CC BY
108
2007 НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА №123
Серия Эксплуатация воздушного транспорта и ремонт авиационной техники
УДК 629.735.017.1.004.6
МЕХАНИЗМ ФОРМИРОВАНИЯ ОТКАЗОВ И ПРИЧИНЫ ВЫХОДА ИЗ СТРОЯ ПОДШИПНИКОВЫХ УЗЛОВ ЭЛЕМЕНТОВ МЕХАНИЗАЦИИ
ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ
О.Ф. МАШОШИН, В.К. ХАРИНА
В статье рассматриваются основные повреждающие факторы, оказывающие существенное влияние на надежность и работоспособность узлов подшипников качения, установленных в предкрылках и закрылках летательных аппаратов (ЛА). Предложены пути решения задач по увеличению ресурсоспособности игольчатых роликоподшипников в элементах авиационной техники.
Одним из ключевых моментов в процессе поддержания летной годности воздушных судов (ВС) является обеспечение авиационных эксплуатационных организаций запасными комплектующими изделиями, которые должны соответствовать требованиям надежности, а также всем техническим и производственным параметрам, заявленным и подтвержденным на этапе сертификации типа ВС и его производства.
В настоящее время в современных авиационных конструкциях широко применяются подшипники качения. В данной статье особое внимание уделено игольчатым роликоподшипникам, устанавливаемых в агрегатах механизации самолетов АК им. Ильюшина, в закрылках и предкрылках, в связи с частым выходом из строя.
В каретках закрылков самолетов Ил-76, Ил-76ТД, Ил-86, Ил-96-300 применяются подшипники 914000 серии, поставляемые ЗГПЗ. Вышеуказанные подшипники не имеют защитных покрытий на торцевых поверхностях наружных колец. В процессе их эксплуатации на торцевых поверхностях возникают коррозионные повреждения, что приводит к преждевременному снятию их с эксплуатации.
Таблица 1
Обозна- чение подшип- ника Узел, место установки Г абарит-ные размеры, мм Число оборо- тов Нагрузка на подшипник, кг Коэффи- циент Долговечность подшипника
Радиа- льная Осевая Кб Кк Желае- мая Расчет- ная
884904К Каретка закрылка 20х55х 41,3/44,5 10 14000 - 1,2 1,1 60000 лет./ ч 222,05 ч
914803К Каретка закрылка 17х47х 16/19,5 10 1620 - 1,2 1,1 60000 лет./ч 138,2 ч
Для подтверждения правильности выбора подшипников по габаритам и действующим нагрузкам воспользуемся эксплуатационными данными разработчика, сведенными в табл. [3].
Из расчетов видно, что указанные подшипники верно выбраны по габаритам и по условиям конструктивного исполнения узла. Следует отметить, что в процессе эксплуатации они работают с неизбежным перекосом, что приводит к уменьшению площади контакта наружной по-
верхности подшипника с поверхностью сопрягаемой детали, а также дополнительной концентрации напряжения. Однако, как установлено, основной причиной выхода подшипников из строя все же является наличие коррозии.
Многие годы от потребителей систематически поступают претензии по наличию коррозии на торцах наружных колец подшипников 914000 серии, установленных в предкрылках и закрылках ЛА.
В целях увеличения ресурса подшипников ОАО ВНИПП провел совместную с ЗГПЗ работу по покрытию наружных колец подшипников хромом толщиной 6-14мкм для улучшения эксплуатационных характеристик.
Опытным заводом на базе ОАО ВНИПП была изготовлена специальная партия хромированных подшипников. Покрытие хромом осуществлялось индивидуально на каждом кольце, которое опускалось в ванну на распорках. После испытания подшипники были демонтированы и направлены на ЗГПЗ для прохождения исследования. Результаты проведенных исследований представлены ниже.
Подшипники серии 884904К в количестве 6 шт. были демонтированы после отработки 23 часов в узлах кареток закрылков с приложенной нагрузкой в 15000 кг. Исследованием подшипников было установлено, что дорожки качения внутренних колец имеют потемнение. На поверхности дорожек качения внутренних колец подшипников и на соответствующих им поверхностях наружных колец и роликах имеются поперечные полосы (блики) глубиной до 7 мкм (рис. 1).
