CC BY
96
© М.С. Островский, С.В. Трубицин, 2011
М.С. Островский, С.В. Трубицин
ИССЛЕДОВАНИЕ ФРЕТТИНГОСТОЙКОСТИ ПРЕЦИЗИОННЫХ НАР ТРЕНИЯ ГИДРОАГРЕГАТОВ ГОРНЫХ МАШИН
Изложены требования, предъявляемые к прецизионным парам трения, описан новый экспериментальный метод оценки и исследования защитных свойств поверхностного слоя деталей гидравлики с точки зрения фреттинг-процессов. Приведенная в докладе установка позволяет увеличить количество экспериментальных данных, что положительно скажется на разработке и уточнении модели фреттинг-коррозии, оценке ресурса прецизионных пар трения. Ключевые слова: горные машины, гидропривод, прецизионные пары, золотниковые устройства, надежность, фреттинг.
1[Эажнейшим требованием, предъявляемым к авиационной
-Я-М промышленности, является обеспечение высокой надежности авиационной техники. В целях повышения ее надежности решается важная научно-техническая проблема установления физической сущности причин отказов и преждевременного выхода из строя конкретных узлов и агрегатов летательных аппаратов. Кроме того необходим научно обоснованный анализ конструктивных, технологических, эксплуатационных факторов, определяющих работоспособность наименее ответственных деталей и выработка на его основе мероприятий и предложений, обеспечивающих их безотказность.
Несмотря на то, что современная авиационная техника обладает высокой надежностью, необходимо учитывать, что она оснащена сложными гидроагрегатами, выполняющими ответственные функции в системах управления летательным аппаратом и топливной автоматики авиационных двигателей, отказы которых могут создавать предпосылки к летным пришествиям.
В производственно-технической и научной литературе достаточно широко и подробно освещены вопросы гидродинамики, конструирования, принципы действия авиационных гидроагрегатов, нецелесообразные методы и способы выявления и предупреждения неисправностей. Это существенно затрудняет объективное установление причин отказов авиационной техники в процессе ее
эксплуатации и ремонта, а также учет положительного опыта в целях повышения надежности и безотказности топливных и гидравлических систем при создании новых образцов гидроагрегатов.
Гидравлические и топливные системы летательных аппаратов относятся к числу наиболее ответственных с точки зрения безопасности полета, так как они непосредственно влияют на работоспособность силовой установки, системы управления рулями и элеронами, других элементов связанных с выполнением пилотирования, взлета и посадки. Надежность гидравлических систем в значительной степени зависит от безотказной работы прецизионных пар трения, выполняющих функции чувствительных элементов автоматических регулирующих устройств, вытеснительных элементов насосов, распределительных элементов следящих гидроприводов и других ответственных узлов.
Детали прецизионных пар являются самыми сложными и дорогостоящими в производстве среди других деталей гидравлических агрегатов. Величина диаметрального зазора в зависимости от размера и назначения прецизионной пары может быть от 2-3 мкм до нескольких десятков. Детали прецизионных пар могут иметь возвратно-поступательное, вращательное, возвратно-вращательное перемещения либо их сочетание. Привод деталей может осуществляться механически с помощью жестких или упругих элементов, гидравлически (за счет изменения давления рабочей жидкости), электрически (с помощью электромагнитных устройств). Иногда для привода используется комбинация вышеперечисленных способов.
По величине действующих усилий, размерам и скорости перемещения деталей прецизионные пары могут различаться между собой в десятки раз. Так же усилия со стороны жидкости и пружин могут варьироваться в широких приделах. Несмотря на существенные различия в применяемых материалах, конструктивных особенностях, назначении и условиях работы, все прецизионные пары имеют общие признаки, позволяющие объединить их в самостоятельный тип подвижных сопряжений машин с характерными для него видами и причинами отказов и неисправностей.
По особенностям конструкции, технологии производства и ремонта, условиям нагружения и эксплуатации, специфике отказов и неисправностей прецизионные пары топливно-гидравлических аг-
регатов представляют собой своеобразный тип подвижных сопряжений деталей машин.
Среди них наиболее широко распространенны золотниковые пары, представляющие собой чувствительные и регулировочные элементы, автоматически изменяющие или ограничивающие по заданной программе давление, его перепад в смежных областях или расход жидкости.
