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

ловиях нагрузки. А это могло произойти только при повторной за­ тяжке стяжного фрлта щеки вала уже ослабленной трещиной. В данном случае іпри ремонте двигателя был допущен явный про­ пуск на сборку задней части вала с трещиной.

Для снижения интенсивности развития фреттпнг-коррозии, со­ здания условий, менее благоприятствующих ее возникновению, целесообразно было упрочнить поверхность шейки передней части вала, сократить возможные микроперемещения в зоне контакта или использовать другие методы борьбы с фреттинг-коррозией. В данном случае было введено азотирование шейки вала и увели­ чено усилие затяжки стяжного болта.

Последующий длительный опыт эксплуатации двигателей дан­ ного типа показал, что введение этих мероприятий и, в частности, азотирование шейки вала оказалось достаточно эффективным. Фреттинг-коррозия в данной паре стала возникать значительно ре­ же, интенсивность повреждений резко уменьшилась, а появление трещин на шейке вала полностью прекратилось. Однако трещины на поверхности разрезной щеки, берущие свое начало от очагов фреттинг-коррозии, иногда еще приходилось наблюдать. По-види­ мому, для полного устранения фреттинг-коррозии в данной паре требуются дальнейшие изыскания.

На двигателях другого типа повреждения от фреттинг-корро­ зии обнаруживались на поверхности щеки задней части коленча­ того вала в зоне ее контакта с торцом внутренней обоймы ролико­ вого подшипника (зона А, рис. 77). Роликовый подшипник 2 уста­ навливался в данном случае на заднюю часть вала 1 с натягом

0,004—0,03 мм и через проме­ жуточные детали затягивался гайкой 3, прижимавшей его внутреннее кольцо к щеке вала.

Таким . образом, трения между торцовой поверхно­ стью внутреннего кольца под­ шипника и щекой коленчатого вала не должно быть. В сое­ динении возможны были лишь микроперемещения деталей, обусловленные их упругими деформациями, наличие кото­ рых и приводило к возникно­ вению и развитию фреттингкоррозии, сопровождавшейся

иногда образованием трещин, Трещины были как на валах, отработавших первый ресурс, так и проходивших ранее ремонт и имевших значительную общую продолжительность работы. При несвоевременном обнаружении эти трещины могут глубоко про­ никнуть в металл и вызвать разрушение детали (рис. 78).

Излом щеки вала, показанного на рис. 78, имел ярко выражен­ ный усталостный характер с очагом зарождения трещины от по­ верхности контакта с внутренним кольцом роликового подшипннка сильно поврежденной .фрет-

тинг-коррозней.

Для предупреждения фреттинг-коррозии было введено электро­ литическое меднение поверхности контакта половин картера. Это значительно улучшило положение, но не устранило полностью поврежденне. Так, на одном из двигателей, поступивших в пер­ вый ремонт, было обнаружено несколько трещин в задней и пе­ редней половинах средней части картера. Все трещины имели ус­ талостный характер и начина­ лись от очагов повреждения ма­ териала фреттинг-коррозией.

Медное покрытие на торце перед­ ней половины средней части кар­ тера в зонах развития фреттингкоррозии было полностью разрушено: и не предохранило поверх­ ности контакта от возникновения адгезионно-окислительного взаи­ модействия.

130

тактирующих поверхностей от адгезионного взаимодействия не является оптимальным покрытием. Неоднократными исследования­ ми [19] было показано, что покрытие медью значительно менее эф­ фективно, чем, например, покрытие латунью. Поэтому для повыше­ ния фреттинго-стонкости контактирующих поверхностей половин картера целесообразно покрывать их тонким слоем электролитиче­ ской латуни или другого сплава на основе меди, обладающего бо­ лее высокими, чем чистая медь, защитными свойствами.

Примером прессовых посадок, где часто возникает фреттннгкоррозия, может служить сопряжение пальца прицепного шатуна с главным шатуном.

