книги из ГПНТБ / Подшипники из алюминиевых сплавов

Т а б л и ц а 29

Максимальная нагрузка при испытании в

Тип подшипника Материал, толщина слоя течение 100 ч» фунт на

квадратный

дюйм

Интересные результаты по оценке усталостной прочности под­ шипников на испытательном стенде приводит Кемпбелл [243]. Как видно из табл. 32, при наличии краевых давлений вследствие из­ гиба вала усталостная прочность резко снижается.

Т а б л и ц а 32

Усталостная прочность,

В последние годы фирмой «Glacier» выполнены испытания на машине «Сапфир». Результаты усталостных испытаний подшипни­ ков с антифрикционным слоем из различных сплавов, в том числе и алюминиевых, содержащих свинец, приведены в табл. 33.

Изучая усталостную прочность, большинство зарубежных исследователей указывают на высокую сопротивляемость усталост­ ным повреждениям алюминиевых сплавов, содержащих олово

илегированных медью. Следует отметить, что именно медь наряду

сцинком, по исследованиям Н. М. Рудницкого [190], является наиболее сильным упрочнителем, резко повышающим усталостную прочность (рис. 84).

164

Широкие испытания подшипников на усталость проведены на Заволжском моторном заводе. На стенде ЗМ.З [126, 125] подшип­ ники испытывали в течение 20 ч при рабочем режиме, что при 4000 об/мин вала соответствовало 4,8-ІО6 циклов нагружения. Удельная нагрузка на подшипник, при которой возникало усталост­ ное разрушение антифрикционного слоя вкладыша на 10—20%

Рис. 84. Графи­ ки испытания на выносли­ вость (в скоб­ ках против кри­ вых указано ко­ личество образ­ цов, не сломав­ шихся после 10 млн. циклов

нагружения) алюминиевых сплавов:

5 — Al — N1

165

Результаты обширных испытаний, проведенных на ЗМЗ, позво­ лили оценить усталостную прочность большого количества спла­ вов, в том числе и выпускаемых зарубежными фирмами (табл. 34).

Т а б л и ц а 34

1 6 6

Из представленных данных видно, что подшипники из алюминие­ вых сплавов не уступают, а в ряде случаев превосходят по уста­ лостной прочности подшипники из свинцовистой бронзы, получен­ ные от известных зарубежных фирм.

Интересные результаты испытаний на усталость были получены

Учитывалось также влияние на усталостную прочность твердости шеек коленчатого вала и концентраторов напряжений.

Результаты проведенных исследований позволили построить графики усталости (рис. 86). Из графиков следует, что наиболее высокой усталостной прочностью обладает сплав АО20-1, и на под­

Рис. 86. Кривые усталости для подшипников из различных сплавов (вал из стали 45, закалка ТВЧ, HRC 56—58, масло ДП11), испытывавшихся:

/, 3 и 5 — при скорости 7 м/сех соответственно для сплавов АО20-1, Бр C30 и Б83- 2, 4 и 6 — при скорости 9 Mjcex соответственно для сплавов АО20-1, БрСЗО и Б83 ’

167

а сплава АО20-1 — на 60 кГ/см2 (до 490—500 кГ/см2). Уменьшение предела усталости исследованных сплавов с понижением твер­ дости шейки связано, по мнению авторов работы [75], с увеличе­ нием степени совместных пластических деформаций поверхностей вала и вкладышей, что приводит к возрастанию температуры. По-видимому, со снижением твердости ухудшается совместимость трущихся пар.

В итоге проведенных исследований выявилось значительное преимущество по усталостной прочности подшипников со слоем сплава АО20-1 (рис. 87).

Исследования усталостной прочности монометаллических под­ шипников, изготовленных из алюминиевого сплава типа А09-2 с различным содержанием кремния, проведены Н. Н. Балашо­ вым [51]. Проведение таких испытаний было связано с проверкой возможности использования монометаллических подшипников на судовых дизелях. При этом было необходимо оценить влияние кремния на сопротивляемость сплава усталостным разрушениям.

