книги из ГПНТБ / Елизаветин М.А. Повышение надежности машин. Технологические основы повышения надежности машин

ленты компенсируется клином 1, который в рабочем положении

фиксируется винтом 2.

Влияние жесткости (податливости) деталей на эксплуата­ ционные свойства машин. Податливость детали, общая или ме­ стная, позволяет ее рабочей поверхности компенсировать дефор­ мацию сопряженной детали и приспосабливаться к неточностям геометрической формы. Самоустанавливающийся опорный под­ шипник представляет собой простейший пример конструкции, обладающей угловой подвижностью. Наиболее часто в соедине-

Рис. 39. Схема устройства каретки радиально-сверлильного станка

ниях с регулируемой податливостью используются резино-ме­ таллические вкладыши, гуммированные детали и вкладыши из пластмасс и мягких покрытий [95].

Высокая деформируемость резины способствует более равно­ мерному распределению давления по длине вкладыша в услови­ ях смешанного и жидкостного трения, например при водяной смазке, кроме того, абразивные частицы, содержащиеся в воде, вминаются в мягкую поверхность резины, перекатываются по ней, не производя режущего действия, и выносятся с водой в смазочную канавку. При наличии песка, ила или грязи в смачива­ ющей и охлаждающей подшипник воде вкладыш должен иметь

вах морских и речных судов, в центробежных песковых или ар­ тезианских насосах, гидравлических турбинах, турбобурах и т. п. Податливость подшипников со свинцовым покрытием вклады­ шей имеет небольшое сопротивление пластической деформации. Пластмассы, подобно резине, способны более равномерно рас­ пределять нагрузку по длине вкладыша и при прочих равных условиях обеспечивать большую грузоподъемность смазочного слоя, чем антифрикционные металлы.

Повышение податливости деталей для увеличения их износо­ стойкости достигается также конструктивными методами. Напри­ мер, при работе двигателя внутреннего сгорания вследствие не­ равномерной тепловой деформации цилиндров могут возникнуть

значительные местные нагрузки на юбку поршня. Чтобы исклю­ чить возможность заклинивания поршня, на юбке делают Т- или П-образной формы прорези.

Конструкция подвесного или упругого седла выпускного кла­ пана двигателя приведена на рис. 40. Седло и клапан выпуска работают при высоких температурах и испытывают значитель­ ные ударные нагрузки. При жесткой посадке седла выпускных клапанов седло искривляется в результате неравномерной де­ формации головки, и соосность с клапаном нарушается. Между

фасками клапана и седла в отдельных местах появляются про­ светы, через которые при закрытом клапане проходят газы, что вызывает местный перегрев и прогар фасок и снижает их долго­ вечность. Для повышения долговечности подвесное седло выпол­ няется удлиненным и крепится к цилиндру только путем разваль­ цовки тонкого верхнего пояса. Такая конструкция обладает ма­ лой жесткостью и позволяет седлу занимать правильное положение, обеспечивая тем самым лучший взаимный контакт при закрытом клапане.

В ряде случаев головки клапанов двигателей внутреннего сгорания сопрягаются с седлами по коническим фаскам. Наи­ более часто угол наклона фаски назначают 30 или 45°. Углу на­ клона фаски в 30° соответствует большее проходное сечение, но при закрытом клапане давление его на седло меньше, чем при угле наклона фаски 45°, поэтому надежность уплотнения клапа­ на ниже. Если фаска клапана имеет твердую поверхность, то для ускорения приработки фаску седла делают с несколько большим наклоном, чем фаску клапана. Начальное касание поверхностей происходит при этом по окружности, что и служит фактором, ускоряющим приработку. В связи с малой поверхностью касания

клапан в работе плотнее прилегает к седлу. Схема выполнения фасок с различными углами наклона на седле и клапане показа­

на на рис. 41.

