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

В технических условиях на сборку узла при ремонте указано, что биение указанных выше посадочных поверхностей не должно превышать 0,07 мм.

Однако в действительности этот параметр при ремонте не кон­ тролируют, и биение на отремонтированных установках' кожет быть существенно больше 0,07 мм.

Если принять в качестве предельного значения несоосности ва­ лов угол, при котором еще возможна сборка шлицевого соединения без заклинивания шлицев, то при имеющихся геометрических раз­ мерах валов и заданных ооковых зазорах между шлицами он бу­ дет достигать 0,6—1,2°. При таком перекосе осей и скорости вра­ щения валов 33 500 об/мин скорость скольжения шлицев в сопря­ жении достигнет 37 см/сек, при относительном перемещении шли­ цев относительно друг друга 0,2і1 мм за один оборот.

Такая величина перемещения соответствует имеющимся в ли­ тературе значениям амплитуды 'Колебаний контактирующих по­ верхностен, разрушение которых происходит от фреттинг-корро-

зии [79].

Был взят предельно возможный случай несовпадения осей. В практике величина несовпадения будет, видимо, несколько мень­ ше и амплитуда перемещения шлицев будет ниже 0,21 мм.

Для.выявления фактической величины биения посадочных по­ верхностей под подшипники были проведены соответствующие из­ мерения на 40 турбогенераторных установках, поступивших в пер­ вый ремонт. Биение проверялось с помощью специального индика­ торного приспособления. Одновременно измерялся износ шлицев вала турбины этих установок. Величина биения посадочных по­ верхностей под подшипники составляла от 0,03 до 0,38 мм. Износ шлицев вала достигал при этом 0,55 мм. Между биением и вели­ чиной износа шлицев наблюдалась ясно выраженная корреляцион­ ная связь, что свидетельствовало о возможности повышения изно­

79

ко учитываться в определении допустимой при сборке величины би­ ения посадочных поверхностей, определяющей несоосность шлице­ вых деталей.

Для обеспечения надежной работы шлицевого соединения и

превышает указанное значение, необходимо соответствующими ре­ монтными методами добиться ее снижения до допустимой вели­ чины.

5. ПОВЫШЕНИЕ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ШЛИЦЕВЫХ ДЕТАЛЕЙ

Приведенные выше примеры свидетельствуют о том, что на поверхностях контакта шлицевых деталей различных авиационных конструкций достаточно часто возникают условия, приводящие к проявлению процессов изнашивания. Последние характеризуют­ ся обычно разрушением трущихся поверхностей шлицев при фрет- тинг-коррозии с доминирующим влиянием схватывания металлов или окисления, что зависит от условий нагружения, характера контакта в шлицевом соединении, состояния и вида смазки и т. д.

Повысить в той или иной степени износостойкость шлицевых деталей возможно, следовательно, обычными методами, применяе­ мыми для борьбы с Изнашиванием деталей машин и, в частности, для предупреждения фреттинг-коррозип. В определенной степени полезным может быть увеличение диаметра шлицевого соединения и применение более крупных шлицев, повышение твердости по­ верхностного слоя шлицев способами химико-термической обра­ ботки, применение специальных гальванических покрытии, улуч­ шение смазки поверхностей контакта шлицев и т. д.

Применение более крупных шлицев при прочих равных усло­ виях приводит к снижению удельного давления в контакте, за счет

80

увеличения фактической площади соприкосновения, что уменьшает скорость изнашивания. Увеличение длины шлицевого соединения не дает эффекта в случае сборки его с перекосом осей. При нали­ чии радиального смещения осей увеличение длины соединения ве­ дет к увеличению площади соприкосновения шлицев, снижению удельного давления и уменьшению износа. .

В табл. 5 приведены результаты испытаний шлицевых образ­ цов с различной длиной шлицев. Образцы были изготовлены из алюминиевых сплавов, испытания велись на установке, схема ко­ торой показана на рис. 40. Методика испытаний, режимы, а также методика измерения величины износа шлицев были такими же, как и при оценке влияния соосности в шлицевой паре на интенсив­ ность изнашивания. Длительность испытаний каждой шлицевой пары составляла 15 ч.

Т а б л и ц а 5

Износ шлицев вала при различной длине шлицевого соединения

Упрочнение шлицев химико-термической обработкой, т. е. по­ вышение поверхностной твердости их материала, способствует сни­ жению абразивного воздействия накапливающихся в зоне трения твердых частицокислов, уменьшает возможность возникновения явления схватывания и изнашивания шлицеа вследствие глубин­ ного вырывания объемов металла и переноса его с одной поверх­ ности трения на другую. Выбор способа упрочнения должен ба­ зироваться на результатах изучения характера изнашивания шли­ цев данного конкретного соединения, а также выявления ведущего процесса разрушения поверхностей.

