Задачи конструктора в повышении долговечности и надежности узлов

Задачи конструктора в повышении долговечности и надежности узлов трения Конструктивные способы повышения долговечности и надежности работ трущихся деталей весьма разнообразны и решаются конструктором на стадии проектирования узлов трения. Основными задачами в этом плане являются: – оценка и выбор схем узла трения машины с позиции влияния ее на износостойкость и надежность конструкции; – выбор материалов пары трения; – назначение размеров и формы деталей; – обеспечение нормальной работы узла трения в заданном режиме и защита от перегрузок; – обеспечение эксплуатации с минимальными затратами; – защита узла трения от аварийных повреждений.

Рисунок 1 – Обратные (а) и прямые (б) пары: 1 – с поступательным движением; 2 – с вращательным движением; H 1, H 2 – твердости

Оценка и выбор схемы узла трения Для пары, образованной поверхностями трения, имеющими разные твердость и размеры, можно выделить два условия: 1) H 1 > H 2; S 1 < S 2; 2) H 1 < H 2; S 1 < S 2, где H 1, H 2 – твердости поверхностей трения; S 1, S 2 – соответствующие площади поверхностей. Пару с расположением материалов, удовлетворяющим первому условию, называют прямой парой трения, а второму условию – обратной парой. В случае прямой пары трения по большей поверхности скользит более твердое тело, а в случае обратной пары – более мягкое тело. Чтобы определить, какая пара трения – прямая или обратная, следует установить требования к паре в отношении надежности ее работы, износостойкости, экономичности и условий эксплуатации. Недостаточная надежность пары трения в связи с неподходящим подбором материалов может выразиться в схватывании и заедании. В прямой паре при перегрузке пластическая деформация ее элемента с меньшей твердостью препятствует нормальной работе пары, в результате чего возрастают силы трения, увеличивается повреждение поверхности, и пара быстро выходит из строя. В обратной паре при перегрузке пластическая деформации образца с меньшей твердостью не препятствует работе пары.

Выбор материалов пары трения Выполнение требования общей и контактной прочности, жесткости или податливости деталей, их износостойкости, коррозионной стойкости, вибростойкости и т. д. обеспечивается правильным выбором материалов, назначением размеров, исходя из расчетов на прочность, выбором рациональных конструктивных форм деталей и соответствующей технологии изготовления. Трущиеся детали изготавливают из конструкционных, фрикционных, износостойких и антифрикционных материалов широкой номенклатуры. Из конструкционных сталей детали, обладают высокой прочностью, жесткостью или податливостью. Фрикционные материалы – это материалы, которые в контакте с металлическими поверхностями имеют высокий и стабильный коэффициент трения. Износостойкими называют материалы, которые при трении в тяжелых условиях работы изнашиваются сравнительно мало. Все пары трения должны обладать антифрикционностью: достаточная статическая и динамическая прочность при повышенных температурах; способность образовывать прочный граничный слой смазочного материала и быстро восстанавливать его при разрушении; низкий коэффициент трения; отсутствие заедания на валу при перерыве смазки; высокие теплопроводимость, теплоемкость, прирабатываемость; хорошая износостойкость; не дефицитность и технологичность. Трудно отделить антифрикционные материалы от износостойких, по-скольку износостойкость является общим требованием для всех материалов.

Порошковые антифрикционные материалы получают путем смешивания прессования и спекания заготовок из порошков железа, бронзы, графита. Пористость подшипника определяет величину допустимой нагрузки на него. Для обычных условий работы подшипника пористость должна быть в пределах (18… 25)%. Рисунок 2 –Зависимость интенсивности изнашивания от удельной нагрузки для порошковых бронз: 1 – 4% неметаллизированного графита; 2 – 4% омедненного графита; 3 – по 5% омедненных порошков стекла и оксида алюминия

