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

Значительный износ болтов обнаруживали уже после 200— 250. ч работы. Связано это было главным образом с низкой твер­ достью их материала, действием повышенных вибрационных на­ грузок. Введение термообработки повысило износостойкость этих болтов. Имеющиеся случаи повышенного изнашивания являются следствием недостатков сборки, приводящих к заклиниванию шар­ нирного подшипника и проворачиванию шарового вкладыша от­ носительно болта, несоблюдения заданной посадки болта, а также неблагоприятных условий его работы в контакте с сектором.

На одном из самолетов интенсивное изнашивание наблюдалось у детален шарнирного соединения тяги с качалкой системы управ­ ления рулем поворота. В отдельных случаях процесс изнашивания ■происходил в этом узле столь интенсивно, что приводил к почти

ника. По состоянию изношенных поверхностей было видно,' что изнашивание болта происходило длительное время при .невысо­ ких удельных давлениях и продолжалось до тех пор, пока не произошла его поломка. На изношенной .поверхности не было никаких рисок или задиров, что говорило об изнашивании за счет диспергирования поверхностных планок.

Как известно, тяга при работе системы совершает возвратно­ поступательные перемещения. Рабочие нагрузки от тяги на болт воспринимаются лишь частью его поверхности, располагающейся на диаметрально противоположных сторонах болта в плоскостях,

рально противоположных сторон, а не по всей окружности, как это имело место в данном случае. Поэтому наблюдаемый износ болта был вызван, видимо, совместным воздействием нагрузок от рабо­ чих перемещений тяги в горизонтальной плоскости и вибрацион­ ных нагрузок от вибрации тяги в вертикальной плоскости. Сочета­ ние этих нагрузок приводило к сложному движению вилки , тяги вокруг болта (при заклиненном подшипнике), когда точка контак­ та обегала по всей окружности его стержня.

39

При исследовании было выявлено, что на обеих плоскостях уха качалки имется местный износ от трения по ним щек вилки тяги. Стенки отверстия в щеках вилки тяги были изношены по всей окружности. На внутренних поверхностях щек вокруг отвер­ стий имелись овальные выработки материала от трения по ним торцов внутреннего кольца шарикового подшипника. Сам подшип­ ник был заклинен и не вращался. Средняя часть стержня болта прочно сидела во внутреннем кольце и не проворачивалась.

Сопоставление зон износа на деталях показало, что изнаши­ вание их могло произойти только при неправильном их взаимном расположении как показано на рис. 23. В этом случае плоскости щек тяги оказались непараллельными поверхностям уха качалки и без необходимого зазора между ними, что привело к изнашива­ нию уха качалки, засорению продуктами износа и последующему полному заклиниванию шарикового подшипника, а также прово­ рачиванию болта в проушинах вилки и работе его на изнашива­ ние. Последнее при отсутствии смазки привело к высокой интен­ сивности процесса и практически полному перетиранию болта.

■S

Таким образом, износ деталей шарнирно-болтового соединения был связан с неправильным взаимным расположением их, вызвав­

шим недопустимое контактирование.

Рассмотрим еще один пример повышенного износа деталей систем управления — оси поводка рулевого винта вертолета. Этот пример представляет интерес потому, что в нем показано из­ нашивание твердого хромового покрытия при трении по тексто­

литу.

Узел поводка служит для изменения и ограничения утла уста­ новки лопастей винта. При изменении угла происходит возвратно­ поступательное перемещение оси поводка 2 (рис. 24) во втулке 3,

40

запрессованной в стакан 4. Ось поводка изготовляют из стали 40ХНМА и по наружной поверхности покрывают слоем хрома толщиной 0,05 мм. Втулку изготовляют из текстолита ПТК. Со­ пряжение оси поводка с втулкой осуществляется по двум концент­ ричным цилиндрическим поверхностям с чертежным зазором

0,075—0,165 мм.

В данной паре происходит периодическое трение хромовогослоя по текстолиту при малых скоростях относительного переме­ щения и незначительных нагрузках.

