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

Противоизносные свойства топлива могут быть значительно улучшены путем добавления к нему в небольшом количестве спе­ циальных присадок. Наиболее эффективными из числа известных в настоящее время являются антистатическая присадка АКОР-1 и противоизносные присадки ПМАМ-2 и ТП. На рис. 6 показано, как изменяются противоизносные свойства топлива Т-7 при добав­ лении в него этих присадок. Искусственное уменьшение концентра­ ции кислорода в топливе путем обработки его нейтральным газом, а также термообработка топлива, т. е. нагревание его до 120°С в герметичной емкости, значительно улучшают дротивоизнооные свойства топлива [5].

Сравнительная характеристика противоизносных свойств мас­ ла МС-20, гидравлической жидкости АМГ-10 и топлива ТС-1 при трении качения приведена на рис. 7. При испытаниях на четырех­ шариковой машине по методике, изложенной в работе М. Д. Без­ бороды«) и Г. С. Кривошеина [10], в определенных условиях ско-

6.ВИДЫ ИЗНАШИВАНИЯ И ИХ КЛАССИФИКАЦИЯ

Впрактике машиностроения для изготовления трущихся дета­ лей используют очень большое количество различных металлов. Условия изнашивания деталей весьма разнообразны. Протекаю­ щие на поверхностях трения процессы отличаются многообразием

исложностью. Все это вызывает возникновение изнашивания на деталях, различного по характеру и интенсивности.

Для оценки 'износостойкости материала при выборе его для конкретных условий трения, назначения средств борьбы с изна­ шиванием, установления причин повышенного износа деталей не­ обходима классификация видов изнашивания.

ческих и. химических процессов при изнашивании, является клас­ сификация, предложенная М. М. Хрущовым [81] и уточненная им же [83]. Автор рассматривает три группы видов изнашивания:

механическое, молекулярно-механическое п коррозионно-механи­ ческое. Каждая из этих групп, в свою очередь, подразделяется на ■подгруппы.

Воснову классификации Е. М. Швецовой и И. В. Крагельского

[88]положены общие закономерности процесса изнашивания. Ав­ торы различают два вида взаимодействия поверхностей: механи­ ческое— внедрение п молекулярное — притяжение и схватывание. При механическом взаимодействии могут наблюдаться выцарапы­ вание, выкрашивание, отслаивание и мпкроразрушение, а при мо­ лекулярном— глубинное вырывание, выкрашивание, отслаивание,

микроразрушение.

Исходя из двойственной молекулярно-механической природы взаимодействия поверхностей И. В. Крагельский [43, 44] предла­ гает пять основных видов нарушения фрикционных связей: срез внедрившегося металла, пластическое оттеснение его, упругое от­ теснение, схватывание пленок и их разрушение, схватывание по­ верхностей, сопровождающееся глубинным вырыванием металла.

Широкое признание нашла классификация, разработанная Б. И. Костецким [40]. Она основана на результатах многочислен­ ных матерналоведческих исследований изношенных деталей раз­ личных типов машин, изучении структурных и фазовых измене­ ний, происходящих .в поверхностных слоях при трении, а также исследований тепловых и иных явлений. В основу классификации Б. И. Костецкий берет пять ведущих видов изнашивания: схваты­ вание I рода, схватывание II рода (тепловой износ), окислитель­ ный, усталостный (осповидный) и абразивный.

В применении к авиационным конструкциям соответствующую классификацию видов изнашивания предложил Д. Н. Гаркунов [13]. Он выявил следующие виды изнашивания деталей:

изнашивание в результате молекулярного схватывания; изнашивание в результате диспергирования (размельчения)

отдельных участков контакта поверхностей; изнашивание в результате окислительных процессов;

изнашивание в результате, атомарного переноса металлов; другие виды изнашивания (кавитационно-эрозионное разруше­

ние, выкрашивание, образующееся при трении «белого» слоя, из­ нашивание вследствие вибрации).

