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

вал выполнять свое основное назначение — поддерживать задан­ ное положение всех роликов относительно звездочки и при враще­ нии звездочки происходило неодновременное возникновение кон­

верхности звездочки в точках .контакта их с роликом увеличивал­ ся до Qi, равного сумме трех углов: Qi = Q+iß+y.

Как показали исследования, проведенные В. Г. Смирновым, И. Б. Тартаковскнм и В. П. Бойковым, уже при глубине лунок 0,02 мм угол Qi достигал 9—10°. А из работы В. Ф. Мальцева [53] известно, что при таких значениях угла муфта становится не­ работоспособной, происходит проскальзывание роликов, так как величина угла превышает угол трения материалов пары (сталь — сталь).

119

Таким образом, изнашивание деталей муфты может привести к отказу ее в работе — проскальзыванию.

Проскальзывание муфты может быть тогда, когда все ролики попадут в лунки,. образовавшиеся при предыдущих включениях. Естественно, что вероятность этого весьма мала, хотя её: и he сле­ дует исключать. Именно по этой причине не удается вызвать пов­ торное проскальзывание муфты, если оно и было ранее зафикси­ ровано, а искусственно вызвать проскальзывание почти : невоз­ можно.

Для повышения надежности работы муфт необходимо повы­ сить износостойкость сепараторов,, обеспечить под нагрузкой кон­

Глава V

ИЗНАШИВАНИЕ ДЕТАЛЕЙ, ИМЕЮЩИХ МАЛЫЕ ВЗАИМНЫЕ

ПЕРЕМЕЩЕНИЯ В УЗЛЕ, И МЕРЫ БОРЬБЫ С НИМ1

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

На поверхностях деталей машин, устанавливаемых в узел с на­ тягом, соединяемых с помощью болтов и заклепок или имеющих предусмотренные конструкцией весьма малые взаимные переме­ щения, часто в зонах контакта возникает своеобразный вид пов­ реждений, характеризующийся образованием мелких язвенных углублений. Контактирующие поверхности в зоне язвин покры­ ваются слоем продуктов окисления металла, на них появляются риски абразивного происхождения.

Такой вид повреждения в совокупности с другими видами из­ нашивания возникает также на поверхностях шарнирных, шлице­ вых, замковых и шпоночных соединений, деталях подвесочных и регулирующих устройств, взаимное перемещение. которых -относи­ тельно друг друга ограничено.

В неподвижных узлах авиационных машин этот вид повреж­ дения возникает в следующих местах:

на переходных валах поршневых двигателей в зоне контакта с кольцом опорно-упорного шарикоподшипника;

на шёйке передней части коленчатых валов поршневых двига­ телей, на которую насаживается разрезная щека задней части вала;

120

на поверхности щеки задней части коленчатого вала в 'зоне установки роликового подшипника;

на поверхностях разъемов частей картера двигателей и отвер­ стий главных шатунов под пальцы прицепных шатунов;

на поверхностях контакта склепанных листов обшивки в райо­ не отверстий под заклепки и т. д.

В малоподвижных соединениях такие повреждения встре­ чаются:

на поверхностях втулок перепуска жаровых труб и корпусов воспламенителей камер сгорания;

на. цапфах направляющих и замках рабочих лопаток компрес­ соров; ..

•иа. шлицах различных валов и деталях измерителя 'крутящего момента;

на поверхностях штыкового замка дефлектора турбины, гре­ бенки лопасти несущего винта и корпуса осевого шарнира верто­ летов;

на поверхностях различных трубопроводов в зоне контакта

сколодочками крепления и т. д.

Влитературе процесс появления таких повреждений на не­ подвижных или мало подвижных поверхностях, находящихся под нагрузкой, нменуют обычно фреттинг-коррозней. Его называют также' коррозией трения, контактной коррозией, износом при виб­ рации и т. д.

Фреттинг-коррозия не только снижает долговечность деталей сама' по себе, но и приводит иногда к возникновению на них тре­ щин! Поэтому это требует более внимательного рассмотрения при­ роды и особенностей ее возникновения, а также связи фреттингкоррозии с усталостью металла.

2. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ФРЕТТИНГ-КОРРОЗИИ МЕТАЛЛОВ

Исследованию фреттинг-коррозии посвящено значительное число работ [8, 23, 79, 91, 99]. Однако в целом этот процесс пов­ реждения поверхностей изучен пока недостаточно. Среди исследо­ вателей нет единого мнения о механизме развития процесса; про­ тиворечивы полученные разными авторами результаты оценки влияния внешних факторов на интенсивность развития фреттинг1 коррозии и до сих пор не было установлено связи фреттинг-кор­ розии с другими видами изнашивания поверхностей.

Как указывает Р. Б. Уотерхауз [79], впервые на повреждения деталей фреттинг-коррозией обратили внимание, по-видимому, Иден,Роуз и Каннингем в 1911 г. В 1927 г. Томлинсон сделал пер­ вую серьезную попытку исследовать природу фреттинг-коррозии. В дальнейшем было выполнено много исследований, посвященных изучению этого процесса и влияния различных факторов на интен­ сивность повреждения поверхностей при фреттинг-коррозии. Об­ зоры современного состояния этого вопроса приведены в работах Аллсопа [92] и Уокера [97], причем последний рассматривает эту

12>г

представляет собой окислительный процесс, который ускоряется относительным перемещением поверхностей.

На основании результатов анализа состояния изношенных де­ талей различных машин Н. Л. Голего Г22] пришел к выводу о воз­ никновении фреттннг-коррозин вследствие окисления сопряженных металлических поверхностей. Считая фреттинг-процесс разновид­ ностью окислительного изнашивания, Н. Л. Голего полагает в то же время возможным выделить этот вид разрушения в самостоя­ тельный вид изнашивания в связи со специфическими условиями его возникновения и особенностями методов борьбы с ним.

Возникновение язвенных разрушений при окислительной приро­ де фреттинг-коррозип некоторые исследователи объясняют тем, что окисление металла сопровождается увеличением его объема, что приводит в замкнутых контурах к местному повышению давле­ ния, способствующему изнашиванию и возникновению язвин.

Поскольку образующиеся окислы являются, как правило, более твердыми, чем основной материал, то они оказывают абразивное воздействие на поверхность детали, усиливая ее износ.

Однако представления о фреттииге, как о процессе, первопри­ чиной которого является окисление металла, не всегда находят поддержку ввиду противоречия их фактическим данным, получае­ мым из практического опыта и при проведении специальных иссле­ дований.

Так, Фен И-Мин рассматривает фреттинг-коррозию как вид со­ средоточенного повреждения, начало которому кладет перенос ме­ талла и износ двух соприкасающихся поверхностей, когда условия трения между ними благоприятствуют запиранию образующихся от износа частиц [79].

В. С. Иванова и И. А. Один г [32] высказывали мнение, что развитие феттинг-коррозии определяется в основном процессом электроэрозии, возникающей в результате протекания термоэлект­ ротока. Однако в дальнейшем пришли к выводу, что механизм фреттинг-коррозии заключается в схватывании поверхностей на микролокальных участках с последующим разрывом слипшихся участков [33]. За этим первичным этапом наступает этап окисли­ тельно-механического изнашивания, образования окислов, их раз­ рушения и абразивного действия.

Адгезионная точка зрения на природу фреттинг-коррозии вы­ сказывается и рядом других исследователей. Эти исследователи сходятся в том, что сущность фреттинг-коррозии состоит в местном сваривании или адгезии контактирующих поверхностей на факти­ ческих участках контакта, за которым следует разрушение образо­ вавшихся временных связей, сопровождающееся переносом метал­ ла. Процессы образования связей и их разрыва могут повторяться многократно, приводя к повреждениям поверхностей деталей. Окис­ лительные явления при этом имеют сопутствующий характер и мо­ гут влиять на интенсивность повреждения поверхностей и их внеш­ ний вид. В некоторых случаях, например в конструкциях из алю­

123

миниевых сплавов, продукты окисления могут оказйвать и абразивные воздействия.

Поврежденные фреттннг-коррозией участки поверхности могут в дальнейшем усиленно повреждаться обычной атмосферной кор­ розией в связи с удалением защитного покрытия. Этот вторичный процесс иногда может затруднить подтверждение фреттннг-кор- розии в узле.

