книги из ГПНТБ / Решетов, Д. Н. Работоспособность и надежность деталей машин учебное пособие

на шейках втулки из антифрикционных материалов, а в корпусе — стальные закаленные вкладыши.

2. Важно по возможности направлять вектор смещений при изна­ шивании так, чтобы влияние износа на работоспособность было мини­

(рис. 111, в), чтобы в результате их износа смещение резца по норма­ ли к поверхности обработки было минимальным; для шлицевых сое­ динений зубчатых колес желательно располагать ступицы по возмож­ ности симметрично по отношению к венцам шестерен во избежание перекоса зубьев.

3. Изнашивающимся поверхностям следует по возможности при­ давать форму, приближающуюся к форме естественного износа, кото­ рая в минимальной степени искажается в процессе изнашивания (например, профиль зубьев передач М. Л. Новикова, рис. 111, г).

Повышать стойкость инструмента можно, используя самозатачи­ вание. Стойкость самозатачивающихся лемехов удавалось поднять в 3—5 раз по сравнению со стойкостью обычных. Распространение принципа самозатачивания тормозится технологическими трудно­ стями.

4. Эффективно переносить износ на детали или поверхности, мало влияющие на точность узла или машины. Сюда относится использова-

180

ние в токарно-винторезных станках ходовых винтов только для наре­ зания резьбы и обточка с помощью ходовых валиков (рис. 111,5). В шпиндельных блоках многошпиндельных токарных автоматов пре­ дотвращается износ основных направляющих введением специальных опор качения для поворота (рис. 111, е). В некоторых прецизионных зуборезных станках, чтобы сохранить точность делительной пары, предусматривается отдельный привод ускоренного движения для выверки положения заготовки. В направляющих в ряде случаев оказывается возможным и эффективным переносить износ на поверх­ ности регулировочных клиньев и сопряженные с ними путем нагру­ жения их основными силами (рис. 111, ж). При этом точное направ­ ление обеспечивается постоянным поджатием к основным малоизнашиваемым поверхностям.

5. Для механизмов, работающих с неизбежным износом, преду­ сматривают компенсацию или самокомпенсацию износа (компенси­ руется постоянная составляющая износа). Примерами полной компен­

сации износа могут служить самопритирающиеся конические пробко­ вые краны, торцовые уплотнения и др.

Компенсация износа совмещается с регулированием зазора. В по­ давляющем большинстве случаев при регулировании используется кинематика клинового механизма.

Самокомпенсация износа (рис. 112) достигается: силой тяжести, например, в V-образных и треугольных направляющих (а), началь­ ным деформированием системы (подшипники качения с предвари­ тельным натягом), сжатием пружин (особобыстроходные подшипники качения, имеющие быстрый темп износа (б), торцовые и манжетные уплотнения (в), самонатяжением системы (фрикционные передачи, подшипники скольжения с несколькими масляными клиньями по окружности). Сюда же можно отнести применение электромагнитных муфгг с магнитопроводящими дисками (г).

181

ИЗНОСОСТОЙКИЕ УПРОЧНЕНИЯ НАПЛАВКИ

В деталях машин изнашиваются только относительно тонкие поверхностные слои. Масса совершенно изношенного автомобиля

Рис. 113

материала и выражается лучом, проходящим через начало координат (рис. 113, а). Износостойкость деталей, подвергнутых термической или химико-термической обработке, растет по линейному закону вместе с ростом твердости и выражается прямой с меньшим наклоном, но не проходящей через начало координат (рис. 113,6). При одина­ ковой твердости материалы в естественном состоянии более износо­ стойки, чем упрочненные.

Однако упрочнения в связи со значительным повышением твер­

раз повышает сопротивление заеданию. В связи с тем что в машинах аб­ разивное изнашивание, как правило, сопровождается схватыванием, общая долговечность увеличивается в результате закалки в несколько раз. Например, в результате перевода шлицевых валов тракторов с улучшения до HRC25—30 на закалку до HRC54 по результатам по-

182

левых испытаний на опытной станции НАТИ износостойкость повыси­ лась около пяти раз.

Износостойкость существенно выше у материалов с повышенной

но не подверженных большим местным давлениям, повышают изно­ состойкость в 3—10 раз (по сравнению с улучшением). Хромирование ряда деталей полностью решает вопрос повышения их долговечности.

