CC BY
93
УДК. 620.1(0.83)
ОЦЕНКА РЕСУРСОСПОСОБНОСТИ ХВОСТОВОГО ВАЛА ТРАНСМИССИИ ВЕРТОЛЕТА МИ-2
Р.Л. СЕМЕНИХИН
Статья представлена доктором технических наук, профессором Пивоваровым В.А.
В работе представлены результаты испытаний хвостового вала, отработавшего назначенный ресурс, с целью определения влияния наработки на физико-механические характеристики материала хвостового вала для определения возможности продления назначенного ресурса.
Ключевые слова: ресурс, хвостовой вал, физико-химические характеристики материала.
Продление ресурсов вертолетов Ми-2 ограничено ресурсами отдельных наиболее нагруженных деталей. В частности, ограничения по ресурсу имеют детали трансмиссии и, в частности, хвостовой вал винта управления вертолетом.
Для проверки состояния упомянутого вала с максимальной наработкой были проведены исследования по оценке его несущих свойств.
Вал в виде трубы диаметром 28 мм подвергался сравнительной оценке материала в местах, подвергающихся нагружению и в ненагруженной зоне с целью выявления отклонений, вызванных наработкой. Сравнивались зоны вала, отмеченные на рис. 1.
Рис. 1. Схематическое расположение зон вырезки образцов на валу: 1 - зона, подвергающаяся воздействию эксплуатационных нагрузок; 2 - зона, на которую нагрузки не воздействуют
Были проведены следующие виды исследований:
- подтверждение химического состава материала;
- определение механических свойств материала;
- определение твердости материала;
- металлографический анализ материала вала.
Подтверждение химического состава материала вала
Состав материала вала определялся путем проведения количественного спектрального анализа на спектрографе ИСП-28 (рис. 2). Исследовалось два образца с условной наработкой 0 ч и 3 образца с наработкой 4500 ч. Образец помещался на рабочий стол спектрографа и подвергался накалу. Свет от источника (1) (рис. 2), проходя трехлинзовую систему, состоящую из конденсоров (2, 3 и 4), щели (5), попадал на зеркальный объектив (6) коллиматора, который отклоняет падающие на него лучи на угол 2°17’.
Рис. 2. Принципиальная схема спектрографа ИСП-28
Параллельный пучок света, идущий от зеркального объектива, попадает на призму (7), разлагающую его в спектр. Объектив (8) собирает лучи в фокальной плоскости (9), которая совпадает с плоскостью фотопластинки.
Для удобства расшифровки спектра на пластинке впечатана миллиметровая шкала. Перед щелью спектрографа установлен ступенчатый ослабитель (10), градуированный для ультрафиолетовой области 3100 А.
Осветительная система прибора, состоящая из трех конденсоров с фокусными расстояниями 75, 150, 275 мм, обеспечивает ахроматическое освещение щели (5). Источник света проектировался конденсором (2) на диафрагму револьверного типа, укрепленную на оправе конденсора (3). Конденсор (3) проектировал уменьшенное пятно «белого света» на щель спектрографа. Изображение освещенной диафрагмы конденсором (4) проектировалось в плоскость объектива камеры и заполняло его.
Для метода количественного спектрального анализа использовался метод трех эталонов. Суть его, на примере определения концентрации марганца (который присутствует в исследуемых образцах), состоит в следующем:
1. Подбирались три эталона материала с различным содержанием марганца - от 0,3 до 1,5 %. В качестве таких эталонов использовались стандартные образцы Уральского института металлов. Образцы цилиндрической формы диаметром 10 мм, длиной 50 - 100 мм.
2. Образец зажимался в держателе штатива. В качестве второго электрода использовался пруток красной меди диаметром 8 мм, заточенный на конус с закругленным концом. Межэлектродный промежуток составлял около 2 мм.
Между электродами зажигалась искра. При этом емкость конденсаторов составила 0,01 мкф, самоиндукция - 0,01 мгн, ток в первичной цепи - 1,6 - 2 А.
Перед фотографированием выдерживалось время обжига, равное 2 мин.
3. После предварительного обжига осуществлялось фотографирование спектра. Ширина щели спектрографа составляла 0,02 мм, высота 1 - 1,5 мм (высота ограничивается размером отверстия диафрагмы с фигурными вырезами).
Фотографирование производилось на диапозитивные пластинки. Время экспозиции при фотографировании подбиралось так, чтобы почернения S линий аналитической пары (Mn 2939,11 A и Fe 2944,40 A) всех эталонов не выходили за пределы 0,3 - 1,5 % для диапозитивных пластинок.