В последние годы глубокие и всесторонние исследования фрет- тинг-коррозии, условий ее возникновения и влияния различных факторов на интенсивность протекания процесса выполнены А. Я. Алябьевым [6—8]. Проведенные им комплексные исследова­ ния деталей машин позволили установить, что на участках поверх­ ностей, поврежденных фреттннг-коррозией, протекают различные процессы: схватывание, абразивное разрушение, усталостно-окис­ лительные процессы. В зависимости от свойств материалов кон­ тактирующих поверхностей, внешних механических воздействий и состава окружающей среды один из названных процессов может быть преобладающим. Именно этот процесс п оказывает основное влияние на долговечность трущейся пары.

■Исследованиями А. Я. Алябьева установлено влияние на раз­ витие фреттинг-коррозии удельного давления, 'частоты и амплиту­ ды вибрации, окружающей газовой среды, типа смазочного мате­ риала; им же изучены электрические и тепловые явления при фреттинг-коррозии. Эти исследования, результаты которых опуб­ ликованы в ряде статей, являются в настоящее время наиболее полными в области фреттинг-коррозии.

Адгезионная точка зрения на природу фреттинг-коррозии пред­ ставляется более предпочтительной. Однако не исключена ее двой­ ственность. При тяжелых условиях работы пары, когда наблюдает­ ся достаточно большая амплитуда мпкроперемещения поверхно­ стей с малой частотой, при высоких внешних нагрузках или когда имеется значительная пульсация удельного давления, решающим

ное давление — доминирующими могут оказаться химические, про­ цессы.

3. ФРЕТТИНГ-КОРРОЗИЯ И УСТАЛОСТЬ МЕТАЛЛОВ

Рассмотрение фреттинг-коррозии, особенно анализ усталостных поломок деталей машин, показывают ее прямую связь с усталостью металла. На неоднократных лабораторных испытаниях было пока­ зано, что локальные повреждения трущихся поверхностей при фреттинг-коррозии, относительно глубоко проникающие в металл и являющиеся геометрическими концентраторами напряжений, при­ водят к существенному снижению усталостной прочности. В зави­ симости от условий взаимного перемещения, режима нагружения и материалов контактирующих поверхностей отрицательный эф­ фект влияния фреттинг-коррозии на усталостную прочность :дета-

124

лей различен. Так, было установлено, что в условиях опыта при наличии фреттинговых повреждений предел усталости малолеги­ рованной стали снижается на 13%, а легированной на 18% [79]. При других условиях испытания повреждения поверхностей вслед­ ствие фреттииг:коррозии привели к снижению усталостной прочно­ сти до уровня, составляющего лишь 20% усталостной прочности при отсутствии повреждений [98].

Весьма значительное снижение усталостной прочности стали 40ХҢМД под влиянием фреттинг-коррозии было получено при ис­ пытаниях криволинейных образцов, вырезанных из кривошипных головок главных шатунов поршневого двигателя.

Одна партия этих образцов изготовлялась из новых, не бывших в эксплуатации шатунов и не имевших, следовательно, фреттинго­ вых повреждений.

Другая партия готовилась из шатунов, работавших на двига-

.телях и имевших повреждения фреттинг-коррозией на поверхно­

повреждения фреттинг-коррозии на поверхности отверстия главно­

центраторами напряжения, чем фреттинговые язвины, имеющие обычно-плавные очертания. Нередко приходится наблюдать обра­ зование усталостных трещин в деталях, воспринимающих при ра­ боте относительно небольшие переменные напряжения. Объяснить появление -этих трещин влиянием концентрации напряжений от фреттинговых язвин в этих случаях не представляется возможным. Интенсивность повреждения поверхностей фреттинг-коррозией в зоне образования усталостных трещин редко бывает значитель­ ной: И- наоборот, у тех же деталей в местах сильных повреждений усталостные трещины не возникают.

Начальные трещины усталости в зоне очагов фреттинг-корро­ зии располагаются под углом 45° к поверхности контакта деталей. При дальнейшем развитии они меняют начальную ориентировку

Г25

и идут далее в направлении, определенном полем нормальных на­ пряжений, действующих в детали от внешних нагрузок.

Такое расположение начальных трещин и отсутствие зависимо­ сти их появления от интенсивности повреждения поверхностей и другие особенности образования трещин указывают на более сложную связь фреттпнг-коррознп с усталостью металла. Раскры­ тие этой связи поможет обоснованно бороться с вредным влиянием фреттмнг-коррозии как явления, в значительной мере снижающе­ го надежность и долговечность многих узлов трения в машинах и механизмах.

