223 / 457
Материаловедение, динамика и прочность машин и механизмов
223
УДК 621.646: 621.879.3
Объем зазоров в уплотнительном стыке с упругопластическим покрытием
Горохов Д.Б
а
, Кожевников А.С.
b
Братский государственный университет, ул. Макаренко 40, Братск, Россия
a
gorokhov@brstu.ru ,b
kozhevnikovart@inbox.ruКлючевые слова:
тонкослойные пленки, упругопластическое покрытие, слоистое полупро-
странство, шероховатая поверхность, контактные характеристики, относительная площадь контакта,
плотность зазоров.
Уплотнительный стык представлен в виде контакта жесткой шероховатой поверхности с полупро-
странством через тонкий слой упругопластического покрытия. На основe жесткостной модели слоистого
полупространства представлены его упругие характеристики (приведенный модуль упругости и коэффициент
Пуассона) при внедрении сферической неровности в зависимости от упругих характеристик покрытия и ос-
новного материала, толщины покрытия и радиуса пятна контакта. Получена система трансцендентных урав-
нений для определения относительной площади контакта
и плотности зазоров в стыке
в зависимости от
безразмерного силового упруго-геометрического параметра F
q.
При этом учтены толщина покрытия
и характе-
ристики упрочняемого материала покрытия – предел текучести
y
и экспонента упрочнени n. Показано влияние
относительной толщины покрытия на величину плотности зазоров в стыке.
Введение.
Одним из перспективных направлений, обеспечивающих повышение эксплуатаци-
онных показателей уплотнений, является нанесение на их рабочие поверхности антифрикционных
материалов и покрытий, предназначенных для экстремальных условий эксплуатации: вакуума, низ-
ких и повышенных температур, агрессивных сред, высоких контактных давлений. Тела с тонкими
покрытиями было предложено называть топокомпозитами. Опыт эксплуатации узлов трения и уп-
лотнений с такими покрытиями показывает, что их уплотнительная способность и антифрикционные
свойства определяется не только свойствами материала покрытия, но и его толщиной. Известные ре-
комендации по выбору толщины покрытия основаны на экспериментальных данных, нередко проти-
воречивых. Отсутствие, до недавнего времени, теории контактного взаимодействия шероховатых по-
верхностей через слой покрытия не позволяло разработать надежные методы прогнозировании ха-
рактеристик трения трибосопряжений и герметичности уплотнений на стадии проектирования, что
требовало проведения дорогостоящих и трудоемких испытаний по определению работоспособности
узлов трения и уплотнений. Сравнительно недавно появились работы, посвященные определению
относительной площади контакта при контактировании жесткой шероховатой поверхности через
слой упругого [1-3], вязкоупругого [4] и упругопластического [5-7] покрытия. Плотность зазоров [8,
9] и герметичность [10] определены только при контактировании жесткой шероховатой через слой
упругого покрытия.
Цель настоящей работы – определить плотность зазоров в стыке при упругопластическом де-
формировании покрытия.
Жесткостная модель слоистого тела.
Рассмотрим вначале контактную систему с однослой-
ным покрытием толщиной δ
1
(рис. 1). Используя жесткостную модель слоистого полупространства,
авторы [11, 12] определили его упругую характеристику в зависимости от толщины покрытия и уп-
ругих констант материалов основания и покрытия. При этом рассматривались два варианта: нагру-
жение полупространства нормальной нагрузкой вида
,
0,
1
2 2
0
a r
a r
p rp
(1)
и внедрение в слоистое полупространство жесткой сферы. Различия между значениями упругой ха-
рактеристики, полученной при разных нагружениях, не превышали 0,2 %. Поэтому достаточно огра-
ничиться одним видом нагружения.
Исследования проведены при поддержке Минобрнауки России в рамках госзадания №
2014/10 на 2016 г. (проект № 1754).