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

Рис. 59. Характер разрушений золотников центробежного регулятора (стрелками показаны зоны схватывания материалов на рабочих поясках)

часто и интенсивно оно возникало на крайних поясках. В связи с этим наблюдались и два вида обрыва золотников: обрыв по­ водка и обрыв стержня между верхним и средним рабочими поисками (рис. 59). Первый вид был связан с развитием схваты­

с теми же причинами, что н для золотниковой пары регулятора оборотов топливных плунжерных насосов.

Для автоматического срабатывания электромагнитного воз­ душного крана, находящегося в системе управления лентой пере­ пуска воздуха газотурбинного двигателя на заданных его оборо­ тах, в конструкции предусмотрен центробежный датчик (рис. 60).

вания и наволакивания бронзы на поверхность валика распола­ галась ниже внутренней расточки втулки, в которую поступало масло из системы. В отдельных случаях прочность узлов схваты­ вания была настолько высокой, что работа подвижного сочлеие-

ния становилась невозможной: происходил срез хвостовика .при­ водной рессоры.

В зоне схватывания происходил высокий местный нагрев, что приводило к снижению твердости материала валика и возникнове­ нию на нем цветов побежалости. Величина износа втулки соста­ вляла 0,05—0,07 мм.

Исследованиями • было установлено, что схватывание материа­ лов валика н втулки являлось следствием попадания в зазор вместе с маслом посторонних частиц. К этому же приводила уста­ новка валика во втулку с уменьшенным зазором.

Иногда при возникновении очагов схватывания материалов ва­ лика и втулки датчика подвижность в данной паре не нарушалась, но происходило заедание золотника в валике. Усилие отклоняю­ щихся центробежных грузиков при вращении валика становилось недостаточным, чтобы передвигать в осевом направлении золот­ ник, и работоспособность датчика нарушалась. _

Отказ датчика такого характера произошел однажды на пер­ вом часу работы после его переборки, произведенной в целях вос­ становления консервации. Из-за возникновения локального схва­ тывания материалов втулки и валика и разогрева последнего произошло уменьшение зазора между валиком и золотником, что в сочетании с ухудшением смазывающих свойств масла, привело к схватыванию материалов золотника и валика и заеданию золот­ ника по нижнему уплотнительному пояску.

Учитывая весьма малую продолжительность работы датчика после переборки, нормальную величину зазора между золотником и валиком и между валиком и втулкой на неповрежденных участ­ ках, следует полагать, что нарушение условий трения валика во

100

схватывания материалов контактирующих деталей золотниковой пары и заедание ведущего валика регулятора оборотов в корпусе агрегата (рис. 61).

Ведущий валик 2 регулятора вращался одновременно в кор­ пусе 3 регулятора и корпусе 1 масляного насоса. Скорость тре­ ния была 1,4—3,2 м/сек, смазка осуществлялась маслом МК-22.

При разборке агрегата на рабочих поясках ведущего валика, особенно на примыкающих к зубчатому колесу, были обнаружены цвета побежалости, риски и наволакивание алюминиевого сплава корпуса, а на торце шестерни валика, контактирующем с поверх­ ностью корпуса, — кольцевые риски и наволакивание материала. На поверхностях же корпусов регулятора и маслонасоса, контак­ тирующих с боковыми поверхностями шестерен, были обнаружены кольцевые риски, очаги схватывания с вырывами металла, распро­ страняющиеся примерно наполовину площади контакта по дуге окружности.

Односторонний износ поверхностей корпусов от воздействия торцов шестерен и, в частности, шестерни ведущего валика, и та­ кой же износ стенки отверстия корпуса регулятора свидетельство­ вал о ненормальном сопряжении валика с контактными поверх­ ностями корпуса. Установить конкретную причину этого не пред­ ставилось возможным. Однако было ясно, что подобный износ мог возникнуть или из-за несоосности отверстий под валик в корпусах регулятора и маслонасоса, допущенной при сборке, пли нз-за не­ перпендикулярности оси отверстия одного из корпусов поверхно­ сти разъема, или из-за перекоса валика в пределах зазоров вслед­ ствие попадания в зазор между рабочими поясками и стенкой от­ верстия посторонних частиц.' Любая из этих причин могла привести к местному значительному повышению контактных дав­ лений, разрыву масляной пленки и образованию очагов схваты­ вания. ,

Таким образом, снижение износостойкости, приведшее к отка­ зу в работе агрегата, могло быть вызвано или недостатками мон­ тажного порядка, или загрязнением агрегата при эксплуатации.