Нижняя поверхность фаски клапана на высоте до 1,5 мм имеет угол наклона 45°, совпадающий с углом наклона фаски седла. Верхняя часть фаски имеет угол наклона 43° 15' и при по­ садке клапана на седло с ним не соприкасается. По мере отра­ ботки ресурса двигателя поверхность прилегания фаски клапана к седлу непрерывно увеличивается в результате износа седла и главным образом вследствие вытяжки головки и стержня клапа­ на под нагрузкой. К исходу межремонтного срока клапан обыч­ но прилегает к седлу всей поверхностью фаски. В дальнейшем нижняя кромка фаски клапана начинает отставать от седла, меж­ ду ними образуется щель, и фаска, подвергаясь более интенсив­ ному действию горячих газов, сравнительно быстро разрушается в результате перегрева и прогара вследствие ухудшения тепло­ отдачи в седло. Таким образом, дифференциальная фаска уско­ ряет приработку и обеспечивает герметичность посадки клапана и межремонтный ресурс. Повышение износостойкости деталей зависит не только от общей жесткости конструкции, но и от ме­ стной. Нагрузочная способность цилиндрических и конических колес тем выше, чем равномернее распределена нагрузка по длине зуба. Причинами неравномерности, кроме неточностей из­ готовления деталей передачи и сборки их, являются изгиб и кру­ чение валов, деформация опор и корпусов. Изгиб валов вызыва­ ет перекос осей колес, вследствие чего возникает концентрация нагрузки у одного из краев зуба.

Консольное расположение зубчатых колес, встречающееся часто в конической передаче, приводит к меньшим перекосам, чем неконсольное. Кроме изгиба вала на точность зацепления отрицательно сказываются деформация опор и зазоры в под­ шипниках. Поэтому для повышения жесткости передачи иногда создают предварительный натяг в подшипниках. Опыты с гипо­ идными передачами, применяемыми в качестве главной переда­ чи в автомобилях, показали, что при переходе от консольной схемы к неконсольной с установкой подшипника со стороны ма­ лого основания конуса зубчатого колеса нагрузочная способ­ ность передачи возрастает в среднем на 30%. Однако деформа­ ция зубьев под нагрузкой способствует выравниванию давления, поэтому податливость зуба может быть положительным факто­ ром. Увеличить податливость зуба можно путем увеличения его модуля. Если это нежелательно вследствие уменьшения коэффи­ циента перекрытия, то можно увеличить высоту зуба.

Для уменьшения концентрации нагрузки зубьям цилиндриче­ ских и конических колес придают бочкообразную форму, при ко­ торой толщина зуба уменьшается от середины к торцам. Бочко­ образная форма зуба, так же как фланкирование, не только способствует увеличению долговечности передачи, но и умень­

шает шум во время ее работы. Существует простой способ повы­ шения степени равномерности давления вдоль зуба, не требую­ щий специального оборудования. В случае одной сцепляющейся пары колес подсчитывают угол их взаимного перекоса при пере­ даче наибольшей окружной силы и профили зубьев одного из колес отшлифовывают под этим углом, что достигается поворо­ том ползуна зубошлифовального станка на соответствующий угол. Если передача работает в обратном направлении, то зубья одного из колес придется скашивать с обеих сторон.

2 J ¥ 5

Рис. 42. Головка (а) главного ша­ туна двигателя и втулка (б) с ги­ перболической расточкой рабочей поверхности:

1 — место перехода от фасок к цилиндрической части втулки; 2 — слой меди; 3 — сталь; 4 — свин­ цовистая бронза; 5 — свинцовый или свинцово-оловянистый слой

а)