А з о т и р о в а н и е наряду с получением высокой твердости уве­ личивает сопротивление абразивному изнашиванию в пределах уп­ рочненного слоя по сравнению с цементацией до 2—Зраз, а по сравне­ нию с улучшением во много раз. Азотирование одновременно повы­ шает прочность.

Наивысшая по сравнению с другими видами упрочнений твер­

твердость кварца. Поэтому борирование весьма эффективно в сильно абразивных средах при изнашивании в пределах упрочненного слоя.

дированного слоя сера уходит в глубь металла и продолжает свое действие. Существенное повышение сопротивления схватыванию, износостойкости и прирабатываемости деталей из сталей и чугунов достигается сульфоцианированием, т. е. насыщением поверхностных слоев азотом, углеродом и серой. Сульфоцианирование обеспечивает благоприятную структуру: у поверхности располагается мягкий суль­ фидный слой небольшой толщины, под которым находится твердая карбонитридная зона. Сульфоцианирование успешно применяют для фрикционных дисков, цилиндров, ходовых винтов.

С помощью и з н о с о с т о й к и х н а п л а в о к износостой­ кость деталей, работающих в абразивных средах (по опыту метал­ лургического, горного и сельскохозяйственного машиностроения), можно повысить в 5—10 раз.

Б и м е т а л л и з а ц и я позволяет наносить тонкие слои высо­ кокачественных антифрикционных сплавов, при этом может быть до­ стигнута экономия цветных металлов до 10 раз и повышается проч­ ность антифрикционных слоев за счет подслоя. Повышенные показа­ тели обеспечивают п о л и м е т а л л и ч е с к и е подшипники. К та­ ковым в частности относятся подшипники с антифрикционным слоем из свинцовистой бронзы на стальной основе с дополнительным осаж­ дением на поверхности совсем тонкого слоя из свинцовистого сплава, сплава с оловом или индием. Успешно применяют биметаллические конструкции гаек ходовых и грузовых винтов и червячных колес.

183

П о в е р х н о с т н ы й н а к л ё п как средство повышения износостойкости применяют в виде обкатки и раскатки роликами и дорнования. Кроме того, используют алмазное выглаживание в пер­ вую очередь как средство повышения чистоты поверхности, а также повышения износостойкости и прочности.

Имеется заводской опыт повышения ресурса золотниковой гильзы сервомеханизма мощного трактора более чем в 2,5 раза в результате дорнования с оптимальным режимом. Валы со шлицами, получен­ ными холодной накаткой, по данным ЭНИМСа, имеют повышенную на 90% износостойкость. Пластическое упрочнение рабочих поверх­ ностей шлицевых соединений в тепловозах привело к уменьшению из­ носа в несколько раз. -Шлицы во втулке упрочнялись специальным дорном — протяжкой, а на валах — специальным червячным инстру­ ментом — валком.

По некоторым опытным данным поверхностный наклеп при абра­ зивном изнашивании оказался неэффективным.

С помощью вибрационного обкатывания возможна оптимизация геометрии поверхности: обеспечение больших радиусов закруглений вершин выступов, оптимальной площади контакта, образования впа­ дин для аккумулирования масла и т. д. Вибрационное обкатывание осуществляется шариком, а при HRC ^ 40 — алмазом. Причем на основное технологическое движение накладывается поперечное коле­

ПОВЫШЕНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ ФРЕТИНГ-КОРРОЗИИ

Принципиальные направления:

1.Замена на малых перемещениях внешнего трения внутренним, например, замена направляющих скольжения в усталостных испыта­ тельных машинах плоскими пружинами, которые допускают полез­ ные перемещения благодаря податливости и обеспечивают необходи­ мое направление благодаря жесткости в других направлениях.

2.Уменьшение работы трения на микроперемещениях. В фрик­ ционных соединениях для этого повышают давление, обеспечивают достаточно высокое давление по всей посадочной поверхности, увели­ чивают коэффициент трения (электролитическим покрытием кадми­ ем, медью, оловом, алитированием). В кинематических парах и не­ фрикционных соединениях того же достигают уменьшением коэффи­ циента трения (смазка дисульфидом молибдена, свинцовыми белилами

сдисульфидом молибдена, фосфатирование с покрытием молибденом).

3.Перенос скольжения на промежуточные более стойкие тела или среду (покрытия, смазки). Например, найлоновые покрытия кардан­ ных валов автомобилей повышают пробег до пяти раз.

4.Применение химически стойких и мало склонных к схватыва­ нию материалов (разнородных, например сталь—пластмасса, с тал ь - бронза, или закаленных до высокой твердости).

