книги из ГПНТБ / Подшипники из алюминиевых сплавов

снижению касательных напря­ жений, что повышает сопро­ тивляемость подшипников об­ разованию усталостных повре­ ждений.

Слои толщиной несколько сотых миллиметра относят уже к поверхностным покрытиям. Облегчая приработку, они ча­ ще выходят из строя по износу, а не по усталости. Долговеч­ ность мягких свинцово-оловян­ ных покрытий толщиной до 0,05 мм соизмерима уже с ус-' талостной прочностью свинцо­ вистой бронзы или алюминие­ во-оловянных сплавов.

Выбор конструктивного оформления подшипников (от­ ношение ширины вкладыша

к диаметру, конфигурация поверхностей трения, смазочных кана­ вок, холодильников, диаметральные зазоры в различных поясах) с точки зрения усталостной прочности зависит от гидродинами­ ческих характеристик. Выгодна такая конструкция, которая устра­ няет режимы нарушения сплошности масляного слоя и снижает величины максимальных давлений, возникающих в слое смазки. Например, существенно снижаются максимальные нагрузки и по­ вышается .усталостная прочность рабочих вкладышей дизелей тепловозов при применении их в бесканавочной конструкции. Много данных по рациональному конструированию подшипников приведено в работе А. К. Дьячкова [76].

Очагами возникновения и последующего развития трещин являются различные пороки, дефекты изготовления, риски, вмя­ тины и другие повреждения, вызывающие концентрацию напря­ жений. Повышенный выход из строя по усталостным разрушениям наблюдается у тех вкладышей, где концентрация напряжений воз­ никает в зоне действия изгибающих усилий. В таких условиях нередко работают вагонные подшипники скольжения, залитые баббитом марки БКА [24]. У баббитового слоя вагонных подшип­ ников, закрепленного в корпусе механическим путем, нередко можно обнаружить начальные трещины усталости, возникшие от различных пороков. Трещины усталости, образовавшиеся от рако­ вин, показаны на рис. 77.

В антифрикционном слое различных дизельных подшипников, имеющих металлургическое соединение сплава с корпусом вкла­ дыша и испытывающих в большей мере пульсирующие снимаю­ щие напряжения, концентраторы напряжений сказываются в мень­ шей мере, хотя различные дефекты также являются уязвимыми

153

участками. В этом случае вредное влияние оказывают абразив­ ные частицы, попадающие между трущимися поверхностями.

Для конструкционных материалов появление трещины уста­ лости резко снижает допустимый уровень последующего знако­ переменного нагружения (растяжение — сжатие).

Так, М. Э. Гарф и В. Э. Павловский [55] для стали и чугуна показали, что уже при напряжениях (0,5—0,7) начинается раз­ витие трещин усталости. При асимметричных нагружениях уро­ вень разрушающих напряжений снижается до (0,3—0,4)о_,. Закономерности развития трещин усталости приведены в работах [213, 216], а применительно к алюминиевым сплавам обширные исследования проведены К- Д. Миртовым и другими [149]. Тре­ щины усталости в антифрикционном слое подшипников не разви­ ваются так быстро, как в силовых конструкциях. Появление тре­ щины и даже участков выкрашивания позволяет эксплуатировать подшипники длительное время без существенного ухудшения их работоспособности, что применительно к подшипникам дизелей типа Д100 было установлено С. М. Захаровым и Ю. А. Загорянским.

Смазочная среда и температурный режим. Назначение смазки — создавать разделяющий слой между трущимися поверхностями и отводить от них тепло. Количество отводимого тепла определяется при прочих равных факторах величиной зазора на масло. При уве­ личении его снижается температура трущихся поверхностей и, следовательно, повышается усталостная прочность вкладышей, особенно со слоем легкоплавких баббитов. Однако при резком увеличении зазоров на масло возрастают динамические ударные нагрузки, что может неблагоприятно влиять на сопротивляемость усталости. Для каждого двигателя в зависимости от многих фак­ торов, в том числе от типа материала и диаметра цапф, суще­ ствуют оптимальные величины зазоров.