Следовательно, 'Проявляющаяся иногда недостаточная износо­ стойкость золотниковых пар вызывается различными причинами. Поэтому для повышения износостойкости необходимо добиваться снижения вибрационных перемещений золотника в гильзе, умень­ шения радиальных усилий, действующих на золотник, устранения перекоса его в гильзе, улучшения смазки рабочих поясков золот­ ников созданием на них специальных узких кольцевых смазочных канавок и т. д.

Необходимым требованием надежной и длительной работы зо­ лотниковых пар является тщательная фильтрация топлива, масла и гидравлической жидкости на входе в полости золотниковых уст­ ройств. Вновь собранные агрегаты должны быть тщательно про­ мыты, чтобы не оставить в их каналах и полостях частиц загряз­ нений. Кромки рабочих поясков золотников не должны иметь за-

101

усснцсв, которые могут при работе оторваться и попасть в зону трения. Консервацнониые смазки должны быть тщательно прове­ рены на отсутствие посторонних механических частиц.

Для повышения износостойкости золотниковых пар необходимо предохранять от 'изнашивания другие трущиеся пары агрегатов. Изнашивание последних может явиться источником загрязнения рабочих жидкостей продуктами износа и проникновения их в зону трения золотников. Часто применяемые для изготовления корпусов агрегатов, поршней и других деталей алюминиевые сплавы обла­ дают невысокой износостойкостью. В то же время окисленные продукты их износа имеют высокую твердость и могут оказать ■резко отрицательное влияние на работу золотниковых пар. В свя­ зи с этим детали из алюминиевых сплавов должны подвергаться анодной обработке.

Одним из важных направлений повышения износостойкости золотниковых пар является всесторонний анализ всех случаев по­ вышенного износа, выяснение причин этого и устранение их.

3.ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ ДЕТАЛЕЙ ПЛУНЖЕРНЫХ ПАР

Вгидравлических и топливных системах часто применяют на­ сосы с качающим узлом плунжерного типа.

При вращении ротора насоса плунжеры, опирающиеся сфери­ ческим концом на коническую поверхность кольца упорного под­ шипника (наклонной шайбы), благодаря его наклонному положе­ нию, совершают возвратно-поступательное движение в гнездах ротора. Усилием пружины и действием давления жидкости плун­ жеры постоянно прижаты сферическим концом к кольцу подшип­ ника.

На плунжер при работе.насоса действует ряд сил, прижимаю­ щих его к наклонной шайбе и к стенке отверстия в роторе, что ве­ дет к изнашиванию цилиндрической поверхности плунжера и гнез­ да ротора, а также сферы плунжера н наклонной шайбы.

Ротор насоса вращается со скоростью в несколько тысяч обо­ ротов в минуту. Вращающиеся вместе с ротором плунжеры ув­ лекают за собой кольцо упорного подшипника с некоторым про­ скальзыванием. Кроме трения о кольцо подшипника, плунжеры испытывают динамические нагрузки при отрыве их от кольца изза инерции пружины и трения в. гнездах ротора и последующем вос­ становлении контакта.

Плунжеры обычно изготовляются (целиком или только сфе­ рическая головка) из высокоуглеродистой стали ХВГ и после за­ калки и отпуска обрабатываются холодом. Сфера плунжеров по­ лируется до 10-го класса чистоты, и твердость их материала пос­ ле окончательной обработки составляет HRC 55-—60.

Кольцо упорного подшипника ( наклонная шайба) изготовляет­ ся из шарикоподшипниковой стали, а для изготовления роторов насосов используется сурьмянофосфористая или сурьмяноникеле­ вая бронза, обладающая высокими антифрикционными свойст­ вами.

