автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.05, диссертация на тему:Конструктивно-технологическое обеспечение фрикционно-усталостных свойств зубьев зубчатых колес авиадвигателей

У&с

РГБ ОД 2 7 ОКТ 1998

На правах рукописи

ЗАМЯТИН Владимир Юрьевич

КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ФРИКЦИОННО-УСТАЛОСТНЫХ СВОЙСТВ ЗУБЬЕВ ЗУБЧАТЫХ КОЛЕС АВИАДВИГАТЕЛЕЙ

Специальность 05.07.05 - Тепловые двигатели летательных аппаратов

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Рыбинск-1998

Работа выполнена в Рыбинской государственной авиационной технологической академии

Научный руководитель - д.т.н., проф., заслуженный деятель науки и техники Российской Федерации В.Ф. Безъязычный

Официальные оппоненты - доктор технических наук С.А. Б у к а т ы й

кандидат технических наук Ю.К. Чарковский

Ведущая организация - Открытое акционерное общество «Рыбинские моторы»

Защита состоится ИОяЬрЯ 1998 г. в ^ ч на заседании

диссертационного совета Д 064.42.01 Рыбинской государственной авиационной технологической академии по почтовому адресу: 152934, г. Рыбинск Ярославской обл., ул. Пушкина, 53 (главный корпус РГАТА), аудитория 237.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке РГАТА.

Автореферат разослан " 3 ■ ОК ! Я Орй 1998 г.

Отзыв на автореферат, скрепленный гербовой печатью, в двух экземплярах просим направлять по адресу: 152934, г. Рыбинск Ярославской обл., ул. Пушкина, 53, РГАТА ученому секретарю диссертационного совета Д 064.42.01 РГАТА.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 064.42.01 кандидат технических наук, доцент

Конюхов Б.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность проблемы. В условиях формирующегося мирового товарного рынка, возрастания роли воздушных судов в скоростных перевозках людей и грузов достижение безопасности и конкурентоспособности отечественных авиационных двигателей (АД) невозможно без доведения их надежности и удельной мощности до уровня самых лучших образцов и современных требований. Накопленный опыт эксплуатации и испытаний серийных и проектируемых АД показывает: I) к структурным составляющим, в значительной степени определяющим их безотказность и ресурс, относятся зубчатые передачи, силовая и кинематическая нагруженность которых обычно в 2-4 раза превышает принятые в общем машиностроении; 2) при проектировании таких передач основное внимание уделяется изгибной прочности и сопротивлению выкрашиванию, в результате в 80-85 % случаев их выход из строя связан с усталостной фрикционной повреждаемостью активных поверхностей зубьев; 3) в современных АД применяются зубчатые колеса из сталей, составляющие до 15 % всей массы двигателей; 4) около 95 % колес выполняются цилиндрическими внешнего зацепления; 5) существенного снижения массы шестерен и колес можно достичь применением сплавов титана.

Несмотря на большое количество исследований зубчатых зацеплений, до настоящего времени методы оценки, прогнозирования и достижения заданных характеристик фрикционной усталости стальных и особенно титановых зубчатых колес практически не развиты. И если для общего машиностроения отсутствие таких методов компенсируется выбором высоких коэффициентов запаса, то в авиации этот путь непригоден. Таким образом, в авиамоторостроении решение вопросов, связанных с разработкой методов и средств оценки и обеспечения параметров фрикционной усталости зубьев стальных и титановых зубчатых колес, прежде всего цилиндрических внешнего зацепления, представляет собой актуальную и важную научную и прикладную проблему.

Цель и задачи работы. Цель настоящих исследований - разработка методов улучшения фрикционно-усталосгных свойств и повышения долговечности зубьев цилиндрических стальных и титановых внешнего зацепления зубчатых колес авиадвигателей за счет конструктивно-технологического модифицирования активных поверхностей на основе закономерностей их взаимодействия.

Для достижения цели поставлены задачи: 1) установление закономерностей изменения параметров геометрии, кинематики и контактирования, необходимых для оценки и

прогнозирования ресурса зубьев зубчатых колес авиадвигателей по критерию их фрикционной усталости; 2) определение влияния важнейших конструктивно-технологических и эксплуатационных воздействий на фрикционные свойства контактных элементов рассматриваемых колес; 3) разработка и инструментальное обеспечение методики оценки параметров фрикционной усталости сталей и титановых сплавов в условиях подвижного взаимодействия зубьев; 4) установление численных значений параметров фрикционной усталости материалов зубчатых колес авиадвигателей в зависимости от технологии их модифицирования; 5) изучение особенностей и физической сущности фрикционной повреждаемости сталей и титановых сплавов в условиях работы активных поверхностей зубьев зубчатых колес авиационных моторов; б) выбор и разработка рациональных конструктивно-технологических путей повышения усталостной стойкости и долговечности контактных участков зубьев стальных и титановых зубчатых колес авиадвигателей.

Исследования являются составной частью НИР РГАТА, в том числе по грантам в области фундаментальных изысканий транспортной техники. Значительный объем работ выполнен применительно к зубчатым зацеплениям новых авиационных двигателей ТВД-1500, РД-600В, ДН-200.

Методы исследования. Проведены комплексные расчетно-аналитические и стен-доволабораторные изыскания. При планировании и проведении исследований, обработке и интерпретации полученной информации использованы достижения и рекомендации теории и практики зубчатых зацеплений, контактирования и фрикционной усталости криволинейных тел, технологии машиностроения, математической статистики, надежности АД. При оценке состояния и свойств поверхностей и пар применялись профилографиро-вание, дюрометрия, металлографический, рентгеноструктурный и электронномикроско-пический анализы, тензометрирование. Толщина теряемого в процессе испытаний слоя материала Ь(Ь) находилась микромегрированием, взвешиванием, профилографированием.

Научная новизна. Установлены закономерности макро- и микроконтактирования зубьев зубчатых колес АД. Разработаны подходы к определению параметров фрикционной усталости Со, V и соответствующему им ресурсу Т^, зацеплений. Уточнено влияние технологических и эксплуатационных факторов на фрикционно-усгалостную стойкость и Тфу стальных и титановых зубчатых колес с модифицированными активными участками. Скорректированы требования к контактным поверхностям зубьев стальных и титановых зубчатых колес АД. Обоснованы рациональные условия обеспечения их ао, ТфУ.

Практическая полезность и реализация результатов работы. Определены геометро-кинематические и контактные характеристики, необходимые для прогнозирования Тф, изученных зацеплений. Разработана и обеспечена инструментально методика оценки <Зо и ty поверхностей в условиях подвижного взаимодействия зубьев зубчатых колес. Найдены а0 и t, для сталей 12Х2Н4, 18Х2Н4В, 20X3МВФ (ЭИ415), 13X11Н2В2МФ (ЭИ961) различной степени металлургической очистки и сплава ВТ6 с модифицированными несущими слоями. Установлены рациональные условия конструктивно-технологического модифицирования зубьев, позволяющие увеличить Тфу стальных колес в 1,9-2,2 раза и более чем в 30 раз повысить фрикционную стойкость колес АД при их изготовлении из ВТ6. Основные результаты переданы ОАО "РМ", использованы в пособии для студентов, внедрены в учебный процесс РГАТА. Расчетный годовой экономический эффект от применения разработок на предприятии ОАО "РМ" составляет около 95 тысяч рублей.

