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

мой тележки шасси рассматриваемого самолета максимально допустимый зазор между втулкой штока и осью (см. рис. 18) бу­ дет равен'280 мкм, а длительность работы соединения до достиже­ ния данного зазора составит 2740 посадок.

В данном соединении диаметр отверстия втулок по чертежу

Фактические значения зазора в данном соединении при пос­ туплении самолетов на ремонт были подобраны по 75 стойкам шасси. Эти знамения составляли от 70 до 270 мкм.

Позднее по этой же методике было выполнено прогнозирова­ ние процесса изнашивания деталей шарниров шасси другого пас­ сажирского самолета в связи с увеличением его межремонтного ресурса1. Было установлено, что увеличение числа посадок само­ лета до ремонта шасси с 3 до 5 тыс. в большинстве шарниров не приводит к образованию недопустимого по величине зазора. Об­ разующиеся в этих шарнирах зазоры укладываются в допустимые ремонтные отклонения и не вызывают опасений снижения надеж-* ности работы деталей. Лишь в некоторых шарнирах, детали ко­ торых наиболее подвержены абразивным влияниям и выполнены преимущественно по 3-му классу точности, зазор к -концу отработ­ ки вновь установленного ресурса может достичь недопустимых ве­ личин. Во избежание этого было рекомендовано при ремонте шасси на увеличенный ресурс переходить в этих шарнирах к по­ садкам 2-го класса точности, что уменьшает интенсивность ихиз­ нашивания. При профилактическом техническом обслуживании самолета восстанавливать в этих шарнирах начальные зазоры не­ обходимо путем замены изношенных втулок или болтов на детали новые или ремонтного размера.

С использованием данной математической модели возможно решение двоякого рода задач: по заданному зазору определять ресурс работы шарнирного соединения или, наоборот, исходя из установленого ресурса определять, какой зазор может возникнуть в шарнире к концу ресурса.

Для прогнозирования изнашивания деталей шарниров на прак­ тике нужно иметь возможно большее количество измерений одно­ именных деталей, отработавших в эксплуатации различные по продолжительности сроки.

Измерения следует производить на всех самолетах с любой степенью износа деталей.

Метод измерения должен быть таким, чтобы погрешность из­ мерения не превышала воловины статистического интервала. При

1 Исследование выполнено И. Б. Тартаковскнм, Л. Г. Верховиным и авто­

ром.

59

неравномерном износе детали вдоль образующей и по окружности в расчет нужно брать максимальные отклонения размера. Детали шарнира, восстановленные при предыдущем ремонте гальванопок­ рытиями пли наплавками, из числа замеров следует исключать.

Глава III

и з н о с о с т о й к о с т ь

ШЛИЦЕВЫХ ДЕТАЛЕЙ И ЕЕ ПОВЫШЕНИЕ

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Для передачи крутящего момента от ведущей детали к соосно расположеной ведомой в машиностроении часто используется соединение их с помощью шлицев, образованных на наружной (внутренней) цилиндрической поверхности деталей. Шлицы выполяются прямоугольного, эвольвентного, треугольного и трапе­ цеидального профиля.

В авиационных конструкциях наиболее часто используются соединения со шлицами эвольвентного профиля. При этом веду­ щую деталь или непосредственно соединяют с ведомой, или чаще всего используют для этой цели третье промежуточное звено — вал-рессору, имеющую шлицы на обоих концах. С помощью валрессоры передают крутящий момент от ротора к редуктору в тур­ бовинтовых двигателях, от ротора двигателя к главному редуктору вертолета, от ведущего звена двигателя к агрегатам масляной, топливной, гидравлической и других систем летательных аппара­ тов и двигателей и т. д. С помощью шлицев передают вращение от вала ротора турбины к валу вентилятора турбогенераторной установки, от вала винта на воздушный винт поршневого двига­ теля, от вала главного редуктора на несущий винт вертолета и т. д. Центрирование соединяемых деталей производят по боко­ вым поверхностям шлицев. Для компенсации возможных погреш­ ностей изготовления и сборки в шлицевой паре предусматривают боковые зазоры, величина которых зависит от типа и размера соединения.