Однако, все прецизионные пары имеют общий признак, позволяющий объединить их в самостоятельный тип подвижных сопряжений машин с характерными для него видами и причинами отказов и неисправностей.
Основным конструктивно-функциональным признаком прецизионных пар является подвижное сопряжение двух деталей с зазором порядка 0,01 мм, обеспечивающие бесконтактное уплотнение, выполняющее функции чувствительного, регулирующего, распределительного или вытеснительного элемента в гидравлических и топливных агрегатах.
Основными требованиями, предъявляемыми к прецизионным парам трения, являются высокая стабильность малых по величине сил трения и внутренняя герметичность, то есть наличие минимальных, не увеличивающихся в процессе работы выше допустимого предела утечек топлива или рабочей жидкости через зазоры между деталями.
Требование малых усилий трения, например, в регулирующих устройствах определяется необходимостью обеспечить высокие свойства чувствительных элементов, следящих за изменением давления или перепадом давления в соответствующих полостях агрегата.
Функции чувствительного элемента обычно выполняет золотник, который находится под воздействием давления жидкости и пружины. Под термином золотник понимается подвижная деталь, находящаяся в направляющей (гильзе) любой, независимо от конструкции, прецизионной пары, выполняющей функции регулирующего или распределительного устройства.
Малейшие изменения давления топлива или рабочей жидкости должны приводить к перемещениям золотника относительно гильзы и изменениям расхода жидкости через соответствующие каналы, связанные с золотниковой парой. По мере увеличения сил трения между золотником и гильзой минимальное значение прироста
давления, на которое реагирует золотник, возрастает. Следовательно, рабочие свойства чувствительного элемента ухудшаются: понижается чувствительность регулятора к регулируемому параметру, повышается статическая ошибка системы регулирования.
Практически все отказы и неисправности золотниковых пар вызываются повышением (в сравнении с требованиями технических условий) трения или утечек рабочей жидкости через зазоры между деталями. При этом, увеличение утечек рабочей жидкости через зазоры , вызываемые износом деталей золотниковых пар, происходит постепенно и связанные с этим отказы могут быть своевременно выявлены и предупреждены.
Отказы регулирующих золотниковых пар с невращающимися золотниками в большинстве случаев проявляются в виде временного зависания золотника в гильзе, после чего золотниковая пара может работать без каких-либо регистрируемых отклонений от нормы.
Отказы, связанные с повышением трения в золотниковых парах, носят внезапный характер и происходят относительно редко.
Разрушение и заклинивание прецизионных пар, как правило, приводит к отказу и снятию с эксплуатации агрегатов. При капитально-восстановительном ремонте, детали прецизионных пар топливных и гидравлических агрегатов в значительном количестве отбраковываются из-за повреждений, образующихся при эксплуатации.
Значительно влияет на износ и долговечность гидравлических систем заращивание щелевых зазоров поляризованными молекулами рабочей жидкости и загрязняющими частицами, часто обладающими абразивными свойствами.
Приведенная классификация отказов прецизионных пар горных машин еще раз доказывает необходимость повышения качества рабочих поверхностей, в первую очередь,с точки зрения износостойкости и фреттингостойкости.
Для всех золотниковых пар топливных и гидравлических агрегатов, при всем многообразии их конструктивных форм и функциональных особенностей, требование стабильности трения является общим и определяющим безотказность их эксплуатации.
Необходимость высокой герметичности зазоров прецизионных пар вытекает из выполняемых ими функций: создание давления в системе и распределение потока жидкости между полостями гид-
роагрегатов. Очевидно, что с увеличением утечек жидкости через зазоры качество регулирования и производительность уменьшается.
Принципиально, работающая золотниковая пара идентична колебательной системе пружинного маятника: обладающее массой тело совершает колебательные движения и подвергается воздействию упругой силы. В таких условиях в точках подвижного контакта происходит непрерывное разрушение поверхностного слоя деталей. Этот процесс является основной причиной отказов прецизионных пар, и получил название фреттинг-коррозии.
Разрушение поверхностного слоя золотниковых пар трения приводит к увеличению утечек, снижая объемный коэффициент полезного действия гидроагрегата. Дефекты поверхностного слоя, получаемые в результате фреттинга, вызывают увеличение трения между золотником и гильзой, снижая чувствительность и увеличивая статическую ошибку управляющей аппаратуры.