Отмеченные особенности возникновения начальных трещин при фреттинг-коррозни могут быть объяснены с позиций рассмотрения фреттинга как процесса местного сваривания или адгезии метал­ лических поверхностей на участках фактического контакта и по­ следующего разрушения временных связей. Адгезия м'еталлов при­ водит к тому, что при относительных микроперемещениях контак­ тирующих деталей через участки связей передаются касательные напряжения, величина которых зависит от амплитуды перемеще­ ний и площади участков связей. Нормальные напряжения дей­ ствуют при этом в плоскости, наклоненной под углом 45° к 'Поверх­ ности контакта.

При достаточно высоких напряжениях материал на участках временных связей претерпевает пластическую деформацию и связи быстро разрушаются, обусловливая возникновение повреждений контактирующих поверхностей. Если величина напряжений недо­ статочна для быстрого разрушения связей, но превосходит предел усталости одной из деталей, то создаются условия для возникнове­ ния трещины усталости по истечении определенного числа циклов относительных перемещений деталей.

Естественно, что в первом случае при наибольшей интенсивно­ сти повреждения поверхности вероятность воникповения трещины усталости наименьшая, а во втором случае — наибольшая.

Трещины усталости возникают по границе участка адгезии контактирующих элементов деталей. При достаточном уровне пе­ ременных напряжений от внешних нагрузок возникшая начальная трещина может развиваться вплоть до полного разрушения детали. Если же переменные напряжения в детали недостаточны для даль­ нейшего развития начальной трещины, рост последней по достиже­ нии определенной глубины прекращается или во всяком случае резко замедляется.

Таким образом, фреттинг-корірозпя оказывает значительное вли­ яние на усталость металла. -В то же время фреттинг-коррозия са­ ма порождается теми же условиями изменяющейся нагрузки, ко­ торые могут вызвать усталость непосредственно. Говорить о том, что фреттинг-коррозия обязательно сопровождается возникновени­ ем усталостных трещин, было бы неправильно. Точнее, как указы­ вает Уотерхауз [79] и что подтверждается опытом исследований деталей, условия, благоприятствующие возникновению фреттингкэррозии, благоприятствуют и усталостным явлениям.

126

не бывших в ремонте, и на валах, прошедших несколько ремонтов. Длина участка шейки вала, занимаемого трещинами, иа исследо­ ванных валах достигала по окружности 35—37 мм. Глубина наибо­ лее развитых трещин доходила до 2,2 мм. Однако прямой -связи между продолжительностью работы валов и глубиной развития трещины выявлено не было.

При вскрытии трещин было установлено, что они и-меют уста­ лостное происхождение с началом развития от очагов фреттингкоррозин и идут в тело вала под углом около 45° к поверхности. Развитие трещин в глубь материала шейки вала было ограничен­ ным. Исходя из этого (в целях сокращения отбраковки коленчатых валов при ремонте двигателей) было сочтено возможным ремонти­ ровать их путем плавного выведения трещин, имеющих определен­ ную глубину. При этом специально проведенными длительными стендовыми испытаниями двигателя было установлено, что местное снятие материала при выведении трещин в установленных преде­ лах не снижает надежности работы валов. Кроме того, при воз­

появлялась и на поверхности со­ пряженной детали — щеки зад­ ней части вала.

Проведенные исследования показали, что фреттинг-коррозня на поверхности щеки развивается , более интенсивно, чем на шейке вала. Но появление ее на щеке является более нежелательным, чем на шейке вала. Напряжен­ ное состояние щеки таково, что возникшие на ней от фреттингпроцесса трещины не стабилизи­ руются, а продолжают непрерыв­ но расти и в конечном счете это может привести к разрушению щеки по клеммовому соединению

(рис. 76).

Трещины в щеке надежно вы­ являются при ремонте методом магнитного контроля. Ослабле­

ние внимания контролю может привести к установке на двигатель щеки с уже возникшей трещиной и к поломке ее при работе.

На одном из двигателей поломка щеки коленчатого вала: про­ изошла на 33-м часу после ремонта. При исследованиищеки «а ее посадочной поверхности под шатунную шейку в зоне очага воз­ никновения трещины были обнаружены незначительные, зачищен­ ные язвины фреттннг-коррозии. По характеру строения излома щеки в зоне усталостного развития трещины можно было делать вывод о том, что при работе детали наблюдалось изменение..в ус-

128