книги из ГПНТБ / Крылов К.А. Повышение износостойкости деталей самолетов

ному пределу продолжительности работы. В результате этого произойдет значительное недоиспользование резервов работоспо­ собности каждой отдельной шлицевой пары.

Поскольку метод замены элементов конструкции по регламен­ тированным ресурсам экономически невыгоден, в настоящее время ставится вопрос о разработке методов эксплуатации и ремонта с заменой деталей и агрегатов по техническому состоянию. При такой системе эксплуатации вопросы применения соответствую­ щих инструментальных методов определения величины износа и прогнозирования износа каждого конкретного шлицевого соедине­ ния по его состоянию в момент проверки приобретают особо важ­ ное значение.

Для прогнозирования износа конкретного шлицевого соедине­ ния прежде всего необходимо оценить степень перемешивания реа­ лизаций процесса изнашивания [18]. Если перемешивание реали­ заций сильное, то для каждого конкретного шлицевого соединения прогнозирование должно осуществляться по наихудшему из прак­ тически возможных для случайного соединения вариантов. В этом случае допускается, что из любого состояния возможен почти мгновенный переход реализации на верхнюю доверительную гра­ ницу процесса изнашивания случайного соединения. При таком подходе к прогнозированию для наиболее удачно собранного шли­ цевого соединения дается такой же прогноз, как и для менее удач­ ного. Подобное прогнозирование по сравнению с эксплуатацией по установленным ресурсам дополнительного экономического эф­ фекта не дает, поскольку допустимый безопасный ресурс также назначается из условий работы наиболееинтенсивно изнашиваю­ щегося соединения. Кроме того, вероятность выхода за верхнюю доверительную границу для наименее удачного шлицевого соеди­ нения выше, чем для случайного. Поэтому для отдельных шлице­ вых 'Соединений недопустимый износ может наступить раньше, чем предсказано прогнозом, и, следовательно, подобное прогнозирова­ ние поведения конкретного шлицевого соединения является недо­ статочно надежным.

Если перемешивание реализаций слабое, то для каждого конк­ ретного случая процесса изнашивания можно определить довери­ тельные границы, существенно отличные от доверительных границ всей совокупности анализируемых соединений. Это отличие тем больше, чем меньше перемешивание реализаций.

Для оценки степени перемешивания реализации случайного процесса, каким является изнашивание, применяют числовую ха­ рактеристику R(t\-t), называемую нормированной корреляцион­ ной функцией [11]:

шлицевого соединения при длительности работы t\ и t; фі и ф —

89

Это позволяет делать вывод о принципиальной ' возможности прогнозирования процесса изнашивания (накопления зазора) конкретного шлицевого соединения .по результатам шроверки после заданной продолжительности работы [48].

7. ОСОБЕННОСТИ И ПРИЧИНЫ ИЗНАШИВАНИЯ ШЛИЦЕВ ДИСКОВОГО ФРИКЦИОННОГО ТОРМОЗА

Другими причинами вызывается изнашивание шлицев в сое­ динении приводного валика с подвижным диском фрикционного тормоза. Такие тормоза применяют на некоторых типах двигате­ лей для предотвращения раскрутки воздушного винта и всех под­ вижных частей двигателя под воздействием порывов ветра при стоянке самолета.

Одна из конструкций тормоза, представляющего собой одно­ дисковую фрикционную муфту принудительного включения, пока­ зана на рис. 54. Тормоз состоит из корпуса 4, который связан с ро­ тором двигателя через валик 5, подвижного фрикционного диска

6, связанного с корпусом тормоза невращающегося нажимного диска 3, нажимного устройства (детали /, 2), механизма управле-- ння тормозом (детали 7, 8, 9). Диск 6 соединен с валиком 5 с по­ мощью шлицев. Включение тормоза заключается в зажатии фрик­

.91

порядковые номера. Сплошные жирные линии соответствуют зна­ чениям износов, определенных по результатам 'непосредственных измерений толщины шлицев, пунктирными — значения износов, полученные экстраполированием по суммарным значениям изно­ сив левых и правых боковых поверхностей шлицев.

Как видно, характер изменения величины износа шлицев по окружности похож на синусоидальный, а шлицы с максимальным износом (один по левой боковой стороне, а другой по правой) рас­ полагаются примерно под углом 120° друг к другу. Характер рас­ пределения износов шлицев дисков аналогичен.