ЩИ !
Ш х 13
Рис. 1
На наружной цилиндрической поверхности наружных колец имеется износ хрома (рис. 2).
Рис. 2
Поверхности роликов подшипников имеют поперечные полосы (блики), расположенные вдоль образующих (рис. 3).
Рис. 3
Шайба подшипника имеет сквозную трещину (рис. 4).
Рис. 4
Поверхности дорожек тел качения колец и роликов некоторых подшипников находятся в удовлетворительном состоянии (следы износа отсутствуют), на остальных дорожках имеются ярко выраженные следы качения и цвета побежалости темно-коричневого цвета. На наружной цилиндрической поверхности имеется износ хрома. Как следствие, стопорные шайбы ослаблены.
Радиальный зазор в подшипниках равен 0,035-0,05 мм (по техническим условиям радиальный зазор новых подшипников составляет 0,015-0,055 мм).
Разноразмерность игл в подшипниках варьируется от 0,004 до 0,009 мм (по техническим условиям для новых подшипников она составляет 0,015-0,055 мм; допускаются выпады до 0,007 мм.) Суммарный межигольный зазор составляет не более 0,5 мм (для новых подшипников он не должен превышать более 0,5 диаметра иглы). Смазка в подшипниках отсутствует.
Подшипники 914803К серии в количестве 5 шт. были демонтированы после отработки 23-25 ч в узлах кареток закрылков с приложенной нагрузкой в 7000 кг.
Исследованием подшипников установлено следующее.
Поверхности дорожек качения колец подшипников в зоне нагружения потемнели до цвета побежалости от желтого до синего оттенка. На самих дорожках качения имеются поперечные полосы и выработка металла глубиной до 0,014 мм (рис. 5).
Рис. 5
Состояние поверхностей наружного и внутреннего кольца одного из подшипников удовлетворительное.
Поверхности роликов имеют износ в виде выработки металла глубиной до 0,012мм (рис. 6). Стопорные шайбы в подшипниках ослаблены.
Рис. 6
Радиальный зазор равен 0,006- 0,04 мм. Разноразмерность игл в подшипниках соответствует значениям от 0,005 до 0,008 мм. Смазка в подшипниках также отсутствует.
Результаты исследования подшипников показали, что коррозия подшипников возникла в результате действия атмосферной среды, скол хрома и наличие коррозии являются систематически повторяющимися дефектами. По этим причинам состояние игольчатых подшипников признано неудовлетворительным (отчет 3ГПЗ - № 26).
При исследовании подшипников, снятых в эксплуатации с самолета Ил-76 установлено, что на всех поверхностях деталей подшипников имеется коррозия и нарушение хромового покрытия по краям поверхности наружного диаметра (отчеты 3ГПЗ №№ 515, 92, 363, 582).
Наличие коррозии на рабочих поверхностях подшипников указывает на то, что подшипники работают без смазки или с потерей ею антикоррозийных свойств.
Следует отметить, что ресурсоспособность подшипников определяется не только по проявляемым диагностическим признакам усталостного выкрашивания. Достаточно часто подшипники становятся непригодными для дальнейшей работы по причинам, не связанным с работоспособностью только подшипника, а зависящим от условий работы взаимодействия деталей и узлов всего ЛА, поэтому их работа должна исследоваться в комплексе с поведением сопряженных деталей [1].
Исследуемые подшипники работают в сочетании с хромированными рельсами из стали 30ХГСН20А и рельсами из титановых сплавов. Наблюдаются случаи отказов игольчатых подшипников кареток закрылков из-за повышенного неравномерного износа внешней хромированной поверхности наружных колец. В нескольких случаях подшипники разрушились. Как правило, разрушение подшипников начиналось с образования трещин наружного кольца [2].
Проведенные исследования отбракованных подшипников выявили, что кроме неравномерности повышенного износа у игольчатых подшипников были обнаружены цвета побежалости, которые неравномерно расположены по поверхностям качения роликов наружных и внутренних колец. Учитывая характер повреждений, можно говорить о неравномерном распределении нагрузок по ширине подшипников и их перегрузки в процессе эксплуатации.