184

К числу пар материалов, обладающих повышенной стойкостью против контактной коррозии, относятся: сталь—свинец или свин­ цовое покрытие (при перемещениях), сталь—серебряное покрытие, сталь—покрытие кадмием, сталь—полиамиды, твердая инструмен­

твердость, применяют гомогенные материалы, упрочняющиеся при пластическом деформировании.

РАСЧЕТЫ НА ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ

Для деталей машин, работающих с неизбежным износом, ограничи­ вают допустимые давления величинами, установленными для данных условий, или применяют инженерный расчет на основе подобия или расчет, основанный на моделировании отдельных видов изнаши­ вания.

Метод расчета по номинальным давлениям является условным и поэтому его заменяют более совершенными методами. Однако в усло­ виях малых перемещений, соответствующих зазорам в соединениях, этот расчет имеет экспериментальное и теоретическое обоснования.

Расчет на основе подобия использует эмпирические степенные за­ висимости между контактным напряжением ок и износостойкостью, выраженной через путь 5 трения:

а ” 5 = const.

Здесь показатель степени т по опытам на образцах обычно колеб­ лется от 1 до 3, меньшие значения при сухом трении, большие — при работе со смазкой, в большинстве деталей машин вероятнее зна­ чения около 3.

Эти расчеты допускают сравнительный анализ износостойкости кон­ струкций, распространение результатов наблюдения в эксплуатации износостойкости узла или машины одного типоразмера на другие ти­ поразмеры, распространение результатов испытаний износостойко­ сти на узлы других параметров, анализ форм изношенных поверх­ ностей. Необходимым условием применения расчета на основе подо­ бия является условие постоянства вида трения и изнашивания. Для трущихся деталей из некоторых металлокерамических самосмазывающихся и фрикционных материалов показатель т может быть при­ нят равным единице, и фирмы-изготовители этих материалов задают долговечность в виде произведения aKS.

Статистический анализ и накопленный опыт изучения износа направляющих в эксплуатации показали возможность прогнозирова­ ния долговечности на основе однократного измерения износа у группы станков после 1—2 лет эксплуатации в обычных условиях работы с пе­ ременным режимом. Процесс изнашивания рассматривают как сумму двух случайных процессов: нормального при постоянном режиме ра­

103

боты и пуассонова соответственно изменению режимов работы. Сово­ купность обследуемых станков в типичных условиях эксплуатации рассматривают как единый статистический объект. Для достижения

охватывает износ при упругом контакте, износ при пластическом контакте и микрорезание [21 и др.]. Первый вид рассматривается как процесс усталости, второй — как процесс малоцикловой уста­ лости. При трении каждый выступ гонит перед собой волну; впереди выступа материал сжат, сзади — растянут. Таким образом, поверх­ ностные слои истираемого тела последовательно подвергаются сжи­ мающим и растягивающим напряжениям. Исходным при упругом кон­

опорной поверхности. Полученные зависимости основаны на ряде допущений и требуют знания многих характеристик, но доведены до возможности численных расчетов. Они применимы для несмазанных* поверхностей. Представляет интерес расчетная оценка влияния на износ отдельных факторов. Например, при упругом контакте износ пропорционален контурному давлению в степени 1 + р/, где р — параметр кривой опорной поверхности, a t — показатель степени при напряжении в уравнении кривой усталости Велера. Износ пропор­ ционален коэффициенту трения f в степени t и т. д.

РЕМОНТОПРИГОДНОСТЬ

В связи с тем что наиболее быстро изнашивающиеся детали заме­ няют за время эксплуатации машин по нескольку раз, при конструи­ ровании обязательно должна быть обеспечена их ремонтная техноло­ гичность. Детали, которые трудно изготовить в условиях ремонта (например, бесшпоночные профильные соединения вал—ступица и ряд других), должны по возможности иметь ресурс, равный ресурсу машины, или машины должны обеспечиваться запасными деталями, изготовляемыми в централизованном порядке. Чтобы избежать боль­ ших затрат на ремонт, машины нужно проектировать так, чтобы в про­ цессе ремонта не требовалось обработки основных корпусных деталей, перешлифовки направляющих, перерасточки отверстий под коренные валы и т. д.

По опыту автомобилестроения машины по возможности нужно компоновать из легко заменяемых узлов и агрегатов. Необходимо стремиться сближать сроки службы деталей и агрегатов хотя бы для средних условий эксплуатации. Машины нужно проектировать так, что­ бы они нуждались в возможно меньшем и простом техническом обслу­ живании. Должны быть обеспечены: доступность узлов для осмотра, минимальное число точек смазки, промывки и регулировки и т. д.

