ВОЗМОЖНОСТИ ПОВЫШЕНИЯ РАБОТОСПОСОБНОСТИ СОЕДИНЕНИЙ ОГРАНИЧЕННОЙ ПОДВИЖНОСТИ

 

OPPORTUNITIES TO INCREASE EFFICIENCY OF WEAR JOINTS WITH LIMITED EXCURSION

 

Памфилов Е.А., Пилюшина Г.А., Данилюк В.А. (БГИТА, г. Брянск, РФ)

Конов В.А. (БГТУ, г. Брянск, РФ)

Pamfilov E.A., Pilushina G.A., Danilyuk V.A. (Bryansk state engineering and technological academy)

Konov V.A. (Bryansk State Technical University)

 

В данной статье рассмотрены основные виды разъемных и неразъемных соединений ограниченной подвижности. Предложены пути повышения работоспособности и реновации этих соединений.

In this article have discussed main types of detachable and nondetachable joints with limited excursion. Investigated the issue of enhancment efficiency and renovation these joints.

 

Ключевые слова: Малоподвижные соединения, работоспособность, упрочняющие аморфизирующие пленки, фреттинг-износ

Key words: Slow-moving joints, efficiency, reinforcing amorphous surface film, fretting wear

 

В настоящее время одной из важнейших проблем машиностроения является повышение технико-экономических характеристик узлов и агрегатов транспортных и технологических машин, работающих в широком диапазоне динамико-скоростных, силовых режимов эксплуатации, а также при негативном воздействии факторов внешней среды, таких как температура, повышенная влажность, различные виды загрязнений и т.д.

За счет такого рода воздействий многие ответственные детали подвижных и условно неподвижных соединений машин подвергаются износу, приводящему к возникновению аварийных ситуаций, утечкам и загрязнению окружающей среды, а также к существенным затратам  на ремонт  и обслуживание рассматриваемой техники.

При этом опыт эксплуатации различных машин показывает, что их надежность в существенной степени определяется уровнем работоспособности имеющихся в них различных видов соединений, классифицируемых чаще всего как подвижные и неподвижные. Неподвижные соединения являются неотъемлемой частью машин и оборудования и подразделяются на разъёмные и неразъёмные. К разъёмным соединениям относятся резьбовые, шлицевые, профильные, клиновые, шпоночные, штифтовые соединения и соединения с переходными посадками при условии дополнительного крепления сопрягаемых деталей, исключающего  их относительное перемещение [1].

К неразъёмным относят сварные, заклёпочные, паяные, клеевые соединения, а также соединения с гарантированным натягом.

Неподвижные соединения  широко  применяются  в  машиностроении, например, при  изготовлении  роторов   турбин, компрессоров  и  насосов, валов  с  зубчатыми колесами, редукторов, осей и валов, герметичных соединений гидро- и пневмосистем сельскохозяйственных машин, подшипниковых узлов, и др.

Основной целью настоящей работы является повышение работоспособности неподвижных разъемных соединений как в процессе реализации технологии их изготовления, так и посредством реновации изношенных деталей с одновременным обеспечением экономически обоснованной работоспособности в требуемых эксплуатационных условиях.

Для достижения поставленной цели необходимо осуществить решение комплекса инженерно-научных задач, а именно:

1.      Выполнить анализ эксплуатационных условий, причин и механизмов отказов неподвижных разъемных соединений и обосновать возможные пути восстановления и повышения их работоспособности посредством рационального применения материалов и создания технологических покрытий, обеспечивающих достаточную функциональность контактных зон.

2.      Теоретически и экспериментально обосновать выбор наиболее перспективных материалов и покрытий, применимых для упрочнения и (или) восстановления работоспособного состояния контактирующих деталей неподвижных соединений, выявить влияние их свойств на контактную жесткость, триботехнические характеристики, герметичность разъемных соединений.

3.      Оценить технико-экономический эффект от использования рекомендуемых мероприятий по повышению работоспособности деталей неподвижных соединений.

Анализ выполненных ранее исследований показывает, что в настоящее время наиболее изучены вопросы обеспечения работоспособности неразъемных соединений, создаваемых путем сварки, пайки, использования посадок с гарантированным натягом. Их особенность заключается в том, что в этих соединениях практически исключается возможность относительного перемещения деталей в процессе эксплуатации. В разъемных соединениях такие перемещения остаются возможными и оказывают существенное влияние на работоспособность узлов, в которые они входят, как основной функциональный элемент, поэтому надежность неподвижных разъемных соединений, как правило, является меньшей по сравнению с неразъемными соединениями, поскольку в них реализуются преимущественно триботехнические аспекты отказов [2].