Положения, выносимые на защиту. Метод и инструментальное обеспечение оценки Оо и ty контактных участков зубьев зубчатых колес АД. Установленные показатели и закономерности подвижного контактирования зубьев стальных и титановых зубчатых колес АД, позволяющие прогнозировать их Тфу в зависимости от основных воздействующих факторов. Конструктивно-технологические пути повышения усталостной стойкости фрикционно нагруженных участков зубьев стальных колес и обеспечения возможности применения в АД титановых колес.

Апробация работы. Результаты исследований доложены и одобрены на Всероссийских молодежных научных конференциях "XXI, XXIII, XXIV Гагаринские чтения" (Москва, 1995, 1997, 1998); "YUTRIB'95" (1995, Herceg Novi, Yugoslavia); Международных конференциях "Напыление и покрытия - 95" и "Научно-технические проблемы прогнозирования надежности и долговечности металлических конструкций" (С.-Петербург, 1995); Международных симпозиумах "СЛАВЯНТРИБО-3. ТРИБОЛОГИЯ И ТРАНСПОРТ" (Рыбинск, 1995), "СЛАВЯНТРИБО-4. ТРИБОЛОГИЯ И ТЕХНОЛОГИЯ (С.-Петербург, 1997), научных конференциях РГАТА и семинарах кафедры ТАД и ОМ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано более 20 работ. Список основных из них приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации. Диссертация содержит введение, 6 глав, общие выводы и рекомендации, список литературы из 138 наименований, 4 приложения. Ее

общий объем — 252 страниц машинописного текста, в том числе 62 рисунков, 37 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Введение включает общую характеристику предмета исследования, обоснование актуальности темы диссертации, защищаемые положения.

В главе 1 приводятся результаты анализа литературы. Рассматриваются параметры, материалы и технологии изготовления объектов исследования, методы оценки и достижения основных фрикционно-устапостных свойств активных поверхностей зубьев зубчатых колес, известные закономерности их контактирования и повреждаемости.

В России большой вклад в теорию контактирования твердых тел внесен JI.A. Га-линым, Н.Б. Демкиным, И.В. Крагельским, C.B. Пинегиным, другими учеными. Зубчатые зацепления глубоко исследованы И.А. Болотовским, Э.Б. Булгаковым, Ю.Н. Дроздовым, В.Н. Кудрявцевым, А.И. Петрусевичем, Д.Н. Решетовым и другими. Изучению и решению материаловедческо-технологических проблем обеспечения надежности фрикционно нагруженных поверхностей посвятили свою деятельность В.Ф. Безъязычный, М.Д. Генкин, O.A. Горленко, B.C. Мухин, Э.Д. Рыжов, А.М. Сулима, А.Г. Суслов, JI.A. Хворостухин и другие. Из публикаций следует, что к факторам, определяющим фрикционную усталость контактных участков зубьев зубчатых колес АД, относятся геометрические, физико-механические и усталостные показатели несущих слоев зубьев. Повышение колес обеспечивается выбором рациональных материалов, видов и режимов термической, химико-термической и финишной обработки, ионной имплантации, напыления. Несмотря на значительные достижения в рассматриваемой научно-прикладной области, при доведении надежности и массы редукторов и трансмиссий АД до мировых требований остается множество нерешенных проблем. Одна из них - определение и обеспечение Оо и ty активных участков зубьев зубчатых колес из сталей и сплавов титана - послужила основанием для выбора приведенных выше цели и задач.

Глава 2 включает описание объектов исследования: натурных зубчатых пар АД; модельных упрощенных пар "диск-диск", "индентор-ролик, имитирующий активную поверхность одного зуба - плоская призма, имитирующая развертку другого зуба". Рассмотрены схемы, направленность и общие методы теоретических и экспериментальных поисков. Изложена сущность планирования, проведения и обработки парных и множественных испытаний. Описан ориентированный на ЭВМ алгоритм построения множественных

статистических математических моделей исследуемых явлений и процессов. В качестве базовых приняты экономные планы экспериментов Бокса и Бокса-Бенкена.

В главе 3 рассмотрены методы и результаты теоретического анализа геометрии, кинематики и контактно-фрикционных параметров активных участков профилей зубьев шестерни 1 и колеса 2 в точках их касания к, прежде всего: нижних к,], кр2 и верхних к,2, к,1 точек активного профиля, соответствующих входу в зацепление (н) и выходу из него (ок); полюсе зацепления (к»ч, кчл); точках пересопряжения и к^, и к^.

В группу входных воздействий включены: модуль зацепления ш; числа зубьев хи г2; углы главного профиля исходного контура а, наклона зуба Р; коэффициенты смещения исходного контура Х|, х2; модуль Е, коэффициент Пуассона ц материала; параметры степенной аппроксимации начального участка опорной кривой Ь, V; а0,1,; Иа, И„„; относительная опорная длина профиля и; радиус кривизны вершин выступов г; нагрузка в зацеплении Р,; частота вращения п^; коэффициент трения С К выходным параметрам отнесены: высота активных участков Ь„т и приведенный радиус кривизны р^, профилей зубьев; скорость скольжения сопряженных точек ус,; коэффициент проскальзывания К*; текущая 2ут и средняя ширина площадок А, номинального контакта зубьев; распределение по А, максимальных ош и текущих с, сжимающих напряжений, их среднее значение а^,; эпюра макросближений 5 зубьев по длине I, полоски А,; путь общего фрикционного взаимодействия Ц|) и скольжения Ц0С, точек зубьев за время I; относительное микросближение зубьев Ер и диаметр с!, пятен их фактического касания; фрикционные напряжения Оф,; число циклов взаимодействия Пус, до усталости на А,; интенсивность фрикционной повреждаемости 1Ь; ресурс зацепления Тфу.

Параметры геометрии и кинематики определялись в соответствии с положениями теории зубчатых зацеплений. Показано, что для передач АД они равны (гс = г\ + гг):

Ь.„, = 1,5...1,9 ш; Кь = Ь«,1 /Ь,„2 = 0,87...1,05;

Рпр(к) = (0,026...0,045) ш гс; = (0,038...0,050) ш р^да = (0,043...0,053) т

РгрО«,) = (0,044—0,054) т р,«*, = (0,048...0,057) ш и,

Ус.(.)= 10...50 м/с; Усо«)= 7... 11 м/с; усжво.) = 6...10 м/с; у„««)= 10...50 м/с; Кс,(кв) = 0,35...0,61; КСЖ(Ц.) = 0,14...0,25; Км(Чо,> = 0,09...0,21; К«П1ОС) = 0,30...0,77.

Расчетная оценка параметров номинального контактирования зубьев, фрагменты результатов которой приведены на рис. 1, 2, выполнялась с использованием соотношений

теории упругости для осесимметричного контакта коротких цилиндров.

Характер распределения сжимающих напряжений по А,

Распределение относительных ав, 2у, и 8, по половине длины А.

бот

аю (от) у 2уя

Рис. 1

0,2 0,4 0,6 0,8

Уот -►

Рис. 2

Фрикционные свойства фактического контакта зубьев изучены на ЭВМ по алгоритму, построенному на рекомендациях теории усталости И.В. Крагельского.

