Лекция 9. Повреждаемость при изнашивании

Для авиационных конструкций принципиальное значение имеют три вида изнашивания: при трении скольжения, качения и газоабразивное изнашивание.

В условиях трения скольжения работают многочисленные шлицевые и шарнирные соединения самолетных трансмиссий, а также плунжерные пары агрегатов; в условиях трения качения – подшипники роторов изубчатые передачи. Газоабразивное изнашивание присуще лопаточным венцам проточной части авиадвигателей.

Вопрос 1. Изнашивание при трении скольжения

Главной особенностью изнашивания при трении скольжения является непостоянство скорости изнашивания с наработкой. Таким образом, речь идет о нелинейной повреждаемости при этом виде изнашивания.

Обобщенная модель накопления продуктов износа при трении скольжения в виде экспоненциальной функции вида:

.

Коэффициент А, измеряемый в единицах наработки, определяет форму случайной кривой износа;

и – соответственно текущий и предыдущий моменты наработок.

Коэффициент выражается в единицах износа (например, зазор в трущейся паре). Он определяет положение кривой износа относительно начала координат.

Скорость процесса изнашивания определяют путем дифференцирования исходного уравнения.

Приведенные уравнения дают возможность на основе статистического исследования эксплуатационных износов конкретных элементов конструкций, имеющих наработку и , найти конкретное уравнение, описывающее повреждаемость при изнашивании в данных условиях.

На рис.26 приведена функция, описывающая накопление износовой повреждаемости буксы амортизационных стоек шасси самолета. Экспоненциальная модель суммирования износовых повреждений подтверждена довольно большим экспериментальным материалом ив настоящее время наиболее приемлема. Главной особенностью этой модели является то, что при прогнозировании предельных износовых повреждений соответствующие им сроки службы будут существенно короче, чем при использовании линейной модели.

Отметим, что изнашивание при трении скольжения нельзя отнести к структурно-чувствительным процессам, как это была в случаях с дли­тельным и повторно-переменным нагружениями. Решающим фактором здесь является среда, в которой идет процесс трения скольжения (нали­чие, качество и достаточность смазки).

Рис.26. Кривая накопления износа буксы амортизационной

стойки шасси самолета (t – число посадок)

Долговечность деталей шарнирных соединений (например, шасси са­молетов) может быть пониженной из-за явлений схватывания материала трущихся пар, что может быть отнесено к патологическим явлениям при износовой повреждаемости.

Особенность изнашивания плунжерных пар – малая интенсивность изнашивания в предразрушающей стадии. Здесь допустимые предельные износы также весьма малы. Это объясняется тем, что, например, в гидравлических насосах увеличение зазора в плунжерных парах на 2 ... 3 мкм существенно сказывается на подаче насосов. Тут, как показали исследования, многое зависит от точности исходных геометрических размеров поршней и цилиндров. Интенсивный износ начинается там, где удельные нагрузки выше расчетных и способны продавить смазывающую среду.

Шлицевые соединения изнашиваются довольно быстро, если есть не­соосность между шлицевым ведущим валом и ведомой шестерней привода агрегата или узла. Противоизносные покрытия (омеднение, серебрение и т. п.) при несоосности сопрягаемых деталей, превышающей 10°, становятся практически неэффективными.

Вопрос 2.Изнашивание при трении качения

Работающие при трении качения элементы конструкций (тела качения в подшипниках, боковые поверхности зубчатых колес) испытывают высокие контактные напряжения. Они, как правило, изготавливаются из высокотвердых марок стали, проходят сплошную термомеханическую обработку.

К износовой повреждаемости при трении качения приводят микро­деформации, провоцирующие проскальзывание тел качения относительно наружной или внутренней обоймы. Проскальзывание при качении всегда имеет место. Так, в подшипниках это следует уже из того, что при определенных условиях шарики не могут одновременно катиться без скольжения по поверхности внутреннего и наружного колец, имеющих различный радиус.