Сочетание материалов в паре подшипник-монорельс выбрано неудачно. Пара «хром по хрому» обладает низкой работоспособностью, что приводит к надирам хромированной поверхности монорельса и его преждевременному износу.
Монорельс имеет глубокие надиры рабочей поверхности. Основная часть этих надиров является следствием первоначального разрушения подшипника и подтверждается наличием износа, следы которого расположены вдоль краев изломов на внешней поверхности наружного кольца подшипника. Его твердость выше твердости основного материала монорельса более чем на 30%. В связи с этим авиационные предприятия вынуждены проводить осмотр подшипников и монорельсов при эксплуатации самолетов и выбраковку подшипников в результате коррозии, надиров и износа покрытий монорельсов, что в свою очередь, влияет на регулярность полетов.
Также потерей работоспособности подшипника может служить нарушение их монтажа при производстве. Так, подшипники серии 914800К с Ил-76Т, отработав на испытательном стенде 3 ГПЗ 460 ч (292 цикла), потеряли свою работоспособность из-за преждевременного разрушения шайб, произошедшего из-за перетяжки гаек болтов-осей при монтаже.
На основании исследований, проводившихся в АК им. Ильюшина, подшипников серии 914803К и 914800, отработавших 1200 ч с начала эксплуатации, обнаружено, что имело место ослабление заделки крышек внутренних обойм подшипников.
Проведены стендовые испытания на разрушение подшипников, работающих в предкрылках Ил-76.
Испытательный стенд был разработан и создан таким образом, чтобы подшипники качения испытывали такие же условия работы, как и в составе узлов самолета Ил-76 при нагрузках, идентичных эксплуатационным. Результаты исследований представлены в табл. 2,3.
В соответствии с ведомостью согласования подшипников для подшипника каретки закрылков Ил-76, заднего нижнего внутреннего 914704, наработавшего под нагрузкой, указанной в ведомости, с наработкой 3973 цикла - вышла из строя шайба, подшипник продолжали испытывать. После отработки 4075 циклов стали крошиться иглы, после наработки 4766 циклов разрушилось наружное кольцо.
Для сравнения в идентичной каретке использован подшипник 914800К1, который проработал на испытаниях с наработкой 9693 цикла и находился в удовлетворительном состоянии, но каретка подлежала замене.
После проведения испытаний было проведено исследование на наличие коррозии торцевых поверхностей обойм подшипников на каретках закрылков самолета Ил-86, в ходе которого было выявлено, что торцевые поверхности обойм подшипников коррозии не имеют. На одном подшипнике второй каретки правого крыла на беговой дорожке имеется износ хромового покрытия.
Для сравнения, в идентичной каретке использован подшипник 914800К1, который проработал на испытаниях с наработкой 9693 цикла и находился в удовлетворительном состоянии, но каретка подлежала замене.
После проведения испытаний было проведено исследование на наличие коррозии торцевых поверхностей обойм подшипников на каретках закрылков самолета Ил-86, в ходе которого было выявлено, что торцевые поверхности обойм подшипников коррозии не имеют. На одном подшипнике второй каретки правого крыла на беговой дорожке имеется износ хромового покрытия.
Таблица 2
Результаты исследований подшипников в предкрылках Ил-76
Испытываемая деталь Обозначение подшипника Расположение подшипника Количество циклов до разрушения Характер разрушения
1 2 3 4 5
Каретка №1 914703 К Передн. нижн. внешний Передн. нижн. внутренний Задн. верх. 36983 цик. 36983 цик. 58275 цик. Разрушение шайб
Каретка №2 914803 К Передн. нижн. внешний 39600 цик
Каретка №4 914803 К Передн. верхн. внутренний 47488 цик.
Каретка №5 914803 К Передний верх. внутренний 40624 цик.
914803 К Передний верх. внешний 17651 цик Разрушение шайб
914703К Задний верхний 58275 цик
Каретка №6 914703К Передний нижн. внешний 36983 цик
914703 К 914703 К 914703 К Передний нижн. внутренний Задний верхний внешний Задний верхний 36983 цик 39600 цик 4045 цик
При исследовании подшипников, отработавших на испытательном стенде, выявлено следующее:
- левое крыло каретки №2,№3,№4,№5,№6 - имеют коррозию торцевых поверхностей;
- правое крыло каретки №1,№2,№5,№6 - тоже имеют коррозию торцевых поверхностей.