Из теоретических оценок следует: к конструктивным факторам, определяющим контактирование и фрикционную повреждаемость зубчатых колес, относятся конфигурация их образующей, р„р , а, Р; в группу наиболее значимых технологических факторов входят Оо , 1у, Е, х , г, Ят« (Яа), и ; для серийных колес с прямолинейной образующей зубьев текущие (т) относительные ширины у„ = уг/ уа и напряжения а(П1) „ = а(т) I / о(„)« {То и а(Я)о - полуширина полоски контакта и максимальное напряжение сжатия в средней точке А,} для каждой координаты по длине контакта у„ = 2у /1, имеют одинаковое значение, причем у „{та) = в™ (от) »и ~ 1,4, а относительные макросближения 5„ ~ 1,96; максимумы величин 2у„, о(т) т, 5„ наблюдаются при у„ ~ 0,95; средние значения 2у„ и СТ(и) от ^ 1,14. Значение п^ должно оцениваться по двухступенчатой схеме:

Пу(г) =

где Пу(г) - число циклов до усталости п, микронеровностей на площади фактического касания А,; пр - приведенный параметр; 0 - критерий Кирхгофа;

п °У(0

^ 0,785 <1?п.

О)

°ср =4 Ко^уДЗ!.), Уср =21*/ут6')^у/1а •

о о

Тф, находится по уточненному соотношению { |Ъ(Ь)] - допускаемое значение Ь(Ъ); -число колес, контактирующих с рассматриваемым; е, - коэффициент перекрытия; К„ = = 1+Р) /рг', Ксрлм, = 1+Р12 ¡2.1 Ури;> - передаточное отношение; к.и', \V1cm, - дополюс-ный и заполюсный участки линии зацепления }:

Тфу =[Ь(ь)]/{ь(0С11н}=[ь(ь)]/{2Гср я, е7 К„ К„ пвр 1„)

В главе 4 определены структурно-кинематические характеристики специальной установки УФУ-4А РГАТА для испытания поверхностей на фрикционную усталость в условиях подвижного контактирования зубьев, описаны ее устройство и принцип действия. Изложен разработанный и реализуемый с использованием разработанной установки рас-четно-экспериментальный метод определения Пус, Сто и !у, который заключается в следующем. Исходная функция п^ = (ра / сгфу) ^ представляется прямой: = 1, (1£Оо - 1§сТфу). Следовательно, для двух значений с% ^уы = 1, - ^ОфУ0,1^,2 = 1,0в<3о - >8^,2) и

'епуст. _ О о фу1 ,_ч

На УФУ-4А РГАТА проводятся опыты для нескольких пар Р„1 (сш|) и Р„2 (а„2) с фиксированием числа воздействий N5 на испытуемый образец-призму, Ь(Ь), £

Расчетами устанавливаются сближение индентора с образцом и с учетом Г напряжения сТфу, вызывающие фрикционную усталость. Величина сближения приравнивается к толщине слоя ¿Ь, разово отделяемого от А,. Определяется п^ до отделения ёЬ

ПУ(0 = КЦ^/Ь(Ь). (3)

По (1) или упрощенно из п^ = п, (г) / с!Ь находится п^, исходя из (1)-(3) рассчитываются точечные значения 1§<7<н, 1У| по типу

. _ »еПусП 'ё<Гфу2 - 'ЕП^г ^СТфу! ^ёПусг1(2)

'ЕПуст! - >ёСТ01(2) - ^^1(2)

а по ним средние величины искомых Оо и

Глава 5 посвящена описанию конкретных методов и условий проведения экспериментов, рассмотрению и анализу опытных данных. Из множества воздействий, составляющих экспериментальное факторное пространство, к изучаемым технологическим комплексам отнесены следующие: материал и твердость несущих поверхностных слоев; температурные режимы регулирования их физико-механических свойств; шероховатость, способы и режимы отделочно-упрочняюще-ангифрикционной доводки.

Опыты проводились на образцах, изготовленных из сталей 12Х2Н4А, 18Х2Н4ВА, 20X3МВФ (А, -Ш, -ШД), 13Х11Н2В2МФ (А, -Ш), сплава ВТ6. Для улучшения фрикционных свойств поверхностей приняты их конструктивное, металлофизическое и совместное физико-микрогеометрическое модифицирование. Вид и параметры конструктивно-продольной модификации зубьев определены исходя из расчетов их макроконтактирования. Координаты образующей зубьев предложено находить по уравнению:

в котором - текущая толщина зуба в его средней части.

При выполнении образующей зуба по кривой, описываемой (4) с первой круглой скобкой, коэффициент превышения ^ над с«,«» снижается с К„р = 1,4 для прямолинейной образующей до К,, = 1,1. Модифицирование по кривой, выполненной по (4) с второй круглой скобкой, позволяет довести К«, до 1,05. В этом случае в более благоприятных условиях нагружения находится край зуба, диффузионный слой которого обычно отличается повышенной дефектностью. Экспериментами показано: при изготовлении поверхностей с рекомендуемой конструктивной модификацией достигается равномерная фрикционная повреждаемость материала образцов по Ц, в 1,2-1,3 раза снижается их

Металлофизическая модификация осуществлялась для сталей печными газовыми цементацией (ц), азотированием (аз), нитроцементацией (нц), карбонитрацией (кн) из расплавов солей; для ВТ6 - альфированием (аф); для сталей и ВТб ионным азотированием (иа), вакуумным напылением Т1Ы (нт). Физико-микрогеометрическое модифицирование производилось шлифованием (ш), хонингованием (х), полированием эластично-абразивным

2(у)к = У (- °'123 УоТ +1.221 у2от - 0,536 у^)... (0,027уот-0,608у^-0,219у^) х

(4)

инструментом (пэ), финишной антифрикционной безабразивной обработкой (ФАБО) инструментом из сплава меди (Ф). Результаты опытного сравнения относительной фрикционной стойкости 11фс прямолинейных поверхностей и коэффициентов вариации у[Ь] толщины потерянного слоя приведены в табл. 1.

