книги из ГПНТБ / Совершенствование основных узлов турбопоршневых двигателей

соединения и болты связана с собственной опорой подшипника в блоке. Такие подшипники существенно отличаются от распро­ страненных ранее разъемных узлов с толстостенными вкладышами силовой схемой. Они имеют полную замкнутость стыков постели, образующих единый упругий контур, обладающий благодаря

нормальной длительной работы вкладышей и постелей под­ шипника усилия начального сжатия для каждой стадии затяж­ ки должны задаваться с необходимым запасом и обеспечиваться при сборке в каждом узле серии. Вследствие замкнутости силовой схемы постель узла является несущим контуром, так же как и детали ее крепления (болты, штифты и т. п.). Она должна обладать необходимыми запасами усталостной прочности при действии циклических нагрузок на подшипник.

ПРИЧИНЫ ПОВРЕЖДЕНИЙ РАЗЪЕМНЫХ п о д ш и п н и ко в ы х УЗЛОВ И ИХ КЛАССИФИКАЦИЯ

Повреждения деталей и узла в целом, в зависимости от исход­ ной причины, можно разделить на следующие три группы.

1. Повреждения из-за недостаточного натяга вкладышей в под­ шипнике. При этом обычно имеет место неполное прилегание вкла­ дышей к постели, которое приводит в начальной стадии к появле­ нию износа и наклепа на поверхностях сопряжения, образова­ нию пятен схватывания и фретинг-коррозпи. Повреждения на сопряженных поверхностях вкладышей и постели особенно зна­ чительны в местах, расположенных ближе к стыкам, где увеличи­ ваются тангенциальные смещения и могут появляться зоны пе-

Рис. 91. Вид наружном поверхности вкладыша со сле­ дами наклепа и фретинг-коррозии при работе с недо­ статочным натягом

риодического контакта [8]. Вид наружной поверхности вкладыша с недостаточным начальным натягом после работы в коренном под­ шипнике судового дизеля в течение приблизительно 500 ч пред­ ставлен на рис. 91.

Следующая или одновременно развивающаяся стадия этого дефекта сборки узла — усталостное выкрашивание заливки вкла­ дыша на участках неполного прилегания. Наконец, при длитель­ ной работе вкладыша, не имеющего достаточного натяга посадки в постели, в результате местных прогибов возможно образование усталостных трещин в корпусе вкладыша (основе) и полное раз­ рушение вкладыша. Последняя стадия развития дефекта может сопровождаться задирами или заклиниванием подшипника из-за частичного смещения частей вкладыша, перекрытия ими подводя­ щего масляного канала и прекращения подачи смазки. В отдель­ ных случаях подобные аварийные состояния наблюдались в более ранней стадии и вызывались проворачиванием вкладышей из-за разрушения стопорящих их устройств, относительно слабых и часто неспособных фиксировать исходное положение вкладышей

148

4

в постели при явном недостатке натяга. Как правило, при этом серьезно повреждается и выходит из строя шейка коленчатого вала

инарушается форма отверстия постели.

2.Повреждения из-за недостаточной затяжки стыков крышки подшипн мка.

В этом случае не обеспечивается полная замкнутость разъемов силового контура постели. В зависимости от степени занижения усилия затяжки, т. е. значения ее фактического запаса в узле относительно минимального уровня начала раскрытия стыка, нарушение замкнутости будет происходить или сразу при начале работы подшипника, или спустя определенный период, по мере дополнительного падения начальных усилий в болтах, в част­

ности из-за релаксации [1]. Наличие взаимных перемещений в разъемах ведет к появлению истирания и наклепа на стыковых поверхностях одновременно постели и вкладышей. Данный вид повреждений стыковых поверхностей узла в начальной стадии показан: для постели коренного подшипника — на рис. 92, а, для вкладышей — на рис. 92, б.

Возникновение и развитие перемещений в разъемах обусловли­ вает, в свою очередь, прогрессирующую дальнейшую потерю затяжки болтов и искажение начальной цилиндрической формы постели из-за уменьшения при износе и наклепе фактической исходной длины стягиваемых деталей узла. Такое уменьшение (при замерах по диаметру постели) достигало в ряде случаев 0,2— 0,3 мм после работы недостаточно затянутых подшипников в тече­ ние 500—1000 ч.

Конечной стадией данного дефекта узла могут быть нарушение условий гидродинамической смазки в подшипнике ввиду потери исходных зазоров из-за уменьшения вертикального размера отверстия постели с возможным прихватом и задиром вкладышей и шейки вала; разрушение деталей крепления разъемного контура постели или самого несущего контура, в частности крышки под­ шипника, из-за резкого нарушения силовой схемы узла при потере затяжки в условиях циклического нагружения.