102

Изнашивание цилиндрической поверхности плунжеров и стенок отверстий ротора происходит в основном за счет преобладающих окислительных явлении. Это определяет высокую износостойкость данной пары. В отдельных случаях на поверхности стенки отвер­ стий ротора от воздействия 'проникших в зону трения абразивных частиц выявляются риски. По длине плунжера так же, как и по длине отверстия ротора, износ распределяется неравномерно. У іплунжера наибольший износ наблюдается в той зоне, которой он контактирует с кромкой отверстия ротора при максимальном его выходе. Стенка же отверстия ротора больше изнашивается в крайних к торцу поясах.

Изнашивание этих поверхностей происходит под действием ра­ диальной составляющей центробежной силы инерции плунжера, прижимающей его к стенке отверстия ротора. От величины этой составляющей и коэффициента трения стали по бронзе при смаз­ ке топливом или гидравлической жидкостью зависит сила трения в паре.

Прижатие плунжера к стенке отверстия вызывает также со­ ставляющая силы реакции от наклонной шайбы.

Наиболее важным в обеспечении надежной и длительной рабо­ ты плунжерной пары является износостойкость сферы плунжеров ті'поверхностн кольца упорного подшипника.

Изнашивание сферы плунжеров происходит, как правило, за счет диспергирования образующихся на ее поверхности окненых пленок. При этом образование пленок происходит, по-впдимому, быстрее, чем их разрушение при трении. Этим и объясняется обыч­ но невысокая интенсивность изнашивания сферы плунжеров, хотя общий линейный износ их за (ресурс работы достигает до 0,8 мм, а иногда и более.

Плунжерные пары гидравлических и топливных систем самоле­ тов являются весьма высоконагруженными. Вследствие этого на сфере плунжеров нередко возникают выкрашивания микрообъемов металла, образуются мельчайшие, видимые лишь при значитель­ ном увеличении, раковины и микротрещины. При травлении изно­ шенной поверхности сферы плунжеров выявляется неоднородная травимость метериала, выражающаяся в наличии темных и белых слаботравящихся участков. Темные участки представляют собой зоны сравнительно высокоотпущенного мартенсита, белые — вто­ ричные а и у —твердые растворы, образовавшиеся вследствие теп­ лового воздействия от трения.

В переходной зоне от изношенной части сферы к неизношенной иногда обнаруживали строчечные выкрашивания материала кон­ тактного происхождения. При наблюдавшемся износе плунжера

плунжера возникало частичное разупрочнение материала. Тонкий поверхностный слон был обычно несколько упрочнен.

ЮЗ

При наиболее неблагоприятном сочетании условий нагружения и проскальзывания плунжера относительно поверхности кольца подшипника, периодического зависания его в отверстии, ротора и ударах о кольцо на его сфере возможно возникновение усталост­ ного изнашивания. В этом случае износостойкость плунжеров рез­ ко снижается и на поверхности их сферы возможно возникновение глубоких язвин и отслаивания объемов металла (рис. 62). В от­ дельных случаях отслаивание может быть весьма значительным (рис. 62 а), а трещины контактной усталости могут распростра­ няться на значительную глубину (рис. 62, б).

Рис. 62. Усталостный износ плунжеров:

а — износ сферы (Х2); б — микроструктура материала (ХІІОО)

Усталостное изнашивание плунжеров по сфере сопровождается загрязнением рабочей жидкости частицами металла, что может явиться причиной заклинивания плунжеров в гнездах ротора п выхода из строя золотниковых пар насоса.

В некоторых конструкциях для изготовления плунжеров стали применять высокохромистую сталь Х12М, имея в виду их работу по наклонной шайбе, изготовленной из стали ЭИ-347Ш.

Плунжеры из стали Х12М при работе в ореде топлива являют­ ся более износостойкими, чем из стали ХВГ. Однако и на этих плунжерах иногда проявлялось усталостное изнашивание. Воз­ можно, что возникновение его начальных очагов было связано с первоначальным выкрашиванием карбидов, не удаленных с по­ верхности сферы плунжеров при их изготовлении.