При эксплуатации рулевых винтов износ хромированных осей и текстолитовых втулок обычно незначителен и не приводит к ка­ ким-либо отклонениям в работе -механизма. Рассматриваемый случай является частным, но показательным в части влияния не­ достатков изготовления и сборки пары трения на ее работоспособ­ ность. Винт норімально работал длительное-время, а затем в одном из полетов были замечены рывки в управлении при изменении угда установки лопастей.

После разборки узла поводка был обнаружен интенсивный местный износ хромового покрытия на обеих цилиндрических по­ верхностях его оси. Местами хромовый слой был изношен полно­ стью. Характер повреждения свидетельствовал не об отслаивании хрома, что наблюдают иногда при неудовлетворительной подготов­ ке поверхности перед гальванопокрытием, а именно об истирании его в процессе длительной работы. Доброкачественность хроми­ рования была подтверждена металлографическими исследова­ ниями.

Участки износа окружены хорошо видимым относительно боль­ шой площади ореолом, где хромовое покрытие вследствие изнаши­ вания приобрело зеркальный блеск. Это свидетельствовало о том, что контактирование поверхностей оси и втулки происходило поотдельным участкам. Последнее могло быть объяснено только от­ клонением в форме сопрягаемых деталей.

По всей хромированной поверхности оси хорошо просматрива­ лось большое количество рисок, ориентированных вдоль образую­ щей. На участках износа хромового покрытия были видны приз­ наки наволакивания текстолита втулки.

Измерения деталей при исследовании показали, что зазор между втулкой и осью поводка в сечениях, где нет видимого из­ носа хрома, составляет 0,03—0,08 мм, т. е. ниже минимально до­ пустимого по чертежу.

Таким образом следовало полагать, что износ оси поводка был связан с недостатками 'комплектации деталей в узле: узел был собран с недопустимо малым зазором. К тому же одна из деталей (наиболее вероятно, ось поводка) имела недостаточно точную гео­ метрическую форму( волнистость).

При работе сопряжения с пониженным зазором происходило постепенное изнашивание оси с образованием твердых вторичных структур, отделением их в виде мельчайших продуктов износа и шаржированием поверхности втулки. Это, в -свою очередь, интен--

41

сифнцировало процесс изнашивания оси вплоть до полного исти­ рания хрома на участках макроконтакта. Увеличение количества продуктов износа в зазоре привело в конечном счете_к периоди­ ческому подзаеданию оси поводка и рывкам в системе управления.

7. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ УСЛОВИЙ ТРЕНИЯ НА ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ ШАРНИРНО-БОЛТОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ

Шарнирные соединения деталей в машиностроении применяют очень широко. Однако специальных исследований, касающихся изнашивания деталей шарниров в различных условиях службы машин, влияния на их износостойкость изменяющихся условий трения, проведено ограниченное количество.

И. И. Трепененков и А. М. Черяпин [76] посвятили свою рабо­ ту исследованию влияния конструктивных параметров шарнира на ■его изнашивание под действием абразива. Они установили, что износ шарнира прямо пропорционален радиальной нагрузке, кор­ ню квадратному из диаметра шарнира и обратно пропорционален квадрату его длины.

Р. М. Матвеевский и М. М. Хрущов [54] провели испытания на изнашивание шарнира при отсутствии смазки и с подачей аб­ разива или без него. При трении без абразива образцы втулок и пальцев из стали невысокой твердости изнашивались весьма значительно из-за возникновения схватывания. При подаче, в за­ зор абразива характер износа изменялся (изнашивание станови­ лось абразивным), интенсивность его снижалась.

При контакте твердых деталей схватывания не происходило,

износ снижался. При увеличении отношения твердостей материа­ лов втулки и пальца до значения, близкого к единице, износ их снижался. При отношении твердостей, равном единице (при твер­ дости до 480 кГ/мм2). износ пальцев и втулок резко возрастал.