В подшипниках скольжения некоторых быстроходных двига­ телей цилиндрическую форму отверстия вкладышей (втулок) за­ менили гиперболической. Головка главного шатуна двигателя и ось шатунной шейки показаны на рис. 42. Головка обладает большой жесткостью, и деформация стальной втулки, залитой свинцовистой бронзой, весьма мала. Деформация шейки приво­ дит к концентрации нагрузки в переходах от фасок к цилиндри­ ческой части втулки. Шейка средней твердости приработалась бы к втулке в соответствии с формой прогиба, но упрочненная термической обработкой шейка усиленно (до выкрашивания) изнашивает свинцовистую бронзу втулки в местах с высокими нагрузками. Для повышения срока службы подшипника требу­ ется придать его рабочей поверхности форму поверхности вра­ щения с образующей, имеющей очертание линии изгиба коленча­ того вала. Этим требованиям удовлетворяет поверхность ги­ перболоида вращения (рис. 42, б). В двигателе с большой частотой вращения в связи с формированием режимов работы появились случаи выхода из строя втулок вследствие выкраши­ вания свинцовистой бронзы. Применение коренных вкладышей с гиперболической формой отверстия позволило увеличить допуск на нѳсоосность в 3 раза и обеспечило взаимозаменяемость вкладышей, так как для вкладышей с цилиндрическим отверсти­ ем вследствие меньшего допуска на несоосность и условий проч­ ности необходимо производить окончательную расточку в кар­ тере.

Улучшение эксплуатационных свойств может быть достигну­ то при применении «плавающих» деталей. Поршневой палец со­ членяет, как известно, поршень с шатуном. Возможны следую­ щие способы сочленения: установка пальца, закрепленного в бо­ бышках поршня или в шатунной головке; установка пальца, имеющего возможность перемещаться как в бобышках, так и в шатунной головке. Палец такой конструкции называется плава­ ющим. При работе кривошипного механизма плавающий палец под действием сил трения поворачивается, вследствие чего ок­ ружная скорость в сопряжении пальца с шатуном уменьшается примерно в 2 раза — во столько же раз уменьшается выделение тепла и износ пальца и вкладыша головки. Чтобы плавающий палец не вызвал при осевом смещении местного изнашивания или задирания зеркала цилиндра, свободу перемещения ограни­ чивают заглушками или стопорными кольцами, вставляемыми в проточки бобышек.

«Плавающие» элементы в сборочных единицах машин пре­ дусматриваются также для компенсации тепловых деформаций. Если подшипники закрепить жестко на валу и в корпусе, то удли­ нение вала при повышении температуры сборочной единицы в процессе его работы вызовет вначале уменьшение осевого пере­ мещения в подшипниках, а затем приведет к защемлению тел качения между кольцами, что снизит долговечность подшипни­ ков. Этот недостаток устраняется применением плавающих опор, когда только один из подшипников жестко закрепляется на валу и в корпусе, фиксируя вал вдоль оси, другие же устанавливают­ ся в корпус, расточенный по калибру так, что при жестком за­ креплении на валу подшипники могут свободно перемещаться в осевом направлении, осуществляя «плавание». При двух опорах в качестве плавающей выбирают наименее нагруженную. В мно­ гоопорном валу жестко следует закреплять в корпусе наиболее нагруженную опору.

Одной из причин прогара клапанов является коробление клапанных седел при термических деформациях головки ци­ линдра. Чтобы исключить это явление в двигателях воздушного охлаждения, применяют седла со свободной посадкой — плава­ ющие седла. Однако теплоотвод от такого седла ухудшается, и температура соответственно повышается, что должно учитывать­ ся при выборе материала деталей.

Компенсация температурных деформаций и износа. Колеба­ ния температуры в деталях и механизмах современных машин и особенно прецизионного технологического оборудования могут вызвать деформации, приводящие к случайным перемещениям, соизмеримым с величинами допусков на точность перемещений рабочих органов механизмов. Рассмотрим влияние температур­ ных деформаций на точность перемещений шпинделя координат­ но-расточного станка. В результате температурных деформаций ось шпинделя может перемещаться на величину Äs в плоскости

ху (рис. 43), что ведет к нарушению точности отсчета координат по осям х и у.

