CC BY
275
2008 НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА № 127
серия Эксплуатация воздушного транспорта и ремонт авиационной техники. Безопасность полетов
УДК 629.735.017.1.004.6
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ ПОДШИПНИКОВ И ПОДШИПНИКОВЫХ УЗЛОВ МЕХАНИЗАЦИИ КРЫЛА
В.К. ХАРИНА
Статья представлена доктором технических наук, профессором Машошиным О.Ф.
В данной статье рассматриваются этапы и порядок проведения исследования подшипников и подшипниковых узлов, прошедших программу испытаний на испытательных стендах и в составе ЛА.
Безопасность полета во многом зависит от надежности работы подшипников в агрегатах летательных аппаратов, поэтому правильное установление причин выхода из строя подшипников имеет большое значение для разработки профилактических мероприятий.
Для установления причин преждевременного выхода подшипников из рабочего состояния часто требуется проведение испытаний подшипников и агрегатов, исследование качества материала, проведение измерений деталей подшипников, определение действующих нагрузок опытным путем, и т. д.
Износоустойчивость подшипниковых узлов, работающих при циклических нагрузках, определяется усталостью материала, вследствие которой происходит разрушение детали при напряжениях, меньших предела допустимых статических напряжений. Срок ресурсоспособности подшипников зависит от степени износа рабочих поверхностей. Износ поверхностей зависит от физических и химических свойств трущихся поверхностей. Коррозия поверхностного слоя может быть источником и причиной выкрашивания деталей подшипника. Химическая реакция, протекающая между смазкой и материалом ускоряет или замедляет этот процесс, поэтому химическая комбинация материала и смазки влияет на износостойкость и долговечность подшипника. Предел износоустойчивости детали зависит не только от марки, химического состава и структуры материала, из которого была изготовлена деталь, но также от состояния поверхностного слоя деталей подшипника.
Величина износа деталей подшипника непосредственно определяет срок службы подшипника в эксплуатации.
На срок службы подшипников большое влияние оказывает правильность выбора их конструкции, величина и направление нагрузки, скорость вращения, точность формы деталей, смазка, технология изготовления подшипников и т. д.
Лабораторные испытания проводятся на испытательных стендах, выполненных в полном соответствии с конструкцией агрегатов ЛА и воссоздающих условия работы подшипников, полностью соответствующие эксплуатационным условиям (рис. 1). Стендовые испытания определенного типа проводятся с целью выявления фактической долговечности подшипников, в данном случае игольчатых подшипников, при заданных рабочих режимах,
анализа причин выхода подшипников из рабочего состояния и анализа повреждений подшипниковых узлов и самих подшипников. Для проведения стендовых испытаний создаются разнообразные конструкции испытательных машин (рис. 1).
Основными требованиями, предъявляемыми к испытательным стендам являются: жесткость конструкции; обеспечение постоянства и точности числа оборотов, а также радиальной и осевой нагрузок на подшипники в процессе испытаний. Также стенд должен обеспечивать возможность: регулирования нагрузок; скоростей вращения; измерения рабочей температуры; автоматическое отключение стенда при повреждении подшипников.
Методика исследования подшипников обобщает опыт работы предприятий и организаций. Она состоит из исследования работы подшипников в составе изделия и лабораторных исследований. [1, 2].
Рис. 1. Общий вид испытательного стенда для проведения натурных испытаний на режимах, соответствующих эксплуатационным
Данная испытательная машина была создана специалистами ОАО АК им. Ильюшина. Весь механизм выполнен таким образом, что по действующим нагрузкам он полностью соответствует эксплуатационным режимам, которые ЛА воспринимает в процессе эксплуатации. Исключение составляет атмосферная среда, воздействующая на ЛА.
Рис. 2. Общий вид стенда для испытаний подшипников
Рис. 3. Общий вид испытательного стенда на статическую выносливость
Целью испытаний является определение ресурса игольчатых подшипников в условиях работы системы управления, а также определение разрушающей статической нагрузки (рис.2).
Исследованию подлежат подшипники, отработавшие на испытательном стенде заданную программу. Объектом испытаний являются игольчатые роликоподшипники, установленные на стенде.
Перед испытаниями замеряется осевой люфт каждого подшипника, а также производится микрообмер их посадочных гнезд и колец для оценки влияния посадки на работоспособность подшипника. После каждого этапа испытаний выполняется визуальный осмотр. После прохождения программы испытаний производится исследование подшипников, проходивших испытания. Для исследований разработана методика.
Методика исследований включает в себя следующие этапы:
1. Визуальный осмотр и определение повреждения подшипника.
Для определения повреждения подшипников после отработки программы испытаний они демонтируются и визуально обследуются на наличие повреждений, которые привели их в неработоспособное состояние. В первую очередь осматриваются рабочие поверхности наружного и внутреннего колец на наличие на них следов износа, затем стопорные шайбы и тела качения.