Д. Н. Гаркунов [13] проводил•испытания по оценке влияния твердости материала болта и втулки, величины зазора между ни­ ми, а также различных видов поверхностной обработки на износ шарнира при возвратно-вращательном движении и смазке маслом MC. Наибольшей работоспособностью в этих условиях обладал шарнир, у которого втулка и палец имели высокую твердость ма­ териала. Зазор в шарнире был от 0,05 до 0,15 мм. Хромирование болта повышало износостойкость пары в 6 раз. Оксидирование и фосфатирование было эффективно против схватывания в первый период работы пары. Эти методы обработки повышали износо­ стойкость пары в 1,2—2 раза.

С целью оценки влияния величины начального зазора в шарни­ ре на интенсивность его изнашивания нами были проведены ис­ пытания пальцев и втулок, изготовленных из стали ЗОХГСА (ав=і120+10 кГ/мм2), при возвратно-вращательном движении на машине Х6-Б [85]. . .

■42

Трущиеся поверхности пальцев и втулок обрабатывали шли­ фованием до 9-го класса чистоты. Испытания проводили при удельной нагрузке 25 кГ/см2 и смазке маслом МС-20. Длитель­ ность испытаний каждой пары — 5 тыс. циклов при частоте 58 циклов в минуту и угле поворота 40°. Внутренний диаметр вту­ лок— 30 мм. Результаты испытаний приведены в табл. 2.

женно соответствовали условиям работы шарниров самолетных конструкций, так как от­ сутствовали динамиче­ ские нагрузки, смазка осуществлялась жидким маслом, скорости трения

И. Б. Тартаков'окнм был разработаи специалыный стенд для исследования изнашивания ішарнира при івозвратно-враща- тельиом движении. Он позволял испытывать шарнир е консистентной омаэкой, а измерение івелимины зазора вести без разборки .пары. При на­ личии постоянно дейсівующей статической на­ грузки шарнир при ис­ пытаниях мог быть нагружен норміированными

43

Работа этого стенда при исследованиях заключалась в следую­ щем. Эксцентриковый вал 9 стенда приводится во вращение элек­ тродвигателем через ременную передачу 10. На валу на двух ша­ риковых подшипниках подвешен шатун 8, в нижней головке кото­ рого также на шариковых подшипниках смонтирована ось 5. На оси закреплена качающаяся рама 6, а в раме установлена испы­ туемая втулка 1. Втулка входит в сопряжение с испытуемым пальцем 2, закрепленным в стойке 17 так, что палец является единственной неподвижной опорой качающейся рамы. На одной геометрической оси с пальцем в раме смонтирована ось 16, с этой осью при помощи шарикового подшипника, заключенного в голов­ ке 15, шарнирно соединена тяга 14. Пружина 12 создает на тяге заданную статическую нагрузку, которая рамой передается испы­ тываемой втулке. Вращение эксцентрикового вала вызывает кача­ ние рамы 6, в результате чего возникает динамическая нагрузка на испытуемую пару, обратно пропорциональная расстоянию меж­ ду центром оси 5 и центром образца и прямо 'пропорциональная моменту инерции качающейся рамы. Эта нагрузка изменяется по углу поворота эксцентрикового вала по синусоидальному закону. Для подбора требуемого момента инерции рамы на ней закреплен сменный груз 7, вес которого одновременно создает дополнитель­ ную статическую нагрузку пары трения.

Испытуемый шарнир герметизируется с обоих торцов резино­ выми шайбами, полость между которыми (в том числе зазор в шарнире) заполняется смазкой. При испытаниях в жидком масле узел трения помещается в заполненную маслом ванну 18.

Зазор между втулкой и пальцем измеряется с помощью съем­ ного индикатора 13, его на.конечник при измерении контактирует с измерительной площадкой рамы. Выборка зазора при измерени­ ях производится 'винтом 11, при затягивании которого снимается нагрузка от пружины, а рама 'вместе с закрепленной на нее втул­ кой передвигается в крайнее нижнее положение. Индикатор в этот момент показывает величину измеряемого зазора. После измере­ ния винт, индикатор, проставка 4 и призма 3, служащие для фик­ сации рамы в определенном положении, снимаются со стенда.