Смазочная среда в процессе трения взаимодействует с материа­ лом подшипника и цапфы. Отдельные сорта масел довольно резко снижают усталостную прочность подшипников из свинцовистой бронзы, некоторых типов баббитов и др. Так, масло, содержащее растворенные органические кислоты, вызывает коррозию свинцо­ вой составляющей [96] и преждевременное разрушение антифрик­ ционного слоя. Особенно резко увеличивается коррозия с повыше­ нием температуры и при попадании в масло воды.

На основе обширного материала по эксплуатации тепловозов С. И. Севастьянов [196] установил, что применение дизельных масел с моющими присадками (ВНИИ НП-360 и ЦИАТИМ-339) вызывает повышенную сменяемость шатунных вкладышей по уста­ лостному разрушению слоя баббита марки БК2. Моющие при­ садки способны стравливать окисную пленку с баббитового слоя. При этом уменьшается сопротивление баббита пластической деформации и резко снижается его усталостная прочность. По­ дробнее рассмотрение влияния окисной пленки на сопротивляемость пластической деформации поверхностных слоев, а следовательно,

154

ина прочность всего металла

спозиций дислокационных

установили, что эффективная прочность тонкой окисной пленки при сдвиге равна теоретической прочности идеального твердого тела. Испытания на усталость также показали, что пленка на алюминии, если она не отличается чрезмерной хрупкостью, повы­ шает усталостную прочность. Отсюда следует, что в подшипниках из алюминиевых сплавов стравливание окисной пленки в процессе работы сможет понизить прочность металла и, следовательно, усталостную прочность подшипника. Опытами, проведенными в ЦНИИ МПС, не выявлено агрессивного действия применяемых масел на алюминиевые сплавы, содержащие олово и другие до­ бавки. Но условия, при которых происходит стравливание окисной пленки, должны явиться предметом дальнейших исследований.

Оценка усталостной прочности подшипниковых материалов

В настоящее время отсутствуют систематизированные данные по оценке усталостной прочности различных подшипниковых материа­ лов. Имеются сведения о долговечности подшипников различных двигателей, результаты испытаний по определению усталостных характеристик, проведенные на образцах, и испытаний подшипни­ ков на соответствующих испытательных стендах.

Общей особенностью работы подшипников со слоем баббита является выход их из строя преимущественно по усталостным разрушениям. Это ограничивает использование баббита для под­ шипников современных мощных двигателей, несмотря на их от­ личные антифрикционные свойства. Проведение ряда мероприятий

155

(снижение толщины слоя, подбор состава сплава, изменение кон­ струкции и др.) позволило несколько повысить сопротивляемость баббитового слоя усталостным разрушениям [167, 252], но корен­ ным образом эту проблему не решило.

В связи с этим развитие в области подшипниковых материалов проходило по пути использования более прочных материалов — свинцовистой бронзы и в дальнейшем алюминиевых сплавов.

Подшипники со слоем свинцовистой бронзы частично выходят из строя также по усталостным разрушениям, но в ряде случаев замену их производят и вследствие износа. Нередко усталостные разрушения подшипников со слоем свинцовистой бронзы происхо­ дят в результате коррозионного воздействия масел [96], снижаю­ щего прочность металла.

Более благоприятно в этом отношении ведут себя алюминиевые сплавы II группы. Подшипники с антифрикционным слоем из этих сплавов редко выходят из строя по усталостным разрушениям.

Краткое изложение исследований по материалам подшипников скольжения в СССР приведено в работе М. М. Хрущова [219]. Сведения о выходе из строя подшипников по усталостным раз­ рушениям баббитового слоя различных двигателей приводятся во многих работах. Применительно к подшипникам двигателей авто­

О выходе из строя подшипников, изготовленных из алюминие­

рушении подшипников, изготовленных с использованием алюми­ ниевых сплавов II группы. Имеются данные о том, что выкрашива­ ние биметаллических подшипников со слоями сплавов А09-1 и АО20-1 было обнаружено на тепловозном дизеле 4Д49 при нагруз­ ках свыше 450 кГ/см2 [177].