Номинальная погонная нагрузка, действующая на шлицы от передаваемого крутящего момента, при условии его равномерного распределения между всеми шлицами и по длине сопряжения, как правило, относительно невелика, что должно служить гарантией надежной и длительной работы шлицевой пары. При теоретически правильном изготовлении шлицевых деталей, геометрически точ­ ной оборке пары, абсолютно жестких деталях изнашивания боко­

60

вых поверхностей шлицев с отделением с поверхностей контакта частиц металла не должно происходить. Материал шлицев в та­ ком соединении должен работать лишь на смятие и изнашивание их может быть только в связи с процессом пластического дефор­ мирования. При этом последнее, по-видимому, должно наблюдать­ ся только ів первый период работы пары, пока не произойдет обмятия выступов неровностей и выравнивания давления по поверх­ ности контакта.

Имея в виду высокую твердость поверхностного слоя материа­ ла шлицев (так как их обычно упрочняют химико-термической обработкой), малую шероховатость поверхностей и относительно небольшую погонную нагрузку на шлицы, следует полагать, что за счет обмятая выступов неровностей возможно весьма незна­ чительное увеличение бокового зазора в шлицевом сопряжении. По окончании процесса обмятая выступов и выравнивания дав­ ления шлицевое сопряжение должно работать весьма длительное время практически без увеличения зазора между шлицами.

Однако в реальных конструкциях дело обстоит несколько ина­ че. Вследствие неточностей изготовления и неблагоприятного сочетания допустимых при изготовлении отклонений в размерах деталей при соединении их в кинематическую цепь в шлицевой паре неизбежно возникает некоторая несоосность—'перекос осей или их радиальное смещение. Это ухудшает условия контактиро­ вания шлицев и резко сокращает площадь их фактического кон­ такта в любой момент времени.

Находясь в процессе работы под нагрузкой, детали упруго деформируются, в сопряжении происходят микроперемещения, что ведет к возникновению на контактирующих поверхностях шлицев своеобразного процесса повреждения, именуемого фреттинг-кор- розией.

Работа шлицевой пары в условиях, отличных от теоретических, приводит к изнашиванию боковых поверхностей шлицев ие толь­ ко вследствие пластического деформирования материала, но и от­ деления его частиц. Изнашивание происходит .при фреттинг-кор- розии с преобладанием тех или иных явлений: окисления, абразив­ ного воздействия, схватывания материала.

Анализ состояния поверхностей шлицев различных авиацион­ ных деталей после работы их в узле свидетельствует о том, что наиболее часто фреттинг-коррозия шлицев проявляется в устало­ стно-окислительном взаимодействии металлов, разрушении пленок окислов при трении, абразивном воздействии частиц окислов на металл. Изнашивание в этих условиях при обычно высокой твер­ дости поверхностного слоя материала шлицев характеризуется ма­ лой интенсивностью. Обеспечение длительной надежной работы таких шлицевых соединений должно, следовательно, заключаться в повышении окислительной фреттингостойкости материалов па-- ры средствами, которые обеспечивали бы образование на поверх­ ностях контакта износостойких вторичных структур.

61

Наряду с этим в практике эсплуатации техники приходится наблюдать случаи, когда даже при весьма незначительной рас­ четной номинальной погонной нагрузке происходит интенсивное изнашивание шлицев. При этом на других объектах того же типа техники, в той же шлицевой паре износа почти не обнаруживается, а при исследованиях изношенных деталей никаких отклонений в качестве материала, химикотермической' обработке шлицев не выявляется. Изнашивание в этих случаях также происходит при фреттинг-коррозии, но уже с доминирующими адгезионными и аб­ разивными процессами. На поверхностях изношенных шлицев на­ блюдаются язвенные углубления, налипание частиц металла смежной детали, риски абразивного происхождения, продукты окисления металла.