Вид разрушений болтов крышки коренного подшипника (судо­ вого четырехтактного дизеля), происшедших вследствие недостатка начальной затяжки, показан на рис. 93. Время работы двигателя до аварии составило «^1200 ч. Размеры диаметра постели по вер­ тикали и расстояние между опорными поверхностями болтового соединения оказались меньше исходых вследствие износа и на­ клепа разъемов на 0,25— 0,28 мм.

3. Поломки из-за недостаточного начального уровня устало­ стной прочности несущего контура подшипника.

Не обеспеченный при проектировании необходимый запас уста­ лостной прочности для основных деталей подшипника, в том числе ввиду существенной неточности метода исходного расчета узла, приводит в условиях высоких циклических нагрузок, характер­ ных для подшипников форсированных дизелей, непосредственно

149

Рис. 92. Вид повреждений стыковых поверхно­

Рис. 93. Вид разрушений болтов подшипника вслед­ ствие недостатка начальной затяжки

150

к наиболее тяжелым последствиям — разрушению деталей и аварии двигателя. В этом случае заметных предварительных стадий повреждений не наблюдается до появления усталостной трещины, которая затем достаточно быстро развивается и завер­ шается полным разрушением ослабленного пли перегруженного сечения. Вследствие значительных скоростей и нагрузок криво­ шипно-шатунного механизма дизеля при разрушении его деталей, как правило, существенно повреждаются смежные детали поршне­ вой группы и остова. Такие аварии приводят (за редким исключе­ нием) к необходимости замены ряда основных деталей__и узлов двигателя.

Рис. 94. Вид поверхности излома шатуна тепловозного двига­ теля 2Д100

На рис. 94 показана поверхность излома шатуна тепловозного двигателя 2Д100 после äH200 ч работы в эксплуатации из-за допущенного резкого перехода (галтели) в месте подрезки опорной площадки для гайки болтового соединения; отчетливо видны линии усталости с началом развития (очагом) от поверхности галтели. Разрушение сопровождалось серьезными повреждениями всего двигателя, что привело к необходимости замены блока цилиндров.

На рис. 95 приведены разрушения шатуна судового четырех­ тактного дизеля после 3500 ч работы (во время длительных испыта­ ний) из-за недостаточного запаса усталостной прочности крышки в районе подрезки под гайку шатунного болта, а также вследствие допущенного низкого запаса затяжки, не обеспечившего гаранти­ рованного замыкания разъемов постели при длительной работе двигателя.

Позднее для шатунов этого типа при серийном производстве были отмечены случаи разрушения в радиусе угловой подрезки шатуна подголовки шатунных болтов к стержню шатуна. Поломки оказались связанными с нарушением заданных размеров радиуса и требований к качеству поверхности (уменьшение радиуса сопря­

151

жения с 4 до 2 мм и чистоты обработки с 6-го до 3—4-го классов при практическом отсутствии предусмотренного чертежом дробе­ наклепа на отдельных участках перехода из-за экранизации их

от дроби высокими головками неправильно поставленных техноло­ гических болтов).

Рис. 95. Вид разрушения шатуна судового дизеля по крышке нижней головки

Проведенная проверка всех выпущенных двигателей позволила выявить несколько случаев начальной стадии разрушений в вице появившихся усталостных трещин. На рис. 96 показам вид обна-

Рис. 96. Вид обнаруженной трещины в радиусе угловой подрезки шатуна под головки шатунных болтов вследствие допущенных технологических отклонений при изготовлении

ружейной трещины в радиусе угловой подрезки шатуна (под головки шатунных болтов) после работы на двигателе из-за рез­ кого уменьшения запаса прочности (приблизительно вдвое) вслед­

152

ствие указанных отступлений при изготовлении. После тщатель­ ного контроля (магнитным методом) возвращенной партии шатунов и их исправления были исключены случаи поломок в эксплуа­ тации.

На рис. 97 показан вид разрушения крышки (подвески) корен­ ного подшипника дизеля 2Д100. Разрушения имели место в период серийного освоения двигателя н были обусловлены выполнением относительно резкого перехода (малым радиусом R 1 галтели)

Рис. 97. Вид разрушений крышки (подвески) коренного подшипника двигателя 2Д100 в радиусе угловой под­ резки крышки под гайку

в радиусе угловой подрезки крышки под головку болта. Этому способствовало при разработке чертежей узла отсутствие надежной расчетной оценки запаса усталостной прочности в данном сече­ нии, которое не входит как определяющее в обычную методику расчета крышки. По данным позднее проведенного уточненного расчета запас прочности составил в указанном сечении менее 1,2, по существу предопределив место разрушения.