При испытаниях на стенде обеспечиваются следующие условия:

На этом стенде было исследовано1 влияние твердости материа­ ла пальца на интенсивность увеличения зазора в паре, концентра­ ции и твердости абразивных частиц, накапливающихся в смазке, величины начального зазора в шарнире и величины динамической нагрузки. *

' Исследования проводились совместно с И. Б. Тартаковеким.

На рис. 26 показаны кривые изменения зазора в шарнире для четырех серий испытаний.

Кривая / 'показывает характер нарастания зазора при испыта­

Рис. 26. Изменение величи­ ны зазора (ф) в шарнире н зависимости от длительной работы (і) при 'Испытаниях:

I —стали 45 по бронзе; II—

зано изменение зазора в случае испытания с такими же втулками пальцев из закаленной стали ЗОХГСНА (НѴ 449—478). В обоих

ЦИАТИМ-201 с добавлением 0,5% по весу корундового порошка

корундового порошка придавало процессу изнашивания абразив­ ный характер. Кривые строились по средним значениям испытаний пяти-шести пар образцов.

Как видно, с увеличением твердости материала пальца при неизменном материале втулки износостойкость шарнира повыша­ ется. Однако это повышение относительно невелико и находится в пределах, наблюдаемых для чисто абразивного изнашивания при трении о закрепленный абразив [84].

- На кривых III и /У'показаны результаты испытаний образцов (сталь 45 и бронза) с уменьшенными динамическими нагрузками. Момент инерции в этих испытаниях был равен 1,26 кГ -см-сек2 (кривая III) и 0,26 кГ-см-сек2 (кривая IV).

Сравнивая результаты испытаний'I, III, IV групп опытов, не­ трудно видеть, какое значительное влияние оказывает динами­ ческая нагрузка на интенсивность изнашивания шарнира.

На рис. 27 показано влияние содержащегося в смазке абрази­ ва разной твердости на процесс изнашивания шарнира. Кривая / характеризует процесс изнашивания при наличии в смазке ЦИАТИМ-201 0,5% корундового порошка М10, а кривая II — при наличии в ней такого же количества кварцевой.пыли КП-3.

45

Согласно ГОСТ 9077—59, пылевидный молотый кварц КП-3 содер­ жит в своем составе не менее 98% окиси кремния. 80% пыли КП-3 проходит через сито № 005, остаток на сите № 0063 состав­

100 кГ, динамическая — что и в предыдущих опытах. Следовательно, при отсутствии ,в смазке твердых загрязнений износ шарнира идет весьма медленно. В- те­ чение первых 5—6 ч испытания зазор возрос на 0,02 мм и в даль­ нейшем в течение 22 ч он не изменился (опыты этой серии имели длительность по 28 ч). -

При разборке шарнира на поверхности трения пальца обнару­ живали налет меди, выделившейся из бронзы втулки, что свиде­ тельствовало о проявлении в данном случае избирательного ато­ марного износа. Последнее обстоятельство и обусловило практи­ ческое прекращение изнашивания пары трения.

Эти опыты показали, как важно предохранить шарнирные уз­ лы самолетов от попадания в них пыли, своевременно удалять из шарниров загрязненную смазку, заполняя их чистой, свежей смазкой, и оберегать от загрязнения смазку при хранении. Они показали также, что в определенных условиях трения при смаз­ ке ЦИАТИМ-201 может возникать явление атомарного переноса,, что весьма значительно повышает износостойкость шарнира.

Три серии опытов были посвящены выявлению влияния началь­ ного зазора в шарнире на его износостойкость.

Выше уже было сказано, что исследования влияния величины зазора в шарнире проводили и ранее. Одиако режимы этих ис­

46

пытаний (характер нагружения, смазка) не соответствовали ре­ ально существующим в шарнирах самолетных конструкций.

Данные испытания показали, что в исследованных пределах, с увеличением исходного зазора в шарнире наблюдается тенден­ ция к увеличению интенсивности его изнашивания (табл. 3).

Т а б л и ц а . 3'

Влияние величины начального зазора на интенсивность изнашивания шарнира

Ид полученных результатов можно сделать следующие прак­ тические выводы:

1) для повышения износостойкости и долговечности шарниров при.ремонте самолетов следует собирать их на нижнем пределе допуска на зазор, заданного конструктором; .