Процесс изнашивания и его интенсивность определяют в этих случаях схватывание металлов на локальных участках контакта, разрывы образующихся связей, а также абразивное действие на­ липших упрочненных частиц металла.

До настоящего времени причины иногда повышенного изнаши­ вания шлицев в шлицевых парах были недостаточно ясны. Вслед­ ствие этого меры борьбы с износом не имели должного обоснова­ ния и часто носили эмпирический характер. Устранять повышен­ ный износ шлицев пытались увеличением длины шлицевого сопряжения, введением более крупных шлицев, повышением твер­ дости поверхностного слоя их материала, улучшением смазки пары трения, а также применением различных гальванических покрытий и т. д. При этом назначение тех или иных мер не увя­ зывалось с характером процессов, происходящих на поверхностях трения. Вследствие этого принимаемые меры давали некоторый положительный эффект, несколько повышали износостойкость шлицев и увеличивали долговечность шлицевых пар, но не приво­ дили к кардинальному решению вопроса. В шлицевых парах с усиленными шлцами и улучшенной смазкой приходилось наблю­ дать столь же интенсивное изнашивание, что и в неусиленных. Иногда шлицы изнашивались полностью за короткий период ра­ боты, что приводило к разрыву кинематической цепи сопрягаемых деталей.

2. ХАРАКТЕР ИЗНАШИВАНИЯ И ВЕЛИЧИНА ИЗНОСА ШЛИЦЕВ

Изнашивание шлицев (интенсивность процесса, характер и то­ пография износа) наиболее удобно рассмотреть на примере шли­ цевых соединений вала-рессоры турбовинтового двигателя. Этот вал имеет достаточно крупные шлицы и значительную длину шли­ цевого сопряжения, а это позволяет оценить не только абсолют­ ную величину износа, но и распределение его по поверхности тре­ ния, выявить зоны повышенного износа, ведущий и сопутствую­ щие процессы разрушения поверхности. Вместе с этим достаточно большой ресурс работы двигателей данного типа до ремонта и между ремонтами, а также значительное число этих двигателей,

S3

эксплуатирующихся в различных климатических районах страны,, позволяют получить более точные данные по износу шлицев даже при малой интенсивности их изнашивания, использовать статисти­ ческие методы обработки результатов наблюдении. Кроме того, вал-рессора имеет три шлицевых сопряжения со смежными дета­ лями, что весьма удобно для накопления статистического материа­ ла и оценки влияния условий работы.

Вал-рессору (рис. 33) изготовляют из стали 40ХНМА и тер­ мически обрабатывают. Имеющиеся на концах ее шлицы азотиру­ ют на глубину 0,5-0,8 мм и, как правило, покрывают слоем элек­ тролитическом меди. Шлицы переднего конца вала 1 входят в за­ цепление со шлицами ведущего зубчатого колеса редуктора, а

Рис. 33. Общий вид вала-.рессоры

шлицы заднего конца 2 зацепляются со. шлицами ступицы диска первой ступени ротора компрессора. Кроме того, на шлицы зад­ него конца вала (зона А) устанавливают ведущее коническое зуб­ чатое колесо центрального привода агрегатов, расположенных на лобовом картере двигателя.

Ведущее зубчатое колесо редуктора и коническое колесо цент­ рального привода изготовляют из стали 12Х2Н4А, шлицы колеса редуктора цементируют (HRC58). Шлицы конического колеса име­ ют твердость материала HRC32—41.

Диск первой ступени компрессора изготовляют из стали Х17Н2 (HRC33—39).

В процессе работы двигателя происходит изнашивание шли­ цев всех трех шлицевых соединений. Иногда величина износа пос­ ле отработки двигателем межремонтного ресурса является значи­

и высоте1. Износ шлицев вала-рессоры, контактирующих со шли­ цами ведущей шестерни редуктора, имеет наибольшие значения у торцов шлицевого соединения. В средней части шлицев по их длине наблюдается минимальный износ. Больше изнашивается часть шлица, примыкающая к его вершине. В зоне ножки шлица износ минимальный.