При назначении метода химико-термической обработки шли­ цевых деталей, у которых доминирующими являются процессы схватывания материалов, следует учитывать, что азотированные стали обладают в этих условиях более высокими противоизнос­ ными свойствами, чем цементованные той же твердости. Наиболее перспективными для борьбы с изнашиванием шлицев могут ока­ заться, по-видимому, способы упрочнения,, при которых поверх­ ностные слои материала насыщаются несколькими элементами одновременно.

Важным является рациональный выбор типа гальванического покрытия шлицев. При этом покрцітия латунью, серебром оказы­

ваются значительно более эффективными, чем широко применяе­ мое медное покрытие.

Смазка шлицевого соединения устраняет металлический кон­ такт поверхностей, облегчает условия трения. Смазочная прослой­ ка между контактирующими поверхностями выполняет демпфи­ рующие функции.

Весьма эффективным может оказаться добавление в масло специальных противонзносных присадок (рис. 49).

Рис. 49. Зависимость износа (б) иесоосіі'Ых шлицевых образцов от дли­ тельности испытаний (I) без смазки (/), погруженных в минеральное мас­ ло, без присадок (2) н с присадками: дитрпбутплкрезола (3), дпамилднітпокарбамата цинка (4), феиил-и-наф-

тил-амшіа (5)

Важное значение в деле повышения износостойкости шлицевых соединений имеет правильный выбор смазочного материала. Что применять для смазывания шлицев: маловязкое масло пли кон­ систентную смазку — следует решать исходя из анализа условий работы конкретной шлицевой пары.

Имеющиеся в литературе данные об эффективности примене­ ния смазочных материалов для борьбы с изнашиванием при фрет- тинг-коррозип являются противоречивыми [58, 79, 93, 96]. Это связано с различными условиями испытаний трущихся пар, что не позволяет переносить полученные в одних условиях результа­ ты на другие.

Маловязкие масла при фреттшіг-коррознн часто оказываются слабо эффективными, так как при малой скорстп перемещения контактирующих деталей" они не устраняют их непосредственного контакта. С другой стороны, такие масла, омывая поверхности контакта, удаляют с них образующиеся твердые частицы окислов продуктов изнашивания и тем самым предохраняют их от абра­ зивного разрушения. Поэтому, применяя маловязкис масла, на­ правление их течения должно выбираться таким, чтобы вымытые из шлицевой пары продукты изнашивания не попадали в рядом расположенную другую пару трения.

Консистентные смазки обычно хорошо предохраняют шлицевые соединения от изнашивания в течение определенного периода ра­ боты. В дальнейшем по мере накопления в слое смазки абразив­ ных частиц — продуктов изнашивания и потери смазкой способ­ ности предотвращать окисления — наступает быстрый износ [80]. Продолжительность «инкубационного» периода, .когда изнашива­ ния шлицев практически не происходит, зависит от типа коисис-

82

тентной смазки. Этот период увеличивается при использовании менее консистентных смазок или при увеличении шероховатости контактирующих поверхностей шлицев. Выбор типа консистентной смазки необходимо экспериментально обосновывать, ибо при ра­ боте с некоторыми смазками происходит быстрый износ шлицев со скоростью изнашивания даже более высокой, чем rfpii отсутст­ вии всякой смазки.

Если консистентная смазка вводится в шлицевое соединение при его сборке н рассчитана на длительный период работы, сое­ динение должно быть герметизировано во избежание выдавлива­ ния смазки.

Приведенные способы облегчают условия трения в шлицевомсоединении, снижают (иногда значительно) скорость изнашива­ ния, но не могут устранить износа шлицев. Очевидно, для практи­ ческого устранения износа шлицев необходимо ликвидировать причины, вызывающие изнашивание, т. е. повысить качество сбор­ ки шлицевых соединений, обеспечить такое взаимное расположе­ ние контактирующих детален, чтобы несовпадение их геометри­ ческих осей было минимальным.

Это позволит резко увеличить фактическую площадь контакта деталей в соединении, приблизить контактные давления к расчет­ ным, свести к минимуму скольжение поверхностей относительно друг друга.

Таким образом, решение, задачи повышения износостойкости шлицевых соединений зависит от совершенства конструкции узла II находится в прямой связи с более широким применением при сборке инструментальных средств контроля соосности деталей.

На рис. 50 показано приспособление, разработанное Б.- С. Сандуленко II М. È. Ханмзоном для проверки соосности посадочных

Рис. 50'. Приспособление для проверки соосности посадочных поверхностен под подшипники корпусных детален

поверхностен под подшипники корпусных деталей турбогенератор­ ной установки при ее сборке в процессе ремонта. Приспособление состоит из стального стержня 4, на котором расположены шари- "ковыс опорные пояса, служащие для беззазорной фиксации при­ способления по посадочным поверхностям Б и В под подшипники. Опорные пояса состоят из трех шариков 3 — двух неподвижных и одного подвижного, равномерно расположенных по окружности.