Почернения измерялись по средней (логарифмической) шкале микрофотометром МФ-2.
4. Обработка фотопластинок производилась в метолгидрохиноновом проявителе следующего
состава: Сульфит безводный... 60 мг Бромистый калий.......20 мг
Гидрохинон.......... 30 мг Вода..................до 1 л
Сода............ 20 мг
Время проявления - 1 мин. при температуре 18°С.
Фиксирование производилось в кислых фиксажах. Отфиксированные пластинки промывались в проточной воде и сушились.
5. После окончания времени экспозиции все три эталона фотографировались последовательно на одной пластинке по три раза каждый. На микрофотометре определялись почернения линий Мп 2939,11 А и Бе 2944,40 А. Измеренные почернения записывались в журнал по приведенной ниже схеме (табл. 1).
6. По полученным данным строился так называемый градуировочный график. По оси абцисс откладывались значения 1§ С, по оси ординат - значения Д8ср для каждого образца. Через полученные точки проводилась прямая так, чтобы она прошла возможно ближе через все три точки (метод минимальных квадратов).
Таблица 1
Результаты почернений
№ образца Концентрация (С) в % lg с № пластинки и спектра SMn SFe AS (SMn- SFe) AScp
151 0,893 0,760 0,133
1 0,59 -0,228 152 0,896 0,764 0,132 0,134
15з 0,900 0,763 0,137
154 1,025 0,751 0,269
2 0,74 -0,130 155 1,020 0,748 0,272 0,270
15б 1,019 0,746 0,273
157 1,355 0,763 0,592
3 1,43 0,155 158 1,354 0,760 0,598 0,595
159 1,349 0,763 0,596
На этой же пластинке сфотографированы спектры исследуемых образцов Х. Значения ASX отражались на оси ординат и проектировались через градуировочный график на ось абсцисс (условная концентрация элемента). Сама концентрация определялась по таблицам логарифмов или антилогарифмов.
Градуировочные графики строились для каждой пластинки, на которой фотографировались эталонные образцы и анализируемые образцы. Для обеспечения достоверности результатов каждый образец фотографировался 2...3 раза. А значения спектров усреднялись. Для определения содержания углерода (С) применялся химический метод. Химический состав материала различных зон вала приведен в табл. 2. Он соответствует марке 30ХН2МФ в соответствии с ГОСТ 4543-71.
Из литературных источников [1] известно, что обычно влияние наработки с преимущественным циклическим нагружением на стали типа «хромансиль» сказывается на соотношении C/Fe. Причем с наработкой C/Fe имеет тенденцию к увеличению, что приводит к так называемому охрупчиванию стали [1]. Согласно данным табл. 2, углерод не только увеличился, но и незначительно снизился (это может быть вызвано погрешностью аппаратуры).
Таблица 2
Результаты сравнительного анализа состава материала вала трансмиссии вертолета Ми-2
Элементы Химический состав в %
с углерод Mn марганец Si кремний Cr хром Ni никель Mo молибден V Ванадий
Наработка 0 ч (2 образца) 0,31 0,42 0,26 0,81 2,2 0,21 0,16
Наработка 4500 ч (3 образца) 0,29 0,43 0,19 0,82 2,1 0,23 0,18
ГОСТ 4543-71 0,27-0,34 0,3-0,6 0,17-0,37 0,6-0,9 2,0-2,4 0,2-0,3 0,10-0,18
Таким образом, представленные результаты наглядно показывают отсутствие существенного влияния наработки на химический состав. Материал вала в полной мере соответствует марке ст.30ХН2МФ согласно ГОСТ 4543-71.
Определение механических свойств материала вала
Для сравнительной оценки влияния наработки на физико-механические свойства материла из соответствующих зон вала (рис. 1) вырезались образцы в соответствии с требованиями ГОСТ 1006 (рис.3). С наработкой 0 вырезано 3 образца, с наработкой 4500 ч также было изготовлено
3 образца
Рис. 3. Образцы для определения физико-механических свойств материала ст. 30ХН2МФ
Испытание на растяжение проводились в соответствии с требованиями ГОСТ 10006-80. Скорость нагружения до предела текучести - 4 мм/мин., за пределом текучести - 10 мм/мин. Испытание на разрыв производилось на разрывной машине Р-5 (ГОСТ 1497-84), со шкалой 5 кгс, при нагрузке 2020 кгс.