Главный-шатун изготовляется из стали 40ХНМА, палец— из азотированной стали 38ХМЮА. Для предохранения от адгезионно­ го взаимодействия посадочные пояски пальца электролитическим путем покрывают медыо или латунью. Поверхности отверстий под пальцы в главном шатуне покрывают электролитическим хромом. Пальцы устанавливают в отверстия главного шатуна с натягом 0,023—0,032 мм, перед запрессовкой контактные поверхности сма­ зывают касторовым маслом.

При работе двигателя под действием давления газов происхо­ дило упругое микроперемещение пальцев в главном шатуне, что приводило к разрушению адсорбированных и иных поверхностных пленок, и возникновению адгезионно-окислительных явлений.

Из-за возникновения фреттинговых повреждений на поверхно­ стях отверстий под пальцы прицепных шатунов, я иногда и воз­ никновения трещин в перемычках между отверстиями под пальцы производилась отбраковка главных шатунов при ремонте.

Исследования -забракованных шатунов показывали, что благо­ приятные для развития фреттннг-коррозии условия работы данной пары, обусловленные конструкцией, как правило, усугублялись те­ ми или иными отклонениями, допускавшимися при ремонте или сборке. Было установлено, что фреттннг-коррозия на поверхностях отверстий под пальцы наиболее интенсивно развивалась на главных шатунах, проходивших-ранее ремонт. Трещины в перемычках были только на ремонтировавшихся шатунах и при значительной продол­ жительности их работы.

Повреждения фреттинг-коррозией были, естественно,. и на по­ садочных поясках пальцев, хотя интенсивность повреждения паль­ цев была меньше, чем поверхностей отверстий главного шатуна. Это связано с наличием на пальцах мягкого электролитического покрытия (медь, латунь), а также с тем, что в прессовых посадках охватываемая деталь вообще меньше повреждается фреттингом, чем охватывающая.

При анализе поврежденных деталей кривошипно-шатунного ме­ ханизма фреттинг-коррозией, а тем более трещинами, часто выяв­ лялись те или иные дефекты, связанные с их ремонтом. Были слу­ чаи, когда после снятия хрома с поверхности проушины шатуна в зоне зарождения усталостной трещины обнаруживались интенсив­ ные очаги схватывания материалов, не выведенные при последнем

ремонте и захромированные. Иногда после извлечения пальцев пу­ тем разрезки щек главного шатуна на поверхностях отверстии под пальцы обнаруживали глубокие риски, идущие от очагов схваты­ вания и образованные при выпрессовке пальцев в предшествующем ремонте. В отдельных случаях главные шатуны имели корсетность отверстии под пальцы прицепных шатунов в 3—5 раз выше допу­ стимого значения, а также овальность и конусность, завышенные в 1,2—2 раза. К тому же не всегда стабильной была геометриче­ ская форма и качество поверхности посадочных поясков лйльцев прицепных шатунов. Последнее было подтверждено специально проведенными измерениями небольшой партии пальцев разных ка­ тегорий, подготовленных для сборки кривошипно-шатунного меха­ низма на ремонтном заводе: новые латунированные пальцы имели чистоту поверхности посадочных поясков, соответствующую 9-му классу, а отклонения их диаметра в пределах одного пальца со­ ставляли 3—5 мкм, в то время как отремонтированные и подготов­ ленные под меднение имели отклонение 7—8 мкм, а уже меднеиные — 7—12 мкм. Класс чистоты ремонтных пальцев был

10— 11.

Исследованиями установлено, что наименьшая повреждаемость хромированных поверхностей отверстий главных шатунов под паль­ цы прицепных шатунов фреттинг-коррозией при контакте с латуни­ рованными пальцами наблюдается в слу­ чае обработки их под 10—:11-й класс чистоты по ГОСТу [7]. Наименее интен­ сивно повреждаются поверхности отвер­ стий, если пальцы устанавливаются с натягом выше 3'5—40 мкм. При натяге выше 40 мкм повреждаемость поверхно­ стей фреттинг-коррозией сохраняется

практически постоянной (рис. 80). Существенное влияние на процесс

возникновения фреттинг-коррозии в де­ талях кривошипно-шатунного механизма оказывает тип смазочной жидкости, ис­ пользуемой. при запрессовке пальцев при­ пайных шатунов. Оказалось, что лучшим для этой цели является репейное маслю, а не касторовое, применяемое в настоя­ щее время.

