Способ определения фактической площади контакта двух образцов Советский патент 1992 года по МПК G01B7/32 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в обработке металлов давлением, в частности для определения граничных условий трения и теплопередачи на контактной поверхности.

Известен способ определения фактической площади контакта твердых тел, заключающийся в том, что исследуемые тела Сопрягаются друг с другом, нагружаются усилиями, в зону контакта параллельно контактной поверхности направляют световой пучок заданной интенсивности и регистрируют интенсивность светового пучка после его взаимодействия с зонами контакта и по соотношению интенсивностей этих световых пучков судят о величине фактической площади контакта.

Этот способ довольно прост и экономичен, однако позволяет определять фактическую площадь касания для ограниченной группы материалов ввиду использования их оптических свойств. Также данный способ характеризуется невысокой достоверностью измерений.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ определения фактической площади контакта двух образцов, заключающийся в том, что через пару образцов с идеальным контактом и пару образцов с реальным контактом пропускают электрический ток и с учетом силы тока определяют фактическую пло- щадь контакта.

При подготовке пары образцов с реальным контактом на контактирующие поверхности наносят регулярный рельеф, а подготовку пары образцов с идеальным контактом осуществляют наплавкой слоя из более легкоплавкого металла на подложку из

2

XI 00

XJ

ы

ИПГмДп

более тугоплавкого материала с регулярным рельефом на контактной поверхности.

Пары образцов в известном способе подключают к источнику тока параллельно и измеряют величину токов, протекающих через каждую пару образцов.

Фактическую площадь контакта (S) определяют по выражению SK -Ј- 8и, где 1Р,

И

In - ток, протекающий через образцы с реальным и идеальным контактом соответственно; Зи - площадь контактирующих поверхностей с идеальным контактом.

Недостатком известного способа является низкая точность. Это обусловлено следующим: точность известного способа определяется точностью измерения токов, а добиться при этих измерениях погрешности ниже ±0,1% достаточно сложно; достоверность полученных результатов определяется адекватностью используемой модели и реальных объектов, однако, нанесение регулярного рельефа на контактирующие поверхности уменьшает адекватность модели. Это снижает точность известного способа.

Целью изобретения является повышение точности за счет увеличения точности измерений и адекватности используемых модельных образцов реальным объектам.

Поставленная цель достигается тем, что в способе определения фактической площади контакта двух образцов, заключающемся в том. что через пару образцов с идеальным контактом и пару образцов с реальным контактом пропускают электрический ток и с учетом силы тока определяют фактическую площадь контакта, предлагается пару образцов с идеальным контактом выполнять сжатием полированных контактирующих поверхностей с усилием, обеспечивающим пластическую деформацию микронеровностей, при пропускании тока через пары образцов измерять количество тепла, выделяемое в каждой паре за одинаковое время, а фактическую площадь контакта находить из соотношения SK -рр- 5И, где Qp,

Up

Ои - количество тепла, выделяемое в паре образцов с реальным и идеальным контактом, Ож; Зи - площадь контактирующих поверхностей в идеальной паре образцов, мм .

Повышение точности предложенного способа по сравнению с известным обусловлено, во-первых, использованием модели, соответствующей идеальному контакту, более адекватной реальной паре образцов, а во-вторых, использованием в качестве информативного параметра количества тепла,

выделившегося при прохождении тока через пару образцов. Последнее объясняется тем, что количество тепла, выделяющееся при прохождении тока есть функция квадрата тока и времени. Квадратичная зависимость количества тепла от протекающего тока обуславливает большую чувствительность этого параметра, чем собственно величина тока. Кроме того, подбором времени

измерения можно установить разницу между количеством тепла, выделившегося в парах с идеальным и реальным контактом, заведомо больше ошибки измерений.

Поиск по научно-технической и патентной литературе не выявил известных технических решений с признаками, сходными с отличительными признаками предложенного способа. Это свидетельствует о том, что предлагаемое техническое решение обладает существенными отличиями.

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.

Изготавливают две пары аналогичных образцов. При этом образцы первой пары

контактируют в соответствии с реальными условиями, т.е. образцы имеют чистоту поверхности, соответствующую чистоте поверхности реальных объектов и контактируют без нагрузки.

Контактирующие поверхности образцов другой пары подвергают электрополировке, обезжиривают и сжимают между собой с усилием, обеспечивающим пластическую деформацию микронеровностей.

Каждую пару образцов помещают в термостат и пропускают через них одинаковый ток в течение одинакового времени.

При прохождении тока через пары образцов согласно закону Джоуля-Ленца выделяется тепло, количество которого определяется выражением Q 2РЦ t, где - ток протекающий через образцы, А; RJ- суммарное сопротивление пары образцов. Ом;

t - время, с.