На плунжерах из стали Х12М при изнашивании в условиях преобладающих окислительных явлений заметных процессов уп­ рочнения и разупрочнения материала не наблюдалось. Причиной возникновения усталостного разрушения на сфере плунжеров, на­ ряду с тяжелыми условиями трения, являлась иногда неудачная ориентация волокон материала, допущенная при изготовлении (рис. 63). Перерезание волокон в контактной зоне снижает дол­ говечность плунжеров при работе их на контактную выносли­ вость [65].

104

возникали контактно-усталостные процессы, сопровождавшиеся отслаиванием объемов металла. Очаги разрушения пли группиро­ вались на отдельных участках поверхности трения, пли распрост­ ранялись по всей окружности кольца. По своему характеру они являлись типичными для усталостного изнашивания.

На участках колец,, где еще не было выкрашивания материала, в сечении выявлялись трещины, идущие под малым углом к по­ верхности (рис. 65). Такие трещины по мере своего развития изменяли направление, вновь выходили иа по­ верхность, отделяя объем металла и

образуя язвину.

Существование усталостного изна­ шивания в плунжерных парах агрега­ тов свидетельствовало о недостаточ­ ном запасе контактной прочности ма­ териалов плунжеров и колец упорных подшипников при данных условиях работы. Непосредственной же причи­ ной, вызывающей этот вид изнашива­ ния, могли быть: возникновение повы­ шенных, непредусмотренных статичес­

скнх и динамических нагрузок в кон­ такте, повышенных сил трения сколь­ жения, изготовление деталей с неудач­

ной ориентацией волокон материала, наличие в их поверхностном слое хрупких, легко выкрашивающихся 'структурных составляю­ щих, качество смазывающей (рабочей) среды, наличие в иен аб­ разивных частиц, влаги н т. д.

Для повышения износостойкости плунжерных пар в целом не­ обходимо, в первую очередь, добиваться устранения усталостного изнашивания сферы плунжеров и поверхности кольца упорного подшипника.

В связи с этим целесообразным является проведение работ по сравнительным испытаниям различных сталей п выбору наиболее износостойких в данных условиях изнашивания. Полезным может оказаться и рациональное конструирование деталей, обеспечива­ ющее возможно минимальные давления в контакте.

Технологические методы обработки поверхностей трения долж­ ны обеспечивать их наибольшую стойкость при изнашивании в ус­ ловиях высоких контактных 'нагрузок. Недопустимо перерезание волокон на сфере плунжеров. Сфера плунжеров должна быть тща­ тельно 'отполирована. На ней недопустим выход хрупки?;, твердых структурных составляющих материала.

Повышение износостойкости плунжерных пар так же, как и зо­ лотниковых, в значительной степени может быть обеспечено уве­ личением противоизносных свойств рабочей среды путем введения в нее специальных присадок, очистки ее от посторонних твердых загрязнений.

106

4. ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ ДЕТАЛЕЙ ШЕСТЕРЕНЧАТЫХ И КОЛОВРАТНЫХ НАСОСОВ И ПРИЧИНЫ ИХ ПОВЫШЕННОГО ИЗНОСА

Детали качающего узла шестеренчатых и коловратных насосов масляных, топливных, воздушных систем работают на трение не­ сколькими поверхностями.

У шестеренчатых насосов в трении участвуют боковые поверх­ ности зубьев шестерен, цапфы, работающие во втулках или кон­ тактирующие с роликами подшипниковых пар, торцовые 'поверх­ ности шестерен от возможного взаимодействия с корпусными де­ талями и т. д. У коловратных насосов на трение работают (поверх­ ности рабочих пластин, стакана, ротора, плавающего пальца, под­ пятников и т. д.

Детали качающего узла обычно изготовляют из стали, поверх­ ности их трения упрочняют различными способами химико-терми­ ческой обработки. Втулки, подпятники делают бронзовыми, кор­ пусные детали — чаще из алюминиевых сплавов или чугуна.