В данный момент наиболее распространенным методом защиты поверхностного слоя является химико-термическая обработка. Ее основными недостатками являются: высокая энергоемкость, большая длительность и коробление геометрической формы детали, вызываемое ее нагревом и охлаждением.
Сегодняшний этап научно-технического развития позволяет применять современные методы поверхностного упрочнения лишенные этих недостатков:
• лазерное, электронно-лучевое, плазменное и детонационное упрочнение;
• вакуумное ионно-плазменное упрочнение, ионное магне-тронное распыление, ионное легирование;
• магнитное упрочнение;
• упрочнение наплавкой;
• нанесение защитных покрытий.
Проведенные практические испытания прецизионных пар трения, применяемых в авиации показали, что вакуумное ионноплазменное нанесение покрытия TiN обеспечивает высокую
Рис. 1. Устройство «Вибротриботестер»: 1 - исследуемый образец;
2 - контробразец; 3 - штанга для крепления контробразца; 4 - вибростол;
5 - крепления образца; 6 - основание установки
микротвердость поверхности (1800-2500 кгс/мм2), низкую склонность к схватыванию и пониженный (в 2-3 раза) коэффициент трения по сравнению с металлическими парами. Эти характеристики обеспечивают повышение эрозионной стойкости поверхности детали до 50 % при абразивном изнашивании. Покрытия с нитридом титана имеют пониженный электрохимический потенциал, что уменьшает коррозионные явления.
Получение экспериментальных данных в процессе эксплуатации связаны с рядом проблем. В первую очередь для достоверной картины требуется значительные количество испытуемых объектов и время эксплуатации. Более просто получать данные путем моделирования на экспериментальных стендах. Основной проблемой экспериментов такого рода является моделирование процессов фреттинга элементов пары трения с образцом из стали 45. Для более точной оценки долговечности возникает необходимость для экспериментального исследования реального контакта поверхностей в условиях фрет-тинг-взаимодействия.
Для экспериментального моделирования такого взаимодействия предлагается установка «Вибротриботестер».
Колебания вибростола (4) вызывают локальные повторяющиеся перемещения исследуемых поверхностей и приводят к появлению процесса фреттинг-коррозии и разрушению поверхностного слоя. Для испытаний в жидких смазочных материалах, возможна установка камеры, заполняемой рабочей жидкостью.
Средняя линия нртраля не
Рис. 2. Профиллограммы профилей исходной и обработанной поверхностей
На креплениях образца и контробразца установлены специальные датчики вибрации - пьезоакселерометры. Их подключение к осциллографу позволяет оценивать и документировать значения виброскорости, виброускорения и вибросмещения.
Согласно действующему ГОСТ 23211-80 аналитический анализ результатов эксперимента начинается с исследования профиля исходной и отработанной поверхности. При этом строятся их профилограммы и проводятся средние линии профиля.
Далее находится расстояние между ними ^.
Вычисляем средний износ j-го образца ^ ,мкм, по формуле
где р - число исследуемых пар; Ь - расстояние между средними линиями исходного и отработанного профиля.
Вычисляем интенсивность изнашивания ^ испытываемого образца по формуле
где А- амплитуда, мкм; N число циклов испытаний; к- количество испытанных образцов материала
Данная установка позволяет проводить испытания пар трения с любым типом покрытий и термообработкой поверхности. Использование данной установки позволит проводить натурные эксперименты и расширить исследовательскую базу новыми данными.
2 • А • N • k
Это позволит уточнить модель процесса фреттинга, более точно прогнозировать ресурс прецизионных пар трения, выявить и применять более эффективные методы защиты поверхностного слоя деталей и в итоге увеличить надежность авиационных гидравлических агрегатов.
----------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Лозовский В.Н. Диагностика авиационных топливных гидравлических агрегатов. - М.: Транспорт, 1979, 295 с.
2. Суслов А.Г. Инженерия поверхности детали.- М.: Машиностроение, 2008, 684 с.
3. Москвитин Г.В. Методы упрочнения поверхностей деталей машин. - М.: Красанд, 2008, 400 с.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -----------------------------
Островский М.С. - доктор технических наук, профессор,
Трубицин В. - магистр,
Московский государственный горный университет, umo@msmu.ru
А