Площадь поперечного сечения образца в мм2 определялась по формуле
Б0=ка0Ь0 , (1)
где к - коэффициент, величина которого , определенного по ГОСТ 10006-80, составила к=1,02. Тогда Б0=1,02х2,47х8,0=20,2 мм2.
Замер толщины проводился резьбовым микрометром с точностью 0,1 мм. Ширина -штангенциркулем 0-160 мм, с точностью 0,1 мм.
Для определения временного сопротивления разрыву ов образец подвергался растяжению плавно возрастающей нагрузкой до разрушения [2]. Наибольшая нагрузка, предшествующая разрушению образца, принималась за нагрузку Ртах.
Временное сопротивление разрыву определяется по формуле
Р 2020
аВ = тах =-------= 100; МПа (кгс/см2). (2)
/0 20,2
Для определения относительного удлинения после разрыва на рабочей части образца наносились риски через 10 мм.
Относительное удлинение
5 = 5,6^Л//0 , мм. (3)
После испытания, разрушенные две части образца плотно складывались так, чтобы их оси образовывали прямую линию.
Штангенциркулем 0-160 с ценой деления 0,1 мм замерялся 1к на участке, равном расчетной
длине. Разрыв посередине 5 = ——— • 100% ,
^0
где 1к - конечная расчетная длина на рабочем участке, 10 - начальная расчетная длина.
Получилось 1к = 25 мм; 10 = 28 мм. ов; 5 являются определяющими характеристиками, сравниваемыми с требованиями НТД.
Образец № 1. 2,47х8,0 к=1,02 Б=20,15 мм2; образец № 2. 2,47х8,0 к=1,02 Б=20,15 мм2, где к - коэффициент пересчета кривизны.
Результаты испытаний приведены в табл. 3.
Таблица 3 Результаты испытаний
Р Р кгс ов, кгс/мм2 5, %
2020 100,3 12,0
2020 100,3 12,0
по ГОСТ >90 >10
Видно, что параметры образцов с наработкой 4500 ч не отличаются от параметров образцов с наработкой 0 ч.
Определение твердости материала вала
Твердость материала замерялась на приборе Роквелла в местах, обозначенных на рис. 4.
Рис. 4. Схематическое расположение зон измерения твердости по Роквеллу: А - места измерения твердости
Производилось вдавливание в испытываемый образец алмазного конуса под действием двух последовательно прилагаемых нагрузок - предварительной в 10 кгс и общей - в 60, 100 и 150 кгс.
Как известно [3], разность глубин, на которые проникает алмазный конус под действием двух последовательно приложенных нагрузок, характеризует твердость испытываемого металла (рис. 5).
Рис. 5. Схема испытания на твердость алмазной пирамидой Число твердости по Роквеллу выражается формулой
Я
к - (И,- И) С
(4)
где И - предварительная глубина внедрения под действием нагрузки в 10 кгс; Ь1 - окончательная глубина внедрения под действием нагрузки в 60, 100 или 150 кгс после ее снятия и оставления
нагрузки в 100 кгс; к - постоянная величина, равная для конуса 0,2; с - углубление конуса на
0,002 мм, соответствующее одному делению циферблата индикатора.
Алмазный конус имел образующий угол в 120° и закругленную вершину с радиусом закругления в 0,2 мм. Поверхность алмаза на расстоянии 0,3 мм от вершины конуса тщательно отполирована.
На рис. 6 приведена схема испытаний твердости на приборе ТК.
Твердость исследуемых образцов составила:
Образец № 1 - ИЯС 29.. .32 - концевая часть вала в каждой точке «А» (рис. 4).
Образец № 2 - ИЯС 29.31 - концевая часть вала в каждой точке «А» (рис. 4)
Образец № 3 - ИЯС 30.31,5 - центральная часть вала в каждой точке «А» (рис. 4)
Твердость материала свидетельствует о соответствии требованиям чертежа (по чертежу ИЯС = 28.35). Результаты измерений показали также, что твердости материала каждого образца вала в нагруженных точках равны твердости в ненагруженной точке.
Из литературных источников [1] известно, что НЯС материала оценивает так называемую гетерогенность (однородность поверхностного слоя), а также степень охрупчивания материала в поверхностном слое, вызванную наработкой. Опыт показывает (имеются данные), что охрупчивание до величины ~ 17 % существенно повышает вероятность появления трещин механической усталости. В данном случае таких величин охрупчивания мы не наблюдаем, что свидетельствует о незначительном влиянии наработки на состояние материала вала.