2)прекратить там, где это возможно, пользование ремонтны­ ми, как правило, увеличенными зазорами;

3)имея в виду все возрастающие межремонтные ресурсы сан молетов, целесообразно при ремонте собирать шарниры (в кото­ рых зазоры заданы третьим классом точности изготовления дета­ лей) по второму классу точности.

Все эти опыты были проведены при однократном заполнении шарнира смазкой. В процессе опыта смазка загрязнялась продук­ тами изнашивания и тем больше, чем интенсивнее оно приходи­ ло. В то же время в реальных конструкциях смазка в шарнирах периодически обновляется.

Для еще большего приближения условий испытаний-к реаль­ ным была проведена серия опытов с периодически возобновляемой смазкой в шарнире. Испытания проводились при тех же условиях трения, что и в предыдущих случаях, но смазка продавливалась через шарнир диаметром 20 мм с помощью специальной масленки после каждых двух часов изнашивания.

Полученные в этих опытах результаты в принципе подтверди ли выявленные выше закономерности процесса изнашивания. Из­ менился лишь темп возрастания зазора в связи с тем, что в дай-’ ном'случае каждые 2 ч в зазор подавалась вместе со смазкой новая порция абразива, не затупленного и не разрушенного тре­ нием.

47

8. ПОВЫШЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ БРОНЗОВЫХ (ВТУЛОК ШАРНИРОВ ПУТЕМ ИХ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ПРИ РЕМОНТЕ

При ремонте самолетов часто приходится браковать бронзовые втулки, работавшие в шарнирных узлах. Причиной этой браковки является увеличение их внутреннего диаметра свыше допустимых ремонтных значений из-за износа, а также наличие на поверхности трения глубоких рисок, вмятин, выработок и других дефектов, воз­ никших при эксплуатации.

Методов восстановления изношенных втулок, приемлемых для ремонтных заводов, пока не было. Известные способы электроли­ тического осаждения на бронзу сплава меди с оловом или фрик­ ционного бронзирования позволяют наносить лишь тонкие слои покрытия, что не решает задачи. Кроме того, желательно, чтобы восстановленный слой был близок по структуре к исходной брон­ зе и не содержал дефицитного олова.

Методом электрометаллизации молено наносить на металли­ зируемую поверхность или непосредственно слой бронзы, или по­ лучать соответствующего состава псевдосплав. Этим методом можно получить слой любой необходимой толщины, при этом про­ цесс восстановления может быть механизирован.

Металлизационные покрытия пористы, хорошо удердшвают смазку, обладают хорошими антифрикционными свойствами. Не­ достатком их являются высокие внутренние напряжения, нерав­ номерная сцепляемость с основным металлом из-за загрязнения металлизационного слоя окислами. При тяжелых режимах трения это молсет привести к отслаиванию покрытия. Кроме того, метал­ лизационные слои обычно имеют невысокую прочность на разрыв и отличаются хрупкостью.

Этим и объясняется то, что опособ электрометаллизации не на­ шел применения для восстановления размеров деталей при авиа­ ремонте.

Отсутствие способов восстановления бронзовых втулок вызы­ вает необходимость при ремонте самолетов изготавливать их в большом количестве из пруткового металла или соответствующих заготовок, расходуя для этой цели значительное количество бронзы.

Группой авторов [52] разработан гальванодиффузионный спо­ соб восстановления размеров бронзовых втулок, свободный от ука­ занных выше недостатков, и использующий хорошо освоенные в авиаремонте технологические приемы.

В основу способа положены два последовательно проводимых технологических процесса: гальваническое меднение и диффузион­ ное алитирование. Ограничиться только наращиванием на деталь слоя меди нельзя из-за ее низких антифрикционных свойств и не­ достаточно прочного сцепления, особенно при больших толщинах. Для улучшения антифрикционных свойств меди и повышения твердости производится диффузионное легирование ее алюминием, в результате чего медный слой превращается в алюминиевую

48'