Таблица 1. Относительная фрикционная стойкость Ифс испытанных материалов и технологий в условиях работы активных участков зубьев

Вариант и+с у[Ь] Вариант и* у[Ь]

12Х2Н4А (ц+ш) 1,0 0,151 20ХЗМВФ-Ш (нц+ш+х+пэ) 1,88 0,113

18Х2Н4ВА (ц+ш) 1,10 0,143 20ХЗМВФ-Ш (нц+ш+х+пэ+Ф) 2,04 0,110

18Х2Н4ВА (аз+ш) 1,18 0,141 13X11Н2В2МФА (ц+ш) 1,38 0,132

18Х2Н4В А(ППД+аз+ш) 1,30 0,138 13X11Н2В2МФА (нц+ш) 1,52 0,130

20X3 МВФ А (ц+ш) 1,26 0,134 13X11Н2В2МФА (аз+ш) 1,59 0,127

20ХЗМВФА (аз+ш) 1,32 0,132 13X11Н2В2МФА (иа+ш) 1,50 0,125

20ХЗМВФА (нц+ш) 1,39 0,129 13X11Н2В2МФА (ц+ш+кн) 1,76 0,115

20ХЗМВФ-Ш (нц+ш) 1,51 0,107 13X11Н2В2МФА (аз+ш+х+пэ+Ф) 2,15 0,107

20ХЗМВФ-ШД (нц+ш) 1,64 0,072 13X11Н2В2МФ-Ш (аз+ш+х+пэ+Ф) 1,33 0,075

20ХЗМВФ-Ш (ш+нт) 1,20 0,134 13X1Ш2В2МФА (ППД+аз+ш) 1,72 0,116

20ХЗМВФ-Ш (нц+ш+х) 1,69 0,115 ЭИ961А (ППД+аз+ш+ППД+х+пэ) 2,37 0,084

ВТ6 (з+ш) 1,0 0,118 ВТ6 (ш+аф+х+пэ) 20,8 0,126

ВТ6 (ш+иа) 14,2 0,162 ВТ6 (ш+аф+х+пэ+Ф) 22,7 0,117

ВТ6 (ш+нт) 14,5 0,209 ВТ6 (ш+ППД+аф) 18,5 0,138

ВТ6 (ш+аф) 16,6 0,147 ВТ6 (ш+ППД+аф+х+пэ+Ф) 25,4 0,108

ВТ6 (ш+аф+х) 18,9 0,135

Как следует из приведенных данных, все изученные виды финишной механической обработки увеличивают Тф, зубьев. Из способов металлофизического модифицирования к наиболее эффективным относятся для сталей газовые азотирование и нитроцементация, а также газовая цементация с последующей карбонитрацией в расплаве цианата калия (способом профессора Прокошкина Д. А.), а для ВТ6 - альфирование.

Для поиска рациональных условий технологического модифицирования, установления влияния некоторых основных входных факторов на закономерности повреждаемости выбранных материалов и технологий, определения ст0 и X, поверхностей, обработанных в соответствии с найденными условиями, осуществлен анализ известных решений, проведена серия испытаний на упрощенных контактных парах. По данным множественных

экспериментов построены статистические модели для околооптимальных факторных технологических пространств. С помощью моделей вида

НКС,(ЭИ961-Ш)„ = ^Им е Х|, V«, = Х2,1*го = Х3, и«, н X«) = 63,8 + 0,7 х, - 2,1 х,2 + + 0,4 \з - 2,2 х22 - 1,2 х3 - 1,8 х32 - 0,6 х* - 1,3 уцг- 1,1 х,х2 - 0,6 х^ - 1,5 х2х3 --0,4 Х2Х4 - 0,6 Х3Х4,

1ь (ЭИ961-Ш) ы, = Г {р. т = Х5, Иа« = Хб, V® = Х7} = (2,18 + 0,62 х3 + 0,68 х32 -

- 0,44 Хб + 0,64 Хб2 + 0,35 х7 + 0,54 х72) 10'°,

1ь (ВГ6) ^ = Г {р. н Х5, Яа« = X«, у« = X,} = (1,96 + 0,58 х3 + 0,63 х32 -

- 0,46 Хб + 0,52 х«2 + 0,31 х7 + 0,48 х72) 10"*

уточнены температуры закалки и»,, высокого отпуска , ХТО гъсто, стабилизирующего отпуска «со сталей, определены рациональные условия осуществления ФАБО (р^ф) - номинальное давление, инс - инструмент, у® - скорость ФАБО}. Парные опыты позволили выбрать условия альфирования ВТ6, хонингования и полирования зубьев.

Для наиболее долговечных изученных поверхностей разработанным методом впервые установлены о0, Ц (табл. 2).

Таблица 2. Параметры фрикционной усталости рассмотренных вариантов

Материал Вид упрочнения Оо, даН/мм2

12Х2Н4А Цементация (ц) 250 - 290 7,6 - 8,5

18Х2Н4ВА Азотирование 272 - 324 8,3-9,1

20ХЗМВФА Нитроцементация 270 - 320 8,6 - 9,4

20ХЗМВФ-Ш Нигроцементация 285 - 340 8,8-9,6

20ХЗМВФ-ШД Нитроцементация 300-360 9,0 - 9,8

13Х11Н2В2МФА Азотирование 310-376 9,2 - 10,3

13X11Н2В2МФ-Ш Ц+карбонитрация 345-420 9,8-11,2

13X11Н2В2МФ-Ш Азотирование 325 - 392 9,5 - 10,6

13X11Н2В2МФ-Ш ППД+азотирование 340 - 410 9,7-10,9

Сплав ВТ6 Ш+альфирование 170- 180 7,1-7,4

Сплав ВТ6 Ш+ППД+аф+х+пэ 212-223 8,0 - 8,5

Меньшие значения Оо и 1у соответствуют шлифованию. Дополнительные обработки (х, го, ФАБО, а также ППД) повышают Оо и ^.

Исследовательские многофакторные эксперименты позволили построить квадратичные математические модели типа

1крИ961-Ш)п = Г(НЯС, = X,, Яа = Х9, р, = Х10, К., = Х„) = - 10,14 - 0,63 х, + 0,19 х,2 + + 0,41 х» + 0,21 х»2 + 0,98 х)0 - 0,25 Хщ2 + 0,86хп ,

1ь(ВТ6) ^ = Г (Н„ з Х12, Иа = Х9, р. = Х,„, К« г Х„) = - 8,06 - 1,02 х]2 + 0,28 х122 + + 0,46 х9 + 0,11 х92 + 1,06 хш - 0,36 Хюг + 0,96 х„

и графики по ним (рис. 3), характеризующие, в частности, влияние НКС, (Н„), параметра Яа рассматриваемых поверхностей, рабочего давления р,, Кс, на интенсивность фрикционной повреждаемости зубьев стальных (титановых) зубчатых колес.

-9

Г „о

1е1ь

-11

1

58

-9,0 -9,5 | -10,0 I -10,5 1в1к- -11,0 -11,5

61

няс,-

✓

20 40 60 даН/мм2 100

Р.

I

1в1ь

-9

-10

64

-11

-9,0 -9,5 | -Ю,0 I -Ю,5 1е1ь -11,о -11,5

0,3 мкм 0,6 Яа -►

„ ^

0,1 0,2 0,3 0,4

Кс-►

Рис. 3. Примеры графиков, характеризующих зависимость 1ь зубьев стальных зубчатых колес авиадвигателей от НЯС,, 11а, р,, Кс Полученные экспериментальные сведения хорошо коррелируют с расчетными и расширяют их границы, дают углубленное представление о закономерностях фрикционной повреждаемости модифицированных зубчатых колес, являются исходной информацией

при прогнозировании начальных и текущих характеристик объектов исследования при различном уровне воздействующих на них факторов.

Из анализа состояния испытанных поверхностей следует, что основной причиной повреждаемости активных участков зубьев и выхода их из строя в случае "бездефектного" модифицирования принятыми способами является усталостное многоцикловое зарождение и развитие микродефектов и трещин. При слиянии последних от поверхности отслаиваются мельчайшие чешуйки. Наибольшее влияние на Тфу оказывают растягивающие напряжения за микронеровностями. Зоны отклонения структуры, величины зерен, толщины несущих диффузионных слоев от средних значений являются очагами возникновения малоцикловых макротрещин и сколов. При появлении таких зон скорость повреждения модифицированных слоев (особенно на сплаве титана) может оказаться недопустимой.

