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

там, где износ был минимальным, преобладали усталостно-окис­ лительные явления.

•На неупрочненных химико-термической обработкой шлицах в поверхностных слоях на глубину 100—150 мкм наблюдалось не­ которое повышение твердости при изнашивании. Величина упроч­ нения составляла 70—95 кГ/мм2. Непосредственно выходящие на поверхность слои толщиной до 10 мкм имели обычно несколько пониженную твердость, что говорило об одновременном протека­ нии при изнашивании процессов упрочнения и разупрочнения ма­

териала, шлицев в тонких слоях.

При электронно-микроскопическом исследовании в поверхно­ стном слое изношенных шлицев выявлялась пластическая дефор­ мация материала, вырывы его, интенсивное окисление деформи­

в случае изнашивания шлицев с небольшой интенсивностью про­ цесс в основном идет за счет окислительных явлений, разрушения пленок окислов и абразивного воздействия продуктов окисления на металл. При интенсивном изнашивании доминирующими яв­ ляются процессы схватывания металлов, разрушения образовав­ шихся связей, налипания вырванных с одной детали частиц ме­ талла на другую, абразивного воздействия их па исходную деталь. При многократном нагружении шлица возможно усталостное раз­ рыхление металла, которое при определенных условиях трения может стать одним из ведущих процессов разрушения поверхно­ сти.

3. ПРИЧИНЫ ПОВЫШЕННОГО ИЗНАШИВАНИЯ ШЛИЦЕВЫХ ДЕТАЛЕЙ

Анализ состояния поврежденных износом боковых поверхнос­ тей шлицев различных шлицевых деталей, изготовленных из раз­ личных материалов, работавших в разных условиях смазки и внешнего силового' воздействия, позволил прийти к выводу о су­ ществовании единой определяющей причины пх интенсивного из­ нашивания, связанной с качеством контактирования шлицев в собранном узле.

изнашивание деталей происходит тогда, когда одна деталь перемещается под нагрузкой по поверхности другой детали. Повидимому, и в шлицевых соединениях возможно существование условий, при которых на поверхностях контакта возникают высо­ кие удельные давления, значительно превышающие расчетные, и заметные перемещения поверхностей относительно друг друга! Такие условия создаются в шлицевой паре, если оси ее деталей не совпадают, т. е. если при сборке допущено радиальное смеще­ ние осей деталей или их перекос.

Если шлицы соединяемых деталей изготовлены идеально точ­ но, а сборка пары выполнена так, что геометрические оси деталей совпадают, то при передаче крутящего момента с ведущего вала

69

на ведомую деталь все шлицы вала войдут в соприкосновение со шлицами детали и будут передавать нагрузку равномерно. Кон­ такт шлицев будет происходить по прямоугольным площадкам длиной, равной длине соединения. Материал шлицев будет рабо­ тать на смятие.

Это теоретический случай. В конструкторских расчетах шли­ цев на смятие учитывают неравномерность распределения нагруз­ ки между шлицами, вводя поправочный коэффициент 0,7—0,8.

Как показано в работах [2 и 38], при перекосе осей соединяе­ мых деталей вся нагрузка будет передаваться только через два противоположных шлица. Эти шлицы к тому же будут контакти­ ровать не но всей длине, а только на небольших участках, распо­ ложенных по концам соединения. Контакт одного из шлицев будет находиться у одного конца соединения, а диаметрально противо­ положного— у другого. При вращении деталей в контакт пооче­ редно будут вступать другие пары шлицев. За один оборот вала каждый шлиц дважды вступает в .контакт со шлицем охватываю­ щей детали: первый раз контакт будет у одного конца сопряже­ ния, второй раз — у другого. По мерс изнашивания зона контакта увеличивается п удельное давление в контакте снижается.

При радиальном смещении осей деталей вся нагрузка от пере­ даваемого крутящего момента в непрнработавшсмся шлицевом

талей будет поочередно нагружаться каждый шлиц, т. е. при вы­ ходе из зацепления одного шлица будет входить в контакт сле­ дующий и т. д.

Как видно, при несовпадении осей соединяемых шлицевых де­ талей происходит резкое уменьшение площади их соприкоснове­ ния, что ведет к возрастанию давления в точках фактического контакта. Высокое давление и скольжение в контакте создают условия для изнашивания шлицев.