Обобщая наблюдаемые на практике и предложенные различ­ ными исследователями, ГОСТ 16429—70 рекомендует различать три группы видов изнашивания: механическое, молекулярно-меха­ ническое и коррозионно-механическое. В группу механического изнашивания входят абразивное, гндроабразивное, газоабразив­ ное, эрозионное, усталостное и кавитационное изнашивание. К мо­ лекулярно-механическому изнашиванию относится изнашивание при заедании. Коррозионно-механическое изнашивание объединя­ ет окислительное изнашивание и изнашивание при фреттинг-кор- розии.

Создание стандарта, устанавливающего единые термины и оп­ ределения основных понятий в области трения и изнашивания и

20

рекомендуемая им классификация видов трения и изнашивания, будет способствовать единству взглядов и лучшему взаимопонима­ нию при проведении работ в области изнашивания детален машин и разработки мер борьбы с износом.

Глава II

ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ ШАРНИРНО-БОЛТОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ

И ПУТИ ЕЕ ПОВЫШЕНИЯ

1.ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Вавиационных конструкциях широко применяют шарнирно­

Разнообразие условий трения деталей шарнирных соединений вызывает существование на их поверхностях различных видов из­ нашивания. В большинстве шарниров изнашивание происходит главным образом за счет окислительных явлений и диспергирова­ ния материала на микроучастках контакта. Некоторые шарниры работают в условиях избирательного атомарного переноса [15].

Эти виды изнашивания являются наиболее благоприятными. При их существовании скорость изнашивания деталей очень нез­ начительна, повреждения поверхностей трения почти не происхо­ дит и долговечность узла трения может быть очень большой.

В ряде шарниров шасси, особенно у самолетов, эксплуатирую­ щихся на грунтовых аэродромах, доминирующим являются абра­ зивные процессы.

При неблагопрятных условиях эксплуатации, нарушении ре­ жимов смазки, неудачном сочетании материалов в паре в шарни­ рах иногда возникает схватывание материалов и изнашивание из-за разрушения очагов схватывания, вырыва материала, перено­ са его с одной поверхности на другую.

Абразивное изнашивание и схватывание металлов существен­ но влияют на долговечность трущихся деталей. Именно они вызы­ вают необходимость разработки и применения специальных мер для повышения износостойкости деталей.

Имея в виду распространимость и интенсивность-абразивного изнашивания в шарнирно-болтовых соединениях самолетных кон­ струкций, остановимся несколько подробнее на условиях возник­ новения и закономерностях его развития.

21

2. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ АБРАЗИВНОГО ИЗНАШИВАНИЯ

Абразивное изнашивание — наиболее простои вид разрушения поверхностных слоев материала деталей при трении. Абразивным, называют механическое изнашивание, вызываемое царапающим или режущим действием твердых частиц, соприкасающихся с де­ талью. Изнашивающими частицами чаще всего бывают минераль­ ные частицы (пыль, песок), проникающие в зону трения извне. Твердые частицы могут образоваться и в процессе самого изнаши­ вания поверхностей. Это окислы металлов, выкрашивающиеся ча­ стицы вторичных структур, наклепанные частицы, твердые струк­ турные составляющие сплава и т. д.

Окислы некоторых металлов имеют твердость значительно вы­ ше твердости самих металлов. Так, окисел алюминия А120 3 име­ ет твердость по шкале Мооса, равную 9. Продукты разрушения окисной пленки алюминия могут таким образом легко изнаши­ вать даже самую твердую сталь.

Фосфидная и фоофидно-карбидная эвтектики, содержащиеся в структуре чугуна для поршневых колец, имеют значительно бо­ лее высокую твердость, чем основные, структурные составляющие. Выкрашиваясь в процессе работы на трение, они оказывают аб­ разивное (режущее) действие на поверхность гильзы цилиндра.

Механизм абразивного изнашивания заключается в удалении с поверхности трения мелкой стружки или мелких частиц мате­ риала, отделившихся вследствие скалывания.

Абразивное изнашивание может проявляться в нескольких раз­ новидностях: изнашивание о закрепленный абразив, изнашивание свободными абразивными частицами, накапливающимися в зазо­ ре между деталями, изнашивание частицами, взвешенными в по­ токе жидкости (гидроабразивное изнашивание) или воздуха (га­ зоабразивное изнашивание) и т. д.