Эти отказы составляют большой процент и происходят преимущественно по причине износа вследствии мало- и многоцикловой усталости. Внешними проявлениями такого вида отказов является износ, снижение прочности, потеря герметичности.

На интенсивность проявления таких отказов в неподвижных соединениях существенное влияние оказывают возможное механическое повреждение поверхности, например, при сборке; неравномерное распределение нагрузки по длине соединения; действие знакопеременных нагрузок, способствующих в ряде случаев появлению вибраций различных амплитуд и частот, а так же влияние внешней среды.

Действия вышеуказанных факторов особенно в той или иной совокупности интенсифицирует такие неблагоприятные явления в зонах контакта деталей, как фреттинг-коррозия, контактная коррозия, способствует появлению концентраторов напряжений, микротрещин, это приводит к нарушению исходного характера соединения, снижению их прочности, усталости, повышенному износу и т.д.

При этом стоит отметить синергетическое взаимодействие процессов, приводящих к износовым отказам в разъемных неподвижных соединениях. Порождая и интенсифицируя друг друга, здесь реализуются молекулярно- механическое (заедание и схватывание поверхностей), коррозионно-механическое (фреттинг-коррозия, водородное) и механическое (абразивное, усталостное) виды  изнашивания.

Это приводит к необходимости реновации изношенных деталей путем восстановления исходного характера зоны сопряжения этих деталей, в первую очередь, за счет устранения появившихся очагов поверхностного разрушения и устранения концентраторов напряжений, а также наращиванием поверхностного слоя до достижения первоначального состояния посадок. Одновременно важно снять усталостные напряжения в поверхностных слоях изношенной детали и повысить до требуемого уровня надежность работы восстановленного соединения [3].

При обосновании мероприятий по повышению работоспособности создаваемых функциональных покрытий или их восстановлению необходимо иметь в виду следующие основные требования:

1.     Контактирующие поверхности должны иметь необходимую точность (в пределах 6-8 квалитетов), а также минимальные погрешности формы, волнистости и шероховатости

2.     Необходимо хорошее сцепление, адгезию к предыдущему слою детали. Для обеспечения максимально достижимой работоспособности соединения, как трибологической пары трения, от восстановленной детали необходимо добиться уменьшения величины микросмещений в контакте в процессе эксплуатации, снижения сил трения, сосредоточения микродеформаций при нагружении в промежуточной среде, обеспечения условий протекания избирательного переноса.

3.     Толщина функционального промежуточного слоя должна составлять не менее двойной величины ожидаемой эксплуатационной упруго-пластической деформации в неподвижном соединении

Для создания трансформируемого поверхностного слоя на деталь можно применять различные методы наплавок и напылений для нанесения таких материалов, как медь, олово, кадмий, серебро, свинец, и др. В ряде случаев перспективны в этом отношении покрытия, содержащие дисульфид молибдена и  графит, гексагональный нитрид бора (hBN) на кобальтовой основе (CoCrAlYSi). Эти материалы обеспечивают высокопрочных покрытий, предотвращающих фреттинг-износ креплений лопаток газотурбинных двигателей. Данное покрытие обладает эксплуатационными температурами до 450°C, что значительно превышает допустимые для сплавов CuNiIn (до 315 °C), CuNi, CuAl. Кроме того, такие покрытия можно наносить только на одну из контактных поверхностей, что положительно влияет на технологичность изготовления деталей [4].

Таким образом, для повышения работоспособности деталей неподвижных соединений может быть рекомендовано применение газоплазменного, плазменного и других методов напыления металлов и соединений в целях восстановления изношенных зон деталей. При этом важно правильно подобрать напыляемые материалы, т.к. они должны не только обеспечить высокие прочностные характеристики, но и создать более благоприятные условия работы неподвижного соединения, как трибологической пары трения.

Список использованных источников

  1. Памфилов Е.А.,  Пилюшина Г.А., Пыриков П.Г., Тяпин С.В. Обеспечение работоспособности  соединений гидросистем технологических машин //Системы. Методы. Технологии.- Братск, 2012.-№1 (13).- С. 33-38.
  2. Памфилов Е.А., Евельсон Л.И. Оптимизация узлов трения машин с учетом неопределенности  информации  в исходных данных//Трение и износ –  2006. – т.27. –  № 2. – С. 191-195.
  3. Способ получения покрытий на металлических поверхностях : пат. 2224826 Рос. Федерация : МПК С25D 5/10 / Е.А. Памфилов, П.Г. Пыриков, А.С. Рухлядко ; заявитель и патентообладатель Брянская государственная инженерно-технологическая академия. – № 200218657/02 ; заявл. 10.07.2002 ; опубл. 27.02.2004, Бюл. №6.

4.      Sulzer Metco, Improved Anti-Fretting Solution for Titanium Alloys Outperforms Conventional Coatings, July 2012.