Аналогичным образом распределяется износ по поверхности шлицев вала-рессоры в шлицевом соединении его с ротором ком­ прессора: максимальный износ — у концов соединения, минималь­ ный— в средней его части (рис. 34).

1 Подбор фактических данных по износу и статистические исследования вы­ полнены совместно с М. Е. Хаймзоном.

63

Несколько иная топография износа шлицев наблюдается в сое­ динении вала-рессоры с конической шестерней центрального при­

ты в наиболее іподверженной изнашиванию зоне шлицев достигала иногда одного и более миллиметров.

Данное шлицевое соединение имело длину 15 мм.' Погонная нагрузка, действующая на шлицы от передаваемого крутящего момента, при условии его равномерного распределения между шлицами и по их длине составляла порядка 5 /<Г/см. Позднее длина шлицевого соединения была увеличена до 25 мм. Однако

64

ляров деталей изнашивались так же интенсивно, что и укорочен­ ные, и величина их износа при отработке межремонтного ресурса была иногда боле 1 мм (рис. 35).

Малоэффективным оказался и дополнительный подвод смазки в трущуюся пару.

Износ шлицев вала-рессоры, сопрягаемых со шлицами ступи­ цы первой ступени ротора компрессора, за 5 тыс. ч работы дости­ гал иногда 0,4 мм при среднем износе 0,22 мм. Зависимость уве- лпчения'-велнчины износа шлицев этого соединения от продолжи­ тельности работы вала-рессоры показана на рис. 36. Средняя кривая изнашивания обозначена сплошной линией, верхняя дове­ рительная граница поля рассеивания — пунктирной. Из рисунка видно, что эта зависимость носит экспоненциальный характер.

Рис. 36. Износ (6) шлицев вала-рессоры, соединяемых с ротором компрессора, в завнс-пдіостіг от’продолжительности работы (/)

Износ шлицев ротора компрессора за тот же период работы достигал 0,30—0,35 мм при средней величине его 0,12 мм.

Шлицы переднего конца вала-рессоры, сопрягаемые с ведущей шестерней редуктора, изнашивались за 4,5—5 тыс. ч работы в среднем до 0,18 мм. В отдельных наиболее неблагоприятных слу­ чаях износ йх достигал' 0,35 мм. Аналогичный по величине износ

был и у шлицев шестерни редуктора. Зависимость величины изно­ са шлицев этого соединения от наработки носила также экспонен­ циальный характер.

Статистическая обработка результатов измерении показала, что распределение износа шлицев деталей, как правило, подчи­ няется нормальному закону. Процесс изнашивания носит случай­ ный характер и, как это видно из рис. 36, обладает большим рас­ сеиванием. Последнее свидетельствует о существенно различных условиях изнашивания у разных экземпляров одноименных шли­ цевых соединений. Имея в виду, что спектр и величина передавае­ мого крутящего момента у разных экземпляров шлицевых соеди­ нений примерно одинаковы, качество изготовления шлицев во всех случаях соответствовало заданным техническим условиям, а тем­ пературный режим и условия смазки также одинаковы, объяс­ нить подобное рассеивание величины износа, видимо, возможно только различными условиями контактирования шлицев в соеди­ нении.

С увеличением времени работы шлицевого соединения непре­ рывно рос износ шлицев деталей (табл. 4). Скорость изнашивания вначале была высокая, затем постепенно уменьшалась, что гово­ рило о приработке пары, а после в течение длительного периода установившегося изнашивания эта скорость постепенно возраста­ ла. Приработка продолжалась весьма длительное время 0000 я и более), что связано со специфическими условиями процесса из­ нашивания в шлицевой паре. На этапе установившегося изнаши­

Неуклонное возрастание скорости изнашивания шлицев после окончания приработки связано с изменением условий работы па­ ры и, в первую очередь, со снижением твердости упрочненного при изготовлении поверхностного слоя материала по мере удаления от поверхности шлица.