Изнашивание деталей под действием соприкасающихся с ними твердых частиц определяется их абразивностью. При этом под а б р а з и в н о с т ь ю понимают особое физико-механическое свой­ ство горных пород или других абразивов, выражающееся в их способности изнашивать контактирующие металлы в процессе трения [75]. Абразивность горных пород и минералов зависит от их твердости, агрегатного состояния, характера взаимодействия с изнашиваемой деталью и т. д. С ростом микротвердоети частиц горных пород, как правило, наблюдается тенденция к повыше­ нию их абразивности. Наиболее полно и всесторонне абразивное изнашивание изучено для случая трения о закрепленный абра­ зив— абразивную шкурку [84, 87].

По принятой авторами методике образец диаметром 2 мм истирался торцом о поверхность шкурки, натянутой на вращаю­ щийся диск, при одновременной радиальной подаче.

Полученные результаты авторы выражали в виде зависимо­ сти относительной износостойкости материала от его твердости. При этом под относительной износостойкостью понимали частное

22

от деления величины линейного износа материала, 'принятого за эталон, на величину линейного .-износа испытуемого 'Материала за одинаковый путь трения, 'приведенных к одинаковой удельной на­ грузке и одинаковой абразивной способности шкурки.

Было установлено, что относительная износостойкость техни­ чески чистых металлов, находящихся в неупрочненном состоянии, прямо пропорциональна их твердости (рис. 8). Все точки для тех­ нически чистых металлов располагаются на одной общей прямой, проходящей через начало

координат. На этой же прямой располагаются точ­

ки для сталей в термичес­ ки нео-бработані-Юім состоя­ нии. Износостойкость тер­ мически обработанных ста­ лей линейно повышается с повышением их твердости. При этом для каждой ста­ ли 'имеется -своя -зависи­ мость относительной износо­ стойкости от твердости.

Упрочнение металлов и сила-зов путем их пластиче­ ского деформирования (на­ клепа) не приводит при аб­ разивном изнашивании к пі'овышению износостойкостп, хотя и сопровождается повы-шейием твердости.

Величина -износа не зави­ сит от разницы твердостей абразива н стали, если твердость абразивных зерен

значительно превышает твердость стали. Если твердость стали ниже твердости абразивных зерен, но приближается к ней, то при уіменыш-енпи этой разницы наблюдается понижение -износа против того, который получился бы при использовании абразива той же зернистости, но более высокой твердости.

Изнашивание деталей под действием твердых абразивных ча­ стиц, находящихся в потоке набегающего воздуха, изучено в рабо­ тах В. Н. Кащеева, И. Р. Клепса, В. Д. Кузнецова и Ю. А. Тадольдера [36, 37, 49, 71]. Процесс изнашивания в этих условиях определяется абразивностью частиц и кинетической энергией их

вмомент удара.

Вработе Ю. А. Тадольдера [71] показано., что при разрушении под действием потока абразивных частиц, падающих на поверх­ ность под углом меньше 45°, сопротивление изнашиванию техниче­ ски чистых металлов прямо пропорционально их твердости. При угле падения более 45° такой зависимости не наблюдалось. Упроч-

33

нение металлов пластическим деформированием практически не вело к повышению его износостойкости в потоке абразивныя ча­ стиц.

Линейная зависимость износостойкости технически чистых ме­ таллов от их твердости наблюдалась и .при гидроабразивном из­ нашивании [74]. При этом более твердые частицы, содержащиеся

впотоке жидкости, интенсивнее изнашивали металл.

Сувеличением скорости полета абразивных частиц износ ме­ талла линейно возрастает как при малых углах атаки, так и при нормальном падении частиц на изнашиваемую поверхность.

Износостойкость металла под воздействием потока абразивных частиц, а также характер его разрушения зависят от угла падения

(утла атаки) частиц па поверхность детали. При нормальном уда­ ре, когда вектор скорости частицы направлен перпендикулярно поверхности детали, износостойкость материала определяется со­ противлением мпкрообъемов его усталостному, полндеформационному и хрупкому разрушению, а также способностью материала поглощать кинетическую энергию удара частиц за счет упругой деформации [75]. При острых углах падения абразивных частиц ■величина ударного импульса снижается. Повреждение материала происходит путем среза, отрыва частиц с образованием царапин.