При сборке насосов обеспечиваются оптимальные зазоры в тру­ щихся парах. Тщательно проверяются торцовые зазоры между вращающимися и .корпусными деталями.-

Трущиеся детали качающего узла при соответствующих усло­ виях нагружения, тщательно выполненной сборке и должной филь­ трации рабочих жидкостей обладают обычно достаточной износо­ стойкостью и обеспечивают, надежную работу насосов в течение заданного ресурса до переборки. Возникающие на поверхностях трения процессы характеризуются малой скоростью изнашивания, вследствие чего по отработке насосами установленного ресурса детали находятся в хорошем состоянии и могут быть использова­ ны для дальнейшей работы.

Однако в отдельных случаях наблюдается весьма интенсивный износ деталей узла, что приводит даже к отказу насосов в работе. Чаще всего причиной этого является возникновение схватывания материалов шестерен, роторов и пластин с корпусными деталями. Последнее возникает пли из-за невыдерживания необходимого до­

107

шестеренчатого типа состоит из корпуса 4, среднего корпуса 5, от­ литых из алюминиевого сплава Ал-б, и .крышки 1, изготовленной из сплава Д1Т. Внутри размещены нагнетающая и от­ качивающая секции, состоящие из пары шестерен. На хвостовик ведущего валика 3,-выполненного вместе с шестерней нагнетающей секции, насаживается шестерня 2 откачивающей секции.

Насос дважды подвергался ремонту и после второго ремонта наработал несколько секунд.

При разборке насоса были обнаружены надиры на крышке от воздействия торцов шестерен откачивающей ступени. Наиболее интенсивное разрушение материала крышки наблюдалось в зоне касания ее с торцом ведомой шестерни, которое происходило по части окружности ввиду непараллельности их поверхностей. Нади­ ры материала наблюдались и на дне колодца среднего корпуса по всей поверхности контакта.

На обоих торцах шестерниоткачивающей ступени наблюда­ лись кольцевые риски и наволакивание частиц алюминиевого спла­ ва, перенесенных с .крышки и среднего корпуса при схватывании.

Обрыв хвостовика ведущего валика явился следствием схваты­ вания материала ведомой шестерни откачивающей ступени и со­ прягаемых с ней деталей — крышки и корпуса насоса. Возникно­ вение схватывания началось по торцовым поверхностям шестер­ ни из-за отсутствия необходимого долевого зазора. Характер сле­ дов износа на крышке показал, что необходимый зазор не ’был выдержан на части зоны взаимодействия с нею шестерни, т. е. поверхность крышки была не перпендикулярна оси шестерни. .При­ чинами этого могло быть неравномерное снятие металла с поверх­ ности среднего корпуса при его притирке в процессе ремонта, не­ равномерная толщина прокладки между 'крышкой и средним кор­ пусом или неравномерная затяжка гаек крепления крышки к сред­ нему корпусу. Отказ агрегата в данном случае был связан с недо­ статками его сборки при ремонте.

Подобное разрушение из-за недостаточного долевого зазора между торцовыми поверхностями ротора и корпусными деталями наблюдалось также при эксплуатации вакуумнасосов.

При техническом обслуживании вертолета была обнаружена металлическая стружка на масляном фильтре главного редуктора. Ведущий валик маслонасоса не проворачивался в связи с закли­ ниванием ведомого валика во втулке корпуса маслоотстонника со стороны нагнетающей ступени. На стенках маслоотстойника, кор­ пуса и крышке насоса были глубокие кольцевые надиры, на тор­ цах шестерни — наволакивание материала. Бронзовая втулка кор­ пуса маслоотстойника, заклиненная на ведомом валике, проверну­ лась в корпусе.

Исследованием было установлено, что причиной этого явилось

.проникновение в зазоры между торцами ведомых шестерен и кор­ пусными деталями кусочков алюминиевой стружки, занесенных в полость редуктора при его установке на вертолет во время свер­ ления отверстия под штифт в алюминиевой заглушке вала. .

108