Последующие улучшения конструкции заключались в увеличе­ нии радиуса перехода и чистоты обработки поверхности и измене­ нии формы крышки (первоначально на Харьковском заводе транс­ портного машиностроения им. В. А. Малышева) с образованием выступающих опорных бобышек (под болты) и исключением угло­ вой подрезки, которая была заменена более плавным неглубоким радиусным сопряжением, выполняемым в штамповке (с после­ дующей зачисткой и проверкой на отсутствие трещин). Для сто­ порения головки болта от проворачивания предусматривался специальный сегментный зуб с противоположной стороны (у внеш­ него края подвески). Одновременно была сделана замена материала подвески: стали 40 па сталь 38ХС. Внесенными изменениями минимальный запас прочности в опасном сечении был поднят более чем вдвое, и поломки полностью устранены.

153

Однако при аналогичной конструкции подвески, примененной на рядной модификации двигателя Д70 (6ЧН 24/27), имелся случай поломки из-за недостаточного качества изготовления радиусных сопряжений (выемок) у опорных бобышек под головки болтов

Рис. 98. Вид разрушенной подвески по радиусному пере­ ходу в районе болта:

а — р асполож ение трещины ; б — вид поверхности излома

и допущенных при изготовлении поверхностных дефектов, не

Важность проведения контроля качества материала в зонах повышенных напряжений (концентрации) подтверждается случа­ ями разрушения в эксплуатации подвесок коренных подшипни­

154

ков на двигателе 11Д45 (16ДН 23/30), первоначально выполняемых литыми из стали 35Л. Относительно небольшие литейные дефекты из-за неметаллических включений, попавших в непосредственную близость к радиусу угловой подрезки, резко понижали исходный запас прочности (равный двум) до опасных пределов и вызывали

Рис. 99. Вид подвески с характерным изломом по угло­ вому переходу из-за дефектов металла при выполнении заготовки отливкой (вместо штамповки)

отдельные поломки (рис. 99). При переходе на штампованные подвески с улучшением выполнения и контроля угловых сопряже­ ний были полностью ликвидированы поломки в эксплуатации.

Таким образом, во всех приведенных выше случаях головок шатунов и подвесок разрушения имели явно усталостный харак­ тер, обусловленный высоким уровнем циклических нагрузок на коренные и шатунные подшипники дизелей.

РАСЧЕТ НА ПРОЧНОСТЬ И ЖЕСТКОСТЬ ПОДШИПНИКОВОГО РАЗЪЕМНОГО УЗЛА

При совершенствовании конструкции разъемных подшипнико­ вых узлов дизелей и обеспечении их более рационального проекти­ рования, а также необходимости обоснования требований при их изготовлении необходимо в первую очередь создать уточненный метод силового расчета узла в целом с учетом взаимодействия основных деталей и определить возникающие в них усилия, напряжения и деформации.

В поставленной задаче рассматривались шатунный и коренной разъемные подшипники подвесного типа (см. рис. 90). Несмотря

155

на внешнее конструктивное различие, они имеют аналогичные упругие и силовые схемы. Первым общим признаком обоих под­ шипников является то, что в каждом узле собственно крышка или отъемная часть контура постели присоединяется к остальной части подшипника заданным усилием затяжки. Вторым призна­ ком является наличие гарантированной неподвижной посадки вкладышей, устанавливаемых в отверстие постели с заданным натягом. Третьим признаком является применение в разъемах болтовых соединений, предназначенных для сборки и последу­ ющей затяжки стыков подшипника.

Таким образом, в обобщенном виде как объект расчета при раз­ работке методики, разъемный узел, представлялся состоящим из несущего контура постели в форме полной или частичной про­ ушины сложных ломаных очертаний с одним круговым отвер­ стием (гнездом), в котором установлена на неподвижной (прессо­ вой) посадке тонкостенная обечайка из двух половин — вклады­ шей. Упругое и силовое единство составного контура обеспечи­ вается гарантированным замыканием разъемов (при сборке) бол­ товым соединением с регламентированной начальной затяжкой.

Расчет представленных плоских контуров по формулам теории

а также из-за сложного характера нагрузки на внутренней по­ верхности подшипника при разных углах ее приложения (охвата) и направлениях действия.

Обоснование и выбор эквивалентной расчетной схемы

В целях возможности построения достаточно точного и одно­ временно доступного в практике силового расчета подшипниковых узлов в основу расчетной схемы была положена стержневая ана­ логия для средней (упругой) линии их плоских проушин —• посте­ лей [37]. Схема представляла как бы дальнейшее развитие и обобщение известной схемы проф. Р. С. Кинасошвили, принятой в виде круговой проушины-стержня для расчета кривошипных головок шатунов авиационных двигателей и распространенной затем на другие конструкции из-за отсутствия для них более при­ годных расчетных моделей. Однако применение исходной схемы для форм шатунных головок транспортных дизелей является

того, в схеме не учтена возможность распространения ее на кон­ туры коренных подшипников даже для общих по форме участков собственно крышек.

Существенным отличием разработанного на КТЗ метода является найденное решение задачи перехода от заданного тела реальной проушины (полной или частичной) к ее эквивалентной раме по строгим правилам соответствия, включающим разделение,

156