В главе 6 уточнены требования к качеству активных участков зубьев зубчатых колес АД Основные из них следующие. Исходные сплавы должны глубоко рафинироваться от вредных элементов и соединений. Образующую зубьев необходимо выполнять исходя из их равнонапряженносги по всей длине контакта. Значения р^, должны быть максимальными, ао.иКа минимальными. Процессы регулирования состава и свойств несущих поверхностей зубьев должны быть ориентированы на формирование однородных мелкозернистых слоев постоянной толщины с плавным переходом к сердцевине.

Активные участки зубьев высоконагруженных (р, > 40 даН/мм2) и высокоресурсных (Тфу > 3000 ч) зубчатых колес АД должны иметь: Я™, = 0,20...0,70 и Яа = 0,04... 0,12 мкм, г > 50 мкм, и = 0.70...0.55; НЯС, = 64...60,1, > 10...8, о0 > 350...320 даН/мм2. Для средне- и малонагруженных (р, < 10 даН/мм2) мало- (Тфу до 500 ч) и средиересурсных колес возможны: = 0,6...1,2, Яа = 0.1...0.2 мкм, г> 30 мкм, и = 0,70...0,55; НЯС, = 62...58 (Н_ = 1000...500 даН/мм2), Ц > 8...7, Оо 5 210 даН/мм2. Для достижения положительного градиента сдвиговых сопротивлений на пятнах касания несущие спои активных участков зубьев должны быть отделены друг от друга антифрикционной, антиусталостной пленкой с низкими Е и сдвиговой прочностью.

С целью достижения требуемых свойств стальных зубчатых колес авиадвигателей рекомендован ряд дополнений к серийной технологии производства. 1. Наиболее нагруженные и долговечные зубчатые колеса изготавливаются из теплостойкой мартенситной стали 13Х11Н2В2МФ-ШД или -Ш. Штампованные заготовки подвергаются закалке с

температуры 1293-1303 К и высокому отпуску с нагревом до 913-923 К. 2. При формировании зубьев обеспечивается их продольная модификация по уравнению (4), а также положительное смещение исходного контура. 3. Для стабилизации структуры, повышения диффузионной способности зубьев после их нарезания целесообразно введение ППД накатниками, дробью или металлическими щетками при р, = 35...50 даН/мм2. 4. Газовое насыщение поверхностей осуществляется с помощью разработанной на основе рекомендаций НИИТавтопрома установки КНАУГ РГАТА, в которой исходными средами являются жидкий аммиак №13, азот, воздух, пропан СзН» или пропан-бутан С+Ню, четыреххлори-стый углерод ССЦ и воздух. Азотирование может быть одно- (823-833 К) и двухступенчатым (сначала при 868-878 К, затем при 823-833 К). За цементацией (и, = 1363...1364 К) осуществляется карбонитрация в расплаве КСЬЮ при и«, = 823...833 К. Температура стабилизирующего отпуска Ос = 743...748 К. 5. После чернового, промежуточного и чистового шлифования зубьев колеса подвергаются искусственному старению. 6. Активные участки зубьев обрабатываются хонингованием инструментальным косозубым колесом из композиции "синтетическая смола-микрошлифпорошок зернистостью от 20 до 28 мкм". Угол скрещивания инструмента и обрабатываемого колеса, толщина снимаемого слоя, скорость резания составляют соответственно 15-20°; 0,02-0,03 мм; 0,5-1,0 м/с. 7. Окончательная доводка шероховатости активных поверхностей зубьев заключается в полировании инструментом с высокоэластичной внешней оболочкой, наполненной сверхтвердым порошком дисперсностью 0,2-3,0 мкм, а также графитом. Режимы резания соответствуют хонингованию, но вводится СОЖ, состоящая, например, из 75 % керосина, 24 % веретенного масла, 1 % олеиновой кислоты. 8. За хонингованием и полированием, обеспечивающими сглаживание микровыступов, уменьшение Ла, , рост г, оптимизацию и, Ь, v, следует очистка колес в ультразвуковом поле и их сушка. Медесодержащими кругами на зубья при у® = 0,1...0,2 м/с, Яа«^ = 0,5...0,7 мкм, р¥Ф) = 44...48 даН/мм2 наносится прирабо-точная пленка.

Сплав ВТ6 (после вакуумно-дуговых переплавов) рекомендуется для изготовления средне- и малонагруженных мало- и средиересурсных зубчатых колес АД При этом активные участки зубьев должны альфироваться по технологии ВИАМ при и^ = 1023... 1033 К в течение 12 ч. В остальном схема изготовления во многом совпадает с принятой для стальных колес. ППД осуществляется при р, отда = 20...35 даН/мм2, ФАБО -при р^ф) = 28...33 даН/ммг.

Проверка предложенных вариантов на натурных зубчатых колесах в ОАО "РМ" подтвердила правильность сделанных научных выводов и принятых практических решений. Использование последних позволяет в 1,9-2,2 раза повысить фрикционно-усталост-ную стойкость и Тфу стальных колес АД и более чем в 30 раз колес при их изготовлении из титанового сплава ВТ6.

Основные результаты исследований переданы ОАО "РМ", использованы в пособии для студентов, внедрены в учебный процесс РГАТА Расчетный годовой экономический эффект от применения разработок в ОАО "РМ" по стальным колесам составляет около 95 тысяч рублей.

Приложения включают акты внедрения и передачи результатов работы, а также первичные расчетные и опытные данные в виде таблиц.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Теоретическим путем определены интервалы наиболее значимых для фрикционного взаимодействия геометро-кинематических и контактных характеристик зубчатых зацеплений АД, что позволило изучить влияние большинства воздействующих технологических, конструктивных и эксплуатационных факторов на интенсивность повреждаемости активных поверхностей зубьев зубчатых передач АД определить конструктивно-технологические направления повышения ресурса зубьев по фактору фрикционной усталости.

2. Разработанные расчетно-экспериментальный подход к определению параметров фрикционной усталости поверхностей тел, исходно контактирующих по линии, и специальная роторно-многоинденгорная установка УФУ-4А РГАТА впервые в исследовательской практике дают возможность количественно устанавливать искомые параметры для материалов и технологий в условиях эксплуатации активных участков зубьев зубчатых колес авиадвигателей.

3. Сопоставительными испытаниями на УФУ-4А РГАТА образцов, изготовленных по выбранным на основе теоретического анализа технологиям, определены предпочтительные варианты. Методом статистической оптимизации выделены факторные пространства, технологические координаты которого являются наиболее целесообразными при обработке и модифицировании зубьев.

4. Полученные на упрощенных модельных парах опытные данные, найденные с использованием разработанных метода и установки параметры фрикционной усталости поверхностей, изготовленных по предложенным технологиям, подтвердили правильность теоретических оценок, расширили представления о физике и закономерностях повреждаемости фрикционно активных участков модифицированных зубьев стальных и титановых колес, позволили построить множественные регрессионные модели, описывающие изученные процессы и величины. Накопленные сведения являются основой для оценки исходного и остаточного фрикционно-усталосгного ресурса зубчатых колес авиадвигателей исходя из уровня входных воздействий.