Исследования также показали, что износ шлицев с качеством их изготовления (в том числе и химико-термической обработки) 'не связан, а объясняется неблагоприятными условиями работы де­ талей в узле.

После остановки двигателя в выключенном тормозе диск 6 под действием собственного веса опускается вниз до соприкосновения его некоторых шлицев со шлицами валика 5, выбирая боковые зазоры между ними. Начальная окружность шлицев диска сме­ щается относительно начальной окружности шлицев валика на ве­ личину, равную половине исходного бокового зазора между шли­ цами, определяемого как разность между шириной впадины меж­ ду шлицами диска и толщиной валика на их начальных окруж­ ностях. Боковые зазоры между шлицами от этого изменяются, и величины их становятся зависимыми от углового расположения шлицев на начальной окружности.

После включения тормоза диск 6 сохраняет смещенное поло­ жение. В таких условиях при воздействии на лопасть винта аэро­ динамических нагрузок валик 5 тормоза вступает в контакт с ос­ тановленным диском не всеми шлицами, а лишь несколькими из них, расположенными по одну сторону от линии центров началь­ ных окружностей шлицев диска и валика. Наибольшую нагрузку при этом воспринимают те шлицы обеих деталей, между которы­ ми в результате взаимного радиального’смещения получился ми­ нимальный боковой зазор, выбираемых при повороте валика. При повороте валика в противоположном направлении он вступает в контакт с диском такими же шлицами, но расположенными по другую сторону, от линии центров начальных окружностей. При этом максимально нагруженными шлицами являются те, боковые рабочие поверхности которых в местах контакта перпендикуляр­ ны плоскости радиального смещения деталей. Эти шлицы распо­ лагаются приблизительно под углом Ю0°—!2cc='120°, где а — угол профиля исходного контура эвольвентиых шлицев, равный 30°. Естественно, что максимально нагруженные шлицы изнаши­ ваются больше. Этим и объясняется 'характерное распределение износа между шлицами.

Если в собранном тормозе поверхность корпуса, к которой при­ жимается подвижный диск, окажется неперпендикулярной оси приводного валика или образующие шлицев диска не перпенди­ кулярны поверхности его полотна, в шлицевом соединении может

93

образоваться перекос, что приведет к неравномерному распреде­ лению нагрузки вдоль шлица и его неравномерному износу.

' Таким образом, износ шлицев валика и диска фрикционного тормоза возникает от возвратно-качательных перемещении тормо­ зимых инерционных масс в условиях относительного радиального смещения сопряженных деталей при включенном тормозе. Интен­ сивность изнашивания шлицев, по-видимому, могла бы быть сни­ жена, если бы тормоз был установлен ближе к тормозимым мас­ сам. Уменьшение относительного радиального смещения соединяе­ мых с помощью шлицев деталей муфты также могло бы быть полезным для повышения их износостойкости.

Глава IV

ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ ТРУЩИХСЯ ДЕТАЛЕЙ АВИАЦИОННЫХ АГРЕГАТОВ

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Авиационные агрегаты представляют собой относительно слож­ ные системы, имеющие золотниковые и клапанные устройства, „плунжерные и зубчатые пары и т. д. Отличительной особенностью агрегатов является высокая точность изготовления трущихся де­ талей и чистота обработки их поверхностей. В ряде случаев зазо­ ры в парах трепня агрегатов исчисляются микронами, а чистота обработки достигает 11 —12 классов по ГОСТу.

В большинстве своем трущиеся детали агрегатов обладают вы­ сокой износостойкостью II обеспечивают их надежную работу в те­ чение установленных сроков службы. Наблюдающийся у них нормальный эксплуатационный износ обычно не приводит к сни­ жению надежности работы агрегатов или недопустимому измене­ нию их рабочих характеристик. Этот износ обнаруживается при ремонте и устраняется существующими методами восстановления либо заменой деталей. Однако в некоторых случаях в трущихся парах по разным причинам возникали неблагоприятные виды, из­ нашивания (схватывание, усталостный износ), что снижало изно­ состойкость деталей и приводило к нарушениям работы агрегатов.