Неподвижные шарики установлены в глухие гнезда с некоторым выступом и закернены. Подвижные шарики прижимаются к конт­ ролируемой поверхности пружиной через проставку. Давление пружины на шарик регулируется завертыванием резьбовой проб­ ки.

На стержень навинчен хвостовик 2, к которому крепится инди­ каторная головка 6 с измерительным коромыслом 7, который своим наконечником контактирует с поверхностью А. .Для враще­ ния приспособления вокруг оси служит маховичок 1.

При измерении величины биения корпусные детали установки ■(без корпуса компрессора) соединяют друг с другом до плотной стыковки их фланцев н стягивают болтами. Опору 5 и стержень 4 приспособления вставляют в собранные корпусы и соединяют с по­ мощью имеющейся на них резьбы. Затем собранные корпусы уста­ навливают в вертикальное положение и состыковывают с корпу­ сом компрессора. При этом приспособление в осевом направлении фиксируется с помощью опорного буртика, имеющегося на стерж­ не 4. На хвостовик стержня устанавливают индикаторную головку с коромыслом и насаживают маховичок. Вращая приспособление вокруг оси, _по показаниям индикатора определяют величину бие­ ния посадочных поверхностен.

Если биение окажется более допустимого, то соответствующи­ ми ремонтными методами нужно добиться его снижения до необ­ ходимого уровня.

На рис. 51 приведено приспособление для контроля величины биения посадочной поверхности центрирующего бурта опорного фланца крышки относительно цилиндрической поверхности колодца под ведущую шестерню в кор­

84

сти 'Центрирующего бурта флаінца крышки 3 относительно поверх­ ности колодца корпуса 2. Если величина биания. окажется выше установленной нормы, крышку заменяют на другую и определяют величину биения сноіва.

Для того чтобы учесть разноразмерность колодца корпуса на­ сосов в пределах допусков на изготовление, необходимо иметь дветри пробки для крайних и среднего значений диаметра колодца.

Аналогичные приспособления могут быть разработаны для других агрегатов и узлов, имеющих шлицевые соединения. При­ менение их позволит обеспечить сборку шлицевых соединений с минимальной несоосностыо деталей, что в совокупности с дру­ гими мерами (смазка, поверхностное упрочнение шлицев) даст возможность практически полностью устранить их изнашивание.

Использованию инструментальных методов контроля соосности деталей в шлицевых соединениях при их сборке должно предшест­ вовать определение допустимых значений несоосности. Это можно сделать на основе статистического анализа данных массовых из­ мерений несоосности деталей и величины износа шлицев в шлице­ вом соединении.

6. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ШЛИЦЕВЫХ ДЕТАЛЕЙ

Наблюдающееся при эксплуатации изнашивание боковых по­ верхностей шлицев сопрягаемых шлицевых деталей вызывает не­ обходимость контроля за ходом изнашивания и прогнозирования этого процесса. Шлицевые соединения, как правило, скрыты от наблюдения и вести непосредственный контроль за их изнашива­ нием не представляется возможным. Однако результат изнашива­ ния можно регистрировать по изменению зазора в шлицевом сое­ динении. Величину зазора можно измерять непосредственно или определять косвенным путем по величине люфта, доступного для инструментального контроля звена кинематической цени. Таким путем контролируют, например, величину зазора в шлицевом сое­ динении вала-рессоры редуктора и ведущей шестерни централь­ ного привода одного из турбовинтовых двигателей. Для этой цели с помощью специального контрольного приспособления опреде­ ляют люфт нижнего вертикального валика центрального привода, по величине которого судят о зазоре в интересующем, шлицевом соединении. Производя периодический контроль люфта на партии двигателей, можно накопить статистические данные о характере изменения зазора в соединении, оценить динамику нарастания за­ зора и дать прогноз долговечности деталей по критерию износа шлицев.

Нами совместно с М. Е. Хаймзоном была рассмотрена возмож­ ность прогнозирования долговечности шлицевого соединения валарессоры и ведущей конической шестерни центрального привода турбовинтового двигателя по результатам указанного выше опре­ деления зазора в соединении. Для анализа было взято 122 двига­ теля (новых и ранее ремонтрировавшихся), нормально работав­

85

ших в течение установленного ресурса и поступивших в ремонт. На каждом двигателе за ресурс работы было выполнено до восьми ■определении величины зазора в шлицевом соединении, что поз­ волило накопить большое число измерений, обработав которые удалось выяснить закономерность процесса изнашивания шлицев деталей данного соединения.