Оценке усталостной прочности подшипниковых сплавов по­ священо много работ. В значительной мере в них нашли отражение результаты испытаний сплавов на образцах. Такие испытания служат, как правило, отборочными для последующих стендовых

или натурных испытаний.

Серия испытаний была проведена на установке, позволяющей нагружать кольцевые образцы посредством трех роликов. Эта установка, созданная М. М. Хрущовым и И. И. Михайловским [221], позволила определить усталостную прочность баббитов и выявить влияние толщины баббитового слоя на усталостную проч­ ность; Н. М. Рудницкий [188] использовал для испытаний широко распространенную машину типа Шенка.

156

Более высокие показатели усталостной прочности сплава СОС6-6 были получены при оценке выносливости по деформацион­ ным показателям, а не по напряжениям.

Большой объем испытаний подшипниковых сплавов проведен различными исследователями на специальных машинах, позволя­ ющих осуществлять знакопеременный изгиб плоских образцов. Впервые такая машина была создана М. М. Хрущовым и И. И. Ми­ хайловским [226, 221].

Сравнительные испытания плоских образцов из алюминиевых подшипниковых сплавов проводились на машине Хрущова и Ми­ хайловского и на электромагнитной машине МВТУ резонансного типа. А. Д. Курицына [129] при испытании на машине Хрущова и Михайловского установила сравнительную усталостную проч­ ность алюминиевых сплавов АСС6-5, АН2,5 и баббита Б83. Сплав АСС6-5 оказался прочнее АН2.5 и значительно прочнее баббита Б83. Испытания на усталость плоских образцов, вырезанных из биметаллических полос с различными антифрикционными спла­ вами (А09-1, АО20-1, ЦАМЭ-1,5 и ACM), были проведены на испы­ тательной машине конструкции ЦНИИ МПС [27]. При этих испы­ таниях определялся ограниченный предел усталости на базе 2 -ІО7 циклов. Было установлено, что сплав А09-1 обладает наи­ более высокой усталостной прочностью, за ним следуют сплавы АО20-1, ЦАМЭ-1,5. Самая низкая усталостная прочность у сплава

ACM (рис. 79).

Концентратор напряжений в виде отверстия диаметром 2 мм [177] не снижает усталостной прочности сплавов А09-1 и АО20-1, но понижает предел усталости сплава ЦАМЭ-1,5 с 8 до 7 кГ/мм2 и сплава ACM с 6 до 5 кГ/мм2. Трещина усталости у сплавов А09-1 и АО20-1 проходит как по границам зерен, так и по зернам, но у второго сплава из-за повышенного количества олова она боль­ ше развивается по границам зерен. У сплава ACM трещина уста­ лости зарождается от хрупких интерметаллидов, содержащих сурьму.

При выборе оптимальных составов сплавов влияние различных легирующих компонентов приходится оценивать по результатам статических испытаний, в то время как основным критерием явля­ ется сопротивляемость усталостному разрушению. Учитывая, что

Рис. 79. Кривые усталости биметаллов с основанием армко-железо и сплавом:

а - А 0 9 - 1 ; б - А020-1; в - ЦАМЭ-1,5; г - ACM

157

испытания на выносливость громоздки и длительны, Н. М. Руд­ ницким и Ю. А. Рассадиным [190] применительно к алюминиевым подшипниковым сплавам выявлена достаточно надежная связь между выносливостью и сопротивлением разрушению. Установлено, что при накоплении изменений в металле при циклическом на­ гружении происходит упрочнение. При этом предел выносливости коррелируется не только со значениями временного сопротивле­ ния, но и с расчетным значением сопротивления разрушению при образовании шейки (максимальной величиной пластической дефор­ мации). На основании предложенной зависимости между истин­ ными деформациями было установлено расчетное значение сопро­ тивления разрушению

деформация образца (до образования шейки).