5. Уточнены требования к качеству фрикционно нагруженных поверхностей зубьев зубчатых колес АД разных напряженности и долговечности. Предложены схема и условия достижения требуемых параметров зубьев. Рекомендовано высоконагруженные и высокоресурсные зубчатые колеса изготавливать из 13X11Н2В2МФ-ШД (-Ш) с применением продольного модифицирования зубьев по установленной кривой, ППД перед и после ХТО, газового азотирования или газовой цементации и последующей солевой карбо-нитрацией, хонингования, полирования эластично-абразивным инструментом, финишной антифрикционной безабразивной обработки медесодержащим инструментом.

Эффективным способом повышения фрикционно-усталостной стойкости зубчатых колес из титановых сплавов является альфирование и перечисленные методы доводки поверхностей. Альфированные титановые зубчатые колеса могут быть применены для получения средне- и малоресурсных низко- и средненагруженных передач.

6. Принятые решения позволяют в 1,9-2,2 раза повысить фрикционно-усталост-ный ресурс стальных колес АД и более чем в 30 раз зубчатых колес при их изготовлении из ВТ6. Эффективность предложений подтверждена испытаниями на натурных зубчатых колесах. Основные результаты исследований переданы ОАО "РМ", внедрены в учебный процесс РГАТА. Расчетная годовая экономия от практического применения части разработок в условиях ОАО "РМ" составляет около 95 тысяч рублей.

Основные полученные результаты опубликованы в работах:

1. Bezyazichny V.F., Zamyatin A.J., Zamyatin V.J. Searching for ways to improve tribotechnical properties of titanium alloys// 4th Internat. Symp. INSYCONT94. - Kracow, 1994. - P. 364-369.

2. Zamyatin J.P., Zamyatin VJ. Optimization of machine units tribotechnical characteristics by Cu-including tools // EUROMETALWORKING 94. Udine-Milano, 1994. P.05-1-05-4.

3. Замятин В.Ю. Оптимизационный поиск технологических методов обеспечения надежности титановых деталей трения авиадизелей // XXI Гагаринские чтения: Тез. докл. молодежной науч. конф. Ч. 2. - М.: МГАТУ, 1995. - С. 70-71.

4. Beziazichny V.F., Zamyatin V.J., Zamyatin J.P. Determination of fiictional and fatigue properties of the materials // YUTRm"95.4th Yugoslav conference. - Beograd, 1995. - P. 23-24.

5. Beziazichny V.F., Zamyatin V.J., Zamyatin J.P. Wear protection of friction surfaces through soft metal film deposition // Proceedings of the 2nd International Conference on "Wear Resistand Surface Layers". - Praha, 1995. - P. 121-124.

6. Beqazychny V.F., Zamyatin V.J. Regularities of steel surfaces friction and wear/ Proc. 2nd Int. Conf. on Tribology Balkantrib'96, Thessaloniki, Greece, 1996. - P. 681-694.

7. Zamyatin A. J., Zamyatin V.J. Development of an automated tribometrical system as a basis of an information and analytical networks / Там же. - P. 743-749.

8. Замятин В.Ю. и др. Разработка научных основ и инженерных методов обеспечения надежности транспортных триботехнических систем // Трение и износ. Т. 17, N 2.

1996. - С. 255-258.

9. Bezyazichny V.F., Zamyatin V.J., Zamyatin J.P. Methodology of research the frictional fatigue parameters of materials of heavily loaded gear toothes side surfaces / Tribotechnics in theory and practice. VIII intemat. conf, Praha, 1997. - P. 28-33.

10. Безъязычный В.Ф., Замятин В.Ю. Анализ контактно-фрикционно-усталосгных характеристик зубчатых зацеплений авиадвигателей: Учебное пособие. - Рыбинск: РГАТА,

1997. - 55 с.

Лицензия ЛР № 020284 от 04.12.96 г. Подписано к печати 06.10.98 г. Формат 60 x 84 1/16. Уч. изд. л. 1. Тираж 100. Заказ № 163. Рыбинская государственная авиационная технологическая академия Отпечатано в Рыбинской государственной авиационной технологической академии 152934, Россия, г. Рыбинск Ярославской обл., ул. Пушкина, 53

'У ' 0е

- /

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

РЫБИНСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АВИАЦИОННАЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ

АКАДЕМИЯ

КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ФРИКЦИОННО-УСТАЛОСТНЫХ СВОЙСТВ ЗУБЬЕВ ЗУБЧАТЫХ КОЛЕС АВИАДВИГАТЕЛЕЙ

Специальность 05.07.05 - Тепловые двигатели летательных аппаратов

Научный руководитель -д.т.н., проф., заслуженный деятель науки и техники Российской Федерации, академик Безъязычный В.Ф.

Рыбинск 19 9 8

На правах рукописи

ЗАМЯТИН Владимир Юрьевич

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ОСНОВНЫЕ СОКРАЩЕНИЯ И УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ ............. 6

ВВЕДЕНИЕ ............................................... 8

Глава 1. ДОСТИЖЕНИЯ И ПРОБЛЕМЫ В ОБЛАСТИ ОЦЕНКИ И ОБЕСПЕЧЕНИЯ ФРИКЦИОННО-УСТАЛОСТНЫХ СВОЙСТВ ЗУБЬЕВ ЗУБЧАТЫХ ПЕРЕДАЧ АВИАДВИГАТЕЛЕЙ .......................................... 13

1.1. Требования, предъявляемые к зубчатым колесам и передачам современных и проектируемых авиадвигателей .......... 13

1.2. Конструктивные особенности и параметры, материалы

и технологии изготовления объектов исследования ............ 15

1.3. Методы оценки основных критериев состояния и фрик-ционно-усталостных свойств рабочих поверхностей зубьев зубчатых колес ................................................. 21

1.4. Особенности эксплуатационной повреждаемости зубьев зубчатых колес двигателей воздушных судов ................... 26

1.5. Способы обеспечения работоспособности активных участков зубьев ............................................ 29

1.6. Цель, задачи и общие методы исследований ......... 32

Глава 2. ИСХОДНЫЕ ПРЕДПОСЫЛКИ И СХЕМА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ ..................................................... 34

2.1. Системно-параметрическая модель объектов рассмотрения ....................................................... 34

2. 2. Принятые подходы и принципы расчетно-аналитических и экспериментальных изысканий ............................... 37

2.3. Планирование и статистическая обработка результатов парных экспериментов .................................... 42

2.4. Движение к оптимальным факторным пространствам ..... 44

2. 5. Построение множественных математических моделей в

нелинейных (в том числе близких к оптимальным) факторных областях ...................................................... 48

Выводы по главе 2 ...................................... 50

Глава 3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ УСЛОВИЙ КОНТАКТИРОВАНИЯ И ФРИКЦИОННО-УСТАЛОСТНЫХ СВОЙСТВ ЗУБЬЕВ ЗУБЧАТЫХ ПЕРЕДАЧ АВИАДВИГАТЕЛЕЙ .................................................. 52

3.1. Методика оценки геометрических параметров фрикци-онно активных участков профилей зубьев и их зацепления ...... 52