В подавляющем большинстве случаев подверженные высоким контактным напряжением детали работают в режиме окислительного изнашивания, где накопление продуктов износа идет сравнительно медленно. Вместе с тем в отдельных случаях под влиянием разного рода факторов на поверхностях качения возникают и другие виды изнашивания: усталостное или контактное выкрашивание материала, изнашивание схватыванием, абразивное изнашивание. Усталостное изнашивание является основным видом разрушения поверхностей тел качения. Рассмотрим механизм повреждаемости при усталостном изнашивании.

Под усталостным понимают изнашивание поверхности трения в ре­зультате многократного повторного микропластического деформирования объемов материала, приводящего к возникновению микротрещин и отделению частиц (питтинг). Возникшая под действием повторных напряжений трещина развивается вглубь под небольшим углом к поверхности в направлении качения и впоследствии вновь выходит на поверхность, образуя язвину (рис. 27).

Рис.27. Схема формирования повреждений на телах качения подшипников:

1 – опережающая поверхность; 2– отстающая поверхность

На интенсивность усталостного изнашивания влияет много факторов. К основным из них относятся: уровень напряжений в материале, коэффициент трения, остаточные напряжения, шероховатость поверхности, нагрев поверхности вследствие трения, физико-механические свойства материала, качество смазки. В реальных условиях работы последний фактор наиболее существенный. На рис. 28 приведены зависимости интенсивности питтинга от длительности работы в разных смазочных средах.

Рис.28. Длительность работы тел качения до появления питтинга:

1 – в топливе ТС-1; 2 – в масле МС-20; 3 – в гидрожидкости АМГ-10

(s – площадь питтинга)

Важное влияние на износовую повреждаемость оказывает вязкость смазочного материала. При более вязком масле образуется более толстая смазочная пленка между поверхностями трущихся деталей, вследствие чего лучше скрываются неровности контактируемых поверхностей. Кроме того, более вязкому маслу труднее проникнуть в начальную трещину и оказывать расклинивающее влияние на ее развитие (рис. 29).

Рис.29. Зависимость времени, прошедшего до момента

возникновения питтинга, от вязкости масла

Вопрос 3. Газоабразивное изнашивание

Ряд деталей авиационных конструкций (например, лопасти несущих винтов вертолетов, обтекатели, детали входных устройств и газовоздушного тракта ГТД) изнашивается под ударным воздействием твердых абразивных частиц, содержащихся в набегающем потоке воздуха. Такой вид изнашивания называется газоабразивным.

Чаще всего газоабразивное изнашивание наблюдается на профильной части лопаток ГТД. Изнашиваясь по профилю, лопатка утончается, ее задняя кромка становится тонкой и острой, как бритва. Все это может привести к помпажу двигателя или к обрывам лопаток при работе.

Установлено, что основным параметром, определяющим интенсивность газоабразивного изнашивания, является угол падения абразивной частицы на поверхность. Наиболее интенсивное изнашивание хрупких металлов под действием потока абразивных частиц наблюдается тогда, когда удары их направлены перпендикулярно поверхности. Для пластических же металлов наиболее повреждающими являются частицы, падающие на поверхность под острыми углами.

На рис. 30 представлена зависимость объемного износа сплавов меди, содержащих различное ее количество для трех углов падения абразивных частиц. Видно, что более твердые сплавы, содержащие более 40 % меди, изнашиваются значительно интенсивнее при перпендикулярном по отношению к поверхности падении абразивных частиц.

Влияние угла падения абразивных частиц на износ относительно мягких алюминиевых сплавов, широко применяемых в авиастроении, хорошо видно из рис. 31. При прямом ударе абразивных частиц наблюдается усталостное разрушение материала, а при косом – срез, сходный с процессом царапания. Сильно влияют на интенсивность абразивного изнашивания скорость абразивной частицы в момент удара с поверхностью и твердость самой частицы. Первый фактор связан с износом линейно, второй – линейно до НВ=5880МПа.

		Рис.31. Влияние угла падения абразивных частиц на износ алюминиевых сплавов
	Рис.30. Зависимость износа сплава от ее содержания в сплаве

ЛИТЕРАТУРА

1. В.А. Пивоваров. Повреждаемость и диагностирование авиационных конструкций. – М.: Транспорт, 1994.

2. Н.Л.Голего. Ремонт летательных аппаратов. – М.: Транспорт, 1984.

****************************************************************