Для двойных алюминиевых сплавов, содержащих легирующие добавки меди, цинка, магния, кремния и никеля, при твердости НВ 25—27 была установлена следующая связь между пределом

После отбора оптимальных вариантов подшипниковых мате­ риалов и оценки влияния различных факторов на обычных испы­ тательных установках осуществляется проверка усталостной проч­ ности и оценка их долговечности на специальных стендах на об­ разцах в виде целых подшипников. Окончательное же суждение можно составить, конечно, после эксплуатационных испытаний.

Машины для испытаний подшипников, появившиеся до 1956 г., описаны М. Д. Херси и Р. Б. Шаппом [267]. Часть этих машин использовалась для изучения усталостной прочности подшипников скольжения. В последнее время появились более совершенные ис­ пытательные установки, которые можно разделить на несколько групп. К первой группе относятся машины, в которых нагрузка на подшипник изменяется в соответствии с полярной диаграммой нагрузок реального подшипника в двигателе. В машинах второй группы нагрузки на подшипники по характеру изменения лишь приближаются к нагрузкам, изменяющимся по полярной диа­ грамме. Третью группу составляют машины, в которых создается

158

пульсирующая нагрузка преимущественно сжатия, изменяющаяся по закону синусоиды.

К машинам первой группы относится установка «Динозавр», используемая английской фирмой «Glacier Metal Со». Сложное вращение рабочего вала дает возможность воспроизводить кине­ матику движения шатунной шейки относительно вкладыша. Пере­ менная нагрузка на подшипник обеспечивается двумя гид­ равлическими цилиндрами, установленными под углом 90° друг к другу.

Моделирование при меньших скоростях воспроизводит картину гидродинамической смазки подшипника в процессе изменения нагрузок в соответствии с полярной диаграммой двигателя.

Из-за сложности испытательные установки первой группы не получили широкого распространения, хотя целесообразность их применения не вызывает сомнений.

Машинами второй группы нередко служат обычные двигатели или один и более их отсеков, в которых поршневая группа подвер­ гается соответствующим изменениям. В установке ИП-З-НАТИ применяются, например, поршни утяжеленной конструкции без компрессионных и масляных колец. Установка состоит из блока картера стандартного двигателя с обычным коленчатым валом. Нагрузка на шатунные и коренные подшипники изменяется за счет различного веса поршней. Машины подобного типа обладают ограниченной возможностью изменения режимов нагружения.

Испытания подшипников на усталостную прочность, оценку противозадирных свойств и определение износостойкости анти­ фрикционного слоя можно осуществлять, не прибегая к сложному характеру нагружения рабочих поверхностей вала. Достаточно обеспечить воздействие пульсирующей нагрузки в области сжатия в наиболее нагруженной зоне рабочего вкладыша (для автомобиль­ ных, судовых и тепловозных двигателей — это средняя часть вкладыша). В таких машинах третьей группы жесткий закреплен­ ный шатун почти не перемещается сам, что исключает воздейст­ вие инерционных сил.

К числу таких машин относится установка с гидравлическим нагружением, описанная А. Е. Расселом [294]. Рабочий орган этой машины устроен следующим образом. Испытываемая пара вкладышей устанавливается в разъемной головке шатуна. Рабочий вал вращается в двух опорных подшипниках чугунной головки, в нижней части которой расположен рабочий цилиндр. Шатун соединен с поршнем шаровой опорой. С помощью пружинного клапана регулируется впуск масла в цилиндр. Рабочая шейка вала устанавливается эксцентрично по отношению к опорным шейкам на 0,4 мм.

Очень близка* по конструкции к описанной машина типа «Сап­ фир» [126] фирмы «Glacier». На этой машине при п=2500 об/мин и температуре масла 70° С, поступающего в цилиндр под давлением 1,4—4,0 кГ/мм2, создается нагрузка на подшипник до 15000 кГ. Режим нагружения ступенчатый.