3.2. Кинематический анализ ............................. 57

3.3. Алгоритм изучения закономерностей макроконтактирования зубьев серийных зубчатых колес ........................ 58

3.4. Расчет пути фрикционного взаимодействия зубьев .... 62

3.5. Анализ свойств реального контакта и ресурса активных поверхностей зубьев ..................................... 64

3.6. Результаты расчета геометро-кинематических характеристик изученных зубчатых зацеплений ....................... 69

3.7. Закономерности номинального контактирования зубьев серийных зубчатых колес авиадвигателей ...................... 72

3.8. Влияние основных факторов на свойства реального контакта и ресурс зубьев .................................... 78

Выводы по главе 3 ...................................... 88

Глава 4. РАЗРАБОТАННЫЕ И ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ ИСПЫТАТЕЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ И МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ С ИХ ПОМОЩЬЮ ИССЛЕДУЕМЫХ ПАРАМЕТРОВ .................................................... 90

4.1. Общая характеристика специальной установки УФУ-4А РГАТА модельного испытания зубьев на фрикционную усталость .. 90

4.2. Выбор схемы основного модуля установки УФУ-4А РГАТА ....................................................... 91

4.3. Устройство и принцип действия созданной установки

для испытания на фрикционную усталость ...................... 95

4.4. Методика определения параметров фрикционной усталости по результатам испытания на разработанной установке ... 100

4.5. Другие испытательные средства ..................... 104

Выводы по главе 4 ...................................... 106

Глава 5. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ВЛИЯНИЯ ОСНОВНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА ФРИКЦИОННО-УСТАЛОСТНЫЕ СВОЙСТВА ЗУБЬЕВ СТАЛЬНЫХ И ТИТАНОВЫХ ЗУБЧАТЫХ КОЛЕС .................. 107

5.1. Входные факторы при проведении испытаний и технологии их варьирования ....................................... 107

5.2. Определение параметров и целесообразности конструктивной модификации активных поверхностей зубьев .......... 111

5.3. Сравнительные испытания принятых вариантов материалов и технологий ........................................... 116

5.4. Статистический поиск оптимальных технологических режимов обработки зубьев .................................... 119

5. 5. Установление параметров фрикционной усталости принятых материалов и технологий ............................... 134

5.6. Закономерности повреждаемости технологически улучшенных стальных поверхностей в условиях работы активных участков зубьев ............................................. 136

5.7. Особенности фрикционной повреждаемости альфирован-ных титановых поверхностей при их перекатывании с проскальзыванием .................................................... 141

Выводы по главе 5 ...................................... 145

Глава 6. РЕКОМЕНДУЕМЫЕ КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СПОСОБЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ФРИКЦИОННО-УСТАЛОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЗУБЬЕВ СТАЛЬНЫХ И ТИТАНОВЫХ ЗУБЧАТЫХ КОЛЕС АВИАМОТОРОВ ...... 148

6.1. Уточненные требования к качеству активных поверхностей зубьев зубчатых колес авиадвигателей ................. 148

6.2. Обеспечение требуемых свойств и долговечности фрикционно нагруженных участков профилей зубьев ............. 150

6.3. Карбонитрация стальных зубчатых колес ............. 153

6.4. Альфирование титановых колес ...................... 155

6.5. Проверка принятых конструктивно-технологических методов на зубчатых колесах ................................. 156

6.6. Экономическая эффективность практического использования предложенных решений ................................ 161

Выводы по главе 6 ...................................... 163

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ ............................ 165

Литература ............................................. 170

ПРИЛОЖЕНИЯ ............................................. 183

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. НЕКОТОРЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТА ГЕОМЕТРИИ, КИНЕМАТИКИ, КОНТАКТИРОВАНИЯ И ФРИКЦИОННЫХ СВОЙСТВ ОБЪЕКТОВ

ИССЛЕДОВАНИЯ ................................................ 184

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. ФРАГМЕНТЫ ПОЛУЧЕННЫХ В РАБОТЕ ПЕРВИЧНЫХ

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ .................................... 227

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ ЗНАЧЕНИЕ РАЗРАБОТАННЫХ

РЕКОМЕНДАЦИЙ ................................................ 232

ПРИЛОЖЕНИЕ 4. ВНЕДРЕНИЕ ОСНОВНЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ В УЧЕБНЫЙ ПРОЦЕСС ....................................... 251

ОСНОВНЫЕ СОКРАЩЕНИЯ И УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ Русский алфавит аз, иа - соответственно печное и ионное азотирование; аф - альфирование;

кн, нц, ц - карбонитрация, нитроцементация и цементация;

нт - напыление нитридом титана;

пэ - полирование эластично-абразивным инструментом;

СОЖ - смазочно-охлаждающая жидкость;

ТО, ХТО - термическая и химико-термическая обработка;

Ф (ФАБО) - финишная антифрикционная безабразивная обработка;

ш, х - шлифование и хонингование.

Латинский алфавит Аа, Аг - номинальная и фактическая площади касания зубьев; Ь - параметр степенной аппроксимации опорной кривой; йт - диаметр пятен фактического касания микронеровностей; Е - модуль Юнга (нормальной упругости) материала; Т - коэффициент трения;

йакт - высота фрикционно активного участка зубьев; НВ, НЕСЭ, Нт - твердость по Бринеллю, Роквеллу и микротвердость;

№) - толщина слоя материала, потерянного в результате фрикционной усталости;

Кск - коэффициент относительного проскальзывания зубьев;

- интенсивность повреждаемости исследуемых поверхностей; 1а - длина площадки касания Аа (рабочая длина) зубьев; Ь(Ь) - путь фрикционного взаимодействия активных боковых поверхностей зубьев за время работы передачи V, ш - модуль зубчатого зацепления;

пвр - частота вращения (число оборотов в единицу времени);

пуст, пу(г) - число циклов взаимодействия поверхностей до усталостного повреждения микронеровностей на Аа и Аг;

Рп - нормальная нагрузка, действующая на зубья передачи; Ра» Рс» Рг ~ давление номинальное, контурное и фактическое; г - средний радиус кривизны вершин микронеровностей; Иа - среднее арифметическое значение отклонения профиля; ^тах ~ наибольшая высота неровностей профиля; Тфу - ресурс работы зубьев до критического состояния по фактору фрикционной усталости;

tp - относительная опорная длина профиля соответственно по средней линии и на уровне р;

- степенная фрикционно-усталостная характеристика; 7.1, г2 - число зубьев шестерни и колеса.

Греческий алфавит а, р - угол соответственно профиля исходного контура режущего инструмента и наклона его линии зуба;

б - макросближение зубьев под нагрузкой Рп; £р - относительное сближение микронеровностей; 0 - постоянная упругости (коэффициент эластичности) Кирхгофа; X - коэффициент удельного скольжения точек зубьев друг относительно друга;

¿1 - коэффициент Пуассона;

V - параметр степенной аппроксимации начального участка кривой опорной поверхности соприкасающихся твердых тел;

Рт=Рк ~ радиус кривизны поверхностей зубьев в точке их соприкосновения к;

б0 - параметр фрикционной усталости материала, являющийся напряжением, при котором микронеровности на Аа разрушаются за одно взаимодействие.