Оценивают общее время, отработанное подшипниками до разрушения, условия эксплуатации, причину разрушения, устанавливают комплектность деталей, изучают режимы работы узла и изделия в целом. Выявляют, какая из деталей разрушилась первой и устанавливают последовательность разрушения остальных деталей. Характер разрушения определяют с учетом их конструктивных особенностей и технологии изготовления. Наличие усталостного повреждения (выкрашивания) на деталях подшипника дает основание утверждать, что именно эти детали разрушились первыми.
Обычно первой начинает разрушаться наиболее нагруженная деталь подшипника (чаще всего внутреннее кольцо). Причиной зарождения усталостного повреждения являются концентраторы напряжений. Поэтому важным этапом при внешнем осмотре является определение и правильная оценка концентратора напряжений. Результаты осмотра оформляются протоколом.
2. Фотографирование в собранном виде ( по возможности ).
Для констатации состояния деталей подшипников производится их фотографирование; очаги поражения фотографируются в масштабе. Измерение габаритных размеров и осевого и радиального зазоров.
Определяется возможное заклинивание, а также радиальный зазор, который является одной из основных эксплуатационных нагрузок.
3. Разборка подшипников, исследование смазки, уплотнений и покрытий.
Определяется степень утраты смазочным материалом своих свойств, так как утеря смазочных свойств ведет к преждевременному износу подшипников, сокращению их сроков службы.
4. Фотографирование подшипников в разобранном виде.
Далее подшипники разбираются и передаются в лабораторию качества поверхности, где проходят всестороннее обследование на выявление следов износа.
5. Замеры геометрических параметров, определяющих точность изготовления деталей подшипников.
При дефектации деталей подшипника проводят необходимые измерения для установления соответствия геометрических размеров деталей размерам, указанным в чертежах и технических условиях, оценивают поверхностные концентраторы напряжения. Оценивают концентраторы напряжения в виде подрезов, галтельных переходов, рисок, подрезов и т.д. При дефектации оценивают чистоту обработки рабочих поверхностей, определяют характер внешних повреждений, коррозионных раковин, вмятин и т. д.
Точность размеров определяем допускаемыми отклонениями на габаритные размеры подшипника; для выявления точности вращения учитываются радиальные биения колец, боковые биения торца внутреннего кольца, допуски на внутренние и наружные диаметры и т.д.
6. Определение шероховатости обработки рабочих и посадочных поверхностей.
Качество обработки поверхностей оценивают профилографированием и профилометриро-
ванием. В большинстве случаев участки поврежденных деталей, на которых требуется оценить качество обработки, имеют неровную форму. В таких случаях качество обработки можно оценить с помощью двойного микроскопа. Оценку состояния поверхностей качения проводят в первую очередь.
7. Проведение полного металлографического исследования деталей подшипников с выявлением качества металла, вида термической обработки и расположения волокон, химического анализа, замера твердости. Качество материала исследуют для проверки соответствия материала детали требованиям технических условий. При определении дефекта материала, как фактора, способствовавшего разрушению, проводят более детальное исследование материала. Исследование качества материала может проводиться для подкрепления выводов, полученных при анализе внешнего состояния разрушившихся и поврежденных деталей. Существуют разные методы контроля, применяемые для выявления определенных видов повреждений. Наиболее часто используются рентгеновский, люминесцентный, ультразвуковой метод красок. Наиболее частым дефектом являются трещины. Они могут иметь металлургическое, шлифовочное, закалочное, травильное усталостное происхождение. Трещины, возникшие из-за металлургических дефектов, располагаются в местах скопления пор, волосовин и других изъянов металла.
Шлифовочные трещины располагаются на шлифовочных поверхностях деталей обычно перпендикулярно движению шлифовального камня. Иногда под действием эксплуатационных нагружений, шлифовочные трещины изменяют свою первоначальную ориентацию или образуют сетку трещин.
Закалочные трещины образуются на тех участках, где резко изменяется жесткость или сечение детали.
Усталостные трещины образуются в зоне действия наибольших напряжений перпендикулярно к полю нормальных растягивающих напряжений.
8. Анализ условий работы и составление отчета по результатам исследования.
Анализ условий работы подшипника, вышедшего из строя, состоит из изучения эксплуатационных, производственно-технологических и конструктивных факторов, их влияния на условия нагружения и возможности появления перегрузки, и условия работы подшипника. Анализ условий работы проводится на основании изучения внешнего состояния деталей. Основными
методами выявления различных эксплуатационных, производственно-технологических и конструктивных факторов являются оценка взаимных повреждений подшипника и узла, изучение характера разрушений. При анализе работы подшипника изучаются не только условия работы подшипника, но и узла и изделия в целом. Оценка эксплуатационных факторов вызывает затруднение из-за того, что допущенные при эксплуатации или обслуживании нарушения или изменения нормальной работы проявляются не сразу. Если производственные отступления можно установить прямым путем (измерением, дефектацией и т.д.), то эксплуатационные факторы обычно устанавливают косвенным образом. Поэтому при анализе большое значение имеет не только изучение документации по эксплуатации и техническому обслуживанию, но и опрос эксплуатирующего персонала. Основой анализа эксплуатационных факторов является изучение и оценка условий эксплуатации и качества технического обслуживания. При этом учитывается квалификация инженерно-технического и летного состава, эксплуатирующего ЛА.