Испытаниями, проведенными на машине типа «Ундервуд», было установлено (табл. 35) резкое различие по усталостной прочности сплава А09-2 по сравнению со свинцовистой бронзой и бабби­ том Б83. Предел ограниченной выносливости оказался несколько

168

выше у сплава, содержащего 0,6% Si. По-видимому, твердые вклю­ чения кремния при циклическом нагружении способствуют появле­ нию усталостных повреждений.

В настоящее время объем исследований и испытаний подшип­ ников и подшипниковых материалов на усталость значительно рас­ ширяется, что позволяет рассчитывать на получение более обшир­ ной информации по этому вопросу.

2. СОПРОТИВЛЯЕМОСТЬ ИЗНАШИВАНИЮ

Общие сведения

Одним из показателей оценки антифрикционное™ подшипникового сплава является сопротивляемость изнашиванию элементов тру­ щейся пары.

Подшипники скольжения коленчатого вала двигателя при нор­ мальной эксплуатации работают большую часть времени в усло­ виях режима жидкостного трения и меньшую часть в условиях полужидкостного. Режим полужидкостного трения наблюдается, как правило, в периоды пуска и остановки двигателя, а также при переходных режимах работы. В некоторых случаях двигатель рабо­ тает в режиме полужидкостного трения и . при установившихся режимах. Это наблюдается при понижении вязкости масла, ухуд­ шении чистоты поверхности во время работы, изменении геометрии детали вследствие износа или деформации и др. [114].

Основными видами износа при таких режимах работы пары вал — подшипник согласно классификации М. М. Хрущова [218] являются абразивный износ за счет схватывания и усталостный. За последние годы обнаружен кавитационный износ [90].

А б р а з и в н ы й и з н о с происходит за счет взаимодействия материала вала и подшипника с попадающими в зазор между ними твердыми посторонними частицами или частицами, образую­ щимися в результате процесса изнашивания.

169

Изучению взаимодействия металлических поверхностей с абра­ зивными частицами посвящено большое количество исследований. Наиболее фундаментальные работы в этой области выполнены М. М, Хрущовым и М. А. Бабичевым [222, 223], М. М. Тенненбау-

мом [206], В. Н. Кащеевым [105, 104] и др.

В перечисленных работах изучается в основном взаимодей­ ствие металлической поверхности с закрепленными абразивами или с сыпучей средой, состоящей из абразивных частиц. Испыта­ ния проводились таким образом, чтобы исключалось влияние факторов, сопутствующих абразивному изнашиванию при работе деталей машин и агрегатов (влияние нагрева при трении, среды, свойств трущихся деталей и т. д.).

Подобная методика позволила глубже вникнуть в процессы, происходящие при взаимодействии абразивных частиц с метал­ лической поверхностью, и выявить основные закономерности дан­ ного процесса. При проведении лабораторных исследований процессов, происходящих при абразивном изнашивании, приме­ няются испытательные машины и стенды, которые позволяют

няются, как правило, абразивные шкурки на различном основа­ нии (бумага, ткань, пластмасса и т. п.), причем величина абразив­ ных зерен и характер их огранения могут изменяться в широких пределах.

Анализ результатов экспериментов, проведенных различными авторами, показал, что в зависимости от размера абразивных частиц, их формы, передаваемого через эти частицы давления, скорости движения частиц относительно металлической поверх­ ности, отношения твердости частицы и металлической поверх­ ности, степени закрепленности частиц имеет место различный характер разрушения металлической поверхности под воздей­ ствием абразивных частиц. Часть частиц, особенно закрепленных и имеющих ограненность, производит микрорезание металличе­

сабразивными частицами образуются риски трех видов.