В создавшихся условиях начинает приобретать значение смаз­ ка трущихся поверхностей, как и в обычных узлах трения. И хотя, ■не устранив несоосность деталей, видимо, нельзя добиться полной ликвидации износа шлицев, тем не менее рациональный выбор смазки, упрочнение поверхностей может в той или иной степени уменьшить скорость изнашивания, отдалить момент наступления недопустимого износа.

Скорость скольжения шлицев относительно друг друга при прочих равных условиях возрастает с увеличением угла перекоса осей соединяемых деталей. На рис. 39 представлены графики из­ менения скорости относительного скольжения шлицев в соедине­ нии вала-рессоры с ведущим зубчатым колесом центрального при­ вода (при длине сопряжения 15 мм) в зависимости от угла пово­ рота ведущей детали для трех углов перекоса осей деталей. Из рисунка видно, что при наличии перекоса осей в шлицевом соеди­ нении возникают довольно высокие скорости скольжения и тем больше, чем значительнее перекос [38].

70

При наличии радиального смещения осей скорость относитель­ ного перемещения точки контакта в шлицевой паре оказывается пропорциональной величине смещения и угловой скорости враще­

раблева [38].

Для экспериментального подтверждения влияния качества сборки на изнашивание шлицев нами, совместно с М. Е. Хаймзоном, были проведены испытания шлицевых пар, собранных с раз­ личным взаимным расположением осей охватывающей и охваты­ ваемой деталей. Испытания проводили на специально разрабо­ танном А. И. Кораблевым стенде, схема которого показана на

лена на шариковых подшипниках переходная обойма 5, приводи­ мая іво .вращение от ведомого вала через карданную муфту. ,В обой­

71

ме закреплен испытуемый образец 12 с внутренними шлицами. Со­ пряженный образец 11 с наружными шлицами установлен на .валу зубчатого колеса 4, который имеет две -неподвижные опоры 3 (опо­ ра, смежная с образцом, на рисунке не показана). Образец И уста­ новлен на валу на шпонке и закреплен от осевого перемещения.

Головка 9 имеет возможность перемещаться по своим направ­ ляющим перпендикулярно оси ведомого вала в горизонтальной

.плоскости и поворачиваться на некоторый угол вокруг вертикаль­ ной оси. Это позволяет осуществить радиальное смещение и пе­ рекос осей образцов пары вследствие изменения положения образ­ ца с внутренними шлицами относительно образца-вала,- Величина радиального смещения и угла перекоса осей контролируется -с по­ мощью индикаторных часов 13, 14.

го контура.

Для создания нагрузки иа испытуемую шлицевую пару, нагру­ жают подвижной корпус 1 заданной силой Р, вследствие чего зубчатое колесо 2 получает возможность перемещаться, обкаты­ ваясь по колесу 4. При этом внешний момент уравновешивается сопротивлением упруго закручиваемых валов и других деталей силового контура, нагружая шлицевую пару.

Для компенсации момента, обусловленного весом подвижного корпуса и примыкающих к нему элементов контура относительно неподвижной опоры 3 предусмотрен противовес 15.

При испытаниях величина износа шлицев определялась непо­ средственными измерениями их толщины. Для этого образцы вы­ водились из зацепления в осевом направлении и производились измерения. После измерения образцы вновь вводились в зацепле­ ние и контролировалось их положение по контрольным рискам.

Изготовлялись шлицевые образцы из алюминиевых сплавов: валики из сплава Д16Т (#0105—110), а шлицевые втулки из сплава Д1Т (НВ85—90). Все валики, а также и все втулки изго­ товлялись из одного прутка, соответствующего материала. При этом образцы имели по шесть шлицев прямоугольного профиля высотой 4 мм и длиной 20 мм. Наружный диаметр шлицевого об­ разца вала—ДО мм. Для обеспечения предполагаемого при испы­ таниях перекоса осей образцов в паре и радиального смещения они были выполнены с боковыми и радиальными зазорами в 1 мм. Шлицы изготовлялись по 2-му классу точности с обеспечением чистоты поверхности V 8. Погрешности в угловом расположении шлицев образцов не превышали таковых для шлицевых авиацион­ ных деталей.

Имея в виду получение достоверных результатов по износу шлицев за относительно короткий .период работы шлицевых соеди­ нений, испытания по оценке влияния несовпадения осей велись без -смазки с предварительным обезжириванием образцов бензином Б-70. Длительность испытаний каждой шлицевой пары составля­ ла 15 ч. Нагрузка на образцы соответствовала передаваемому

72

крутящему ’Моменту 3 кГ-м. Скорость вращения шлицевой пары составляла 1000 об/мин.