Температурные деформации приводят к неперпендикулярно­ сти оси шпинделя плоскости стола и, в конечном счете, к непер­ пендикулярности обрабатываемых поверхностей базовым плос­ костям. Причиной этого может быть как изменение углового по­ ложения шпинделя (рис. 44, а), так и изменение углового положения стола относительно шпинделя (рис. 44, б).

Рис. 43. Влияние времени работы станка вхолостую на изменение положения шпинделя при частоте вращения:

1 — 2000 об/мин; 2 — 1000 об/мин;

3 — 500 об/мин

б)

Рис. 44. Влияние времени работы станка на изменение относительного углового положе­ ния Д{р° оси шпинделя к плоскости стола:

а — изменение углового положения шпинделя; б — изменение угла поворота оси шпин­ деля в зависимости от времени; в — изменение углового положения стола

Одним из условий нормальной работы станка является пря­ молинейность перемещений стола и салазок, которая в первую очередь зависит от прямолинейности направляющих станка. Испытания показали, что температурные деформации приводят к изгибу вертикальных салазок в плоскости, что, в свою очередь, сопровождается изменением углового положения оси шпинделя,

относительным смещением и отклонениями от прямолинейности. Если известно приращение температуры, то эти величины могут быть определены по известным деформациям. Для предотвраще­ ния температурных деформаций необходимо поддерживать по­ стоянную температуру в помещении, где находятся координатно­ расточные станки и другое оборудование высокой точности; температура заготовок должна равняться температуре помеще­ ния; перед началом обработки деталей станок должен работать вхолостую до установления температурной стабильности, т. е.

Рис. 45. Примеры уменьшения влияния температурных факторов на деформации и на работоспособность станков:

а — выравнивание температурного поля станины при пропускании нагретого в электро­ двигателе воздуха; б — поворот вектора температурных смещений шпинделя путем из­ менения крепления бабки к станине

Рис. 46. Конструкции рабочих поверхностей деталей для повышения износостойкости:

а — стальная закаленная вставка ходового винта; б — обратные пары для вкладыша и цапфы; в — смещение суппорта в горизонтальном направлении путем подбора опти­ мальной формы направляющих; г — использование регулирующих элементов; 1 — брон­ за; 2 — сталь

до такого состояния, когда количество тепла, выделяющегося в процессе работы станка, равно количеству тепла, отдаваемого окружающей среде (обычно время, необходимое для достижения температурной стабильности, составляет 90—120 мин).

При выборе параметров и конструктивного исполнения ма­ шин, а также расположения сборочных единиц надо учитывать влияние температурных деформаций. Особенно необходимы ме­

роприятия для отвода тепла при выборе и установке электро­ двигателя. Очень интенсивно тепло выделяется в коробках ско­

соответственно большим внутренним трением; однако преимуще­ ством масел сравнительно большей вязкости является то, что они образуют в зубчатых зацеплениях масляные пленки с боль­ шой несущей способностью.

Рис. 47. Конструкции для компенсации и самокомпенсации износа:

а — регулирование зазора в подшипниках скольжения; б — саморегулирование зазора в быстроходных подшипниках качения; в — регулирование зазора в делительных чер­ вячных передачах при применении второго червяка; г — то же при применении червяка с переменной толщиной витков

Шпиндельная головка также является местом выделения большого количества тепла. Изменение положения оси шпинде­ ля при температурных деформациях решающим образом влияет на потерю точности станка.

Для компенсации температурных деформаций применяют специальные устройства, показанные на рис. 45, 46 и 47 [53, 87].

Обеспечение ремонтной технологичности при конструирова­ нии машин. При разработке конструкции и технологии произ­ водства проектируемой или модернизируемой машины должны отрабатываться вопросы ремонтоспособности машины.

Оценка конструкции отдельных сборочных единиц некоторых машин исходя из условий ремонта и примеры устройств для ре­ гулировки зазоров даны ниже.

