, имеющих определенную ориентацию следов обработки в разных направлениях, неодинакова, и принято считать шероховатость вдоль следов обработки продольной, а поперек – поперечной. Поэтому и профилограммы обычно снимают в продольном и поперечном направлениях.

Эксплуатационная шероховатость, которая образуется в процессе эксплуатации детали, подразделяется на равновесную и неравновесную шероховатость. В процессе приработки узла трения, когда шероховатость ещё не установилась, она называется неравновесной. Равновесная шероховатость образуется после окончания приработки и является статически неизменной. Связано это с тем, что в процессе трения шероховатость поверхности меняется, стремясь к некоторому стабильному значению. Обусловлено это подстройкой шероховатой поверхности более мягкого материала под шероховатость более твердого материала. Равновесной шероховатости соответствует минимально возможный в данных условиях коэффициент трения [4, 5].

Шероховатость определяют по профилограммам в пределах некоторой базовой длины l (рис. 3). Базовую длину выбирают таким образом, чтобы, с одной стороны, на ней не проявлялись другие виды неровностей (волнистость и макроотклонения), а с другой – чтобы число микронеровностей было достаточным для статистической обработки результатов измерений.

Отсчет высот неровностей производят от некоторой средней линии m1 m2. Среднюю линию на профилограмме проводят таким образом, чтобы сумма квадратов отклонений от нее точек профиля, расположенных выше и ниже средней линии, была минимальной [1, 4, 5]. Фактически суммарная площадь выступов, расположенных выше средней линии будет равна в этом случае суммарной площади впадин, расположенных ниже средней линии.

Через вершину наиболее высокого выступа и наиболее глубокой впадины проводят линию выступов и линию впадин параллельно средней линии (см. рис. 3).

Рассмотрим основные параметры шероховатой поверхности в соответствии с ГОСТ 2789-73 и перечислим некоторые из них: среднее арифметическое отклонение профиля, наибольшая высота неровностей профиля, высота сглаживания, шаг микронеровностей, средний радиус кривизны вершин выступов, опорная кривая профиля.

Наиболее часто применяется параметр Rа – среднее арифметическое отклонение (по абсолютной величине) профиля от средней линии, которое рассчитывается по формулам:

или , (1)

где h(x) – функция, описывающая отклонение профиля от средней линии;

hi – расстояние точки профиля до средней линии;

п – число точек разбиения профиля, в которых измерено hi.

Наибольшая высота профиля Rmаx – это расстояние между линией выступов и линией впадин в пределах базовой длины профиля поверхности l, т. е. это фактически максимальная высота микронеровностей, равная толщине шероховатого слоя.

Средняя высота неровностей по десяти точкам Rz , для определения которой выбирают произвольно пять наиболее высоких выступов Hвыст. и пять наиболее глубоких впадин Hвпад.. в пределах базовой длины профиля l, рассчитывается по формуле:

, (2)

где Hвыст. i – высота одного из пяти наиболее высоких выступов, отсчитываемая от средней линии; Hвпад. j – глубина одной из пяти наиболее глубоких впадин, отсчитываемая от средней линии.

Высота сглаживания Rp – расстояние от линии выступов до средней линии.

Средний шаг неровностей Sm рассчитывается как среднее арифметическое значение расстояний между неровностями по средней линии.

Рис. 3. Схема шероховатой поверхности

Для получения профиля поверхности снимают профилограммы с участка поверхности определенной базовой длины l, выбираемой в зависимости от размеров микронеровностей. По размерам микронеровностей все поверхности подразделяются на 14 классов шероховатости, причем в каждом классе шероховатости поверхности существует своя базовая длина (табл.1).

Средний радиус вершины выступа находят как среднегеометрическое из значений средних радиусов, измеренных в продольной и поперечной профилограммах:

rср. = .

По своей форме выступы напоминают пологие горные хребты. Угол при вершине для всех видов обработки обычно заключен в интервале от 150о до 176о, поэтому эллипсоид является геометрической фигурой, наиболее близко описывающей форму реального выступа [4, 5].