66

Интенсивное изнашивание шлицев вала-рессоры и сопрягаемых с ним деталей приводило к преждевременному забраковываншо их при ремонте. Полное изнашивание шлицев в сопряжении валарессоры с ведущей шестерней центрального привода являлось причиной прекращения передачи вращения к агрегатам, располо­ женным на лобовом картере двигателя.

Износ шлицев приводил к их обламыванию или даже разруше­ нию детали.

В этом случае в зоне перехода изношенной поверхности к не­ изношенной образовывался уступ, от которого при определенных условиях нагружения зарождались усталостные трещины. Такие трещины возникали иногда на шлицах переднего конца вала-рсс- соры. Зародившись в районе уступа, они приводили к усталост­ ному обламыванию части шлица. Затем от его острых кромок зарождались вторичные трещины усталости, развивались в ободе венца и в стержне вала-'рессоры.

Значительному изнашиванию подвергались при работе шлицы приводных рессор различных агрегатов систем самолетов и дви­ гателей. Причем эти рессоры были изготовлены из различных ста­ лей, шлицы их упрочнены способами химико-термической обработ­ ки— цианированием, азотированием.

Одновременно со шлицами рессор изнашивались и внутренние шлицы сопряженных деталей — шестерен, роторов. Иногда про­ цесс изнашивания протекал столь интенсивно, что шлицы полно­ стью изнашивались до истечения установленного агрегату ресурса и его приходилось заменять досрочно.

На рис. 37 показана трансмиссия турбогенераторной установ­ ки, состоящая из валов ротора турбины и вентилятора, соединяе­ мых с помощью шлицев. Опоры этих валов установлены в разных

Рис. 37. Схема трансмиссии турбогенераторной установки, собранном с перекосов осей роторов турбины н вентилятора:

тилятора внутренними эвольвентными шлицами входит в зацепле­ ние со шлицами вала ротора турбины. При таком расположении опор в процессе сборки трансмиссии возможно несовпадение осей валов турбины и вентилятора, что может нарушить расчетные ус­ ловия работы шлицевого соединения, делая их более тяжелыми.

Вал ротора турбины ранее изготовляли из стали 12Х2Н4А, а вал ротора вентилятора — из стали 18ХНВА. Шлицы покрывали медью. При эксплуатации турбогенераторных установок были слу­ чаи полного износа шлицев (рис. 38).

иногда довольно интенсивное.

Так же, как и у вала-рессоры, распределение износа по боковой поверхности шлицев валов турбогенераторных установок неравно­ мерное: у концов соединения износ более высокий, чем в средней части. У головки шлица износ больше, чем у ножки. Величина максимального износа азотированных и серебряных шлицев ва­ ла турбины на 2500 циклов работы в известных нам случаях до­ стигала 0, 55 мм.

Исследования изношенных поверхностей шлицев различных авиационных деталей показали повышенную, против начальной, шероховатость, они были испещрены кавернами, покрыты слоем окислов. В зонах максимального износа шероховатость поверхно­ сти была значительной. В этих зонах, особенно у сильно изношен­ ных шлицев, наблюдали очаги схватывания, налипание частиц ме­ талла, вырванных при схватывании со смежной детали, а так­ же царапины абразивного происхождения. Степень окисления ме­ талла в этих зонах была незначительна. В зонах шлицев, где линейный износ минимальный, а также у шлицев с незначитель­ ным общим износом шероховатость поверхности была менее суще­ ственна, очагов схватывания почти не наблюдалось. Наиболее за­ метно проявлялись явления окисления: вся поверхность контакта сплошь покрывалась окислами темно-серого и темно-коричневого цвета.

Состояние изношенных поверхностей шлицев свидетельствова­ ло о. протекании при изнашивании даже в пределах одного шлица различных процессов разрушения металла. В зонах максималь­ ного износа доминирующими являлись процессы схватывания, а

68