2.ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ ДЕТАЛЕЙ ЗОЛОТНИКОВЫХ ПАР

Вгидравлических, топливных, воздушных и других системах золотниковые пары выполняют весьма ответственные функции. Они регулируют подачу топлива, воздуха, рабочей жидкости, обес­ печивают соответствующее давление в системе и т. д.

94

Основным требованием, предъявляемым к золотниковым па­ рам, является высокая стабильность малых по величине сил тре­ ния между золотником и гильзой и хорошая герметичность. Ма­ лейшее изменение давления в системе должно вызывать переме­ щение золотника в гильзе и изменение расхода жидкости через соответствующие каналы. Поэтому даже незначительное увеличе­ ние сил трения в золотниковой паре приводит к понижению чув­ ствительности регулирующего устройства. Именно это обусловли­ вает требование высокой износостойкости золотниковых пар.

В авиационных конструкциях используют несколько типов зо­ лотниковых регулирующих устройств. Классификация их золотни­ ковых пар исходя из условий работы и особенностей нагружения и связи с процессом изнашивания изложена в работе В. Н. Лозов­ ского [50].

К п е р в о й г р у п п е (/) отнесены золотниковые пары регули­ рующих устройств, детали которых имеют только возвратно-по­ ступательное перемещение (рис. 56). Назначение золотниковых

при работе пары на изнашивание.

Таким образом, основной особенностью условий работы и на­ гружения деталей золотниковых пар данного типа является коле­ бательный характер их относительного перемещения при нали­ чии высоких удельных давлений на участках фактического кон­ такта.

Во в т о р у ю ш и р о к о р а с п р о с т р а и е н и у ю т р у п и у (II) входят золотниковые пары центробежных регуляторов. В этих устройствах золотник вращается вместе с центробежными грузи­ ками и перемещается возвратно-поступательно от воздействия хво­ стовиков отклоняющихся грузиков н возвратной пружины. .

Важнейшей особенностью работы золотниковых пар данного типа является высокая скорость скольжения деталей относительно друг друга. В этих условиях весьма нежелательным является воз-

93

ннкновенме таких обстоятельств, при которых возможно местное повреждение поверхностей трения, так как это может привести к схватыванию материалов пары.-

В о с о б у ю г р у п п у (III) могут быть выделены золотнико­ вые пары распределительных устройств, детали которых лишь пе­ риодически получают относительные возвратно-поступательные пе­ ремещения. Рабочая жидкость у таких пар подводится по ради­ альным сверлениям в гильзе, в результате чего золотник практи­ чески не испытывает односторонних осевых усилий от давления жидкости. Пульсация давления не вызывает здесь осциллирующих перемещений золотника.

Основной особенностью условий работы таких золотниковых пар является протекание рабочей жидкости через зазоры между деталями при большом перепаде давления и высоких скоростях истечения. В таких условиях происходит зарастание зазоров раз­ личного рода отложениями, возникает неуравновешенность гид­ равлических сил, вызывающих одностороннее прижатие золотника к гильзе.

Анализ работы золотниковых пар в службе показал, что в ос­ новном для п е р в о й их г р у п п ы недостаточная износостой­ кость характеризовалась возникновением схватывания металлов. Схватывание приводило к временному зависанию золотника в гильзе и полному его заклиниванию. Причиной схватывания яв­ лялось местное повышение давления из-за перекоса золотника в гильзе. Осциллирующие перемещения золотника способствовали разрушению масляных пленок на поверхностях трения и понижа­ ли способность материалов противостоять схватыванию.

вызывая местный его нагрев. При образовании царапины металл оттеснялся по. ее границам. Обнаженные и поднявшиеся над исход­ ной поверхностью объемы металла сопряженных деталей прихо­ дили в непосредственное соприкосновение, повреждая их дальше и вызывая схватывание.

Схватывание в золотниковых парах центробежных регуляторов может носить лавинный характер. В золотниковых парах центро­ бежных регуляторов золотник не воспринимает радиальных на­ грузок. Средние его пояски часто изготовляют меньшего диаметра, чем крайние, а процесс схватывания нередко начинается именно по этим пояскам. Учитывая это, объяснить возникновение схваты­ вания только высокой скоростью вращения золотника, видимо, не предоставляется возможным.