Наиболее интенсивное изнашивание под действием потока аб­ разивных частиц для хрупких металлов наблюдается при нормаль­ ном их падении на поверхность детали. Для пластичных металлов разрушение будет более интенсивным тогда, когда вектор ско­ рости падающих частиц направлен под острым углом к поверх­ ности.

Интенсивность изнашивания металлов зависит от размера ударяющихся абразивных частиц. Имеется общая тенденция к увеличению интенсивности изнашивания с ростом размера час­ тиц до определенной величины. Затем интенсивность изнашивания 'начинает уменьшаться или незначительно увеличиваться.

С увеличением концентрации частиц в потоке интенсивность изнашивания возрастает.

Таким образом, основной закономерностью изнашивания ме­ таллов при трении о закрепленный абразив, при воздухо- и гидро­ абразивном процессе является повышение их износостойкости с увеличением твердости. Это и следует иметь в виду при выборе мер борьбы с абразивным изнашиванием. При этом увеличение твердости за счет механического упрочнения (наклепа) не ведет к повышению износостойкости при абразивном воздействии.

Применительно к шарнирно-болтовым соединениям самолет­ ных конструкций абразивное изнашивание происходит главным' образом за счет накопления в смазке посторонних твердых частиц, проникающих в открытые зазоры из атмосферы. При этом абра­ зивное изнашивание шарниров проявляется двояко: чаще всего большему изнашиванию подвергается поверхность втулки или про­ ушины, ■поворачивающейся вокруг болта детали, и меньшему — поверхность болта. В некоторых же случаях происходит шаржи-

24

ровашіе поверхности втулки абразивом, накапливающимся в смаз­ ке, и более интенсивное изнашивание болта этим закрепленным абразивом. Втулка в этом случае изнашивается мало и притом в первый период работы.

3. ВЕЛИЧИНА И ХАРАКТЕР ИЗНОСА ДЕТАЛЕЙ ШАРНИРОВ ШАССИ

Детали шарниров шасси самолетов обычно изготовляют из 'сравнительно мягких сталей -30ХГСА и ЗОХГСНА (твердость их после соответствующей термической обработки составляет 350— 400 кГ/мм2 и 500—550 кГ/мм2 по НѴ). Часто в шарнирах устанав­ ливают промежуточные втулки, изготовленные, как правило, из бронз БрАЖМц-10-3-1-5 и БрАЖН-10-4-4. Эти бронзы обладают хорошими антифрикционными свойствами, высокой прочностью и износостойкостью. Для повышения -коррозионной стойкости по­ верхности болтов и сопрягаемых с ними стальных деталей кадмируют или фосфатируют. Отдельные болты и оси имеют на поверх­ ности трения слон электролитического хрома.

Шарнирно-болтовые соединения шасси работают в сложных условиях изнашивания, характеризующихся высокими удельными давлениями на поверхность трения и в ряде случаев неудовлетво­ рительной смазкой трущихся поверхностей, попаданием в зону трения абразивных частиц. Скорости трения деталей шарниров при подъеме и выпуске шасси составляют несколько сантиметров в секунду, перемещение их относительно друг друга ограничено небольшими углами поворота. При рулении, разбеге самолета пе­ ред взлетом и пробеге после посадки в шарнирных соединениях шасси происходят произвольные микроперемещения сопряженных поверхностей с относительно малой скоростью трения. Характер и величина этих перемещений зависят от состояния и рельефа взлетно-посадочных полос и рулежных дорожек.

В соединениях, где стальной болт взаимодействует с бронзовой втулкой, где обеспечивается хорошая смазка и незначительно абразивное влияние посторонних загрязнений, изнашивание дета­ лей происходит, как уже указывалось выше, главным образом за счет окислительных явлений и диспергирования материалов на микроучастках контакта. Поверхность трения болта, работающего в таких условиях, приобретает высокую гладкость и зеркальный блеск. Чистота поверхности в сравнении с исходной повышается на 2—3 класса. Износ болта и втулки очень мал.