Таблица 1

Классы шероховатости поверхности

Класс шероховатости	RZ , мкм	*Rmax* , мкм	Базовая длина l, мм
1	80	320	8
2	40	160	8
3	20	80	11
4	10	40	2,5
5	5	20	2,5
6	2,5	10	0,8
7	1,25	6,3	0,8
8	0,63	3,2	0,8
9	0,32	1,6	0,25
10	0,16	0,8	0,25
11	0,80	0,4	0,25
12	0,04	0,2	0,25
13	0,02	0,1	0,08
14	0,01	0,05	0,08

Однако во многих практических случаях при расчетах на трение и износ, а также при вычислении фактических площадей касания выступов, обычно микронеровности в виде сегментов эллипсоидов заменяют сферическими сегментами. Поэтому шероховатость поверхности удобно моделировать набором сферических сегментов, расположенных таким образом, чтобы наиболее полно описать распределение материала в шероховатом слое реальной поверхности.

При установившемся режиме трения микрогеометрию поверхности можно считать стационарной, поэтому любой профиль, имеющий достаточную длину, является равноценным и содержит информацию о распределении материала в шероховатом слое. Характер распределения материала по глубине шероховатого слоя можно оценить по опорной кривой профиля шероховатой поверхности.

2. ПОСТРОЕНИЕ ОПОРНОЙ КРИВОЙ ПРОФИЛЯ

ШЕРОХОВАТОЙ ПОВЕРХНОСТИ

Используя профилограмму, можно построить опорную кривую, характеризующую распределение материала по высоте шероховатого слоя.

Методика построения опорной кривой заключается в следующем. Если взять сечение профиля на некотором расстоянии Zj от линии выступов и найти сумму длин отрезков, отсекаемых на уровне Zj в материале выступов, то можно найти зависимость относительной опорной длины tp от высоты профиля (в относительных величинах), т. е.

tр = f ( ), (3)

где

, (4)

. (5)

Для этого профилограмму разбивают на ряд горизонтальных уровней Zj (рис. 4), параллельных средней линии m1 m2, и суммируют участки, ограничивающие ширину выступов на рассматриваемом уровне. Вычисляют значения tp в зависимости от значенийдля каждого уровня Zj и полученные точки соединяют плавной кривой. Опорная кривая профиля tp – это графическое изображение зависимости опорной длины профиля от уровня сечения профиля Zj.

Поскольку опорная кривая строится для произвольного профиля поверхности, то функция tр () численно совпадает с функцией распределения материала по высоте шероховатого слоя, т. е. она характеризует топографию поверхности. Площадь под кривой ОА выражает в относительных единицах объем материала, составляющего шероховатый слой, а площадь над кривой – объем пространства над шероховатым слоем.

Рис. 4. Схема построения опорной кривой п

рофиля шероховатой поверхности

Вид кривой распределения материала не зависит от высоты неровностей, а определяется их формой и распределением вершин по высоте, поэтому форма кривой и вид функции распределения материала меняются в довольно широких пределах [1].

Поскольку наибольший интерес представляет взаимодействие только наиболее высоких выступов, вступающих в контакт, то обычно рассматривается распределение материала выше средней линии m1 m2, и для аналитического описания начального участка опорной кривой используют степенную функцию:

tр = tm * , (6)

здесь * = Z/Rр ;

tm – относительная опорная длина профиля по средней линии;

– параметр опорной кривой.

Таким образом, характеристики tm , являются параметрами функции распределения материала, причем параметр выражается через характеристики шероховатости в виде:

, (7)

т. е. параметры, tm можно определять из профилограмм.

Опорная кривая профиля играет важную роль при расчетах контактных характеристик шероховатых поверхностей и позволяет сравнивать профили разных поверхностей (рис. 5).

Рис. 5. Опорные кривые профилей шероховатых

поверхностей, полученных после [4]:

1 – полирования; 2 – шлифования; 3 – точения

Профилограммы для построения опорной кривой профиля целесообразно снимать под углом 45o к направлению следов обработки. Для более полного представления о профиле поверхности необходимо снимать ряд профилограмм в параллельном направлении.

3. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

И ОФОРМЛЕНИЯ ОТЧЕТА

1. По профилограмме поверхности, предложенной для исследования параметров шероховатости, определить наибольшую высоту профиля Rmаx, высоту сглаживания Rp и среднее арифметическое отклонение профиля от средней линии Rа , выбрав число точек разбиения профиля п от 10 до 25.