ВВЕДЕНИЕ

В последние десятилетия непрерывно увеличиваются механическая, кинематическая и температурная нагруженность воздушно-реактивных (ВРД) и поршневых (ПД) двигателей околоземных летательных аппаратов (ЛА). Вместе с тем, в условиях формирующегося мирового товарного рынка, возрастания роли ЛА в скоростных перевозках людей и грузов все больше ужесточаются требования в отношении массовой отдачи, надежности и безопасности авиационных ВРД и ПД [34, 58, 60, 67, 68, 78, 97, 98, 104, 105]. Это вызывает необходимость постоянного поиска наиболее прогрессивных решений при проектировании, прогнозировании, изготовлении, испытании, эксплуатации и ремонте всех их структурных составляющих, выполнения исследований каждой составляющей на качественно новом, системно-комплексном уровне, изучения и учета факторов и явлений, которые ранее не вводились в рассмотрение.

Анализ функционально-конструктивного исполнения и опыт эксплуатации серийных и испытания экспериментальных ВРД и ПД самолетов, вертолетов и других ЛА, показывают, что в совокупность элементов, совершенство которых в значительной степени определяет их надежность, эффективность и конкурентоспособность, входят шестерни и колеса множества разнообразных зубчатых передач [1, 10, 58, 82, 97, 104, 116].

Специалисты по истории техники утверждают, что зубчатым колесам более 2000 лет. Великий Леонардо да Винчи вел научные разработки в этом направлении еще в начале 16 века. Он первым установил, что основной причиной выхода зубчатых колес из строя является износ боковых поверхностей зубьев, связанный с их проскальзыванием друг относительно друга. С тех пор исследованием зубчатых передач занимались многие поколения ученых, конструкторов, технологов. Но

условия работы таких передач, происходящие в них эксплуатационные явления и процессы постоянно изменяются, ужесточаются, усложняюся. Увеличивается количество и разнообразие воздействий. Непрерывно возрастают требования к рассматриваемым передачам. Вследствие этого выдвинутые идеи и способы либо устаревают, либо оказываются недостаточными, а теоретикам и практикам приходится решать все новые и новые задачи.

Авиадвигатели появились около века назад и за сравнительно короткий отрезок времени многократно усовершенствовались и видоизменялись. Их зубчатые передачи развиваются значительно динамичнее, чем в других отраслях машиностроения. В результате научные разработки часто не только не опережают запросы практики, но и отстают от них. Это вместе с ажурностью, в 2-4 раза более высокой удельной нагруженностью, чем в общем машиностроении, привело к тому, что используемые в современных ВРД и ПД зубчатые колеса по массе и ресурсу не в полной мере отвечают тем нормам, которые предъявляются временем и товарным рынком.

Основываясь на реальной работоспособности применяемых конструкций и технологий и состояния современной научной базы, многие специалисты считают, что решение вопросов оптимизационного обеспечения надежности, снижения массы зубчатых колес двигателей самолетов и вертолетов является актуальной и важной не только прикладной, но и теоретической проблемой [1, 58, 60, 66, 82, 97, 98, 104] авиамоторостроения.

Литературные данные по зубчатым передачам авиадвигателей свидетельствуют о следующем [1, 10, 47, 58, 67, 82, 98, 116]. В настоящее время шестерни и колеса двигателей воздушных судов в основном (в 90-95 % случаев) относятся к цилиндрическим внешнего зацепления [1, 104], изготавливаются из цементируемых и азотируемых

сталей, составляют до 15 % от всей массы моторов. Традиционные методы расчета таких колес доведены до высокого уровня, поэтому отказы передач по причине поломок и питтинга зубьев наблюдаются в эксплуатации сравнительно редко. В 80-85 % случаев потеря их работоспособности связана с недостаточным сопротивлением фрикционной усталости активных поверхностей зубьев, непосредственно участвующих в зацеплении.

Существенного снижения массы шестерен и и колес можно достичь при их изготовлении из титановых сплавов [66, 67, ИЗ]. Однако они по своей природе относятся к материалам с вообще крайне низкими фрикционно-усталостными свойствами [34, 66, 86, 102, ИЗ] и без определения направлений доведения подобных свойств до необходимого уровня применение титановых сплавов невозможно.

Несмотря на большое количество исследований в области зубчатых передач, работающих в различных условиях, как теоретические, так и экспериментальные методы оценки, а также способы регулирования характеристик фрикционной усталости материалов зубчатых колес практически не развиты. В частности, применительно к условиям сопряжения зубчатых колес не решены задачи, связанные с определением и обеспечением: числа циклов взаимодействия пуст до фрикционной усталости материала; основных параметров фрикционной усталости, а именно, напряжения б0, при котором поверхностное разрушение осуществляется при одноактном воздействии, и показателя степени ty кривой фрикционной усталости; наибольшего пути подвижного контактного взаимодействия L(t)fiy и ресурса Тфу зубьев по фактору их поверхностного усталостного разрушения. И если для общего машиностроения такой фактор незнания компенсируется выбором достаточно больших коэффициентов запаса, то в авиамоторостроении этот путь неприемлем.

и

Таким образом, в авиамоторостроении решение вопросов, связанных с разработкой методов и средств оценки и конструктивно-технологического обеспечения параметров фрикционной усталости активных поверхностей зубьев стальных и титановых зубчатых колес, прежде всего цилиндрических внешнего зацепления, представляет собой актуальную и важную научную и прикладную проблему.

В связи с изложенным, целью настоящих исследований является разработка методов улучшения фрикционно-усталостных свойств и повышения долговечности зубьев цилиндрических стальных и титановых внешнего зацепления зубчатых колес авиадвигателей за счет конструктивно-технологического модифицирования активных поверхностей на основе закономерностей их взаимодействия.

В соответствии с поставленной целью решались задачи:

1) установление закономерностей изменения параметров геометрии, кинематики и контактирования, необходимых для оценки и прогнозирования ресурса зубьев зубчатых колес авиадвигателей по критерию их фрикционной усталости;

2) определение влияния важнейших конструктивно-технологических и эксплуатационных воздействий на фрикционные свойства контактных элементов рассматриваемых колес;

3) разработка и инструментальное обеспечение методики определения параметров фрикционной усталости сталей и титановых сплавов в условиях подвижного взаимодействия зубьев;

4) установление численных значений параметров фрикционной усталости материалов зубчатых колес авиадвигателей в зависимости от технологии их модифицирования;

5) изучение особенностей и физической сущности фрикционной повреждаемости сталей и титановых сплавов в условиях работы активных поверхностей зубьев зубчатых колес авиационных моторов;

6) выбор и разработка рациональных конструктивно-технологических путей повышения усталостной стойкости и долговечности контактных участков зубьев стальных и титановых зубчатых колес авиадвигателей.

Исследования проведены в Рыбинской государственной авиационной технологической академии (РГАТА) в соответствии с программой научно-технических работ академии и грантами по фундаментальным изысканиям в области транспортных наук "Разработка основ и методов оценки и обеспечения надежности трибосистем транспортной техники", "Развитие научных основ испытания и управления качеством и надежностью трибосистем транспортной техники". Значительный объем испытаний, измерений и анализов выполнен в лабораториях и испыта