Испытания были проведены при величине перекоса осей об­ разцов 0°, 0°30/, ГО', ИЗО', радиальном смещении осей 0; 0,1; 0,26; 0,4 мм и одновременном перекосе и радиальном смещении осей в указанных пределах. На каждый вариант взаимного расположе­ ния испытывалось по шесть пар образцов. Измерения величины износа проводились через 3 ч испытания. На каждом образце из­ мерялось по три шлица (через один) с выполнением по 12 замеров на каждом шлице: четыре сечения по длине шлица, три точки по высоте. Для построения графиков изнашивания брали максималь­ ные значения износа шлицев, расположенные в их средней части по высоте. Таким образом каждая точка на графиках (рис. 41)

соответствует среднему арифметическому значению из 18 замерен­ ных.

Как и в реальных условиях работы шлицевых соединений износ несоосных шлицев при лабораторных испытаниях распре­ делялся неравномерно по длине и высоте. При испытаниях с пере­ косом осей максимальный износ по длине шлица был у его тор­ цов, минимальный — в средней части. Больше изнашивалась вер­ шина шлица, меньше его ножка. При радиальном смещении осей износ по длине шлица распределялся равномерно. Вершина шли­ ца изнашивалась больше, чем ножка. Одновременный перекос іг радиальное смещение осей сопровождались повышенным износом шлицев у одного конца шлицевого соединения.

Эти экспериментальные данные хорошо согласуются с наблю­ даемым на авиационных деталях распределения износа и под­ тверждают изложенные в работах [2, 38] представления о взаимо­ действии деталей в несоаоных шлицевых соединениях и причинах их изнашивания. Они позволяют также по топографии износа, су­ дить о характере несоосности деталей в шлицевой паре.

73

Кроме того, результаты испытаний (рис. 41) /показали, что яесоосность в шлицевом соединении резко ускоряет процесс изнашива'ния. Перекос осей шлицевых образцов величиной 30' или их радиальное смещение на 0,1 мм приводит к увеличению ско­ рости изнашивания в 3—4 раза по сравнению с наблюдаемой для л-раікти- йаоких соосных соединений. С увеличе­ нием несоосности в еоедичения/х ско­

рость изнашивания возрастает. Увеличение длительности работы

соединения приводит к росту скорости изнашивания. Это связано, по-видимо­ му, с накаш емием в зоне трения про­ дуктов изнашивания m виде окислов алюминия, имеющих высокую твер­ дость, и их абразивным воздействием. Изменяется цри этом и .характер про­ цесса изнашивания. Если в практиче­ ски соосных шлицевых парах изнаши­

вание шло за счет об.мятия выступов неровностей и окислительных процессов, то по мере увеличения угла перекоса или радиального смещения осей все более заметным становились адгезионные явле­ ния. Схватывание металлов сопровождалось процессами окисления и приобретало ведущую роль. И чем больше был перекос в шлице­ вой паре, тем более за'метным было различие в ведущих процессах изнашивания з пределах одного шлица.

При одновременном перекосе осей и их радиальном смещении были получены аналогичные кривые изнашивания. Однако ско­ рость изнашивания была выше, чем только при перекосе осей или только при радиальном смещении.

Позднее проведенные испытания образцов со смазкой маловязким минеральным маслом выявили те же принципиальные за­ висимости влияния несоосностн, ио при значительно меньшей ин­ тенсивности изнашивания, чем при трении несмазанных поверхнос­ тей шлицев. Применение смазки снижало износ, но не смогло парализовать влияния несоосности в шлицевой паре.

Таким образом, аналитические и экспериментальные исследо­ вания свидетельствуют, что основной причиной малой износостой­ кости шлицевых деталей является работа их в условиях недопу­ стимо большой несоосности, возникающей при сборке шлицевого соединения. Неравномерное распределение износа по поверхности шлицев объясняется различным характером взаимного контакти­ рования деталей в шлицевой паре. В соединениях вала-рессоры с ведущей шестерней редуктора и ротором компрессора шлицы ра­ ботают в условиях взаимного перекоса осей, в то время как в сое­ динении его с конической шестерней центрального привода пере­ кос осей деталей сопровождается еще и их радиальным смеще­ нием. При наличии несоосности величина действующих контакт­ ных нагрузок неравномерно распределяется по длине шлица.

74

38ХМЮА с азотированными на глубину 0,2—0,45 мм эвольветными шлицами.

