Файл: Елизаветин М.А. Повышение надежности машин. Технологические основы повышения надежности машин.pdf

Влияние конструктивных форм, размеров деталей и механизмов на надежность машин

Защита трущихся пар от внешней абразивной среды. В зазо­ ре трущихся контактных поверхностей может образовываться абразивная прослойка. Абразивные частицы, составляющие эту прослойку, попадают в зазор из окружающей среды или возни­ кают на поверхностях в процессе их износа. Для предотвраще­ ния попадания абразивных частиц необходимо, чтобы конструк­ ция стыка имела минимальный радиус закругления фасок на кромке стыка, минимальную шероховатость трущихся поверхно­ стей, приводящую к уменьшению зазора между ними. Кроме того, предусматривают ограждающие набивки, козырьки, воз­ душные барьеры или лабиринты, которые также предохраняют конструкцию стыка от попадания абразивных частиц. Огражда­ ющий козырек может применяться при условии работы в жид­ кой среде или в запыленном воздухе для создания завихрений, отклоняющих от кромки стыка поверхностей абразивных час­ тиц. Козырек целесообразно применять также для предохране­ ния таких поверхностей, как направляющие металлорежущих станков. Кроме того, установка защитных кожухов и поддонов препятствует также прониканию абразивных частиц. Отсасыва­ ние абразива может быть осуществлено через канавки и отвер­ стия. Вытеснение абразива аналогично отсасыванию, но в при­ соединительной системе должно поддерживаться большее дав­ ление, чем в окружающей среде.

Применение лабиринтных уплотнений также значительно со­ кращает количество абразивных частиц, проникающих в зону трения. Так, например, лабиринтные уплотнения в шарнирах ли­ той гусеницы повысили износостойкость пальцев и вгулок в 2,5 раза. Лабиринтное уплотнение в этом шарнире создается в результате того, что концы средней втулки (более длинной, чем проушина звена) входят на 9—10 мм в крайние проушины смежного звена цепи. Кроме того, рекомендуется на трущихся поверхностях прорезать канавки, соединяющиеся общим кана­ лом в каждом из тел трущейся пары. Абразивные частицы, ока­ зывающиеся в зоне трения, через эту систему отверстий могут быть удалены промывкой или продувкой. Периодическое совпа­ дение канавок обеих деталей может вызвать пульсацию смазоч­ ной пленки, что будет способствовать отделению абразивных ча­ стиц от истирающихся поверхностей.

В некоторых случаях вопрос о защите от проникновения аб­ разивных частиц можно решить выбором правильной конструк­ ции основных деталей сборочных единиц. Например, при пра­ вильной конструкции землесоса песок и крупные абразивные частицы совершенно не попадают в зазор между диском рабоче­

го колеса и задней крышкой землесоса, а отбрасываются центро­ бежной силой. Предохранить трущиеся контактные поверхно­ сти от проникновения абразива можно еще и очисткой смазочно­ охлаждающей среды от примесей абразивных частиц. Очистка смазочно-охлаждающей среды имеет особенно большое зна­ чение для уменьшения абразивного износа деталей двигателя внутреннего сгорания. Постоянный контроль запыленности воз­ духа и меры борьбы с повышенной запыленностью также способ­ ствуют уменьшению попадания абразивных частиц.

Поверхности деталей машин, подвергающиеся активному воздействию абразивной массы, можно в ряде случае изолиро­ вать. Это достигается установкой дополнительных сменных де­ талей, которые непосредственно воспринимают воздействие абра­ зивной массы и могут быть быстро заменены после износа. К таким деталям относятся, например, защитные плиты в рудо­ загрузочной аппаратуре, протекторные кольца, надеваемые на штанги бурильных труб, или стальные кольца, привариваемые к бурильным трубам.

На многих заводах получило распространение облицовыва­ ние резиной поверхностей деталей, подвергающихся абразивно­ му износу. Рабочие колеса землесосов, облицованные резиной, имеют срок службы в 10 раз больший, чем такие же колеса без облицовки. Гуммированные статоры и другие детали флотаци­ онных машин работают в 2 —3 раза дольше, чем изготовленные из чугуна, легированного марганцем, а гуммированные трубы имеют износостойкость в 5— 6 раз большую, чем чугунные.

При совершенствовании конструкции необходимо стремить­ ся к наиболее благоприятному, с точки зрения долговечности, взаимодействию деталей, к рациональному расположению сил, действующих на детали машин. Например, в результате иссле­ дования шарниров, открытых для доступа абразива, получены данные, которые показывают, что линейный износ шарниров мало зависит от диаметра шарнира, но существенно зависит от его длины, обратно пропорционален квадрату длины шарнира. Следовательно, увеличение длины шарнира будет повышать его износостойкость.

Срок службы машины можно увеличить, предусматривая в ее конструкции детали — компенсаторы износа, а также детали с регулируемым по мере износа зазором. В качестве примера та­ кого устройства могут служить каретки радиально-сверлильно­ го станка (рис. 39).

По хоботу станка, выполненному из чугуна, движется воз­ вратно-поступательно массивная каретка. Движение каретки осуществляется при помощи четырех роликов 3. Чтобы износ чу­ гунного хобота в результате качения роликов был небольшим, вдоль хобота натянута тонкая закаленная стальная лента 4. Лента натягивается специальным механизмом 5. При повреж­ дении или износе ленты ее легко сменить. Износ осей роликов и

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