Для описания процесса нарастания зазора в шлицевом соеди­ нении использовали вероятностную модель, в которой математи­ ческое ожидание случайного процесса описывается экспоненциаль­ ным уравнением [72, 73]:

где <р — текущий средний зазор в шлицевом соединении, мм; t — текущее время работы, ч; ф[ — средний зазор после перио­ да работы t\; А и h —постоянные коэффициенты экспо­ ненциального уравнения, которые определяют на основа­ нии данных статистики о величине зазоров в шлицевом соединении.

- Средние значения зазоров в анализируемом шлицевом соеди­ нении, полученные по данным эксплуатационных измерений и вы­ численные по уравнению (5), приведены в табл. 6.

Т а б л и ц а 6

Расчетные и фактические средние значения зазора в шлицевом соединении (иі.н)

Как видно из табл. 6, расчетные и фактические значения зазо­ ров в шлицевом соединении имеют весьма хорошее совпадение. Это свидетельствует о пригодности принятой экспоненциальной вероятностной модели для описания процесса нарастания зазора в данном шлицевом соединении и возможности прогнозирования его долговечности по критерию износа шлицев.

Имея в виду, что исходный, зазор в шлицевом соединении рас­ пределен симметрично, доверительные границы поля рассеивания зазора в процессе эксплуатации при доверительной вероятности ß определяются из уравнений:

'86

t-t,

cp' = (cp, -[- tß al -\~k) 10 A — h для верхней доверительной

где /р— коэффициент, зависящий от принятой доверительной ве­ роятности ß, определяемый по таблицам [11]; щ — среднееквадратическое отклонение зазоров в шлицевом соединении после наработки t\. • Кривые нарастания среднего зазора в шлицевом соединении

вала-рессоры и ведущей конической шестерни центрального при­ вода в зависимости от наработки и доверительные границы поля рассеивания, построенные на основании вычислений по уравне­ ниям (6), (7), показаны на рис. 52.

Задавшись величиной предельного зазора фпр в 'Соединении и решив уравнение (5) относительно продолжительности работы, -а затем подставив вместо текущего зазора его предельное значение, можно определить среднюю долговечность шлицевого соединения. Точно так же может быть определена минимальная и максималь­ ная долговечность соединения путем решения уравнений довери­ тельных границ поля рассеивания зазора при соответствующей доверительной вероятности:

9i — ^ Зі + ft

87

По этим уравнениям, приняв предельный зазор в анализируе­ мом шлицевом соединении, соответствующий люфту нижнего вер­ тикального валика центрального привода 4 мм, были вычислены средняя, минимальная и максимальная долговечность соединения. Полученные данные использованы при обосновании ресурса.

Нарастание зазора в шлицевом соединении у ремонтировав­ шихся ранее двигателей происходит несколько более интенсивно, чем у не бывших в ремонте. Это связано с различными начальны­ ми зазорами в соединении и пониженной твердостью азотирован­ ного слоя материала шлицев вала-рессоры ремонтировавшихся ранее двигателей, на которые при ремонте были установлены уже работавшие валы-рессоры.

Для прогнозирования долговечности шлицевых деталей по критерию износа шлицев могут быть использованы и результаты измерений износа, получаемые при ремонте.

Воспользовавшись той же что и выше математической вероят­ ностной моделью процесса изнашивания и статистическими данны­ ми по взносам шлицев, полученными непосредственными измере­ ниями при ремонте двигателей, был сделан прогноз долговечности по износу шлицев вал^-рессоры, ступицы диска первой ступени ротора компрессора и ведущего зубчатого колеса редуктора неко­ торых турбовинтовых двигателей.

Исходя из того, что износ по поверхности шлица распределя­ ется неравномерно, для расчетов использовались максимальные значения износа. За предельную допустимую величину был при­ нят износ, равный средней толщине упрочненного слоя шлицев, указанной в чертеже детали.

Было установлено, что при этих условиях средняя долговеч­ ность указанных шлицевых деталей превышает в 2—4 раза при­ нятый в настоящее время межремонтный ресурс работы двига­ телей.

В зависимости от величины заданного послерсмонтното ресур­ са были определены также значения износа шлицев деталей, при которых они могут быть использованы для установки на двига­ тель на очередной межремонтный ресурс без опасения (с задан­ ной доверительной вероятностью) наступления недопустимото из­ носа.

Аналогичным образом была определена долговечность рас­ сматривавшихся выше шлицевых соединений валов ротора турби­ ны и вентилятора турбогенераторных установок, приводных вали­ ков ряда агрегатов, а также построены номограммы для опреде­ ления допустимого при ремонте износа их шлицев в зависимости от величины предельного износа и заданного межремонтного ре­ сурса.

При прогнозировании «безопасного» ресурса работы шлицево­ го соединения по верхней доверительной границе поля рассеива­ ния долговечность большинства их. будет значительно превышать регламентированный ресурс, устанавливаемый до предельного со­ стояния для всех однотипных соединений по нижнему доверитель-

88