На основании проведенных исследований были разработаны ре­ комендации для повышения износостойкости пары шатун — палец, а также снижения повреждаемости их поверхностей фреттинг-кор­ розией [7].

Фреттинг-коррозия наблюдалась и на боковых поверхностях замка рабочих лопаток ротора компрессора и пазах диска ротора. Иногда от фреттинг-коррозии на замках лопаток возникали тре­ щины. При этом рабочие лопатки ротора компрессора и диски из­ готовлялись из высококачественной нержавеющей стали; лопатки

132

в пазы дисков устанавливались с зазором от 0 до 0,02 мм, что до­ стигалось подбором лопаток или притиркой их подошвы.

Возникновение фреттинг-коррозии на поверхностях контакта указанных деталей обусловливалось высокочастотными микропе­ ремещениями вследствие вибрации лопатки при работе двигателя. Иногда характерное расположение зон фреттинговых повреждений в виде отдельных полос объяснялось наличием волнистости поверх­ ности пазов диска, образованной при изготовлении из-за вибрации

протяжки.

Исследования поверхности изло.ма лопаток показали, что на­ чальные трещины усталости располагались іпод углом 45° к боко­ вой поверхности замка, что является характерной особенностью распространения трещин фреттингового происхождения.

На рис. 81 показан трубопровод первого контура топливного коллектора, поврежденный фреттинг-коррозией в результате взаи-

.модействия с подушками кронштейна крепления. В зоне изъязвле­ ния фреттинг-коррозией в стенке трубопровода возникла трещина. Вскрытие показало, что трещи­

рации.

Фреттинг-коррозия бывает также и на поверхностях ниток резьбы болтов, гаек, штоков и т. д. Она наблюдалась, например, на нитках разьбы болтов, крепящих цилиндр к стальному картеру двигателя, на резьбе ступицы конических шестерен центрального привода и т. д.

В первом случае появление фреттинг-коррозии на резьбе было связано с раскрытием стыка между фланцами цилиндра и карте­ ра из-за вытяжки болтов при работе. Во втором случае причиной была недостаточная затяжка гаек осевой фиксации шестерен.

Фреттинг-коррозия на нитках резьбы шестерен приводила иног­ да к возникновению в них усталостных трещин, сколам части нит­ ки и последующему развитию от этих сколов вторичных трещин в теле ступицы.

Фреттинг-коррозия может возникать и в сопряжениях, где за­ ведомо имеется незначительное относительное перемещение дета­ лей и возможно частичное удаление продуктов окисления металла из зоны контакта. Последнее вносит некоторое отличие в характе-

ЬЗЗ

ре повреждения поверхностей: в данном случае на деталях слабее выражены абразивные влияния.

Такой характер повреждения бывает на деталях шарнирного соединения гребенки лопасти несущего винта вертолетов с корпу­ сом осевого шарнира. Детали этого узла изготовляют из сталей различного химического состава и термически обрабатывают. Вза­ имные перемещения деталей относительно друг друга здесь неве­ лики, скорость трения незначительна.

Наряду с предусмотренным перемещением имеют место накла­ дывающиеся микроперемещения, вызываемые колебательными про­ цессами. При разборке указанного соединения на контактирующих поверхностях болта, гребенки и корпуса обнаруживался сплошной слой окисленного металла п язвенные, углубления различных раз­ меров. Повреждения язвинами возникали как на цилиндрических поверхностях болта и отверстий соединяемых деталей, так и на торцовых поверхностях гребенки. В отдельных случаях от очагов

фреттинг-коррозии развивались усталостные трещины, как это по­ казано на рис. 82.

Следует отметить, что подобные повреждения деталей гребенчатого соединения и, по-внднмому, разру­ шения их имели место и на зару­ бежных ветролетах [98]. В связи с этим проводились обширные иссле­ дования по предупреждению фрет­ тинг-коррозии и разработке мер повышения усталостной прочности материала при ее возникновении. В частности, рекомендовано приме­ нять различные виды механическо­ го упрочнения деталей в зонах кон­

такта: накатку шариками и роликами, обдувку дробью, а также смазывание поверхностей гребенчатого соединения противозадир­ ной смазкой на свинцовой основе с периодическим возобновлени­ ем смазки.