159

(ЦНИДИ). На ней производились испытания на усталость под­ шипников с внутренним диаметром 75 мм, шириной 44 мм и тол­ щиной 2,5 мм [75]. Максимальная общая развиваемая машиной нагрузка составляет 22 000 кГ.

Известно, что, помимо переменной составляющей (пульсирую­ щей нагрузки), на усталостную прочность оказывает влияние по­ стоянное нагружение. Такой режим достигается в испытательной японской установке, описанной Мигахара [282]. Испытываемый подшипник 1 (рис. 80) размещается в головке шатуна 2. Рабочий вал 3 может вращаться с различной скоростью. Привод вала инди­ видуальный. Нижняя головка шатуна шарнирно связана с рычагом 5, который соединен с инерционным механизмом, выполненным в виде эксцентрично расположенного вращающегося груза 6. Один конец рычага опирается на опору 4, другой подтянут пружиной 7. Используя усилие затяжки пружины, можно создавать постоянные нагрузки. Пульсирующие же нагружения достигаются за счет вращающегося груза.

Для испытаний на усталость целых подшипников сравнительно широко применяются машины инерционного типа. Такие машины позволяют создавать пульсирующие нагружения за счет инерции вращающихся эксцентрично расположенных грузов. Испытывае­ мые подшипники располагаются в опорах-шатунах, размещенных под углом 90° (рис. 81). При таком расположении опор и шарнир­ ном закреплении их нижних концов к корпусу машины достига­ ется разложение центробежной силы груза на две взаимно пер­ пендикулярные составляющие, направленные вдоль осей шатунов.

В СССР и за рубежом довольно широко распространены инер­ ционные машины типа «Ундервуд» (рис. 82). На установке одно­ временно испытываются два подшипника, которые располагаются в верхних головках шатунов, установленных под углом 90° друг к другу. Эксцентрично расположенные грузы размещаются в не­ посредственной близости от шатунов (два средних груза). По концам валов закрепляются грузы-противовесы для балансировки машины. Машины типа «Ундервуд» в Советском Союзе модерни­ зированы различными организациями. Имеются указания по этому поводу в работах Н. М. Рудницкого [186], Н. Н. Галашова

[49] и др.

Широкие испытания вкладышей на усталостную прочность осу­ ществляются фирмой «Glacier Metal Со» на машине, предназначен­ ной для одновременного испытания восьми пар вкладышей. Такая установка конструкции «Viking» имеет пять параллельных валов, из которых два крайних рабочие, а средние — балансирующие. Эти валы создают силы инерции, противоположно направленные по от­ ношению к силам инерции грузов испытательной головки, благо­ даря чему обеспечивается хорошая балансировка установки.

Результаты сравнительных усталостных испытаний, проведенных фирмой «Glacier Metal Со» на различных машинах [255], представ­

160

лены в табл. 28. Согласно этим данным наиболее высокую уста­ лостную прочность в большинстве случаев показали алюминиевые сплавы.

Т а б л и ц а 28

Широкие испытания на усталость подшипников проведены За­ волжским моторным заводом (ЗМЗ) на испытательной установке собственной конструкции [126]. Установка состоит из двух валов 1 (рис. 83), соединенных с помощью карданной связи 3, которая обеспечивает синхронность их вращения и независимость от воз­ действия радиальных сил. Инерционные грузы 2 на концах обоих валов имеют эксцентриситет центра тяжести, одинаковый по вели­ чине и расположенный в одной плоскости, но противоположный по направлению для каждого вала. Испытываемые вкладыши разме­ щаются в верхних разъемных головках опор, выполненных в форме шатунов 4. Нижние головки опор-шатунов попарно закрепляются на общей оси (пальце). Каждая пара шатунов расположена под углом 90° к другой паре. Машина хорошо сбалансирована, и на­ гружение на ней можно осуществлять в широких пределах.

162