+ Ri + R2, где RK - контактное сопротивление;

R и R2 - сопротивление 1-го и 2-го образцов соответственно.

Отношение количества тепла, выделившихся в разных парах образцов Ои/Ор, характеризует отношение контактных сопротивлений (RK) этих пар, так как величины RI и R2 пренебрежимо малы по сравнению с RK. Величина контактного сопротивления обратно пропорциональна истинной площади контакта образцов (R

- р), поэтому реальная площадь контакта может быть определена из выражения

Ои

8и,

- QP

Пример. Образец из молибдена диаметром 80 мм и длиной 160 мм устанавливали на подставку из Ст 3 диаметром 100 мм и высотой 50 мм. (Шероховатость поверхности для обоих образцов R2 « 4-3,5 мкм).

Аналогичные образцы соединяли с идеальным контактом путем электрополировки (раствор концентрированной серной кислоты, напряжение 20-30 В, ток 12 А, время 30-60 с) с последующим обезжириванием и сжатием с усилием 0,6 кг/мм2, обеспечивающим пластическую деформацию микронеровностей на поверхности Ст 3.

Каждую пару образцов помещали в калориметр марки ВНИИМ-6, имеющий погрешность ±(0,02-0,03)%. Температуру измеряли ртутным термометром с пределами измерений 18,0-27,2°С и ценой деления 0,0066°С. Отчеты температуры вели с помощью оптической системы.

Через каждую пару образцов пропускали ток силой 5 А в течение 30 мин. Отношение Ои/Qp составило 0,4732, поэтому

Ои

- Зи - 0,4732 х

- 2378,5 мм2

я(80)2

Л JV}V/,-F I f. Л.

или 47,32% от геометрической поверхности контакта образцов. По прототипу с целью количественного определения повышения точности предлагаемого способа изготовили эталонный образец из молибдена диаметром 80 мм и длиной 160 мм и из Ст 3 диаметром 100 мм, высотой 50 мм путем соединения торцевых поверхностей контактной сваркой в вакууме. Эталонный и иссле- дуемый образцы подключают к сети переменного тока с напряжением 30 В.

Отношение токов в цепи эталонного и исследуемого образцов составило 0,4929, поэтому

5и 0,4929 х ШЈ , Р

2377,5 мм2

или 49,29% от геометрической поверхности контакта образцов.

5к(прот.):

0

5

0

5

0

5

nai/f-х 100% 1,78%, а

0 m

По базовому способу, заключающемуся в оценке площади касания по величине сближения поверхностей в зависимости от нормальной нагрузки сближения и контактного смещения, фактическая площадь касания SK составила 5к(баз.) 2421,6 мм2. Измерения проведены для аналогичных образцов из Мо и СтЗ на электромеханическом приборе с приводом электродвигателя мощностью 12 Вт и напряжением 24 В.

Относительная ошибка предлагаемого способа по отношению к базовому состави, &(баз) 5к/ SK ( баз )

,|3к Г баз ) Зк (no 1

ПО ПРОТОТИПУ Vhpor L -L/-i- EJЬк(баз)

х 100% 2,308 2,31%. Точность по сравнению с прототипом повысилась на

Д I Х100% 29.77 30%Формула изобретения Способ определения фактической площади контакта двух образцов, заключающийся в том, что через пару образцов с идеальным контактом и пару образцов с реальным контактом пропускают электрический ток и с учетом силы тока определяют фактическую площадь контакта, о т л и ч а ю- щ и и с я тем, что, с целью повышения точности, пару образцов с идеальным контактом выполняют сжатием полированных контактирующих поверхностей с усилием, обеспечивающим пластическую деформацию микронеровностей, при пропускании тока через пары образцов измеряют количество тепла, выделяемое в каждой паре за одинаковое время, а фактическую площадь SK контакта находят из соотношения SK

Ои

Q,

-Зи,

где Qp, Ои - количество тепла, выделяемое в паре образцов с реальным и идеальным контактами, Ож;

Зи - площадь контактирующих поверхностей в идеальной паре образцов.

Изобретение относится к измерительной технике, к определению фактической площади контакта двух контактирующих об: разцов. Цель изобретения - повышение точности. Выбирают пару образцов с реальным контактом и пару образцов с идеальным контактом, каждую пару образцов помещают в калориметр и пропускают «ерез них одинаковый ток в течение одинакового времени и измеряют количество тепла, выделившееся в каждой паре. Пару образцов с идеальным контактом выполняют электрополировкой с последующим сжатием до по- явления пластических деформаций. Фактическую площадь S контактов определяют из выражения Sr (0.4/Qp) 84, где Ои.Ор - количество тепла, выделившееся в паре образцов с идеальным и реальным контактами. to С