5. ПОВЫШЕНИЕ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ДЕТАЛЕЙ, РАБОТАЮЩИХ В УСЛОВИЯХ ФРЕТТИНГ-КОРРОЗИИ

Поскольку сущность фреттинг-коррозии .полностью пока'не рас­ крыта, нет и достаточно полно разработанных и обоснованных мер борьбы с этим явлением, которые были бы эффективными для раз­ личных узлов и применимы в- широком разнообразии условий службы деталей. Разные авторы, проводившие исследования в об­ ласти фреттинг-коррозии, предлагают различные меры ее предуп­ реждения, оказывающиеся в той или иной степени эффективными

.в данных конкретных условиях работы. Иногда результаты провер­ ки отдельных методов защиты от фреттингжоррозии, полученные

134

разными авторами, оказываются противоречивыми. Так, в работе [79] указано, что смазка жидкостями обычно не ослабляет интен­ сивности процесса фреттпнг-коррозин. из-за малой скорости отно­ сительного перемещения поверхностей, что более полезными явля­ ются пластичные смазки. На преимущества этих смазок указыва­ ется и в работе [97]. В то же время по данным работы [93] кон­ систентные смазки показывают плохие или средние антифреттинговые свойства. В работе [58] сказано о большом эффекте маловязких масел, а по данным работы [16] маловязкие минеральные масла (трансформаторное, веретенное) обладали в условиях опы­ та слабыми защитными свойствами от фреттинг-коррозии. Авторы работы [58] не обнаружили существенного влияния твердости исо­ става стали «а фреттингостойкость пары, тогда как многие иссле­ дователи считают (и практический опыт подтверждает это) повы­ шение твердости одним из главных путей снижения фреттинг-кор­ розии стальных детален.

Противоречивы также данные о влиянии на развитие фрет- тинг-коррозии дисульфида молибдена, как присадки к смазочным маслам J91, 94, 99].

Опыт эксплуатации авиационных конструкций показывает, что для повышения износостойкости деталей, работающих при фрет- тннг-коррозии, могут быть использованы различные способы. По­ этому при выборе способа защиты необходимо учитывать как усло­ вия внешних воздействий, так и возникающие под их влиянием ве­ дущие процессы разрушения поверхностей. При преобладающих

.адгезионных процессах способы защиты могут быть одни, при аб­ разивных явлениях — другие, при усталостных — третьи.

Для сокращения интенсивности фреттинг-коррозии деталей ко­ ленчатого вала поршневого двигателя в ряде случаев оказалось до­ статочным введение азотирования поверхности шейки вала и уве­ личение затяжки стяжного болта. В ряде прессовых соединении полезным было применение электролитического меднения поверх­ ности одной из деталей. В тех парах, где меднение было неэффек­ тивным, целесообразным являлось латунирование поверхностен де­ талей или применение других электролитических сплавов на осно­ ве меди.

Большое значение для предупреждения фреттинг-коррозии де­ талей прессовых соединений имеет рациональный выбор смазки, используемой при их сборке. Трансформаторное, веретенное и ма­ шинное масла оказались слабозащищающими поверхности от фреттинговых явлений. Репейное масло при запрессовке пальцев прицепных шатунов поршневых двигателей в отверстия главного шатуна оказалось более эффективным для защиты от фреттингкоррозии, чем широко применяемое касторовое.

В прессовых посадках существенное значение для снижения фреттинг-коррозии имеет величина натяга. Обычно для колец под­ шипников качения средних размеров, как правило, достаточным являются натяги в 25—ЗП мкм. Для пальцев прицепных шатунов поршневого двигателя минимальная повреждаемость фреттинг-

135

коррозией достигается при натяге около 40 мкм. Дальнейшее же увеличение иатяга не ведет к снижению повреждаемости пальцев и поверхностей отверстий главного шатуна, а для других пар опти­ мальная величина натяга может быть иной. Поэтому определять ее следует экспериментально исходя из условий -нагружения па­ ры при эксплуатации.

