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

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.

ВЫБОР И ИСПЫТАНИЕ МАТЕРИАЛОВ И МЕТОДЫ ОЦЕНКИ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ

ДЕТАЛЕЙ и с б о р о ч н ы х е д и н и ц м а ш и н

Связь износа рабочих поверхностей деталей со свойствами и расположением материала в узлах трения

Значительный вклад в развитие науки об износе материалов и прочности деталей машин внесен многими фундаментальными исследованиями отечественных и зарубежных ученых. Доста­ точно глубоко исследованы отдельные виды износа и предложе­ ны классификации износа, составленные на основе анализа фи­ зических явлений, сопровождающих износ рабочих поверхностей деталей. С помощью таких классификаций легче определить характер износа конкретных деталей машин применительно к определенным условиям их работы. Факторы, характеризующие износ отдельных деталей и сборочных единиц, не всегда прояв­ ляются раздельно. Обычно износу, оказывающему основное вли­ яние на износостойкость деталей, сопутствуют другие явления, ускоряющие разрушение деталей машин.

При сближении и скольжении поверхностей возникают меха­ ническое и молекулярное взаимодействия, которые вызывают механические, химические и структурные изменения свойств по­ верхностей трения, а затем разрушения различных видов. И. В. Крагельским сформулированы два основных условия по­ вышения износостойкости: необходим положительный градиент механических свойств по глубине, при котором прочность моле­ кулярной связи между поверхностями должна быть меньше прочности нижележащего материала; поверхностные слои долж­ ны выдерживать многократную пластическую деформацию без разрушения.

Поверхностные слои трущихся деталей машин находятся в условиях неравномерного объемно-напряженного состояния сжа­ тия, при этом даже очень хрупкие материалы (чугун, сталь с вы­ сокой степенью закалки) обладают высокой пластичностью. В зависимости от условий трения под влиянием пластической деформации и тепла на поверхности трения изменяется струк­ тура поверхностного слоя. В результате в нем возникают оста­ точные напряжения.

Важной проблемой повышения износостойкости деталей ма­ шин и их надежности является устранение заедания трущихся деталей. Многие исследователи считают, что для образования

сцепления (заедания) необходимо сближение поверхностей на расстояние действия сил связи между атомами. Для этого надо создать достаточную площадь контакта, удалив поверхностные пленки, состоящие из металлических окислов. При трении со смазкой для осуществления заедания надо разрушить масля­ ную пленку. Прочность масляной пленки зависит от ряда фак­ торов (температуры, давления и др.). Существует гипотеза, что при определенной критической температуре происходит хаоти­ ческое движение адсорбированных молекул смазки на поверхно­ сти металлов, в результате чего смазка теряет способность про­ тивостоять заеданию.

Состояние вещества в поверхностных слоях отличается от его состояния во внутренних частях металлических зерен. По­ верхностный слой атомов более подвижен. Энергия активации поверхностных атомов оценивается в процентах от энергии ак­ тивации атомов внутри кубического кристалла: на вершинах наружных углов 33%; на ребрах наружных углов 49%; на по­ верхности кубических граней 70,5%. Поверхностные слои обла­ дают увеличенной химической активностью и повышенной под­ вижностью. Повышенная химическая активность наружных слоев атомов является причиной адгезии и прилипания метал­ лических поверхностей. Чистые металлические поверхности спо­ собны прочно прилипать друг к другу.

На чистой металлической поверхности адсорбционные про­ цессы протекают очень быстро. Прежде всего адсорбируется кислород воздуха. Под действием сил притяжения металличе­ ской поверхности молекулы кислорода диссоциируют на атомы, которые, растекаясь по поверхности металла, химически с ним взаимодействуют, образуя пленку окислов. На этой пленке про­ должают адсорбироваться из окружающей среды молекулы кислорода и органических веществ. Особенно прочно на поверх­ ности металлов удерживаются частицы поверхностно-активных органических веществ. По данным В. В. Дерягина, адсорбиро­ ванный слой достигает толщины 0,1 мкм. Адсорбированные мо­ лекулы ориентированы в некотором порядке, аналогичном кри­ сталлической решетке твердого тела. Механические свойства адсорбированного слоя приближаются к свойствам твердого тела. Граничные смазочные слои обладают способностью повы­ шать сопротивление давлению (упругость). При больших дав­ лениях у относительно мягких твердых тел пластическое тече­ ние начинается одновременно или даже ранее граничных слоев, их покрывающих, т. е. граничный слой не выжимается даже при высоких давлениях. По данным акд. П. А. Ребиндера, износ поверхности происходит и при наличии масляной пленки между трущимися поверхностями. Даже при больших контактных на­ пряжениях пленки не разрушаются, и, несмотря на то, что по­ верхностные слои металла покрыты пленкой, они все же упруго и пластически деформируются. Не разрушаясь при механичес-