Непосредственной причиной, провоцирующей схватывание в зо­ лотниковых парах этого типа, является попадание в зазор посто­ ронних твердых частиц.

96 '

В топливе, гидравлических и других рабочих жидкостях содер­ жится большое количество частиц микрозагрязнений. По данным работы В. А. Пискунова и В. Н. Зрелова [60], в топливную аппа­ ратуру реактивного двигателя поступает топливо Т-1, содержащее до 6 г на тонну микрозагрязненнй с размером частиц до 30 мкм. Общее количество частиц размером до 20—30 мкм в одном литре топлива ТС-1 достигает 3,5—6,5 млн, а в топливе Т-1 и 4—10 млн. Гидравлическая жидкость на выходе из заправочных средств счи­ тается чистой и пригодной для заправки самолетов, если в 100 см3 ее содержится не более 150 механических частиц размером от 5 до 10 мкм, 25 частиц — от 10 до 25 мкм, 10 частиц — от 25 до 50 мкм

й имеющие высокую твердость, даже при всех принимаемых ме­

талей на изнашивание за счет возможного скалывания острых кро­

ния в золотниковых парах.

При эксплуатации топливных плунжерных насосов были слу­ чаи заклинивания золотника • всережимного регулятора оборотов. Золотник регулятора и гильза были изготовлены из стали, азоти­ рованы на глубину 0,07 — 0,12 мм на твердость HRC 60 с обеспе­ чением тем самым трения одноименных твердых поверхностей в условиях смазки авиационным топливом. Скорость трения дости­

Разрушения золотников чаще происходили по галтельным пе-» реходам от второго или третьего рабочих поясков в сторону повод­ ка, хотя были обрывы и по четвертому пояску со стороны поводка.

При исследовании таких золотников всегда выявлялось интен­ сивное схватывание материала их рабочих поясков с гильзой.

Наиболее интенсивное схватывание обычно наблюдалось по сред­ ним пояскам. Поверхностные слон материала золотника от заев­ шего пояска в сторону поводка во всех случаях имели сетку тре­ щин, идущих под углом к осп золотника. На противополжных гра­ нях поводка обнаруживалось смятие материала.

Первоначально возникшее схватывание материалов в процессе своего развития достигало такой степени, что становилось невоз­ можным дальнейшее вращение золотника. Продолжающий дейст­ вовать на поводок крутящий момент приводил к обрыву золотника по галтели.

Поскольку средние пояски золотника имеют диаметр несколько меньший, чем крайние, то необходимое для схватывания взаимо­ действие их с гильзой может возникнуть лишь в случае проникно­ вения в зазор посторонних частиц. Именно они, царапая поверх­ ности трения, создавали условия для возникновения схватывания металлов.

Подобные случаи пониженной износостойкости золотниковых пар были связаны, следовательно, с неудовлетворительной по тем или иным причинам фильтрацией топлива, плохой промывкой аг­ регатов после сборки их при изготовлении или ремонте.

Пониженная износостойкость из-за схватывания металлов на­ блюдалась также в золотниковой паре центробежного регулятора -топливного насоса-регулятора газотурбин­ ного стартера (рис. 58). Центробежный регулятор служит здесь для поддержания постоянным числа рабочих оборотов тур­ бостартера независимо от загрузки, пере­ пуская часть топлива из полости высокого давления в полость низкого давления, а

также масло—на гидромуфту. Работающий в пильзе 1 золотник 2

имеет три рабочих пояска: нижний, сред­ ний и верхний, служащие соответственно для уплотнения, перепусда масла на гидро­ муфту и слива топлива, из нагнетающей полости на всасывание. Золотник вместе с вилкой центробежных грузиков 3 получает вращение от шестеренчатой передачи.

Гильза и золотник регулятора изготов­ лены из стали ШХ—15, обработаны на твер­ дость HRC 61—65. Чистота обработки ра­ бочих поверхностей золотника и гильзы обеспечивалась по Г-1-му классу. Диамет­ ральный зазор между рабочими поясками золотника и пильзой для нового агрегата был 14—18 мкм.

-Наблюдения показывали, что при ра- Рис. 58. Схема центробеж-боте насосов схватывание бывало по всем кого регулятора трем пояскам золотника, хотя „наиболее

98