Рис. 6. Схема прибора ТК для испытания твердости по Роквеллу: 1, 2 и 3 - гири;
4 - амортизатор; 5 - рычаг; 6 - индикатор; 7 - рукоятка; 8 - шпиндель;
9 - алмазный конус; 10 - подставка; 11 - маховик
Металлографический анализ материала вала
Металлографический анализ проводился с целью выявления влияния наработки на микроструктуру материала вала. Были вырезаны образцы в виде колец из трех мест: № 1, 2 - с противоположных концов, № 3 - из центральной части (рис. 7).
Рис. 7. Схема вырезки образцов для проведения металлографического анализа
Анализ проводился на микроскопе металлографическом НЕОФОТ-32 (№ЮБОТ-32) в плоскости, перпендикулярной оси детали.
Вырезка образцов для микроисследования производилась в холодном состоянии с обильным охлаждением без деформации слоев, прилегающих к плоскости шлифа.
При вырезке придерживались следующих размеров:
- квадратные, сечение 10х10 мм (20х20 мм);
- круглые, диаметром 10 мм или 20 мм.
В тех случаях, когда образцы получались неправильной формы или малых размеров, они
располагались в оправках и заливались сплавом Вуда (50% висмута, 12,5% кадмия, 12,5% олова,
25% свинца, Т плавления 75-90°).
Подготовленная плоская поверхность образца шлифовалась на шкурке разной зернистости с постепенным переходом от крупной к более мелкой.
После окончания шлифования образец промывался для удаления всех абразивных частиц, и производилась полировка окисью хрома с помощью фетра.
Для полирования приготавливалась смесь порошка с водой в пропорции окиси хрома - 10-15 г порошка на 1 л воды.
При полировании фетр был постоянно влажным, поэтому обеспечивалось непрерывное поступление полировальной жидкости на полирующий материал.
Продолжительность полирования 5-10 мин. Полирование заканчивалось, когда на шлифе не осталось никаких царапин и рисок, шлиф имел зеркальную поверхность.
Г отовый шлиф промывался водой и спиртом, а затем сушился фильтровальной бумагой.
Содержание неметаллических включений, определенное на нетравленых шлифах № 1, 2, 3, не превышает 2 балла шкалы ГОСТ 1778-70 и является допустимым.
С целью оценки структурного состояния материала, шлифы подвергались химическому травлению в реактиве состава: азотная кислота (НЫО3).. 4 мг; этиловый спирт (С2Н5ОН).. 96мг.
Установлено, что выявленная микроструктура представляет собой сорбит, характерный для закаленной и отпущенной стали марки 30ХН2МФА. Каких-либо отклонений, вызванных наработкой, не обнаружено.
Рис. 8. Структура материала хвостового вала при 500-кратном увеличении в нагруженной зоне
Рис. 9. Структура материала хвостового вала при 500-кратном увеличении в ненагруженной зоне
Из приведенных рис. 8 и 9 видно, что структура материала хвостового вала в ненагруженной и нагруженной зонах практически не отличается.
Выводы
1. В результате проведенных экспериментов установлено, что физико-механические характеристики материала вала (ст. 30ХН2МФА) трансмиссии вертолета Ми-2, подвергшегося эксплуатационному нагружению в течение 4500 ч, остались практически на исходном уровне.
2. Качество материала вала по микроструктуре отвечает требованиям чертежа и ГОСТ 4543-71.
3. Результаты испытаний материала вала дают основания для возможного продления ресурса хвостового вала трансмиссии вертолета Ми-2.
ЛИТЕРАТУРА
1. Прочность, ресурс, живучесть и безопасность машин / отв. ред. Н.А. Махутов. - М., 2008.
2. Феодосьев В.И. Сопротивление материалов. - М., 1999.
3. ГОСТ 9013-59. Металлы. Метод измерения твердости по Роквеллу.
ASSESSMENT OF MI-2 DRIVE SHAFT RESOURCEABILITY
Semenikhin R.L.
There are results of testing drive shaft with resource is out in this paper. It was made for determination of the influence flight hours to physical and mechanical characteristics of the material for determination of possibility to prolong drive shaft critical resource.
Key words: resource, drive shaft, physical and mechanical characteristics of the material.
Сведения об авторе
Семенихин Роман Леонидович, 1980 г.р., окончил МГТУ ГА (2003), ведущий инженер Московского вертолетного завода им. М.Л. Миля, аспирант кафедры технической эксплуатации летательных аппаратов и авиационных двигателей МГТУ ГА, автор 1 научной работы, область научных интересов - прочность, живучесть и ресурсоспособность летательных аппаратов и их агрегатов.