Критерии работоспособности материалов в парах трения Наиболее простой способ проверки заключается в расчете по среднему давлению р. Способ пригоден для пар трения, работающих с малыми скоростями скольжения при невысоких температурах окружающей среды. Если режим трения пары определяется давлением и скоростью скольжения v, то применяют расчет по величине pv. Если f то fpv представляет собой удельную мощ-ность трения. Поскольку надежная работа подшипника, тормоза или другого узла возможна лишь при теплонапряженности, не превышающей определенную величину для данной конструкции и условий ее эксплуата-ции, то условие надежности подшипника по теплонапряженности можно записать: fpv ≤ A, где А – предельное количество теплоты в механических единицах, которое может отводиться с единицы площади диаметральной проекции подшипника в единицу времени. Приняв f постоянным, полу-чим это условие в виде рv = const. Хотя допустимое значение параметра рv подбирают при этом в зави-симости от скорости скольжения, способа теплоотвода, характера дейст-вия нагрузки и других условий, однако использование этого произведения как показателя работоспособности не всегда оправдано. Эта теория расче-та принимает коэффициент трения постоянным и не учитывает роли отно-сительного диаметрального зазора в подшипнике, отношения длины шипа к его диаметру и влияние вязкости смазочного материала. Тем не менее, если подшипник или другая пара работает при граничной смазке, то рас-чет по рv является оправданным, поскольку этот параметр косвенно ха-рактеризует температуру поверхности трения, которая в явном виде не входит в число заданных при расчете величин. Дополнительно следует лимитировать [р]. В инженерной практике оба расчетных критерия [р] и [pv] часто используют совместно.

Некоторые правила выбора материалов для пар трения 1 Сочетать твердый материал с мягким, имеющим температуру рекристаллизации ниже средней температуры поверхности трения при работе. 2 Сочетать твердый металл с твердым (сочетание пар из азотированной, хромированной и закаленных сталей). Такие пары трения обладают высокой износостойкостью вследствие малого взаимного внедрения их поверхностей. 3 Избегать сочетаний мягкого материала с мягким, а также пар из одноименных материалов, за исключением пар из политетрафторэтилена и полиэтилена. Подобные пары имеют низкую износостойкость и ненадежны в работе. 4 Применять в труднодоступных для смазывания конструкциях пористые, порошковые материалы и антифрикционные сплавы. 5 Применять в качестве фрикционных и антифрикционных материалов пластические массы. 6 Стремиться путем выбора материалов пары трения, смазочных материалов и присадок к ним создавать при работе пары условия реализации режима избирательного переноса. 7 Учитывать возможность при эксплуатации наводороживания поверхностей трения, что резко снижает износостойкость и надежность работы узла трения. 8 Стальные детали узлов трения при окончательной доводке их по-верхности подвергать финишной антифрикционной обработке.

Принцип взаимного дополнения качеств При изготовлении деталей часто применяют конструкционную углеродистую или легированную сталь с последующей ее цементацией и закалкой. В результате такой обработки изделие становится неоднородным по своему строению, имеет вязкую сердцевину и твердый износостойкий, но мало пластичный поверхностный слой. Принцип взаимного дополнения качества используется при получении комбинированных (композитных) материалов из нескольких компонентов, сохраняющих свои особенности, но в совокупности образующих новые материалы, отличные по свойствам от исходных компонентов. Способы реализации целевой макроскопической неоднородности изделий следующие: 1) термохимическая обработка; 2) облицовка поверхностей; 3) применение накладок и вставок; 4) биметаллизация

Использование принципа плавающих деталей В узлах трения скольжения эти детали встречаются в виде плавающих пальцев, плавающих втулок и шайб. Известны конструкции быстроходных опор из набора плавающих чередующихся бронзовых и стальных втулок или только стальных втулок, покрытых с обеих сторон баббитом. Имеются конструкции упорных подшипников с плавающими упорными шайбами. Плавающие элементы в узлах машин предусматриваются также для компенсации тепловых деформации. При двух опорах в качестве плавающей выбирают наименее нагруженную, чтобы легче реализовать принцип плавания. В многоопорном вале следует жестко закреплять в корпусе наиболее нагруженную опору.