Блочная конструкция имеет преимущество, заключающееся в сокращении цикла изготовления сборочных единиц и агрегатов машин и продолжительности общей сборки. Вместе с тем сокра-

щается время на осмотры и ремонт машины. Гусеницы тракто­ ров состоят из звеньев, соединяемых последовательно друг с другом при помощи пальцев, входящих в отверстия звеньев с зазором. Пальцы после посадки в отверстия шплинтуют с под­ ложенными под шплинтами шайбами. Звенья выполняют литыми из высокомарганцовистой аустенитной стали, плохо поддающей­ ся механической обработке. Пальцы изготовляют из малоуглеро­ дистой стали с цементацией и закалкой до HRC 54—62. Гусеницы этой конструкции отличаются простой технологией и относитель­

но малым весом, однако основным недостатком является невоз­ можность ремонта гусеницы.

Одно из конструктивных решений было найдено в посадке в звеньях разрезных втулок, удерживаемых в отверстиях силами упругости. По мере износа втулок они заменяются новыми. Втулки изготовляют путем разрезки трубчатой заготовки на ча­ сти по длине.

Требование ремонтной технологичности часто не выполняет ся при проектировании шлицевых валов, когда диаметры шеек принимают равными наружным диаметрам консольных шлице­ вых участков. При незначительном износе шеек возникают труд­ ности ремонта вала. Проточка шеек требует для сохранения зазора уменьшения внутреннего диаметра втулок, но ввиду не­ разъемное™ подшипников (например, некоторых валов экскава­ торов) последний по условиям монтажа не может быть меньше наружного диаметра шлицевого участка вала. Проточка же шли­ цев по наружной поверхности требует соответствующего изме­ нения размеров сопрягаемых деталей. Восстановление шеек вала методами металлизации затруднительно. Таким образом,

такая конструкция вала, технологичная в основном производст­ ве, не является технологичной в условиях ремонта. Технологич­ ной она может стать, если диаметр шеек будет больше номи­ нального наружного диаметра шлицев.

Модернизированный узел ползуна холодновысадочного авто­ мата показан на рис. 48. До модернизации ползун 3, изготовлен­ ный из стали 35, на суппорте которого установлен пуансон, пере­ мещался по стальным закаленным планкам 4, имея в качестве одной из вертикальных направляющих поверхность боковой стенки станины. При ремонте, связанном с шабрением этой стенки, ползун смещался в ее сторону. Чтобы не нарушалась со­ осность пуансона с матрицей, приходилось смещать последнюю, что требовало большой затраты времени вследствие взаимосвя­ занности положений матрицы и механизмов автомата. При мо­ дернизации установили сменную плиту 2, которую со стороны рабочей поверхности залили сплавом ЦАМ-10-5. Кроме того, для большой сохранности нижних направляющих ползуна и для пре­ дупреждения задиров планки 4 были тоже залиты мягким ме­ таллом. Выбор бокового зазора осуществляется клином 1. При­ мер нетехнологичной в отношении ремонта конструкции сбороч­ ной единицы, состоящей из быстроизнашиваемой бронзовой втулки 2, имеющей неравномерную толщину, и зубчатого колеса 1, показан на рис. 49.

Для обеспечения технических условий по биению обработку зубьев следует производить на оправке, используя отверстие как установочную базу. В этом случае эксцентрицитет втулки в про­ цессе изготовления не отразится на работе собранной сборочной единицы. При замене износившейся втулки она будет взаимо­ заменяемой, и ремонт усложнится. Для обеспечения техноло­ гичности детали в технических условиях нужно указать величи­ ну концентричности втулок. Ось базы под сменную втулку сле­ дует выполнять так, чтобы при ремонте машины, выточив концентричную втулку, можно было ее запрессовать, а затем развернуть и пришабрить, сняв очень небольшой равномерный слой металла.