Коррозионное повреждение торцевых поверхностей достигает от 10 до 50% поверхности.
Предприятием НПО ВНИПП совместно с ЗГПЗ было предложено использовать подшипники из стали марки 95Х18Ш. По расчетам грузоподъемность подшипников из стали 95Х18Ш по сравнению с ШХ15 составляет 90%.
По отчету ЗГПЗ № 92 - 77 подшипники кареток с Ил-76Т, установленных на стенде, имитирующем закрылок, вышли из строя из-за разрушения игл, шайб и внутренних колец.
По отчету № 515-75 АК им. Ильюшина подшипники вышли из строя из-за истирания хромового покрытия.
Таблица 3
Результаты исследований подшипников в закрылках Ил-76
Испытываемая деталь Обозначение подшипника Расположение подшипника Количество циклов до разрушения Характер разрушения
1 2 3 4 5
Каретка №2 Каретка №3 884904 К 914803 К1 884904 К 884904 К 884904 К 914803 К Задний нижн. внешний Задний нижн. внутренний Задний нижн. наружный Передн. верхн. внутренний Задний нижн. внутренний Задний нижн. внешний Передн. верхн. внутренний Задний нижн. внешний 1130 цик. 55 цик. 58275 цик. 22768 цик 15000 цик. 1130 цик 970 цик 13830 цик Разрушение шайб
Каретка №5 884904 К 884904 К 884904 К Задний нижн. наружный Задний нижн. внешний Задний нижн. внешний 1130 цик 120 цик 850 цик
По отчету №26-80 подшипники 914803К и 884904К, прошедшие испытания в количестве 17 шт., после наработки 625 ч, находятся в неудовлетворительном состоянии из-за наличия коррозии и истирания хрома.
По отчету ЗГПЗ №293-81 общая наработка подшипников 914803К в количестве 10 шт. составила 1220 ч. Состояние подшипников признано неудовлетворительным из-за наличия коррозии и нарушения покрытия.
Проведенные исследования показали, что не все подшипники, отработавшие назначенный ресурс, находятся в неудовлетворительном состоянии, в связи с чем, нет необходимости проводить замену всех подшипников, устанавливаемых в предкрылках и закрылках ЛА.
Одним из основных условий обеспечения нормальной работы подшипниковых узлов в течение длительной эксплуатации является соблюдение условий правильности монтажа. Нарушение этих условий может привести к увеличению нагрузок и разрушению деталей. Поэтому одной из задач регламентного обслуживания подшипниковых узлов является проверка регулировочных зазоров и обеспечение плотности и жесткости соединения деталей. Выявление подшипниковых узлов, не утративших своей работоспособности, и продление их ресурса, значительно сократит время простоев изделий на проведение регламентных работ.
ЛИТЕРАТУРА
1. Зайцев А.М. Коросташевский Р.В. Авиационные подшипники качения. - М.: Машиностроение, 1999.
2. Спришевский А.И. Подшипники качения. - М.: Машиностроение, 1989.
3. Бейзельман Р.Д., Цыпкин Б.В., Перель Л.Я. Подшипники качения. Справочник. - М.: Машиностроение, 1975.
MECHANISM OF THE DEFECTS FORMATION AND REASONS OF THE FAILURE NEEDLE ROLLER BEARINGS MECHANISATION OF AIRPLANES
Mashoshin O.F., Kharina V.K.
This article deals with the problems of failure roller bearings of aviation construction and increase of probability of no-failure, reliability factor and service life. The needle roller bearings are used in the constructions of flaps and slats of the wings. The performance test shows roller bearings were spoil because of destruction their parts.
Сведения об авторах
Машошин Олег Федорович, 1966 г.р., окончил МИИГА (1989), доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой технической механики МГТУ ГА, автор более 50 научных работ, область научных интересов - техническая эксплуатация и диагностика авиационной техники.
Харина Вера Константиновна, окончила МЭИ (1982), инженер- конструктор ОАО ВНИПП, старший преподаватель МГТУ ГА, автор 2 научных работ, область научных интересов - техническая эксплуатация, повышение ресурсоспособности подшипниковых узлов авиационной техники.