2. На профилограмме провести 8-10 горизонтальных уровней (линий) Zj, параллельно средней линии.

3. Для всех значений уровня Zj последовательно измерить длину каждого участка , ограничивающего ширину выступа на рассматриваемом уровне.

4. Измерить базовую длину профилограммы.

5. Рассчитать значение tp по формуле (4) и параметрапо формуле (5) для каждого уровня Zj.

6. Определить относительную опорную длину профиля по средней линии tm.

7. Построить график зависимости опорной кривой профиля шероховатой поверхности tp от высоты профиля в относительных величинах.

8. Используя выражение (6), записать аналитическое выражение для начального участка опорной кривой, предварительно рассчитав параметрпо формуле (7).

9. Определить класс шероховатости поверхности материала детали.

В протоколе выполнения лабораторной работы должны быть приведены значения параметров Rmаx., Rp, l, Rа, tm, , класс шероховатости поверхности и таблица результатов расчета (приложение). Кроме того, должен быть построен график зависимости опорной кривой профиля шероховатой поверхности tp от высоты профиля, а для начального участка опорной кривой получено аналитическое выражение. Оформить отчет по результатам выполненной лабораторной работы в соответствии с формой протокола, приведенной в приложении.

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Чичинадзе, А. В. Основы трибологии (трение, износ, смазка) / А. В. Чичинадзе, Э. Д. Браун, Н. А. Буше и др. – М. : Машиностроение, 2001. – 664 с.

2. Гаркунов, Д. Н. Триботехника (износ и безызносность) / Д. Н. Гаркунов.– М. : Изд-во МСХА, 2001. – 616 с.

3. Беркович, И. И. Трибология. Физические основы, механика и технические приложения / И. И. Беркович, Д. Г. Громаковский ; под ред. Д. Г. Громаковского. – Самара : Самарск. гос. тех. ун-т, 2000. – 268 с.

4. Крагельский, И. В. Основы расчетов на трение и износ / И. В. Крагельский, М. Н. Добычин, В. С. Комбалов. – М. : Машиностроение, 1977. – 526 с.

5. Литвинов, В. Н. Физико-химическая механика избирательного переноса при трении / В. Н. Литвинов, Н. М. Михин, Н. К. Мышкин. – М. : Наука, 1979. – 188 с.

6. Икрамов, У. Основы трибоники: учеб. пособие для студентов высш. техн. заведений / У. Икрамов, М. А. Левитин. – Ташкент : Укитувчи, 1984. – 184 с.

7. Свиридёнок, А. И. Исследование микро - и наномеханического разрушения полимерных поверхностей, обработанных высоконапорной водно-капельной струёй / А. И. Свиридёнок, М. И. Игнатовский, С. А.Чижик, Hartmut Lonis // Механика и трибология транспортных систем – 2003 : сб. док. межд. конгресса. – Ростов н/Д : РГУПС, 2003. В 2 т. Т. 2. – С. 266–270.

8. Алехин, В. П. Повышение эксплуатационных свойств деталей транспортного машиностроения способом ультразвуковой финишной и упрочняющей обработки / В. П. Алехин и др. Там же. Т.1. – С. 35–38.

ПРИЛОЖЕНИЕ

П Р О Т О К О Л

лабораторной работы

«Построение опорной кривой профиля шероховатой поверхности

узлов трения путевых и строительных машин»

Дата проведения «____»___________________20___г.

I. Определены численные значения следующих параметров:

1. Наибольшая высота профиля Rmаx.

2. Высота сглаживания Rp.

3. Базовая длина l.

4. Среднее арифметическое отклонение профиля от средней линии Rа .

5. Относительная опорная длина профиля по средней линии tm.

6. Параметр.

7. Класс шероховатости поверхности.

II. График зависимости опорной кривой профиля шероховатой поверхности tp от высоты профиля в относительных величинах.

III. Аналитическое выражение для начального участка опорной кривой.

Таблица результатов расчетов

№ п/н	Сечение профиля на расстоянии Zj от линии выступов	Длина участка, ограниченная шириной выступа,	Относит. опорная длина профиля,	Относит. высота профиля,

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10