Замена внешнего трения внутренним трением упругого элемента Кинематические пары с жесткими звеньями для относительно небольших линейных, угловых или совместных перемещений в ряде случаев могут быть заменены неподвижными соединениями с промежуточным элементом высокой упругости, что имеет ряд преимуществ. Взаимное смещение звеньев в процессе их работы достигается за счет деформации специальной эластичной детали; при этом внешнее трение скольжения или качения заменяется внутренним трением упругого элемента из резины. Это соединение выполняется в виде резинометаллического шарнира. По способу изготовления различают шарниры, вулканизованные в сборе, закатанные и сборные. По сравнению с обычными резинометаллические шарниры имеют следующие преимущества: – отсутствует изнашивание от внешнего трения, что исключает абразивное изнашивание деталей; – отпадает необходимость в смазывании и установке уплотняющих устройств; – упрощается обслуживание; – уменьшается масса; – в узлах подвески амортизируются удары, что способствует бесшумности хода; – в упругих карданах помимо смягчения ударов при резком увеличении крутящего момента происходит гашение вибраций и демпфирование крутильных колебаний.

Замена трения скольжения трением качения Такая замена целесообразна для повышения долговечности деталей, надежности их работы и экономичности машин. Подшипники качения имеют следующие преимущества. 1 Малые потери на трение 2 Экономия большого количества цветных металлов 3 Малый расход смазочных материалов. 4 Отсутствие необходимости в принудительном охлаждении. 5 Упрощение обслуживания. 6 Исключение изнашивания шеек валов при правильно назначенных посадках. 7 Высокая степень стандартизации и комплектная поставка шарико- и роликоподшипников. 8 Снижение стоимости машин. 9 Возможность восприятия осевых нагрузок, действующих на шпиндель металлорежущего станка Недостатки подшипников качения следующие. 1 Пониженная долговечность при высоких окружных скоростях и динамических нагрузках. 2 Большие диаметральные размеры при меньшей длине, чем у подшипников скольжения. 3 Неудовлетворительная работа в условиях вибрационной нагрузки, а также при движении с малыми углами поворота. 4 Большой шум при работе. 5 Большая чувствительность к запыленности абразивом и к загрязнению смазочного масла. 6 Недостаточная коррозионная и тепловая стойкость. 7 Значительно меньшая грузоподъемность и долговечность упорных подшипников качения. 8 Трудности в изготовлении подшипников.

Выбор зазоров в сопряжениях Независимо от того, работает подшипник в режиме полусухого или жидкого трения, между валом и вкладышем подшипника должен быть предусмотрен зазор для образования масляной пленки. Величины этих зазоров принимаются по ГОСТ для подвижных посадок 6 -7 -го квалитетов точности. Минимальные диаметральные зазоры зависят от диаметра цапфы и определяется по формулам, мм: Посадка движения ; d 0015 , 02 min Ходовая посадка ; d 004 , 02 min Легкоходовая посадка ; d 008 , 02 min Широкоходовая. d 012 , 02 min

6. 11 Способы защиты рабочих поверхностей пар трения от загрязнений Одна из конструкций защиты длинных винтов, схематически представлена на рисунке 3. Телескопическая труба закрывает винт механизма изменения вылета стрелы портального крана. Труба присоединена к картеру привода винта. С противоположной (задней) стороны к этому картеру прикреплен жесткий картер в виде трубы длинной 3 м, куда входит винт при перемещении его назад для уменьшения вылета стрелы. Задний картер винта соединен трубой с картером привода для обратного стока масла. Защита шарнирных соединений и коротких поступательных пар также может осуществляться разными способами. Защита кардана при помощи резинового кожуха показана на рисунке 4. Полость кожуха перед сборкой набивается смазкой. Рисунок 3 – Защита длинного винта механизма крана при помощи телескопической трубы: 1 – винт, 2 – ось крепления к стреле; 3 – труба; 4 – уплотнение Рисунок 4 – Защита шарнира Гука с помощью резинового кожуха

Рисунок 4 – Сферический шарнир рулевой трапеции автомобиля: 1 – палец шарнира; 2 – сухарь; 3 – корпус гарнира; 4 – сферические шайбы; 5 – резиновое кольцо; 6 – прижимной колпачок; 7 – масленка Рисунок 5 – Схема шарнира ковшевой цепи с уплотненными кольцами: 1 – тонкое звено цепи; 2 – резиновое кольцо; 3 – палец; 4 – полное звено цепи; 5 – точка подачи смазочного материала