186

ИСПЫТАНИЯ НА ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ

И с с л е д о в а н и е ж и д к о с т н о г о т р е н и я в подшип­ никах включает измерение момента сил трения, давления масла, тол­ щины масляной пленки и температуры.

'Величину момента трения в подшипниках определяют измерением: 1) суммарного момента вместе с моментом трения в опорных подшип­ никах качения, который исключают тарировкой; 2) момента четырех или трех подшипников с внутренним нагружением; 3) момента тре­ ния на поворотном корпусе при внешнем нагружении. Нагружение осуществляют через шарнирный параллелограмм, подшипник каче­ ния, гидростатический подшипник или электромагнитными силами.

рами, 2) встроенными в подшипник месдозами с датчиками сопротив­ ления, 3) пьезодатчиками (при динамических нагрузках), 4) полу­ проводниковыми датчиками, меняющими электрическое сопротив­ ление от нагрузки (наиболее перспективный метод).

Датчики устанавливают во вкладышах или на валу. В последнем случае требуется меньшее число датчиков для построения эпюры

няемый более простыми и удобными в эксплуатации электрическими

3) электрические, из которых наибольшее применение находит способ с емкостными датчиками. Датчики встраивают в подшипники или рас­ полагают по их торцам, что предпочтительнее с точки зрения тари­ ровки.

При испытаниях подшипников измеряют их температуру термо­ парами или датчиками сопротивления, заделываемыми во вкладыши,

торных условиях на образцах и на деталях и в условиях нормальной эксплуатации на натурных машинах. В соответствии с основными ви­ дами изнашивания испытывают преимущественно на абразивное из­ нашивание, и на схватывание (заедание).

На образцах выполняют сравнительные испытания на абразивное изнашивание материалов, смазок, защитных устройств и т д. Испыта­ ния материалов обычно проводят в условиях трения об абразив­ ную шкурку, о шлифовальный круг или о напильник.

Испытания на абразивное изнашивание деталей в условиях, близ­ ких к рабочим, являются длительными. Их проводят при частых пусках и остановах, сильно интенсифицированном режиме нагружений

187

VII. ТЕПЛОСТОЙКОСТЬ УЗЛОВ МАШИН

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Работа машин связана с тепловыделением, вызываемым рабочим процессом машин и трением в механизмах.

В тепловых двигателях теплота выделяется в результате сгора­ ния топлива в цилиндрах или приносится с рабочей средой — паром, газом; в электрических машинах — по закону Джоуля. В машинах для горячей обработки материалов и литейных машинах значительная часть теплоты приносится нагретыми заготовками или расплавленным металлом. Во всех технологических машинах подавляющая часть ме­ ханической работы превращается в теплоту. Так, процесс резания даже использовали для определения механического эквивалента теплоты. Работу трения в механизмах практически полностью можно считать превращающейся в теплоту. Некоторые машины, в частности большинство машин текстильной и легкой промышленности, расходует на рабочий процесс ничтожно мало энергии, а основная потребляе­ мая энергия расходуется на трение в-механизмах.

Кроме того, машины подвергаются внешним тепловым воздействи­ ям, связанным с условиями эксплуатации. Эти воздействия сущест­ венны в машинах, работающих на открытом воздухе, в связи с изме­ нением его температуры. Для прецизионных машин имеет значение’так-

колебаниями температуры (годичными, суточными, непериодически­ ми), ветром, прямыми солнечными лучами, а также в связи с перемен­ ными условиями эксплуатации — открыванием ворот, непостоянной работой оборудования и т. д.

Нагрев машин может вызвать понижение несущей способности деталей, работоспособности трущихся пар, точности машин.

Понижение несущей способности деталей наблюдается для сталь­ ных деталей при температурах выше 300—400° С, а для деталей из легких сплавов и пластмасс — выше 100—150°. Это связано в част­ ности с понижением основных механических характеристик материа­ лов, предела прочности и предела усталости, с охрупчиванием —. потерей пластичности по времени и, наконец, с явлением ползучести. Ползучесть, т. е. процесс малой непрерывной пластической дефор­ мации при длительном нагружении, становится основным критерием работоспособности для ряда деталей машин — лопаток и дисков турбин, элементов паровых котлов высокого давления и др. Ползу­ честь очень опасна в связи с возможностью выборки зазоров у вра-

189