Кпервому виду относятся риски, полученные за счет пласти­ ческого выдавливания металла на края риски. При этом выдав­ ленный металл находится в стадии, предшествующей разрушению,

илегко удаляется в последующем, срезаясь соседними абразив­ ными зернами или отслаиваясь в результате многократного деформирования. Ко второму виду относятся царапины, получен­

ные за счет резания металла и отделения его в стружку, к тре­ тьему виду — царапины, полученные за счет хрупкого разру­ шения материала поверхности под воздействием абразивной частицы.

Сравнительные испытания различных антифрикционных мате­ риалов при трении об абразивную поверхность по методике,

170

разработанной М. М. Хрущовым [224], показали, что при дан­ ном виде испытания сопротивляемость антифрикционного сплава прямо пропорциональна твердости его основы.

Значительно меньше работ посвящено изучению абразивного изнашивания при работе пары коленчатый вал — подшипник раз­ личного типа двигателей [293, 65, 231]. Абразивные частицы, попадающие в зазор между валом и подшипником, обычно клас­ сифицируют по величине (среднему диаметру частицы) на три группы. К первой группе относятся частицы, имеющие средний диаметр 1 мк. При наличии в масле частиц такого размера не только не наблюдается увеличение износа, а наоборот, износ уменьшается [65]. Это явление связывают с тем, что в присут­ ствии таких частиц при режимах граничного трения улучшается разделяющая способность масла и металлическое контактирова­ ние происходит на меньшем числе участков [42]. Ко второй группе относятся частицы, максимальный диаметр которых dmax меньше минимальной толщины масляного слоя, определяемой по формуле [65]

Атіп=Ая(1 — X).

где Ап — диаметральный зазор в подшипнике; X — относительный эксцентриситет.

При попадании в масло таких частиц обычно не наблюдается износа, так как они свободно циркулируют в масляной системе двигателя.

В случае если максимальный диаметр абразивной частицы

При попадании в нагруженную зону такой частицы через нее будет передаваться давление, под действием которого частица начнет вдавливаться в антифрикционный слой подшипника при одновременном тангенциальном перемещении. При этом пере­ мещении она будет вызывать разрушение материала вала и под­ шипника за счет микрорезания или царапания (рис. 88).

Величина разрушений будет зависеть от пути, пройденного частицей до того момента, как она перестанет взаимодействовать с валом и подшипником, полностью закрепившись в антифрик­ ционном материале. Путь перемещения частицы (а следовательно, и величина разрушений) зависит от сопротивления антифрикцион­ ного сплава местной пластической деформации и соотношения скоростей наклепа и разупрочнения основы материала под влия­ нием тепла, выделяющегося при деформации под воздействием внедряющейся абразивной частицы. Свойство поглощать абразив­ ные частицы является одним из основных показателей антифрик­ ционное™ сплава.

Алюминиевые антифрикционные сплавы по сравнению с баб­ битами обладают худшей поглощающей способностью, так как имеют более высокую твердость и температуру начала рекристал­ лизации, определяющую скорость разупрочнения. В сравнении

17!

же со свинцовистыми бронзами, основа которых имеет более высокие твердость и температуру начала рекристаллизации [296], алюминиевые сплавы имеют преимущество.

Необходимо отметить, что при попадании абразивных частиц в зону трения пары вал — подшипник их действие не ограничи­ вается только микрорезанием и образованием царапин. При взаимодействии абразивных частиц с материалом вала и подшип­ ника возможно резкое локальное повышение температуры — в зоне действия абразивной частицы она может достигать тем­ пературы плавления антифрикционного материала.

И з н о с за с ч е т с х в а т ы в а н и я наблюдается при работе пары вал — подшипник в режиме граничного трения, когда имеет место металлическое контактирование на отдельных участках поверхности трения. Число таких участков для данной пары мате­ риалов зависит от макро- и микрогеометрии поверхностей трения и от нагрузки, передаваемой от вала на подшипник.

172