Учитывая вышеизложенное, необходимо оценить:
- наработку подшипника с начала эксплуатации;
- режимы работы узла;
- особенности работы узла, изделия в процессе эксплуатации;
- характер выхода подшипника, подшипникового узла из строя;
- выполнение регламентных работ и ремонтов, а также причины замены подшипников или подшипниковых узлов.
Анализ, предложенный по такой схеме, должен быть выполнен в каждом случае из особенностей работы конкретного узла.
Оценкой производственно- технических факторов выявляется:
- соответствие деталей подшипника и подшипникового узла чертежу, а также наличие на них различных дефектов технологического характера;
- соответствие качества материала деталей подшипника требованиям технических условий.
Оценка конструктивных факторов определяет:
- соответствие подшипника данным условиям работы;
- повторяемость случаев разрушения или появления дефекта деталей подшипника;
- конструктивные недостатки подшипников и подшипниковых узлов, выясненные при эксплуатационных испытаниях.
Если разрушение подшипника происходит вследствие повышенных напряжений, то при анализе конструктивных факторов исследуют возможность появления перегрузок подшипника.
Исследования концентраторов напряжений могут быть проведены способом анализа характера разрушения, замера действительных напряжений и анализа статистических данных. Иногда производят расчеты и экспериментальную оценку напряжений. Такие меры нужны для тех случаев, когда разрушение подшипника имеет усталостных характер.
Стендовые испытания проводят тогда, когда необходимо определить фактические запасы подшипника по грузоподъемности и оценить влияние на работоспособность каких-либо дефектов или изменения прочностных характеристик подшипника в зависимости от продолжительности работы [3].
Установление причин выхода подшипника из состояния работоспособности по обобщенным материалам исследования.
Окончательное заключение о причинах выхода подшипника из строя делается на основании обобщения всех результатов исследования и анализов, предоставленных в отчетах и протоколах о проведении исследования разнообразными специализированными лабораториями.
Отчеты и протоколы оформляются таким образом, чтобы дать полные объяснения и доказательства выхода подшипника или подшипникового узла из строя. В отчетах помещаются таблицы, фотографии дефектных мест с описанием и анализом дефектов, а также причин, повлекших за собой повреждения или разрушение подшипника. Если причинами явились монтажные
или какие-либо другие дефекты, неудовлетворительная организация производства или эксплуатации, создавшие дополнительные напряжения, в отчетах это отмечается особо.
Основной целью обобщения и анализа материалов лабораторного исследования является обоснование последовательности разрушения подшипника и установление причины. Заключительной частью отчета являются выводы, заключения и рекомендации. Выводы должны содержать основные результаты проведенных работ, а по отдельным разделам - сопоставление полученных характеристик с техническими условиями.
На основании выводов по результатам исследования и заключения о причине поломки или разрушения подшипника разрабатывают рекомендации по предупреждению подобных поломок. Рекомендации могут предусматривать улучшение конструкции, качества изготовления и эксплуатации подшипников и подшипниковых узлов, а также изменение или дополнение технологии и технических условий на изготовление и эксплуатацию подшипников и подшипниковых узлов, устранение недостатков и нарушений, которые случаются при эксплуатации и техническом обслуживании ЛА. Рекомендации должны быть обоснованы. Разработка мероприятий по предупреждению подобных поломок или разрушений является заключительным этапом исследования.
ЛИТЕРАТУРА
1. Спришевксий А.И. Подшипники качения. - М.: Машиностроение, 1989.
2. ЗайцевА.М. Коросташевский Р.В. Авиационные подшипники качения. - М.: Машиностроение, 1999.
3. Коросташевский Р.В., Нарышкин В.Н. Подшипники качения. - М.: Машиностроение, 1984.
THE INVESTIGATION OF NEEDLE ROLLER BEARINGS AND ROLLER BEARING UNITS
Kharina V.K.
This article sees points and orders of investigation of roller bearings and roller bearing units after passing tests on the tests rig or in the aviation constructions.
Сведения об авторе
Харина Вера Константиновна, окончила МЭИ (1982), инженер- конструктор ОАО ВНИПП, старший преподаватель МГТУ ГА, автор 3 научных работ, область научных интересов - техническая эксплуатация, повышение ресурсоспособности подшипниковых узлов авиационной техники.