В малоподвижных соединениях полезными оказываются лако­ вые и клеевые пленки, покрытия на основе графита и дисульфида молибдена, специальные битумные, нейритовые, а также фторо­ пластовые и иные прокладки и т. д. В определенных условиях эф­ фективными против фреттинг-коррозпи являются поверхностные об­ работки: фосфатирование, оксидирование, анодирование детален из алюминиевых сплавов. Эти виды обработок, разобщая контакти­ рующие поверхности, иногда полностью устраняют фреттинг-кор- розию между стальной деталью и из алюминиевого сплава.

Хорошие результаты дают некоторые гальванические покрытия свинцом, оловом, кадмием. Широко распространенное хромовое покрытие, по-видимому, не 'предотвращает фіреттинг-коррозпп.

Обобщая используемые на практике, а также рекомендуемые в литературе методы защиты от фреттинг-коррозии, можно выделить следующие основные направления повышения износостойкости де­ талей, работающих при малых взаимных перемещениях:

1. Предотвращение относительного проскальзывания контакти­ рующих деталей за счет увеличения нормальной нагрузки или уменьшения тангенциальной силы. Это может быть достигнуто увеличением затяжки болтов, увеличением натяга при прессовых посадках и т. д.

2. Предотвращение сродства металлов контактирующих деталей путем применения в паре разнородных по свойствам металлов, создания поверхностных слоев, не склонных к адгезионному взаи­ модействию, осаждения на поверхность одной из деталей пары тонкого слоя мягкого металла — медных сплавов, олова, серебра, золота, свинца, индия и т. д., а также путем пассивации исходно­ го металла или нанесенного слоя гальванического покрытия.

3. Уменьшение коэффициента трения в паре путем применения смазок, металлических мыл, лаковых пленок на основе синтетиче­ ских смол, композиций с дисульфидом молибдена и т. д.

Целесообразнее, по-видимому, применять пластичные смазки, так как жидкие масла при тех скоростях перемещения поверхно­ стей, которые имеют место при фреттинге, не могут устранить пол­ ностью непосредственный контакт металлов.

Применяя пластичную смазку, следует иметь в виду, что со временем она может выдавливаться из зоны контакта, высыхать, терять свои свойства, что ухудшает ее защитное действие против фреттинг-коррозии.

4. Разделение контактирующих поверхностей сопряженных де­ талей прокладками: паронитовыми, резиновыми, фторопластовыми и т. д. Иногда, как это бывает, например, при перевозке дюралю­ миниевых листов, полезными могут быть прокладки из мягкой бу­

136

соединения на его прочность. М., «Машиностроение», 1961, т. 67, № 12, с. 19—'25,

тановки и методы -для исследования противоизносных свойств и контактно-тер­ мической стабильности реактивных топлив. В кн.: Эксплуатационные свойства авиационных топлив, Киев, Труды КИИ ГА, 1969, с. 25—34.

5. А к с е н о в А. Ф„ Л и т в и н о в А. А., Б о р о д и и А. Е. и др. Не­ которые результаты исследования путей повышения износостойкости деталей топливных агрегатов, работающих при трешш качения в топливных средах. В' кн.: Повышение износостойкости и срока службы машин. Сб. статей. Вып. 2, Киев, КИИ ГА, 1970, с. 5—7.

6. А л я б ь е в А. Я.'Методы защиты деталей от фреттинг-коррозин. В кн.: Надежность и долговечность авиационных газотурбинных двигателей. Сб. ста­

АШ-624'IP. В кн.: Прикладная механика. Вып. 3. Киев, КИИ ГА, 1970, с. 59—63' 8. А л я б ь е в А. Я., К р ы л о в К. А., О н о п р и е н к о В. П. Влияние внешних факторов на фреттинг-коррозшо ар.м«о-железа и стали. В кн.: Надеж­

тинга на четырехшариковой машине. В кн.: Трение и износ в машинах. Сб. ста­

.Избирательный перенос в узлах треиия. М., «Транспорт», 1969. ЮЗ с.

:138