На рис. 9. приведены профилограммы поверхности болта, сое­

‘25

Поверхность болта имела исходную шероховатость соответствую­ щую 7-му классу. После длительной работы участки болта при­ обрели шероховатость, близкую к 10-му .'классу. Износ болта за межремонтный ресурс составлял всего 0,02—0,03 мм.

Аналогичное положение наблюдается у высоконагруженной хромированной оси,' соединяющей головку штока амортизатора с рамой тележки шасси, на участке контакта оси с ушками голов­ ки штока амортизатора (в ушках головки штока установлены ■бронзовые втулки). Чистота поверхности хромированной оси на этих участках возрастает с 9 до 11-го класса.

Износ оси за 2500 посадок не превышает 0,03-—0,04 мм при износе бронзовых втулок в пределах 0,10—0,14 мм.

На участках взаимодействия с бронзовыми втулками поверх­ ность оси покрыта темными окисными пленками, иногда на ней обнаруживается слой меди, выделившейся из бронзы в процессе работы пары вследствие избирательного атомарного переноса. Трущаяся поверхность бронзовых втулок в зонах, испытывавших нагрузку, часто покрыта слоем меди. Эта поверхность гладкая, блестящая, чистота ее значительно превосходит получаемую при изготовлении втулки.

Массовыми измерениями деталей шарниров шасси самолетов разных типов, изнашивание которых происходит при преобладаю­ щих окислительных явлениях, установлено, что интенсивность про­ текания процесса невелика, по с увеличением числа взлетов и по­ садок величина износа непрерывно возрастает.

На рис. 10 приведена зависимость изменения максимальной

обычно изнашивается меньше, чем втулка. Подобное распреде­ ление износа между деталями шарнира объясняется конструктив­ ным оформлением шарнирных узлов и .условиями трения сопря­ женных деталей.

При вращающемся болте и наличии шаржирования втулки аб­ разивом изнашивается больше болт, чем втулка.

26

Несмотря на малую интенсивность изнашивания болтов и вту­ лок, работающих в условиях преимущественных окислительных явлений, износ их к концу отработки самолетом установленного межремонтного ресурса достигает величин, приводящих к необхо­ димости при ремонте браковать втулки (или болты) и устанавли­ вать детали ремонтного размера.

Это связано с тем, что при преимущественном окислительном изнашивании или атомарном переносе всегда есть сопутствующие процессы. В данном случае это абразивные процессы, ускоряющие разрушение поверхностных пленок.

В ряде шарниров шасси самолетов ведущим видом является абразивное изнашивание деталей, вызываемое действием прони­ кающих в зазор и накапливающихся в смазке частиц аэродром­ ной пыли и -песка.

При изучении состояния шарниров шасси Д. Н. Гаркуновым [13} было обращено внимание на наличие большого количества абразивных частиц в смазке, которая непосредственно не участ­ вует в работе, а находится вблизи трущихся поверхностей и слу­ жит как бы резервом. Подсчеты показали, что в 1 си«3 смазки, взятой из этого резерва, содержится до 0,2 г абразивных частиц. Значительное количество частиц было и в смазке, непосредственно находившейся на поверхностях трения.

При взятии смазки для анализа из смазочных канавок и от­ верстий трех шарнирных узлов шасси пассажирских самолетов, поступивших в ремонт после отработки межремонтного ресурса, оказалось:

вузле крепления тележки шасси к амортизатору главной но­ ги содержится 19,7% твердых механических примесей, в том чис­ ле 4% частиц железа;

вузле соединения звеньев шлпц-шарннра — 17,3% твердых за­ грязнений, в том числе железа 4,3%;

Из этого видно, что примесей в смазке накапливается доволь­ но много и их тем больше, чем ниже расположен узел трения.

27

лок по окружности был неравномерным, с местными выработка­ ми. На поверхности 'болтов наблюдались риски с отдельными мелкими очагами задиров.

Следовательно, при абразивном изнашивании возрастание за­ зоров в шарнирах происходит более интенсивно, чем при окисли­ тельном изнашивании. Конечные значения зазоров могут превос­

летам одного и того же типа, эксплуатировавшимся на различных внутрисоюз­ ных линиях.

Из-за местного абразивного износа может значительно умень­ шиться сечение болта, что повлечет за собой снижение его проч­

28