Коловратные насосы рассматривались двух модификаций: с длиной шлицевого соединения 8,5 и 14,5 мм и числом шлицев со­ ответственно 11 и 14.

При поступлении насосов в ремонт измерялись износ шлицев рессор и несоосность в шлицевом соединении. Последняя оценива­ лась для шестеренчатого насоса величиной биения посадочной по­ верхности центрирующего бурта опорного фланца 2 крышки

Рис. 43. Конструктивное исполнение топливного шестеренчатого насоса

(рис. 43) относительно цилиндрической поверхности колодца под ведущую шестерню 6\в корпусе с помощыо специального индикатор­ ного приспособления, схема и описание которого приведены ниже.

шестеренчатых —2000 ч.

76

Было выявлено, что величина биения указанных поверхностей коловратных насосов достигала 0,38 мм. Износ шлицев у этих на­ сосов за 4000 ч работы достигал 0,42 мм. У шестеренчатых насо­ сов было зафиксировано биение до 0,55 мм при износе шлицев 0,4 мм. Количество шестеренчатых насосов, у которых биение пре­ вышало 0,1 мм, составило около 20% всей проверенной партии. При биении менее 0,1 мм износа шлицев у рессор шестеренчатых насосов практически не отмечалось.

По результатам обработки данных измерений были построены графики зависимости величины износа шлицев рессор от несоос­ ности в шлицевом соединении, т. е. биения указанных выше цент­ рирующих поверхностей относительно базовых.

На рис. 45 показана эта зависимость для коловратных насосов

сукороченной длиной шлицевого соединения. Для тех же насосов

сувеличенной длиной шлицевого соединения и для шестеренчатых насосов характер зависимости износа от несоосности соединяемых деталей был аналогичным.

Увеличение длины шлицевого соединения и числа шлицев ка- ловратного насоса приводило к снижению средней величины их износа на 50—60% от наблюдаемого в укороченном соедине­ нии при той же величине несоосности.

Из рис. 45 видно, что между износом шлицев и величиной не­ соосности в шлицевом соединении существует ясно выраженная корреляционная связь. С увеличением несоосности изнашивание шлицев шло более интенсивно.

Имея данные по износу шлицев и несо-

должна'быть не более 0,12 мм.

В практике эксплуатации приходилось наблюдать отдельные единичные случаи, когда биение центрирующей и базовой поверх-

77

ностеіі насосов относительно друг друга значительно превышало выявленные измерениями величины специально проведенными на группе насосов. Нами исследовались также досрочно снятые с экс­ плуатации насосы, у которых биение указанных поверхностей до­ стигало 0,7—0,8 мм. При такой несоосностн происходило быстрое изнашивание металла вплоть до полного износа шлицев, что вы­ зывало прекращение передачи крутящего момента к качающему узлу.

На рис. 46 показаны темплеты шлицевой части приводных рес­ сор четырех шестеренчатых насосов, работавших при различной несоосностн в шлицевом соединении и имеющих вследствие этого различный по величине износ шлицев.

Рис. 4Ѳ. Характер износа шлицев рессор при различном величине биения поверх­ ностей

Рессора / отработала в приводе 2000 ч, износ шлицев измере­ ниями не обнаружен, величина биения поверхностей составила 0,06 мм, т. е. находилась в заданных для ремонтировавшегося на­ соса пределах. Рессора 2 также отработала 2000 ч, шлицы изно­ шены по толщине примерно на 40%. Такой же износ был у внут­ ренних шлицев ведущей шестерни данной пары. Биение поверх­ ностей этого насоса составляло 0,45 мм. У рессоры 3 шлицы полностью изношены. Внутренние шлицы ведущей шестерни были также изношены полностью. Соединение наработало после сборки при ремонте 506 ч. Величина биения составляла 0,73 мм. Рессора 4 до полного износа шлицев наработала после сборки при ремон­ те 374 ч. Величина биения была 0,78 мм.

Эти данные указывают на несомненную связь износа шлицев приводных рессор с несоосностыо в шлицевом соединении.

В турбогенераторной установке, как уже указывалось выше, валы ротора турбины и вентилятора установлены на подшипниках качения, ■расположенных в разных корпусах (см. рис. 37). При малейшем несовпадении осей посадочных мест в корпусах под подшипники возникает неизбежная несоосность в шлицевом сое­ динении. Значение несоосности определяется величиной биения по­ садочной поверхности В относительно поверхностей А и Б в кор­ пусе вала турбины.

78